Воды зоны аэрации реферат
Обновлено: 30.06.2024
Подземных вод по условиям их залегания в земной коре делятся на: верховодок, грунтовых, межпластовых и некоторых других вод. При этом следует сказать, что верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю — зону аэрации и нижнюю — зону насыщения. Это фактически графическое изображение классификации подземных вод по условиям залегания.
Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне, непосредственно связанной с атмосферой и почвенным покровом, наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь частично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом. Зона аэрации играет важную роль в формировании подземных вод. Мощность, т. е. толщина зоны аэрации, колеблется от нуля в заболоченных низинах до нескольких сотен метров в горных районах с сильно расчлененным рельефом.
Верховодки — это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над локальными водоупорами (или полуводоупорами), которыми могут быть линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород. При инфильтрации вода временно задерживается и образует сводообразные водоносные горизонты. Чаще всего это бывает связано с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. В остальное время вода верховодок испаряется или просачивается (стекает) в нижележащие грунтовые воды.
Другой особенностью верховодок является возможность их образования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи образуется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается.
В целом для верховодок характерно: временный, чаще сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безнапорность. В легко водопроницаемых породах, например песках, верховодки возникают сравнительно редко. Более типичны их появления в различных суглинках и лессовых породах.
Верховодки представляют значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений (подвалы, котельные и др.), они могут вызвать их подтопление, если заранее не было предусмотрено дренирование или гидроизоляция. В последнее время в результате значительных утечек воды из водонесущих коммуникаций (водопровод, бассейны и др.) отмечено появление горизонтов верховодок на территориях промышленных объектов и новых жилых районов, расположенных в зоне распространения лессовых пород. Это представляет серьезную опасность, так как грунты оснований снижают свою устойчивость, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений.
При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в сухое время года, верховодка не всегда обнаруживается. Поэтому ее появление для строителей может быть неожиданным, хотя по определенным признакам изыскатели способны прогнозировать ее появление.
Строение подземной части гидросферы, количество воды, содержащееся в горных породах, и ее фазовое состояние в более широком смысле – распределение и движение различной воды определяются термодинамическими условиями разреза земной коры, строением и историей геологического развития ее основных структурных элементов, составом и свойствами (типом) горных пород и в верхней части разреза в значительной мере рельефом и гидрографией современной поверхности, а также климатическими условиями конкретных территорий [5, 6].
Обобщенный гидрогеологический разрез земной коры, характеризующий условия залегания подземных вод и принципиальную схему их движения, приведен на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры:
В соответствии с существующими представлениями (О. Мейнцер, Е.В. Пиннекер, Ф.П. Саваренский, А.М. Свешников и др.) в гидрогеологическом разрезе земной коры сверху вниз от поверхности земли могут быть выделены: зона аэрации, криолитозона, зона насыщения и зона подземных вод в надкритическом состоянии [1,6].
Рис. 2 Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:
1 – породы зоны аэрации, 2 – грунтового водоносного горизонта,
3 – слабопроницаемые породы, 4 – почвенный слой,
5 – уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 – верховодка
По М.П. Толстому определение зоны аэрации можно сформулировать так – это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.
В пределах акватории Мирового океана, а на континентах и островах под руслами рек и внутренних водоемов в том случае, если подземные воды первого водоносного горизонта имеют непосредственную гидравлическаю связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует [2, 4, 6].
1) мерзлые породы содержат в своем составе лед,
3) охлажденные породы имеют t ниже 0 ºС и насыщены солеными водами.
Данная зона выделяется как самостоятельный элемент подземной гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высокие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы). В зависимости от строения гидрогеологического разреза земной коры она обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного насыщения [5, 6, 7].
