HU206758B

HU206758B - Method for determining the probable dimensions of groundwater sources

Info

Publication number: HU206758B
Application number: HU854402A
Authority: HU
Inventors: Risto Reijonen; Veli E Rijonen
Original assignee: Veli Reijonen Ov
Priority date: 1984-11-20
Filing date: 1985-11-19
Publication date: 1992-12-28
Also published as: CA1269865A; GB2167471B; FR2573473A1; SE460063B; SE8505449D0; FI844558L; FI844558A0; GB2167471A; SE8505449L; FI75631B; US4761997A; FR2573473B1; FI75631C; DE3541013A1; HUT53172A; GB8528209D0

Description

A találmány tárgya eljárás talajvízforrások várható méreteinek meghatározására, ill. az eddiginél pontosabb feltárására, valamint a várható vízhozam pontos meghatározására. A találmány szerinti eljárás igen jól hasznosítható esetleges talajvíztárolók telepítésének tervezésénél, és azok méreteinek meghatározásánál.

A talajvízforrások meghatározása a kiválasztott hely, talaj és talajvíz viszonyainak feltárásával kezdődik. Megbízható alapinformációk teszik azonban csak lehetővé, hogy pontos tervezést lehessen végezni.

A talajvízforrások feltárásánál és a várható vízhozam pontos felmérésénél az alábbi eredményekre és mérésekre van feltétlenül szükség:

- a teljes vizet adó talajhálózat felmérése fúrásokkal és mintavételezéssel,

- a hozam mérésére irányuló szivattyúzások különböző mélységekben, a szivattyúzás alatti megfigyelésekkel,

- próbaszivattyúzások a víztáphálózat mentén,

- talajvízmérések szintén a teljes táphálózat mentén,

- a vízminták laboratóriumi mérése,

- topográfiai rajzok készítése, a víztápláló hálózat szintpontjainak kijelölése a teljes területen,

- különböző további mérések (a terület alaprajza, a kutatási pontok bejelölése, stb.),

- további információk szükségesek a víztápláló hálózat átlagos hozamára [m³/nap] értékben és pillanatnyi hozamára [m³/s] értékben.

A források felkutatásánál a méreteinek meghatározásához elsődleges kiindulási pont a hozzá tartozó víz áramlási területe méretének és elhelyezkedésének a feltárása. Ezalatt azokat a területeket értjük, amelyeken keresztül talajvíz juthat a forráshoz, azaz egy csőalakú tároló szűrőtartományának a külső kerületén kívüli terület vagy például egy fúrt forrás aljánál az azon kívüli terület.

Lényeges jellemző azonban a talajvízforrások felkutatásánál a fent említett áramlási területen kívül eső rész talajviszonyainak, illetőleg annak a vízvezetőképességének ismerete. Fontos jellemző, hogy a talaj szemcseméretei alapján meghatározott áramlási sebességet a talajvíz sebessége ne lépje túl.

Még ha a fent ismertetett szempontokat mind figye- lembe is vesszük, gyakran előfordul, hogy nem tudjuk teljesen pontosan felmérni a tényleges helyzetet. Ennek az az oka, hogy a talajból vett minta nem biztos, hogy alapvetően jellemző az ottani talajra, mivel például a laboratóriumban mért szemcseméret nem egyezik meg a valódi szemcseméretekkel.

Egy talajvízforrás feltárását tehát mindenképpen jobban össze kell kapcsolni az egyéb mérésekkel és egyéb kutatásokkal. Gyakorlatban az a helyzet, hogy a talajból fúrással vesznek mintát, ennek alapján határozzák meg az adott réteg vízelvezetőképességét, a vízhozamot pedig szivattyúzással határozzák meg.

Általánosan elterjedt, hogy egy adott talajvízforrásból nyerhető víz mennyiségét az úgynevezett német szabvány szerint vett mintával határozzák meg. Ebben az esetben a mintát megszűrik, és ebből határozzák meg a talaj tényleges d₁₀ szemcseméretét, amelyet a következő képletbe helyettesítenek be:

ahol ~ Ρ_ρπ1τ x d₁₀280

Q - az adott vízforrásból kinyerhető víz,

D_p - a fúrás átmérője, h - a szűrőcső hossza, d_]0 - az úgynevezett tényleges szemcseméret.

