Способ ликвидации загрязненных подземных вод

 

Изобретение относится к экологии и предназначено для охраны водных бассейнов и, в частности, источников подземного водоснабжения от загрязнения промышленными и бытовыми стоками. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности ликвидации загрязненных сточных вод, предотвращение их распространения, обеспечение возможности локализации области загрязнения в водоносных пластах с минимальными затратами и извлечения воды из участков наибольшей концентрации загрязняющих веществ в пласте. Способ включает определение области загрязнения в пласте и ее границ, сооружение откачных скважин, отбор загрязненной воды, сооружение за границей загрязнения закачных скважин и закачку воды через закачные скважины. Выявление границ области загрязнения осуществляют в пространстве путем измерения концентрации загрязняющих веществ по длине и высоте загрязненного пласта. Параллельно с отбором через откачные скважины загрязненной воды осуществляют раздельный от нее отбор чистой воды, которую используют для закачки в пласт через закачные скважины, местоположение которых относительно границ области загрязнения пласта определяют по приведенной в формуле изобретения зависимости. Кроме того, дополнительно осуществляют управление границами области загрязнения путем изменения дебита закачки чистой воды в пласт. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области экологии и предназначено для охраны водных бассейнов и, в частности, источников подземного водоснабжения от загрязнения промышленными и бытовыми стоками. Известны способы ликвидации очагов загрязнения с помощью механических противофильтрационных завес (ПФЗ), когда вокруг ореола или по фронту его продвижения в грунте возводят непроницаемую стенку. Среди механических ПФЗ наиболее распространены и освоены завесы траншейного типа. Недостатком завес траншейного типа является ограниченность применения по глубине (как правило, не более первых десятков метров), по территории и рельефу (невозможно их сооружение на заостренной территории, сильно пересеченной и гористой местности), большая трудоемкость и капиталоемкость, длительные сроки строительства, необходимость применения специального оборудования и материалов, отсутствие мобильности (патент ГДР кл. E 02 D 19/12 N 126428, заявл. 13.07.76, N 196826, опубл. 13.07.77).

Известен также "Способ извлечения подземных вод" по патенту N 2018588, предусматривающий закачку в слой пласта чистой воды. При отборе вод из каждого слоя загрязненного пласта расходы и их соотношение регулируют пропорционально изменяющимся в процессе отбора проводимостям данных слоев. На границе зоны загрязнения сооружаются дополнительные скважины, через которые во время отбора воды проводят одновременно раздельную закачку чистой воды в каждый слой водоносного пласта с расходом для каждого слоя, равным расходу при отборе воды из соответствующего слоя (патент РФ N 2018588, E 03 B 3/06 БИ N 30.08.94). Недостатком способа является то, что он применим на заключительной стадии, то есть ликвидации ореола загрязнения и не предусматривает защиту от увеличения площади загрязнения.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является "Способ ликвидации загрязненных подземных вод" по патенту N 210729. Способ включает определение области загрязнения в пласте и ее границы, сооружение откачных скважин, отбор загрязненных вод, сооружение за границей загрязнения закачных скважин и закачку воды через закачные скважины (Патент РФ N 2107129, E 03 B 3/06 БИ. 8 20.08.98).

Недостатком данного способа является факт его применения на заключительной стадии ликвидации ореола загрязнения, а также невозможность достижения целенаправленной контролируемой защиты от увеличения площади загрязнения за счет бытового потока.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего эффективно ликвидировать загрязненные подземные воды и предотвратить их распространение путем управления областью загрязнения смещением ее границ, локализовывать с минимальными затратами область загрязнения в водоносных пластах без ограничения глубины их залегания, а также извлекать воду из участков наибольшей концентрации загрязняющих веществ в пласте.

Решение указанной задачи стало возможным благодаря тому, что в известном способе ликвидации загрязненных подземных вод, включающем определение области загрязнения в пласте и ее границ, сооружение откачных скважин, отбор загрязненной воды, сооружение за границей загрязнения закачных скважин и закачку воды через закачные скважины, выявление границ области загрязнения осуществляют в пространстве путем измерения концентрации загрязняющих веществ по длине и высоте загрязненного пласта, параллельно с отбором через откачные скважины загрязненной воды осуществляют раздельный от нее отбор чистой воды, которую используют для закачки в пласт через закачные скважины, местоположение которых относительно границ области загрязнения пласта определяют по зависимости: где th - тангенс гипперболический где Y - расстояние от закачной скважины до точки стабилизации "A" на границе области загрязнения, в которой разветвляется поток, образующийся от закачки чистой воды в скважину; σ - расстояние между закачными скважинами; Q - дебит закачки воды в скважину.

В лучшем варианте исполнения дополнительно осуществляют управление границами области загрязнения путем изменения дебита закачки чистой воды в пласт. Этот вопрос приобретает чрезвычайную актуальность при продвижении области загрязнения в направлении охраняемых объектов (водозаборов, резерваций и т. п. ), а также в недоступные для выполнения защитных работ места (застроенные территории, гористые участки местности и т.п.).

Загрязненные воды отличаются плотностью от пластовых чистых, поэтому, попадая в водоносный горизонт, где исключено перемешивание, они занимают определенное положение в вертикальном разрезе пласта (находятся в верхней его части, если их плотность меньше пластовой воды или при большой плотности опускаются до нижнего водоупора), что обусловлено явлением гравитационного расслоения в пласте чистых и загрязненных вод. Таким образом, определив истинные значения концентраций загрязняющих веществ по длине и высоте загрязненного пласта, выявляют пространственные границы области загрязнения, что позволяет осуществлять раздельный отбор чистой и загрязненной воды.

Основным фактором, способствующим распространению загрязнения по пласту, является перенос вещества бытовым потоком, что способствует смещению границ области загрязнения. При ликвидации загрязненных подземных вод необходимо снизить скорость бытового потока до минимальных значений или вовсе его остановить. Достижение этих технических результатов стало возможным благодаря подбору дебита закачных скважин, расстояние между ними и положение их относительно границы загрязнения с использованием гидродинамической зависимости: , при этом условием создания нулевой скорости бытового потока является наличие между границей загрязнения и закачной скважиной точки разветвления потока, образующегося от закачки в нее воды.

Задавая по формуле (2) дебит закачки больше расчетного, сдвигают точку разветвления потока от закачки и тем самым перемещают границу загрязнения внутрь области или в другом нужном направлении на заданное расстояние.

Локализовав описанным выше способом загрязнение, приступают к его ликвидации путем откачки. Так как пластовая вода и загрязненная жидкость занимают в вертикальном разрезе пласта разные уровни, то предлагается откачивать ограниченное количество загрязненной воды, тем самым упростить и удешевить ее обезвреживание (очистку, захоронение, утилизацию и т.п.) и сохранить чистую воду, которая осталась в пласте в результате гравитационного расслоения грязных и чистых вод. Откачные скважины при этом оборудуют фильтром не на всю мощность пласта, а лишь на загрязненную часть. Во избежание смешивания грязных и чистых вод, которое в процессе откачки неизбежно произойдет, параллельно отбирают чистую воду из незагрязненного слоя. При этом дебит откачки из каждого слоя определяют его проводимостью и регулируют соотношением проводимости слоев (КМ), которое меняется по мере очистки пласта по известной формуле:
где Q₁ - дебит отбора воды из чистого слоя,
Q₂ - дебит отбора воды из грязного слоя,
K₁ - коэффициент фильтрации чистого слоя,
M₁ - мощность чистого слоя,
M₂ - мощность загрязненного слоя,
K₂ - коэффициент фильтрации загрязненного слоя.

При выполнении условий, соответствующих формуле (3), вода в пластах не будет смешиваться в процессе откачки. При этом чистую воду подают в закачные скважины, чем обеспечивают экономию жидкости для закачки с целью локализации загрязнения и совместимость пластовых и закачиваемых вод.

Совокупность отличительных существенных признаков предлагаемого способа позволяет решить поставленную задачу и достичь таких технических результатов, как управление областью загрязнения, извлечение загрязнений воды из участков с наибольшей концентрацией загрязняющих веществ в пласте, защита подземных вод и водозаборов, попадающих в зону загрязнения.

Предлагаемый способ экономичен благодаря отбору загрязненной воды из мест с максимальной концентрацией загрязнения, что позволяет значительно снизить затраты на их очистку и утилизацию за счет уменьшения объема откачиваемой грязной воды.

Способ иллюстрируют чертежом, на котором изображена схема расположения закачных и откачных скважин относительно границы загрязнения.

Способ осуществляют следующим образом. На участке, где располагается загрязненность пласта, бурят опытно-разведочные скважины (не показаны). Определяют границу области загрязнения 1 в пространстве путем измерения концентрации загрязняющих веществ по длине и высоте пласта. По формуле (1) определяют расстояние между закачными скважинами σ, расстояние от закачной скважины до точки разветвления потока "A" и затем задают расстояние L между границей загрязнения и линией закачных скважин. Перед границей области загрязнения в направлении ее смещения за счет бытового потока 2 сооружают в заданных точках закачные скважины 3. В центральной части загрязнения бурят откачные скважины 4, оборудуют их фильтрами (не показано) на загрязненный и незагрязненный слои водоносного пласта, из которых осуществляют раздельный отбор воды. Концентрированную загрязненную воду направляют на очистку, а чистую закачивают в закачные скважины 3 для пополнения объема чистой воды, подаваемой в пласт (не показано).

Пример. На месторождении, которое отрабатывалось методом подземного сернокислотного выщелачивания, объем загрязненных кислых вод составлял около 80 мил. м³. Изысканиями были определены граница области загрязнения и направление ее смещения. Необходимо было срочно локализовать очаг кислых вод и начать его ликвидацию. По формуле (1) определили, что закачные скважины необходимо расположить на расстоянии 100-150 м друг от друга в линейный ряд длиной около 5000 м, расположенный перед фронтом двигающейся границы загрязнения, на минимальном удалении от нее на расстоянии 250-300 м, каждую скважину соорудить глубиной 180-200 м. Дебит одиночной закачной скважины, рассчитанный по формуле (2), составил около 20 м³/ч, суммарный дебит закачки достиг 1000 м³/ч. Для откачки необходимо было соорудить 2 скважины, оборудованные фильтрами на загрязненный чистый слой. Дебит загрязненных вод, рассчитанный по известным формулам гидродинамики, составил около 60 м³/ч и дебит загрязненных вод - 150 м³/ч. Реализация операций предполагаемого способа позволила в их совокупности полностью решить поставленную задачу.

Формула изобретения

1. Способ ликвидации загрязненных подземных вод, включающий определение области загрязнения в пласте и ее границ, сооружение откачных скважин, отбор загрязненной воды, сооружение за границей загрязнения закачных скважин и закачку воды через закачные скважины, отличающийся тем, что выявление границ области загрязнения осуществляют в пространстве путем измерения концентрации загрязняющих веществ по длине и высоте загрязненного пласта, параллельно с отбором через откачные скважины загрязненной воды осуществляют раздельный от нее отбор чистой воды, которую используют для закачки в пласт через закачные скважины, местоположение которых относительно границ области загрязнения пласта определяют по зависимости

где th - тангенс гиперболический;

где Y - расстояние от закачной скважины до точки стабилизации "A" на границе области загрязнения, в которой разветвляется поток, образующийся от закачки чистой воды в скважину;
σ - расстояние между закачными скважинами;
Q - дебит закачки воды в скважину.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют управление границами области загрязнения путем изменения дебита закачки чистой воды в пласт.

РИСУНКИ

Рисунок 1