Статьи

Забор подземных вод с помощью буровых скважин

Забор подземных вод с помощью буровых скважин - наиболее распространенный способ в практике водоснабжения, так как отличается универсальностью и техническим совершенством. Он используется в широком диапазоне глубин залегания подземных вод.
Скважины, устраиваемые путем бурения, предназначены для приема как напорных, так и безнапорных подземных вод, залегающих на глубине более 30 м. Скважины располагают перпен-дикулярно направлению потока подземных вод. При самоизливающихся скважинах вода отводится самотеком в сборный резервуар, а затем перекачивается либо на очистные сооружения, либо потребителям. При глубоком залегании динамического ровня скважины оборудуют артезианскими насосами или эрлифтами.
Схема транспортирования воды от скважин зависит от способа ее получения. Наибольшее распространение получили напорные сборные водоводы, что вызвано использованием сква-жинных систем, оборудованных погружными насосами. Самотечные системы сборных водоводов применяются при заборе воды из каптажей, самоизливающихся скважин, а также из скважин, оборудованных насосными установками или эрлифтами. Преимущество этих систем заключается в возможности использования безнапорных труб. При подаче воды из водосборных сооружений в самотечную сеть работа каждой насосной станции не зависит от работы других и может быть отрегулирована без учета из взаимодействия.
Водозаборная скважина в соответствии с требованиями бурения и геологии имеет телескопическую конструкцию. Самая нижняя часть скважины служит отстойником. Над отстойником находится водоприемная часть скважины – фильтр, через который вода из водоносного пласта попадает в ее рабочую зону. Тип фильтра и его конструкцию выбирают в зависимости от водоносной породы. Выше водоприемной части скважины располагают колонны эксплуатационных и обсадных труб, которые, с одной стороны, удерживают стенки скважины от обрушения, а с другой - служат для размещения в них водоподъемных труб и насосов. Над эксплуатационной колонной находится кондуктор, который задает направление проходящей через него трубе при бурении. Вокруг кондуктора устраивается цементный или глиняный замок, защищающий водоносный горизонт от загрязнений, попадающих с поверхности через затрубное пространство обсадных труб. Верхняя часть скважин называется устьем или оголовком. Оголовок в зависимости от заглубления может располагаться как в павильоне, так и в колодце, где находится механическое и электрическое оборудование.
Организация буровых скважин зависит от вида водоносных горизонтов, глубины их залегания, вида пробуриваемых пород, их агрессивности, диаметра скважины и способа бурения. В практике сооружения скважин на воду получили распространение следующие способы бурения: вращательный с прямой промывкой, вращательный с обратной промывкой, вращательный с продувкой воздухом, ударно-канатный, реактивно-турбинный и комбинированный.
Над устьем водозаборных скважин строят павильоны для размещения оголовка скважины, электродвигателя, горизонтального центробежного насоса, приборов пусковой и контрольно-из-мерительной аппаратуры и приборов автоматики. Кроме того в них располагают части напорного трубопровода, оборудованного затворами, обратным клапаном, вантузом, пробоотборным краном. Каждую скважину оборудуют расходомером.
Ответственной частью скважины является фильтр. От правильно и надежно устроенного фильтра в значительной степени зависит качество работы водозаборного сооружения. Фильтр предусматривают в рыхлых, неустойчивых, скальных и полускальных породах. В зависимости от характера водовмещающих пород и глубины скважины наиболее часто применяют фильтр пористые, щелевые, проволочные, сетчатые, каркасно-стержневые, штампованные, гравийные.

