Допустимое понижение уровня воды в скважине

Обновлено: 07.07.2024

Методы оценки запасов подземных вод

В статье описаны основные методы, применяемые для оценки запасов подземных вод. Дана отдельная характеристика каждого метода, преимущества и недостатки.

Информация в статье дается в сжатом и упрощенном виде с целью ознакомления. Обращаем внимание, что с целью выполнения работ по оценке запасов, с использованием нижеуказанных методов оценки запасов, обязательно требуется лицензия на поиски и оценку подземных вод, или лицензия на добычу подземных вод, или совмещенная лицензия на поиски и оценку подземных вод и их добычу.

Эксплуатационные запасы подземных вод - это расход воды в кубометрах в сутки, который может быть получен рациональными в технико-экономическом отношении водозаборами при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющей потребителя в течение расчетного срока эксплуатации с учетом природоохранных ограничений.

Оценка (эксплуатационных) запасов подземных вод — это определение количества запасов подземных вод в сложившейся природной обстановке под влиянием естественных или техногенных факторов при условии соответствия их качества необходимому виду использования.

Исходя из определения оценки запасов подземных вод, ее проведение требует решения следующих основных задач:

оценка обеспеченности запасов на основе балансового расчета источников их формирования;
определение расхода водозабора и понижений уровня подземных вод;
оценка влияния проектируемого водозабора на соседние действующие или проектируемые водозаборы, а также на окружающую среду, в том числе на поверхностный сток;
прогноз возможности изменения качества подземных вод в течение эксплуатации водозабора; ;
технико-экономическое обоснование использования подземных вод.

В качестве критерия обеспеченности расхода водозабора (в случае обеспеченности емкостными запасами) принимается соотношение прогнозного понижения уровня подземных вод и его допустимого значения. Для безнапорных подземных вод допустимое понижение уровня принимается равным сумме 70 % мощности водоносного пласта и глубины погружения насоса под динамический уровень воды в скважине, для напорных — сумме половины мощности пласта и величины избыточного напора над кровлей.

Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод применяются следующие методы: гидродинамический метод, гидравлический метод, балансовый метод, метод гидрогеологических аналогий и численное моделирование, а также их сочетания. Грамотно составленный отчет по оценке запасов подземных вод является ядром будущего проекта разработки месторождения подземных вод - неотъемлемого документа на сегодняшний день для законной эксплуатации артезианской скважины. В проекте месторождения также особое внимание учитывается зонам санитарной охраны.

Гидродинамический метод основан на использовании формул динамики подземных вод применительно к определенным расчетным схемам. Этот метод позволяет решить практически все приведенные выше задачи оценки запасов подземных вод, кроме технико-экономического обоснования. В зависимости от сложности геолого-гидрогеологических условий гидродинамические расчеты выполняются как аналитически, так и с помощью математического моделирования. Аналитические расчеты применимы для простых геолого-гидрогеологических условий, когда реальная природная обстановка легко приводится к типовым расчетным схемам. Математическое моделирование применяется, когда сложно схематизировать природные условия в простую схему, и позволяет учесть влияние всех факторов, определяющих формирование эксплуатационных запасов подземных вод на рассматриваемой территории.

Гидравлический метод основан на использовании теоретических или эмпирических зависимостей понижения уровня подземных вод от расхода водозабора или наоборот. То есть, этим методом можно спрогнозировать понижение уровня или расход водозабора, но нельзя оценить обеспеченность водоотбора. Прогноз осуществляется на основе данных, полученных по результатам проведения опытно-фильтрационных работ с максимальным расходом или наблюдений за действующим водозабором. Этот метод применяется на месторождениях подземных вод с очень сложными геолого-гидрогеологическими условиями.

Балансовый метод основан на определении и сопоставлении приходных и расходных статей водного баланса. Этот метод позволяет оценить обеспеченность запасов подземных вод, но не дает возможности спрогнозировать понижение уровня в скважине.

Метод гидрогеологических аналогий применяется при оценке запасов по низким категориям (C1, C2). В качестве аналогов берутся участки соседних месторождений со схожими геолого-гидрогеологическими условиями. Предполагается, что на оцениваемых участках с теми же условиями будут приблизительно равны значения расхода и понижений уровня. Сходство устанавливается на качественном уровне, так как количественные различия учитываются с применением соответствующих коэффициентов.

Численное моделирование применятся для месторождений подземных вод со сложными геолого-гидрогеологическими условиями и для ответственных сооружений. Метод сочетает преимущества гидродинамического и балансового метода. Отличается высокой точностью рассчитываемых значений и возможностью получения значений расчетных параметров в любой точке пространства и времени. Для использования этого метода необходимо максимальное среди прочих методов исходное количество информации. Этим определяется дороговизна этого метода.

Основной задачей гидрогеолога является выбор наиболее дешевого, но в тоже время достаточно точного, метода подсчета запасов подземных вод. Для этого необходимо досконально знать преимущества и недостатки каждого метода оценки запасов подземных вод.

Гидрогеологические и гидравлические расчеты водозаборных скважин

В основу гидрогеологических и гидравлических методов расчетов положены основные закономерности движения грунтовых вод с учетом принятой схемы расположения скважин, гидрологических характеристик водоносного пласта и условий водоотбора.

В качестве исходной величины принимают необходимый расчетный суточный расход насосов первого подъема, назначаемый с учетом расхода воды на собственные нужды водозабора и очистной станции по совмещенному графику работы очистной станции (если таковая имеется) или по часовому графику водопотребления объекта водоснабжения, и проектируемому графику работы скважинных насосов в течение суток.

Дебит (расход) одной скважины во многом зависит от принимаемой величины допустимого понижения статического уровня воды в нем. Допустимое понижение уровня подземных вод S в любой точке водоносного горизонта в сложных гидрогеологических условиях (неоднородность водовмещающих пород, особые условия подпитки, возможное истощение и т.д.) должно определяться моделированием. Для безнапорных водоносных горизонтов:

Для напорных водоносных горизонтов величина понижения уровня подземных вод в любой точке водоносного горизонта рассчитывается по формуле:

где т - мощность напорного водоносного горизонта, м; К_ф - коэффициент водопроводимости грунта.

Для строительства и надежной последующей эксплуатации подземных водозаборов с помощью скважин в процессе проектирования определяют: водозахватную способность скважин Q_c в конкретных гидрогеологических условиях, в местах расположения водозабора; величину понижения статического уровня S, исходя из технико-экономических соображений и рационального режима эксплуатации водоносного горизонта; тип фильтра, его конструкцию и размеры; подбирают марку насоса; конструируют скважину, оголовок; компонуют водозаборный узел, предварительно определив число скважин, их расстояние друг от друга и метод транспортировки воды по общему водоводу в сеть или на очистную станцию. Расчетные схемы совершенных скважин в водоносных пластах приведены на

Приток воды к скважинам зависит от гидродинамической и гидрогеологической характеристики водоносного пласта, радиуса скважин r принятого понижения уровня воды в них при откачке S.

Рис. 10.1 Расчетные схемы совершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта: а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

При установившемся движении напорного потока и совершенной скважине (вскрывающей водоносный пласт на полную его мощность) приток воды к ней определяют по формуле Дюпюи:

, м 3 /сут, (1.4) где К_ф – коэффициент фильтрации, м/сут, водоносного пласта (табл.10.1); т - мощность водоносного пласта, м; r и R - соответственно радиус скважины и радиус влияния депрессионной воронки, м; S - понижение уровня воды в скважине при откачке, м.

Для несовершенной скважины, питаемой напорными водами:

где Z₁ - фильтрационное сопротивление несовершенной скважины, зависящее от соотношения длины водоприемной части скважины и мощности водоносного пласта, а также от соотношения мощности пласта и радиуса скважины; Z₂ - обобщение сопротивления фильтра и прифильтровой зоны водоприемной части скважины, зависящее от типа фильтра и характеристики контактируемых пород.

Расчетные схемы несовершенных скважин в напорном (а) и безнапорном (б) водоносных пластах приведены на рис. 10.2

Рис. 10.2. Расчетные схемы несовершенных трубчатых колодцев при заборе воды из водоносного пласта:а - напорный пласт; б - безнапорный пласт

Значения т, К_ф, R, Z₁, Z₂ устанавливают специальными гидрогеологическими изысканиями. При их проведении уточняют также значение удельного дебита скважины q_уд - расхода воды при понижении статического уровня воды при откачке на 1 пог. м.

Для несовершенной скважины, питаемой безнапорными водами, приток воды к ней определяют по формуле:

где (2Н -S) = т_р - мощность безнапорного водоносного пласта во время откачки, м;

H - высота слоя безнапорного водоносного пласта, м.

Понижение уровня воды в скважине S для безнапорных водоносных пластов рекомендуется принимать с учетом допустимого понижения уровня воды в пласте S_доп:

где H_в - высота столба воды в скважине до откачки, м; h_H - максимальная глубина погружения нижней кромки насоса под динамический уровень воды, м; h_ф - потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы, м.

Для напорных водоносных пластов величина S_доп определяется с учетом допустимого понижения напора в пласте:

где т - мощность водоносного пласта, м.

Потери напора на входе воды в скважину из водоносной породы рекомендуется определять по формуле С.К. Абрамова:

Производительность одной скважины при принятом допустимом понижении статического уровня воды при откачке S_доп и установленном в процессе опытных откачек удельном дебите q₀ в м 3 /ч на 1 п.м определяется по форму

Для приближенных расчетов рекомендуется принимать следующие значения удельных дебитов в напорных водоносных пластах:

песок тонкозернистый: (d =0,05-0,1 мм) q₀ 0,5 м 3 /час

песок мелкозернистый: (d =0,1-0,25 мм) q₀= 2-4 м 3 /час

песок среднезернистый: (d = 0,25-0,5 мм) q₀ = 4-8 м 3 /час

песок крупный с примесью гравия: (d = 0,5-2,0 мм) q₀ = 10-12 м 3 /час

Для безнапорных вод зависимость S =f(Q) имеет криволинейный характер и описывается уравнением:

- сравниваются показатели качества воды каждого водоносного пласта с нормативными требованиями;

- для каждого водоносного пласта делается вывод о величине дебита и возможности обеспечить водопотребление объекта водоснабжения;

-составляется общее заключение о возможности эксплуатации каждого из обследованных пластов и производится выбор эксплуатационного пласта. Если по предварительным данным такой выбор сделать невозможно, рассматриваются различные варианты скважинного водозабора, производится технико-экономические сравнение этих вариантов и делается окончательный выбор эксплуатационного пласта. При других равных условиях наиболее подходящим для эксплуатации является водоносный пласт, который содержит воду наилучшего качества, имеет большой удельный дебит и расположен ближе других к поверхности земли.

Количество проектируемых рабочих эксплуатационных скважин определяется из условия обеспечения суточной водопотребности объекта водоснабжения Q_ов с учетом расхода на собственные нужды водозабора и очистной станции по формуле:(1.12)

где t - продолжительность работы скважины в течение суток, час.

Проектируемые скважины следует располагать так, чтобы расстояние между ними было минимальным, но с учетом их возможного взаимодействия. Величиной, определяющей допустимое расстояние между скважинами, является радиус их влияния R, который при отсутствии эксплуатационных и экспериментальных данных можно приближенно определить по зависимостям (1.13) и (1.14):

Для безнапорных вод по формуле И.П. Кусакина:

Для напорных вод по формуле В. Зихардта:

При наличии сведений о гранулометрическом составе водоносного грунта и коэффициенте фильтрации, радиус влияния для безнапорных вод рекомендуется принимать из табл.1.5. При интенсивной эксплуатации пластов (когда S > 40 м):

Понижение уровня в любой из скважин грунтового водозабора, забирающих воду из напорных пластов, рассчитывают по формуле:

где К_ф.ср., т_ср - коэффициент фильтрации и мощность водоносных платов, принимаются одинаковыми для данной зоны водозабора; Q₁ = Q₂= . = Q_n - одинаковое количество воды подаваемое насосами из скважин; R_n, r₀, r - радиусы влияния и скважин; n -число скважин в зоне водозабора.

Методика проведения откачек из водоносных горизонтов

Откачки из скважин в зависимости от степени их водообиль- ности и желательной величины понижения уровня воды производят различными водоподъемниками: эрлифтами, центробежными насосами с горизонтальным или вертикальным валом, элек- тропогружными водяными насосами.

Для пробных откачек в слабо обводненных водоносных горизонтах можно применять желонирование. Диаметры фильтровых колонн и глубина центральных (опытных) скважин должны обеспечивать размещение в них водоподъемного оборудования, а диаметры наблюдательных скважин — оборудования для замеров уровней и проведение пробных откачек. Минимальные внутренние диаметры разведочных и эксплуатационных скважин для проведения в них необходимого комплекса исследований — 80—100 мм, а наблюдательных — 50—80 мм. Оборудование скважин опытного куста должно обеспечивать замеры и регулирование дебита при откачке (расходомеры, водомеры, счетчики), получение с необходимой частотой информации об уровне воды во всех скважинах, отбор проб воды для анализов, замер ее температуры, отвод откачиваемой воды на необходимое расстояние и пр.

Опытные откачки следует проводить с максимально возможным для выбранного водоподъемника постоянным дебитом (отклонения дебита не должны превышать 10% его среднего значения), обеспечивая понижение уровня в центральных скважинах не менее чем на 3 м, а в наблюдательных — на 0,3 м. Продолжительность откачек — не менее 2 сут, а при определении коэффициентов уров- непроводности, пьезопроводности и перетекания — не менее 5 сут. Откачка грунтовых вод должна быть более длительной, чем напорных.

Опытные скважины должны быть по возможности совершенными, т.е. вскрывать водоносный горизонт полностью, а ближайшие наблюдательные скважины — находиться на расстоянии, превышающем мощность водоносного пласта. Если скважины не полностью вскрывают водоносный горизонт, то фильтры наблюдательных и опытных скважин следует размещать в опробуемом пласте примерно на одинаковой глубине.

Для более точного определения параметров призабойной зоны желательно устройство затрубного пьезометра; для оценки характера и степени влияния естественных колебаний уровня должны иметься режимные скважины вне зоны влияния откачки. При наличии в подошве и кровле опробуемого горизонта слабопроницаемых пород необходимо иметь наблюдательные скважины для выше- и нижележащих водоносных горизонтов. Изменения уровней в опытных и наблюдательных скважинах регистрируют самописцами (типы СУВ-3, ГТП-20, РУЦ-2М и др.) либо различными уровнемерами (электрическими, ленточными, поплавковыми), рулетками и хлопушками. Замерять уровень следует:

в процессе откачки: в первые 2 ч каждые 5—10 мин, в следующие 12 ч каждые 0,5—1,0 ч, затем до конца откачки каждые 2—3 ч;
в процессе восстановления уровня после откачки: первые 15—20 мин каждые 1—2 мин, далее в течение 1—2 ч — каждые 3—10 мин, затем каждый 1 ч до получения нужного количества материалов.

Откачки для определения зависимости дебита скважины от понижения уровня Q =f (s ) проводят на две-три ступени понижения, начиная с меньшего (в трещиноватых породах и мелкозернистых песках — с большего). Минимальное понижение должно составлять не менее 1 м, максимальное — превышать его в 2—3 раза и быть близким к предельно допустимому. Для контроля правильности таких откачек строят график Q =(s), который имеет обычно криволинейный характер (параболический, степенной, логарифмический), выпуклый в сторону оси дебитов.

Для напорных вод этот график может быть и прямолинейным. Выпуклость графика в сторону оси понижений свидетельствует о неправильности выполнения откачки и необходимости ее повтора.

Параллельно с графиком Q =f (s ) строят график удельного дебита q =f (s ), т.е. дебита, приходящегося на 1 м понижения уровня.

Такой график имеет наклон и выпуклость в сторону оси понижений. Графики Q =f( s ) и q =f (s ) являются важнейшими характеристиками, позволяющими судить о возможной производительности скважин, водообильности и фильтрационных свойствах горизонта.

При проведении кустовых откачек для более точного определения параметров желательно иметь не менее трех наблюдательных скважин, а в сложных гидрогеологических условиях (трещинные и трещинно-карстовые горизонты, наличие перетекания и затрудненная связь подземных вод с поверхностными, существенная неоднородность пород и т.п.) — не менее четырех. По возможности для наблюдений следует использовать все имеющиеся скважины. Наблюдательные скважины обычно располагают по лучам, ориентированным в направлении выявленных или возможных изменений гидрогеологических условий (по направлениям затухания или преобладания трещиноватости и изменения фильтрационных свойств, вдоль контуров питания и непроницаемых границ и перпендикулярно им и т.д.). В таблице приведены обобщенные рекомендации по размещению первой и второй наблюдательных скважин при кустовых откачках в напорных и безнапорных горизонтах различного литологического состава; ориентировочная продолжительность откачек — 3—5 сут в напорных и 5—10 сут в грунтовых водах.

Определение максимального понижения уровня воды в проектируемой скважине

Максимальное понижение уровня воды, которое следует предусматривать в проектировании водозаборных скважин при использовании грунтовых вод, зависит от мощности водоносного горизонта, а при водозаборе из артезианских горизонтов — от величины напора. Иногда понижение лимитируется выбранным типом насоса. В последнее время широкое распространение получили глубинные центробежные насосы, но и они имеют предел высоты подъема воды.

При увеличении дебита скважины уровень воды в ней все больше понижается. Как указывалось, удельный дебит по мере увеличения понижения уменьшается, особенно при безнапорных грунтовых водах. Исходя из сказанного, при проектировании совершенных разведочно-эксплуатационных скважин на грунтовые воды следует так рассчитывать величину максимального эксплуатационного понижения уровня воды, чтобы она составляла не более 40% мощности водоносного горизонта, а при проектировании несовершенных скважин — не более 40% заглубления скважины в водоносный горизонт. В условиях напорных вод не следует проектировать скважины с динамическим уровнем, находящимся ниже кровли напорного горизонта. Только когда напор невелик по сравнению с мощностью водоносного горизонта, можно намечать эксплуатационное понижение ниже этой кровли, но скважина при этом будет работать уже как питаемая безнапорными (грунтовыми) водами.

Ограничение максимально возможного понижения уровня воды в проектируемой одиночной разведочно-эксплуатационной скважине — до 40% осушения вскрытой мощности водоносного горизонта — вызвано стремлением не допустить возникновения
значительного повышения скорости воды в приствольной зоне водоносного горизонта, так как это может вызвать существенное увеличение значения скачка уровня [уравнение (III.9)] или пескование через фильтр скважины. Кроме того, нельзя исключить, что вследствие ограниченной водообеспеченности скважины динамический уровень воды в ней может снижаться продолжительный период времени. Следует также учитывать, что потребность воды в населенном пункте или другом объекте водоснабжения со временем, как правило, увеличивается.

Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения.
Белицкий А.С., Дубровский В.В., Издательство "Недра", 1968

Водообеспеченность скважины

Под водообеспеченностью водозаборной скважины следует понимать отношение ресурсов подземных вод, которые могут быть привлечены к скважине при максимально возможном понижении в ней уровня воды, к эксплуатационному дебиту скважины. При работе водозаборной скважины вокруг нее образуются депрессионная воронка поверхности уровня подземных вод, в пределах которой вода движется к скважине.

Следовательно, для питания скважины привлекаются подземные воды со значительной площади распространения водоносного горизонта. Кроме того, в области депрессионной воронки вода может поступать из других водоносных горизонтов, а также из открытых водоемов, что могло не происходить при неизменном естественном режиме подземных вод в данном районе. Следовательно, в зависимости от местных гидрогеологических условий и величины понижения уровня воды работающую скважину могут питать различные источники. Так, например, скважина, расположенная недалеко от реки, при небольшом понижении уровня воды в ней питается только грунтовыми водами водоносного горизонта, на который она заложена, а при большем понижении уровня она, кроме захвата грунтовых вод, может еще подсасывать и речные воды.

Ресурсы подземных вод, которые могут быть привлечены данной скважиной (или групповым подземным водозабором) без существенного ухудшения эксплуатационного режима и качества воды в течение расчетного срока ее работы по предложению Н. А. Плотникова (1959), называются эксплуатационными. Эти - ресурсы обеспечиваются естественными (статическими) запасами |и естественными (динамическими) ресурсами подземных вод.

Естественные запасы характеризуют объем воды, заключенный в водоносном горизонте. Вследствие сезонных и годовых колебаний уровня подземных вод естественные запасы изменяются. Однако эти изменения имеют существенное значение только при использовании водоносных горизонтов грунтовых вод небольшой мощности и ограниченного распространения.

Естественные запасы определяются мощностью водовмещающих пород, их распространением и водоотдачей. При прочих равных условиях рыхлые пористые песчаные породы содержат значительно больший объем воды (большие естественные запасы), чем трещиноватые скальные породы.

Естественные ресурсы равны расходу воды, проходящей через поперечное сечение водоносного горизонта, и зависят от интенсивности питания водоносного горизонта атмосферными осадками или водой из других водоносных горизонтов.
Естественные ресурсы также изменяются во времени в зависимости от интенсивности питания и дренирования водоносного горизонта.

Таким образом, при определении водообеспеченности проектируемой одиночной разведочно-эксплуатационной скважины нельзя рассматривать интересующий водоносный горизонт без связи его c другими водоносными горизонтами и поверхностными водами. Различные методы определения эксплуатационных ресурсов подземных вод в последние годы широко освещены в ряде отечественных работ (Н. А. Плотников, 1959; Ф. М. Бочевер и Н. Н. Веригин, 1961; Н. Н. Биндеман, 1963, СН 325-65 и др.).

Когда дебит скважины равен расходу привлеченных к ней естественных ресурсов воды, понижение уровня в ней при этом дебите остается постоянным, если не считать сравнительно небольших сезонных и годовых колебаний. Однако иногда эксплуатационный дебит скважины превышает привлеченные естественные ресурсы, тогда динамический уровень в скважине постепенно снижается.

Это явление наблюдается не только при эксплуатации грунтовых вод, когда пласт осушается, но и при использовании артезианских вод. В качестве примера приведем режим работы одной артезианской скважины в Московской области.

Скважина глубиной 300 м вскрыла водоносный горизонт известняков нижнего карбона, кровля которых находится на глубине 247 м от поверхности земли. Известняки покрыты толщей глин верейского горизонта, на которых залегают известняки и глины среднего и верхнего карбона, перекрытые верхнеюрскими глинами и четвертичными песками. После бурения скважины пьезометрический уровень воды в ней установился на глубине 39 м от поверхности земли. При пробной откачке, вызвавшей понижение уровня воды на 8 м, было получено 200 м 3 /ч, т. е. удельный дебит скважины оказался равным 25 м 3 /ч.
Скважина была оборудована воздушным водоподъемником и в первые годы эксплуатации давала 400 м 3 /ч воды при глубине динамического уровня около 55 м от поверхности земли. После нескольких лет эксплуатации было отмечено, что динамический уровень постепенно понижается и эксплуатационный расход уменьшается. За 15 лет эксплуатации скважины динамический уровень воды в ней понизился на 24 м до глубины 79 м, а дебит уменьшился при этом до 230 м 3 /ч.
Глубокая депрессия пьезометрического уровня воды распространилась на большую площадь. Так, по замерам в недействующей скважине, находящейся в 4 км от описанной, уровень воды в ней всего па 6 м выше динамического уровня действующей скважины.

Таким образом, несмотря на развитую открытую трещиноватость водоносных известняков нижнего карбона, обеспечивающую большой удельный дебит водозаборной скважины, водообильность лимитируется сравнительно небольшими естественными ресурсами горизонта вследствие глубокого его залегания и наличия в кровле мощных толщ водоупорных пород, затрудняющих его питание.

При ограниченных естественных ресурсах артезианского водоносного горизонта по сравнению с количеством получаемой воды (при небольшой водообеспеченности скважины) глубина депрессионной воронки и, следовательно, площадь ее увеличиваются. Это вызывает больший приток воды к работающей скважине.

Зависимость дебита Q (в, м 3 /сутки) водозаборной скважины от основных параметров притока воды к ней выражается известными уравнениями Дюпюи:
для совершенных скважин, питающихся грунтовыми (ненапорными) водами

для совершенных скважин, питающихся артезианскими (напорными) водами

В этих уравнениях k — коэффициент фильтрации пород эксплуатируемого водоносного горизонта в м/сутки; Н — мощность грунтового водоносного горизонта в м; m — мощность артезианского водоносного горизонта в м; S — понижение уровня воды в скважине от статического в м; R — радиус питания скважины в м; r₀ — радиус скважины в м.

Из всех величин, входящих в уравнения Дюпюи, наиболее сложно получить величину радиуса питания скважины R. Когда водозаборная скважина получает воду из идеального артезианского горизонта, не имеющего дополнительного питания из вышележащих или нижележащих водоносных горизонтов, то, согласно существующим теоретическим представлениям, радиус питания увеличивается во времени. Следовательно, в указанных условиях приток воды к скважине является процессом неустановившимся, т. е. при одном и том же понижении уровня воды S дебит скважины Q постепенно уменьшается или, наоборот, при постоянном Q наблюдается увеличение значения 5 (Н. Н. Биндеман, 1963).
По предложению В. Н. Щелкачева (1959), для решения практических задач величина радиуса питания скважины R может быть заменена величиной приведенного радиуса влияния R_П, которая равна

где t — время от начала работы водозаборной скважины;
а — коэффициент пьезопроводности (а_П) при использовании артезианских вод и коэффициент уровнепроводности (a_у) при использовании грунтовых вод. Коэффициент пьезопроводности (в м 2 /сутки) зависит от упругих свойств подземных вод и водоносных пород и, согласно В. Н. Щелкачеву (1959), равен

Таким образом, при отсутствии местного питания водоносного горизонта работа водозаборных скважин обеспечивается сработкой только естественных запасов вод этого горизонта. Когда скважина получает воду из артезианского горизонта, то естественные запасы формируются за счет разгрузки упругих свойств воды и включающих ее водоносных пород. При использовании грунтовых вод естественным запасом является объем воды, заключенный в осушаемой части водоносного горизонта в пределах депрессионной воронки.

Однако в практике работы водозаборных скважин для водоснабжения, когда используются водоносные горизонты, находящиеся в зоне активного водообмена, подобного положения не наблюдается. Через сравнительно небольшой промежуток времени дебит скважины и понижение в ней уровня воды стабилизируются, и приток подземных вод к этой скважине становится установившимся.

При использовании грунтовых вод стабилизация притока воды к водозаборной скважине преимущественно обеспечивается местной инфильтрацией атмосферных осадков, а также часто подсасыванием воды из открытых водоемов.

В артезианских горизонтах стабилизация депрессионных воронок и установление постоянного дебита скважины при устойчивом положении уровня воды в ней происходят вследствие поступления в используемый артезианский горизонт воды из других, в основном из вышележащих водоносных горизонтов. Гидрогеологические исследования последних двух десятилетий показывают, что толщи глинистых пород, залегающих в кровле и подошве артезианских горизонтов, не являются абсолютно водоупорными, даже в ненарушенных естественных условиях вода перетекает по ним из одного горизонта в другой. Это перетекание усиливается в окружении работающей водозаборной скважины вследствие понижения уровня воды в используемом артезианском горизонте в пределах депрессионной воронки.

Типичное изменение структуры формирования притока воды к работающим водозаборным скважинам может быть показано на рис. 2, заимствованном из работы Ф. М. Бочевера и Н. Н. Веригина (1961). На рисунке видно, что подсасывание вод из поверхностных источников начинается не сразу, а с некоторого момента времени t_П, когда депрессионная воронка распространится до поверхностного водоема.

