1.1: Якість джерельної води

Last updated
Save as PDF

Page ID: 105290

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Прочитавши цю главу, ви зможете визначити та пояснити наступне:

Гідрологічний цикл Землі
Джерела підземних вод
Джерела поверхневих вод
Математика води: Площа та одиниця перетворення

Дуже кінцева кількість води на нашій планеті (0,34%) доступна для лікування для споживання людиною. Знаючи, звідки надходить вода, допомагає сертифікованим операторам у лікуванні сирої вихідної води, щоб зробити її питною. Більш нова технологія була розроблена для обробки засоленої або солоної води, знайденої в океані. Ці методи лікування все ще надзвичайно дорогі і не широко доступні. Постачання води для населення є надзвичайно важливою функцією в суспільстві, оскільки вода є основним будівельним елементом життя. Оскільки якість води має надзвичайно важливе значення, нові правила та стандарти якості води постійно змінюються та розвиваються, щоб переконатися, що громадськість має безпечні джерела питної води. Перші стандарти питної води були написані в Законі про безпечну питну воду (SDWA), який був підписаний президентом Фордом в 1974 році. По всьому тексту будуть введені нові поняття, а згодом буде надано і використано акронім. Ви навчитеся любити абревіатури, якщо станете сертифікованим оператором. Ми використовуємо їх досить часто!

Гідрологічний цикл

Кругообіг води — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Цикл води USGS знаходиться у відкритому доступі

Гідрологічний цикл - це безперервний рух води по поверхні планети. Вода рухається вище, нижче і по всій поверхні Землі як рідина, газ або тверда речовина. 12 елементів гідрологічного циклу визначаються наступним чином:

Випаровування - Вода рухається в газовому стані від поверхні Землі до атмосфери
Транспірація—Вода рухається в газовому стані від рослин до атмосфери.
Адвекція-Вода в газовому стані рухається через повітряні потоки в атмосфері
Конденсація - водяна пара перетворюється з газу в рідкий стан у вигляді крапель води.
Опади - Вода як рідина та/або тверда речовина падає з атмосфери. Ми зазвичай називаємо це дощем, снігом, мокрим снігом та градом.
Перехоплення - вода в рідкому стані, яка захоплюється рослинами
Інфільтрація—Вода в рідкому стані, яка просочується в поверхню землі. Це буде те, що відомо як підземні води, які будуть детально описані далі в цьому розділі.
Надземний потік — Вода в рідкому стані тече нижче поверхні Землі. Рух породжується гравітацією та перешкодами під поверхнею Землі.
Стік - Вода в рідкій формі подорожує до водойм. Це буде включати океан, озера, річки та струмки. Це також відоме як поверхневі води, про які буде детальніше описано пізніше в цьому розділі.
Канал потік - вода в рідкій формі, яка тече з малих каналів в річки і струмки
Зберігання - Вода природним чином зберігається в рідкому вигляді в озерах, ставках, водно-болотних угіддях та підземних водоносних горизонтах. У твердому вигляді вода природним чином зберігається в льоду, снігу та льодовиках. Це природне сховище забезпечує більшу частину води, очищеної для споживання людиною.
Сніготанення - Вода в твердій формі перетворюється на воду в рідкій формі і повертається до гідрологічного циклу. Примітка: У Каліфорнії снігопак є критичним показником водопостачання, оскільки саме тане снігопак заряджає річки та загальний запас води

Є й інші важливі терміни, які слід зазначити щодо гідрологічного циклу. Рух води від поверхні до атмосфери відомий як випаровування. Це поєднання випаровування і транспірації з рослинного життя в атмосферу. Найбільш широко відомим рухом води є опади, коли вода в різних фізичних станах падає з атмосфери на поверхню Землі. Рух води від поверхні до надр відомий як перколяція. Перколяція також може називатися інфільтрацією або перезарядкою. Ці терміни зазвичай пов'язані з підземними водоносними горизонтами. Нарешті, поверхневий потік називається стіком.