{mospagebreak}
Фильтр состоит из рабочей (водоприемной) части, надфильтровых труб и отстойника. Длина надфильтровых труб завис от конструкции скважины. Если фильтр располагается на колонне, то надфильтровые трубы являются ее продолжение. При меньшем диаметре надфильтровые трубы входят внутри эксплуатационной колонны не менее чем на 3 м при глубине скважины до 50 м и не менее чем на 5 м при большей глубине. В зазор, образовавшийся между ними, устанавливается сальник из резины, пеньки, цемента и др. При определенных условиях роль сальника выполняет слой гравия, засыпанного между эксплуатационной колонной и фильтром. Высота отстойников фильтрах, как правило, принимается 0,5-2 м.
Наибольшее распространение нашли частицезадерживающие фильтры, которые включают фильтры-каркасы и фильтры с дополнительной водоприемной поверхностью. В этих кон-струкциях эффект предотвращения пескования достигается подбором размера отверстия в корпусе фильтра относительно размера частиц водоносных пород или гравийной обсыпки.
Фильтры с отклонителем гравия характеризуются наличием таких элементов водоприемной поверхности, при которых исключается прямое наложение водоносных пород или гравийных частиц на фильтр.
В гравитационных фильтрах устраивают широкие водоприемные отверстия, в которых грунт удерживается от выноса под действием силы тяжести.
Основными элементами фильтра являются опорный каркас и водоприемная поверхность. Каркас обеспечивает необходимую, механическую прочность и служит поддерживающей конструкций для фильтрующей поверхности. СНиП 2.0 4.02-84* рекомендуютот следующие типы каркасов: стержневые, трубчатые с круглой и щелевой перфорацией, штампованные из стального листа.
В качествe фильтрующей поверхности применяют проволочную обмотку, штампованный лист, штампованный лист с одной - или двухслойной песчано-гравийной обсыпкой, сетки квадратного и галунного плетения. При заборе небольших количеств воды могут применяться фильтры из пористого бетона.
Конструкции фильтров приведены на рис. Диаметр фильтров определяют исходя из дебита скважины, пара метров водоподъемного оборудования и скорости движения воды в водоподъ-емных трубах, которая принимается не более 1,5-2,0 м/с. Минимальный диаметр фильтра пронимают равным 100-150 мм с учетом возможности проведения ремонта. Фильтр устанавлива-ют на расстоянии не менее 0,5-1 м от кровли подошвы пласта.
Водозаборные скважины используют для забора как напорных , так и безнапорных подземных вод. Различают скважины двух типов: совершенные и несовершенные. Под совершенной понимается такая скважина, которая вскрывает водоподъемных горизонт до подстилающего водоупорного пласта. Если скважина заканчивается в толще водоносного пласта, то она называется несовершенной.
Основная задача проектирования состоит в выборе рационального типа и схемы скважинной системы, т. е. в определении оптимального числа скважин, расстояний между ними, их взаимного расположения на местности, конструкций фильтра, диаметров и трассировки трубопроводов, характеристик насосного оборудования с учетом возможного понижения уровня воды в скважинах. Указанные задачи решают на основе гидрогеологических расчетов по определению дебита скважин и понижения уровня воды в процессе эксплуатации, а также оценки взаимного влияния отдельных скважин при совместной их работе.

Типы водозаборов подземных вод, требования к ним

Условия залегания подземных вод, их использование.
Изучением подземных вод занимается наука гидрогеология. Отметим лишь важнейшие гидрогеологические показатели и условия залегания подземных вод, определяющие использование их водозаборами для водоснабжения.
По условиям залегания различают два основных типа подземных вод - безнапорные и напорные. Горизонты напорных вод не имеют сплошного непроницаемого покрытия. В таких горизонтах устанавливается свободный уровень во глубина которого соответствует поверхности водоносных пород.
Воды первого от поверхности сплошного водоносного горзонта называются грунтовыми. Линзообразные скопления во на водоупорах или слабопроницаемых слоях, имеющие локальное распространение, образуют верховодку, которая расположена над грунтовыми водами.
Грунтовые воды - это, как правило, воды безнапорные, хотя на отдельных участках могут приобретать местный напор; залегают они обычно на небольшой глубине и поэтому подвергаются воздействию гидрометеорологических факторов. В зависимости от сезона, количества осадков и температуры изменяются как уровень грунтовых вод, так и их химический состав.
Питание грунтовых вод происходит посредством инфильтрации атмосферных осадков и речных вод, а в некоторых случаях за счет поступления напорных вод из нижележащих горизонтов. Вследствие неглубокого залегания и отсутствия водоупорных покрытий грунтовые воды могут легко подвергаться загрязнению. Условия залегания этих вод очень разнообразны.
Напорные воды заключены между водонепроницаемыми слоями. В буровой скважине, вскрывшей напорный водоносный горизонт, вода поднимается выше кровли этого горизонта. Если напорный (пьезометрический) уровень расположен над поверхностью земли, то скважина фонтанирует. Поэтому для получения самоизливающейся воды скважины необходимо бурить на участках с пониженным рельефом.
Проницаемый пласт, ограниченный двумя водоупорами, может не быть заполнен водой. При этом образуются полунапорные или безнапорные межпластовые воды. Напорные воды зачастую называют артезианскими независимо от того, изливаются эти воды на поверхность или нет.
Водоносный горизонт является напорным, если он имеет область питания, расположенную на более высоких отметках, чем водоупорная кровля этого горизонта.
При откачке воды из скважины вокруг нее образуется депрессионная воронка. В безнапорных водах эта воронка отражает понижение уровня воды вокруг скважины и осушение части водоносного горизонта. В напорном горизонте образуется депрессия пьезометрической поверхности - снижение давления в определенной зоне вокруг скважины.
Артезианские воды залегают обычно на более или менее значительной глубине. От поверхности они изолированы водоупорными слоями и поэтому менее подвержены загрязнению, чем грунтовые воды. Оценивая возможность использования подземных вод, определяют их естественные и эксплуатационные запасы. Под естественными запасами подземных вод подразумевается количество подземных вод, находящихся в водоносных породах, не нарушенных эксплуатацией водозаборных сооружений; под эксплуатационными - их расход, который может быть получен на месторождении с помощью рациональных в технико-экономическом отношении водозаборных сооружений при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям потребителей в течение расчетного срока водопотребления. Они составляют часть естественных запасов.
Эксплуатационные запасы подземных вод при проектировании водозаборных сооружений подсчитывают по результатам проведенных на месторождении детальных гидрогеологических работ. При эксплуатации водоносного горизонта нарушаются естественный режим и баланс подземных вод, вследствие чего в области отбора воды возникает зона пониженного давления, и таким образом создаются благоприятные условия для вовлечения в данный эксплуатируемый водоносный горизонт дополнительных ресурсов: переток воды из смежных водоносных пластов, разделенных слабопроницаемыми слоями; инфильтрация атмосферных осадков; фильтрация из поверхностных водотоков и водоемов; искусственное регулирование режима подземных вод и др. В зависимости от степени разведанности эксплуатационных запасов, сложности гидрогеологических и гидрохимических условий, однородности фильтрационных свойств водовмещающих пород устанавливают категорию подземных вод.

