Основы методов оценки эксплуатационных запасов

Подземных вод

Возможность обеспечения населенных пунктов и промышленных предприятий водами хозяйственно-питьевого назначения должно базироваться на эксплуатационных запасах продуктивного водоносного горизонта. Сущность подсчета эксплуатационных запасов подземных вод состоит в определении их количества, которое может быть получено на месторождении с помощью рациональных в технико-экономическом отношении водозаборных сооружений при заданном режиме их эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем потребителя.

Расчеты водозаборных сооружений при оценке эксплуатационных запасов подземных вод заключается либо в определении возможной производительности этих сооружений при заданной величине понижения уровня воды, либо в определении понижения уровня при заданном значении производительности водозабора. Если проектируемый водозабор будет работать в режиме постоянного водоотбора, то оценка эксплуатационных запасов будет заключаться в доказательстве того, что максимальное понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора (S_р) не превысит допустимой величины (S_доп) в течение всего срока работы сооружения (t_р), т.е. S_р S_доп. Величина допустимого понижения принимается равной S_доп = (0,5-0,75)h_ср для безнапорных водоносных горизонтов и S_доп = DH + 0,5m для напорных (h_ср и m - средняя мощность грунтового горизонта и напорного пласта, соответственно; DH - относительный напор). Расчетный период работы водозабора t_р либо оговаривается заказчиком, либо в качестве расчетного периода выбирают промежуток времени, превышающий срок амортизационных исчислений с водозабора (20-30 лет). Для облегчения расчетов принимают t_р = 10⁴суток = 27,4 года.

Оценка эксплуатационных запасов гидродинамическим методом. Гидродинамический метод оценки эксплуатационных запасов подземных вод базируется на использовании теории притока подземных вод к водозаборным сооружениям. Расчет может быть проведен на основе аналитических зависимостей, являющихся решениями конкретных схематизированных моделей, а также с использованием численного моделирования.

В зависимости от потребности в воде, водообильности горизонта скважинные водозаборы могут быть одиночными или групповыми.

Оценка эксплуатационных запасов подземных вод одиночных водозаборов заключается в доказательстве того, что расчетные понижения в самой водозаборной скважине на конец расчетного периода не превысят допустимой величины. Основные расчетные зависимости, используемые для оценки величин понижения при работе скважин с постоянным расходом для различных типовых схем, приведены в пособии [4].

При работе небольших групповых водозаборов оценка эксплуатационных запасов подземных вод проводится с использованием метода сложения течений и сводится к определению величины понижения в наиболее нагруженной скважине водозабора. При этом расчетное понижение определяется как сумма понижений, вызванных работой самой наиболее нагруженной скважины и соседних, взаимодействующих с ней скважин. Если расчетная величина понижения окажется меньше допустимой, то эксплуатационные запасы считаются обеспеченными. Кроме того, при работе крупных площадных и контурных водозаборов для определения расчетного понижения в наиболее нагруженной скважине широко используется принцип «большого колодца», согласно которому группа взаимодействующих скважин заменяется эквивалентным в гидродинамическом плане колодцем.

Так, при работе водозаборной скважины для схемы изолированного и неограниченного в плане однородного изолированного пласта (схема Тейса) понижение в скважине на конец расчетного срока эксплуатации водозабора S_р может быть определено по формуле:

S_р = E_i (14)

При r_c/(4a*t) < 0,05 интегральную экспоненциальную функцию в формуле (14) заменим логарифмической:

S_р = ln (15)

Для группы скважин (например, группового линейного водозабора из трех скважин) расчетное понижение, как отмечалось, определяется для наиболее нагруженной скважины, находящейся в центре водозабора. Тогда, понижение в самой нагруженной скважине, вызванное ее собственной работой, определяется согласно формуле (15), а дополнительное в ней - за счет работы двух соседних скважин:

DS = ln + ln , (16)

где r₁ и r₂ - расстояние от центральной скважины до соседних скважин.

Оценка эксплуатационных запасов гидравлическим методом. Гидравлический метод подсчета эксплуатационных запасов основан на использовании эмпирических зависимостей, полученных по результатам опытных испытаний водоносных горизонтов. Применяется он на месторождениях с особо сложными гидрогеологическими условиями, когда имеет место значительная фильтрационная неоднородность водовмещающих пород продуктивного горизонта, не выяснены источники формирования эксплуатационных запасов, а выбор достоверной фильтрационной схемы для гидродинамического расчета заведомо невозможен. Этот метод привлекается для подсчета запасов подземных вод на месторождениях трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений, трещинно-карстовых вод и др. Для подсчета эксплуатационных запасов подземных вод гидравлическим методом при разведке месторождения проводится опытно-эксплуатационное опробование с целью установления зависимости между расходами водозаборных скважин и понижениями уровней в них. Для определения этой зависимости опытные откачки проводят минимум с двумя дебитами. По данным откачек строится эмпирический график Q = f(S), который используется для графического определения понижения уровня воды в скважине при запроектированном эксплуатационном дебите путем экстраполяции полученной зависимости от проектного расхода. Экстраполяция может быть выполнена также по аналитическим зависимостям дебита от понижения, установленным эмпирически для различных условий.

Для напорных водоносных горизонтов имеет место линейная зависимость между дебитом скважины (Q) и понижением (S):

Q = q S (17)

где q - удельный расход скважины.

Для безнапорных водоносных горизонтов используется эмпирическая зависимость типа:

Q = m S - n S², (18)

где m и n - постоянные, определяемые экспериментально.

На практике линейная зависимость дебита от понижения часто нарушается, так как при откачке в стволе скважины и в прискважинной зоне часто возникает дополнительное фильтрационное сопротивление за счет турбулентности потока (отклонение фильтрации от закона Дарси). Поэтому в общем случае связь дебита и понижения как в напорных, так и безнапорных условиях описывается квадратичной зависимостью:

S = a Q + b Q², (19)

где a и b – эмпирические параметры, определяемые по кривым дебита при опробовании опытно-эксплуатационных скважин в конкретных гидрогеологических условиях. Заметим, что при отсутствии турбулентности (b=0) формула (19) совпадает с формулой (17).

При расчетах по кривым дебита первоначально по опытным данным строится график зависимости Q= f (S). Для одиночных водозаборных скважин при линейной зависимости дебита от понижения для определения расчетного понижения (S_р) используется следующая расчетная зависимость:

S_р = S_оп Q_э / Q_оп , (20)

где S_оп - опытное понижение, полученное при откачке; Q_э и Q_оп - эксплуатационный и опытный дебиты скважины.

При криволинейной зависимости (19) для определения эмпирических параметров строят график функции S/Q = f(Q), который должен иметь форму, близкую к линейной.

В безнапорных водоносных горизонтах допускаются пределы экстраполяции понижения уровня подземных вод по кривым дебита до 1,5 - 2,0 максимальных понижений S_max, достигнутых при опытных откачках. В напорных водах предел возможной экстраполяции составляет (2-3) S_max.

Оценка эксплуатационных запасов балансовым методом. Метод основан на определении расхода подземных вод на водозаборном сооружении в пределах месторождения (на заданный срок эксплуатации) за счет привлечения различных источников их формирования. Подобная оценка эксплуатационных запасов ( ) проводится по балансовому уравнению:

, (21)

где и – естественные и привлекаемые ресурсы подземных вод; – естественные запасы подземных вод; – время эксплуатации водозаборного сооружения; и – коэффициенты извлечения естественных ресурсов, естественных запасов и привлекаемых ресурсов, соответственно.

Балансовый метод позволяет определить только общее среднее прогнозное снижение уровней продуктивного горизонта, а не понижение уровня воды в водозаборных скважинах. Этим методом нельзя также определить и возможную производительность скважины. В связи с этим балансовый метод используется главным образом в качестве дополнительного методического приема для подсчета запасов гидродинамическим и гидравлическим методами.

