XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство ''Гидромер''. Водоносные слои

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сизикова В.И. 1Софин А.Е. 1Гонтов Д.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

394.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире, с ростом потребности в энергоресурсах и необходимостью развития промышленности, возникает необходимость в бурении скважин для добычи воды и полезных ископаемых. Одной из ключевых задач в процессе бурения является точное измерение расстояния до воды, что позволяет оптимизировать процесс бурения и снизить затраты на проведение работ. В связи с этим, целью данной исследовательской работы является создание устройства для автоматического измерения расстояния до уровня воды при бурении скважин.

Бурение скважин является сложной и дорогостоящей операцией, требующей значительных временных и материальных затрат. При этом, ошибки в определении глубины залегания воды могут привести к существенным финансовым потерям, а также к негативным экологическим последствиям. Поэтому разработка устройства, позволяющего с высокой точностью измерять расстояние до воды в режиме реального времени, является актуальной и значимой задачей.

Целью данной исследовательской работы является разработка и создание прототипа устройства для автоматического определения расстояния до воды при бурении скважин, а также проведение экспериментальных исследований по оценке его точности и эффективности.

Для достижения данной цели будут решены следующие задачи:

• Изучить виды водоносных слоев

• Исследовать особенности грунтовых вод

• Узнать, для чего проводится анализ грунтовых вод

• Создать устройство для измерения расстояния до воды в скважинах на базе конструктора SpikePrime

• Запрограммировать модель

• Протестировать модель

Глава 1. Водоносный слой. Виды.

Так называют горизонтально расположенную часть грунта, в порах и полостях которой протекает вода.

Для поиска такого слоя бурят почву.

При классификации пластов используют такие характеристики:

Производительность, измеряемую в кубических метрах. Параметр отражает объем жидкости, добываемой за единицу времени, например, за час.

Глубину залегания нижней и верхней части слоя. Показатель измеряется с поверхности земли, выражается в метрах.

Амплитуду движения воды в течение года. Параметр меняется с учетом сезона, погодных условий, атмосферного давления, объема осадков.

Мощность – толщину насыщенного жидкостью слоя.

Чем больше глубина залегания пласта, тем выше его производительность. [1]

Виды водоносных слоев

Пласты классифицируют по глубине расположения относительно поверхности земли.

Верховодка

Слой располагается примерно в 5 м от поверхности. Объем жидкости поддерживается только за счет атмосферных осадков.(Рисунок 1.1, Приложения)

Верховодка в жаркую погоду уменьшается или пересыхает.

В жаркую погоду количество воды уменьшается. Иногда жидкость полностью пропадает. В верховодку проникают все загрязнения из атмосферы и почвы: отходы производства, стоки. Особенно опасными подземные воды считаются, если рядом расположены химические заводы, общественные туалеты с выгребной ямой, кладбища.

В северных районах верховодка залегает на линии промерзания, поэтому добыча воды в зимнее время затруднена.

Дополнительным недостатком считается повышенный уровень кислорода, из-за которого быстро размножаются бактерии.

Грунтовые

Пласт располагается на глубине около 10 м. Опорным материалом служит глина. Грунтовые слои также содержат непригодную для питья и хозяйственных нужд воду, поскольку небольшая глубина не способствует качественной фильтрации. [1]

Межпластовые

Слои залегают на глубине 15–100 м, между 2 водонепроницаемыми пластами. Производительность в этом случае стабильна, однако вода может содержать большое количество солей, минералов. Вещества добавляются по мере продвижения жидкости вниз. Поэтому получаемую воду нужно тщательно исследовать и правильно фильтровать.(Рисунок 1.2, Приложения)

Межпластовые воды находятся на глубине 15–100 метров.

Артезианские

Пласты находятся на глубине более 100 м. Вода проходит многоступенчатую естественную фильтрацию, поэтому считается самой чистой. Артезианские скважины находятся на государственном контроле. Гидробурение и последующую эксплуатацию осуществляют после получения лицензии. Глубокие шахты используются для добычи воды на несколько домов. Производительность многократно превышает потребности среднестатистической семьи.

Глава 2. Грунтовые воды

2.1. Особенности грунтовых вод

Основными факторами, влияющими на скопление грунтовых вод, являются метеорологические условия и явления, включая испарение, атмосферное давление.[3] Не следует путать грунтовые воды с артезианскими: в первых отсутствует давление, вторые залегают на более значительной глубине.

Ключевыми задачами анализа грунтовых вод служат определение пригодности участка для возведения постройки с конкретными характеристиками, а также предупреждении я влияния воды на объект строительства.

При инфильтрации в жидкости растворяется множество различных веществ, которыми во многом определяются ее свойства. На содержание примесей влияют процессы откачки нефти, добычи полезных ископаемых, внесение удобрений при выполнении полевых работ, попадании стоков.

2.2. Основные химические параметры

При проектировании строительства учитываются не только глубина залегания воды, но еще и ее химические параметры:

• Жесткость;

• Минерализация;

• Агрессивность;

• Соотношение концентрации кислот и щелочей.

Под жесткостью понимается присутствие ионов кальция и магния в воде. Этот показатель важен в плане обеспечения объекта питьевой водой. Данные о минерализации отображают содержание в воде минеральных компонентов. Агрессивность оценивается по отношению к наиболее распространенным видам стройматериалов – стали, алюминию, бетону.[3]

Кислотно-щелочное равновесие (рН) также является важным показателем. Его низкий уровень указывает на способность воды к разрушению бетонных конструкций. [4]При выявлении такого уровня стоит провести уточняющий анализ, позволяющий выявить присутствие в воде конкретных кислот и их концентрацию. На основании этих сведений можно подобрать оптимальный состав бетонного раствора и марку бетона.

