Типы водозаборных скважин и откачки из скважин

Сооружения, предназначенные для захвата и извлечения под­земных вод, используемых для различных целей (водоснабжения, орошения, водопонижения), называются водозаборными.

В конструктивном отношении водозаборные сооружения под­разделяются на вертикальные (скважины, шахтные колодцы, шурфы), горизонтальные (каптажные галереи, дренажные канавы, водозаборные траншеи, кяризы, трубчатые дрены, горизонтальные скважины) и комбинированные (сочетание вертикальных соору­жений с горизонтальными, например, лучевые водозаборы — соче­тание шахтного колодца с горизонтальными скважинами). Наи­большее распространение из всех водозаборных сооружений в практике водоснабжения и для других целей имеют скважины (как вертикального, так и горизонтального заложения) и колодцы. По гидрогеологическим условиям все водозаборные сооружения могут быть разделены на две группы:

1. инфильтрационные;
2. фильтрационные.

Инфильтрационные водозаборы

Инфильтрационные водозаборы располагаются, как правило, в области активной связи подземных и поверхностных вод (в об­ласти питания) и работают в основном за счет привлечения вод по­верхностных водотоков. Постоянное восполнение подземных вод при их эксплуатации за счет поступления вод поверхностных водо­емов приводит к быстрой стабилизации расходов и уровней под­земного потока, в связи с чем инфильтрационные водозаборы ра­ботают, как правило, в условиях установившейся фильтрации.

Фильтрационные водозаборы располагаются обычно в области распространения и стока подземных вод. При их эксплуатации привлекаются естественные запасы подземных вод (упругие и за счет осушения пласта) и естественные расходы потоков. Имея менее благоприятную природную обстановку для восполнения за­бираемых при эксплуатации подземных вод, фильтрационные во­дозаборы работают обычно в условиях неустановившейся фильт­рации. При взаимосвязи водоносных горизонтов и наличии перете­кания фильтрационные водозаборы могут работать и в условиях установившейся фильтрации.

Вертикальные водозаборы, вскрывающие грунтовые безна­порные воды, называются грунтовыми; вертикальные же водоза­боры, вскрывающие напорные (артезианские) подземные воды, носят название артезианских скважин, или колодцев.

По степени вскрытия водоносных горизонтов различают совер­шенные и несовершенные грунтовые и артезианские скважины (колодцы).

Совершенные выработки

Совершенные выработки вскрывают эксплуатируемый водо­носный горизонт на всю мощность, обеспечивая поступление воды в выработку по всей длине ее водоприемной части в пределах мощ­ности водоносного пласта.

Несовершенные выработки не вскрывают водоносного гори­зонта по всей мощности и обеспечивают поступление воды в пре­делах вскрытой части через боковые стенки или дно выработки.

Типы грунтовых и артезианских скважин

а — совершенные; б — несовершенные

У несовершенных скважин водоприемная часть (фильтровая или бесфильтровая) может располагаться в любой части водонос­ного пласта (у кровли или свободной поверхности, у подошвы или в средней части пласта). Если водозаборное сооружение работает, не испытывая влияния других водозаборов, то оно называется оди­ночным в отличие от взаимодействующих водозаборных соору­жений.

Взаимодействующие водозаборы

Взаимодействующие водозаборы, состоящие из скважин, различа­ются по схемам их расположения. При этом может иметь место как их закономерное расположение (линейное, кольцевое, по сетке), так и произвольное. Взаимодействие водозаборов приводит к ухуд­шению условий их работы, так как при этом происходит нало­жение депрессионных воронок взаимодействующих водозаборов. При работе водозаборных скважин вследствие непрерывного от­бора воды вокруг них начинает формироваться депрессионная во­ронка. При этом в безнапорных водах происходит осушение водо­носного пласта в пределах интенсивно развивающейся депресси- онной воронки. В напорных водах вследствие наличия избыточных над кровлей пласта напоров непосредственного осушения пласта не происходит, и поступление воды в скважину обеспечивается за счет высвобождения ее упругих запасов при снижении напоров в пределах развивающейся депрессии и перехвата естественного расхода потока.

В первый период эксплуатации водозаборных скважин депрес­сионная воронка развивается очень интенсивно как в глубину, так и ширину. При этом основные параметры потока в сечениях вокруг скважин прерывно изменяются, что отвечает периоду резко выра­женной неустановившейся фильтрации. Со временем интенсив­ность развития депрессионной воронки затухает и происходит ста­билизация уровней и дебитов потока по всем его сечениям, что отвечает периоду установившейся фильтрации. При этом отбор воды из скважин компенсируется ее притоком в пределах стабили­зировавшейся воронки депрессии.

