FI75631C - Foerfarande foer dimensionering av grundvattensbrunn. - Google Patents

Description

75631 POHJAVESIKAIVON MITOITUSMENETELMÄ

Keksinnön tarkoitus on parantaa pohjavesikaivon mitoitusta, jolloin päästään tarkempaan tulokseen kuin nykyisin.

Pohjavesikaivon suunnittelun tavoitteena on käytettävissä olevan pohjavesiesiintymän (akviferi) tehokas hyödyntäminen.

Kaivon suunnittelu pohjautuu tutkimukseen, jossa selvitetään valitun paikan maaperä- ja pohjavesiolosuhteet. Luotettavat perustiedot ovat merkittäviä, jos halutaan välttyä virheellisiltä suunnitelmilta.

Kaivon suunnittelussa tarvitaan tutkimustulokset: vedenottamoalueen maaperästä (kairaukset, maa-näytteet) vedenottamoalueella suoritetuista antoisuuspumppauk-sista (tuotot eri syvyyksillä, havainnot pumppausten aikana) koepumppauksesta (tuotto, alenemat ottamoalueella) pohjaveden laadun mittauksista ottamoalueella vesinäytteiden laboratoriotutkimuksista vaaituksista (ottamoalueen tutkimuspisteiden korkeudet) mittauksista (ottamoalueen asemapiirros, tutkimuspisteiden sijainnit)

Lisäksi tarvitaan tietoja vedenottamon kaavaillusta tuotosta; keskimääräinen tuotto m3/d ja hetkellinen suurin tuotto dm3s.

Yleisperusteet

Kaivon paikan tutkimuksen tulokset ovat lähtökohtana mitoitukselle, joka kohdistetaan ensisijaisesti kaivon virtaus- 2 75631 alan suuruuden ja sijainnin määrittämiseen. Virtausala on kaivon se osa, jonka kautta pohjavesi virtaa kaivoon, ts. putkikaivon suodatinosan ulkokehän tai kuiluksivon pohjan pinta-ala. Sijainnilla tarkoitetaan virtausalan sijoittumista maakerrokseen pystysuunnassa = korkeus tai syvyys.

Kaivon mitoitukseen vaikuttaa ratkaisevasti em. virtausalan ulkopuolella olevan maakerroksen vedenjohtavuus. Tärkeää on, ettei ylitetä sallittua virtaamanopeutta, joka määritetään maaperän tehokkaan raekoon (diq) mukaan. Vaikka edellä mainittu menettelytapa saattaa usein olla epätarkka, soveltuu se käytettäväksi pohjaveden ottopaikoilla. Ongelmia muodostuu lähinnä sen vuoksi, etteivät maanäytteet edusta täysin luonnonmukaista tilannetta, ja sen vuoksi laboratoriossa määritetty tehokas raekoko saattaa poiketa todellisesta.

Aiemmin kaivon mitoitus on tapahtunut kaivon paikan tutkimuksen yhteydessä. Tällöin on suoritettu kairauksia ja otettu maanäytteet maaperän veden johtavuuden selvittämiseksi. Lisäksi on pyritty varmistamaan antoisuus pumppauksien avulla.

Yleisenä käytäntönä on maanäytteiden perusteella arvioida kaivosta saatava vesimäärä ns. Saksalaisen normin mukaan. Tällöin maanäytteet seulotaan, jolloin saadaan ns. rakeisuus-näytteet (tai seulontakäyrä). Rakeisuusnäytteellä määritellään ns. tehokas raekoko (dio)· Sen jälkeen käytetään hyväksi yleensä seuraavaa kaavaa (1):

Dp ^ h x dio g = _, missä (1) 280 Q = kaivosta saatava vesimäärä Dp= porausläpimitta h = siiviläputken pituus dio=ns. tehokas raekoko 3 75631

Siiviläputki pyritään sovittamaan mahdollisimman sopivaksi ottaen huomioon maaperän rakeisuus, pohjaveden pinnan aleneminen (eri vuodenaikojen vaihtelut ja otannan aiheuttamat alenemat) sekä laadulliset seikat.

Lisäksi alenema putkikaivossa on arvioitu kaavan (2) avulla: srt = 2,3 Q log 2,25 Tt, jolloin (2) 4 'TT T r2g sr-t = alenema kaivossa Q = kaivosta saatava vesimäärä T = pohjavesiesiintymän veden johtokyky= 2 0,01157 x x b, b on vettä johtavan kerroksen paksuus t = pumppausaika r = kaivon säde S = varastokerroin

Pohjavesiesiintymän vedenjohtokyky T voidaan määritellä myös tehtyjen pumppausten perusteella.