Erőfeszítések történtek már olyan vizsgálati szűrőcső kifejlesztésére, amelynek segítségével a legjobb közelítéssel határozható meg a talaj szemcsemérete, a talajvíz csökkenése, illetőleg évszakonkénti változás, valamint mennyiségi jellemzői.

Eszerint a csőben lévő szintcsökkenést a következő képlettel lehet meghatározni:

ahol s_n - a kútban lévő vízcsökkenés szintje,

Q - az adott vízből nyerhető vízmennyiség,

T - a víztároló réteg vízvezetőképessége, ahol a vízvezető réteg 0,01 l57xd₁₀xb, ahol b a réteg vastagsága, t - szivattyúzási idő, r - a cső sugara,

S - tárolási tényező.

A T vízvezetőképesség szivattyúzás sorozattal is meghatározható.

A fent ismertetett méréssel és mintavételezéssel meghatározott eredmények hátránya, hogy meglehetősen pontatlanok. A pontatlanság okai a következők:

- A vizsgálati minta nem jellemző teljes mértékben a talajra, mivel más is történik, mint egyszerű mintavételezés. Ha például sziklán keresztül fúrunk, akkor a mérés során az eredményt úgy értékeljük ki, mintha nem is sziklán fúrnánk keresztül, mivel a fúrás nagynyomású fúrógéppel történik, amely a mintavételezésre szánt anyagot darabolja is, és sokkal finomabb szemcseméretet ad, mint a valóság.

Természetesen nem a szemcseméret nem kielégítő meghatározása az egyetlen tényező, amely a számítás nem kiélégítő eredményéhez vezet. Befolyásolja a talajréteg tömörsége és a szemcsék alakja is (az agyag például nem vezeti jól a vizet). Ha pedig a vett minta megfelelően képviseli is a talajt, nem biztos, hogy például 3 m-re az előbbi vizsgálati ponttól nincs-e valami egyéb befolyásoló tényező.

A találmánnyal célul tűztük ki egy olyan eljárás kidolgozását, amelynek segítségével talajvízforrások még a kutatás fázisában az ismert módszerek pontosságánál nagyobb pontossággal határozhatók meg.

A találmány szerinti eljárással a végleges szívócső hossza és elhelyezése már eleve sokkal pontosabban határozható meg, a legtöbb esetben sokkal kevesebb próba2

HU 206758 Β fúrásra van szükség és a fúrások mélysége is kisebb lehet. Ez utóbbi komoly költségcsökkentő tényező is.

A találmány szerinti eljárás talajvízforrások várható méreteinek meghatározására szolgál szűrővel ellátott vizsgálócsőbe való szivattyúzással.

A találmány szerinti eljárás lényege abban van, hogy a szűrővel ellátott vizsgálócsövet a talajba süllyesztjük, a vizsgálócsőbe egymás után többször a talajban különböző áramlási sebességek mellett, léptető üzemmódban vizet szívunk, majd minden egyes lépés után megmérjük a vizsgálócsőbe áramló vízmennyiséget és a hidrosztatikai magasságot, és ebből határozzuk meg a végleges kút hozamát ezen a mért helyen.

Ugyancsak előnyös a találmány szerint, ha a léptető üzemmódban történő szivattyúzást úgy valósítjuk meg, hogy rövid szivattyúzási periódust alkalmazunk, a hidrosztatikai vízmagasságot pedig különböző vízhozamoknál megmérjük, és a hidrosztatikai magasságot és a mért hozamot a szintcsökkenés függvényében vizsgáljuk.

Célszerű továbbá a találmány szerint, ha a szivatytyúzási periódusidőt 15 sec-20 perc közé esően választjuk meg.

Előnyös továbbá a találmány szerint, ha a vizsgálócső szűrőrészét rövidebbre választjuk, mint a területen a vízoszlop magassága, a szivattyúzást a teljes vízmagasság-tartományban elvégezzük úgy, hogy a vizsgálócső szűrőrészét egyenlő távolságokban annak hossza mentén mozgatjuk.

Ugyancsak előnyös a találmány szerint, ha léptető üzemmódban vizet szivattyúzunk a talajba a vizsgálócsövön át, és minden egyes lépés után megmérjük a fajlagos hozamot.

