Способ отбора подземных вод Советский патент 1992 года по МПК E03B3/32 

Изобретение 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 инфиль- трационным 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 откосов в целик мерзлых пород, а талую полость создают в прискважинной зоне

Кроме того для обеспечения требуемого объема отбираемой воды радиус талой полости Гп° и величину заглубления скважины hc определяют из следующих неравенств:

гп° 2H1°/(5,6-(Qc/KXHi°)2) (1)

i

Os

о о

СО N3

VZ2+(Qc/7rn)ln(rS/rc) + Zi-Hi° Ј

hc тммп, (2)

где Н-|°-уровень подземных вод на границе области деформации фильтрационного потока;

QC - максимальный отбор подземных вод из скважины;

К - коэффициент фильтрации пород водоносного пласта;

Z - требуемое при максимальном отборе подземных вод заглубление скважины под уровень подземных вод на границе области деформации фильтрационного потока, образующейся вокруг искусственной талой полости радиусом Ri°;

гс - радиус скважины;

Zi - потеря напора при фильтрации воды в толще пород, заключенных между цилиндрическими поверхностями ограниченными радиусами Ri° и гп°;

hc - заглубление скважины в мерзлые породы;

тммп - мощность мерзлого слоя проницаемых пород.

При неудовлетворительном качестве воды талика ее сбрасывают в инфильтраци- онный 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, инфильтра- цйонного бассейна и талой полости. Следо- вательно 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.З - график ускорения водоотбо- ра 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 hc. Скважина оборудована фильтром 5 и погружным электронасосом 6. 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 подзем- ных вод происходит понижение естественного их уровня 10 и формирование вокруг скважины 4 воронки депрессии 11с зеркалом подземных вод 11а. В процессе водоотбора воронка депрессии перемещается в положение 116, 11 в, 11г. На фиг.2 показано перемещение границы 12а руслового талика 1 последовательно в положения 126, 12в.

После бурения скважины 4, оборудования ее фильтром 5, формирование вокруг

скважины талой полости 7 и монтажа погружного насоса 6 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 поеле достижения воронкой депрессии границ водотока. Максимального значения он достигает после того, как зеркало подземных вод оторвется от дна водотока и под ним образуется зона аэрации. Основной причиной увеличения притока является рост градиента напора, под действием которого происходит фильтрация воды.

Дальнейшее снижение зеркала подземных вод приводит к образованию зоны аэрации под инфильтрационным бассейном 9. В результате этого создаются условия для егс работы с наибольшими градиентами напора, и бассейн вводится в работу. Многолетнемерзлые породы под участком днг

бассейна, прилегающим к боковой границе талика 1, при необходимости оттаивают путем подачи в них тепла, например, паровыми иглами.

С начала отбора подземных вод возникает контактная фильтрация вдоль поверхности многомерзлых пород, которая вызывает активный теплообмен межд фильтрующей водой и этими породами v приводит к оттаиванию последних. Поверхность многолетнемерзлых пород, смываемая фильтрационным потоком перемещается вследствие их оттаивания вглубь этих пород, что приводит к увеличению емкости талика. Оттаивание активизируется в летний период благодаря

поступлению в талик вод с температурой дс 15° и выше. Мощность оттаивающего слоя может достигать 2-3 м,

С ростом талика появляется возмож ность увеличения водоотбора за счет увели

чения мощности водоносного пласта, г также за счет увеличения понижения уровня зоды в скважине (при соответствующем за глублении скважины и насоса) таким обра

зом, чтобы все время обеспечивался требуемый водоотбор

При удовлетворительном качестве подземной воды талика ее подают непосредст- веннопотребителю,при

неудовлетворительном-застойную водуталика 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 hc скважины в многолетнемерзлые породы определяют, исходя из максимального требуемого отбора подземных вод Qc из скважины в начальный период ее эксплуатации по формуле (1).

Требуемое заглубление скважины Z определяют по формуле

Z Zi + Z2 + Za + 7л + Zs + Ze + Z, (3) Zi(Qc/2jrRHi°)n(Ri°/rn0),(4)

R1° 2,5 rn°,(5)

где 7.2 - потеря напора при входе в скважину (сопротивление фильтра и породы в при- скваженной зоне); 2з - минимальная глубина погружения насоса под уровень воды, обусловленная требованиями завода-изготовителя; Z4 - длина корпуса погружного насоса; Zs - запас в глубине скважины (не менее 1 м), равный расстоянию от низа корпуса погружного насоса до фильтра скважи- ны; Ze - длина фильтра; Z - глубина отстойника; Ri° - радиус области деформации подземного потока.

