CAPTAREA APEI SUBTERANE

1. Generalitati

Apa libera care circula in rocile granulare sau fisurate si care poate fi captata sub nivelul terenului sau cand aceasta iese liber la suprafata se numeste apa subterana. Sursele de apa subterana pot fi cu nivel liber sau sub presiune. In cazul in care stratul permeabil purtator de apa este marginit pe o portiune de nivelul liber al terenului se formeaza izvor.

Determinarea elementelor hidrogeologice ale stratelor acvifere

Pentru dimensionarea corecta a captarilor din surse subterane este necesar sa fie cunoscute elementele hidropedologice ale stratului.

Elementele hidrogeologice ale unui strat acvifer sunt:

natura stratului: - cu nivel liber

- sub presiune

din material granular

din roca fisurata

grosimea stratului de apa si pozitia nivelului hidrostatic

valoarea medie a coeficientului de permeabilitate

panta hidraulica si directia de curgere

porozitatea stratului purtator

granulozitatea

debitul maxim capabil al stratului

curba de pompare q =f(s)

transmisivitatea: T = kM; T = kH

coeficientul de inmagazinare S.

Pentru obtinerea acestor elemente, in teren se executa foraje de studiu.

1. Determinarea stratelor de apa subterana

In cercetarea stratelor de apa, geofizica utilizeaza doua metode: metoda geoelectrica si metoda seismica.

Metoda geoelectrica se bazeaza pe masurarea rezistivitatii electrice a rocilor strabatute de un curent electric continuu.

Metoda microseismica consta in producerea de socuri pe sol care se propaga prin unde in toate directiile cu o viteza proportionala cu caracteristicile elastice ale rocilor (in rocile uscate undele se propaga mai greu fata de rocile imbibate cu apa).

Daca rezultatele confirma existenta stratului de apa se trece la metoda de cercetare prin foraje de studiu care ofera elementele cantitative necesare in calculele de dimensionare a captarii.

Determinarea grosimii stratului de apa si a nivelului apei

In cazul acviferului cu nivel liber se masoara adancimea de la cota terenului la cota nivelului apei, iar in cazul acviferului sub presiune se determina cota nivelului tavanului care limiteaza stratul prin verificarea probelor de pamant scoase si calitatea noroiului de foraj. Prin continuarea forajului se determina cota stratului impermeabil suport.

Grosimea stratului de apa pentru calcul:

(1)

in care: H - grosimea masurata a stratului de apa in studiul efectuat;

N_min - inaltimea precipitatiilor anuale in anul cel mai secetos;

N - inaltimea precipitatiilor anuale in anul in care se fac studiile.

3. Determinarea directiei de curgere si a marimii pantei hidraulice

Pentru determinarea pantei stratului de apa se executa foraje dispuse in triunghi cu latura de 100÷150 m, grupul de foraje fiind repetat la distante de 500 m. Se determina in fiecare put, cota nivelului apei, raportata la acelasi sistem de referinta.

Fig.1. Determinarea grafica a pantei stratului de apa:
a) plan static cu trei foraje; b) trasarea hidroizohipselor

Cunoscand 3 puncte din acel plan se poate determina marimea pantei si directia de curgere normala pe curbele de nivel de pe suprafata apei numite hidroizohipse.

4. Determinarea curbei putului q = f(s)

In foraj se introduce o pompa a carei conducta de refulare se prelungeste pana la o cutie metalica (haba) cu V = 1,0 m³. Se introduce in put un sistem de masurat nivelul. Se face pompare la 20% din capacitatea pompei regland vana pe refulare. Nivelul se stabilizeaza in maxim 3 zile. Se determina debitul si nivelul. Se mareste debitul pompei si se obtin perechi de valori q si s pentru a se trasa q = q(s).

5. Determinarea coeficientului de permeabilitate Darcy

Se determina in practica prin metoda pomparilor de proba.

Pe langa forajul de baza din care se pompeaza apa se executa inca doua foraje de observatie amplasate pe directia perpendiculara directiei de curgere a apei in strat la distante cunoscute. Daca din forajul de baza se executa pompari, in jurul putului se produce o palnie de denivelare care va avea valori diferite in cele 3 foraje. Rezulta, cu relatia Darcy:

()

in care a₁ si a₂ sunt distantele de la forajul de baza la forajele de observatie (fig.).

Fig. Determinarea coeficientului de permeabilitate prin pompari de proba

Pentru a se obtine valorile acestui coeficient in strat se fac cel putin 3 determinari cu valori diferite pentru debit si se adopta o valoare medie pentru k.

6. Determinarea granulozitatii stratului acvifer

Granulozitatea se determina prin probe de cernere efectuate asupra materialelor scoase din foraj. Curbele granulometrice determinate, permit sa se determine valorile caracteristice pentru strat. Valoarea cea mai des folosita este marimea d₄₀ - diametrul corespunzator ochiurilor de sita care permite trecerea a 40% din materialul cernut. Functie de aceasta valoare normativele stabilesc o valoare limita a vitezei de circulatie a apei astfel incat nisipul din stratul poros de langa put sa nu fie spalat.

Tabelul 1.

Pentru valori mai mari ale granulelor valoarea vitezei se poate calcula:

(3.)

in care k este exprimat in m/s.

7. Determinarea vitezei reale de circulatie a apei in strat

Intre viteza de curgere a apei v_r si viteza aparenta v_a exista relatia:

(4.)