Підземні води

Підземні води є одним з двох основних джерел зберігання, що використовуються муніципалітетами для виробництва питної води. Вона утворюється шляхом просочування (інфільтрації та/або підживлення) води від поверхні землі до надр. Вода рухається через отвори і тріщини в надрах і збирається в підземному водоносному шарі. Водоносний шар - це геологічне утворення, яке накопичує воду завдяки своїй пористості. Важливі характеристики грунтових вод включають стабільну якість води і здатність залишатися в безпеці від поверхневого забруднення. З більшою технологією та методами випробувань хімічні речовини та складові, як відомо, шкідливі для людини, були знайдені в численних свердловинних майданчиках по всій території Сполучених Штатів. Свердловини поблизу промислових зон були забруднені шкідливими хімічними речовинами і речовинами. Нові правила постійно оновлюються, щоб забезпечити безпечне пиття джерельних підземних вод. У звичайних умовах для виходу грунтових вод потрібно дуже мало обробки.

Правило очищення підземних вод (GWTR) було прийнято в 2006 році для запобігання мікробного забруднення від підземних вод. Метою нового правила була класифікація систем водопостачання, які піддавалися більшому ризику забруднення фекалом. Ці системи повинні використовувати багатобар'єрний захист, подібний до правила обробки поверхневих вод, які будуть більш детально розглянуті в наступному розділі.

Закритий водоносний горизонт і необмежений водоносний горизонт — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Зображення USGS знаходиться у відкритому доступі

Існує два види водоносних горизонтів, замкнуті і беззамкнуті. У необмеженому або водоносному шарі водоносний шар води вільно підніматися і опускатися. Рівень води в необмежених водоносних горизонтах піднімається і падає в залежності від кількості опадів, що заряджають водоносний шар. Закриті водоносні горизонти, також відомі як артезіанські свердловини, містять воду, яка обмежена через шари низької проникності. Ці шари, які обмежують рух, складаються з гірської породи або твердої глини і називаються обмежуючими ліжками, аквітардами або водоймами. Артезіанські свердловини, як правило, під тиском при бурінні. Після буріння рівень води, при якому стовп води буде підніматися, відомий як п'єзометрична поверхня. Іноді вода піднімається на поверхню або повз поверхню, але, наприклад, вода залишається нижче, вона відома як не протікає артезіанська свердловина.

Уеллс

Будівництво свердловин має вирішальне значення при видобутку води з підземних водопостачань. Розміщення колодязів дуже важливо, оскільки правильне розташування дасть найбільший урожай. Важливі терміни, пов'язані з підземними свердловинами:

Статичний рівень води - рівень у свердловині, коли вода не видаляється з водоносного шару. Цей рівень можна виміряти в футах або висоті.
Відкачування рівня води—рівень, коли вода видаляється з водоносного шару. Цей рівень може змінюватися в залежності від швидкості стоку зі свердловини.
Просадка - різниця між рівнем води для накачування та статичним рівнем води
Конус поглиблення - форма або «конус», створений рухом води у всіх напрямках під час перекачування.
Зона впливу—область води, на яку впливає просадка води під час відкачування. Важливо відзначити, що свердловини не можна розташовувати занадто близько один до одного, оскільки їх зони впливу можуть впливати один на одного.
Вихід свердловини - кількість води, витягнутої з водоносного шару протягом певного періоду часу
Питома ємність - кількість води, виробленої на просадку, виражена в gpm/ft
Безпечний врожайність/Багаторічний врожайність - кількість води, яку можна витягнути з водоносного шару на рік без падіння рівня води
Овердрафт - Занадто багато води видалено. Більше безпечної врожайності колодязя
Просідання — постійне падіння рівня ґрунту води через овердрафт

Розрахунок питомої потужності

\[\text{Specific capacity} = \text{Flow (GPM)} ÷ \text{Drawdown (ft)} \label{Specific Capacity}\]

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Свердловина має врожайність 600 г/хв, а просадка - 50 футів. Яка питома потужність свердловини?