Глубину потока подземных вод Hi0 определяют, исходя из условия неразрывности фильтрационного потока при известных значениях Qc и К и заданной схеме фильтрации. В частности, при отборе подземных вод линейным рядом скважин, параллельным водоему и бассейнам, глубину Hi0 определяют посредством решения системы уравнений:

rn°/Hi0 2/(5,6-(Qc/K)(Hi0)2) (6)

((HTX)(7)

+ ) (gg-K,)

b(t, + ti - 2

где Н° - глубина потока вод на боковой границе области фильтрации (на оси бассейнов) при условии свободной фильтрации из него;

д- расстояние между скважинами в ряду;

И и i - расстояние ряда скважин от боковых границ талика.

Заглубление скважины hc не должно превышать мощности мерзлого слоя проницаемых пород.

Радиус искусственного талика гт° определяют при известном Hi0 по формуле (2).

Пример. 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 вод ниже дна реки в зимнюю

межень Vp 0,1 м /сут.

Ширина талика 400 м, мощность тт 20 м, мощность слоя слабоцементированных покровных отложений тп 3 м, мощность проницаемых пород т 29 м,

коэффициент фильтрации этих пород в талом состоянии К 10 м/сут, льдистость мерзлых пород G 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 Qc 10000 м3/сут, допускаемая длина водозабора 1000 м. Отбор воды производится 10 скважинами, расположенными параллельно реки с шагом 100 м, удаленными от границ талика (см. фиг.1) на расстояния h 240 м, г 160 м, оборудованных насосами АТН-10-1-4. 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 m 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 м3/сут. Это существенно меньше требуемого водоотбоpa QTp 10000 м3/сут. Необходимо применение специальных мероприятий - заглубление скважин в многолетнемерзлые породы и искусственное пополнение подземных вод посредством инфильтрационно- го бассейна.

Для этого определяли радиус искусственной талой полости, способной принять расход Qc 1000 м3/сут, и параметры области существенной деформации фильтрационного потока, исходя из системы уравнений (6), (5), (7). Используя метод последовательных приближений, задавались значениями Hi0, определяли гп° по (6), Ri° по (5), Qc по (7), строят график Qc f(Hi°) и по нему определяли Hi0, соответствующее Ос 1000м3/сут 0трс.

Результаты расчета приведены втабл,1.

Требуемая глубина Hi0 5,6 м. По (6) гп°

5,6 х 2/(5,6 - 101°%°62 ) 4,62 м. По (5)

Ri° 2,5x4,6 11,5M.

Для дальнейших расчетов принимали: Н1° 5,6м, гп° 4,6м, Ri° 11,5м.

Определяли заглубление скважины hc в многолетнемерзлые породы по формуле (1).

Рассчитывали требуемое заглубление скважины Z под минимальный уровень воды в ней по формуле (3),

Определяли потерю напора Zi по формуле (4).

Zi

1000

2x3,14 х 10x5,6

1000

62,8 х 5,6

2,85 м.

Принимали потерю напора 2ц 0,59 м, заглубление насоса АТН-10-1-4 подуровень воды в скважине Zs 0,3 м, длину насоса Z4 1,15 м (при одной ступени), запас в глубине скважины Zs 0,5 м, длину фильтра Ze 5 м, длину отстойника Z 0,7 м. При принятых значениях Z2, ..., Z требуемая величина Z составляет по формуле (4):

Z 0,59+ 0,3+ 1,15 + 0,5 + 5 + 0,7 8,24 8,2 м.

Заглубление скважины hc в многолетне- мерзлые породы по формуле (1) составляет:

,22 +

T3GO

In

ТБ

3,14 х 10 0,2 -5,6 + 2,85 10,15 и 10,2 м

Проверяли выполнение условия hc тммп, где тммп-мощность многолет- немерзлых проницаемых пород.

тммп m-(mT-mn) 29-(20-3) 12м,

следовательно hc mMMn.

Искусственная талая полость формируется посредством подачи в скважину воды, подогретой до температуры Тв 50°С, с расходом g 3 м3/ч. Продолжительность формирования полости определяли по формуле:

15

t Yn (80 G + Сн I THI )/КрКт Л/СвТв, (14)

где Vn - объем искусственной полости талика: Vn - лг(гп°)2гс;

Сн - объемная теплоемкость оттаивающих пород;

Кт - коэффициент использования тепла воды;

Си - теплоемкость воды; остальные обозначения прежние (см. 1),

Принимали: Vn 3,14x5,2x 10,2 1001 м3, G 300 кг/м3 (см.1); Сн 470 ккал/(м3 град); Тн -2°С (см.1); Кр 1 (см.1); Кт 0,85; W g 3 м3/ч; Св 1000 ккал/(м3 град) и определяем:

1001 (80хЗООх+470x2) 1x0,85x3x1000x50

180 7,5 сут

Определяли динамику водоотбора в многолетнем разрезе.

Рассчитывали мощность оттаивающего слоя в ложе талика в год по формуле:

,1/2

ДН 2(ЛэСвув/я)1/ То At (KZi)vVQol, (15)

где Лэ- эффективная теплопроводность та- лых фильтрующих пород;

ув- плотность воды;

То - начальная температура воды;

At - продолжительность периода оттаивания талика в году;

° УДельная энергоемкость оттаивающих пород;

Zi - потеря напора на пути фильтрациу I (от водотока до границ области деформации фильтрационного потока). Принято: 1) Аэ 1,1 Вт/();Св 1,16 Вт/(кг.°С); ув 1 кг/м3; То 10° Qo 30 кВтч/м3 при Тн (-2°), Т к 0° v влажности W 10%; 2) оттаиваеттолькс днище талика в течение летнего периода пра должительностью At 100 сут; 3) размеры искусст

веннойполостивплане остаются неизменными; 4) I определится, исходя из условия I h-Rl° 240- 11,5 228,5м; 5)Z| H°100

Н1 15-5,6 9,4м;6)Т° Ј Т| 10°С.

п 1

Предпосылки 2, 3, 4 вносят в расчет известный запас.

Мощность ДЬ составит:

Ah 2 (1,1 х 1,16х 1/3,14)1/2х 10 х 1000 (10 х9,4)1/2/ЗОх 228,5 2,04 2м.

Продолжительность оттаивания талика на глубину 10,2 м, равную заглублению скважины, составила 5,1 года, до водоупора б лет,

Определяли возможный максимальный отбор подземной воды из скважины по формуле аналогичной (7) с учетом динамики от- таивания талика. Результаты расчета сведены в табл,2.

Приведенные в таблице значения возможного максимального отбора подземной воды из скважины по заявляемому способу QC и Q 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 одновре0

5

менной откачке воды из скважины, отличающийся тем, что, с целью расширения его эксплуатационных возможностей, 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 прискважинной зоне.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что радиус прискважинной талой полости гп° и величину заглубления скважины hc ниже основания талика определяют из следующих соотношений:

гп° 2Hi°/ 5,6-(Qc/KXHi°)2,

0

5

0

5

0

Z + (Qc/ Ж) In (rn°/rc)a5

he ГПммп,

+ Zi - Hic

где Hi0 - уровень подземных вод на оконту- ривающей прискважинную талую полость границе области деформации фильтрационного потока радиусом Ri°, м;

Qc - максимальный дебит скважины, м3/сут;

К - коэффициент фильтрации пород в талике, м/сут;

Z - требуемое при дебите Qc заглубление скважины подуровень подземных вод, имеющий величину Hi0, м;

гс - радиус скважины, м;

Zi - перепад уровней подземных вод между цилиндрическими поверхностями, ограниченными радиусами Ri° и гп°;

гпммп - исходная мощность мерзлого слоя проницаемых пород под руслом реки, м,

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что при неудовлетворительном качестве воды талика ее сбрасывают в инфильтрационный бассейн в начальный период работы скважины до стабилизации качества воды.

Использование: водоснабжение, а именно для отбора подземных вод из таликов в районах распространения многолетней мерзлоты. Сущность изобретения: способ отбора подземных вод скважиной из руслового талика в области многолетней мерзлоты, подпитываемого рекой и инфиль- трационным 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 присква- жинной зоне. В случае неудовлетворительного качества воды талика ее сбрасывают в инфильтрационный бассейн в начальный период работы скважины до стабилизации качества воды. 2 з.п. ф-лы, 3 ил сл С

Таблица 1

--rff f

Таблица 2

3 11а

П

fi Kriv2 1

-ъ

Фиг. I

t

-rrr-rrrr-i i . ttt / i- ,,. /////

rfrfw

Q

tyi 40

7 годы