Prin introducerea intr-un foraj de studiu a unui colorant stabil in apa sau a unui trasor radioactiv se poate determina v_r - viteza reala de curgere a apei, putandu-se determina astfel si coeficientul de porozitate care poate avea valori p = 0,05÷0,30.

8. Determinarea debitului disponibil de captat din strat

Pentru o portiune de strat cu caracteristici hidrogeologice relativ apropiate debitul stratului se poate determina:

(5.)

in care: H - inaltimea stratului de apa subterana

L - lungimea stratului

k - coeficient de permeabilitate

i - panta stratului de apa.

Pentru un strat format din mai multe segmente:

(6.)

9. Determinarea debitului maxim al unui put (debit optim)

Pentru a determina numarul de puturi, este necesar sa se determine debitul maxim (debit capabil) pe care il poate da un put in conditii normale de functionare indelungata.

Urmand relatiile Depuit-Thieme:

(7.)

si

(8.)

se observa ca pentru a se obtine debite maxime se poate actiona asupra razei putului r_o si (H² - h_o²) sau (H - h_o).  

Raza putului r_o nu se poate mari foarte mult datorita executiei care se complica. In tara exista utilaje de foraj pana la D = 1500÷1200 mm, dar in mod normal coloana putului ramane la (200÷400) mm, spatiul ramas fiind completat cu pietris margaritar. Influenta termenului H² - h_o², (H - h_o) este maxima in cazul in care h_o = 0. Prin micsorarea lui h_o creste debitul, dar creste si viteza de infiltratie a apei prin peretii coloanei de filtru. Limita acestei viteze este viteza admisibila. La valori mai mari decat aceasta, particulele de nisip sunt antrenate de apa captata fapt care duce la deteriorarea utilajului de pompare, colmatarea unor instalatii si prabusirea terenului in zona de captare. Limita de debit peste care se produce innisiparea se gaseste:

(9.)

Reprezentand grafic cele doua curbe, curba de pompare q = f(s) si curba care reprezinta debitul, limita inainte de innisipare q = f(v_admis) rezulta valoarea maxima a debitului ce poate fi extras din put.

Fig.3. Determinarea debitului optim al unui put:
a) strat freatic cu nivel liber; b) strat sub presiune

Raza de influenta a putului se poate determina aproximativ cu relatii semiempirice:

(m) (10.)

(m) (11.)

in care k si H exprimate in (m/s) si (m).

10. Determinarea transmisivitatii

Coeficientul de transmisivitate se determina:

T = kM (m²/s) (1)

T = kH (m²/s) (13.)

in care: k - coeficientul de permeabilitate si

H, M - grosimea stratului acvifer.

11. Determinarea coeficientului de inmagazinare

Coeficientul de inmagazinare S reprezinta volumul de apa care se poate elibera din volumul de strat acvifer cu baza egala cu o unitate de suprafata cand inaltimea piezometrica scade cu o unitate.

S = a₀.g.m_v   (14.)

in care : a₀ - grosimea stratului de apa echivalenta presiunii hidrostatice

g - greutatea specifica a apei

m_v - coeficientul de compresibilitate verticala a rocii.

Orientativ, valorile coeficientului de inmagazinare si porozitatea pentru strate de mica adancime sunt date in tabelul

Tabelul

1 Determinarea influentei intre puturi

Datorita capacitatii reduse de debitare a puturilor pentru o captare de apa se executa mai multe puturi. Distanta intre ele ar trebui sa fie de doua ori raza de influenta. Deoarece raza de influenta poate fi foarte mare si amplasarea puturilor ar conduce la mari complicatii constructive si de exploatare este necesar a se lua a < 2R, deci curbele de infiltratie se pot suprapune, iar debitul fiecaruia se micsoreaza. Din acest motiv se suplimenteaza numarul puturilor (STAS 1628) cu 20%.

3. Captarea apei subterane in puturi

Puturile sunt constructii pentru captarea apei subterane utilizate cand adancimea stratului de baza este mai mare de (7÷8) m si grosimea stratului de apa depaseste (2÷3) m. Se utilizeaza puturi sapate si puturi forate.

3.1. Puturi sapate

Se adopta solutia put sapat in cazul in care Q < 100 l/s, iar stratul acvifer cu o adancime prea mare. Este posibil de realizat, dar in general se executa obisnuit foraje cu instalatii mecanice de foraj si care pot fora gauri pana la 1300 mm.

Avand un diametru mare (1÷3) m aceste puturi acumuleaza un volum mare de apa, iar la intrarea unui debit mai mare din put nivelul apei variaza foarte lent si deci nu se produce o variatie brusca a vitezei de intrare a apei in put.

In cazul stratelor cu granulatie mare a materialului filtrant se pot obtine debite mari pe put si deci un numar mic de puturi.

Debitul maxim se determina:

q_max = pD(H - s)v_aa (15.)

Alegerea diametrului se face in functie de tehnologia de executie si de tipul de barbacane.

Pentru putul cu perete neted si barbacana inglobata (fig.5.) a = 0,20, diametrul este diametrul interior al constructiei, iar pentru barbacane din perete (cu camasa metalica de protectie pe perioada lansarii) si cu coroana de pietris margaritar avand rol de filtru invers si pentru lestare a

Conform metodologiei prezentate debitul maxim (optim) se gaseste la intersectia curbei de pompare q = f(s) cu dreapta debitului maxim.