A találmány szerint célszerű, ha a vizsgálócsőben a szűrőrészt rövidebbre választjuk meg, mint az adott területen a talajvízszint hidrosztatikai magassága, külön szivattyúzási sorozatot végzünk el a hidrosztatikai magasság teljes tartományában, a vizsgálócsőnek a szűrőrészét a csőben úgy mozgatjuk, hogy két egymás utáni szivattyúzás esetén a szűrőrész mozgása azonos a csőben.

Ugyancsak célszerű a találmány Szerint, ha léptető üzemmódban vizet szivattyúzunk a talajba, és minden egyes lépésnél megmérjük a fajlagos hozamot.

Előnyös továbbá a találmány szerint, ha az egymás után következő szivattyúzásokat a csőben a talajvíz irányában végezzük el, és minden egyes lépés után megmérjük a fajlagos hozamot.

A talajvíz áramlásának és áramlási sebességének és mennyiségének a méréséhez önmagában ismert mágneses vagy ultrahangos mérőkészülékek alkalmazhatók.

A találmány szerinti eljárást a továbbiakban a mellékelt rajzokon ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábrán fúrással történő eljárásnak a vízhozama (Q) látható, a

2„ 3. és 4.

ábrán a hozam különböző magasságokban látható a szintcsökkenés függvényében, az

5. ábra a vízhozamot mutatja a teljes magasságban a 2., 3. és 4. ábra adatai alapján, a

6. ábrán az idő és a vízhozam függvénye látható nagy mélységben végzendő kutatás esetén.

A vízhálózat előzetes feltárása a normál talajvízkutatással kezdődik. A következő lépés, hogy a földbe 20-100 mm átmérőjű vizsgálócsöveket helyezünk el 32-50 mm távolságra egymástól. A talajtól függően a vizsgálócsövek hossza 2-50 mm.

A vizsgálócsőbe mérőeszközöket helyezünk el a talajvízszint meghatározására. A vizsgálócsőből különböző mennyiségű vizeket szivattyúzunk ki léptető üzemmódban. A szivattyúzás az ismert szivattyúzástól abban tér el, hogy igen rövid - a talaj viszonyaitól is függő - 15 sec20 perc szivattyúzási periódust alkalmazunk. Természetesen 20 percnél hosszabb idő is elképzelhető, kísérleteink alapján azonban ennyi elegendő.

Az eljárás során egyidejűleg mérjük a vizsgálócsőben a víz hidrosztatikai magasságát különböző hozamoknál és mérjük a kiszivattyúzott víz mennyiségét. Az ismert eljárás során a nyomásmagasságot nem mérik, a találmány szerint azonban mérjük, mivel a szivattyúzás sorozattal határozzuk meg a kút kapacitását.

Az 1. ábrán egy regisztrálón jelzett ábra látható a léptető szivattyúzás bemutatására, a jobb oldali ábrán a vizsgálócsőből vett vízmennyiség csökkenése látható, a bal oldali ábrán a vízszintcsökkenés (s).

A mért értékek, a hidrosztatikai magasság és a kiszivattyúzott vízmennyiség alapján a környezet hidraulikus jellemzői meghatározhatók a vizsgálócsőben és ennek alapján megfelelő korrekciós tényezővel meghatározható a kinyerhető víz a vízszintcsökkenés függvényében.

Az alapszivattyúzás úgy van meghatározva, hogy a szivattyúszelep teljesítményét szabályozzuk például 15 1/min-ra. Ha a talajvízszint, azaz a nyomás stabilizálódott, például 30 s elteltével, a szivattyút lefojtjuk 12,5 1/s-ra. Ha a nyomás kiegyenlítődik, elvégezzük a mérést és a mérést addig folytatjuk, míg értékelhető eredményeket kapunk.

A kapott értékeket - tehát a léptető szivattyúzással kapott értékeket - használjuk fel a Q vízhozam és a vízszintcsökkenés függvényének az ábrázolásánál. A hozam egyenes vonalat mutat a következő határértékig:

S s

-j¹ - n lépésben történő szivattyúzás átlaga, azaz

Ql~Q2 Qn~Qn-l ⁸l^-82 S_n-S_n _1

Q - a forrásból nyerhető víz (1-ben),

Q_h - a vizsgálócsőből nyert víz (1-ben), s - a vízszintcsökkenés (m), k - korrelációs tényező.