Рішення

Це пряме застосування Equation\ ref {Питома ємність}

\[\text{Specific Capacity = 600\, \text{GPM} ÷ 50\, \text{ft} = 12\]

Поверхневі води

На всій території Сполучених Штатів поверхневі води є найбільш широко використовуваним джерелом води для великих міст та інших муніципалітетів. Підземні води не настільки широко доступні, тому не є достатнім водопостачанням для великих міст. Поверхневі води включають озера, ставки, річки та струмки. Каліфорнія унікальна, оскільки південна половина штату має 2/3 населення, але лише 1/3 доступної води, а північна половина штату має 1/3 населення, але 2/3 води. Сніговий пак у північній Каліфорнії має вирішальне значення для водопостачання штату. Велика частина Південної Каліфорнії дуже посушлива і густонаселена, тому вода подорожує з Північної Каліфорнії через державний водний проект до Південної Каліфорнії.

Поверхневий стік постачає воду для всіх поверхневих джерел води. Вплив поверхневого стоку включає інтенсивність опадів, тривалість опадів, склад ґрунту, кількість вологи у ґрунті, ухил ґрунту, рослинність та вплив людини. Можна було б подумати, що багато дощу було б ідеальним. Однак, якщо щільність опадів занадто велика, більше води може бути втрачено, оскільки земля більше не поглинає воду. Те ж саме стосується і тривалості опадів. Тривалий дощ навіть робить грунт занадто вологим і нездатним захоплювати воду. Рослинне покриття і ухил грунту дуже важливі для зупинки стоку. Якщо ухил грунту крутий, швидкість стоку збільшується. Рослинність уповільнює швидкість стоку і дозволяє більшій кількості води поглинати або проникати в землю. Людські впливи мають великий вплив на стік води. Непроникні поверхні, такі як бетон, повністю перешкоджають проникненню.

Природні водотоки

Ключові умови

Природні водні потоки включають річки, струмки, струмки, мийки та арройо. Вони протікають одним з трьох шляхів:

Багаторічні потоки - водотоки, які протікають безперервно протягом року
- EX: Річка Колорадо
Ефемерні потоки - водотоки, які течуть епізодично, як правило, після опадів
- EX: Річка Санта-Клара, яка проходить через Санта-Кларіту та округу Вентура
Переривчасті - водотоки, які протікають десь між ефемерними та багаторічними струмками. Опади та високий рівень підземних вод вплинуть на те, як часто протікають ці потоки.

Річки та потоки є хорошим джерелом водопостачання, але не обов'язково є найкращим джерелом для громадського водопостачання.

Річка Колорадо — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Зображення річки Колорадо Полом Германсом ліцензовано відповідно до CC BY-SA 3.0

Річка Санта-Клара Карта — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Карта річки Санта-Клара від Shannon1 знаходиться у відкритому доступі

Озера

Озера є найбільш широко використовуваним джерелом громадського водопостачання. Однак «природних» озер існує дуже мало. Більшість озер, що використовуються для громадського водопостачання, є техногенними і використовують греблю для створення озера та утримання води. Це відоме як стягнення. Вода з цих озер подається по трубопроводах до очисних споруд. Через відхилення температури озера розвиваються «шари», також відомі як стратифікація. Більш щільна, холодна вода опуститься на дно (придонна зона) озера протягом літа. Розрізняють три шари:

Епілімніон — шари, найближчі до поверхні
Гіполімніон — верстви біля дна
Термоклін-середні пласти з найбільшою дисперсією температури

Озерна оборотність буде відбуватися під час сезонних перепадів температур. Коли температура озера рівномірна, вона відома як ізотермічна. Зростання водоростей є серйозною проблемою, яка викликає проблеми зі смаком та запахом у очищеній воді. Мідний купорос можна додати в озеро, щоб допомогти лікуванню цвітіння водоростей. У важких випадках вода піддається евтрофікації, що є втратою кисню. Повне або екстремальне виснаження кисню може вбити всіх живих істот у воді, включаючи тварин і риб.