Curba de pompare a fost obtinuta intr-un foraj de studiu cu diametru mic (2r₀) in comparatie cu D - diametrul putului sapat.

Presupunem ca pentru un debit q pentru forajul cu diametrul 2r₀, curba de infiltratie este data. Trebuie sa se gaseasca h₁ = H - S₁ pentru diametrul D al putului sapat.

Fig.4. Schema de calcul pentru curba de pompare a putului sapat

Din ecuatia putului rezulta:

(16.)

Pentru o valoare a debitului q se determina h₁, respectiv s₁ si se poate trasa curba q₁ = f(s₁) urmand metodologia prezentata pentru aflarea debitului maxim.

Fig.5.a. Put sapat: Detaliu de constructie a putului

Fig.5.b. Detalii de barbacane

3. Puturi forate

Domeniul de aplicatie este mult mai larg fiind utilizate pentru toate tipurile de acvifer.

Fig.6. Put forat

Elementele de dimensionare au fost prezentate anterior.

4. Sisteme de colectare a apei din puturi

Se utilizeaza doua sisteme de colectare a apei din puturi: sistem de colectare prin sifonare cu put colector sau cazan de vacuum si sistem de colectare prin pompare cu pompe submersibile amplasate in puturi.

4.1. Sistemul de colectare prin sifonare

Schemele posibile ale captarilor cu puturi prin sifonare sunt: sistem de colectare prin sifonare clasica si sistem de sifonare cu cap auto-amorsant.

4.1.1. Sistemul de colectare cu sifonare clasica

Conducta colectoare, care constituie sifonul, este ingropata la (1÷1,5) m sub cota terenului cu panta de minim 1‰ spre putul colector sau cazanul de vacuum. La acest colector se racordeaza cate o conducta formata din: o parte verticala asezata in put, cu capatul liber la minim 1÷1,5 m sub nivelul cel mai scazut al apei; a doua parte asezata in rampa si legata la colector. Capatul final este la putul colector sau cazanul de vacuum.

Diferenta de nivel intre cocoasa sifonului si NH_{d min} al apei in putul colector (sarcina sifonului) nu trebuie sa depaseasca (6÷7) m. Viteza apei in aceste conducte se considera (0,4÷0,8) m/s. Asigurarea functionarii sifonului (H_s < 6÷7 m) se poate asigura prin utilizarea unor viteze de curgere prin acesta mai mici, deci diametre mari, si micsorarea pierderilor de sarcina. Prin acestea denivelarea s in putul colector scade sau ingroparea colectorului la o adancime mai mare (nu mai mult de 3÷4 m).

Pentru instalatia de amorsare se are in vedere un debit de aer evacuat la un vacuum de (6÷7) m reprezentand circa 10% din debitul de apa.

Fig.7. Colectarea apei in puturi prin sifonare si put colector

In cazul unui numar redus de puturi, cu inaltimi mici de aspiratie, asezare convenabila fata de consumator, linie electrica de alimentare, se poate aseza putul colector si la unul din capetele liniei de captare. In acest caz distanta putului colector fata de ultimul put va fi de minim 10 m, dar nu mai mare de (20÷30) m.

4.1. Sistemul de colectare cu sifon autoamorsat

In cazul in care nu se permite asezarea in rampa a conductei colectoare (linie de puturi asezata paralel cu malul unui rau pentru captarea apei infiltrata prin mal) asezarea colectorului se face paralel cu linia terenului. Se dimensioneaza astfel incat sa functioneze cu un grad de umplere j = 0,8. Spatiul de aer de deasupra asigura circulatia aerului degajat din apa, circulatie care are loc atat datorita antrenarii de catre curentul de apa cat si datorita capului autoamorsat.

Viteza maxima nu trebuie sa depaseasca 1,2 m/s.

Fig.8. Colectarea apei din puturi cu cap autoamorsat.

Putul colector in amandoua variantele se dimensioneaza astfel incat sa permita amplasarea tuturor conductelor cu distanta maxima intre ele si intre acestea si pereti de (20÷25) cm.

Diametrul poate fi 3, 4, 5, 6 m. Inaltimea se determina astfel incat sa se asigure (1÷1,5) m garda fata de suprafata libera la NH_{d min} si (1÷1,5) m fata de fund pentru a nu se antrena nisipul care eventual s-a depus. Pentru depunerea nisipului se prevede un spatiu de (1÷2) m.

Se leaga 4÷6 puturi la un colector secundar si acest colector printr-o vana se leaga la colectorul care ajunge la putul colector.

Fig. 9. Detaliu de put colector cu trei conducte sifon

Fig. 10. Detaliu camin de vane pe sistemul de colectare

4. Sistemul de colectare prin pompare

La puturile care capteaza apa din stratele de adancime medie si mare se echipeaza fiecare put cu pompe submersibile care refuleaza apa intr-o conducta colectoare care lucreaza sub presiune. Se utilizeaza acest sistem numai in cazul in care sistemul cu sifonare nu poate functiona normal.

La adancimi peste 20 m si debite mici se utilizeaza pompe submersibile, iar la adancimi mai mici se pot utiliza pompe verticale cu coloana (fig.11.).

Fig.11. Schema de pompare a apei din puturi cu pompe submersibile

5. Dimensionarea captarilor cu puturi

Pentru dimensionarea captarilor cu puturi se cunosc urmatoarele elemente:

debitul ce trebuie captat Q_Id

caracteristicile stratului acvifer : H, k, i, p, d₄₀

planul de situatie al zonei.