A korrelációs tényező a következőképpen határozható meg:

Ha a szűrőcsőnek a hossza például 1 m és a talajvízmélység több méter, a léptető üzemű szivattyúzást úgy

HU 206 758 Β kell elvégezni, hogy például a szűrőcsőnek az első magassági pontja az a legmagasabb pont legyen, ahol a próbaszivaítyúzást végeztük. Ezt követően a csövet 1 méterrel lejjebb toljuk, és további szivattyúzást végzünk el. Ezt a folyamatot folytatjuk, míg a teljes talajvízmélységben el nem végeztük a méréseket. Az eredményekből az egyes szakaszokban mért részeredmények összeadásából kapjuk meg a szakasz teljes hosszát.

A vizsgálócső átmérője legyen mondjuk 50 mm, akkor a kúthoz elhelyezett cső 400 mm átmérőjű, és a szűrőfelületek aránya egyenlő a teljes hossz mentén az átmérők arányával. így tehát a forrás csövének a szűrőfelülete 8-szorosa lesz a vizsgálócsö szűrőfelületének és így a szűrőellenállás 1/8-szorosa.

A (2) egyenletből a forrás hozamcsökkenésének és vizsgálócső hozamcsökkenésének az aránya megállapítható, ha az átmérők ismertek:

2,25 Tt

Q/s (k) _ rk²s

Q/s (hp) ^_ , 2,25 Tt log~r^zh_t>s ha a forráscső sugara r = 0,2 m, a vizsgálócsőé pedig r = 0,0025 m akkor az arány:

-2ΖςΜ ₌ ι₄₂

Q/s (hp)

A fenti képlet nem használható a szűrő ellenállás számítására.

A fentiek alátámasztására mutatjuk be a 2., 3. és 4. ábrákat, ahol egy 3 m mélységben lévő talajvízréteget kutattunk fel a találmány szerinti eljárással.

A réteg hozamkapacitását a fentiek alapján határoztuk meg úgy, hogy először a réteg helyét és hozamát mértük meg igen pontosan.

Ennek érdekében előzetes kutatások alapján a lehető legoptimálisabb helyen elhelyeztük a vizsgálócsöveket. Természetesen lehet erre a célra már korábban telepített csöveket is használni.

A szivattyúzást léptető üzemmódban végeztük el. A réteget rétegsoronként vizsgáltuk 1 m hosszú szűrőcsővel. Természetesen elvégezhető a mérés egyetlen hosszú szűrőcsővel is, amikor is a cső hossza a teljes réteg hosszával egyenlő értékűre van megválasztva. Ez a mérés eredményét nem befolyásolja. A példakénti kiviteli alaknál a talajvízréteg vastagsága 3 m volt és

7-10 m mélységben helyezkedett el.

A 7 m-es mélységből indulva léptető szivattyúzást végeztünk és a 2. ábrán látható a vízhozam (Q_h) a szintcsökkenés (s) függvényében. A 3. ábrán látható adatoknál a vizsgálócső 8-9 m mélységben, míg a 4. ábrán látható adaton a vizsgálócsö 9-10 m mélységben volt.

A részeredményekből összeállítható a teljes tartományra vonatkozó hozam, azaz 1 m szintváltozásnál mérhető 50,67 és 100 1 hozamok összege, ami 217 1/min. Ezt mutatja az 5. ábra.

Ha a kútátmérő azaz a forrás cső átmérője 400 mm, és az arány ezen cső átmérője és a vizsgálócső átmérője között 400/50 = 8, akkor Q forrás = 217x8 = 1700 1/min/m.

Ha a forrás és a vizsgálócső szűrőátmérője eltérő, meghatározható az ebből adódó hiba is. Ezt vesszük figyelembe a tapasztalati tényezőben. Esetünkben a szűrők hasonlóak voltak, így a forrás hozama 1 m szintcsökkenésnél 1700 1/min.

A 9. oldalon megadott képlet szerint tehát

Q/s/Qh/s = k’

Ha az s szintcsökkenés a vizsgálócsőben és a forrásban azonos, akkor Q = k’Q_hxA példakénti esetben Q/Q_h= 1,42. Ez a képlet használható a rétegben lévő áramlási ellenállás számításánál is. Tapasztalatok alapján a megfelelően pontos k érték k és k’ között van, azaz a példánkban 1,42 és 8 között, éppen az áramlási ellenállástól függően. Tapasztalataink azt mutatták, hogy a találmány szerinti eljárással sokkal pontosabban lehet egy-egy talajvízforrás hozamát meghatározni még akkor is, ha a k tényező egy tapasztalati tényező marad.