Озеро Кастаїк — Ілюстрація\(\PageIndex{6}\): Зображення озера Кастаїк Рехмана знаходиться у відкритому доступі

Вступ до водної математики

Математика є ключовим компонентом водопідготовки. Оператори використовують таблиці перетворення та основну алгебру для виконання багатьох щоденних завдань. Графіки доступні на веб-сайті Державної ради з контролю водних ресурсів, які допомагають операторам з більшістю розрахунків, які ви знайдете на державних іспитах або під час роботи. Нижче наведено список основних одиниць та їх відповідні коефіцієнти перерахунку:

Таблиця 1.1: Одиниці та коефіцієнти перерахунку
Вимірювання	Еквівалент
1 кубічний фут води	62,3832 фунтів
1 галон води	8,34 фунтів
1 літр води	1 000 грам
1 мг/л	1 частина на мільйон (проміле)
1 мкг/л	1 частина на мільярд (ppb)
1 миля	5 280 футів (ів)
1 двір	3 фути
1 двір3	27 футів 3
1 акр	43,560 квадратних футів або ft2
1 кубічний фут або ft3	7,48 галонів
1 галон	3,785 літра або л
1 Л	1000 мілілітрів (мл)
1 фунт	454 грам

Робота з дробами

Знаменник чисельника

44=11 або =1 42=21 або =1

Округлення

Округлення числа 324.179
3 = Сотні	Вищевказане число (324,179), округлене до найближчої десятої, буде 324,2. Так як число на сотому місці знаходиться на позначці 5 або вище, число на десятому місці округляється в більшу сторону. Якби ви округлили це число до найближчого цілого числа, це було б 323, оскільки число на десятому місці нижче 5.
4 = Десятки
9 = Одиниці
1 = десятий
7 = сотий
9 = Тисячна

Одиниця вимірного аналізу

Це найважливіша функція в більшості водних математичних задач. Переконайтеся, що завжди розміщуйте свої фактори в належному місці, інакше рівняння буде неможливо вирішити правильно. У наведеному нижче прикладі буде використано одиничні виміри. Оператори води зазвичай перетворюють між різними одиницями вимірювання.

Приклад 1

Перетворіть 48 дюймів у фути. (Є 12 дюймів у футі.)

48 дюймів 11 футів 12 дюймів = 4 футів 1

Відкиньте один від знаменника, і відповідь - 4 фути.

Той самий процес буде полягати в перетворенні між галонами і кубічними футами.

Приклад 2

Перетворіть 22,44 галонів у кубічні фути або ft3 (Є 7,48 галонів в одному кубічному футі.)

22,44 галонів 11 футів ³7,48 галонів = 3 футів ³1

Відкиньте 1 від знаменника, і ваша відповідь буде 3 ft³

Приклад 3

Скільки галонів є в резервуарі, який вміщує 300ft³ води?

300 футів 317,48 галів 1 фут 3 = 2,244 галонів

Площа

Площа буде важливою для багатьох застосувань у водній математиці. Може знадобитися розрахувати площу резервуара, що вимагає фарбування або площа грунтового покриву біля обладнання.

Прямокутники

Прямокутник зі стрілками, що позначають довжину і ширину

Площа = Д × Ш

Коло

Коло зі стрілкою маркування діаметра

Площа = 0,785 × Д ²

Трапеція

Трапеція зі стрілками маркування підстави 1, підстави 2 і висоти (або глибини)

Площа = × Н

Приклад 1

Стіна шириною 10 футів і довжиною 40 футів повинна бути пофарбована. Що таке загальна площа квадратних футів стіни?

Прямокутник розміром 10 футів на 40 футів

Площа = Довжина х Ширина

Площа = 10 футів х 40 футів

Площа = 400футів ²

Приклад 2

Яка площа верхньої частини круглого резервуара для зберігання, що становить 100 футів в діаметрі? (Примітка: Використовуйте формулу 785 х d2. У більшості випадків у водній математиці ми завжди будемо мати справу з діаметром, а не радіусом. Ці короткі вирізи допоможуть у міру ускладнення проблем. У цій задачі я продемонструю, чому ми будемо використовувати цю формулу, а не стандартне математичне рівняння для розв'язання задач площі.)

