ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84) 

часть 4 

документ является продолжением документа

ПОСОБИЕ по проектированию сооружений для забора подземных вод (к СНиП 2.04.02-84)  часть 3

14. НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ

Классификация насосных станций

14.1. Насосные станции на водозаборах подземных вод по условиям забора воды можно условно разделить на:

насосные станции для забора воды из скважин;

насосные станции на лучевых и горизонтальных водозаборах;

насосные станции на каптажах источников.

Различают также наземные, заглубленные и подземные насосные станции.

14.2. В зависимости от степени обеспечения подачи воды объекту водопроводные насосные станции, как элемент общей системы водопровода, подразделяются на три категории в соответствии с указаниями СНиП 2.04.02-84.

На системах искусственного пополнения запасов подземных вод для подачи воды на инфильтрационные сооружения или сооружения предварительной очистки используются конструкции водозаборов и насосных станций, применяемые для поверхностных источников, и в настоящем Пособии не рассматриваются.

Водоподъемное оборудование на водозаборах подземных вод

14.3. Для подъема воды используются:

насосы с погружными электродвигателями ЭЦВ;

насосы с трансмиссионным валом АТН и НА (насосы - в скважине или шахте, электродвигатели - над устьем скважины или полом насосной станции);

насосы горизонтальные центробежные.

Эрлифты из-за низкого коэффициента полезного действия, необходимости дополнительного углубления скважин для создания в них столба воды соответствующей высоты, обеспечения их компрессорами или постоянно сжатым воздухом со стороны в настоящее время в системах водоснабжения практически не применяются.

При эксплуатации высоконапорных водоносных горизонтов скважины могут самоизливаться, и поэтому оборудование их водоподъемными устройствами нередко не требуется на период сработки напора водоносного горизонта в допустимых пределах.

Насосы ЭЦВ

14.4. Насосы ЭЦВ могут применяться для оборудования скважин глубиной 10-300 м; их расходная характеристика имеет широкие пределы 4-375 м³/ч.

Насосные установки ЭЦВ предназначены для подачи воды с общей минерализацией (по сухому остатку) не более 1500 мг/л, содержащей не более 100 мг/л твердых механических примесей

В отдельных случаях допускается использование насосов для подачи воды с общей минерализацией до 2000 мг/л

Насосы ЭЦВ - одно - или многоступенчатые с вертикальным расположением вала работают с подпором (1-6 м), величина которого указывается в технической характеристике насоса каждой марки. Работа насоса без постоянного подпора ("всухую") не допускается, так как при этом происходит сгорание обмотки двигателя.

Насосы ЭЦВ могут работать в искривленных скважинах, в разнообразных гидрогеологических условиях, для них требуются минимальные размеры зданий (павильонов), в которых размещаются арматура напорных трубопроводов и станции управления.

Насосы АТН и НА

14.5. Насосы с трансмиссионным валом АТН и НА - многоступенчатые, применяются при глубинах до 100 м.

Производительность их 30-200 м³/ч.

Насосы АТН и НА устанавливаются в основном в наземных павильонах. Все типы насосных установок с трансмиссионным валом могут нормально работать в строго вертикальных скважинах, в которых отклонения от вертикали исключают прикасание насоса к стенам обсадных труб.

Указанные насосы предназначены для подачи воды общей минерализацией не более 2000 мг/л с температурой до 35 ⁰С. Содержание твердых механических примесей должно быть не более 1000 мг/л для установки НА и не более 5000 мг/л для установки АТН.

Наличие трансмиссионного вала большой длины и принудительной системы смазки подшипников вала усложняет условия эксплуатации этих насосов, поэтому наиболее целесообразно их применять для скважин небольшой глубины (30-40 м), в шахтных колодцах и водосборных колодцах горизонтальных и лучевых водозаборов.

Долголетняя практика эксплуатации этих насосов показала их надежность, но одновременно были установлены их недостатки.

Отклонения вала от центрального положения при длинной трансмиссионной передаче приводят к снижению КПД насосного агрегата до 20-25 %, хотя сам насосный узел обладает высоким КПД (88 %).

Горизонтальные центробежные насосы

14.6. На водозаборах подземных вод горизонтальные центробежные насосы применяются на каптажах, когда насосные станции расположены непосредственно у каптажной камеры или сборного резервуара, на горизонтальных и лучевых водозаборах и довольно редко для подъема воды из скважин в случаях, когда динамический уровень подземных вод находится в пределах высоты всасывания насосов (3-6 м) с учетом гидравлических потерь во всасывающем трубопроводе, или в случаях, когда обеспечена работа насосов "под заливом".

Заводом-изготовителем обычно гарантируется допустимая вакуумметрическая высота всасывания при определенной подаче и числе оборотов насоса, температуре воды до 20 "С и барометрическом давлении, равном 10 м вод. ст. Если насос предполагается использовать при условиях, отличающихся от паспортных данных, то новая допустимая для него высота всасывания должна быть пересчитана.

Диапазон производительности выпускаемых в СССР горизонтальных насосов очень широк - от 2 до 12500 м³/ч, напор насосов разных марок, с разным числом оборотов - от 15 до 700 м; на водозаборах применяют обычно насосы с напором 15-60 м.

Горизонтальные центробежные насосы позволяют изменять производительность, напор, мощность двигателей путем обточки колес в пределах 5-15 % (в зависимости от коэффициента быстроходности колеса) или изменения числа оборотов насосов.

Насосы, как правило, устанавливаются из расчета их работы "под заливом", что упрощает автоматизацию их управления при эксплуатации. В случае установки насосов не "под залив", в станции для запуска насосов устанавливаются вакуум-насосы и вакуум-котлы. В насосных станциях III категории допускается установка приемных клапанов на всасывающем трубопроводе диаметром до 200 мм,

Определение производительности и подбор насосов

14.7. При конкретном подборе насосов следует руководствоваться номенклатурой, фактически выпускаемой промышленностью на год проектирования.

14.8. Общая производительность насосных станций на водозаборах подземных вод зависит от потребности в воде, схемы водоснабжения объекта, возможностей водоисточника.

14.9. В случаях, когда водоснабжение является и противопожарным, производительность насосных станций должна учитывать возможность восстановления пожарного объема воды в резервуарах и во всех случаях восстановления дополнительного аварийного объема, предусматриваемого на время ликвидации аварии при подаче воды в резервуары по одному водоводу, с учетом указаний п. 14.15.

14.10. При подаче воды из водоисточника непосредственно в сеть потребителя при отсутствии других источников питания сети общая

рабочая производительность насосных станций на скважинах (или каптажах) должна обеспечивать наибольший часовой расход в дни максимального водопотребления (рассчитывается по СНиП 2.04.02- 84), а также расход воды на пожаротушение.

14.11. При подаче воды в емкость производительность определяется исходя из принятого режима работы насосов и величины регулирующего объема емкости. В этом случае группа насосных станций над скважинами рассматривается как единая насосная станция с числом насосов, равным количеству рабочих скважин на водозаборе. При наличии в емкости регулирующего объема подача из водозабора наибольшего часового расхода воды не требуется.

14.12. В большинстве случаев, особенно при значительном удалении водозабора от потребителя, выгодна равномерная работа насосов, однако режим работы насосов следует уточнять на основании технико-экономического сопоставления вариантов.

14.13. Наряду с рабочими насосными станциями на скважинах должны быть резервные станции по числу резервных скважин.

14.14. В насосных станциях на каптажах, горизонтальных и лучевых водозаборах должны быть резервные насосы. Число их устанавливается в зависимости от категории обеспечения подачи воды потребителю согласно разд. 7 СНиП 2.04.02-84.

14.15. Учитывая, что на период восстановления пожарного объема воды в резервуарах допускается по СНиП 2.04.02-84 снижение подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды до 70 % расчетного расхода и на производственные нужды по аварийному графику, возможно на это время предусматривать использование на водозаборах резервных скважин.

14.16. Насосное оборудование выбирается на основе гидравлического расчета, учитывающего совместно гидрогеологические условия, характеристику насосов и работу трубопроводов. В результате расчета должны быть также установлены условия работы насосов:

положение рабочих точек, необходимость дросселирования напора затвором или целесообразность снятия рабочих колес погружных насосов по согласованию с заводом-изготовителем.

14.17. Необходимый напор у насосов определяется обычным путем. Он слагается из геометрической высоты подъема воды, гидравлических потерь в водоподъемной трубе насосной станции и напорном сборном трубопроводе.

Высота геометрического подъема воды исчисляется от динамического уровня воды в скважине до максимального уровня воды в сборном резервуаре или в месте подачи воды на станцию очистки или в резервуар башни. При подаче воды в промежуточный участок сборного напорного трубопровода - от динамического уровня воды в скважине до пьезометрической отметки в точке примыкания к водоводу. При непосредственной подаче воды из скважины в сеть потребителя высота геометрического подъема определяется от динамического уровня воды в скважине до отметки в месте примыкания к сети плюс необходимый свободный напор в этом месте. При подаче воды в самотечные сборные водоводы высота подъема определяется от динамического уровня в скважине до места излива в водовод.

Гидравлические потери в водоподъемной трубе и насосной станции определяются расчетом.

14.18. При подборе насосов для группы скважин следует всегда стремиться к их однотипности, что значительно облегчает условия эксплуатации и комплектацию оборудования.

14.19. В сложных гидрогеологических условиях, когда при одинаковых понижениях уровня воды в скважинах дебиты их различные или, когда при одинаковых дебитах различны понижения, насосы следует подбирать индивидуально по каждой скважине.

14.20. При оборудовании скважин горизонтальными центробежными насосами помимо напорно-расходной характеристики следует учитывать и высоту всасывания насосов.

14.21. При оборудовании скважин на самоизлив в условиях постепенной сработки напора в водоносном горизонте следует предусматривать в дальнейшем возможность установки в скважинах центробежных насосов (ЭЦВ и др.).

14.22. Насосное оборудование на горизонтальных и лучевых водозаборах и каптажах водоисточников выбирается исходя из производительности водозабора, категории обеспечения подачи воды потребителю, условий компоновки и заглубления станции.

Насосные станции для забора воды из скважин

14.23. Над устьем водозаборных скважин устраиваются павильоны, предназначающиеся для размещения оголовка скважины, электродвигателя погружного насоса с трансмиссионным валом или горизонтального центробежного насоса, если скважины оборудуются этими типами насосов, приборов отопления, пусковой, контрольно-измерительной аппаратуры и приборов автоматики, а также части напорного трубопровода, на котором устанавливаются задвижки, обратный клапан, вантуз, пробно-спускной кран для отбора проб и трубопровод промывной воды с задвижкой, необходимой для сброса воды при пуске и промывке скважины.

14.24. Павильоны над скважинами могут быть наземными или подземными и приниматься, как правило, по типовым проектам института Союзгипроводхоз, редко - по индивидуальным проектам.

14.25. Подземные павильоны строятся обычно в сухих грунтах

при оборудовании скважин насосами ЭЦВ. При установке насосов АТН и НА с двигателями над устьем скважины применяют, как правило, наземные павильоны. В тех случаях, когда водозаборные скважины располагаются на затапливаемых паводковыми водами поймах рек, павильоны строятся на подсыпке или под защитой дамб обвалования высотой, превышающей расчетный паводковый горизонт. Поверхность защитного обвалования укрепляется от размыва.

14.28. При оборудовании скважин горизонтальными насосами павильоны могут быть наземными или, при необходимости сокращения высоты всасывания, заглубленными при условии технико-экономического сравнения с насосными станциями, предусматривающими применение насосов ЭЦВ.

14.27. Напорные линии насосных станций оборудуются устройствами по замеру расходов воды, а также, если требуется, устройствами по защите водоводов от гидравлических ударов.

Схемы оборудования арматурой насосов и установки их в скважинах показаны на рис. 87.

Рис. 87. Схемы оборудования скважин насосами и арматурой

a - насосная установка с погружным электродвигателем; б - насосная установка с трансмиссионным валом; в - насосная установка с горизонтальным центробежным насосом; 1 - насос; 2 - электродвигатель; 3 - водоподъемная труба; 4 - оголовок скважины; 5 - вакуумметр; 7 - обратный клапан, 8 - задвижка; 9 - напорный трубопровод, 10 - вентиль; 11 - указатель движения воздуха; 12 - воздухопровод вакуум-установки, 13 - приемный клапан

14.28. Насосные станции должны проектироваться без постоянного обслуживающего персонала. Виды управления, объем автоматизации и технологического контроля принимаются в зависимости от категории обеспечения водоснабжения объекта в соответствии с разд. 13 СНиП 2.04.02-84.

Каждая насосная станция должна быть обеспечена связью (телефонной или радио). Для насосных станций над скважинами допускается предусматривать связь с помощью переносных телефонных аппаратов.

14.29. В качестве расходомеров применяются диафрагмы в комплекте с показывающим дифманометром или турбинные водомеры. Для продления срока службы турбинного водомера замеры расходов производят периодически, поэтому его следует устанавливать на обводных линиях в пределах павильона.

Для привода насоса ЭЦВ комплектно с ним поставляется станция управления с электродными датчиками уровней. Заводская схема станции управления обеспечивает работу погружного насоса в режиме автоматического или телемеханического управления. В соответствии с выбранной схемой насосная станция может работать одиночно или в группе в режиме автоматического управления с использованием различных командных датчиков.

Реле давления используется при работе насосных станций на водопроводную сеть или в регулирующую емкость.

Регулятор уровня используется в качестве командного датчика при работе насосной станции на подземный резервуар.