В то же время только балансовым методом можно установит роль отдельных источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод и оценить обеспеченность запасов, подсчитанных другими методами. Балансовый метод подсчета запасов подземных вод имеет самостоятельное значение на месторождениях, приуроченных к ограниченным по площади структурам, большой водопроводимостью продуктивного горизонта. Он также может привлекаться, когда использование подземных вод проектируется путем непосредственного каптирования родников.

2.3.2 Особенности гидрогеологических расчетов береговых водозаборов подземных вод

Для организации хозяйственно-питьевого водоснабжения на базе подземных вод довольно часто привлекаются так называемые береговые (инфильтрационные) водозаборы. Особенность работы таких водозаборных сооружений состоит в том, что эксплуатационные запасы продуктивного горизонта формируются за счет привлекаемых ресурсов со стороны поверхностного водотока.

В условиях полуограниченного пласта с контуром постоянного напора водозаборные сооружения обычно задаются в виде линейного ряда скважин, располагающихся параллельно руслу реки. При большой длине водозаборного ряда, когда выполняется условие l_р/l < 1 (l_р - расстояние от ряда скважин до реки и l - длина водозаборного ряда), при одинаковых расходах скважин Q_с и расстояниях между скважинами ряда 2s понижение уровня подземных вод в каждой скважине ряда S_c может быть рассчитано по формуле Маскета-Лейберзона [4]:

S_c = h - , (22)

где h и К – средняя мощность и коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта, r_c – радиус скважин водозаборного ряда.

Если линейный ряд из n числа скважин общей производительностью Q_сум имеет ограниченную длину (отношение l_р/l > 1), то расчетное понижение в наиболее нагруженной скважине водозабора (в центре ряда) можно определить по формулам с использованием метода зеркальных отражений в сочетании с методом сложения течений [4].

Некоторые рекомендации к расчету берегового водозабора:

1. При несовершенной связи водоносного горизонта с рекой расстояние от реки до водозаборного ряда должно увеличиваться на величину дополнительного фильтрационного сопротивления ложа реки DL, предварительно определяемую по результатам опытно-фильтрационных работ.

2. Границей влияния прибортовой части речной долины можно пренебречь, если ее коренной берег удален от водозабора на расстоянии примерно более чем в два раза, превышающим расстояние от водозабора до реки. При невыполнении этого условия (узкая речная долина) для аналитических расчетов может быть использована типовая гидродинамическая схема "пласт-полоса" с разнородными границами - постоянный напор на реке и нулевой расход в прибортовой части долины.

3. При проектировании берегового водозабора важно оценить пропускную способность русловых отложений с целью проверки обеспеченности проектной производительности водозабора. Этот параметр определяется по зависимости:

q = , (23)

где q – удельный расход речных вод (на единицу длины реки), фильтрующейся через русловые отложения; h₀ – средняя высота столба (глубина) воды в реке; K₀ и m₀ – коэффициент фильтрации и мощность русловых отложений; 2b – ширина русла реки.

4. Длина водозаборного ряда должна быть такой, чтобы не произошло отрыва уровня подземных вод от дна реки:

³ Q_сум / q, (24)

где Q_сум – суммарная производительность водозабора.

5. Расстояние между скважинами ряда при заданном их количестве определяется как:

2s = / (n - 1), (25)

6. Если эксплуатационные запасы подземных вод обеспечены, т.е. выполняется условие S_р < S_доп, то имеется возможность сокращения общего проектного числа эксплуатационных скважин. Чтобы оценить реальное их число следует предварительно определить по формуле (22) максимально возможный расход эксплуатационной скважины Q_max с учетом величины S_доп:

Q_max= (26)