Haitat:

Tunnetuilla menetelmillä kaivon mitoituista suoritettaessa ovat tulokset olleet epätarkkoja. Epätarkkuuksien syynä ovat olleet mm. seuraavat seikat:

Koenäytteet eivät ole olleet edustavia, ts. maan alla on jotain muuta kuin mitä maanäytteet osoittavat. Joskus on jopa kalliota porattaessa saatu näytteiden perusteella tulokseksi, että kyseessä on kallion sijaan vettä läpäisevä maakerros. Virhe johtuu siitä, että poraus suoritetaan paineilmaporauksella, 4 75631 joka rikkoo kallion ja kivet hienommaksi aineeksi.

- Lisäksi maaperän rakeisuus ei ole ainoa veden johta vuuteen vaikuttava tekijä. Siihen vaikuttavat myös maaperän tiiviys ja raemuoto (esim. liuske ei johda vettä kovin hyvin). Vaikka maaperänäytteet edustaisivat havaintokohdan maaperää, maaperä voi jo n. kolmen metrin päässä olla jotain muuta, mikä vaikuttaa tutkimukseen.

Keksinnön avulla poistetaan tunnettujen menetelmien haitat ja saadaan aikaan sellainen pohjavesikaivon mitoittamisille net elmä, jossa jo tutkimusvaiheessa päästään nykyistä tarkempaan tulokseen.

Keksinnön avulla voidaan määrittää jo etukäteen entistä tarkemmin siiviläputken pituus ja paikka. Tällöin useimmiten tarvitaan vähemmän siivilää ja kaivoa voidaan madaltaa. Tämä alentaa kaivon rakentamiskustannuksia.

Keksinnön mukaisella menetelmälle on ominaista patenttivaatimusten tunnusmerkkiosassa mainitut seikat.

Seuraavassa keksintöä ja sillä saavutettavia etuja kuvataan tarkemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joista

Kuva 1 esittää havaintoputkesta tapahtuvaa pumppausta porrasmenetelmää käyttäen.

Kuvat 2, 3 ja 4 esittävät kolmelta eri korkeudelta saatuja arvoja käyttäen piirretyt kuvaajat, jotka esittävät veden tuottoa aleneman funktiona.

Kuva 5 esittää veden tuottoa koko pohjaveden korkeudelta kuvien 2, 3 ja 4 tietojen perusteella.

5 75631

Kuva 6 esittää kuvaajaa syvällä sijaitsevan pohjavesialueen tutkimuksessa käytetetystä pumppauksesta pohjaveteen päin.

Alustava vedenottoalue määritellään normaalien pohjavesitutkimusten yhteydessä. Sen jälkeen tehdään kaivonpaikka-tutkimukset, jolloin maahan asennetaan havaintoputki, jonka halkaisija on on n. 20-100 mm, useimmiten 32-50 mm. Havainto-putken pituus riippuen paikasta on 2-60 m.

Havaintoputkeen viedään mittauslaitteet vedenpinnan tutkimiseksi. Havaintoputkesta pumpataan vettä eri tuotoilla käyttäen hyväksi ns. porraspumppausmenetelmää. Tavallisesta porraspumppauksesta poiketen käytetään normaalia lyhyempiä pumppausjaksoja, n. 15 s - 20 min, riippuen paikasta ja olosuheista. Luonnollisesti 20 minuuttia pitempiäkin ajanjaksoja voidaan käyttää, mutta em. aikaväli on todettu tarkoituksenmukaiseksi .

Samanaikaisesti em. laitteilla mitataan sekä veden paine-korkeus havaintoputkessa eri tuotoilla että pumpattu vesimäärä. Aikaisemmin ei painekorkeutta ole mitattu keksinnön-mukaisesti kaivon antoisuuspumppauksia tehtäessä.

Kuva 1 esittää esimerkkinä porraspumppauksen mittauksesta piirtimen tulosliuskaa. Oikean puolen piirrin on piirtänyt tuoton Qh havaintoputkesta ja vasen piirrin on piirtänyt aleneman s vastaavilla tuotoilla.

Mitatuista suureista, painekorkeudesta ja pumpatusta vesimäärästä, voidaan päätellä havaintoputken ympäristön hydrauliset ominaisuudet, jolloin korrelaatiokertoimen avulla aleneman funktiona voidaan oleellisen tarkasti määritellä kaivosta saatava todellinen tuotto.