Насосные станции на горизонтальных и лучевых водозаборах и каптажах источников

14.30. На горизонтальных и лучевых водозаборах в зависимости от их производительности, условий залегания грунтовых вод и принятой схемы водозабора находят применение заглубленные насосные станции, реже наземные.

Заглубление подземной части насосной станции определяется условиями водозабора, типом и допустимой вакуумметрической высотой всасывания устанавливаемого насосного оборудования.

На горизонтальных и лучевых водозаборах насосные станции, как правило, совмещаются с водосборным колодцем.

При соответствующем обосновании допускается раздельная компоновка водосборного колодца и насосной станции.

Заглубленные насосные станции могут быть круглыми или прямоугольными в плане. Круглая форма более удобна при производстве работ опускным способом. Для оборудования насосных станций, совмещенных с водосборным колодцем, рекомендуется применять насосные установки ЭЦВ, АТН, НА.

14.31. Насосные станции на каптажах устраиваются непосредственно у каптажной камеры или у сборного резервуара.

Применяются в этих случаях наземные или заглубленные насосные станции по типовым проектам, разработанным институтом Харьковский Водоканалпроект, Мосгипротрансом и др., с горизонтальными центробежными насосами.

15. СБОРНЫЕ ВОДОВОДЫ И ЕМКОСТИ НА ВОДОЗАБОРАХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Схемы сборных водоводов

15.1. Сборные водоводы на водозаборах подземных вод предназначаются для транспортирования воды от водозаборных (каптажных) сооружений до сборных узлов (резервуаров или станций подготовки воды).

В отдельных случаях сборные водоводы присоединяются к магистральным водоводам или к внутриплощадочным сетям объектов водоснабжения.

Сборные водоводы могут быть напорными, самотечными, напорно-самотечными и сифонными (при применении сифонного водозабора).

15.2. Схемы сборных водоводов в плане весьма разнообразны и зависят от расположения водозаборных (каптажных) устройств и их оборудования, от расположения сборных узлов, морфологических, геологических и гидрогеологических условий, схемы подачи воды потребителю, категории обеспеченности подачи воды, общей емкости резервуаров в системе водоснабжения, материала применяемых труб и др.

Схемы сборных водоводов могут быть линейными (тупиковыми), кольцевыми и парными.

Линейные водоводы наиболее распространены и применяются как при линейных (рис. 88, 89), так и при площадных или кольцевых схемах расположения водозаборных сооружений (рис. 90).

Рис. 88. Схемы линейных (тупиковых) сборных водоводов при линейном расположении водозаборных сооружений и концевом расположении сборного узла

a - в одну нитку; б - в две нитки; в - в три нитки; 1 - водозаборы; 2 - сборные водоводы; 3 - сборный узел

Рис. 89. Схемы линейных (тупиковых) сборных водоводов при линейном расположении водозаборных сооружений и центральном расположении сборного узла

а - в две нитки; б - в три нитки; в - в четыре нитки 1 - водозаборы; 2 - сборные водоводы; 3 - сборный узел

Рис. 90. Схемы линейных (тупиковых) сборных водоводов при площадном (а) и кольцевом (б) расположении водозаборов

1 - водозаборы; 2 - сборные водоводы; 3 - сборный узел

Линейная схема в одну нитку (см. рис. 88) применяется только при концевом расположении сборного узла в случае, если допускаются перерывы в подаче воды потребителю или на узел емкостей хранения воды.

Наиболее часто проектируются линейные схемы в две и три нитки (см. рис. 88, 89, 90). При этих схемах в случае выхода из работы одной нитки на ремонт или при аварии обеспечивается подача воды на сборный узел по другим ниткам в размере 70 % расчетного расхода воды. Линейная схема в четыре нитки может быть целесообразной при центральном расположении сборного узла на линейных (рис. 89) и площадных (рис. 90) водозаборах.

Для уменьшения взаимного влияния на производительность параллельно работающих насосов в скважинах количество их присоединяемых к одной нитке напорных сборных водоводов ограничивается, что определяется расчетом (см. п. 15.6).

Для сифонных сборных водоводов применяются обычно схемы с центральным или близким к нему расположением сборного узла и линейными схемами водоводов в две - три - четыре нитки.

Кольцевые сборные водоводы могут применяться как при линейном, так и при кольцевых или площадных схемах расположения водозаборных сооружений (рис. 91).

Рис. 91. Схемы кольцевых сборных водоводов

а - при линейном расположении водозаборных сооружений и концевом расположении сборного узла; б - при линейном расположении водозаборных сооружений и центральном расположении сборного узла; в - при кольцевом расположении водозаборных сооружений; г - при площадном расположении водозаборных сооружений; 1 - водозаборы; 2 - сборные водоводы; 3 - задвижки; 4 - сборный узел

Парные сборные водоводы проектируются при большой производительности водозаборов и относительно коротких сборных водоводах (рис. 92).

Рис. 92. Схемы парных сборных водоводов

a - при концевом расположении сборного узла; б - при центральном расположении сборного узла; 1 - водозаборы; 2 - сборные водоводы; 3 - сборный узел

Сборные водоводы при их большой длине и большом количестве водозаборных сооружений целесообразно в ряде случаев подключать не к одному, а к двум и более сборным узлам, от которых по сборным водоводам насосной станцией второго подъема вода подается на центральный сборный узел и далее к потребителю. Такое решение применяется также при расширении водозаборов и проектировании сифонных водозаборов.

15.3. При выборе схемы сборных водоводов устанавливается положение сборного узла, который может быть концевым, центральным или близким к этим положениям. Расположение сборного узла зависит от местоположения потребителя по отношению к створу водозабора, а при самотечных сборных водоводах - также от рельефа местности по трассе. В зависимости от расположения сборного узла меняется в одном и том же случае длина сборных водоводов и водоводов от насосной станции второго подъема. Оптимальное решение находят технико-экономическим сравнением вариантов расположения сборного узла. Подсчетами определяют наименьшую протяженность и стоимость сборных водоводов и водоводов от насосной станции второго подъема, а также затраты энергии на подачу воды. Принимается вариант с меньшими приведенными затратами.

При значительном количестве скважин чаще применяется центральное или близкое к этому расположение сборного узла, при 3-8 скважинах - концевое.

Напорные сборные водоводы

15.4. Напорные сборные водоводы проектируются чаще, чем самотечные. Для устройства напорных водоводов применяются асбестоцементные, пластмассовые, напорные железобетонные, чугунные и стальные трубы. При выборе материала труб следует учитывать требования экономии металлических труб и коррозионные свойства воды.

Гидравлический расчет напорных сборных водоводов должен выполняться, как правило, с учетом характеристик насосов и скважин (дебита и понижения).

15.5. Выбор диаметров труб сборных водоводов надлежит производить на основании технико-экономических расчетов с учетом насосного оборудования на водозаборных скважинах.

Диаметры напорных водоводов во избежание большой разницы в напорах у водозаборных скважин, подключаемых к сборным водоводам в начале и конце сборной линии, ориентировочно можно принимать исходя из скорости движения воды в них 0,4-0,7 м/с для диаметров 100-400 мм и 0,7-1 м/с - для диаметров 500-1000 мм.

15.6. Линейные (тупиковые) сборные водоводы должны проектироваться по телескопической схеме с постепенным увеличением диаметров по мере подключения скважин.

Максимальное количество скважин, присоединяемых к одной нитке сборного водовода, определяется из условия, чтобы рабочие точки характеристики насосов не выходили за пределы области оптимальных КПД насосов, указанных в заводских характеристиках.

Кольцевые сборные водоводы, как правило, проектируются одного диаметра по всей длине кольца, обеспечивающего подачу 70 % расхода воды,

15.7. При гидравлическом расчете напорных водоводов в качестве рабочих принимаются скважины, наиболее удаленные от сборного узла.

Самотечные сборные водоводы

15.8. Самотечная система сборных водоводов применяется при сборе воды от каптажей или самоизливающихся скважин, в отдельных случаях от скважин, оборудованных насосными установками. Самотечные водоводы укладываются из безнапорных бетонных и железобетонных труб; водоводы малого диаметра (150-400 мм) допускается укладывать из асбестоцементных напорных и пластмассовых труб. При насосной подаче воды из водозаборных сооружений в самотечную сборную сеть работа каждой насосной станции не зависит от работы других насосных станций и может быть отрегулирована в зависимости от производительности скважины и насосного оборудования,

Такая система позволяет не ограничивать количество скважин, присоединяемых к одной нитке сборной сети. Практически это количество предопределяется рельефом местности, условиями трассировки и оптимальной длиной трубопроводов от скважин.

Недостатком безнапорных сборных водоводов является возможность проникания в них загрязненных вод через неплотности в стыках труб и у колодцев,

15.9. Самотечные сборные водоводы, как и напорные, следует принимать телескопического вида с соединением труб различного диаметра при переходе от малого диаметра к большому по способу "шелыга в шелыгу", а от большего диаметра к меньшему (в случае изменения уклонов с малого на большой) - "лоток в лоток".

Смотровые колодцы следует устраивать в начале и в конце самотечного сборного водовода и в местах изменения диаметра труб и направления трассы.

На прямолинейных участках смотровые колодцы в зависимости от диаметра труб допускается устраивать на расстоянии 100-500 м.

15.10. Гидравлический расчет самотечных сборных водоводов имеет целью определить для заданных расходов воды и уклонов водоводов минимальный диаметр труб или размеры каналов при их максимально допустимом наполнении.

Гидравлический расчет производится по таблицам для расчета самотечных канализационных трубопроводов и каналов. В случае если сечение сборного трубопровода или канала отсутствует в таблицах, расчет производится по формулам, приведенным в гидравлических справочниках, с учетом указанных в них коэффициентов шероховатости.

Расчеты выполняются методом подбора: имея, как правило, заданный расход, по таблицам подбирают диаметр водовода, его уклон и наполнение.

15.11. В условиях пересеченной местности, когда трассировка самотечных водоводов на всем протяжении может оказаться экономически невыгодной из-за больших заглублений, применяются самотечно-напорные водоводы.

Схема самотечно-напорного водовода показана на рис. 93. Длина напорного участка водовода определяется путем построения пьезометрической линии от перевальной точки до сборного резервуара. При построении пьезометрической линии учитываются также потери напора на излив в резервуар или концевой колодец, принимаемые равными 1-2 м. Головной и концевой колодцы напорного участка оборудуются вентиляционными трубами (в необходимых случаях - с фильтрами).

Рис. 93. Схема самотечно-напорного водовода

1 - участки самотечного водовода; 2 - участки напорного водовода; 3 - участки с переменным режимом; 4 - пьезометрическая линия при расчетном расходе воды; 5 - пьезометрическая линия при отсутствии расхода воды; 6 - головной колодец напорного участка; 7 - головной колодец самотечного участка; 8 - сборный резервуар

Сифонные сборные водоводы

15.12. Сифонные сборные водоводы обычно применяются на водозаборах с уровнем подземных вод не глубже 5-8 м от поверхности земли и часто проектируются в системах береговых (инфильтрационных) водозаборов.

15.13. Работа сифонного водовода обеспечивается за счет разности уровней воды Н, находящейся под атмосферным давлением, в головной и концевой части сифона (рис. 94).

Рис. 94. Схема сифонного водовода

1 - скважины; 2 - приемный или сборный резервуар; 3 - сборный сифонный трубопровод; 4 - пьезометрическая линия

Практически допустимый вакуум h_вак в сифонном водоводе не должен превышать 7-7,5 м вод. ст. с учетом положения сифона над уровнем моря.

Величина вакуума в любом сечении сифона определяется по формуле

,

где z - высота центра сечения сифона над уровнем воды в наиболее удаленной скважине, м; _n - скорость движения воды в сечении п-п, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с²; - сумма потерь напора по длине сифона и на местные сопротивления, м.

При известном расходе воды и действующем напоре Н гидравлический расчет сифонного водовода ведут подбором, задаваясь диаметрами труб.

15.14. Сифонные сборные водоводы устраиваются, как правило, из стальных или пластмассовых труб, обеспечивающих наибольшую герметичность водоводов.

15.15. Зарядку сифонных водоводов обычно производят вакуум-насосами.

В сифонных водоводах выделяется примерно 40-60 % растворенных газов. Кроме того, в сифонный водовод попадает воздух через неплотности стыковых соединений труб и арматуры, и в нем могут выделяться пары воды.

Общее количество выделившегося воздуха или газов, которое нужно удалять из сифона во время его работы, можно принимать около 0,3-0,4 л/с на каждые 1000 м воды/сут (при атмосферном давлении).

Производительность вакуум-насосов определяется также по времени начальной зарядки сифонной системы, которое должно быть от нескольких минут до получаса.

15.16. Сифонные водоводы прокладываются обычно с небольшим подъемом к сборному узлу с уклоном 0,005-0,002. При сифонах длиной в несколько километров (известны сифоны длиной до 7 км) допускается уменьшать подъем до 0,001-0,00025. Для уменьшения потерь напора по длине сифонного водовода скорости воды в нем при прокладке с подъемом можно снижать до 0,3 м/с. При прокладке с понижением по течению воды скорости не должны быть менее 0,6-0,7 м/с (при работе сифона полным сечением).

В точках отсоса воздуха с помощью вакуум-насосов целесообразно иметь воздушные колпаки или вакуум-котел. Объем воздушного колпака принимается на 3-5 мин работы вакуум-насоса.

15.17. Регулирование расхода воды в сифонной системе осуществляется регулированием работы насосов, забирающих воду, или при дальнейшем самотечном отводе воды - с помощью задвижек.

15.18. В некоторых случаях применяются сифонно-напорные системы водоводов (рис. 95).