Manapság különösen nagy a találmány jelentősége, mivel azokat a talajvízrétegeket, amelyek a felszínhez közel vannak, igen jól lehet használni. A találmány szerinti eljárás azonban olyan rétegek feltárására is alkalmas, amelyek 8 m-nél mélyebben vannak.

Az úgynevezett mélyrétegkutatási technológia gyakran nem hozza meg a megfelelő eredményt. A találmány szerinti eljárással azonban inverz módon juthatunk el a megfelelő tájékoztató adatokig. A vizsgálócsövön keresztül, amelyekbe az előzőekben említett mérőeszközöket elhelyezzük, vizet szivattyúzunk a földbe, az előzőekben leírt léptető szivattyúzással. Ebben az esetben is a vizsgálócsőben lévő hidrosztatikus magasságot és az időegységenkénti vízmennyiséget mérjük.

A 6. ábrán látható ábrán megfigyelhető, hogy vizet szivattyúztunk a forrásba a találmány szerinti módon. A 6. ábra bal oldalán -Q_h vízmennyiség, a réteg által elnyelt vízmennyiség és (-s) pedig a szintemelkedés, amely a szintcsökkenés ellentéte. Ahogyan változik a függvény, egy idő után átmegy az origón. Gyakorlatilag tehát ugyanazt az elvet alkalmaztuk, mint a szivattyúzásnál, csak fordított előjellel.

A találmány lényege tehát az, hogy a vizsgálócsőbe 15 sec-os - 20 perces időközökben vizet szivattyúzunk és mérjük a vízoszlop magasságát. Ebben az esetben k = Q_h/s. A forrás megfelelő Q/s tényezőjét pedig a k tényező segítségével határozzuk meg.

Összefoglalva tehát a találmány lehetővé teszi, hogy a talaj hidraulikus paramétereit, például a talaj vízvezetőképességét nagy pontossággal meghatározzuk, és optimális helyen és mélységben telepítsük a kutat, nem kell szükségtelenül hosszú csövet alkalmazni csak azért, hogy egy kút megbízhatóan működjön.

Claims

1. Eljárás talajvízforrások várható méreteinek meghatározására szűrővel ellátott vizsgálócsőbe való szivattyúzással, azzal jellemezve, hogy a szűrővel ellátott vizsgálócsövet a talajba süllyesztjük, a vizsgálócsőbe egymás után többször a talajban különböző áramlási sebességek mellett, léptető üzemmódban vizet szívunk, majd minden egyes lépés után megmérjük a vizsgálócsőbe áramló vízmennyiséget és a hidrosztatikai magasságot.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a léptető üzemmódban történő szivattyúzást úgy valósítjuk meg, hogy rövid szivattyúzási periódust alkalmazunk, a hidrosztatikai vízmagasságot pedig különböző vízhozamoknál megmérjük, és meghatározzuk a hidrosztatikai magasságot és a mért hozamot a szintcsökkenés függvényében.

3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a szivattyúzási periódusidőt 15 sec-20 perc közé esően választjuk meg.

4. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a vizsgálócső szűrőrészét rövidebbre választjuk, mint a területen a vízoszlop magassága, a szivattyúzást a teljes vízmagasság-tartományban elvégezzük úgy, hogy a vizsgálócső szűrőrészét egyenlő távolságokban annak hossza mentén mozgatjuk.

5. A 4. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy léptető üzemmódban vizet szivattyúzunk a talajba, és minden egyes lépés után megmérjük a fajlagos hozamot.

6. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a vizsgálócsőben a szűrőrészt rövidebbre választjuk meg, mint az adott területen a talajvízszint hidrosztatikai magassága, külön szivattyúzási sorozatot végzünk el a hidrosztatikai magasság teljes tartományában, a vizsgálócsőnek a szűrőrészét a csőben úgy mozgatjuk, hogy két egymás utáni szivattyúzás esetén a szűrőrész mozgása azonos a csőben.

7. A 6. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy léptető üzemmódban vizet szivattyúzunk a talajba, és minden egyes lépésnél megmérjük a fajlagos hozamot.

8. Az 1. igénypont szerinti’ eljárás, azzal jellemezve, hogy az egymás után következő szivattyúzásokat a csőben a talajvíz irányában végezzük el, minden egyes lépés után megmérjük a fajlagos hozamot.