Рівняння #1 Площа = π (3,14) х r ² (100 футів ÷ 2 = 50, щоб знайти радіус)

Площа = 3,14 х 50 х 50

Площа = 7,850 футів ²

Рівняння #2 Площа = .785 х d ²

Площа = .785 х 100 х 100

Площа = 7,850 футів ²

У цьому прикладі перше рівняння було легко вирішити, оскільки ми працювали з досить дружнім числом. Оскільки рівняння стають складнішими, ми не хочемо робити додатковий крок, щоб розділити діаметр на два, щоб вирішити радіус. Якби діаметр бака становив 357ft, ця проблема була б трохи складнішою, використовуючи перше рівняння.

Приклад 3

Верх круглої накопичувальної ємності потрібно пофарбувати. Він становить 100 футів в діаметрі. Кожен галон фарби охоплює приблизно 200 квадратних футів. Скільки галонів фарби вам потрібно буде купити?

Коло діаметром 100 футів

Площа = 0,785 х д ²

Площа = 785 х 100 футів х 100 футів

Площа = 7,850 футів ²

7850 футів ²1х1 гал 200 футів = 39,25 гала

Огляд глави

Як називається середній шар стратифікованого озера?
1. Термоклін
2. Придонна зона
3. Епілімніон
4. Гіполініон
Що таке перетворення рідкої води в газоподібну воду, відоме як?
1. Адвекція
2. Конденсація
3. Опади
4. Випаровування
Вода важить ___________.
1. 7,48 фунтів/гал
2. 8,34 фунтів/гал
3. 62,4 фунтів/фут ³
4. І 2, і 3
Який статичний рівень необмеженого водоносного шару також відомий як?
1. Просадка
2. Таблиця води
3. Накачування рівня води
4. Аквітард
У чому причина проблем зі смаком та запахом у сирої поверхневої води?
1. мідний купорос
2. Синьо-зелені водорості
3. Кисень
4. Озерний оборот
Яка хімічна речовина зменшує ріст синьо-зелених водоростей?
1. хлор
2. каустична сода
3. мідний купорос
4. квасцов
Водоносне геологічне утворення, яке накопичує воду завдяки своїй пористості.
1. Водоносний горизонт
2. Озеро
3. Аквіклюд
4. Колодязь
Який потік тече безперервно протягом року?
1. Ефемерний
2. Багаторічна рослина
3. Переривчастий
4. стратифікований
Рух води від поверхні до атмосфери відомий як ___________.
1. Опади
2. Проціджування
3. стратифікація
4. випаровування
Водоносний шар, який знаходиться під шаром низької проникності, відомий як ___________.
1. Обмежений водоносний горизонт
2. Стіл води водоносного горизонту
3. Беззамкнутий водоносний шар
4. Недосяжні підземні води
Що таке середній шар стратифікованого озера, відомий як?
1. Гіполініон
2. Придонна зона
3. Термоклін
4. Епілімніон
Кількість води, яке можна витягнути з водоносного шару без виснаження.
1. Просадка
2. Безпечна врожайність
3. Овердрафт
4. Просідання

Математичні питання

Будь ласка, покажіть всі роботи. На Державні іспити ви не отримаєте кредит, якщо робота не буде показана.

Яка площа верхньої частини резервуара для зберігання, яка становить 75 футів в діаметрі?
1. 4,000 футів ²
2. 416 футів ²
3. 1104 м²
4. 17 663 м²
Яка площа стіни 175 футів в довжину і 20 футів в ширину?
1. 3 000 футів
2. 2 500 кв. м
3. 3 500 м²
4. 4 000 футів
Вам належить заповнити область з скелею біля деяких з вашого обладнання. Один (1) мішок скелі охоплює 250 квадратних футів. Область, яка потребує кам'яного покриву, становить 400 футів в довжину і 30 футів в ширину. Скільки сумок потрібно придбати?
1. 40 мішків
2. 42 Сумки
3. 45 мішків
4. 48 мішків