Se determina:

a) lungimea frontului de captare:

pentru acvifer cu nivel liber:

(17.)

pentru acvifer sub presiune:

(18.)

b) debitul optim pe put din curba de pompaj si dreapta vitezei aparente admisibile;

c) numarul de puturi: ; coeficientul 1,2 se ia pentru siguranta conform STAS 1629

d) debitul efectiv al unui put:

(19.)

e) distanta intre puturi:

(20.)

aceasta trebuie limitata la minim 50 m pentru puturi in acvifer cu nivel liber si 100 m la acvifer sub presiune. Daca rezulta mai mica decat 50 m sau 100 m se adopta distanta minima.

f) recalcularea lungimii frontului de captare: L = (n - 1)a

g) sistemul de colectare a apei de puturi

Pentru puturile in strat freatic cu nivel liber se incepe cu sistemul de sifonare clasic sau cu cap autoamorsat. Se leaga convenabil cate 4÷6 puturi la colector asezand convenabil putul colector.

Conductele se dimensioneaza la v = (0,4÷0,8) m/s pentru sifonare clasica si la o viteza corespunzatoare pantei terenului egala cu panta colectorului cu cap autoamorsat la un grad de umplere maxim 0,8.

Daca se asigura H_v = 6÷7 m sistemul poate fi adoptat, iar in caz contrar se recurge la sistemul cu pompe individuale in put. Pompa se alege la un debit egal sau mai mic decat debitul efectiv al putului. Se recalculeaza numarul de puturi pentru noul debit (debitul pompei) si denivelarea apei in put. Conducta colectoare se dimensioneaza la (0,8÷1,0) m/s.

h) distanta de protectie sanitara - marimea perimetrului de regim sever

Utilizand graficul din figura 13.a. se calculeaza distanta D₁ conform paragrafului 7.

* pentru acvifer cu nivel liber:

* pentru acvifer sub presiune:

pentru durata de parcurgere T = 20 zile, iar din grafic se determina D_amonte, D_aval, D_lateral cu reducerea la dimensiunile minime indicate: D_am = 50 m

D_av = 20m

i) alegerea coloanei de filtrare este o problema importanta intrucat de eficienta ei depinde durata de viata a putului;

De regula puturile au o singura coloana cu lungimea egala cu grosimea stratului acvifer. In cazul in care stratul acvifer este format dintr-o succesiune de strate permeabile separate de lentile impermeabile coloana este din mai multe bucati.

Alegerea tipului de coloana de filtru este legata de tipul de material pentru coloana, usor de prelucrat mecanic si avantajos hidraulic. Materialul trebuie protejat contra coroziunii, otel inox (tabla sau sarma), masa plastica. Se poate alege o coloana tip punte executata din otel inox sau otel protejat cu orificii cu deschiderea 3÷4 mm. Procentul de goluri h calculat ca raportul dintre suprafata activa si suprafata laterala totala a coloanei, este important intrucat trebuie sa asigure un acces favorabil al apei in put dar si sa-i asigure acesteia rezistenta mecanica.

Pentru o coloana cu lungimea egala cu grosimea stratului M, pentru a avea o colectare relativ uniforma a apei pe intreaga coloana, este necesar ca:

(23.)

Pentru a avea o rezistenta hidraulica redusa:

(24.)

cu:

in care m - coeficientul de debit la curgerea prin orificiile coloanei (cu nisip sau pietris margaritar); h - procentul de goluri, D - diametrul coloanei de filtrare.

La coloane cu lungimi pana la 5÷6 m se poate accepta o colectare uniforma a apei pe toata lungimea, iar la un procent de goluri de peste 10% rezistenta hidraulica a filtrului este foarte redusa.

6. Captari orizontale din stratul acvifer

6.1. Drenuri de captare a apei

In cazul stratelor de grosime mica (2÷5) m si care se afla la adancime relativ mica, sub cota terenului (8÷10) m este indicata captarea apei in dren.

Drenul este un element constructiv permeabil care, asezat perpendicular pe directia de curgere a apei in strat, capteaza apa si o transporta la putul colector.

Drenurile pot fi:

nevizitabile (dren propriu-zis)

vizitabile (galerii).

In functie de panta piezometrica in regim natural a stratului acvifer, drenurile pot fi:

de coasta; i > 0,01 (primesc apa pe o parte)

in bazin ; i < 0,01 (primesc apa pe doua parti).

Drenurile se amplaseaza la baza stratului acvifer intr-o transee. Daca se considera necesar, la baza, pentru a aseza tuburile de drenaj se executa un strat de beton de egalizare de (10÷20) cm.

Diametrul drenului creste catre putul colector, iar schimbarea diametrului se face intr-un camin al carui radier este mai coborat cu 50 cm decat cota radierului tubului.

In jurul tubului de dren se prevede un filtru invers din straturi de minim 10 cm grosime.

Fig.1 Captare cu dren de coasta.

Marimea granulelor se stabileste ca la filtrul invers.

La 50 cm deasupra nivelului stratului de apa se executa o saltea de argila de circa 30 cm grosime cu una sau doua pante pentru a nu permite apelor de suprafata sa se infiltreze in dren. Putul colector se aseaza la jumatatea frontului, iar la debusarea drenului in put se prevede o stavila de perete.