Рис. 95. Схема сифонно-напорного водовода

1 - скважины; 2 - сифонные участки водовода; 3-напорный участок водовода; 4 - сборный резервуар; .5-вакуум-насосные станции; 6- пьезометрическая линия; 7-горизонтальная плоскость отсчета

Для водозаборов, расположенных на небольшом расстоянии, применяют иногда системы всасывающих водоводов, подключаемых к всасывающим патрубкам насосов.

Сборные емкости

15.19. На сборных узлах водозаборов подземных вод предусматриваются, как правило, сборные емкости, которые в необходимых случаях могут служить также для хранения пожарных и аварийных объемов воды.

Емкости могут быть напорными (нагорные резервуары, водонапорные башни) и безнапорными (резервуары), из которых вода должна перекачиваться насосами.

Открытые водоемы на водозаборах подземных вод не применяются во избежание загрязнения воды.

В некоторых случаях, например при подаче воды из скважин непосредственно в сеть населенного пункта или промышленного предприятия и при самотечных сборных водоводах, подающих воду в самотечные или самотечно-напорные магистральные водоводы, сборные емкости не предусматриваются.

15.20. Оборудование емкостей, а также расчет пожарных, регулирующих, аварийных объемов воды выполняется в соответствии с указаниями разд. 9 СНиП 2.04.02-84,

16. ОПРОБОВАНИЕ ВОДОЗАБОРОВ. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА РАБОТОЙ ВОДОЗАБОРОВ И РЕЖИМОМ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

16.1. В проектах сооружений по забору подземных вод должны быть даны специальные указания об опробовании водозаборов.

16.2. При опробовании водозаборов предусматривается:

опробование в процессе строительства водозабора каждого его водозахватного сооружения в отдельности (скважины, шахтного колодца, ветви-дрены горизонтального водозабора, скважины-луча лучевого водозабора) по мере окончания его строительства;

опробование водозабора в целом или первой его очереди после полного окончания строительства всего комплекса сооружений (полного состава водозахватных устройств, сборных и транспортных водоводов, водоподъемного оборудования, насосных станций, контрольно-измерительной аппаратуры, сети пунктов наблюдении за режимом подземных вод) для сдачи-приема его в постоянную эксплуатацию.

16.3. Опробование водозаборов в целом или первой их очереди производится, как правило, на крупных водозаборах подземных вод. Опробование и сдачу-прием водозабора в эксплуатацию производят организация, построившая водозабор (подрядчик), и организация, принимающая водозабор в эксплуатацию (заказчик), с участием проектной организации.

Опробование водозахватных сооружений

16.4. При сооружении водозабора подземных вод из скважин каждая скважина по окончании ее бурения и оборудования фильтром подлежит опробованию откачкой воды из нее. Вначале с целью очистки скважины и проверки надежности фильтра производится прокачка скважины.

Если длина рабочей части фильтра достигает 12-15 м, прокачку следует проводить отдельно из нижнего и верхнего интервалов рабочей части фильтра; если длина рабочей части фильтра более 15 м, прокачку выполняют из каждого 5-7-метрового интервала. Откачиваемая вода должна отводиться от скважины на расстояние, исключающее фильтрацию в водоносный горизонт, в районе скважины.

Продолжительность прокачки - до полного осветления поступающей из скважины воды. После этого производится опытная откачка с замерами дебита скважины, уровня воды в ней и отбором проб на бактериологический и химический анализы.

Цель опытной откачки - проверка соответствия фактических величин дебита и понижения уровня проектным, оценка качества воды.

16.5. Опытная откачка производится на два понижения - на одном с дебитом, равным принятому в проекте, на другом - на 25--30 % больше принятого в проекте. Продолжительность опытной откачки с заданными дебитами (при непрерывности откачки) составляет 1-2 сут при установившемся неизменном динамическом уровне воды в скважине.

В условиях неустановившегося режима фильтрации продолжительность опытных откачек должна быть достаточной для установления закономерности снижения уровня при постоянном дебите или дебита при постоянном уровне воды в скважине. Пробы воды на анализы следует отбирать перед окончанием откачки на каждое понижение.

В трещиноватых скальных и гравийно-галечниковых водоносных породах откачку следует начинать с максимального понижения, в песчаных породах - с минимального понижения, постепенно увеличивая дебит.

При откачке из скважин, оборудованных фильтром с обсыпкой, один раз в сутки следует замерять величину усадки материала обсыпки.

Измерение температуры воды, отбор проб воды и их доставка в лабораторию для последующего анализа выполняются силами организации, проводящей бурение водозаборных скважин, в соответствии с ГОСТ 2761-84, ГОСТ 4979-49** и по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы. В соответствии с указанием Госстроя СССР эти работы, а также стоимость анализов воды, оплачиваются буровой организацией.

16.6. Если при откачке из карбонатных пород проектный дебит не был достигнут, целесообразно провести обработку скважины соляной кислотой или применить другие методы увеличения производительности скважины (торпедирование и т. п.).

16.7. При сооружении водозабора из шахтных колодцев опробование каждого колодца производится так же, как и скважины.

16.8. На горизонтальных водозаборах с одной или несколькими ветвями-дренами производится опробование каждой ветви по мере ее готовности и готовности водосборного колодца, монтажа насосного оборудования в нем и водоводов. При неготовности последних опробование можно вести со сбросом воды в водоток, водоем. Цель опробования - проверка надежности фильтра, отсутствия осаждения частиц породы в водозахватной или водопроводящей частях дрены (что контролируется по смотровым колодцам), определение производительности дрен и качества воды. Опробование ведется непрерывно, начиная с минимального понижения воды в водосборном колодце, с постоянным, медленным по мере осветления воды, доведением его до максимального, которому соответствует незатопленный излив воды из дрены в колодец.

Продолжительность опробования дрены при максимальном понижении - не менее одной рабочей смены.

16.9. При сооружении лучевых водозаборов необходимо вести опробование каждой скважины-луча отдельно с той же целью и так же, как и отдельных дрен на горизонтальных водозаборах.

16.10. Результаты опробования каждого водозахватного сооружения должны быть оформлены в виде паспорта с указанием в нем глубины заложения сооружения, геолого-технического разреза, конструкции фильтра и его водоприемной поверхности, данных о дебите, понижениях уровня при опытных откачках, содержании в воде минеральных частиц, химическом и бактериологическом составе воды.

Паспорт должен быть подписан подрядчиком и заказчиком.

Опробование водозаборов в целом

16.11. Опробование водозабора в целом (или первой его очереди) производится перед вводом водозабора в постоянную эксплуатацию и имеет целью проверку работы всей системы водопровода от совместной работы всех (или группы первой очереди) водозахватных устройств до конечных сооружений на линии подачи воды потребителю.

16.12. При необходимости для опробования водозабора и ввода его в эксплуатацию привлекается наладочная организация.

16.13. Опробование и сдача водозабора (или первой его очереди) в эксплуатацию должны быть предусмотрены в проекте и выполняться по специальной программе, составляемой проектной организацией.

В программе должны быть указаны (исходя из гидрогеологических условий участка размещения водозабора, типа водозабора и конструктивных его особенностей) состав наблюдений при опробовании, частота наблюдений, продолжительность опробования.

16.14. Результаты опробования водозабора должны быть представлены в виде отчета, содержащего краткую гидрогеологическую характеристику участка водозабора, план водозабора, краткое описание его сооружений, фактические данные опробования и наблюдений, рекомендации по режиму эксплуатации водозабора.

16.15. В процессе откачки буровая организация должна замерять температуру воды и по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы в соответствии с ГОСТ 2761-84 и 4979-49** организовать отбор проб и доставку их в лабораторию для определения микробиологических, токсикологических, органолептических показателей и химического состава воды, определяемых требованиями ГОСТ 2874-82.

Согласно разъяснению Госстроя СССР, указанные работы оплачиваются буровой организацией за счет ее накладных расходов.

При стабильном составе воды эксплуатируемого водоносного горизонта по согласованию с республиканскими, краевыми или областными организациями санитарно-эпидемиологической службы допускается сокращение количества отбираемых проб и определяемых компонентов.

При наличии в воде компонентов, содержание которых превышает или приближается к предельно допустимой концентрации (ПДК), в процессе откачки следует предусмотреть отбор дополнительного количества проб воды для определения этих компонентов.

Наблюдения за работой водозаборов и режимом подземных вод при эксплуатации

16.16. На водозаборах подземных вод в течение всего периода их эксплуатации должны проводиться наблюдения за режимом уровней, температуры, химического состава подземных вод и за дебитом водозабора.

Целью режимных наблюдений являются:

а) выявление характера изменения естественного режима подземных вод под влиянием водоотбора;

б) определение оптимального режима эксплуатации водозабора;

в) своевременное предупреждение возможного ухудшения качества подземных вод на участке водозабора;

г) оценка влияния эксплуатации водозабора на существующие водозаборы подземных вод, а также на поверхностные водные источники и экономические условия данного района;

д) накопление опыта эксплуатации сооружений по забору подземных вод в различных гидрогеологических условиях и решение вопросов, связанных с расширением водоснабжения в данном районе и сооружением новых водозаборов в аналогичных гидрогеологических условиях.

16.17. В соответствии с Водными кодексами союзных республик, "Положением об охране подземных вод" и СНиП 2.04.02-84 водозаборные скважины должны быть оборудованы устройствами для систематических наблюдений за уровнем и дебитом воды в каждой скважине, должна быть также создана сеть наблюдательных скважин на прилегающей территории, водомерные посты на выходах подземных вод на поверхность, на водотоках и водоемах, связанных с эксплуатируемым водоносным горизонтом.

Строительство режимной сети и наблюдения по ней ведутся за счет средств владельца водозабора.

16.18. Наблюдения должны быть начаты до ввода водозабора в эксплуатацию, с тем чтобы иметь данные о режиме уровней воды, не нарушенном работой водозабора. Они ведутся по программе, согласованной с территориальной гидрорежимной партией Министерства геологии СССР и под ее методическим руководством и. контролем. При проектировании наблюдательной сети следует максимально использовать выработки, пройденные при разведке подземных вод, а также аварийные скважины при бурении водозаборных скважин.

16.19. Схема расположения наблюдательных пунктов, их количество, конструкция и частота наблюдений определяются типом подземных вод, условиями питания водоносного горизонта, санитарным состоянием участка, схемой и конструкцией водозабора и режимом его эксплуатации.

16.20. На водозаборах, состоящих из ряда скважин, шахтных колодцев, и на горизонтальных водозаборах (дрены, галереи) наблюдательные скважины в пределах водозабора и в зоне его влияния целесообразно располагать по поперечникам перпендикулярно линии водозабора из расчета 1-2 поперечника на 1 км фронта водозабора. При значительной длине водозабора (более 5 км) расстояние между поперечниками может быть увеличено до 2-3 км. Одна из наблюдательных скважин на каждом поперечнике должна приходиться на линию водозабора и располагаться между эксплуатационными скважинами. Шаг между наблюдательными скважинами на поперечнике назначается в зависимости от морфологии участка водозабора, мощности эксплуатируемого водоносного горизонта, производительности водозабора, ширины зоны его влияния.

16.21. В долинах рек наблюдательные скважины вблизи русла реки располагаются более часто. При ширине русла реки до 100 м, а также при невысокой водопроницаемости ее донных отложений и при большей его ширине наблюдательные скважины размещаются и на противоположном берегу реки.

16.22. На водозаборах, состоящих из группы любым образом расположенных взаимодействующих скважин, наблюдательные скважины следует размещать между эксплуатационными скважинами и в зоне влияния водозабора. На лучевых водозаборах наблюдательные скважины следует располагать вдоль отдельных лучей водозабора и на площади в зоне влияния водозабора.

16.23. При наличии в районе водозабора очагов возможного загрязнения подземных вод наблюдательные скважины располагаются по линиям от очага к водозабору.

16.24. Для выявления взаимосвязи эксплуатируемого водоносного горизонта с верхним или нижним водоносными горизонтами последние также включаются в режимные наблюдения по специальным скважинам как на участке водозабора, так и в зоне его влияния.

16.25. Конструкции скважин для наблюдений за режимом того или иного водоносного горизонта должны надежно исключать влияние на результаты наблюдений других водоносных горизонтов, а также дождевых и талых вод.

16.26. Диаметры фильтров должны быть не менее 89-110 мм из расчета производства в них измерений уровня, температуры, отбора проб воды и чистки скважин.

16.27. Глубину наблюдательных скважин режимной сети следует принимать:

в водоносном горизонте со свободной поверхностью (безнапорном) при глубине эксплуатационных скважин до 15 м-той же глубины, что и глубина эксплуатационных скважин;

в водоносном горизонте со свободной поверхностью при глубине эксплуатационных скважин более 15 м глубина наблюдательной скважины ограничивается положением верха рабочей части ее фильтра на ²/₃ м ниже возможного наинизшего динамического уровня воды в водоносном горизонте с учетом длины рабочей части фильтра и отстойника;

в напорных водоносных горизонтах при динамическом уровне выше их кровли рабочая часть фильтра наблюдательных скважин должна располагаться в верхней части водоносного горизонта; при частичном осушении пласта верх фильтра наблюдательной скважины должен быть на 2-3 м ниже динамического уровня воды в водоносном горизонте;

в водоносных безнапорных пластах, эксплуатация которых рассчитана на сработку статических запасов, верх рабочей части фильтра должен быть на 2-3 м ниже положения динамического уровня воды в водоносном пласте к концу расчетного срока эксплуатации водозабора; при значительной величине сработки уровня, медленном и длительном его снижении, измеряемом десятками лет, глубину скважин сети режимных наблюдений можно назначить соответственно глубине сработки уровня за определенный период времени, с последующим углублением скважин или бурением новых.

