Способ отбора подземных вод

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9) .зЫ 5 ЕОЗ В 3/32 Я,Г И Е сов в целик создают в иКромет объема отби сти гп и вел определяют мерзлых породрискважиннойого для обеспераемой воды ричину заглублеиз следующихН 1 /(5,6 - (Ос/К), а талую полозоне,ения требуемадиус талой пония скважиньнеравенств: О О 6 д ,3 Я( Пммп, (2 где Н 1 - уровен ь области деформа тока;Ос - максим вод из скважины,ьный отбор подзем ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР НИЕ ИЗОБР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Харьковский отдел водного хозяйства промпредприятий Всесоюзного научно-исследовательского института водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии "Водгео" (72) Т.В,Бурчак и И.А,Шеренков(56) 1. Порядин А,ф, Устройство и эксплуатация инфильтрационных водозаборов, М.: Стройиздат, 1977, с.78.2. Авторское свидетельство СССР М 1573914, кл. Е 03 В 3/32, 1990.(54) СПОСОБ ОТБОРА ПОДЗЕМНЫХ ВОД (57) Использование: водоснабжение, а именно для отбора подземных вод из таликов в районах распространения многолетИзобретение относится к области водоснабжения и может быть использовано для отбора подземных вод из таликов в районах распространения многолетней мерзлоты.Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей способа,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе отбора подземных вод из руслового талика в области многолетней мерзлоты, подпитываемого рекой и инфильтрационным бассейном, включающем проходку скважины, создание в целике мерзлых пород талой полости, при одновременной откачке воды из скважины которую, согласно изобретению, заглубляют в основание подруслового талика, инфильтрационный бассейн размещают вдоль боковой границы талика с частичной врезкой его дна и отко 1760032 А ней мерзлоты, Сущность изобретения: способ отбора подземных вод скважиной из руслового талика в области многолетней мерзлоты, подпитываемого рекой и инфильтрационным бассейном, включает проходку скважины и создание в целике мерзлых пород талой полости при одновременной откачке воды из скважины. При этом скважину заглубляют в основание подруслового талика, инфильтрационный бассейн размещают вдоль боковой границы талика с частичной врезкой его дна и откосов в целик мерзлых пород, а талую полость создают в прискважин ной зоне. В случае неудовлетворител ьного качества воды талика ее сбрасывают в инфильтрационный бассейн в начальный период работы скважины до стабилизации качества воды. 2 з.п. ф-л ы, 3 ил. дземных вод на границе и фильтрационного по5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 К - коэффициент фильтрации пород водоносного пласта;Е - требуемое при максимальном отборе подземных вод заглубление скважины под уровень подземных вод на границе области деформации фильтрационного потока, образующейся вокруг искусственной талой полости радиусом Я 1;гс - радиус скважины;2 - потеря напора при фильтрации воды в толще пород, заключенных между цилиндрическими поверхностями ограниченными радиусами Я 1 и г,;1 - заглубление скважины в мерзлые породы;в - мощность мерзлого слоя проницаемых пород.При неудовлетворительном качестве воды талика ее сбрасывают в инфильтрационный бассейн в начальный период работы скважины, до стабилизации качества воды.Сравнительный анализ с прототипом показал, что предложенный способ отбора подземных вод отличается от известного новым размещением скважины, инфильтрационного бассейна и талой полости. Следовательно предложенное решение соответствует критерию "новизна",В известных технических решениях не были обнаружены признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "Существенные отличия",На фиг,1 изображен поперечный разрез по русловому талику в многолетнемерзлых породах; на фиг.2 - поперечный разрез по русловому талику в процессе его оттаивания; на фиг.3 - график ускорения водоотбора из скважины.Естественный талик 1 в многолетнемерзлых породах 2 расположен под водотоком 3. В талике пробурена скважина 4, заглубленная в многолетнемерзлые проницаемые породы на глубину Ь, Скважина оборудована фильтром 5 и погружным электронасосом б. Вокруг скважины путем подачи тепла сформирована искусственная талая полость 7, Вдоль боковых границ 8 талика 1 сооружен инфильтрационный бассейн 9, дно и откосы которого частично врезаны в многолетнемерзлые породы. При отборе подземных вод происходит понижение естественного их уровня 10 и формирование вокруг скважины 4 воронки депрессии 11 с зеркалом подземных вод 11 а, В процессе водоотбора воронка депрессии перемещается в положение 11 б, 11 в, 11 г. На фиг.2 показано перемещение границы 12 а русловаго талика 1 последовательно в положения 12 б, 12 в.После бурения скважины 4, оборудования ее фильтром 5, формирование вокруг скважины талой полости 7 и монтажа погружного насоса б начинают отбор подземных вод.Отбор подземных вод происходит следующим образом, Вокруг скважины 4 формируется воронка депрессии, которая постепенно распостраняется в стороны при одновременном общем понижении зеркала грунтовых вод - поверхности, во всех точках которой давление равно атмосферному, Скорость понижения зеркала грунтовых вод зависит от интенсивности водоотбора и притока в талик поверхностных вод.Приток в талик 1 поверхностных вод из водотока 3 существенно увеличивается после достижения воронкой депрессии границ водотока. Максимального значения он достигает после того, как зеркало подземных вод оторвется от дна водотока и под ним образуется эона аэрации, Основной причи. ной увеличения притока является рост градиента напора, под действием которогс происходит фильтрация воды,Дальнейшее снижение зеркала подзем. ных вод приводит к образованию эоны аэрации под инфильтрационным бассейном 9, В результате этого создаются условия для егс работы с наибольшими градиентами напо ра, и бассейн вводится в работу, Многолет. немерзлые породы под участком дн; бассейна, прилегающим к боковой границе талика 1, при необходимости оттаивают пу. тем подачи в них тепла, например, паровы. ми иглами.С начала отбора подземных вод возни. кает контактная фильтрация вдоль поверх. ности многомерзлых пород, котора вызывает активный теплообмен межд фильтрующей водой и этими породамиприводит к оттаиванию последних. Поверх. ность многолетнемерзлых пород, смывае. мая фильтрационным потоком перемещается вследствие их оттаивани вглубь этих пород, что приводит к увеличе. нию емкости талика, Оттаивание активизи руется в летний период бла годар поступлению в талик вод с температурой дс 15 и выше. Мощность оттаивающего сло может достигать 2 - 3 м,С ростом талика появляется возмож ность увеличения водоотбора за счет увеличения мощности водоносного пласта,; также за счет увеличения понижения уровн воды в скважине при соответствующем за глублении скважины и насоса) таким обра(5) зом, чтобы все время обеспечивался требуемый водоотбор.При удовлетворительном качестве подземной воды талика ее подают непосредственно потребителю, при неудовлетворительном - застойную воду талика в начальный период эксплуатации сбрасывают в водоток, а после сооружения инфильтрационного бассейна в этот бассейн. фильтруясь через грунтовую толщу на пути к скважине, а также через илистые отложения, формирующиеся на дне водотока и бассейна, застойная вода талика улучшает свои качественные показатели. Подземная вода, оставшаяся в талике, улучшает качественные показатели за счет смешения с привлекаемой поверхностной водой из водотока и фильтрующейся застойной водой удовлетворительного качества в бассейн начинают подавать поверхностную воду из водотока.Величину заглубления Ьс скважины в многолетнемерзлые породы определяют, исходя из максимального требуемого отбора подземных вод Ос из скважины в начальный период ее эксплуатации по формуле(1). Требуемое заглубление скважины 2 определяют по формуле 2=21+2 г+2 з+24+25+26+27, (3)21=(Ос/2 лВН 1)и (В 1 /гп), (4) где 2 г - потеря напора при входе в скважину (сопротивление фильтра и породы в прискваженной зоне); 2 з - минимальная глубина погружения насоса под уровень воды, обусловленная требованиями завода-изготовителя; 24 - длина корпуса погружного насоса; 25 - запас в глубине скважины (не менее 1 м), равный расстоянию от низа корпуса погружного насоса до фильтра скважины; 26 - длина фильтра; 27 - глубина отстойника; В 1 - радиус области деформации подземного потока,Глубину потока подземных вод Н 10 определяют, исходя из условия неразрывности фильтрационного потока при известных значениях Ос и К и заданной схеме фильтрации. В частности, при отборе подземных вод линейным рядом скважин, параллельным водоему и бассейнам, глубину Н 10 определяют посредством решения системы уравнений:гп 0/Н 10 = 2/(5,6 - (Ос/К)(Н 1) ) (6) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Яс = ( кн ) (н) )/(д (д-к, ) ( -й,+оБ(г;+,- гй;3где Н - глубина потока вод на боковой границе области фильтрации(на оси бассейнов) при условии свободной фильтрации из него;д - расстояние между скважинами в ряду1 и г - расстояние ряда скважин от боковых границ талика,Заглубление скважины Ьс не должно превышать мощности мерзлого слоя проницаемых пород,Радиус искусственного талика г определяют при известном Н 1 по формуле (2).П р и м е р. Опытные испытания проводили на водозаборе подземных вод талика в нижнем течении р,Таз,Ширина реки в зимнюю межень Вр =100 м; скорость инфильтрации поверхностных вод при снижении пьезометрических уровней подземных возд ниже дна реки в зимнюю межень Чр = 0,1 м /сут.Ширина талика 400 м, мощность а = 20 м, мощность слоя слабоцементированных покровных отложений пь = 3 м, мощность проницаемых пород а = 29 м, коэффициент фильтрации этих пород в талом состоянии К= 10 м/сут, льдистость мерзлых пород 0 = 300 кг/м, коэффициент их разрыхления Кр = 1, температура мерзлых пород Тн = - 2 С,Требуемый максимальный водоотбор подземных вод из скважины в начальный период эксплуатации Ос = 10000 м /сут, доз пускаемая длина водозабора 1000 м, Отбор воды производится 10 скважинами, расположенными параллельно реки с шагом 2 о= =100 м, удаленными от границ талика (см, фиг,1) на расстояния 1 = 240 м, г = 160 м, оборудованных насосами АТН-1-4. Вдоль боковых границ талика сооружаются бассейны шириной по дну 10 м, с глубиной наполнения Н = 3 м, врезанные в грунт на глубину 3,5 м и в боковые границы талика на 4 м (по дну) с заложением откосов в = 1:1,5.Производительность водозабора из 10 скважин при максимальном возможном понижении уровня воды в скважинах и глубине потока подземных вод на границе талика Н = 15 м и составляет О = 6000 м /сут. Это существенно меньше требуемого водоотбора Отр = 10000 м /сут. Необходимо примезнение специальных мероприятий заглубление скважин в многолетнемерзлые породы и искусственное пополнение под1760032 следовательно 6 оамп.Искусственная талая полость формируется посредством подачи в скважину воды, 10 подогретой до температуры Тв = 50 С, с расходом д = 3 мз/ч. Продолжительность формирования полости определяли по формуле: 15где Чп - объем искусственной полости талика: Чп= л(гпо) гс,гСн - объемная теплоемкость оттаивающих пород;20 Кт - коэффициент использования теплаводы;Св - теплоемкость воды; остальныеобозначения прежние (см,1),В 1 = 2,5 х 4,6 = 11,5 м,25 Принимали: Чп = 3,14 х 5,2 х 10,2 =1001 м",8 =300 кг/м (см,1); Сн = 470 ккал/(м град);Тн = - 2 С (см.1); Кр = 1 (см,1); Кт = 0,85;щ = д = 3 мз/ч; С = 1000 ккал/(м град) иопределяем:30 Ох 5 х 0,8 1000 11,514 х 10 х 5,6 46 80 =7,5 сут 100028 х 56 =2,85 м бора В али потерю напора 2 г = 0,59 м,е насоса АТН-1-4 под уровень 4жине 2 з = 0,3 м, длину насосам (при одной ступени), запас важины 25 = 0,5 м, длину фильтраину отстойника 2 т = 0,7 м, Приначениях 2 г, , 21 требуемая веставляет по формуле (4): Приним заглублени ВОДЫ В СКВ 24 = 1,15 глубине скв 26 = 5 м, дл принятых з личина 2 со= 8,2 м. 5 1 с -2 г+ 1 0 3,14 х 10 0,2 5,6 85=10,15 10,2 м,земных вод посредством инфильтрационного бассейна.Для этого определяли радиус искусственной талой полости, способной принять расход Ос = 1000 м /сут, и параметры облазсти существенной деформации фильтрационного потока, исходя из системы уравнений (6), (5), (7), Используя метод последовательных приближений, задавались значениями Н 1 о, определяли гп по (6), й 1 по (5) Ос по (7), стРоЯт гРафик Оо = 1(Н 1 о) и по нему определяли Н 1, соответствующее Ос =.1000 м /сут = ОР,Результаты расчета приведены в табл.1.Требуемая глубина Н 1 о = 5,6 м. По (6) гпо= =5,6 х 2/(5,6 10 562 ) =4,62 м. По(5) Для дальнейших расчетов принимали,Н 1 о = 5,6 м, гп = 4,6 м, Я 1 = 11,5 м. Определяли заглубление скважины Ьс в многолетнемерзлые породы по формуле (1),Рассчитывали требуемое заглубление скважины 2 под минимальный уровень воды в ней по формуле(3),Определяли потерю напора 21 по формуле (4).= 0,59 + 0,3 + 1,15 + 0,5 + 5 + 0,7 Заглубление скважины Ьо в многолетнемерзлые породы по формуле (1) составляет: Проверяли выполнение условия Ьсвммп,гдевммп-мощностьмноголетнемерэлых проницаемых пород. помп = т - (вт - щп) = 29 - (20 - 3) = 12 м,1= Уп (80 О+ СнТн )/КрКтИ/СвТв, (14) Определяли динамику водоотмноголетнем разрезе.Рассчитывали мощность оттаивающелоя в ложе талика в год по формуле: в/Ю) То й (Я) /Оо, (15) где 4- эффективная теплопроводность талых фильтрующих пород;ув- плотность воды;То - начальная температура воды;Л - продолжительность периода оттаи. вания талика в году;Оо - удельная энергоемкость оттаиваю. щих пород;2 - потеря напора на пути фильтраци(от водотока до границ области деформа. ции фил ьтрацион ного потока),Принято: 1) Яв= 1,1 Вт/(моС);Св = =1,16 Вт/(кгС); в = =1 кг/м; То=10 Оо = 30 кВтч/м при Тн = =( - 2 ), Тк = 0 влажности ЧЧ = 10 о ; 2) оттаиваеттолькс днище талика В течение летнего периода про должительностью Ж =100 сут; 3) размеры искусст1760032 10 45 Таблица 1 веннойполостивплане остаются неизменными; 4)1 определпэтся, исходя из условия = 1 - В 1 О = 240 - 11,5 = 228,5 м; 5) 2 = Н1 ООН 1 = 15 - 5,6 = 9,4 м; 6) Т =,Р Т = 10 С,и =1 Предпосылки 2, 3, 4 вносят в расчет известный запас,Мощность Ь составит; ЬЬ = 21,1 х 1,16 х 1/3,14) х 10 х 1000(10 х 9,4) /30 х 228,5 = 2,04 2 м. Продолжительность оттаивания талика на глубину 10,2 м, равную заглублению скважины, составила 5,1 года, до водоупора 6 лет,Определяли возможный максимальный отбор подземной воды из скважины по формуле аналогичной (7) с учетом динамики оттаивания талика. Результаты расчета сведены в табл,2.Приведенные в таблице значения возможного максимального отбора подземной воды из скважины по заявляемому способу 00 и 0 на 5-й и 7-й годы эксплуатации определены с учетом несовершенства скважин,Из приведенных в табл.2 данных следует, что уже в первый год эксплуатации водозабора может быть отобрано требуемое количество воды, Предложенное решение позволяет увеличить объем отбираемой воды, в отличии от прототипа, даже при отсутствии пойменного талика, Следовательно диапазон использования способа расширяется.Формула изобретения 1. Способ отбора подземных вод скважиной из руслового талика в области многолетней мерзлоты, подпитываемого рекой и инфильтрационным бассейном, включающий проходку скважины, создание в целике мерзлых пород талой полости при одновременной откачке воды из скважины, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения его эксплуатационных возможностей, скважину заглубляют в основание подруслового 5 талика, инфильтрационный бассейн размещают вдоль боковой границы талика, с частичной врезкой его дна и откосов в целик мерзлых пород, а талую полость создают в прискважинной зоне.10 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что радиус прискважинной талой полости гпо и величину заглубления скважины Ьс ниже основания талика определяют из следующих соотношений:15 го2 Н 1 О/5,6 - (Ос/К)(Н 1 ) ,2 + с/ дК)и (гп/гс)о 5 + 21ь,-- П 1 п20где Н 1 О - уровень подземных вод на оконтуривающей прискважинную талую полостьгранице области деформации фильтрационного потока радиусом В 1 о,м;25 Ос - максимальный дебит скважины,м /сут;К - коэффициент фильтрации пород вталике, м/сут;2 - требуемое при дебите Ос заглубле 30 ние скважины под уровень подземных вод,имеющий величину Н 1, м;гс - радиус скважины, м;21 - перепад уровней подземных водмежду цилиндрическими поверхностями,35 ограниченными радиусами В 1 О и гпо,п 1 мп - исходная мощность мерзлого слояпроницаемых пород под руслом реки, м,3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что при неудовлетворительном качест 40 ве воды талика ее сбрасывают в инфильтрационный бассейн в начальный периодработы скважины до стабилизации качества воды,( 7;. го Составитель М, ВычегжанинТехред М,Моргентал Корректор М. Андрушенк акт Заказ 3163 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1