6. Dimensionarea captarilor cu dren

Pentru dimensionarea captarii se cunosc urmatoarele elemente:

debitul ce trebuie captat Q_Id

caracteristicile stratului acvifer: H, k, i, p, d₄₀.

Se determina:

a) lungimea frontului de captare s lungime dren:

dren de coasta:

(25)

dren in bazin:

(26.)

b) panta longitudinala a drenului se adopta in functie de configuratia terenului si de marimea drenului.

Viteza apei in dren trebuie sa fie mai mare de 0,7 m/s.

Panta longitudinala nu trebuie sa fie mai mica de i = 0,001

c) sectiunea transversala a drenului D_n se calculeaza corespunzator unui grad de umplere j = h/D = 0,5 si D_{n minim} = 250 mm. Se presupune ca drenul colecteaza apa din strat cu debit uniform pe toata lungimea. Se trece succesiv la diametrele 300, 400, 500 mm si se determina lungimile corespunzatoare pana cand debitul asigurat de ultima sectiune este egal sau mai mare decat debitul drenului in sectiunea de langa putul colector.

d) distanta de protectie sanitara se determina pentru drenuri de coasta:

(27)

Pentru drenuri in bazin se utilizeaza graficul din fig.13.b., se calculeaza raportul si , iar din grafic rezulta h = h₁/H se deduce din relatia (27.).

Fig.13. Grafice pentru calculul simplificat al zonei de protectie sanitara

a. pentru puturi; b. pentru dren

Daca terenul este limitat, valorile D_am, D_av, D_lat pot fi reduse, dar nu mai mult de 20 m.

7. Protectia sanitara a captarilor de apa

7.1. Protectia captarilor cu puturi

Deoarece in cazul apei subterane apa indeplineste conditiile STAS 1342-91, pentru a fi potabila, este necesara numai o dezinfectare. Intrucat nu se prevede statie de tratare, sursa trebuie protejata.

O prima masura de protectie se ia prin alegerea amplasamentului in amonte sau lateral de localitate sau industrii, astfel incat apa de suprafata care spala localitatea sa nu ajunga la captare. Exceptie fac de la aceasta regula captarile de la adancimi mai mari de 100 m.

La o impurificare naturala cu substante chimice sau organice biodegradabile, daca apa curge printr-un strat poros curat timp de 20 de zile, atunci datorita procesului natural de autoepurare al solului, apa se purifica si capata caracteristicile unei ape potabile.

Aceasta presupune ca suprafata de teren aferenta acestei distante de curgere trebuie pastrata curata din punct de vedere sanitar si aparata impotriva oricaror impurificari accidentale. Aceasta suprafata - perimetru de regim sever - se imprejmuieste, accesul fiind interzis. Zona se inierbeaza si nu se folosesc nici un fel de ingrasaminte, erbicide sau insecticide. Amonte de captare aceasta zona nu va fi mai mica de 50 m, iar aval si lateral 20 m (Decret 1059-67). In jurul acestei zone se instituie zona de restrictie corespunzator unei durate de 50 zile. Amplasarea in aceste zone a unor constructii se face numai cu avizul organelor sanitare.

Marimea perimetrului de regim sever se calculeaza considerand ca in T = 20 zile putul functionand cu debit maxim trebuie sa scoata toata apa continuta in cilindrul de raza D₁, grosime M si porozitate p.

Tq_max = ppD₁²M  (28.)

(m) (29.)

Pentru put in strat freatic:

(30.)

Pentru un sir de puturi se pot folosi diagramele din fig.13.a.

Daca valorile pentru D_am, D_av, D_lat sunt mari, acestea se pot reduce la 50 m amonte si 20 m aval si lateral, dar nu mai pot fi garantate caracteristicile bacteorologice si este obligatorie clorarea apei.

In cazul puturilor de adancime de cel putin (40÷50) m perimetrul se instituie de dimensiuni minime (10÷20) m din motive constructive.

7. Protectia captarilor cu drenuri

In cazul drenurilor distanta amonte se ia egala cu lungimea drenului parcurs in 20 zile.

(31.)

sau se reduce la 50 m amonte si 20 m aval daca rezulta mai mare, asigurandu-se totodata dezinfectarea artificiala.

La drenul in bazin problema se rezolva prin incercari conform cu fig.13.b.

(3)

in care: h₁ = h H coeficientul h calculat cu graficul din fig.13.b. in functie de h ; h₀ - inaltimea stratului de apa in dreptul drenului, H - grosimea stratului de apa.

Aplicatia 1.

Sa se determine elementele caracteristice ale captarii subterane cu puturi stiind ca:

- Q_Ic = 5625 m³/zi = 65 l/s

- grosimea stratului acvifer H = 9,9 m

- d₄₀ = 0,5 mm

- curba de pompaj: s = 0,04q(q + 1)

- coeficientul de permeabilitate K = 70 m/zi

- plan de situatie

Schema sistemului de alimentare cu apa

C - captare

SP - statie pompare

A - apeduct

R - compartiment de inmagzinare a apei (castel de apa, rezervor)

RD - retea de distributie a apei

Determinarea elementelor caracteristice pentru captarea subterana CS:

H = 8 + 0,1Ns = 8 + 0,1 19 = 9,9 m

s = 0,04q(q+1)

q₁ = 1 l/s s₁ = 0,08 m

q₂ = 4 l/s s₂ = 0,80 m

q₃ = 10 l/s s₃ = 4,40 m

d_40% = 0,5 mm cf. temei (40% din granulele stratului acvifer au marimea 0,5 mm)

se alege:

d₄₀ = 0,5 mm v_a = 1 mm/s

d₄₀ = 1 mm v_a= 2 mm/s

d₄₀ = 0,25 mm v_a = 0,5 mm/s

deci: Q_max = 2prHv_a

Q^max = 300.10^-3.3,14.9,9.1.10^-3 m³/s

Q_max = 9326.10^-6 m³/s

deci: Q_max = 9,33 l/s

1. Determinarea lungimii frontului de captare.

Q_Ic = Q_s.zi.max. = 5625 m³/zi = 65 l/s

K - coeficient de permeabilitate = 70 m/zi

i - panta hidraulica - panta medie a terenului

Fig.14. Calculul pantei medii

L = 1160 m

Determinarea debitului optim si a denivelarii optime.

Fig.15. Determinarea debitului optim

Din reprezentarea grafica din figura 15. rezulta:

s₀ = 2,20 m

q₀ = 7,30 l/s

3. Numarul de foraje:

n₀ = 1,2n = 10,68 

n₀ = 11 foraje

4. Debitul efectiv al unui foraj:

5. Distanta intre foraje:

6. Distanta de protectie sanitara:

Se adopta: D_amonte = 50 m

D_aval = 20 m

D_lat =35m

p - porozitatea = 0,3

T - timpul normat de filtrare a apei in strat; pentru perimetrul de regim sever T = 20zile

Deoarece D > 50m

e necesar D =105 m

7. Captarea apei prin sifonare clasica:

Fig.16. Schita pentru captarea apei prin sifonare clasica din puturi

Dimensionarea conductelor prin sifonare

Tronson	Q (l/s)	Dn (mm)	j	v (m/s)	L (m)	hr=J.L(m)	cote piezometrice
F1-2	q’=5,9				l+3m+l0		NFHd = 118,300 cota piezo 2
F2-3	2q’=11,8						cota piezo 3
F3-4	3q’=17,7						cota piezo 4
F4-5	4q’=23,6						cota piezo 5
F5-6	5q’=29,5						cota piezo 6
F6-A	6q’=35,5						cota piezo A
A-PC	Fq’=65						NPC=116,032

- Cota teren put colector C_TPC = 123,00 m

- Cota ax conducta sifonare langa PC = C_TPC - 1,5 m = 123,00 - 1,50 = 121,50m

- Cota in dreptul primului foraj F₁ = cota ax cond. sifonare langa PC - [5,5 l + (3,0 + 3,0)]i_c

C^F1_T =121,5 - [(5,5

C^F1_T=121,5 - 1,167 =120,33 m

- Cota conducta de sifonare partea inferioara = C^F1_T - 2,5 - H + 1 m = 123,0 - 2,5 - 9,9 + 1

C^F1_T = 111,60 m

l₀ = cota in dreptul lui F₁ - cota conducta sifonare partea inferioara

deci: l₀ = 120,33 - 111,60 = 8,73 m

l₀ = 8,73 m < H = 9,9 m

N_Hst ^F1 = nivel hidrostatic corespunzator F₁

N_Hst ^F1= C^F1_Tcaptare - 2,50 m = 123,00 - 2,50 = 120,5 m

N_Hd ^F1= N_Hst ^F1 – s₀ = 120,50 - 2,2 = 118,30 m (s₀ = 2,2 m)

C²_piezo = N_Hd^F1 - h_r^F1-2 = 118,30 - 0,408 = 117,89 m

C³_piezo = N_Hd^F1 – h_r^F2-3 = 117,89 - 0,525 = 117,36 m

C⁴_piezo = N_Hd^F1 - h_r^F3-4 = 117,36 - 0,473 = 116,89 m

C⁵_piezo = N_Hd^F1 - h_r^F4-5 = 116,89 - 0,420 = 116,47 m

C⁶_piezo = N_Hd^F1 - h_r^F5-6 = 116,47 - 0,210 = 116,26 m

C^A_piezo = N_Hd^F1 - h_r^F6-A = 116,26 - 0,168 = 116,092 m

C^A-PC_piezo = N_Hd^F1 - h_r^A-PC = 116,092 - 0,060 = 116,032 m

Verificare:

N_Hd^F1 - ah_r = N_PC

ah_r = 0,408 + 0,525 + 0,473 + 0,420 + 0,210 + 0,168 + 0,06 = 2,264;

D_PC = 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 m.

Q_IC = 234 m³/h 

t_f = 1’

Luam D_PC = 4 m pentru putul colector

3,9 = 12,56h_u, de unde: h_u = 0,31 m < 1,0 m

Deci, diametrul ales D_PC = 4,0 m este bun.

N_PC^min = N_PC - h_u

N_PC= 116,032 - 0,31 = 115,722 m

H_vacuum = cota ax conducta de sifonare la intrare in PC minus N_PC

H_vacuum = 121,50 - 115,722 = 5,778 m

Se verifica H_vac. < 6÷7 m si solutia poate fi adoptata.

Aplicatia

Captare din strat acvifer sub presiune, prin sir de foraje
echipate cu electropompe submersibile prin conducte de refulare

Sa se determine elementele caracteristice ale captarii subterane cu puturi stiind ca:

- Q_IC = 5625 m³/zi = 65 l/s

- grosimea acviferului M = 11,9 m

- d_40% = 0,5 mm

- coeficientul de permeabilitate K = 70 m/zi

- plan de situatie

Elementele captarii:

M - grosimea stratului captiv 

N_s = 19

M = 10 + 0,1N_s;

M = 10 + 0,1 19=11,9 m

M = 11,9 m

1. Lungimea frontului de captare Lfc.

Q_Ic = 5625 m³/zi

K - coeficient de permeabilitate = 70 m/zi

i - panta hidraulica - panta medie a terenului

i = 4%

M = 11,9 m/zi

L_fc = 169,0 m

Debitul optim pentru un foraj

q = KMs;

K - coef. de permeabilitate = 70m/zi

v_a = 1mm/s

q₀ = Q_max = 2prMv_a

q₀ = 3,14 v_a

q₀ = Q_max = 3,14

q₀ = 11209 10^-3 l/s = 11,21 l/s

q₀ = 11,21 l/s

Rezulta din graficul din fig.18.

s₀ = 1,20 m

q₀ = 11,21 l/s

Fig.18. Determinarea debitului optim pe put

3. Determinarea numarului de foraje

n = 1,2 no = 6,95 

n = 7 foraje

4. Debitul efectiv pe put

Debitul unui foraj: q’ = 9,30 l/s

5. Distanta intre foraje

cum l = 24,14 < 100m se adopta l = 100m

L_fc = 100 n = 100 7 = 700m

6. Distanta de protectie sanitara

(m)

in care:

K = 70 m/zi

i = 0,04

p - porozitatea = 0.3

T - timpul normat de filtrare a apei in strat; pentru perimetrul de regim sever T=20zile

D = 186,66 m > 50 m

Se adopta: D_amonte = 50 m

D_aval = 20 m

D_lat = 35 m

La sursa se prevad instalatii pentru dezinfectia apei.

Fig.19. Schita pentru calculul sistemului de colectare a apei din puturi

7. Dimensionarea conductelor de colectare a apei din puturi

Dimensionarea conductelor se face astfel incat vitezele sa fie cuprinse in domeniul 0,6 m/s÷1,2 m/s

C_piezo⁷ = C_T^R + 5 m + h_r^7-R = 138,00 + 5,95 = 143,95 m

C_piezo⁶ = C_piezo⁷ + h_r^6-7 = 143,95 + 0,80 = 144,75 m

C_piezo⁵ = C_piezo⁶ + h_r^5-6 = 144,75 + 0,45 = 145,20 m

C_piezo⁴ = C_piezo⁵ + h_r^4-5 = 145,20 + 0,38 = 145,58 m

C_piezo³ = C_piezo⁴ + h_r^3-4 = 145,58 + 0,48 = 146,06 m

C_piezo² = C_piezo³ + h_r^2-3 = 146,06 + 0,28 = 146,34 m

C_piezo¹ = C_piezo² + h_r^1-2 = 146,34 + 0,80 = 147,14 m

C_piezo^F1 = C_piezo¹ + h_r^F1-1 = 147,14 + 0,072 = 147,212 m

C_piezo^F2 = C_piezo² + h_r^F2-2 = 146,34 + 0,072 = 146,412 m

C_piezo^F3 = C_piezo³ + h_r^F3-3 = 146,06 + 0,072 = 146,132 m

C_piezo^F4 = C_piezo⁴ + h_r^F4-4 = 145,58 + 0,072 = 145,652 m

C_piezo^F5 = C_piezo⁵ + h_r^F5-5 = 145,20 + 0,072 = 145,272 m

C_piezo^F6 = C_piezo⁶ + h_r^F6-6 = 144,75 + 0,072 = 144,822 m

C_piezo^F7 = C_piezo⁷ + h_r^F7-7 = 143,95 + 0,072 = 144,022 m

N_Hd^F1 = C_T^F1 - 3,5 m – s₀ = 122,0 - 3,5 - 1,2 = 117,30 m

N_Hd^F1 = 117,30 m

Inaltimea de pompare pe forajul F₁

H_p^F1 = C_piezo^F1 - N_Hd^F1 = 147,212 - 117,30 = 29,91 m

H_p^F2 = C_piezo^F2 - N_Hd^F2 = 146,412 - 117,30 = 29,112 m

H_p^F3 = C_piezo^F3 - N_Hd^F3 = 146,132 - 117,30 = 28,832 m

H_p^F4 = C_piezo^F4 - N_Hd^F4 = 145,652 - 117,30 = 28,352 m

H_p^F5 = C_piezo^F5 - N_Hd^F5 = 145,272 - 117,30 = 27,972 m

H_p^F6 = C_piezo^F6 - N_Hd^F6 = 144,822 - 117,30 = 27,522 m

H_p^F7 = C_piezo^F7 - N_Hd^F7 = 144,022 - 117,30 = 26,722 m

Aplicatia 3.

Sa se determine elementele caracteristice ale unei captari subterane cu puturi cunoscand:

- Q_IC = 4084,5 m³/zi = 0,047 m³/s

- i = iT

- nivelul apei se gaseste la 6,50 m sub cota terenului

- grosimea acviferului M = 9,05 m

- d₄₀ = 0,5 mm

- coeficientul de permeabilitate K=70 m/zi

- curba de pompaj s = 0,04q(q + 1)

- grosimea stratului acvifer din anul de studiu: H = 9,05 m

- precipitatii atmosferice minime anuale: N_min = 525 mm

- precipitatiile in anul de studiu: N_st = 691,67 mm

A. Calculul elementelor captarii cu put forat din acvifer cu nivel liber

1. Lungimea frontului de captare:

Miscarea apei subterane in stratele acvifere continue se face in conformitate cu legea lui Darcy (regim de curgere laminara); face exceptie numai o zona redusa situata in imediata vecinatate a constructiilor de captare, unde viteza apei creste sensibil, astfel incat regimul de miscare se departeaza de cel laminar, dar acest fapt nu influenteaza calculul general al captarii, ci produce o coborare mica a nivelului apei in puturi.