16.28. На участках размещения водозаборов из шахтных колодцев, горизонтальных и лучевых водозаборов, глубину скважин сети режимных наблюдений следует принимать равной глубине заложения водоприемных частей этих водозаборов, а верх фильтра наблюдательных скважин должен быть на 2-3 м ниже динамического уровня воды в водоносном горизонте.

16.29. Для предохранения наблюдательных скважин от засорения верх фильтровой колонны или обсадной трубы должен быть закрыт крышкой на специальном замке.

16.30. Все пункты сети наблюдений за режимом подземных и поверхностных вод на участках водозабора должны быть привязаны инструментально в плановом и высотном отношении и нанесены на топографический план. Точки, от которых производятся замеры уровня воды, должны быть занивелированы; высотное положение их должно периодически проверяться.

16.31. Проект сета пунктов наблюдений за режимом подземных вод и связанных с ними поверхностных вод на участках водозаборов при их эксплуатации составляется одновременно с проектом водозабора, является составной его частью и осуществляется одновременно со строительством водозабора.

16.32. Проект сети пунктов наблюдений с учетом общих положений, изложенных в пп. 16.13-16.27, должен содержать в каждом конкретном случае:

план размещения пунктов сети наблюдений (на общем плане водозаборных сооружений);

конструкции каждого пункта (или каждой одинаковой по назначению группы пунктов) наблюдений;

краткую инструкцию по производству наблюдений (объекты наблюдений, частота, методика);

форму журнала наблюдений;

форму ежегодного отчета о результатах наблюдений за эксплуатацией водозабора, режимом эксплуатируемого водоносного горизонта и других объектов наблюдений;

указания о представлении ежегодных отчетов территориальным организациям Мингео СССР.

17. СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Общие положения

17.1. Проектирование водозаборных сооружений при использовании в качестве источника водоснабжения подземных вод должно сопровождаться технико-экономическими расчетами и обоснованием намечаемого к строительству водозабора по технико-экономическим показателям. Такие расчеты выполняются на разных этапах проектирования:

а) при выборе источника водоснабжения в результате технико-экономического сопоставления устанавливаются целесообразность использования подземных вод и их преимущества в технико-экономическом отношении перед открытыми водными источниками (реками, водохранилищами и т. д.).

Подземные воды по сравнению с поверхностными обычно обладают лучшим и более устойчивым качеством. Однако при значительном водопотреблении и особенно в сложных гидрогеологических условиях, когда для добычи подземных вод необходимы громоздкие дорогостоящие сооружения, а иногда и проведение специальных мероприятий (например, искусственное восполнение запасов подземных вод), выбор источника не может быть сделан без соответствующих технико-экономических расчетов и обоснования;

б) технико-экономические расчеты при сравнительной оценке целесообразности использования подземных вод на разных участках одного водоносного горизонта или разных горизонтов. Необходимость рассмотрения нескольких участков одного водоносного горизонта или разных горизонтов может возникнуть в связи с различными гидрогеологическими их параметрами. Например, участок с лучшими параметрами, (более водообильный горизонт) может оказаться на значительном удалении от потребителя. Определяющим фактором может также явиться наличие источников загрязнения подземных" вод на тех или иных участках и необходимость проведения в связи с этим специальных мероприятий по защите подземных вод и водозаборов от загрязнения или мероприятий по очистке воды.

Хотя общие запасы подземных вод на рассматриваемых участках и в каждом горизонте достаточны, решение вопроса о размещении водозабора в этих случаях требует технико-экономического обоснования.

Для каждого участка подземных вод возникают задачи выбора типа водозабора, расположения скважин, схем сборных водоводов, дорог, электролиний, линий связи, установления размера отчуждении земельных площадей, ценности сельскохозяйственных культур, объемов сноса и переноса сооружений и др.;

в) выбор рационального варианта водозабора на принятом и установленном предыдущими проектными проработками участка. На данном этапе решается вопрос о типе водозабора (вертикальные скважины, лучевые водозаборы, горизонтальные сооружения и т. п.). Для выбора рационального типа водозабора нужны технико-экономические сопоставления. Применительно к выбранному типу рассматриваются различные схемы расположения отдельных водозаборов, расстояние между ними, режим откачки и т. д.

17.2. В соответствии с "Инструкцией по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство" (СН 423-71) сравнительная экономическая эффективность при сопоставлении вариантов тех или иных технических решений устанавливается по минимуму так называемых приведенных затрат.

Приведенные затраты П представляют собой сумму текущих издержек (эксплуатационных расходов) и единовременных затрат (капитальных вложений), приведенных к годовой размерности в соответствии с установленным нормативным коэффициентом эффективности

П = C+E_нK = min, (169)

где С - текущие издержки или эксплуатационные расходы; К - единовременные затраты или капитальные вложения; Е_н - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, принимаемый равным 0,15.

Указанные величины П, С, К относятся к i-му варианту (i = 1, 2,..., п - общее число рассматриваемых вариантов), причем они могут рассчитываться как полная сумма капитальных вложений и годовых эксплуатационных расходов, так и в виде удельных показателей, отнесенных к 1 м³ воды.

Разность приведенных затрат по двум вариантам характеризует годовой экономический эффект Э, получаемый в результате замены одного варианта другим:

Э = П₁-П₂. (170)

При исчислении приведенных затрат по удельным показателям годовой экономический эффект

Э = (П₁-П₂)А, (171)

где А - годовой объем воды (при исчислении П₁ и П₂ в удельных показателях).

17.3. В случаях когда по сравниваемым вариантам капитальные вложения производятся в разные сроки или текущие затраты со временем изменяются, сравнение вариантов следует выполнять с приведением затрат более поздних лет к некоторому выбранному базисному году П_пр по формуле

П_пр = П_t l/(l+Е_нп)^t, (172)

где П_t - затраты в t-м году; Е_н.п - норматив для приведения разновременных затрат, обычно принимаемый равным 0,08; t - период времени приведения, годы.

Общие капитальные затраты за ряд лет строительства К_т при различных вложениях по годам определяются по формуле

, (173)

где К_t - капитальные затраты в году t после базисного; Т - период капитальных вложений.

17.4. При сравнении вариантов, различающихся продолжительностью строительства или вводом мощностей в различные периоды, определяется также одновременный экономический эффект в виде дополнительной прибыли, полученной за период досрочного ввода объектов.

Величина эффекта Э_в, реализуемого в соответствующей отрасли народного хозяйства, получаемого за период досрочного ввода объекта, определяется по формуле

Э_в = П_р(Т₁-Т₂), (174)

где П_р - среднегодовая прибыль за период досрочного ввода в действие; Т₁ и Т₂ - продолжительность строительства по сравниваемым вариантам в годах.

В случае отсутствия данных, необходимых для расчета прибыли, допускается определение экономического эффекта по формуле

Э_в = Е_нФ(Т₁-Т₂), (175)

где Е_н - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Ф - стоимость производственных фондов, досрочно введенных в эксплуатацию.

Исходные уравнения и зависимости для технико-экономического расчета водозаборов подземных вод

17.5. Детальность технико-экономических расчетов зависит от стадии проектирования. При этом технико-экономические показатели определяются на основе сметно-финансовых расчетов, выполняемых при проектных проработках, а при схематическом представлении вариантов - по справочным данным с использованием инструктивно-нормативных материалов. При технико-экономической оценке и сравнении вариантов водозаборных сооружений на подземных источниках следует учитывать лишь те затраты, которые существенно изменяются в зависимости от принимаемой схемы водозабора.

17.6. К числу таких затрат прежде всего относятся капитальные вложения К, включающие в себя следующие расходы:

на строительство и оборудование водозаборных узлов (скважин) К₁,

на строительство отводящих и сборных водоводов К₂;

на сооружение коммуникаций, линий электроснабжения, зон санитарной охраны, снос строений и т. д. - К₃.

При этом:

К = К₁+К₂+К₃; (176)

К₁ = пК°; К₂ = К₃ = К^Дl_k,

где п - количество водозаборных узлов (скважин); К⁰ - стоимость сооружения и оборудования одной скважины; n_o - количество участков водовода с различными характеристиками (диаметром, расходом, материалом); К - стоимость прокладки 1 м водовода на j-м участке длиной l_j, и диаметром D_j; приближенно она может быть рассчитана по формуле

К = , (177)

где b_о, b, - некоторые коэффициенты, численные значения которых приведены в табл. 44 (здесь К измеряется в рублях, а диаметр - в м); К^Д - затраты по сооружению коммуникаций, дорог и т. д., приходящиеся на 1 м протяженности водозабора; l_к - протяженность коммуникаций в пределах водозаборного участка.

Почти совершенно не влияют на выбор рациональной схемы водозаборного сооружения капитальные затраты по строительству магистральных трубопроводов, соединяющих водозабор с потребителем, внешней подводящей электролинии, насосных станций второго подъема, сборных и резервных резервуаров, хлораторных, станций обезжелезивания и т. п.

17.7. Эксплуатационные расходы Э по водозабору слагаются из:

расходов на оплату электроэнергии Э_э;

затрат на техническое обслуживание и ремонт системы Э_а.

Затраты на оплату электроэнергии складываются из расходов на подъем воды Э_п, транспортировку ее по водоподъемным трубам Э_в и транспортировку до сборного резервуара Э_т, т. е.

Э_э = Э_п+Э_в+Э_т. (178)

Стоимость электроэнергии, приведенной к 1 году, затрачиваемой на подъем воды из скважин водозабора на заданную отметку, составляет

, (179)

где = 365/(102^.3,6) (в дальнейшем принято, что 1; - стоимость, руб/кВт^.ч электроэнергии; - КПД водоподъемного оборудования (ориентировочно 0,60,7); z - средняя геометрическая высота подъема, определяемая как разность отметок воды в резервуаре и статического уровня подземных вод в скважинах водозабора, м; Q - расход водозабора, м³/сут; S_o - понижение уровня в скважинах, м; Т - продолжительность работы водозабора в режиме нестационарной фильтрации, сут.

В формуле (179) и далее предполагается, что понижение уровня в скважине, а также дебиты скважин примерно одинаковы. Кроме того, расход водозаборных скважин принимается постоянным во времени.

Стоимость электроэнергии на транспортировку воды в водоподъемных трубах оценивается следующим образом:

Э_в = (), (180)

где - потери напора в водоподъемных трубах:

= A(Q/п)²l_вд/(86400)², (181)

А - коэффициент сопротивления водоподъемных труб, определяемый в зависимости от их диаметра по формуле

A = , (182)

k* и т* - коэффициенты, значения которых даны в табл. 44; l_вд - длина водоподъемных труб.

Величина Э_т, которой оцениваются затраты электроэнергии на транспортировку воды по сборному водоводу, в общем случае находится по формуле

. (183)

Здесь q_j - расходы, м³/сут, транспортируемые по j-му участку водовода длиной l_j; - потери напора на этом участке

= /(86400)². (184)

Коэффициент А определяется по зависимости (182) и табл. 44 с учетом диаметра и материала труб сборного водовода.

Таблица 44

17.8. Амортизационные отчисления и отчисления на ремонт принимаются пропорциональными строительной стоимости сооружений

, (185)

где p_1,2,3 - коэффициенты, соответствующие годовым нормам отчислений на амортизацию и ремонт скважин, водоводов, резервуаров и т. п. (ориентировочно p₁0,1; p₂0,04; p₃0,03).

17.9. С учетом вышеизложенного общее выражение для определения приведенных затрат на сооружение и эксплуатацию водозабора можно записать в следующем виде:

П = П_о + П_S S_cp + П_c п + П_в i_в + Э_о/п². (186)

Здесь П_о - часть приведенных затрат, которые практически не зависят от выбора того или иного варианта и, следовательно, в дальнейшем могут не учитываться. В данном случае

П₀ = Q. (187)

Величина П_s представляет собой приведенные затраты, необходимые для подъема извлекаемой водозабором воды на 1 м понижения уровня воды:

П_s = Q/. (188)

Средняя величина понижения уровня воды S_ср в равенстве (186), как следует из (179), равна:

. (189)

При установившейся фильтрации в случае, когда понижение уровня воды по всем сопоставляемым вариантам есть величина постоянная, второй член в выражении (186) можно не учитывать.

В уравнении (186) П_с - приведенные затраты на сооружение и эксплуатацию 1 водозаборного узла (скважины):

П_с = (р₁+E_н)K_о, (190)

а П_в - средняя величина приведенных затрат на сооружение и эксплуатацию 1 м водовода:

П_в = (р₂ + Е_н)/l_B К₂ + Э_т/l_в + (p₃ + Е_н)K^Д/l_k/l_в. (191)

Для линейных водозаборов подземных вод с равномерным размещением эксплуатационных скважин и переменным диаметром водовода величина П_в определяется следующим образом:

П_в = (p₂ + E₀)/(n - 1) _ст + 1/86400², (192)

где ; .

для схем с размещением резервуара в конце линейного ряда (рис. 96,а):

; . (193)

При прокладке сборного водовода с постоянным диаметром выражение (191) приводится к виду (К)

П_в = (p₂ + E₀)K₂+( A/86400²), (194)

где К и А определяются по формулам (177) и (182), а величина D, входящая в эти формулы, принимается для схемы рис. 96, а по расходу

q = (0,63Q/86400)/[(n - 1)/n]^1/3, (195)

а для схемы рис. 96,б по q = 0,5р_p.

