Искусственное пополнение эксплуатационных запасов подземных вод

Вынужденная мера, если эксплуатационный водоотбор не обеспечивается естественными источниками формирования ЭЗ, т.е. в процессе эксплуатации происходит перепонижение уровней в водозаборных скважинах. Возможны два выхода:

1) расширить действующий водозабор на флангах - однако, это далеко не всегда можно сделать (дорогая земля, сложность организации зоны санитарной охраны, взаимодействие с соседними водозаборами и т.п.);

2) применить искусственное пополнение запасов (ИПЗ).

Однако, ИПЗ может применяться и на вполне "благополучных" водозаборах с целью повышения их производительности для покрытия возрастающей потребности.

В тех или иных формах ИПЗ применяется еще с середины XIX века. В России ИПЗ применяется с конца XIX века (водозаборы г.г. Арзамаса, Винницы, Симферополя). В настоящее время во многих странах с дефицитом подземных вод с помощью систем ИПЗ обеспечивается до 25-50% общего хозяйственно-питьевого водопотребления (США - 30%, ФРГ, Нидерланды, Швеция...).

Специфические проблемы при осуществлении ИПЗ:

- техника сооружения и технология эксплуатации специальных устройств для пополнения,

- источник и качество "сырой" воды.  

Наиболее сложным всегда является вопрос об источнике "сырой" воды. Основные требования к нему: достаточное количество и удовлетворительное качество - существуют нормативные требования к качеству воды, подаваемой на пополнение. Из физических показателей наиболее важный - мутность. Химические ограничения могут быть разнообразными в зависимости от состава пород зоны аэрации и водовмещающей толщи, состава пластовой воды, климатических особенностей. ИПЗ сопровождается рядом физических, физико-химических и биологических процессов - механическое осаждение взвешенных частиц, физическая и химическая сорбция, ионный обмен, коагуляция, микробиологические процессы и др.

Обычно для ИПЗ используют поверхностные воды, реже дренажные воды, очищенные стоки, воды смежных горизонтов.

Методы предварительной водоподготовки:

отстаивание (снижение мутности)

предварительные фильтры (часто в комплексе с коагулянтами)

микрофильтрация (задержка механической взвеси, планктона)

аэрация (насыщение кислородом с уничтожением анаэробных бактерий и разложением органических соединений)

хлорирование (обеззараживание и окисление органических соединений).

Балансово-гидродинамические особенности ИПЗ

Искусственно подаваемое в водоносный горизонт количество воды может входить в балансовую структуру ЭЗ как искусственные запасы или как искусственные ресурсы.

Создание искусственных запасов (применяется также термин "магазинирование") производится один или несколько раз в году путем единовременного затопления больших площадей вблизи водозаборного сооружения (естественные понижения, специально обвалованные участки пойм, террас...); обычно предварительно производится зачистка слабопроницаемого почвенно-растительного слоя. Полное насыщение пород в зоне аэрации над депрессионной воронкой (рис.6.7) происходит достаточно быстро:

 

При коэффициенте фильтрации пород в зоне аэрации K = 1 м/сут (глинистый песок), недостатке насыщения = 0.1, z ≈ 10 м, ≈ 0.5 - 1 м для полного насыщения зоны аэрации потребуется менее 1 суток.

Этот механизм ИПЗ достаточно прост в осуществлении, но и эффективность его не очень высока. Балансовое уравнение водоотбора в таких условиях приобретает общий вид:

где - период времени между циклами магазинирования,  - объем воды, поступивший в пласт (не всегда используется полностью за счет бокового растекания).

В подавляющем большинстве случаев источником "сырой" воды в этой схеме служат поверхностные воды ближайших водотоков в периоды половодья; реже - снеготалые воды.

Рис. 6.7. Пополнение эксплуатационных запасов за счет создания искусственных запасов (магазинирование)

 Более широко применяются приемы создания искусственных ресурсов, т.е. некоторого расхода , непрерывно поступающего в эксплуатируемый водоносный горизонт из специальных инфильтрационных сооружений капитального типа. Уравнение баланса имеет вид:

 

В принципе возможно стационарное балансово-гидродинамическое состояние. 

Технологически подача "сырой" воды в пласт возможна нагнетанием (наливом) через скважины или путем инфильтрации из специальных бассейнов.

Через нагнетательные скважины - дорого и технически сложно: большой проблемой является кольматация фильтров скважин даже при небольшой мутности "сырой" воды (допустимые значения 1-2 мг/л), выделение воздуха из "сырой" воды и возникновение в пласте воздушных пробок вокруг скважин. Поэтому ИПЗ через скважины применяется редко, только при отсутствии альтернативы - в скальных водоносных горизонтах или при большой мощности и низкой проницаемости пород в зоне аэрации.

Наиболее распространенная технология - инфильтрационные бассейны прямоугольной формы, 200-400 м на 20-50 м; площадь дна 5 - 10 тыс. кв.м; глубина 2 - 3 м (рис.6.8). В бассейне поддерживается постоянный уровень; для этого через систему затворов подается такой расход "сырой" воды, чтобы компенсировать расход инфильтрации через дно бассейна. Зная подаваемый объем воды  за время можно рассчитать интенсивность инфильтрации из бассейна:

где  - площадь дна бассейна.

В зависимости от состава пород в зоне аэрации величина инфильтрации может составлять 0.2 - 3 м/сут, т.е. при площади дна бассейна 5 тыс. кв.м расход инфильтрации может составлять 1 - 15 тыс. куб.м/сут.

Рис.6.8. Принципиальная схема системы искусственного пополнения с помощью инфильтрационных бассейнов

 Основная проблема эксплуатации инфильтрационных бассейнов - неизбежная кольматация отложений в дне бассейна, несмотря на специальную водоподготовку (снижение мутности до 5-20 мг/л). Выделяют три механизма кольматации:

механическая - образование поверхностного наилка на дне бассейна и задержка взвешенных частиц в порах придонного слоя (0.1 - 0.5 м) отложений зоны аэрации;

физико-химическая - за счет выпадения осадка в виде карбонатов и сульфатов кальция, гидроокислов железа и марганца и др.;

биологическая - за счет деятельности бактерий, развития планктона (сине-зеленых водорослей).  

В связи с развитием процессов кольматации скорость инфильтрации из бассейна довольно быстро снижается (рис.6.9) и через некоторое время работа бассейна становится малоэффективной. Длительность так называемого фильтроцикла составляет в разных условиях 3 - 6 месяцев (иногда более), после чего производится чистка бассейна путем механического удаления закольматированных донных отложений с последующей подсыпкой фильтрующей гравийно-песчаной смеси. На период чистки в работу запускается резервный бассейн.

С целью более длительного сохранения фильтрующей способности донных отложений производится высадка в бассейнах водной растительности (камыш, рагоз и др.). При этом дополнительно улучшается очистка воды; так, например, камыш не только разрыхляет грунт дна, повышая его фильтрационные свойства, но и поглощает фенолы, хлор и др.

 

Рис.6.9. Изменение скорости инфильтрации из бассейнов во времени

 В связи с существованием слабопроницаемой пленки инфильтрация из бассейнов почти всегда имеет характер "дождевания" (аналогично фильтрации из несовершенной реки при отрыве уровня от подошвы экрана). Поэтому в расчетных схемах инфильтрационные бассейны следует рассматривать как граничные элементы с условием 2-го рода (заданный расход инфильтрации - с реальной динамикой во времени, либо в осредненных по времени величинах).

Интересный и практически важный вопрос - оценка эффективности ИПЗ, которую логично оценивать с помощью специального коэффициента:

,

где  - соответственно дебит водозабора без пополнения и при наличии пополнения;  - расход воды, поступающий из бассейнов в пласт.

Характерная схема водозаборного сооружения - линейный ряд скважин вдоль реки с параллельной системой инфильтрационных бассейнов. Если рассматривать линейную структуру потока (по ленте тока шириной 1 м - рис.6.8), то

где  - погонный водоотбор из эквивалентной траншеи с уровнем ;  - погонный расход инфильтрации из бассейнов.

Балансовая структура стационарного водоотбора без пополнения  (рис.6.10, 11).

Два варианта взаиморасположения водозабора и инфильтрационных бассейнов

1 вариант - инфильтрационные бассейны расположены за линией водозаборного ряда (рис.6.10).

Можно уверенно считать, что при подъеме уровней под бассейном величина естественного расхода  практически не изменится, так как область питания находится достаточно далеко и относительно небольшое повышение уровней не повлияет на величину инфильтрационного питания. Величина привлечения из реки тоже не изменится (), так как сохраняются отметки Hг и Hс (Hл). Поэтому при наличии ИПЗ:

Рис.6.10. Вариант 1

 2 вариант - инфильтрационные бассейны размещены между рекой и водозаборным рядом.

На рис.6.11 видно, что в этих условиях расход  также не меняется, но величина привлечения из реки совершенно очевидно изменится в связи с подъемом уровней между рекой и водозабором ().

Рис.6.11. Вариант 2

Поэтому уравнение баланса будет иметь вид . Чтобы оценить реальные значения χ в этих условиях, сделаем некоторые преобразования.

Во-первых, на разрезе видно, что .

Во-вторых, запишем выражения для всех расходов по формулам для линейной структуры потока (при этом используем схему с независимой проводимостью, хотя реально это, скорее всего, не так; однако, для студентов не должно составить затруднения переписать нижеследующие построения для схемы однородного по вертикали потока).

Экстремальные значения: при .

Для несовершенных рек в величины  следует добавить эквивалентную длину .

Вывод из рассмотренных вариантов очевиден: при проектировании систем ИПЗ следует стремиться расположить инфильтрационные сооружения так, чтобы их действие (сопровождающееся подъемом уровней под ними) минимально отражалось на уже сложившихся, действующих естественных источниках балансового обеспечения водоотбора.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://geo.web.ru/