Способ отбора подземных вод

 

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 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 прискважинной 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Е 03 В 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, гп 2Н1 /(5,6 — (Qc/K)(H > ) ) (1) < hc < mMMn, (2) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4748516/29 (22) 16,10.89 (46) 07,09.92. Бюл. ¹ 33 (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

¹1573914,,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. БЫ 1760032 А1 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 прискважинной 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. сов в целик мерзлых пород, а талую полость создают в прискважинной зоне, Кроме того для обеспечения требуемого объема отбираемой воды радиус талой полости гп0 и величину заглубления скважины h< определяют из следующих неравенств:

О

О (л)

,3Я

2 + (О, rrrr ) Irr (r r r, ) ) Ь где Н1 — уровень подземных вод на границе области деформации фильтрационного потока;

Qc — максимальный отбор подземных вод из скважины;

1760032

К вЂ” 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 R< ; гс — радиус скважины;

Z< — потеря напора при фильтрации воды в толще пород, заключенных между цилиндрическими поверхностями ограниченными радиусами R1 и r>, h< — заглубление скважины в мерзлые породы;

IllMMn — 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 h<. 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 подземн ых вод и роисходит понижение естественного их уровня 10 и формирование вокруг скважины 4 воронки депрессии

11 с зеркалом подземных вод 11а, В процессе водоотбора воронка депрессии перемещается в положение 11б, 11в, 11г. На фиг.2 показано перемещение границы 12а русло5

50 вого талика 1 последовательно в положения

12б, 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 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 причиной увеличения притока является рост градиента напора, под действием которогс происходит фильтрация воды.

Дальнейшее снижение зеркала подземных вод приводит к образованию эоны аэрации под инфильтрационным бассейном 9, В результате этого создаются условия для ere работы с наибольшими градиентами напо. ра, и бассейн вводится в работу. Многолетнемерзлые породы под участком дна 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, котора вызывает активный теплообмен межд фильтрующей водой и этими породами приводит к оттаиванию последних. Поверхность многолетнемерзлых пород, смываемая фильтрационным потоком перемещается вследствие их оттаивани вглубь этих пород, что приводит к увеличению емкости талика, Оттаивание активизи. руется в летний период благодар поступлению в талик вод с температурой дс

15 и выше. Мощность оттаивающего cnos может достигать 2 — 3 м, С ростом талика появляется возмож. ность увеличения водоотбора за счет увели чения мощности водоносного пласта,; также за счет увеличения понижения уровн воды в скважине (при соответствующем за. глублении скважины и насоса) таким обра

1760032 (7) R1 2,5 rnï, (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 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 = Z1+ Zz+ 2з+ 24+ Zs+ Zs+ 27, (3)

Z1 = (Qc/2ë К Н1 ) In (R10/гп ), (4) где Zz — потеря напора при входе в скважину (сопротивление фильтра и породы в прискваженной 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 скважины; Zg — длина фильтра; 2т — глубина отстойника; R1 — радиус области деформации подземного потока, Глубину потока подземных вод Н10 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 Н10 определяют посредством решения системы уравнений: гпо/H1 = 2/(5,6 — (Qc/Ê)(Í1 ) ) (6) 5

g, к((н ) - (н„ ) )/(t .n,,„, (s ) (e.

+ 1

p(e;+ ez 2 й13 где Н вЂ” глубина потока вод на боковой границе области фильтрации (на оси бассейнов) при условии свободной фильтрации из него; д — расстояние между скважинами в ряду

I1 и Iz — расстояние ряда скважин от боковых границ талика, Заглубление скважины hc не должно превышать мощности мерзлого слоя проницаемых пород.

Радиус искусственного талика rT определяют при известном H1 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 воу ниже дна реки в зимнюю межень I/> = 0,1 м /сут.

Ширина талика 400 м, мощность

mT = 20 м, мощность слоя слабоцементированных покровных отложений п п = 3 м, мощность проницаемых пород m = 29 м, коэффициент фильтрации этих пород в талом состоянии К= 10 мlсут, льдистость мерзлых пород G = 300 кг/м, коэффициент их разрыхления Kp = 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 2o=

=100 м, удаленными от границ талика (см, фиг.1) на расстояния I1 = 240 м, Iz = 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 Q = 6000 м /сут. Это существенно меньше требуемого водоотбора Q p = 10000 м /сут. Необходимо примез нение специальных мероприятий заглубление скважин в многолетнемерзлые породы и искусственное пополнение под1760032

R ) = 2,5 х 4,6 = 11,5 м. х 0,85 х 3 х 1000 х 50

= 180 =7,5 сут

62,8 х 5,6 = 2,85 м. земных вод посредством инфильтрационного бассейна.

Для этого определяли радиус искусственной талой полости, способной принять расход Ос = 1000 м /сут, и параметры облаз сти существенной деформации фильтрационного потока, исходя из системы уравнений (6), (5), (7), Используя метод последовательных приближений, задавались значениями Н1О, определяли r по (6), R< по (5), Q по (7), строят график Ос = f(H> ) и по нему опоеделяли Н1, соответствующее

0 =.1000 м /сут= Q,.

Результаты расчета приведены в табл.1.

Требуемая глубина Н1О = 5,6 м. По (6) гпо=

=5,6 х2/(5,6 10 562 ) =462 м. По(5) Для дальнейших расчетов принимали, Н1 =5,6 м, гп =4,6 M, R< = 11,5 M.

Определяли заглубление скважины пс в многолетнемерзлые породы по формуле (1), Рассчитывали требуемое заглубление скважины Z под минимальный уровень воды в ней по формуле(3), Определяли потерю напора Z> по формуле (4).

1000 11,5

2х3,14x10x5,6 46

Принимали потерю напора 2г = 0,59 м, заглубление насоса АТН-10-1-4 под уровень воды в скважине 2з = 0,3 м, длину насоса

24 = 1,15 м (при одной ступени), запас в глубине скважины Zg = 0,5 м, длину фильтра

2в = 5 м, длину отстойника 2т = 0,7м, При принятых значениях 2г, ..., 2т требуемая величина 2 составляет по формуле (4):

2 = 0,59 + 0,3 + 1,15 + 0,5+ 5 + 0,7 =

= 8,24 8,2м.

Заглубление скважины йс в многолетнемерзлые породы по формуле (1) составляет:

hñ= г 1 0

" + 3,14x10 п 0,2

- 5,6+ 2,85 = 10,15 10,2 м

Проверяли выполнение условия пc — п1ммп, где п1ммп мощность многолетнемерэлых проницаемых пород. тммп = m — (mT — тп) = 29 — (20 — 3) = 12 м, следовательно пс < mMM<.

Искусственная талая полость формируется посредством подачи в скважину воды, 10 подогретой до температуры Тв = 50 С, с расходом g = 3 м /ч. Продолжительность формирования полости определяли по формуле:

t = Yn (80 G+ Сн! Тн! )/КрКТИ/СвТв, (14) 15 где Чп — объем искусственной полости талика: Чп = л(гп ) гс, г

Сн — объемная теплоемкость оттаивающих пород;

20 Кт — коэффициент использования тепла воды;

Св — теплоемкость воды; остальные обозначения прежние (см,1), 25 Принимали: Vï = 3,14 х5,,2 х 10,2 = 1001 м", G =300 кг/м (см.1); Сн = 470 ккал/(м град);

Тн = — 2ОС (см.1); Кр = 1 (см.1); Кт = 0,85;

W = g = 3 м /ч; С = 1000 ккал/(м град) и определяем:

Определяли динамику водоотбора е многолетнем разрезе.

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

Ah =2(Лэ Св г в/Л) То Ж (KZI) /Qor, (15) где Яв- эффективная теплопроводность та5 лых фильтрующих пОрод, в- ПЛОТНОСТЬ ВОДЫ;

То — начальная температура воды;

Л вЂ” продолжительность периода оттаивания талика в году;

50 Qo удельная энергоемкость оттаивающих пород;

Zl — потеря напора на пути фильтраци

1(от водотока до границ области деформации фильтрационного потока), Принято. 1) Я9 — 1,1 Вт/(м, С),сев

=1,16 Вт/(кг. С); ув = =1 кгlм; То= 10

Q0 = 30 кВтч/м при Тн = =(— 2 ), Т» = 0 влажности \И = 10%; 2) оттаиваеттолькс днище талика в течение летнего периода про должительностью Ж = 100 сут; 3) размеры искусст

1760032

45

Таблица 1 веннойполостивплане остаются неизменными;4)1определпэтся, исходя из условия I =

I1 — R1 = 240 — 11,5 = 228,5 м; 5) ZI = Н

1ОО

Н1 15 — 5,6=9,4 м; 6) Т =, Р Т = 10 С. и =1

Предпосылки 2, 3, 4 вносят в расчет известный запас, Мощность hh составит;

A1 = 2 1,1 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

Qc u 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 одновременной откачке воды из скважины, о т л ич а ю шийся 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, отличающийся тем, что радиус прискважинной талой полости r и величину заглубления скважины hc ниже основания талика определяют из следующих соотношений:

15 гпо 2H1 /(5,6 — (Qc/K)(H1 ) ), ф + (Qc/ zK) In (rn /nc))о 5 + Z1 — H1

<л < — с — П1ммп, 20 где Н1Π— уровень подземных вод на оконтуривающей прискважинную талую полость границе области деформации фильтрационного потока радиусом R1, м;

25 Qc — максимальный дебит скважины, м /сут;

К вЂ” коэффициент фильтрации пород в талике, м/сут;

Z — требуемое при дебите Qc заглубле30 ние скважины под уровень подземных вод, имеющий величину Н1О, м; гс — радиус скважины, м;

Z1 — перепад уровней подземных вод между цилиндрическими поверхностями, 35 ограниченными радиусами R1О и r ;

mMMn — исходная мощность мерзлого слоя проницаемых пород под руслом реки, м.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при неудовлетворительном качест40 ве воды талика ее сбрасывают в инфильтрационный бассейн в начальный период работы скважины до стабилизации качества воды, 1760032

5 11ц

Таблица 2

1760032

Ф» . л 1

r áI////l с го

7 гауи

Редактор

Заказ 3163 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель М, Вычегжанин

Техред М.Моргентал Корректор М. Андрушенко

Способ отбора подземных вод Способ отбора подземных вод Способ отбора подземных вод Способ отбора подземных вод Способ отбора подземных вод Способ отбора подземных вод Способ отбора подземных вод 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к водоснабжению из безнапорных водоносных горизонтов и может быть использовано в водозаборах подземных вод с искусственным пополнением их запасов

Изобретение относится к разведке и эксплуатации подземных вод и может быть использовано на многопластовых месторождениях глубокозалегающих минеральных теплоэнергетических, промышленных и др

Изобретение относится к очистке воды и может быть использовано для осветления воды непосредственно в водотоках и водоемах , а также для очистки сточных вод

Изобретение относится к водоснабжению , а именно - к искусственному пополнению подземных вод в зимний период года

Изобретение относится к водоснабжению , в частности к сооружениям для искусственного пополнения запасов подземных вод, используемых для водоснабжения

Изобретение относится к области очистки природных вод и может быть использовано в системах малого водоснабжения и доочистки сточных вод

Изобретение относится к установкам для искусственного пополнения подземных вод в безнапорных водоносных горизонтах и может быть использовано в водозаборах подземных вод с искусственным наполнением их запасов для водоснабжения и орошения

Изобретение относится к водоснабжению и предназначено для забора воды из поверхностных источников и осветления ее непосредственно в водоисточнике

Изобретение относится к гидрогеологии и может быть использовано при захоронении промышленных стоков в глубокие водоносные горизонты, при добыче полезных ископаемых из подземных вод подземным выщелачиванием, а также при искусственном восполнении ресурсов подземных вод

Изобретение относится к водоснабжению и может применяться для искусственного пополнения запасов подземных вод, а также в качестве медленных фильтров при очистке поверхностных вод

Изобретение относится к водоснабжению и может применяться для искусственного пополнения запасов подземных вод, а также в качестве медленных фильтров при очистке поверхностных вод

Изобретение относится к водоснабжению и может использоваться для искусственного пополнения запасов подземных вод

Изобретение относится к водоснабжению

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

Изобретение относится к области гидротехники и водоснабжения и может применяться, в частности, для забора и предварительного осветления воды из источников с большим диапазоном колебаний уровня воды и высоким содержанием взвешенных веществ с целью водообеспечения коммунальных и производственных объектов

Изобретение относится к области безреагентной очистки природных вод, забираемых непосредственно из поверхностного водотока, и может быть использовано в системах хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения

Изобретение относится к установкам для искусственного пополнения подземных вод в безнапорных водоносных горизонтах и может быть использовано в водозаборах подземных вод с искусственным пополнением их запасов для водоснабжения и орошения

Изобретение относится к водоснабжению и предназначено для добывания воды из поверхностных водных источников и очистки этой воды непосредственно в этих источниках

Скважина // 1798450
Наверх