При размещении равнодебитных водозаборных скважин равномерно по периметру круга (кольцевая батарея) (рис. 96, в)

П_в = [n/(n-1)(p₂ + E_н)K^B +(Q³ /n³)A+(p₃ + E_н) K^Д. (196)

Рис. 96. Схемы подключения скважин к сборный водоводам

а - линейный ряд скважин с резервуаром в конце сети, б - линейный ряд скважин с резервуаром в центре водозабора; в - кольцевая батарея скважин с резервуаром в центре водозабора

Величина Э_о в равенстве (186) характеризует приведенные затраты на транспортировку воды в водоподъемных трубах

. (197)

17.10. При проектирования водозаборов в качестве исходной величины задается суммарный расход Q, соответствующий величине водопотребления на расчетный период времени. Этот расход должен быть обеспечен системой скважин, размещенных на заданной площади участка. При этом понижения динамических уровней в каждой из скважин, сформировавшиеся на расчетный срок их эксплуатации, не должны превышать некоторой допустимой величины S_доп.

Исходя из этого, можно сформулировать условия, которые должны выполняться в процессе решения оптимизационной задачи проектирования водозаборов подземных вод:

или nQ_o = Q; (198)

Sj (Т) < S_доп или S_o = S_доп. (199)

Помимо этих условий необходимо учитывать ограниченность площади участка, где должен размещаться проектируемый водозабор. Это условие записывается в виде:

для линейного ряда скважин

2l L_max; (200)

для площадного размещения скважин

FF_max. (201)

Здесь 2l и F - расчетная длина или площадь водозабора, a L_max и F_тах - ограничения на эти величины.

Обоснование оптимальных схем береговых (инфильтрационных) водозаборов подземных вод

17.11. При проектировании водозаборных сооружений в речных долинах следует исходить из того, что их производительность в основном будет обеспечиваться за счет фильтрационного потока из реки. Поэтому здесь скважины целесообразнее всего размещать в виде линейного ряда параллельно берегу реки на небольших расстояниях друг от друга.

Именно такая схема береговых водозаборов является наиболее распространенной и применительно к ней ниже будет излагаться методика выполнения технико-экономического расчета.

В пп. 17.12 и 17.13 рассмотрены два случая: понижение уровня воды в различных вариантах водозабора может изменяться (S_о = const); понижение уровня воды в скважинах водозабора при различном их расположении остается постоянным (S_o = const).

17.12. При изменяющемся понижении уровня основная расчетная формула для определения оптимального варианта расположения водозаборных скважин l_о имеет вид:

; (202)

.

Формула (202) определяет оптимальное расстояние между скважинами водозабора l_о, которое зависит от принятого числа скважин схемы подключения скважин к сборному водоводу, а также гидравлических и стоимостных параметров системы транспорта воды. Последовательность расчетов при выборе оптимального варианта в данном случае должна быть следующей:

шаг 1 - положить п = п₁, где п₁ - начальное (произвольное) число скважин водозабора, и вычислить Q_o = Q/п₁ - расход одной скважины линейного водозабора;

шаг 2 - в соответствии с выбранным количеством скважин выделить участки водовода, определить расходы q и диаметры Dj в пределах каждого участка; затем по формулам (177) и (182) рассчитать К, A, _CT и _э;

шаг 3 - по формулам (188) и (192) найти величины П_S и П_В. Вычислить оптимальное расстояние между скважинами l_о [формула (202)] и общую длину водозабора 2l = l_o(n-1);

шаг 4 - найти понижение уровня подземных вод So. В данном случае для этого может быть использована формула Маскета-Лейбензона

, (203)

где km - водопроводимость пласта; x_о - расстояние от реки до водозабора; r₀ - радиус скважин водозабора;

шаг 5 - по формуле (186) рассчитать приведенные затраты П_i, связанные с сооружением и эксплуатацией рассматриваемого варианта водозабора;

шаг 6 - увеличить (уменьшить) количество водозаборных скважин и выполнить заново все расчеты.

Указанные операции повторяются до тех пор, пока не будет выявлено количество водозаборных скважин п, при котором величина приведенных затрат минимальна: П_i = тiп.

Пример расчета. Требуется запроектировать береговой водозабор производительностью Q = 34560 м³/сут в долине реки Зеравшан. Мощность водоносного горизонта от m = 34 м, коэффициент фильтрации k = l00 м/сут. Скважины размещаются на расстоянии x_о = 100 м от уреза реки.

Ввиду ограниченности поперечных размеров участка сбор воды от скважин предполагается осуществлять в соответствии со схемой на рис. 96, а при прокладке водовода постоянным диаметром (D = 500 мм) вдоль всего ряда скважин.

Дальнейшие расчеты сводятся к определению оптимальных значений l_р, s_p, Q и П по каждому анализируемому варианту при заданном п.

На рис. 97 представлены графики зависимости перечисленных искомых величин от числа задействованных скважин п. Графики построены по результатам расчетов с использованием формул (202) для определения l_р и формулы (203) для определения S_p. Величины П рассчитывались по формуле (186).

Как видно из графиков, при заданной производительности водозабора Q с увеличением числа скважин п величины l_р и S уменьшаются, а общие затраты на единицу производительности, приведенные к одному году, в данном примере возрастают. Поэтому, если исходить лишь из условия минимизации целевой функции, то следует принять вариант с наименьшим числом скважин. В более общем случае, помимо условия П = min, необходимо учесть ряд дополнительных ограничений.

Рис. 97. Графики для определения оптимальных значений S_o, l₀, Q, п и П

При проектировании водозаборов в долинах горных рек, где водовмещающие породы представлены гравийно-галечными отложениями с хорошими фильтрационными свойствами, несмотря на высокие дебиты, действительные понижения уровня воды в скважинах оказываются незначительными и существенно меньшими S_доп. Вместе с тем производительность водозаборных сооружений лимитируется как ограниченной пропускной способностью скважин (с увеличением нагрузки скважины начинают песковать), так и возможностями подбора водоподъемного оборудования при работе его в области оптимальных значений КПД. Таким образом, вместо условия в таких условиях может потребоваться учет ограничения вида

Q = Q/n,

где - максимально возможный дебит скважин, определяемый либо по результатам специальных откачек, либо по опыту эксплуатации водозаборов в данных условиях.

Для выбора варианта будем исходить из минимальной производительности скважин, считая ее известной по опыту эксплуатации водозаборов в подобных условиях. Так, например, для водозаборов, расположенных в долине реки Зеравшан, производительность скважин в течение года изменяется от 240 до 300 м³/ч. Принимая за расчетный дебит Q_o = 240 м³/сут, имеем п = 6, l_о = 60 м, S_o = 5,5 м и общая стоимость водозабора составит 52704 руб. (П = 0,00418 руб. м³/год).

В долинах равнинных рек фильтрационные параметры водоносных пластов намного ниже, чем в рассмотренном примере. Это приводит к тому, что уже при небольших расходах скважин образуются значительные понижения уровня воды. Для таких условий в силу вступает ограничение вида S<S_доп.

17.13. Выбор оптимального варианта при условии одинаковых понижений уровня упрощается, так как из числа варьируемых параметров исключается величина понижения уровней S_o. Оптимальный вариант подбирается по двум параметрам: количество водозаборных узлов (скважин) и расстояния между узлами l₀. Известными считаются все конструктивные элементы водозабора (средний диаметр сборного водовода, водоподъемных труб, схема трассировки водовода и т. д.) и суммарный расход скважин водозабора Q.

Расчет оптимального варианта в рассматриваемом случае может быть выполнен по формулам:

; (204)

, (205)

где = l₀/x_o; = Q/2kmS₀, = r_o/r_о;

_с = П_с /П_в x_о; = Э_о/П_в x_о;

х₀ - по-прежнему расстояние от реки до водозабора; r_о - радиус скважин водозабора.

Величина П_с в равенстве (204) определяется по формуле (190), численное значение единичной стоимости водовода приближенно находится по соотношению (194), а параметр Э_о - по уравнению (197) для условий установившейся фильтрации подземных вод.

Практическое использование формулы (204) осуществляется следующим образом. Сначала следует задаться произвольным значением параметра l_о и по формуле (205) найти соответствующее ему значение п (с округлением до большего целого числа). Затем найденные значения l_о и п подставляются в соотношение (204). Если при этом равенство (204) будет выполнено, то данные значения l_о и п являются оптимальными. В противном случае следует повторить расчет с иным значением величины l_о.

Пример расчета. Расход берегового водозабора, располагающегося на расстоянии x_о = 100 м от уреза реки, проектируется в размере 35 тыс. м³/сут. Водопроводимость водоносного горизонта равна 500 м³/сут. Статический уровень располагается на отметке H_c = 5 м от поверхности земли. Понижение уровня подземных вод в процессе эксплуатации водозабора должно составить S_o = 15 м. Конечный диаметр водовода из стальных труб, укладываемого в одну линию по схеме рис. 96, а, равен D = 500 мм. Диаметр водоподъемных труб принимается D = 150 мм. Радиус водозаборных скважин r_о = 0,2 м. Стоимость сооружения и оборудования 1 скважины K⁰ = 5000 руб., стоимость электроэнергии = 0,02 руб., = 0,8.

Находим приведенные затраты на сооружение и оборудование одной водозаборной скважины. Принимая p₁ = 0,1 и Е_н = 0,15, по формуле (190) получим

П_с = (0,1+0,15)^.5000 = 1250 руб.

Величину П_в определяем по соотношению (194). Предварительно найдем средний диаметр водовода

D_cр = (2/3)0,5 = 0,33 м.

Следовательно, по формуле (177) и табл. 44

К^B = 6,9+5,3^.0,33 = 8,6 руб/м;

А = 0,001736/0,33^5,3 = 0,62;

Принимая р_а = 0,04, E_н = 0,15 и полагая К° = 0, найдем:

Пв = (0,04 +0,15) 8,6+0,25 [0,2^.(35000)³]/[0,8 (86 400)²]^.0,62 = 1,63+22,26 = 23,9 руб.

Величина Э_о по формуле (197) равна в этом случае А = 0,001736/0,15^5,3 = 40,3):

Э_о = (0,02/0,8)(35000/86400)40,32 (5 + 15) = 8,2 руб.

Таким образом:

_с = 1250/(23,9^.100) = 0,5 м; = 8,2/(23,9-100) = 0,003 0.

Кроме того:

= 0,2/100 = 2^.10^-3; = 35000/(2^.15^.500) = 0,74.

Положим для начала = 0,8; по формуле (195) найдем п = 9; подставив эти значения в формулу (204), получим, что это равенство почти выполняется; невязка составляет 0,04. Повторив те же расчеты = 0,9, получим п = 8, а невязка равна 0,02. Таким образом, в оптимальном варианте:

= 0,9; l_о = 90 м; n = 8; 2l = 90^.7 = 630 м.

Водозаборы в удалении от поверхностных водотоков и водоемов (водораздельные водозаборы)

17.14. При проектировании водозаборов в неограниченных пластах наиболее эффективными являются схемы в виде группы кольцевых или линейных рядов скважин.

При условии S_oconst формула для расчета оптимального варианта водозаборов имеет вид

. (206)

Здесь R₀ и l₀ - оптимальные радиус кольцевого и расстояние между скважинами линейного водозабора; П_S - определяется по соотношению (188), а П_в - по формуле (192) для линейного и по соотношению (194) для кольцевого водозабора. Величины А и К^B определяются в данном случае в соответствии с диаметром водовода.

17.15. Последовательность расчетов по выбору оптимального варианта по соотношению (206) следующая:

шаг 1 - задавшись первоначально произвольным значением п, вычислить дебит одной скважины Q₀ = Q/n;

шаг 2 - по величине Qo найти диаметр водоводов D, а затем величины К^B и А;

шаг 3 - по формуле (206) найти оптимальные значения R₀или l₀;

шаг 4 - найти понижение уровня воды в скважинах водозабора по формуле

S_о = (Q/4km)^.ln(2,25аt/r). (207)

Величина r_пр находится по соотношениям:

кольцевой водозабор

;

линейный водозабор

;

шаг 5 - для данного варианта рассчитать приведенные затраты П_i;

шаг 6 - выполнить тот же расчет с иным значением п и выявить таким образом вариант с наименьшим значением приведенных расходов П_i.

Пример расчета. Рассмотрим пример расчета кольцевой батареи скважин при действии их в неограниченном напорном водоносном горизонте. Водоносный пласт характеризуется следующими показателями: km = 600 м²/сут, а = 10⁵ м²/сут. Площадь, отведенная под водозабор, составляет 760^.1000 м².

Требуется запроектировать водозабор производительностью Q = 40000 м³/сут, выбрав необходимое число скважин п, при котором расчетное понижение уровня воды при сроке эксплуатации сооружений Т = 25 лет не превысит допустимого значения S_доп = 90 м.

Предположим, что все скважины равнодебитные, т. е. Q₀ = Q/n. В этом случае, как отмечалось выше, их целесообразнее размещать по периметру круга (кольцевая батарея скважин) на одинаковых расстояниях друг от друга.

Результаты расчета величин Q, D, А и К^B приведены в табл. 45, а вычисленные значения R_о, S_о(r_о, Т) и П/365Q - на графиках рис. 98.

Таблица 45

Рис. 98. Графики для выбора оптимальных параметров водозабора, представленного кольцевой батареей скважин

При проведении расчетов использованы два значения D, соответствующих нижней D_н и верхней D_в границам предельных расходов.

Анализ полученных результатов приводит к выводу о том, что при любом заданном числе скважин принятие значения D_н по нижней границе предельных расходов приводит к увеличению расстояния между скважинами (растет величина R_o), уменьшению понижения динамического уровня S_o(r_о, Т) и снижению приведенных затрат П.