Размеры депрессионной воронки характеризуются радиусом вли­яния скважины при ее эксплуатации R, под которым понимается радиус кругового контура питания, концентричного скважине и обеспечивающего ее дебит при откачке (приведенный радиус пи­тания по В.Н. Щелкачеву).

Нередко дальнейший рост депрессионной воронки прекраща­ется в связи с тем, что в ее пределах в процессе откачки обеспечи­вается интенсивное поступление воды от дополнительных источ­ников питания (перетекание из соседних горизонтов, поступление воды из поверхностных водотоков). При незначительных есте­ственных уклонах потоков подземных вод влияние откачки распро­страняется одинаково во всех направлениях и формирующаяся де­прессионная воронка является симметричной относительно оси скважины. В таких природных условиях воронка в плане имеет форму круга с концентрическим расположением линий равного напора (гидроизогипс или гидроизопьез) и радиальными линиями токов (рис. ниже).

Схема движения воды к артезианской скважине

Движение подземных вод к водозаборным скважинам на боль­шинстве участков может рассматриваться как плановое двухмерное, описываемое дифференциальным уравнением Фурье.

Учитывая, что при этом фильтрация подземных вод является ра­диальной осесимметричной, для получения решений ее рассматри­
вают в цилиндрической системе координат как одномерную ради­альную фильтрацию.

Общее дифференциальное уравнение, описывающее ради­альную фильтрацию напорных и безнапорных вод в цилиндри­ческих координатах, имеет вид:

где U — напорная функция, которая для напорного потока прини­мается равной mН, для безнапорного — h²/2; а — соответственно коэффициент пьезопроводности при напорной фильтрации и ко­эффициент уровнепроводности — при безнапорной.

При ∆U / ∆t = 0 уравнение описывает установившуюся фильтрацию радиального потока подземных вод.

Фильтрация подземных вод к взаимодействующим водоза­борным сооружениям носит сложный характер, являясь радиальной на некотором удалении от них, поэтому она рассматривается как планово-радиальная. Такой же сложный характер имеет филь­трация к скважинам, расположенным вблизи границ области филь­трации. Для получения решений в таких условиях широко исполь­зуются принцип сложения течений и метод зеркальных отобра­жений.

Эксплуатация водозаборных скважин осуществляется в основ­ном с помощью различного рода насосных установок с постоянной во времени производительностью. Поэтому при расчетах произво­дительность скважин принимается постоянной, а решения полу­чают применительно к определению положения уровня подземных вод при работе скважин с постоянным во времени дебитом.

Важнейшей задачей гидрогеологических исследований является определение расчетных гидрогеологических параметров водонос­ных горизонтов и пород зоны аэрации, без которых невозможны количественная оценка и различного рода инженерные расчеты и прогнозы при решении разнообразных народнохозяйственных задач. Гидрогеологические параметры (характеризующие главным образом фильтрационные свойства и водообильность горных по­род) определяют на основе полевых опытно-фильтрационных работ (откачек из скважин, наливов и нагнетаний в скважины, наливов в шурфы, экспресс-опробований), стационарных гидрогеологиче­ских наблюдений, лабораторных работ, геофизических исследова­ний, моделирования. При этом во всех случаях (кроме геофизиче­ских исследований) определение гидрогеологических параметров сводится к решению обратных задач, т.е. соответствующие уравне­ния движения подземных вод решаются относительно входящих в них гидрогеологических параметров.

Значения напоров, расходов и других элементов потока, вхо­дящих в исходные уравнения, принимаются равными их факти­ческим значениям, устанавливаемым в процессе исследований (при опытно-фильтрационных работах в полевых и лабораторных условиях, при стационарных наблюдениях и т.п.).

Чаще всего в гидрогеологической практике для определения па­раметров проводят опытно-фильтрационные работы (откачку, налив, нагнетание, экспресс-опробование). Достаточно надежные значения гидрогеологических параметров могут быть получены по данным режимных наблюдений и моделирования, однако в этих случаях необходимы сведения об изменении уровней и расходов потока по сети наблюдательных точек (скважин, створов, постов).

Лабораторные методы определения фильтрационных свойств применяют для массовых ориентировочных оценок на начальных этапах исследований. Воду фильтруют через отобранные образцы горных пород при помощи специальных фильтрационных при­боров. Применяют также эмпирические методы определения филь­трационных свойств, основанные на учете связи этих свойств с раз­личными показателями горных пород (гранулометрическим со­ставом, пористостью и др.), определяемыми в лабораторных условиях.

Геофизические методы дают результаты, пригодные для ориен­тировочных оценок фильтрационных свойств и гидрогеологиче­ского расчленения изучаемого разреза. Их применяют также для определения направления и скорости движения подземных вод (индикаторные и другие методы). Для повышения надежности определения гидрогеологических параметров и экономической эф­фективности исследований целесообразно применять комплекс различных методов с учетом их специфики, характера и требований решаемых задач, конкретных условий изучаемого объекта и других факторов.

Основным видом опытно-фильтрационных работ являются опытные откачки. Их почти всегда применяют при опробовании водоносных пород, особенно при проведении изысканий для целей водоснабжения, осушения и дренажа. В зависимости от назначения откачки подразделяют на пробные, опытные и опытно-эксплуата­ционные, различающиеся продолжительностью проведения и кон­струкцией опытного куста скважин, состоящего из центральной и наблюдательных скважин.

Пробные откачки.

Их применяют чаще всего на первых этапах поисково-разведочных работ. Пробные откачки производят прак­тически из всех скважин, пробуренных в процессе гидрогеологи­ческих исследований. На стадии поисковых работ основной целью пробных откачек являются получение сравнительной характери­стики фильтрационных свойств и водообильности пласта на от­дельных участках распространения водоносного горизонта, ориен­тировочная оценка качества подземных вод и установление их сво­бодной или пьезометрической поверхности.

На стадиях предварительной и детальной разведки пробные от­качки производят из всех разведочных и разведочно-эксплуатаци- онных скважин для предварительного определения их возможной производительности, как правило, на одну ступень понижения уровня в течение не более 1,5 сут. Понижение уровня измеряют от статического уровня подземных вод до сниженного в результате откачки. Ступенью называют величину понижения уровня воды при заданном дебите скважины.

Опытные откачки.

Они являются основным видом фильтраци­онных исследований на стадиях предварительной и детальной раз­ведки. Опытные откачки подразделяются на одиночные (при отсут­ствии наблюдательных скважин) и кустовые (при их наличии).

Одиночные опытные откачки.

Одиночные опытные откачки производят в процессе разведки из разведочных и разведочно-эксплуатационных скважин для опре­деления коэффициента фильтрации и зависимости дебита сква­жины от понижения уровня: Q =f(s). Их ведут на две ступени по­нижения уровня при зернистых водоносных горизонтах и на две- три ступени — при трещиноватых породах. Продолжительность откачки определяется временем стабилизации понижения уровня на каждой из ступеней и может составлять 10 сут и более.

Кустовые опытные откачки.

Кустовые опытные откачки применяют на стадиях предвари­тельной и детальной разведки для определения расчетных гидроге­ологических параметров, изучения и оценки граничных условий пласта и опытного определения понижения уровня. Они обеспечи­вают более надежное определение гидрогеологических параметров, чем одиночные откачки. Количество наблюдательных скважин, их расположение и продолжительность кустовой откачки определяют в каждом конкретном случае с учетом гидрогеологических особен­ностей объекта изучения, назначения откачки и других факторов.

Если откачка из одной скважины (центральной) обеспечивает ощутимое понижение уровня в наблюдательных скважинах (из-за высокой водообильности и водопроводимости изучаемого гори­зонта), то производят опытную групповую откачку из нескольких скважин, являющуюся разновидностью кустовой откачки. Кус­товые откачки выполняют обычно на одну ступень понижения уровня, продолжительность их — не менее трех суток.

Опытно-эксплуатационные откачки.

Их производят из одной или нескольких скважин только на стадии детальной разведки в сложных гидрогеологических условиях, чтобы определить воз­можную производительность водозабора или установить законо­мерности изменения уровней при его эксплуатации, а также воз­можное изменение состава подземных вод.

Откачки ведут в самое неблагоприятное по условиям питания подземных вод время (меженный период) с дебитом, близким к проектному водоотбору, в течение 1—3 мес, а иногда и дольше. Их данные принимают за основу при прогнозах условий работы во­дозаборных и дренажных сооружений.