Рис. 3 Схема залегания различных по отношению к многолетнемерзлым породам типов подземных вод:
А – надмерзлотные воды сезонно-талого слоя; Б – воды сквозного дождевально-радиационного талика; В – надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г – воды сквозного подруслового талика; Е – межмерзлотные воды; Ж – подмерзлотные воды неконтактирующие безнапорные; З – подмерзлотные воды неконтактирующие напорные; И – подмерзлотные воды контактирующие напорные; К – надмерзлотные воды несквозного дождевально-радиационного талика; 1 – изверженные трещиноватые породы; 2 – щебень и дресва; 3 – суглинки; 4 – пески, галечники; 5 – многолетнемерзлые породы и их граница; 6 – обводненность пород состояния (а), периодическая (б); 7 – направление движения подземных вод; 8 – подошва сезонно-талого слоя (б) и сезонно-мерзлого слоя (а); 9 – скважины, стрелкой показана глубина появления и установившийся уровень подземных вод
Мощность криолитозоны в зависимости от климатических условий местности (главным образом среднегодовые температуры воздуха), геологического строения и геотемпературных условий верхней части разреза земной коры изменяется от первых метров до 1000 – 1500 м и более (Романовский, 1983; Ершов, 2002; и др.).
В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при температурах ниже 0°С.
Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения горных пород, находящихся в талом состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при отрицательных температурах [1, 3, 5].
Техническая характеристика аэратора А-15. Технологическая схема системы аэрации воды в водоподающем канале. Аэрирование различной водной среды промышленного и хозяйственного назначения при соответствующем обосновании технологии их использования.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.05.2018 |
| Размер файла | 104,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Улучшение качества воды за счет использования систем аэрации
С.С. Савушкин, С.М. Давшан
Аэрирование воды - это процесс обогащения воды кислородом за счет принудительной подачи и растворения в ней воздуха.
Система глубинного аэрирования используется для:
ускорения процесса биологической очистки сточных вод сельскохозяйственных животноводческих и перерабатывающих предприятий;
аэрирование воды (насыщение кислородом воздуха до 100%) рыбоводных водоемов.
Биологическая очистка загрязненной органическими соединениями воды с отходами животноводческих и перерабатывающих предприятий, работающих полностью или частично на оборотной воде, за счет подачи в них кислорода очень эффективна, малоэнергоемка по сравнению с другими видами очистки и экологически безопасна. Время очистки снижается в 1,4-1,6 раза. Особенно эффективна система аэрирования на небольших предприятиях, удаленных от крупных водоисточников.
Широко используется аэрация при выращивании рыбы в нагульных и зимовальных прудах. За счет повышения содержания кислорода в воде в нагульных рыбоводных прудах можно увеличить плотность посадки рыбы и, соответственно, выход рыбы с единицы площади пруда.
В зимнее время содержание кислорода в прудах резко снижается, что ведет к мору рыбы. Аэрация позволяет ликвидировать этот недостаток. Причем подаваемый воздух перед входом в систему может подогреваться в специальной камере.
Техническая характеристика аэратора А-15
Подача воды (производительность по воде), л/с
Рабочий напор на входе в аэратор, м
Подача воздуха, л/с
Глубина подачи аэрированной воды, м
комплекта в сборе
При пропуске воды через аэратор происходит всасывание воздуха в поток воды, который смешивается с водой и в виде водовоздушной эмульсии подается в водоем. Аэрированная вода расходится на заданной глубине потоками, параллельными поверхности водоема. Избыточный воздух мелкими пузырьками поднимается к поверхности воды, попутно аэрируя его толщу и перемешивая слои воды в вертикальном направлении.
Подача аэрированной воды осуществляется в зависимости от условий работы на глубину 0,5…4,0 м за счет подающих труб, наращиваемых на корпус аэратора.
Устанавливают аэратор так, чтобы нижняя часть аэратора отстояла от дна водоема не менее чем на 300 мм, а при заиленном дне - на 500…600 мм.
Существуют две основные технологические схемы аэрирования рыбохозяйственных водоемов с применением механических средств аэрации:
с активным водообменном, когда отработавшая и обескислороженная вода сбрасывается из водоема с одной стороны пруда, а с противоположной стороны поступает свежая, обогащенная растворенным кислородом вода, то есть процесс происходит в проточных водоемах;
без водообмена, но с массовым перемешиванием при помощи средств аэрации, при этом восполняется в воде растворенный кислород, поглощаемый водными организмами, в том числе рыбой.
Первая схема (см. рисунок) используется на зимовальном участке или в бассейнах с увеличенной плотностью посадки рыбы в интенсифицированных хозяйствах. Вторая схема в различных вариантах используется для аэрации в летних нагульных и выростных прудах, которые практически проточные.