Принимая во внимание ограничение, накладываемое на понижение уровня воды в скважинах, из расчетов следует исключить те варианты, где это условие не выполняется. Тогда из серии расчетов с D_в выпадают варианты с числом скважин п = 5, 8, 9, 10.

Помимо этого, учитывая ограничение на величину R₀, из серии расчетов при D_в следует исключить варианты с п = 2 и 3, а при D_н - варианты с числом скважин 2-7.

Оставшиеся после учета ограничений варианты сведены в табл. 46. Из них выбирается один оптимальный вариант 5.

Таблица 46

17.16. При фиксированном понижении уровня подземных вод в эксплуатационных скважинах водораздельного водозабора соответствующие зависимости для расчета оптимального варианта принимают вид:

кольцевой водозабор

, (208)

где _с = П_с/П_в R_omin; = Э_о/П_вR_отiп;

; R_omin = 1,5 ;

; (209)

линейный водозабор

; (210)

; ; ;

. (211)

17.17. В представленных соотношениях = Q/2nkmS_o; So - понижение уровня воды в водозаборных скважинах на конец расчетного периода продолжительностью Т.

Параметры n, R_о и t_о находятся по формулам (208)-(210) подбором. Сначала задается произвольное число n и определяются соответствующие ему величины R_o или. Затем указанные параметры подставляются в соотношение (208) или (210). Если при этом уравнения (208) и (210) оказываются выполненными, то найденные значения параметров водозабора являются оптимальными. В противном случае расчет повторяется при новом значении n. Эти операции полезно произвести при нескольких значениях среднего диаметра водовода.

Пример расчета. Линейным водозабором производительностью 35 тыс. м³/сут проектируется эксплуатировать водоносный пласт с водопроводимостью km = 1000 м²/сут при понижении на конец расчетного срока Т = 25 лет (10⁴ сут), равном 19 м; коэффициент пьезо-проводности а = 10⁴ м²/сут, r_о = 0,2 м. Примерные стоимостные показатели выражаются величинами П_с = 1250 руб., П_в = 23,9 руб., Э_о0. Требуется найти оптимальные протяженность водозабора и количество водозаборных скважин.

Параметр в данном случае равен: _o = 35000/(2^.1000^.19) = 0,3. Задаемся сначала п25. По формуле (211) найдем:

= 116 м;

;

П_с = 1250/(23,9^.116) = 0,45; r_о = 0,2/116 = 1,7^.10^-3.

Полученные величины подставляем в соотношение (210)

0,45-1,2^.ln (1,2/2^. 1,7^.10^-3) = 0,220.

Выполним те же вычисления при n = 20:

t_оmin = = 140 м;

П_с = 1250/(23,9^.190) = 0,32; r₀ = 0,2/190 = 1,1^.10^-3;

Таким образом, оптимальное количество скважин водозабора равно 20, дебит каждой скважины при этом составит Q_o = 35000/20 = 1760 м³/cyт, расстояния между скважинами будут равны: l_о = l₀l_0min = 1,28^.140 = 180 м, общая длина водозабора составит 2l = 19^.180 = 3400 м.

18. КОМПЛЕКСНЫЕ РАСЧЕТЫ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

18.1. Водозаборные скважины, объединенные между собой сборными водоводами, представляют единую гидравлическую систему. При эксплуатации таких систем четко прослеживается связь между изменением производительности скважин (и водозабора в целом) при изменении гидродинамического режима подземных вод, а также при изменении гидравлических параметров отдельных сооружений. Поэтому уже на стадии разработки проекта следует производить оценку работоспособности системы. Такая оценка производится на основе комплексных расчетов водозаборов подземных вод.

18.2. Основной задачей комплексного расчета водозаборов подземных вод является определение истинных значений расходов скважин и понижений в них уровня воды, а также расходов и потерь напора в сборных водоводах и параметров работы водоподъемного оборудования. Поэтому такие расчеты следует проводить при различных расчетных режимах и на различные периоды эксплуатации водозаборов (т. е. с учетом сезонных колебаний уровней и сработки запасов подземных вод, кольматажа и выхода скважин из строя, отключения отдельных линий сборных водоводов и т. п.) и на основе этого намечать сроки проведения мероприятий, направленных на поддержание стабильной работы систем. Для этой цели во ВНИИ ВОДГЕО разработаны пакет прикладных программ и "Рекомендации по применению ЭВМ для выполнения комплексных расчетов водозаборов подземных вод".

18.3. Исходными материалами для выполнения таких расчетов являются:

а) гидрогеологическая расчетная схема расположения водозаборных и инфильтрационных сооружений;

б) запроектированная схема сбора воды от скважин;

в) принятая в проекте высотная схема подачи воды потребителю.

Расчеты режимов работы одиночных скважин

18.4. При отборе воды из скважины (рис. 99) напор насоса Н затрачивается на преодоление геометрической высоты подъема воды z, понижения уровня S и потерь напора в водоводе от скважины до точки подачи воды.

Рис. 99. Схема подачи воды от скважин

В схеме рис. 99 насос, установленный в скважине, развивает напор, равный:

H = (р-_ст.гор)+S+_в, (212)

где Н - полная высота подъема воды из скважины; р - отметка уровня воды в резервуаре; _ст.гор - отметка статического уровня грунтовых вод; S - понижение уровня в скважине; _в - потери напора в водоводе от скважины до резервуара, включая потери напора в водоподъемных трубах.

Разность отметок (p-_ст.гор) - это геометрическая высота подъема воды из скважины. Если эти отметки не изменяются, то (p-_ст.гор) = const.

С другой стороны, насос развивает напор в соответствии с его рабочей характеристикой Q-Н, которая в диапазоне оптимальных значений КПД может быть аппроксимирована уравнением

Н = А-ВQ², (213)

где А и В - параметры характеристики Q-Н насоса.

Подстановка (213) в (212) и учет зависимости S = f(Q) и _в = f(Q) дает

z+(Q/2kт)(R+)+ln(А_BQ²) = А-ВO². (214)

Применительно к одиночным скважинам уравнение (214) может быть решено графически. Для этого координаты Q-Н следует расположить таким образом, чтобы точка H = 0 находилась на отметке _ст.гор. Тогда линия _p = const на графике (рис. 100) определит геометрическую высоту подъема воды из скважины, а линия I - характеристику скважины Q-S (характеристика скважины может быть построена как по опытным данным, так и на основе расчетов). Наконец, задаваясь гидравлическим сопротивлением, строится характеристика водовода Q-_в (кривая II).

При сложении характеристик Q-S и Q-_в на линии _p = const находится совмещенная характеристика (кривая III) скважины, водовода и резервуара, представляющая собой график зависимости полной высоты подъема воды от производительности скважины.

На графике (рис. 100) показана также характеристика Q-Н насоса, который предполагается установить в скважине. Пересечение ее с кривой III дает рабочую точку насоса с координатами Q_p и Н_р (где Q_p - действительная производительность насоса и Н_p - напор, развиваемый насосом при такой подаче воды). Одновременно с этим определены также величины S_p в скважине и _в в водоводе.

Рис. 100 Графоаналитический метод расчета системы "скважина - насос - водовод - резервуар"

Зачастую из имеющегося сортамента не удается подобрать насос, рабочая точка которого точно бы соответствовала требуемым значениям Q_т или H_т скважины. Поэтому на практике насосы подбирают с некоторым запасом по напору и производят регулирование их производительности. Такое регулирование, как правило, осуществляется с помощью задвижек, установленных на напорной линии, реже - изменением числа рабочих колес насоса.

В случае когда производительность насосов регулируется установкой дросселя на напорной линии присоединения скважины к водоводу, КПД установки резко снижается и составляет

= _у(1-z_н/H_н),

здесь - КПД установки, снятый с графика Q-H при заданном Q насоса; Н_в - напор насоса, соответствующий подаче Q за вычетом потерь напора _в в водоводе; z_н - величина дросселя. Поэтому такой способ регулирования ввиду неэкономичности не может быть рекомендован на длительный период времени, особенно в том случае, когда величины z_н велики (z_н>, где - напор, развиваемый одним рабочим колесом насоса).

При z_н>регулирование производительности насосных установок следует производить изменением числа рабочих колес. Число колес, которые необходимо снять с насоса, определяется выражением = z_н/ с округлением до ближайшего наименьшего целого значения.

В случае если z_н>, то одновременно с изменением числа рабочих колес для обеспечения заданной производительности насоса производится установка дросселя на напорной линии.

Величина дросселируемого напора при этом составляет

(z_н)^' = z_н -.

Пусть по условию требуется обеспечить подачу воды в резервуар в количестве Q_т, причем Q_т<Q_р. Этому расходу на совмещенном графике соответствует точка В с координатами Q_т и Н_Т. Напор же насоса при подаче воды в количестве Q_т равен Нт^' (Нт^' >Н_т). Следовательно, величина дросселируемого напора составляет Н_Т ^‘(Н_Т '> Н_Т). На пересечении перпендикуляра, восстановленного из точки В на ось абсцисс, с линиями I и II лежат искомые значения всех переменных (z_н)^', _в и S при подаче воды в количестве Q_т.

18.5. При изменении какой-либо из составляющих формулы (213) происходит смещение рабочей точки насоса по характеристике Q-Н. Так, например, сработка запасов подземных вод приводит к увеличению геометрической высоты подъема воды из скважин, т. е. к увеличению Н насоса и соответственно уменьшению Q. Аналогичная картина наблюдается и при увеличении гидравлического сопротивления фильтра скважин, обусловленного кольматажем.

Время Т_S, в течение которого не происходит нарушения условий

S_pS_дoп или Q_p Q_т,

можно считать периодом устойчивой работы скважины. Однако на практике это время, как правило, оказывается меньше расчетного срока действия скважин.

Допустим, что характеристика скважины (кривая I) была определена на период ее сооружения, а в процессе эксплуатации скважины гидравлическое сопротивление фильтра возросло и характеристика стала определяться кривой II. В результате этих изменений рабочая точка насоса сместится из точки В в точку В'. При этом, как видно из графика (рис. 101), понижение уровня воды в скважине составит S'>S, а производительность ее уменьшится на величину Q. На рис. 101, чтобы графические построения были более наглядными, характеристика Q-Н насоса заменена на так называемую дроссельную характеристику, полученную вычитанием из ординат Н потерь напора в водоводе _в.

Рис. 101. Графоаналитический метод решения задачи регулирования производительности скважины

Для обеспечения требуемой производительности установки в количестве Q_T следует уменьшить потери напора на дросселе на величину (S ^'- S) и они должны составить

(z_н)‘ = (z_н)- (S ^'- S).

При этом, как видно из рис. 100, понижение уровня воды в скважине увеличивается. Поэтому такой способ регулирования производительности может применяться лишь в течение определенного срока эксплуатации, пока понижение в скважине будет меньше, чем S_доп [или пока величина (z_н)‘>0].

На рис. 101 точка Д соответствует условию, когда при Q = Q_T (z_н>0), а S = S_доп. При неизменном (z_н)' дальнейший рост сопротивления вызовет снижение производительности установки. Вместе с тем, если уменьшить (z_н)‘ до значений, при которых подача воды от скважины составила бы Q_т, то произойдет увеличение понижения уровня воды в скважине и S превысит S_доп. Следовательно, характеристика скважины, представленная кривой II, соответствует условиям, когда фильтр предельно закольматирован и дальнейшая эксплуатация установки без осуществления комплекса мероприятий по восстановлению производительности скважины оказывается невозможной.

Регенерацией фильтра скважины удается добиться уменьшения гидравлического сопротивления до значений, близких к начальному. Тогда при дросселируемом напоре (z_н) производительность установки составит Q_н>Q_т, а по мере роста сопротивления подача воды будет снижаться и лишь при достижении предельной закольматированности фильтра скважины окажется равной Q_т.

18.6. Введение в действие систем ИППВ вызывает повышение уровня грунтовых вод, а это в свою очередь приводит к уменьшению производительности насоса, установленного в скважине. Вместе с тем для обеспечения заданного прироста производительности также необходимо осуществлять регулирование работы насоса или производить его замену.

Допустим, что установка ИППВ введена в действие в момент времени t = T_s (когда фильтр скважины предельно закольматирован) и обеспечила повышение уровня на величину . Тогда, основываясь на гидрогеологических расчетах, оказывается возможным пойти на увеличение отбора воды с доведением его до величины Q_r, равной:

, (215)

где R₀ - фильтрационное сопротивление водоносного пласта при действии водозаборной скважины; - дополнительное сопротивление на несовершенство скважины в момент времени Т_S,

На рис. 102 величина Q_r является абсциссой точки С, лежащей на пересечении характеристики скважины (линия II) линии а - б (S_доп+S). Учитывая, что (где R_б - фильтрационное сопротивление водоносного пласта при действии установки ИППВ), можно найти _г:

, (216)

где _г - КПД установки ИППВ, который может быть достигнут в данных условиях.

Рассмотрим, какой же будет получен , если в скважине оставить насос, подобранный без учета работы установки ИППВ (см. рис. 101). В этом случае для нахождения новой рабочей точки насоса необходимо от линии z_p = (z_p-S) заново восстановить характеристику скважины до пересечения ее с дроссельной характеристикой насоса. Эти построения показаны на рис. 102. Абсциссой точки Д определяется расход скважины Q" с учетом дросселирования напора насоса на величину (z_н), а абсциссой точки В" - расход скважины Q" при (z_н)' = 0. Как видно из графиков (рис. 102), введение в действие установок ИППВ без замены водоподъемного оборудования скважин будет всегда приводить к занижению .

Рис. 102. Графоаналитический метод расчета прироста производительности скважин при ИППВ

18.7. В артезианских бассейнах уровни подземных вод могут находиться на отметках, превышающих отметки подачи воды потребителю. Это позволяет на начальном этапе осуществлять эксплуатацию скважин в режиме самоизлива и лишь по истечении определенного времени переходить на откачку воды насосами.

При расчете таких систем определению подлежат время, в течение которого скважина может эксплуатироваться в режиме самоизлива с заданной подачей воды потребителю, а также продолжительности периодов ее работы с теми или иными насосами.

Характерный график изменения во времени напора при действии артезианской скважины в режиме самоизлива с постоянным расходом Q_T представлен на рис. 103 [график рис. 103 построен на основе расчетов по формуле (33)].

Из данных рис. 103 видно, что в течение первых t₁ лет эксплуатации напор на устье скважины находится на отметках выше поверхности земли. Поэтому, если подача воды от скважины производится в резервуар, расположенный на отметке земли, то временем t = t₁ определяется продолжительность работы скважины в режиме самоизлива.

Рис. 103. Графоаналитический метод расчета и подбора водоподъемного оборудования для артезианских скважин

Для обеспечения заданной подачи воды потребителю при t>t₁ в скважине следует установить насос; выбор марки насоса должен производиться с учетом дальнейшей сработки запасов подземных вод. Методика подбора насосных установок на различные периоды времени иллюстрируется рис. 103, где в координатах Н - t представлен график изменения во времени напора подземных вод, а в координатах Q-Н - дроссельные характеристики насосов с учетом напора в водоподъемных трубах.

18.8. Аналогичным образом выполняются расчеты и при сифонном отборе воды из скважин. Так, например, для рис. 104, когда имеется одиночная скважина, от которой вода по сифонному водоводу подается в сборный резервуар, графоаналитические расчеты сводятся к выполнению следующих построений. В координатах Q-Н строится характеристика скважины, т. е. зависимость S = f(Q). На рис. 104 эта характеристика показана линией 1. Далее к ординатам характеристики скважины прибавляются значения _в (где _в - потери напора в водоводе) и проводится линия 3, отражающая отметку наполнения воды в резервуаре, отсчитанную от статического горизонта. На перпендикуляре, опущенном из точки А пересечения линий 2 и 3, лежат расчетные значения Sp и _р, соответствующие расходу Q_p.

Рис. 104. Схема к расчету скважин при сифонном водоотборе

Q_p - координаты точки A на оси Q; S_p - расчетное понижение уровня воды: в скважине; _р - расчетные потери напора в водоводе; z - разность между уровнем грунтовых вод и отметкой воды в резервуаре; 1 - характеристика Q-H скважины; 2 - характеристика Q-H скважины и водовода; 3 - линия отметки воды в резервуаре.

Расчет систем подачи воды от скважин. Подбор и регулирование режимов работы водоподъемного оборудования

18.9. На рис. 105 показана простейшая схема водозабора в виде линейного ряда скважин, работающих на один сборный водовод.

Рис. 105. Схема подсоединения скважин линейного ряда к сборному водоводу

В схеме рис. 105 напор, требуемый для подачи воды в количестве Qn из любой n-й скважины на заданную отметку, составляет

Н_п = z+S_n+,

где S_n - понижение уровня воды в любой п-й скважине, определяемое с учетом действия остальных скважин; - потери напора в водоводе от n-й скважины до точки сбора воды.

. (217)

В скважинах могут быть установлены насосы разных марок. Поэтому исходная система уравнений для расчета N неизвестных величин Q_n принимает вид

(218)

для n = 1, 2, 3, .... N.

Решение нелинейной системы уравнений (218) отыскивается методом последовательных приближений.

В качестве первого приближения можно принять Q_n = Q/N (где Q - проектная производительность водозабора) и, подставив эти значения в уравнение (218), найти значения _n (где _n - невязки потерь напора по каждому из N уравнений, возникающие из-за того, что принятые значения Q_n не удовлетворяют системе уравнений). Если условие

, (219)

не выполняется, то значение Qn следует изменить на величину . Величина поправочного расхода для каждого п-го уравнения может быть приближенно рассчитана по формуле

(220)

и принимается со знаком (+) или (-), соответствующим знаку невязки _n.

Система уравнений (218) считается разрешенной, когда в процессе последовательных приближений найдены такие значения Q_n, при которых выполняются условия (219). После этого производится вычисление S_n:

Sn = , (221)

где индекс указывает на то, что из суммы исключен член j = n. Помимо этого определяются величины напоров насосов

H_п = z+S_n+, (222)

а также расчетные значения расходов и потерь напора в линиях сети.

18.10. Найденные в результате проверочного расчета значения Q_j, и S_j могут не удовлетворить ограничениям вида:

; ; , (223)

где Q_min, Q_max - соответственно минимальный и максимальный расходы установленных в скважинах насосов.

В этом случае необходимо либо произвести замену насосов по скважинам, где не выполняются второе или третье условие (23), либо отрегулировать их работу на требуемый режим эксплуатации.

18.11. Для этого расчеты водозаборов проводятся в следующем порядке.

Сначала выполняются гидрогеологические расчеты водозаборных сооружений. При этом в зависимости от того, какая ставится задача (обеспечить максимальную или заданную производительность водозабора), такие расчеты проводятся:

а) при действии водозаборных скважин в режиме ;

б) при действии водозаборных скважин в режиме Q_j = const и соблюдении условия ;

в) при комбинированном использовании условий по подпунктам а, б, когда требуется по ряду скважин обеспечить выполнение условия , а по остальным Q_j = const.

В результате гидрогеологических расчетов определяются величины Q_j по скважинам, действующим в режиме , и S_j, в скважинах, которые действуют в режиме Q_j = const.

По завершении гидрогеологических расчетов проводится гидравлический расчет системы сбора воды от скважин, в результате которого устанавливаются расходы и потери напора в линиях сети, а также свободные напоры в точках присоединения скважин к сборным водоводам.

По известным значениям понижений уровня воды в скважинах и свободных напоров рассчитываются требуемые напоры и производится подбор насосов (а при необходимости осуществляется и их регулирование на заданную подачу воды из каждой скважины).

При выполнении расчетов в такой последовательности производительность водоподъемного оборудования будет в точности соответствовать намеченному режиму работы скважин.

При решении подобных задач следует ориентироваться на использование ЭВМ (см. п. 18.2).

Пример расчета. Водозабор размещается в пойме реки и представлен шестью водозаборными скважинами (рис. 106) и инфильтрационным бассейном.

Рис. 106. Расчетная схема сбора и подачи воды от скважин

Скважины отбирают подземные воды из однородных песков четвертичного возраста. Мощность обводненной толщи песков m = 20 м. В основании водоносного горизонта залегают глины, служащие водоупором. Сверху пласт перекрыт песчано-суглинистым слоем 2,5-3 м. Коэффициент фильтрации пород водоносного горизонта k = 20 м/сут. Подземные воды залегают на глубине 2 м от поверхности земли. По своему химическому составу они относятся к гидрокарбонатнокальциевому типу с повышенным содержанием железа до 0,5-1 мг/л и являются склонными к осадкообразованию.

Скважины располагаются вдоль берега реки на расстоянии 25 м от уреза воды в реке. Расстояние между скважинами в ряду также равно 25 м. Все скважины имеют одинаковую конструкцию; радиус бурения r_c = 0,4 м; радиус фильтра r₀ = 0,2 м; длина фильтра l_ф = 20 м; коэффициент фильтрации пород призабойной зоны k_ф = 4,069 м/сут.

Инфильтрационный бассейн размещается в центре водозабора на расстоянии 40 м от уреза воды в реке. Длина инфильтрационного бассейна составляет 125 м, а производительность принята равной Q_б = 0,052 м³/с.

Предусмотрено, что вода от скважин должна подаваться в резервуар, расположенный за пределами водозабора. Расчетная отметка наполнения воды в резервуаре находится на 70 м выше статического горизонта.

Рассматриваемая система водоснабжения должна обеспечить подачу воды потребителю Q не менее 100 м³/ч (2400 м³/сут), при этом понижения уровня воды в скважинах не должны в течение расчетного срока ее эксплуатации превысить заданной величины S_доп = 5 м.

Требуется на основе комплексных расчетов проанализировать режим эксплуатации водозабора с учетом возможного кольматажа скважин (определить период устойчивой их работы, т. е. время Т_s) и осуществить подбор водоподъемного оборудования с его регулировкой на заданную подачу воды.

Сопротивление к, обусловленное кольматажем водозаборных скважин, рассчитывается по формуле

(224)

, (225)

где N₀/n₀ - безразмерный параметр (N_o - предельная емкость фильтра и п_о - его начальная пористость); - параметр характеризующий интенсивность кольматажа скважин (С_о - концентрация в откачиваемой воде кольматирующих соединений и - константа скорости выпадения кольматанта из воды и осаждения его на фильтре скважин).

Для выявления закономерностей изменения производительности отдельных скважин и водозабора в целом гидрогеологические расчеты следует проводить с заданием на скважинах условия . В этом случае найденные значения Q_j скважин соответствуют их максимальной производительности. При выполнении таких расчетов с учетом роста _к производительность снижается и может оказаться, что к некоторому моменту времени она станет равной или даже меньшей, чем Q_s требуемая.

Для определения периода устойчивой работы скважин гидрогеологические расчеты должны проводиться на различные моменты времени с определением на каждом шаге по времени значений Qs скважин и проверкой выполнения условия . Результаты таких расчетов по 1(6), 2(5) и 3(4) скважинам представлены на рис. 107.

Рис. 107. Расчетные графики изменения во времени (t), Q_j (t) и при действии скважин в режиме S_j = const

Там же приведены графики изменения _к(t) и . Расчеты выполнялись при условии S_j = 5 м; (N₀/n₀)_j = 1 и (С_о)_j = 0,0368 мес^-1.

Из данных рис. 107 видно, что период устойчивой работы системы скважин T_s составляет 18 мес. При t>T_S суммарная подача воды от скважин оказывается меньше требуемой (Q = 100 м³/ч) и, следовательно, производительность водозабора не обеспечивается.

Согласно п. 18.11, следующим этапом комплексных расчетов являются проведение гидравлических расчетов системы сбора воды от скважин и выбор соответствующего водоподъемного оборудования. Такие расчеты следует проводить с использованием в качестве исходных данных вычисленных значений q_j и S_j по скважинам на момент времени t = T_s.

Результаты гидравлических расчетов сборных водоводов представлены на рис. 108, а данные по выбранному водоподъемному оборудованию сведены в табл. 47.

Рис. 108. Результаты гидравлического расчета сборных водоводов на момент времени j = T_s

Таблица 47

Теперь необходимо проанализировать, насколько правильно подобраны погружные скважинные насосы и установлена степень их регулирования (т. е. в состоянии ли обеспечить эти насосы стабильную работу водозабора в течение времени Т_S). Для этого следует выполнить проверочные расчеты системы сбора и подачи воды от скважин.

Результаты проверочных расчетов при использовании данных табл. 47 представлены на рис. 109.

Рис. 109. Расчетные значения изменения S_j(t), Q_j (t) и при насосной эксплуатации скважин

Из данных рис. 109 видно, что вначале производительность скважин (и их суммарная подача) несколько выше требуемой, а понижения уровней меньше, чем S_доп. С ростом к(t) производительность скважин Q_j, снижается, a S_j возрастает, и к моменту времени t = T_S во всех скважинах S_j, оказываются равными S_доп и = Qs.

19. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВОДОЗАБОРНЫХ СКВАЖИН

19.1. Опыт эксплуатации водозаборов подземных вод показывает, что их проектная производительность может существенно снижаться во времени. Одной из причин этого явления могут быть различные виды кольматажа фильтров и прифильтровых зон скважин. Для увеличения срока их службы возникает необходимость проведения мероприятий по декольматации и восстановлению производительности водозаборов. Такие мероприятия должны проводиться систематически и предусматриваться в проекте водозабора.

19.2. Для выявления целесообразности восстановительных работ и периодичности их проведения на водозаборных скважинах необходимо в процессе эксплуатации выполнить опробование скважин для оценки роста их сопротивления и снижения удельной производительности в результате кольматации и сопоставления полученных текущих величин с первоначальными.

Для декольматации и восстановления производительности скважин используются импульсные, реагентные и комбинированные методы. Технология этих методов восстановления производительности скважин регламентируется специальными руководствами и инструкциями.

19.3. Среди импульсных методов наибольшее распространение получили взрывная, электрогидравлическая и пневмоимпульсная обработки. В скважинах с пластмассовыми фильтрами из ПВХ и полиэтилена, а также в скважинах с фильтрами блочного типа импульсные методы использовать не рекомендуется.

19.4. Для взрывной обработки применяют торпеды ТДШ (ТДШ-50, ТДШ-25, ТДШ-В), снабженные детонирующим шнуром ДШ-В или ДШУ-В, и фугасные торпеды ТШ или Ф-2 различных конструкций.

Скважины, каптирующие рыхлые отложения, обрабатывают взрывом детонирующего шнура в одну нитку при следующих видах водоприемной поверхности: проволочная намотка диаметром каркаса 168-299 мм и штампованный лист диаметром каркаса 245- 299 мм. Обработка скважин производится через 2-5 лет их эксплуатации, но не более 3-4 раз за весь период службы скважины.

Для увеличения производительности скважин, каптирующих трещиноватые полускальные породы и оборудованных перфорированным трубчатым или каркасно-стержневым фильтром, используют фугасные торпеды различной конструкции или торпеду, состоящую из двух-трех ниток детонирующего шнура. Ориентировочная продолжительность межремонтного периода скважин изменяется от 4 до 6 лет.

19.5. Для электрогидравлической обработки скважин применяют специализированные установки ЭГУ, СЭУ и др., которые последовательно по всей длине фильтра создают ударные волны высоковольтными электрическими разрядами в жидкости.

Общее время электрогидравлической обработки скважин определяется конструкцией скважины. На 1 м фильтра с проволочной обмоткой или штампованным листом достаточно 300-500 импульсов, для сетчатых-100-200 импульсов. Для фильтровых каркасов, установленных в полускальных породах, количество импульсов на 1 м фильтра должно быть не менее 500.

Рациональным межремонтным периодом при обработке скважин, каптирующих рыхлые отложения, следует считать срок, равный 7 месяцам, а при обработке скважин, каптирующих трещиноватые полускальные породы и оборудованных каркасными фильтрами, ориентировочная продолжительность межремонтного периода находится в пределах двух-трех лет.

19.6. Для пневмоимпульсной обработки скважин применяют специализированную установку АСП-Т, которая последовательно по всей длине фильтра возбуждает при помощи сжатого воздуха упругие колебания жидкости.

Пневмоимпульсную обработку скважин в рыхлых отложениях проводят в зависимости от диаметра фильтра и водоприемной поверхности в соответствии с табл. 48.

Таблица 48

При обработке скважин, каптирующих водонасыщенные полускальные породы и оборудованных трубчатыми или каркасными фильтрами, рекомендуются следующие технологические характеристики обработки: объем пневмокамеры 1 л, давление в воздухосборнике 10-15 МПа/см², количество импульсов на 1 м фильтра не менее 10.

Рациональная продолжительность межремонтного периода при пневмоимпульсной обработке скважин в рыхлых отложениях не превышает 6 мес, а при обработке скважин, каптирующих трещиноватые полускальные породы и оборудованных каркасными фильтрами, ориентировочная продолжительность межремонтного периода находится в пределах двух-трех лет.

19.7. Реагентная обработка скважин включает следующие технологические операции: выбор необходимого количества реагента, подбор его количества, монтаж необходимого оборудования, подачу раствора в фильтр скважины, создание возвратно-поступательного движения реагента в закольматированной прифильтровой зоне, определение времени окончания обработки скважины и ее прокачки для удаления остаточного количества реагента и продуктов реакции.

Реагент выбирают в зависимости от состава кольматанта и устойчивости конструкционных элементов скважин против агрессивного воздействия реагента (табл. 49).

Химический состав кольматанта оценивается по пробе осадка, отобранного с водоподъемного оборудования, обсадной трубы или непосредственно с поверхности фильтра, извлеченного на данном водозаборе.

Таблица 49

В кислотных растворах применяют ингибиторы коррозии каталин-А и каталин-Б в концентрациях соответственно 0,5 и 0,05 %. При реагентных обработках скважин следует учитывать, что из всех рекомендуемых реагентов наиболее эффективна соляная кислота, близок к ней по растворяющей способности раствор дитионита натрия, достигающий около 90 % растворяющей способности соляной кислоты. Соответственно растворяющая способность раствора гидразина солянокислого составляет 60 %, раствора бисульфата натрия водного - 40%, раствора сульфаминовой кислоты - 10%. Применение фосфатных растворов возможно лишь на скважинах, срок эксплуатации которых не более трех лет.

19.8. При отборе железосодержащих вод гидрокарбонатно-кальциевого типа в песчаных отложениях и соблюдении межремонтного периода требуемое количество реагента приближенно может быть определено по табл. 50.

Таблица 50

Примечание. Над чертой - для гравийно-проволочных фильтров; под чертой - для сетчатых и блочных фильтров.

При приготовлении растворов из порошкообразных реагентов в заливочной емкости концентрация раствора в ней, необходимая для создания в фильтре скважины оптимальной концентрации, определяется по формуле

C_eмк = C_oпт(V_eмк+V_ф)/V_eмк, (226)

где V_ф - объем воды в фильтре скважины, л; V_емк - объем раствора в заливочной емкости, л; С_емк - концентрация реагента в заливочной емкости, %; С_опт - оптимальная концентрация реагента, %.

При подаче раствора непосредственно в ствол скважины необходимо учитывать весь объем воды, заключенный в нем.

Для восстановления производительности скважин, каптирующих трещиноватые карбонатные породы, необходимое количество соляной кислоты составляет 6-8 т, что позволяет не только растворить кольматирующие образования, но и существенным образом увеличить производительность скважины за счет увеличения проницаемости призабойной зоны. Добавка к соляной кислоте уксусной кислоты с концентрацией 1-3 % позволяет снизить скорость реакции соляной кислоты с карбонатами, что увеличивает дальность ее проникания в пласт.

19.9. Для восстановления производительности скважин реагентными методами необходимо следующее оборудование: передвижная емкость или баллоны в кислотостойком исполнении для доставки кислоты к скважине; заливочная емкость для приготовления раствора; насос в кислотостойком исполнении для закачки раствора в фильтр скважины; оголовок для герметизации устья скважины; пакер для герметизации фильтра; шланги для подачи реагента и отвода продуктов реакции; манометр; эрлифтная система; компрессор производительностью 3-6 м³/мин. В основном все оборудование для обработки скважин является стандартным; определенную специфику представляет оголовок для герметизации устья скважины. Основные типы оголовков представлены на рис. 110, а пневматический пакер для герметизации фильтра - на рис. 111. Для герметизации фильтра, установленного впотай, эффективно применение конического резинового уплотнительного элемента, герметизирующего фильтр под действием силы тяжести несущих труб.

Рис. 110. Конструкция оголовков скважины при реагентной обработке фильтра и прискважинной зоны

1 - обсадная колонна; 2 - нижний фланец; 3 - резиновая прокладка; 4 - отверстия под стягивающие болты; 5 - верхний фланец; 6 - корпус оголовка; 7 - патрубок для заливки реагента; 8 - вентили, 9 - манометр; 10 - патрубок для выпуска продуктов реакции.

Рис. 111. Пневматический пакер

1 - труба для подачи сжатого воздуха; 2 - фланец; 3 - опорный фланец; 4 - уплотнительный элемент; 5 - защитная покрышка; 6 - обечайка; 7 - ниппель; 8 - воздухопровод; 9 - труба для подачи реагента; 10 - резиновая прокладка; 11 - шайба; 12 - гайка; 13 - фаска для соединения хомутного типа

В условиях близкого залегания уровня подземных вод к верхней части фильтра, при установке фильтров большей длины и негерметичности эксплуатационной колонны труб используют специальное устройство (рис. 112), обеспечивающее непрерывное возвратно-поступательное движение реагента в закольматированной зоне и исключающее проникание сжатого воздуха в прифильтровую зону. Коническое седло с плавающим клапаном этого устройства представлено на рис. 113.

Рис. 112. Устройство для циклической реагентной обработки

а - после монтажа устройства; б - при задавливании реагента; 1 - скважина; 2 - фильтр; 3 - опора; 4 - труба; 5 - межтрубное пространство; 6 - пакер; 7, 18, 24 - трубопроводы; 8, 16, 19, 23, 25 - вентили; 9 - муфта; 10 - перфорированное отверстие; 11 - угловой клапан; 12 - коническое седло; 13 - шаровой клапан; 14 - реагентопровод; 15 - крышка; 17, 21 - обратные клапаны; 20 - воздуховод; 22 - манометр; 23 - уровень подземных вод; 27 - реагент.

Рис. 113. Коническое седло с плавающим шаровым клапаном и перфорированной перегородкой

19.10. При глубоком залегании уровня подземных вод (более 60 м) для восстановления производительности скважин на воду может использоваться способ "реагентной ванны". При восстановлении производительности скважин, каптирующих песчаные отложения, рекомендуемая длительность "реагентной ванны" 10-12 ч. При обработке скважин, каптирующих водонасыщенные трещиноватые карбонатные породы, целесообразно после закачки 6-8 т кислоты в герметизированную скважину продавить ее в пласт водой. Объем продавливаемой воды составляет 3-5 м³ при расходе воды не менее расхода поданной ранее кислоты. Кислота в герметизированной скважине выдерживается до окончания реакции кислоты с породами, что контролируют по окончанию газовых выделений из скважины.

19.11. Наиболее эффективная регенерация герметизированных скважин, каптирующих песчаные породы, обеспечивается созданием пульсирующего возвратно-поступательного движения реагента в прифильтровой зоне, осуществляемого путем повышения и снятия давления или путем вакуумирования скважины с последующей ее разгерметизацией. Количество задавливаемого реагента должно быть достаточным для заполнения пор гравийной обсыпки или закольматированной прифильтровой зоны, поэтому время задавливания и снятия давления определяется положением уровня жидкости в стволе скважины, что может контролироваться с помощью уровнемера. Ориентировочно в каждом цикле повышения - снятия давления должно обеспечиваться давление 0,15-0,2 МПа/см² в течение 5 мин для гравийных фильтров и 10 мин для фильтров сетчатого и блочного типа с последующим сбросом давления в течение 3 и 5 мин соответственно. При обработке скважины с применением специального . устройства (см. рис. 112) время окончания задавливания реагента контролируется по моменту постановки плавающего шарового клапана на коническое седло, что фиксируется скачком давления на манометре, а время сброса давления и выпуска продуктов реакции принимается не менее времени задавливания реагента.

Время окончания циклической реагентной обработки при режиме задавливания реагента сжатым воздухом может определяться по стабилизации времени восстановления уровня, или времени задавливания реагента в скважине, или по стабилизации электрического сопротивления реагента, измеряемого в фильтре скважины. Общая продолжительность обработки может также приниматься не более трех часов.

После окончания обработки производят демонтаж оборудования, монтаж эрлифта или другого водоподъемного оборудования и прокачивают скважину. При прокачке из скважины удаляются остаточное количество реагента и продукты реакции. Во всех случаях при прокачке скважин всасывающая система водоподъемного оборудования должна располагаться в нижней части фильтра. Прокачка скважины прекращается, когда электрическое сопротивление откачиваемой жидкости становится равным электрическому сопротивлению чистой воды, зафиксированному перед обработкой в скважине.

19.12. С целью интенсификации обработки и достижения высоких показателей восстановления производительности скважин целесообразно применять комбинированный виброреагентный метод, разработанный ВНИИГС и ВОДГЕО, при котором воздействие на кольматант реагентом сочетается с его гидродинамической обработкой вибрирующим рабочим органом, осуществляемой виброустановками ВУР, применяемыми для разглиниэации скважин (см. разд. 3 настоящего Пособия). Вибрирование ускоряет реакцию растворения кольматирующих веществ, способствует разрушению их структурных связей, улучшает условия массообмена на контакте реагент-кольматант.

Виброреагентная обработка скважины включает в себя серию последовательных циклов, в каждом из которых чередуют вибрирование в течение 5-10 мин и выпуск продуктов реакции 3-5 мин. Общее время вибрирования составляет 40-60 мин, после чего осуществляют прокачку скважины. Время окончания обработки может контролироваться по стабилизации электрического сопротивления реагента или по достижению стабилизации наименьших по ходу обработки амплитуд гидродинамического давления, создаваемого в фильтре вибрационным рабочим органом. Для комплексной механизации работ виброреагентную обработку рационально осуществлять с использованием самоходных агрегатов АВО-2 и АВР-1 (см, разд. 3 настоящего Пособия).

19.13. В скважинах, значительное время находившихся в эксплуатации, для эффективного восстановления их производительности рекомендуется производить предварительное разрушение кольматирующих образований с использованием импульсных методов (взрыв детонирующего шнура, электрогидравлическая и пневмоимпульсная обработка) и последующую реагентную обработку.

19.14. Межремонтный период скважин водозабора T_мр в условиях сложного взаимодействия системы скважин и их кольматации определяется по времени стабильной работы скважин как сооружения, обеспечивающего производительность водозабора в целом с обеспечением допустимого понижения уровня.

При оценке действия одиночной скважины, а также отдельных скважин в водозаборе или дренажной системе состояние скважины и необходимость ее регенерации определяются на основе построения графиков зависимости _к = f(t) и q = f(t), где _к - показатель сопротивления, обусловленный кольматационными процессами, q - удельный дебит скважины. Восстановительные мероприятия приурочиваются к началу интенсивного изменения этих параметров до значений меньших, чем заданная удельная производительность.

При оценке действия системы скважин необходимо принимать во внимание, что зачастую отсутствует период стабильной работы системы t_стаб, и межремонтный период будет определяться темпами снижения удельной производительности системы в целом (рис. 114).

Рис. 114. Изменение во времени суммарной удельной производительности самоизливающихся скважин дренажной системы

1 - по данным наблюдений; 2 - после реагентной обработки; 3 - прогнозные снижения; 4 - требуемая производительность системы; 5 - предельный срок межремонтного периода

При уточнении начала ремонтного периода системы скважин необходимо учитывать общее количество скважин, время, затрачиваемое на их обработку, степень восстановления производительности относительно первоначальной. Это определяется способностью кольматирующих соединений растворяться в выбранном реагенте, гидродинамическими и термическими условиями обработки, эффективностью используемого способа и др.

Ориентировочно межремонтный период при эксплуатации водоносных песчаных горизонтов с железосодержащими подземными водами гидрокарбонатно-кальциевого типа составит для импульсных методов до одного года, для реагентных и комбинированвых методов два - четыре года.