Lungimea L a frontului de captare se calculeaza in ipoteza ca intreaga lungime a stratului acvifer care transporta debitul ce trebuie captat este interceptata de puturi, dispus perpendicular pe directia de curgere a curentului subteran.

Pentru strate de apa cu nivel liber expresia de calcul a lungimii frontului de captare este:

(m)

in care:

Q_c - debitul de calcul al captarii (m³/s);

H_min - grosimea medie a stratului de apa subterana cu nivel liber pe lungimea frontului de captare la nivelul cel mai scazut al apei subterane, dupa perioade lungi de seceta (m);

K - coeficient mediu de permeabilitate al stratului acvifer, calculat prin metode statistice ca valoare medie ponderata (m/s);

i - panta hidraulica medie a curentului subteran;

i = i_T =1,2%

Calculul debitului maxim pe put (Q_max.put):

Debitul se determina pe baza rezultatelor obtinute la probele de pompare, punandu-se conditia de limitare a vitezei de intrare a apei in put, pentru a se evita innisiparea putului. Viteza aparenta admisibila de intrare a apei in put se calculeaza cu relatia de tip Sichardt:

K - coeficient de permeabilitate (m/s)

a - coeficient care se ia de regula egal cu 15, iar la strate acvifere cu granulatie foarte fina se ia egal cu 18.

In cazul unui strat de apa freatica, determinarea debitului maxim capabil al unui put de captare se face prin metoda grafica si anume: se traseaza grafic curba debitului in functie de denivelare, dupa rezultatele obtinute la probele de pompare, insa raportate la nivelul apei subterane dupa perioada de seceta, adica la nivelul corespunzator H_min.

Consider D_foraj = 300 mm.

Corespunzator la 40% din diametrul particulelor de nisip de 0,5 mm rezulta:

v_adm = 0,001 m/s

q_max.put = v_admpD_fH = 0,001 9,05 = 0,00852 m³/s = 8,53 l/s

q_max.cap.put = 5,24 l/s ;

s_optim = 3,4 m

3. Numarul puturilor:

n - numarul de puturi

4. Debitul efectiv pe put:

5. Distanta intre puturi:

a - distanta intre puturi

6. Calculul zonei de protectie a captarii:

Se determina prin calcul la captari de apa potabila pentru conditia indeplinirii unui timp normat de filtratie T prin strat:

T = 20 zile pentru zona cu regim sever

T = 70 zile pentru zona de restrictie din care 50 zile in afara zonei cu regim sever;

Calculul distantelor de protectie sanitara consta in calculul timpului T, in care o particula fluida parcurge drumul de la marginea perimetrului pana la put. Egalandu-se timpul T cu 20 zile se gaseste distanta de protectie cautata. De obicei, perimetrul de regim sever se admite de forma dreptunghiulara cu distantele de protectie D_am spre amonte, D_av spre aval si D_lat lateral.

q_ef.put = 4,28 l/s = 0,00428 m³/s =15,408 m³/h = 369,8 m³/zi.

Pentru zona de protectie de regim sever:

considerand porozitatea p = 0,2

Pentru zona de restrictie a captarii:

T = 50zile

i = 1‰; Dh_1-PC - i L_tot1-PC = 0,001 356,25 = 0,36 m

Dh_CT-CTPC + 1,5 = 1,86 m

L_P1-2 = 11,55 - 1,85 - 1 m + 71,25 + 5 m = 84,94 m

q_ef.put = 4,28 l/s

7. Dimensionarea conductelor sifon pentru colectarea apei din puturi

Fig.23. Schita de legare la sifonul colector

8. Dimensionarea putului colector

t_f = 5÷10 min - timp de trecere

Aleg: t_f = 8 min

T

N_{Hd min} = 147,35mdM

C_{ax sifon} = C_tPC -1,5 = 151,5 - 1,5 = 150 mdM

H_sifon = 150 - 147,35 = 2,65 mdM < 6 m

B. Dimensionarea captarii cu puturi sapate

1. Lungimea frontului de captare:

L = 712,5m

Debitul maxim pe put:

q_max.put = v_adm p D_put H = 3,14 0,001 = 0,0853 m³/s = 85,3 l/s

D_put = 3,4,5,6 m

aleg D_put = 3 m

Trebuie transpusa curba de pompaj pentru D = 3 m.

in care:

r₀, h₀ - corespund putului cu diametrul mic;

r₁, h₁ - corespund putului cu diametrul D = 3 m;

Fig.24. Schema pentru determinarea curbei de pompaj pentru D = 3,00 m

q_optim =11,9 l/s cu s_optim =7,7 m (conform fig.25.)

Fig.26.Sistemul de colectare a apei din puturile de captare

3. Numarul de puturi sapate:

4. Debitul efectiv pe put:

5. Stabilirea distantei dintre puturi:

6. Zona de protectie:

D_am = D_av = 57 m

D_lat = 44 m