При уровне рН ниже нейтрального уровня (7 единиц), воду считают кислотной. Способность к разрушению бетона зависит от нескольких показателей:

Разновидности кислоты и объема ее в воде;

Непрерывности обновления кислоты;

Уровня давления грунтовых вод на бетон;

Скоростных параметров течения;

Показателя непроницаемости бетона и свойств заполнителя.

Низкий уровень рН обычно связан с наличием углекислоты либо органических примесей, иногда – серной кислоты из грунтов торфяного типа. При интенсивном агрессивном воздействии необходимо повысить качество бетона, например, за счет увеличения расхода цемента. Этот показатель влияет и на глубину фундамента. [4]

2.3. Для чего проводятся исследования

Приступать к подбору материалов для строительства и проектированию постройки можно после определения количественных и качественных параметров грунтовых вод. Результаты исследований такого рода позволяют предотвратить массу негативных последствий в виде:

Разрушения постройки;

Активной усадки фундамента;

Появления трещин на основании сооружения;

Выступании солевого налета на кирпичной кладке;

Сезонных подтоплений;

Порчи отопительных, водоснабжающих, канализационных магистралей;

Выхода из строя оптоволоконных и электрических кабелей.[2]

Для защиты зданий от таких явлений существует ряд мероприятий. С учетом особенностей местных грунтовых вод можно спроектировать дренажную систему, выбрать тип фундамента, подходящий для конкретных условий. В сооружениях, где не предусмотрены подвальные помещения, при высоком уровне грунтовой воды следует обеспечить изоляцию стен от влаги. Другими словами, грунтовые воды не должны подниматься по стенам.[3]

Иногда выполняется гидроизоляция самого фундамента. Важно также учитывать различное воздействие влаги на постройку в разные сезоны, усиление ее влияния в зимние месяцы и в период таяния снега. Кроме того, анализ грунтовых вод позволяет делать обоснованные выводы по поводу допустимости обустройства подвальных этажей.

Глава 3. Практическая работа

3.1. Создание устройства для измерения расстоянии до воды в скважине. Первый вариант

Мы создали гидромер из конструктора LegoSpikePrime.

Он состоит из Смарт Хаба, лебедки, двух средних моторов и датчика цвета, также есть специальная ручка, которая размещается на повехности скважины.(Рисунок 3.1.1, Приложения)

Когда моторы начинают крутиться, червячная передача приводит в движение лебедку. Вся конструкция прикреплена к лебедке, тем самым опускается вниз все устройство, измеряя расстояние до воды. После, лебедка начинает крутиться вверх, поднимаясь на поверхность. Смарт Хаб передает информацию о расстоянии на компьютер. .(Рисунок 3.1.2, Приложения)

Этапы пользования гидромером:

1. Повесить его за ручку.

2. Включить программу.

3. Ждать когда лебедка опустится и данные отобразятся на экране.

4. Ждать когда гидромер поднимется обратно.

5. Выключить программу.

3.2. Создание устройства для измерения расстоянии до воды в скважине. Второй вариант

Мы создали второй вариант гидромера из конструктора LegoSpikePrime.

Он состоит из Смарт Хаба, лебедки и одного мотора. Когда мотор начинает крутиться, лебедка вращается и спускает вниз датчик, измеряя расстояние до воды. После, лебедка начинает крутиться вверх и смарт хаб передает информацию о расстоянии на компьютер. .(Рисунок 3.2.1, Приложения)

Отличие этого устойсва от первого, тем что модель полностью размещается на поверхности, за исключением датчика

Этапы пользования гидромером:

1. Поставить его на необходимое место.

2. Включить программу.

3. Ждать когда лебедка опустится и данные отобразятся на экране.

4. Выключить программу.

3.3. Создание программы в ПО SpikePrime

Когда запускается программа, мотор переходит в положение 0. Далее робот начинает опускаться со скоростью «50», пока не увидит датчиком цвета синий цвет. Остановившись, он записывает, на сколько градусов он опустился в переменную «градусы», передает данные о расстоянии из нее на экран компьютера и поднимается обратно. .(Рисунок 3.3.1, Приложения)

Заключение

В заключении научно-исследовательской работы, целью которой является разработка и создание прототипа устройства для автоматического определения расстояния до воды, можно сделать вывод о достижении поставленных задач.

В ходе исследования были изучены виды водоносных слоев и особенности грунтовых вод, а также определена необходимость проведения анализа грунтовых вод для обеспечения качества и безопасности водоснабжения.

С использованием конструктора SpikePrime была создана демонстрационная модель устройства для измерения расстояния до воды в скважине. Модель была запрограммирована и успешно протестирована, продемонстрировав свою эффективность и точность в определении расстояния.

Полученные результаты имеют практическую значимость и могут быть использованы в разработке новых устройств и систем для автоматического определения уровня грунтовых вод.

Список литературы

1. https://geo124.ru/vodonosnyij-sloj.html

2. https://gdta.ru/uslugi/inzhenerno-geologicheskie-izyskaniya/analiz-gruntovyh-vod/

3. https://dzen.ru/a/Y8GUv8zAkz5Mf9QW

4. https://1cert.ru/stati/stepen-vliyaniya-khimicheskikh-protsessov-na-kachestvo-betona?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

Приложения