Тогда уточненное количество скважин водозаборного ряда n_р можно оценить по формуле:

n_р = Q_сум / Q_max

7. Так как эксплуатационные запасы береговых водозаборов обеспечиваются за счет привлечения речных вод, то при расчетах береговых водозаборов важное значение приобретает оценка возможного бактериального загрязнения воды, отбираемой эксплуатационными скважинами. По нормативным данным время, обеспечивающее отмирание болезнетворных бактерий (при их продвижении от реки до водозабора) составляет 200 суток; при работе берегового водозабора следует брать двойной запас – 400 суток. Время продвижения речных вод к водозабору при известной величине активной пористости пород горизонта n_а можно оценить по схеме поршневого вытеснения[12]:

t = ,

где I - уклон потока подземных вод со стороны реки к водозабору в период полной его нагрузки.

Если расчетная величина t превышает 400 суток, то это означает, что бактериальное загрязнение воды в эксплуатационных скважинах (за счет речных вод) не произойдет. При загрязнении же подземных вод необходимо предусмотреть методы очистки воды от микробиологического загрязнения (например, путем ее хлорирования или озонирования).

2.4 ВОДОПОДЪЕМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Для извлечения природных вод с целью организации хозяйственно-питьевого водоснабжения требуется привлечение водоподъемного оборудования. Наиболее часто используются насосы, выбор которых для забора подземных вод диктуется требуемым дебитом скважины и необходимой высотой подъема воды.

Поверхностные центробежные насосы. Эти насосы могут работать автономно - от двигателя внутреннего сгорания, например, бурового станка, или от электрической сети. Такие насосы обеспечивают подъем воды при залегании динамического уровня на глубине не более 5 - 7 м, т.е. имеют ограниченное применение.

Центробежные насосы всасывают или нагнетают воду за счет центробежной силы при вращении рабочего колеса. Перед пуском насос наполняют водой. При быстром вращении колеса вода отбрасывается по периферии в спиральный диффузор, из которого она отводится по нагнетательному патрубку. Непрерывность подачи воды обеспечивается за счет ее всасывания по патрубку за счет разряжения, возникающего в центральной зоне рабочего колеса. Наибольшее распространение получили насосы типа К, обеспечивающие подачу воды от 4 - 360 м³/час.

Погружные центробежные насосы. Эти насосы могут обеспечивать подъем воды с глубины 100 - 150 м и в зависимости от местоположения электродвигателя подразделяются на насосы с двигателем на поверхности (типа АТН) и на насосы с электродвигателем в скважине (типа ЭЦВ).

Насос типа АТН (артезианский турбинный насос) предназначен для эксплуатационной откачки чистой воды с производительностью от 30 до 400 м³/час из скважин диаметром от 8 до 16 дюймов (от 203 до 404 мм). Насосы можно устанавливать в скважины, имеющие внутренний диаметр эксплуатационной колонны (в дюймах), равный условному наружному диаметру насоса (8 дюймов - АТН8 и т.д.); рекомендуется устанавливать насосы в скважины, диаметр эксплуатационной колонны которых на 2 дюйма больше условного диаметра насоса, например, насос АТН10 - в эксплуатационную колонну диаметром 12 дюймов. Установка таких насосов требует строгой вертикальности и прямолинейности скважины.

В настоящее время наиболее широко для эксплуатации водозаборных скважин привлекаются насосы, в которых и электродвигатели и сам насос располагаются непосредственно в скважине под динамическим уровнем воды. Эти насосы могут работать с расходами скважин от 4 до 375 м³/час, обеспечивая подъем воды на высоту 50 - 300 м. Предназначены для подъема исключительно чистой воды. Отечественная промышленность выпускает насосы следующих типов [6] ЭЦВ-4-125; ЭЦВ-6,3-80; 1ЭЦВ-4-130; 1ЭЦВ6-4-190; 3ЭЦВ-6,3-60; 4ЭЦВ6-6,3-85; 3ЭЦВ6-6,3-125; 1ЭЦВ6-10-50; 3ЭЦВ6-10-80; 1ЭЦВ6-10-110; 1ЭЦВ6-10-140; 1ЭЦВ10-185; ЭЦВ6-10-235; 3ЭЦВ6-16-50; 3ЭЦВ6-16-75; 3ЭЦВ8-16-140; 3ЭЦВ8-25-100; 2ЭЦВ8-25-150; ЭЦВ8-25-300; 1ЭЦВ8-40-20; 1ЭЦВ8-40-60; 1ЭЦВ8-40-180; 2ЭЦВ10-63-65; 2ЭЦВ10-63-110; 2ЭЦВ10-63-150; 2ЭЦВ10-63-180; 1ЭЦВ10-63-270; 1ЭЦВ10-120-160; ЭЦВ10-160-65; ЭЦВ12-160-65; ЭЦВ12-160-100; ЭЦВ12-255-30; 2ЭЦВ12-375-30; ЭЦВ14-210-300; ЭЦВ16-375-175.

Рабочие характеристики насоса указаны в самом названии насоса. Например, марка насоса 3ЭЦВ-10-80 означает: 3 - третья модификация насоса; Э - с приводом от погружного электродвигателя; Ц - центробежный; В - для подачи воды; 6 - минимально необходимый для монтажа насоса диаметр эксплуатационной колонны скважины в миллиметрах, уменьшенный в 25 раз; 10 - производительность насоса в м³/час; 80 - напор насоса в метрах.

Эрлифтные установки. Помимо насосов для подъема подземных вод часто привлекаются эрлифты, которые могут работать от автономной установки (компрессора). Эрлифтные установки позволяют поднять воду на высоту до 60 - 70 м с расходом порядка 100 - 200 м³/час. Работа эрлифта основана на том, что в двух сообщающихся сосудах положение уровней жидкости при разном их удельном весе неодинаково, причем жидкость с меньшим удельным весом имеет более высокий уровень, чем жидкость с большим удельным весом. Для работы эрлифта колонна воздухопроводящих труб должна быть опущена в скважину ниже уровня воды на такую глубину, чтобы столб воздушно-водяной смеси был не только уравновешен, но чтобы ему было еще сообщено движение вверх. При низком положении статического уровня воды в скважине и недостаточной глубине погружения воздушно-водяная смесь не может преодолеть путь от смесителя до уровня ее излива на поверхности земли.

При высоте подъема воды от динамического уровня до излива на поверхность, равной 15 - 20 м, принимают глубину погружения воздушных труб в воду (ниже динамического уровня) в 1.7 - 2 раза больше высоты подъема, при высоте подъема более 20 м - в 1.5 раза более этой высоты.

Необходимое давление сжатого воздуха (в атм) определяется делением на 10 глубины погружения воздушных трубок ниже уровня воды. Например, если статический уровень воды в скважине установился на глубине 20 м, а воздушные трубки спускаются в скважину на глубину 80 м, то глубина погружения их в воду равна 80-20=60 м. В этом случае давление сжатого воздуха для пуска эрлифта должно быть не менее 60:10 = 6 атм.

При заборе подземных вод вертикальными скважинами напор насоса должен обеспечить подъем воды на поверхность и подачу ее в бак водонапорной башни (или накопительный бассейн, из которого вода II подъема подается в водонапорную башню). При использовании в схеме водопровода только насосов первого подъема расчетный напор насоса Н_нас рассчитывается по формуле:

Н_нас = S + h_ст + Н_б + h_в-б + (z_б - z_в), (27)

где S - расчетное понижение уровня воды в эксплуатационной колонне на конец эксплуатации скважины; h_ст - глубина залегания статического уровня воды в скважине; Н_б - высота водонапорной башни, h_в-б - потеря напора в водоводе на пути движения воды от водозабора до водонапорной башни, z_б - z_в - превышение по рельефу основания башни над устьем скважины.

3. ВОДОВОДЫ И ВОДОПРОВОДНЫЕ СЕТИ