{mospagebreak}              Типы водозаборов подземных вод, условия их применения
Выбор типа сооружений и схемы их размещения зависит от глубины залегания водоносного пласта, его мощности и водообильности, условий залегания, геологических и гидрологических условий. Сооружения, применяемые для захвата подземных вод, подразделяются на следующие группы: скважины, шахтные колодцы, горизонтальные водозаборы, лучевые водозаборы, каптаж источников.
Водозаборные скважины и шахтные колодцы широко применяют при эксплуатации как безнапорных, так и напорных подземных вод. Шахтные колодцы используют чаще при небольших объемах потребления и глубине залегания подземных вод до 20-30 м. Эффективное использование водозаборных скважин возможно при глубине подошвы водоносного слоя более 8-10 м и при минимальной его мощности 1-2 м. Эффективность их применения возрастает с глубиной залегания вод: при этажном залегании водоносных горизонтов, когда один или несколько из них являются источниками водоснабжения, скважины становятся незаменимыми.
Горизонтальные водозаборы могут применяться при неглубоком залегании водоносного пласта небольшой мощности. Зачастую их использование позволяет добиться более высокого эффекта в заборе воды, чем использование вертикальных водозаборов. Горизонтальные водозаборы в виде дренажных труб и галерей, применяемые для захвата грунтовых вод, укладывают в вырытые канавы и располагают на глубине не более 5-8 м. Горизонтальные лучевые водозаборы пробуривают из центральной шахты - камеры и чаще, применяют для захвата грунтовых вод, а в последнее время - и для захвата напорных вод на глубине 20-30 м. Каптажные сооружения предназначены для приема воды из восходящих и нисходящих источников (ключей, родников). В зависимости от условий выхода на поверхность земли из водоносного горизонта каптажи могут иметь различную конструкцию: в виде дренажных труб со сборным колодцем и камерой, одной каптажной камеры, а иногда в виде шахты с отводной трубой. Такие сооружения на территории России встречаются сравнительно редко.

            Требования, предъявляемые к водозаборам систем водоснабжения
Водозаборные сооружения должны обеспечивать подачу воды потребителю в необходимом объеме и требуемого качества всех расходах и уровнях воды в реке, не меньших минимального расчетного.
Бесперебойность подачи воды при выбранной обеспеченности должна быть гарантирована при самых неблагоприятных возможных сочетаниях гидрологических, технологических, шуголедовых и других условий. Водозаборные сооружения должны: обеспечивать забор из водоисточника потребного расходов воды и подачу ее потребителю; защищать систему водоснабжения от попадания в нее сора, водорослей, планктона, биологических обрастателей, наносов, льда и т. п.; защищать молодь рыб от проникновения в водозаборные сооружения.
Надежность действия водоприемника в значительной степени определяет надежность функционирования всего водозабора в целом, поэтому водоприемник должен обеспечивать прием воды и в осложненных условиях: уменьшение глубин или расходов воды в русле реки; образование внутриводного льда и шуги транспортирование потоком шуги , сора, наносов и т. п.; судоходство; лесосплав; переформирование русла или побережья водоема; наледеобразование, заторы льда и др.
Водозаборные сооружения хозяйственно-питьевого назначения должны удовлетворять санитарным требованиям. В местах расположения этих сооружений организовывают зоны санитарной охраны. Водозаборные сооружения должны быть прочными, долговечными, устойчивыми, простыми в строительстве удобными в эксплуатации и экономичными. Их необходимо   проектировать так, чтобы расположение, форма и размер обеспечивали плавное обтекание речным потоком, наименьшее стеснение русла и не вызывали бы его переформирования.

Страница 52 из 70