Технологическая схема системы аэрации воды в водоподающем канале
Основными элементами системы аэрации воды в водоподающем канале по первой схеме являются: водоподающий канал 1, насосная установка или станция 2, затвор 3 (для обеспечения необходимого уровня воды в канале перед водозабором), напорный трубопровод 4, аэрационная камера 5 с аэраторами 6, пруды (зимовальные участки) 7, сбросной канал 8 с шандорами 9.
Аэраторы размещаются в камере, где температура воздуха в зимнее время автоматически поддерживается в пределах +2…+5єС.
Насосная станция 2 подает воду с необходимым напором к аэраторам 6, проходя внутри аэратора вода захватывает воздух, образуя водовоздушную смесь. Аэрированная вода по водоподающему каналу 1 направляется в зимовальные пруды 7, отработавшая в прудах вода отводится в сбросной канал 8 и сбрасывается в реку.
Во всех случаях захваченный избыточный воздух на выходе из аэратора в виде воздушной эмульсии поднимается к поверхности воды, попутно растворяясь и создавая вертикальные потоки, нарушающие стратификацию воды, то есть дополнительно активно аэрируя толщу воды.
Аэратор А-15 испытывался при различных условиях его использования: когда отражатель-распределитель был опущен на глубину 0,3 м, и когда он с помощью подающей трубы длиной 2 м находился на глубине 2,45 м. При этом замерялись давление на входе в аэратор с помощью манометра и расход воды через аэратор расходомером.
Результаты испытаний показали, что при рабочем напоре воды на входе в аэратор 20…30 м расход аэрируемой воды изменялся в пределах 12…16 л/с, в зависимости от глубины погружения отражателя-распределителя. При этом в наиболее сложных условиях эксплуатации, когда глубина подачи аэрированной воды от поверхности водоема достигала порядка 2,5 м, аэратор обеспечивал достаточно высокий расход воздуха, и при тех же напорах он изменялся от 5,0 до 5,5 л/с, что доказывает его эффективность.
Аэраторы можно использовать как в одиночном исполнении, так и при групповом их соединении, в зависимости от особенностей систем аэрации, объема прудов, плотности посадки рыбы и других факторов.
Количество аэраторов на системе определяется расчетом. Составляется баланс по кислороду в зимовальном пруду, покрытом льдом (расчетный режим), в следующем виде
где Qn - расход подачи аэрированной воды, л/с; Qс - расход сбросной воды, л/с;
сn - содержание кислорода в аэрированной воде, мг/л; сс - содержание кислорода в сбросной воде, мг/л; П - потребление кислорода рыбой, мг/с.
При равенстве значений расхода подачи и сброса имеем
Расход аэрированной воды для обмена составит
где ; П - потребление кислорода на 1 т рыбы, мг/с; G -плотность посадки рыбы, т/га; F -площадь пруда, га.
По данным источников [1…4] для обеспечения потребности 1 т рыбы необходимо подать в пруд воды 2…3 л/с для водообмена.
Учитываем то обстоятельство, что содержание кислорода можно подсчитать по следующей формуле
где Qn - подача воды в пруд (2..3 л/с); сn - среднее содержание кислорода в подаваемой воде, мг/л.
Принимая для расчета с n = 6…8 мг/л, получим, что = 2,4…4,8 мг/с при температуре не менее 5єС. Эти значения можно принять для дальнейших обоснований технологических параметров зимовальных прудов.
Расход аэрированной воды на 1 т посадки рыбы определяется по формуле (3) при G= 1. Рассчитанные значения приведены в таблице.
Как правило, зона аэрации имеет слои грунта различные по своей водопроницаемости. Поэтому, во время выпадения дождей, в зоне аэрации может образовываться временный водоносный горизонт, который называется верховодкой. Верховодка особенно характерна при зимней оттепели и весной, когда в грунте ещё сохраняется водонепроницаемый слой сезонной мерзлоты, а тающий на поверхности снег обеспечивает интенсивное насыщение почвы водой. Весенняя верховодка часто является причиной затопления подвалов зданий.
Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодк, грунтовых, артизеанских, трещинных и вод вечной мерзлоты. Верховодки- это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над случайными водоупорами- линзы глин и суглинков, при инфильтрации вода задерживается и образует водоносные горизонты. Это связанно с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. Также это появляется вследствие низкой водопронинцаемости грунта.
Для обеспечения зоны аэрации, для дыхания корней, правильного разложения органического вещества в почве должен происходить газообмен, при котором весь объем воздух в корнеобитаемом слое будет обновляться не больше, чем за 8 суток. Для нормального роста и развития растений в почве одновременно должны содержаться в определенном соотношении воздух и вода. При недостатке воды корни растений не могут подать требуемое количество ее к листьям (почвенная засуха). В сухой почве много воздуха, вследвие чего активизируется деятельность аэробных бактерий, а это приводит к быстрому разложение органического вещества. При малом содержании воды в почве повышается концентрация почвенного раствора и растения не могут использовать его. При избытке воды, содержание воздуха уменьшается и ухудшается дыхание корней, замедляются процессы разложения органического вещества.
Таким образом, от количества воды в почве зависит степень обеспечения ею растений, содержания в почве воздуха, тепловой и питательный режим в почве, т.е. ее плодородие. Оптимальная влажность почвы для разных растений различна (табл.). чем в почве больше питательных веществ, тем выше оптимум влажности.
Зона аэрации — зона неполного насыщения — самая верхняя часть литосферы, ограниченная сверху поверхностью Земли, а снизу — свободной поверхностью грунтовых вод первого водоносного горизонта. В зоне аэрации, соприкасающейся с атмосферой, часть пор заполнена воздухом, часть — водой и частично водой в виде пара. Мощность зоны колеблется от нуля (там, где грунтовые воды достигают дневной поверхности) до нескольких сот метров (в горах, сложенных массивными проницаемыми породами и пустынях). Через эту зону происходит просачивание атмосферных и поверхностных вод. В зоне аэрации выделяют три пояса, рассмотренных далее.
1. Пояс почвенной влаги содержит почвенные воды — все воды почвенного слоя (в подпочвенный слой вода не доходит) в виде пара, влаги, льда и газообразной форме, образующиеся за счет увлажнения почв атмосферными осадками и конденсации влаги из воздуха (по А.М. Овчинникову). Это висячие воды, не подстилаемые водоупорными горизонтами и определяющие структуру, свойства и режим почв. Они имеют большое значение для питания растений и в процессах выветривания содержащихся в почве минералов, но хозяйственного значения не имеют (рисунок ниже).
Распространение вод в зоне аэрации
Характерными особенностями почвенных вод являются:
- это безнапорные воды;
- связаны с атмосферой, грунтовыми водами и верховодкой;
- имеют агрономическое значение, служат для снабжения растений водой, влияют на плодородие почв;
- содержат много органических веществ и микроорганизмов;
- запасы вод невелики.
Верховодка — небольшие скопления подземных вод сезонного характера, залегающих на небольшой глубине в виде линз, где чередуются водоупоры глин, суглинки и водопроницаемых пород песков. Проникающие сверху инфильтрационные воды задерживаются в этих линзах. Накопление верховодки происходит также при таянии снега, льда, обилии дождей. Воды верховодки называются еще подвешенными водами (рисунок ниже).
Схема залегания грунтовых вод и верховодки
1 — зона аэрации; 2 — зона насыщения; 3 — водоупорные глины; 4 — капиллярная кайма; 5 — верховодка
Характерными особенностями верховодки являются:
- небольшие глубина залегания и мощность (1—3 м);
- локальное развитие и небольшая площадь распространения;
- сезонность (временность) существования;
- ограниченность запасов и их зависимость от климатических условий и хозяйственной деятельности человека;
- резкие колебания режима вод — температуры, уровня и химического состава;
- низкая минерализация вод — от пресных 0,1—1,0 г/дм 3 до слабо минерализованных 3 г/дм ;
- разнообразие химического состава, повышенное содержание ОВ и микроэлементов Fe, Si02;
- легкая загрязняемость и непригодность для постоянного водоснабжения.
Капиллярная кайма Нкап в грунте
1 — водоупор (глина); 2 — грунтовая вода; 3 — зона аэрации; 4 — здание; 5 — суглинок; УГВ — уровень грунтовых вод
Читайте также: