СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК E03B3/32 E03B3/06 

Изобретение относится к водоснабжению и может использоваться при регулировании подземного стока водоносных горизонтов, приуроченных к долинам рек для повышения надежности водоотбора или его увеличения.

Известен способ пополнения подземных вод (А.с. СССР №1094921, МКИ³ Е 03 В 3/32, опубл. 30.05.84, бюл. №20) созданием подпора уровней воды в водотоке, питающем эксплуатируемый водоносный горизонт с помощью водоподъемной плотины, установленной в створе ниже водозабора по течению, которая создается при наступлении отрицательных температур воздуха путем искусственного образования наледи в водотоке и промерзания прирусловых отложений, причем участок русла выполаживают, расширяют и устанавливают на нем теплообменник, сообщенный с атмосферой. За счет повышения интенсификации инфильтрационного питания водоносного горизонта из русла реки удается обеспечить достаточную надежность водоотбора или увеличить дебит водозабора в холодный период года.

Недостатком известного технического решения является снижение эффективности за счет увеличения непроизводительных потерь подземного стока с участка регулирования запасов подземных вод.

Известен способ пополнения подземных вод (патент по а.с. СССР №1638274, МКИ⁵ Е 03 В 3/32, опубл. 30.03.91, бюл. №12, изм. в Гос. реестре 20.04.92) созданием подпора уровней воды в водотоке, питающем эксплуатируемый водоносный горизонт с помощью водоподъемной плотины, установленной в створе ниже водозабора по течению, которая создается при наступлении отрицательных температур воздуха путем искусственного образования наледи в водотоке и промерзания прирусловых отложений, причем участок русла выполаживают, расширяют и устанавливают на нем теплообменник, сообщенный с атмосферой. Для регулирования процесса формирования наледной плотины определяют эксплуатационный уровень воды в реке, необходимый для поддержания требуемого дебита водозабора в период отрицательных температур воздуха, регулируют поступление воздуха в теплообменник при поднятии уровня воды в реке выше эксплуатационного и возобновление поступления воздуха - при уровне ниже эксплуатационного.

Недостатком известного технического решения является снижение эффективности за счет увеличения непроизводительных потерь подземного стока с участка регулирования запасов подземных вод.

Известен способ периодического увеличения водоотбора из напорных водоносных горизонтов (Патент по а.с. СССР №1638274, МКИ⁵ Е 03 В 3/32, опубл. 30.03.91, бюл. №12, изм. в Гос. реестре 21.04.92), заключающийся в бурении дополнительных скважин на участке за пределами границы влияния скважин основного водозабора и повышении давления в водоносном горизонте нагнетанием воздуха в дополнительные скважины с одновременным водоотбором из скважин основного водозабора. Известный способ наиболее эффективен при отсутствии источников искусственного пополнения запасов подземных вод, например при отсутствии стока в реке в маловодные периоды года. При этом увеличение эксплуатационных запасов подземных вод обеспечивается привлечением дополнительных ресурсов со смежных участков водоносного горизонта за счет вытеснения воды из водосодержащих пород воздухом, нагнетаемым под давлением через скважины, расположенные в поперечном створе потока подземных вод.

Недостатком известного способа является снижение эффективности при условиях, когда величина оттока подземных вод за пределы зоны влияния водозабора превышает дефицит водоотбора из водоносного горизонта и затраты на обеспечение перетока подземных вод с нижерасположенного по потоку подземных вод смежного участка существенно превышают расходы на строительство подземного водохранилища с регулированием подземного стока, например, посредством устройства барража из слабопроницаемых грунтов в поперечном створе долины реки в пределах зоны влияния водозабора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ регулирования запасов подземных вод в подземном водохранилище, включающий создание искусственной завесы (барража) из слабопроницаемых грунтов в поперечном створе потока подземных вод, накопление подземных вод на участке выше створа расположения барража с последующим водоотбором (Гидрогеология. Инженерная геология // Итоги науки и техники. - М.: ВИНИТИ, 1974. т.3, с.15-16, рис.5б). Использование известного способа целесообразно при относительно неглубоком залегании подстилающих водоупорных пород (до 10 м), когда затраты на строительство барража невелики и при отсутствии барража общий объем оттока подземных вод превышает дефицит водоотбора.

Недостатком известного технического решения является снижение эффективности применения способа за счет высоких затрат на общестроительные работы, связанные с устройством искусственной завесы (барража) из слабопроницаемых грунтов в поперечном створе потока подземных вод при невозможности регулирования интенсивности оттока подземных вод за пределы барража, что может определять неблагоприятные условия подтопления инженерных сооружений и пойменных земель в зоне водохранилища при их сельскохозяйственном использовании.

Задачей изобретения является создание нового способа регулирования запасов подземных вод, обеспечивающего возможность управления гидрогеологическим режимом, в частности режимом уровней в зоне подземного водохранилища при надежном водоотборе в требуемом объеме на протяжении всего периода эксплуатации, в том числе в маловодные периоды года и при исключении подтопления инженерных сооружений и земель при их сельскохозяйственном использовании.

Указанная задача решается следующим образом.

В известном способе регулирования запасов подземных вод, заключающемся в создании водонепроницаемого барража в поперечном створе долины реки в пределах зоны влияния водозабора, в обеспечении сокращения подземного стока за пределы барража на участке выше створа его расположения, накоплении подземных вод в подземном водохранилище в многоводные периоды года и расходовании их в маловодные периоды, водонепроницаемый барраж, частично или полностью по мощности и ширине перекрывающего водоносный горизонт, создают замораживанием части грунтов водоносного горизонта, в первом варианте замораживание проводят с помощью теплообменника, сообщенного с атмосферой, при снижении температуры воздуха ниже 0°С проводят естественное или принудительное вентилирование, регулируют интенсивность вентилирования и соответствующее изменение размеров зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище, во втором варианте замораживание грунтов проводят с помощью теплообменника, выполненного герметичным и заполненного хладагентом, обеспечивают циркуляцию хладагента в теплообменнике, регулируют интенсивность циркуляции и изменяют размеры зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище.

Отличительными от прототипа признаками являются:

- водонепроницаемый барраж, частично или полностью по мощности и ширине перекрывающего водоносный горизонт, создают замораживанием части грунтов водоносного горизонта;

- замораживание грунтов проводят с помощью теплообменника, сообщенного с атмосферой;

- при снижении температуры воздуха ниже 0°С проводят естественное или принудительное вентилирование;

- регулируют интенсивность вентилирования и соответствующее изменение размеров зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище;

- замораживание грунтов проводят с помощью теплообменника, выполненного герметичным и заполненного хладагентом;

- обеспечивают циркуляцию хладагента в теплообменнике, регулируют интенсивность циркуляции и изменяют размеры зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище.

Водонепроницаемый барраж, частично или полностью по мощности и ширине перекрывающего водоносный горизонт, создают замораживанием части грунтов водоносного горизонта, что позволяет изменять пропускную способность водоносного слоя в этом створе и образовывать подземное водохранилище, в котором возможно накопление части избыточного подземного стока за счет сокращения оттока подземных вод вниз по потоку за пределы мерзлотного барража.

Замораживание грунтов проводят с помощью теплообменника, сообщенного с атмосферой, что позволяет в холодный период года в зависимости от температуры воздуха обеспечивать образование зоны промерзания водонасыщенных грунтов вблизи теплообменника, которые при охлаждении уже до температуры 0°С становятся водонепроницаемыми. При этом образуется барраж - экран, полностью или частично перекрывающий водоносный горизонт и предотвращающий активный отток подземных вод из подземного водохранилища.

При снижении температуры воздуха ниже 0°С проводят естественное или принудительное вентилирование, что позволяет в холодный период года, используя минимум энергозатрат на замораживание грунтов, создавать водонепроницаемый барраж в водоносном горизонте.

Регулируют интенсивность вентилирования и соответствующее изменение размеров зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище, что позволяет, активно управляя интенсивностью вентилирования, изменять температуру грунтов водоносного горизонта в месте установки теплообменника и обеспечивать регулирование размеров мерзлотного барража. В соответствии с размерами барража уменьшается или увеличивается отток подземных вод из водохранилища. Это позволяет поддерживать уровенный режим в подземном водохранилище в оптимальных пределах, исключая подтопление инженерных сооружений и земель при их сельскохозяйственном использовании. Требуемый водоотбор из водохранилища в этом случае обеспечивается лишь увеличением эксплуатационных запасов за счет сокращения оттока подземных вод из водохранилища только на протяжении холодного периода года.

Во втором варианте замораживание грунтов проводят с помощью теплообменника, выполненного герметичным и заполненного хладагентом, что позволяет в любой период при снижении уровней подземных вод и уменьшении дебита водозабора обеспечивать образование зоны промерзания водонасыщенных грунтов вблизи теплообменника, которые при охлаждении уже до температуры 0°С становятся водонепроницаемыми. При этом образуется барраж - экран, полностью или частично перекрывающий водоносный горизонт и предотвращающий активный отток подземных вод из подземного водохранилища, увеличиваются эксплуатационные запасы, и может быть существенно увеличена производительность водозабора.

Обеспечивают циркуляцию хладагента в теплообменнике, регулируют интенсивность циркуляции и изменяют размеры зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод, что позволяет активно влиять на изменение температуры грунтов водоносного горизонта в месте установки теплообменника и обеспечивать регулирование размеров мерзлотного барража. В соответствии с размерами барража уменьшается или увеличивается отток подземных вод из водохранилища. Это позволяет поддерживать уровенный режим в подземном водохранилище в оптимальных пределах в любой период года, исключая подтопление инженерных сооружений и земель при их сельскохозяйственном использовании.

Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: активное регулирование гидрогеологического режима подземных вод в зоне подземного водохранилища, в частности, за счет снижения или увеличения величины оттока подземных вод из водохранилища, предотвращая подтопление инженерных сооружений и земель при их сельскохозяйственном использовании, накопление подземных вод в многоводные периоды года и расходование в маловодные периоды.

Пример промышленной применимости изобретения.

На схеме (чертеж) изображен продольный разрез участка подземного водохранилища в водоносном горизонте, в поперечном створе которого установлен трубчатый теплообменник, сообщенный с атмосферой. На схеме показана горизонтальная дрена 1 водозабора подземных вод, смотровые колодцы 2 на горизонтальной дрене 1, водоносный горизонт 3, трубы теплообменника 4 в поперечном створе водоносного горизонта 3, воздухопроводящие стояки 5, соединенные с торцами труб теплообменника 4, расположенные с обеих сторон теплообменника и сообщенные с атмосферой, ореол промерзания зоны вокруг теплообменника - мерзлотный барраж 6 в поперечном створе долины реки, граница промерзания грунтов 7 в пределах мерзлотного барража 6, депрессионная поверхность подземных вод без подпора уровней 8, депрессионная поверхность подземных вод 9 при создании мерзлотного барража 6. Стрелками условно показано движение воздуха через воздухопроводящий стояк 5 в трубы теплообменника 4.

В аллювиальном водоносном горизонте 3 при работе водозабора, выполненного, например, в виде горизонтальной дрены 1, имеющей смотровые колодцы 2, в маловодные периоды года из-за существенного уменьшения инфилырационного питания этого горизонта 3 из реки, активного оттока подземных вод за пределы зоны влияния водозабора и сработки запасов уровни подземных вод понижаются до недопустимых пределов, и депрессионная поверхность занимает положение 8. Это обусловливает возникновение дефицита водоотбора (разности между требуемым и обеспеченным дебитом водозабора) из эксплуатируемого водоносного горизонта 3 и для сокращения величины оттока подземных вод в поперечном створе долины реки ниже участка расположения водозабора 1 устанавливают трубчатый теплообменник 4, торцы которого соединяют с воздухопроводящими стояками 5 (Вариант 1). Стояки 5 выполняют разновысокими, располагают их с обеих сторон труб теплообменника 4 и сообщают с атмосферой. При понижении температуры воздуха ниже 0°С в холодный период года за счет возникновения температурного градиента (разности температуры воздуха в трубах теплообменника 4 и над поверхностью земли) возникает активное замещение теплого воздуха в трубах теплообменника 4 холодным воздухом атмосферы и водонасыщенный грунт водоносного горизонта 3 вблизи теплообменника 4 замерзает. При этом образуется ореол промерзания вокруг теплообменника 4 - мерзлотный водонепроницаемый барраж 6 в поперечном створе долины реки с границей промерзания грунтов 7. Постепенное наращивание размеров мерзлотного барража приводит к сокращению оттока подземных вод из подземного водохранилища и уровни воды в нем повышаются до положения 9, а дебит водозабора 1 устанавливается в пределах требуемого. Таким образом, мерзлотный барраж 6 в водоносном горизонте 3 позволяет изменять пропускную способность водоносного слоя в створе установки теплообменника и образовывать подземное водохранилище, в котором возможно накопление части избыточного подземного стока за счет сокращения оттока подземных вод вниз по потоку за пределы мерзлотного барража 6. То есть барраж 6 способствует сокращению расходной части баланса подземных вод на участке водоотбора и повышению уровней подземных вод за счет их накопления в водохранилище. При этом появляется возможность увеличения водоотбора из водоносного горизонта водозабором 1 в зимний период ориентировочно на величину снижения оттока подземных вод из водохранилища или поддерживания надежного водоотбора в требуемом объеме.

При неустойчивом температурном режиме в осенний или весенний период, когда отрицательная температура воздуха наблюдается только в темное время суток, с целью быстрого наращивания ореола промерзания вблизи труб теплообменника 4, недопущения оттаивания грунтов и уменьшения размеров мерзлотного барража 6 в дневное время вентилирование прекращают, прерывая доступ теплого атмосферного воздуха в теплообменник 4. Процессом вентилирования теплообменника 4 управляют, например, заслонкой, установленной на одном из воздухопроводящих стояков 5.

В случае повышения уровня подземных вод на участке водохранилища в верхнем бьефе мерзлотного барража 6 до недопустимых пределов, когда возникает угроза подтопления инженерных сооружений и земель при их сельскохозяйственном использовании, заслонку на воздухопроводящем стояке 5 перекрывают. Этим препятствуют поступлению холодного воздуха в теплообменник 4 и за счет теплопоступления из водоносного горизонта 3, температура воды в котором составляет не менее 5°С, происходит оттаивание грунтов и размеры барража 6 уменьшаются, увеличивается величина оттока подземных вод и уровни понижаются до оптимальных пределов. При недопустимом снижении уровней подземных вод заслонку на воздухопроводящем стояке 5 вновь открывают, чем обеспечивают наращивание размеров мерзлотного барража 6. Для поддержания уровней подземных вод на участке водохранилища в оптимальных пределах заслонка на воздухопроводящем стояке 5 может закрываться и открываться неполностью, что упрощает регулирование режима подземных вод. Регулирование интенсивности вентилирования позволяет соответственно изменять размеры ореола промерзания вокруг теплообменника 4 в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище. Это позволяет, активно управляя интенсивностью вентилирования, изменять температуру грунтов водоносного горизонта в месте установки теплообменника 4 и обеспечивать регулирование размеров мерзлотного барража 6. В соответствии с размерами барража 6 уменьшается или увеличивается отток подземных вод из подземного водохранилища.

При необходимости создания мерзлотного барража 6 большой длины (более 40-50 м) трубы теплообменника 4 должны иметь соответствующую протяженность и в этом случае целесообразно использовать принудительное вентилирование. С этой целью на одном из воздухопроводящих стояков 5 устанавливают вытяжной вентилятор, а размеры мерзлотного барража 6 регулируют режимом работы вентилятора. Принудительное вентилирование часто оказывается предпочтительным, поскольку позволяет активно влиять на интенсивность образования мерзлотного барража 6 при продолжительном периоде со среднесуточными температурами воздуха не ниже -3…-5°С.

Таким образом, за счет дросселирования заслонкой на воздухопроводящем стояке 5 или регулирования режима работы вытяжного вентилятора достигается возможность управления интенсивностью вентилирования теплообменника 4, изменением размеров барража 6. Следовательно, обеспечивается регулирование степени перекрывания водоносного горизонта 3 и величины оттока подземных вод из водохранилища, что необходимо для поддержания оптимального уровенного режима. Возможность поддерживать режим уровней подземных вод в водохранилище в оптимальных пределах, исключает вероятность подтопления инженерных сооружений и земель при их сельскохозяйственном использовании. Требуемый водоотбор из водохранилища в этом случае обеспечивается лишь увеличением эксплуатационных запасов за счет сокращения оттока подземных вод из водохранилища только на протяжении холодного периода года.

В том случае, когда требуемый водоотбор (дебит водозабора 1) не обеспечивается не только в холодный, но и в теплый период года, теплообменник 4 выполняют герметичным (Вариант 2) и заполняют хладагентом. В качестве хладагента применяют, например, легкоиспаряемый газ - фреон или другую газовую смесь. В зависимости от положения уровней подземных вод на водозаборном участке с помощью насоса обеспечивают циркуляцию хладагента в теплообменнике 4 и, управляя интенсивностью его циркуляции, наращивают или уменьшают размеры мерзлотного барража 6 в поперечном створе водоносного горизонта 3. При увеличении размеров барража 6 сокращается отток подземных вод за пределы водохранилища и уровни повышаются. При угрозе подтопления уменьшают размеры барража 6 и за счет увеличения оттока подземных вод уровни понижаются.

Таким образом, при необеспеченности водоотбора из водоносного горизонта в маловодные периоды года возникает необходимость сезонного регулирования подземного стока посредством создания подземного водохранилища. В этом случае увеличение эксплуатационных запасов подземных вод месторождения и возможность соответствующего увеличения водоотбора достигается за счет сокращения величины оттока подземных вод с эксплуатируемого участка по водоносному слою и снижения расходной части баланса создаваемого водохранилища.

Подземное водохранилище с сезонным регулированием целесообразно создавать в аллювиальных водоносных горизонтах с целью надежного обеспечения требуемого водоотбора в маловодные периоды года, в частности в зимний период, в том числе и долинах временно действующих водотоков - периодически перемерзающих или пересыхающих.

Изобретения относятся к водоснабжению. Способ регулирования запасов подземных вод заключается в создании водонепроницаемого барража в пределах зоны влияния водозабора, обеспечении сокращения подземного стока за пределы барража, накоплении и расходовании подземных вод в подземном водохранилище. Барраж, частично или полностью по мощности и ширине перекрывающий водоносный горизонт, создают замораживанием части грунтов водоносного горизонта. В способе по первому варианту замораживание проводят с помощью теплообменника, сообщенного с атмосферой, при этом при снижении температуры воздуха ниже 0°С проводят естественное или принудительное вентилирование, регулируют интенсивность вентилирования и соответствующее изменение размеров зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище. В способе по второму варианту замораживание проводят с помощью теплообменника, выполненного герметичным и заполненного хладагентом, при этом обеспечивают циркуляцию хладагента в теплообменнике, регулируют интенсивность циркуляции и изменяют размеры зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище. Техническим результатом является обеспечение возможности управления гидрогеологическим режимом при надежном водоотборе в требуемом объеме и исключении подтопления инженерных сооружений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования запасов подземных вод, заключающийся в создании водонепроницаемого барража в поперечном створе долины реки в пределах зоны влияния водозабора, в обеспечении сокращения подземного стока за пределы барража на участке выше створа его расположения, накоплении подземных вод в подземном водохранилище в многоводные периоды года и расходовании их в маловодные периоды, отличающийся тем, что водонепроницаемый барраж, частично или полностью по мощности и ширине перекрывающий водоносный горизонт, создают замораживанием части грунтов водоносного горизонта, замораживание проводят с помощью теплообменника, сообщенного с атмосферой, при снижении температуры воздуха ниже 0°С проводят естественное или принудительное вентилирование, регулируют интенсивность вентилирования и соответствующее изменение размеров зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище.2. Способ регулирования запасов подземных вод, заключающийся в создании водонепроницаемого барража в поперечном створе долины реки в пределах зоны влияния водозабора, в обеспечении сокращения подземного стока за пределы барража на участке выше створа его расположения, накоплении подземных вод в подземном водохранилище в многоводные периоды года и расходовании их в маловодные периоды, отличающийся тем, что водонепроницаемый барраж, частично или полностью по мощности и ширине перекрывающий водоносный горизонт, создают замораживанием части грунтов водоносного горизонта, замораживание проводят с помощью теплообменника, выполненного герметичным и заполненного хладагентом, обеспечивают циркуляцию хладагента в теплообменнике, регулируют интенсивность циркуляции и изменяют размеры зоны промерзания в зависимости от положения уровней подземных вод в подземном водохранилище.