Артезианский колодец сообщающиеся сосуды

В статье рассмотрим, что такое артезианская скважина, откуда такое название, принцип её работы на простом примере из учебника по физике за 7 класс. Кроме того обсудим качество воды, а в заключении основные достоинства и недостатки.

Определение

Артезианская вода – это напорная подземная вода, заключенная в глубоких водоносных пластах между водонепроницаемыми слоями. Такое определение содержится в ГОСТ 30813-2002 «Вода и водоподготовка.

Опираясь на это можем определить понятие артезианской скважины.

Артезианская скважина – это скважина, пробуренная для эксплуатации напорных подземных вод, заключенных в глубоких водоносных пластах между водонепроницаемыми слоями.

Первые артезианские скважины

Артезианские скважины давно существуют в самых разных странах, однако получили свое название в честь провинции Артуа (лат. Artesium) на севере Франции. Там, в 1126 году, впервые в западной Европе, был построен артезианский колодец, в котором вода сама поднималась на поверхность.

В начале 19 века – это явление было описано во французской специальной литературе, в дальнейшем название закрепилось и напорные воды называют артезианскими.

В некоторых источниках утверждается, что это первое зарегистрированное упоминание самоизливающейся скважины, однако, скорее всего это не так, артезианские скважины существовали ещё в древнем Китае и Египте.

Принцип действия артезианского колодца

Принцип действия артезианского колодца или скважины легко объяснить на примере задачи из учебника по физике за 7 класс.

рис. 121

Задача: На рисунке 121 изображён артезианский колодец в разрезе. Почва, суглинок и песок легко пропускают воду. Глина и известняк, наоборот, водонепроницаемы. Объясните действие такого колодца.

Задача из главы о сообщающихся сосудах. На рисунке скважина изливается. Такой эффект происходит потому что вода заперта между двумя водонепроницаемыми пластами и находится под давлением. Поверхность воды в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне.

Рисунок можно продолжить для большей наглядности:

Красная линия – уровень поверхности жидкости.

Далее рассмотрим более подробно как образуются артезианские источники.

Артезианский бассейн

Артезианские воды обычно встречаются в пределах относительно крупных геологических структур, к ним относятся: мульды, впадины, моноклинали, синклинали и т.д. Условия в которых образуются артезианские воды весьма разнообразны и приурочены к сложной схеме разломов и трещин. Они могут быть значительными по площади и иметь один, два и больше напорных водоносных горизонтов, такие структуры называют артезианскими бассейнами.

У каждого артезианского бассейна выделяют три области:

1. Область питания

2. Область напора

3. Область разгрузки

Иллюстрации на рисунке ниже, а далее определение терминов.

Схема артезианского бассейна (по А.М. Овчинникову).

А – пределы распространения артезианских вод.

а – область питания (и частично стока);

б – Область напора;

в – Область разгрузки;

Б – пределы распространения грунтовых вод;

H1 -напорный уровень выше поверхности земли;

H2 – Напорный уровень ниже поверхности земли;

М – Мощность артезианского горизинта;

1 – Водоносный пласт;

2 – Водоупорные породы;

3 -Уровень воды;

Область питания – это место выхода на поверхность водопроницаемых пластов, которые участвуют в строении артезианского бассейна, на поверхность земли.

Питание происходит за счет атмосферных осадков, инфильтрации из рек и озер, других источников, питание может осуществляться в том числе и из другого водоносного слоя или бассейна.

Область напора – это площадь развития артезианского бассейна, где проявляется напорность подземных вод.

Напор может быть измерен в атмосферах или как расстояние от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня.

Пьезометрический уровень – условно это тот уровень, в котором установится равновесие поверхности воды в сообщающихся сосудах.

Напор может быть положительным или отрицательным, в зависимости от отношения пьезометрического уровня к поверхности земли.

Область разгрузки – это территория выхода напорных вод, область на которой происходит разгрузка может быть открытой или закрытой, артезианские воды на поверхности земли выходят в долины рек, морей и т.п.

На какой глубине артезианская вода

Глубина артезианской скважины от 30-100 метров. В зависимости от местности артезианские воды могут находиться на глубине 100-1000 метров. Обычно скважины хозяйственно-бытового назначения имеют глубину не более 150-300 метров.

Обратите внимание, артезианские воды в определенной местности могут отсутствовать вообще, например, в складчатых областях.

Особенности эксплуатации

Правильно выполненная артезианская скважина первые 20 лет не требует обслуживания, срок эксплуатации может достигать 40-50 и более лет. В отличии от скважины «на песок», артезианская не заиливается, а производительность её стабильна.

Артезианские скважины высокопроизводительны. Для оценки производительности скважин используют термин – дебит.

Дебит – это объем воды стабильно поступающей из скважины за единицу времени (обычно м3/час или м3/мин).

Названные ниже цифры условны, дебит зависит от особенностей местности и конструкции скважины.

Дебит артезианской скважины, обычно от 2-3 м3/час, это 33,3- 50 литров воды в минуту. Столько добываемой воды достаточно для водоснабжения частного дома.

Коллективные скважины на воду позволяют получать 20 и более м3/час, этого достаточно для водоснабжения даже дачного поселка.

Если скважина самоизливается дебит может достигать 70 м3/час и больше.

Самоизлив скважины – это естественный подъем воды из скважины выше поверхности земли без использования водоподъемного оборудования. Этот эффект еще называют фонтанирование или проточная скважина.

Самоизлив скважины может происходить непрерывно или время от времени. Условия для самоизлива могут быть геологическими или топографическими.

Самоизлив важно контролировать, бесконтрольное поступление воды может приводить к затоплениям, обрушениям грунта и к другим серьёзным неприятностям. Про самоизливные скважины готовится отдельная статья.

Качество артезианской воды

Как правило в верхней части разреза примерно 100-600 метров залегают слабоминерализованные пресные воды, а с глубиной их минерализация возрастает, на большей глубине могут находиться высокоминерализованные воды (рассолы).

Артезианская вода в отличии от поверхностных вод как правило не содержит вредных бактерий и вирусов, в замкнутой среде им холодно и нечем питаться. Однако не всегда артезианские воды соответствуют нормативным требованиям и безопасны по параметрам микробиологических и токсикологических показателей.

Артезианская вода может нуждаться в очистке от тяжелых металлов, солей жесткости, которые обуславливают свойства химического состава подземных вод. При этом в ней могут присутствовать ионы недоокисленных металлов, т.к. вода находится в замкнутом контуре, где отсутствует связь с атмосферой.

Наиболее характерными загрязнениями для артезианской воды являются соединения марганца, растворенное железо и сероводород, повышенное содержание солей кальция и магния, а также высокий уровень солей жесткости. Так, большое содержание растворенного железа придает воде «металлический» привкус и запах, возможно и неприятный ржавый цвет.

Еще одна особенность артезианской воды – низкое содержание кислорода.

На качество воды и ее свойства влияют скважины промышленных и химических предприятий предприятия, химчисток, автодороги, автозаправочные станции, предприятия сельскохозяйственной и животноводческой деятельности, а также свалки, уличные туалеты и т.п.

Важно время от времени проводить лабораторный анализ качества воды из любой скважины, в том числе артезианской, на соответствие нормативам СанПин. После анализа можно подходить к выбору системы фильтрации и очистки, конечно если это необходимо.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Артезианская вода является одним из главных источников водообеспечения населения и как правило она лучше всего по качеству, в сравнении с другими подземными источниками.

• Высокая производительность, обычно воды с запасом хватит для водоснабжения частного дома.

• Стабильная водоотдача, сезонность и другие факторы могут влиять, но не значительно.

• Срок эксплуатации 40-50 лет и более, причем, правильно выполненная скважина не требует обслуживания первые 20 лет эксплуатации.

Основные недостатки:

• Высокая стоимость бурения артезианской скважины, глубина может достигать 150-300 метров.

• Возможно понадобится водоподготовка, собственно, как и для любой другой скважины. Обычно очистка требуется от железа и марганца.

• В определенной местности из-за геологических или топографических особенностей скважина может самоизливаться.

Источник

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой.

Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.

Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:

Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.

Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.

Основное уравнение гидростатики

P = P1 + ρgh

где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,

P – давление на нижний торец,

g – ускорение свободного падения,

h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.

ρgh – сила тяжести (вес призмы).

Звучит уравнение так:

Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.

Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости

Доказательство закона сообщающихся сосудов

Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.

Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.

Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.

Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики

P = P1 + ρgh1

если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.

Это давление можно определить следующим образом

P = P2 + ρgh2

где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2

P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2

В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм , имеем

ρ1h1 = ρ2h2

или

ρ1 / ρ2 = h2 / h1

т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.

В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.

Свойства сообщающихся сосудов

Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.

Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.

Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.

В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.

Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов

На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.

Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.

В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.

Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.

Применение сообщающихся сосудов

Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.

Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.

Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.

Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.

В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.

Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.

В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.

Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.

Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.

Видео по теме

Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.

Вместе со статьей “Закон сообщающихся сосудов и его применение.” читают:

Источник