Porraspumppaus tapahtuu siten, että pumpun teho säädetään 6 75631 esim. venttiilillä pumppaamaan 15 l/min. Vedenpinnan ts. paineen tasaannuttua (esim 50 s) kuristetaan pumppu tuottamaan 12,5 l/min. Annetaan paineen tasaantua, mitataan jne. jatketaan riittävän tuloksen saamiseksi.

Porraepumppauksesta saatujen arvojen perusteella piirretään veden tuotto aleneman funktiona. Silloin saadaan tiettyyn rajaan saakka suora viiva: A. = ^ Qh_ s s Q = kaivosta saatava vesimäärä (l)

Qh= havaintoputkesta saatu vesimäärä (l) s = alenema (m) k korrelaatiokerroin

Korrelaatiokertoimeen vaikuttavat seuraavat tekijät:

Jos siiviläputki on pituudeltaan esim. yhden metrin pituinen ja pohjavesialueen syvyys on useita metrejä, niin täytyy porraspumppaus suorittaa siten, että putken siivilä osa on esim. ensin ylimmässä kohdassa, jossa suoritetaan koepumppaukset. Sen jälkeen siirretään siiviläputki metrin alemmaksi ja suoritetaan pumppaukset. Näin jatketaan, kunnes saadaan tulokset koko pohjavesialueen syvyydellä. Näin saadut tulokset yhdistetään, jolloin kaivon tuotto on osien tuoton summa.

Jos havaintoputken halkaisija on 50 mm ja kaivo-putken halkaisija 400 mm niin yhtäpitkien siivilä-pintojen suhde on halkaisijoiden suhde. Kaivoputken siiviläpinta on siis kahdeksan kertaa havaintoputken siivilän pinta, jolloin kaivon siivilävastus on kahdeksan kertaa pienempi.

7 75631

Kaavasta (2) voidaan ratkaista kaavion ja havaintoputken tuotto-alenemien suhde, kun halkaisijat tunnetaan.

2,25 Tt log —2- Q/s (k) _ rk s_ Q/S (hp) log 2,25 Tt rhp2s jos kaivon r = 0,2 m ja havaintoputken r = 0,025 m Q/s (k) - ± Q/s(hp)

Em. kaava ei huomioi siivilävastusta.

Asian selventämiseksi on kuvien 2, 5 ja 4 piirroksissa esitetty esimerkkinä kolmen metrin korkuinen pohjavesikerroksen tutkiminen keksinnön mukaan.

Esiintymän antoisuus on määritelty kuten edellä on esitetty. Tehtävänä on selvittää edullinen kaivon paikka ja kaivon antoisuus mahdollisimman tarkasti.

Työtä varten sijoitetaan testausputkia aikaisempien tutkimusten perusteella katsottuihin edullisiin paikkoihin. Voidaan käyttää myös alueelle aikaisemmin asennettuja havainto-putkia.

Pumppaukset suoritetaan porraspumppauksen tapaan putken ominaisantoisuuden selvittämiseksi.

Esiintymä voidaan testata kerroksittain esim. metrin pituisella siiviläputkella, kuten on kuvien 2, 3 ja 4 esimerkeissä tehty.

Testaus voidaan suorittaa myös pitkällä vettäjohtavien kerrosten pituisella siivilällä, jolloin saadaan kokonaiskuva 8 75631 esiintymän ominaisuuksista. Eri kerroksien ominaisuudet eivät silloin tule esille.

Esimerkin mukaisessa esiintymässä on kolmen metrin korkuinen pohjavesiesiintymä, joka on 7 - 10 metrin syvyydessä.

7-8 metrin syvyydestä on porraspummppauksen avulla saatu suora, joka kuvassa 2 esittää tuoton Q^l/rain aleneman s funktiona. Kuvassa 3 on siis putken syvyys 8 - 9 m ja kuvassa 4 se on 9 - 10 m.

Edellisistä osatuloksista saadaan laskemalla yhteen koko pohjavesialueen tuotto aleneman funktiona. Yhden metrin alenemalla ovat tuotot 50, 67 ja 100 = 217 l/min. Tätä kuvaa kuva 5·

Jos kaivon siivilän halkaisija on 400 mm on kaivon siivilän suhde havaintoputken siivilään 400 = 8.

50 Q (kaivo) = 217 x 8 * 1700 (l/min/m)

Mikäli havaintoputken ja kaivon siivilät ovat erilaiset on huomioitava siitä johtuva virhe. Se huomioidaan kokemusperäisellä kertoimella. Esimerkissä oletetaan siivilät samanlaisiksi, joten kaivon tuotto Q = 1700 l/min, kun alenema on ollut 1 metri.

Sivulla 6 esitetyn kaavan mukaisesti Q/s =

Qh/s

Kun alenema s havaintoputkessa ja kaivossa on yhtäsuuri Q = k'Qh· Esimerkin tapauksessa Q/Qh = 1,42. Kaava ottaa huomioon maan virtausvastuksen. Kokemus on osoittanut, että oikea k-arvo on k:n ja k':n välillä, ts. esimerkissä 1,42 ja 8 välillä riippuen virtausvastuksesta. Keksinnön mukaista 9 75631 menetelmää käyttäen on todettu saatavan paremmin todellisuutta vastaavia arvoja kuin aikaisemmin käytetyillä menetelmillä, vaikka k:n arvo jääkin esimerkin mukaisesti kokemusperäisesti korjattavaksi.

Nykyisin lähellä maanpintaa olevat pohjavedet ovat suurelta osin jo käytössä. Näin nykyisin ja tulevaisuudessa vedenotto pyritään keskittämään harjujen ydinosiin, joissa veden pinta on syvemällä kuin 8 m.

Ns. syvätutkimustekniilla on ydinkerroksista vettä tuottavien kaivojen mitoittamiseksi erittäin hankalaa ja usein jopa mahdotonta.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa mm. syvällä sijaitsevien pohjavesien hyödyntämiseen, "kääntäen". Tällöin maahan sovitetun havaintoputken läpi, johon on viety em. mittalaitteet pumpataan vettä maan sisään em. porraspumppaus-tapaa soveltamalla em. ajanjaksoja ja eri vesimääriä käyttäen. Tällöinkin mitataan veden painekorkeus havaintoputkessa ja vesimäärät/aikayksikössä.

Kuviossa 6 on pumpattu vettä kaivoon päin käyttäen keksinnön mukaista porraspumppausta. Näin on saatu kuvan 6 vasemmanpuoleinen kuvio, jossa - tarkoittaa veden imeytystä maahan ja -s veden ylenemistä alenemisen vastakohtana. Kuvion suoraa jatkettaessa nollapisteen yläpuolelle saadaan suora, joka vastaa tässä havaintoputken tuottoa, joka on sama kuin siinä tapauksessa, että havaintoputkesta olisi saatu pumpattua vettä ulospäin.

Periaate on kummassakin tutkimusmenetelmässä eama. Veden virtaussuunta vain on päinvastainen.

Keksinnössä on olennaista, että kaivon mitoituksessa käyte- 10 75631 tään havaintoputkessa porraspumppausta, jossa ajanjaksot ovat lyhyitä ( 15 s - 20 min) ja mitataan vesipatsaan paine-korkeus. Näin saadaan havaintoputken Qn/s = k -arvo. Korrelaatiokertoimen k avulla saadaan kaivon vastaava Q/s -arvo.

Tämän menetelmän mukaan saadaan paremmat tulokset pohjavesi-kaivon mitoittamiseksi aikaisemmin käytettyihin menetelmiin verrattuna.

Claims (4)

11 75631

1. Menetelmä pöhjavesikaivon mitoittamiseksi havaintoputkesta tehtävän pumppauksen avulla, tunnettu siitä, että pumppaus suoritetaan porraspumppauksen tapaan, jolloin maaperään aiheutetaan erinopeuksisia virtauksia, joiden aiheuttamaa painekorkeutta mitataan.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että porraspumppaus suoritetaan lyhyitä pumppausjaksoja, edullisesti 15 s - 20 min, käyttäen ja mitataan veden paine-korkeus eri tuotoilla, jolloin saadaan havaintoputken tuotto aleneman funktiona, josta saadaan kaivon tuotto kertomalla havaintoputken tuotto kokemusperäisellä kertoimella.

3· Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että havaintoputken siiviläosan ollessa lyhempi kuin alueen pohjaveden korkeus, tehdään pumppaukset koko pohjaveden korkeudelta siirtämällä havaintoputken siiviläosaa pituutensa verran siten, että saadaan pumppaus-tulokset koko korkeuden osalta, jolloin kokonaistuotto on samalla alenemalla (vesipatsaan paineella) saatujen osa-tuottojen summa.

4· Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että porraspumppauksen tapaan suoritettavat ominaisantoisuuden kuvaajat saadaan suorittamalla pumppaukset pohjaveteen päin, erityisesti syvällä olevien pohjavesien ollessa kysymyksessä.