Основываясь на теоретических исследованиях И. Хантуша (1956) и Ф. М. Бочевера (1960), Н. Н. Биндеман показал, что при перетекании вод из вышележащего и нижележащего водоносных горизонтов в эксплуатируемый артезианский горизонт приведенный радиус влияния R_П равен

Величина В является коэффициентом, учитывающим водопроницаемость и мощность эксплуатируемого водоносного горизонта и слабопроводимых слоев, залегающих в его кровле и подошве

где k и m — коэффициент фильтрации и мощность пород эксплуатируемого водоносного горизонта; k₁ и m₁ — коэффициент фильтрации и мощность пород слабопроводимого слоя, залегающего в кровле эксплуатируемого горизонта; k₂ и m₂ — коэффициент фильтрации и мощность пород слабопроводимого слоя, залегающего в подошве эксплуатируемого горизонта.

Если вода перетекает в эксплуатируемый артезианский горизонт только через слабопроводимые породы его кровли, то коэффициент В равен

Хантушем и Бочевером было принято, что перетекание через слабопроводимые породы происходит с постоянным напором воды :в вышележащем и нижележащем водоносных горизонтах. В естественной обстановке при работе одиночных водозаборных скважин это условие обычно соблюдается особенно в тех случаях, когда вышележащим водоносным горизонтом являются грунтовые воды.

Практически в природных условиях приведенные радиусы влияния одиночных водозаборных скважин, питающихся грунтовыми водами рыхлых средне- и крупнозернистых пород (песков и гравийно-галечниковых отложений), составляют от нескольких десятков до нескольких сотен метров. В артезианских горизонтах эти радиусы составляют сотни метров, а когда артезианский горизонт сложен хорошо проницаемыми крупнообломочными, трещиноватыми или закарстованными породами, то величины их достигают нескольких километров.

Особенно необходимо учитывать водообеспеченность при проектировании разведочно-эксплуатационных скважин, из которых предполагается получать большие количества воды. Вскрытые водоносные породы могут иметь значительную проницаемость, обеспечивающую большие удельные дебиты, но если ресурсы используемого водоносного горизонта ограничены, то динамический уровень в скважинах, заложенных в таких условиях, будет постепенно снижаться, что может уменьшить их эксплуатационный дебит.

Как известно, по степени изученности эксплуатационные ресурсы (запасы) подземных вод разделяются на четыре категории — А, В, C₁ и C₂ 1 .

К категории А относятся эксплуатационные запасы подземных вод, определенные в интересуемом участке по данным эксплуатации существующих подземных водозаборов или по данным опытных откачек из специально пробуренных скважин.

К категории В могут быть отнесены эксплуатационные запасы подземных вод, когда на участке проектируемого водозабора они определены, исходя из допустимой экстраполяции данных опытных откачек скважин, находящихся на этом участке.

К категории C₁ относятся эксплуатационные запасы подземных вод, которые определены по данным пробных откачек из единичных разведочных выработок, а также по аналогии с существующими водозаборами или примыкающими участками, где запасы подземных вод того же горизонта определены по категориям А или В.

К категории C₂ относят эксплуатационные запасы подземных вод, установленные на основании общих геолого-гидрогеологических данных, подтвержденных опробованием водоносного горизонта в отдельных точках или по аналогии с изученными участками в пределах выявленных благоприятных структур и комплексов водовмещающих пород.

Из приведенной классификации видно, что по степени гидрогеологической изученности целесообразность проектирования и сооружения одиночных разведочно-эксплуатационных скважин в преобладающем большинстве случаев обосновывается эксплуатационными запасами подземных вод по категории С₂ и реже по категории C₁.

ледовательно, водообеспеченность этих скважин при их проектировании обычно может быть оценена весьма приближенно.

1 Инструкция по применению классификации эксплуатируемых запасов подземных вод. Госгеолтехиздат, 1962.

Удельный дебит скважины

Удельный дебит является основным параметром, отражающим всю сумму факторов, от которых зависит водообильность скважины. Он определяется не только ее водообеспеченностью, но и проницаемостью пород и мощностью вскрытого водоносного горизонта. Кроме того, он зависит от конструкции приемной части самой скважины.
Опыт показывает, что водопроницаемость пород и, следовательно, удельные дебиты скважин значительно изменяются даже на небольших расстояниях. Иногда удельный дебит одной скважины составляет 20 м 3 /ч, а удельный дебит скважины, пройденной на тот же водоносный горизонт на небольшом расстоянии от первой, не превышает 1—2 м 3 /ч, хотя по глубине и конструкции эти скважины отличаются незначительно.
Очень важно при проектировании разведочно-эксплуатационных скважин определить слой, в котором водоносные породы наиболее проницаемы; этот слой должен быть полностью захвачен приемной частью скважины. При получении воды из аллювиальных песков нужно учитывать, что по мере приближения к подошве аллювиальной толщи крупность песков и их проницаемость обычно увеличиваются. Очень часто наиболее интенсивная открытая трещиноватость водоносных известняков, образующих артезианские водоносные горизонты, приурочена к самым верхним слоям толщи; если же эти слои будут перекрыты глухой колонной обсадных труб, то скважина практически может оказаться безводной.

1) слабопроницаемую зону заиливания мощностью 5—10 м, находящуюся на контакте с покрывающими породами;
2) зону мощностью 20—30 м, породы которой имеют максимальную трещиноватость и большую проницаемость;
3) зону плотных мергелей, практически водоупорных, залегающих на 30—40 м ниже кровли мергельно-меловой толщи.

При таком характере фильтрационных свойств толщи приходится проектировать приемные части разведочно-эксплуатационных скважин в интервале залегания пород второй зоны, при этом удельные дебиты скважин достигают 40 м 3 /сутки. Те скважины, в которых водоносные породы второй зоны закрыты, оказываются практически безводными.

Изменчива проницаемость трещиноватых кристаллических и закарстованных пород. Как будет освещено далее, наиболее проницаемые зоны приурочены здесь к контактам различных пород, или к полосам тектонических разрывов, или связаны с развитием древней и современной гидрографической сети и т. д.

Из сказанного видно, что положение приемной части скважины оказывает большое влияние на ее удельный дебит. Скважина может вскрыть водообильный водоносный горизонт, но вследствие того, что не учтены состав, строение и характер водопроницаемости пород, она может дать мало воды.

Во время откачки уровень воды в стволе скважины устанавливается ниже уровня воды в застольной части водоносного горизонта, вследствие чего понижается удельный дебит скважины. Это обусловлено искривлением линий токов (в несовершенных скважинах, а для безнапорных вод и в совершенных скважинах), а также сопротивлением фильтра.

Влияние первого фактора иллюстрируется следующей схемой. Если из точки А пересечения поверхности грунтовых вод со стенкой скважины провести линию равного напора, то она будет иметь вид кривой с выпуклостью во внешнюю сторону (рис. 3). У подошвы водоносного горизонта (точка В) эта кривая будет иметь вертикальное направление. На участке, заключенном между этой кривой и стенками приемной части скважины, а также и в стволе самой скважины уровень воды должен находиться ниже уровня воды в точке А, иначе вода не будет двигаться в скважине. Таким образом, здесь резко падает уровень воды.

Основываясь на данных экспериментальных исследований, С. К. Абрамов предложил следующую эмпирическую формулу для определения скачка уровня воды у ствола скважины при ее откачке

для сетчатых и гравийных фильтров - 0,15 — 0,25 (в среднем 0,20)
для дырчатых, щелистых и проволочных фильтров - 0,06—0,08 (в среднем 0,07)

Уравнение (III.9) показывает, что чем больше дебит скважины и понижение уровня воды в ней и меньше проницаемость водоносных пород, а также чем меньше диаметр и длина приемной части скважины, тем больше скачок уровня воды. Это следует учитывать при определении предполагаемого удельного дебита проектируемой разведочно-эксплуатационной скважины.

При малом диаметре скважины и небольшой длине ее приемной части в зоне водоносного горизонта, непосредственно прилегающей к скважине, значительно увеличивается скорость фильтрации, что вызывает дополнительные потери напора. Эти потери еще больше возрастают, если скорость движения воды превышает критическую скорость перехода ламинарного движения в турбулентное.

И. Ф. Володько (1953) на основании проведенных им исследований дает предельные значения эксплуатационных дебитов скважин, при которых ламинарное движение не переходит в турбулентное при подходе воды к приемной части скважины. Из рис. 4 видно, что в маломощных водоносных горизонтах, приуроченных к мелкозернистым и среднезернистым пескам, даже в скважинах с небольшими расчетными дебитами не следует устанавливать фильтры с диаметром менее 100 мм. Для обеспечения большей водообильности диаметры приемных частей разведочно-эксплуатационных скважин должны быть не менее 150—200 мм.

Р. Смит (1963) для определения влияния, диаметра скважины на ее удельный дебит q предложил эмпирическую формулу

где Q — общий дебит скважины; с — коэффициент, зависящий от диаметра и конструкции приемной части скважины.

Так, сравнивая две скважины, пробуренные в штате Огайо (около г. Кантона), глубиной 32 м каждая, он получил коэффициент с для одной скважины равным 6,1, а другой 0,03. Первая скважина имела диаметр фильтра 330 мм, вторая же 660 мм (включая гравийную обсыпку).

По уравнениям (III.11) и (III.12) удельные дебиты скважин, питающихся грунтовыми водами, уменьшаются при увеличении понижения уровня воды в них, а удельные дебиты артезианских скважин остаются постоянными независимо от понижения уровня воды (рис. 5 и 6). Однако опыт показывает, что удельные дебиты артезианских скважин при значительном увеличении общего дебита становятся меньше вследствие возрастания сопротивлений движению воды, проходящей через фильтр и породы, окружающие приствольную часть скважины.

Читайте также: