СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ
ЭФФЕКТИВНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ВОДОЗАБОРОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
В.С.
Арефьев, В.С. Осьмушкин, В.К. Борисов
ООО НПЦ “ВЭИПС”
Рост
уровня заболеваемости населения от употребления некачественной воды является
определяющим фактором в сокращении продолжительности жизни людей. Поэтому обеспечение
населения питьевой водой, отвечающей государственным стандартам, становится
приоритетной целью современной водохозяйственной политики.
Известно,
что в единой цепи антропогенного воздействия на гидросферу (загрязненные
атмосферные осадки, поверхностные воды, почвы, породы зоны аэрации, подземные воды)
глубокозалегающие хорошо защищенные водоносные горизонты наименее подвержены
загрязнению и поэтому наиболее благоприятны для использования в питьевых целях.
Из-за этого подавляющее большинство городов, рабочих поселков и сельских населенных
пунктов Алтая используют для питья и производственных нужд подземную воду,
добываемую с помощью водозаборных скважин.
Качество
воды в немалой степени зависит не только от природных условий, но и от количества водозаборных скважин и потребляемой пользователями
воды. Действительно, вода из природного источника после ее использования снова
сбрасывается в источник в виде сточных вод. При этом качественные показатели ее
неизменно ухудшаются. Следовательно, количественные и качественные параметры
водоотбора находятся в диалектическом единстве, при этом процесс формирования и
воспроизводства воды един и неразделим на отдельные составляющие.
Под
эффективной работой существующих водозаборов подразумевается такой оптимальный
вариант, при котором одновременно достигается поставленная цель (максимальный водоотбор)
и сохраняется заданная гидрогеологическая обстановка. В качестве критерия оптимальности
приняты экономические показатели. Действительно, на стадии эксплуатации капитальные
затраты уже сделаны (скважины сооружены и оснащены водозаборным оборудованием),
водозабор работает. Число, конструкцию, местонахождение скважин “де-факто” и
“де-юре” и изменить их нельзя. В этом случае основным критерием оценки
становится гидродинамический (например, максимальный срок работы водозабора), а
искомым параметром - оптимальное распределение дебитов между действующими
водозаборными скважинами.
Важнейшим
методом в процессе оптимизации является диагностика водозаборных скважин. Под
диагностикой водозаборных скважин следует понимать комплекс мер по установлению
и изучению признаков, характеризующих техническое состояние этих сооружений и
их систем, для прогноза возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального
режима их работы.
Практически
все крупные водопотребители (города: Барнаул, Бийск, Новоалтайск, Славгород,
Яровое, Камень-на-Оби, крупные предприятия и химические комбинаты, массивы
орошения и др.) эксплуатируют подземные воды на участках с утвержденными эксплуатационными
запасами. При сооружении крупных водозаборов использовались результаты детальных
гидрогеологических работ и опытно-фильтрационных исследований на локальных
участках.
Опыт
эксплуатации водозаборов подземных вод в различных гидрогеологических условиях
показал, что фактический режим эксплуатации может быть существенно отличаться
от прогнозов, которые были выполнены по результатам разведочных работ. Известны
случаи завышения расчетных понижений уровня воды в скважинах в 1,5-3 раза, а
коэффициентов пьезопроводности на 1-1,5 порядка. Поэтому водным
законодательством Российской Федерации предусмотрено на каждом крупном
водозаборе создание сети наблюдательных скважин и проведение режимных
наблюдений для предотвращения загрязнения и истощения подземных вод. На крупных
водозаборах эта работа выполняется силами специализированных гидрорежимных
партий Министерства природных ресурсов РФ или самой эксплуатирующей организаций.
Однако
известно, что в крае всеми сорока групповыми водозаборами с утвержденными
запасами отбирается лишь 16% общего водоотбора подземных вод. Большая часть подземной
воды добывается на 3000 участках с неутвержденными запасами одиночными эксплуатационными
скважинами. Следует отметить, что степень гидрогеологической изученности этих
участков резко отличается не в пользу последних.
При
проектировании одиночных эксплуатационных скважин обычно используются материалы
региональных гидрогеологических исследований (прогнозные ресурсы по категории С2)
и данные по существующим эксплуатационным скважинам. Многолетний опыт проведения
разведочного бурения вблизи существующих одиночных эксплуатационных скважин
показал, что геолого-гидро-геолгические условия, указанные в паспортах этих
скважин, нередко существенно искажены. По-видимому, отсутствием буровых в
строительных организациях, квалификационных специалистов (геологов,
гидрогеологов, геофизиков). Во-вторых, при сооружении одиночных скважин мелкими
буровыми организациями каротажные геофизические исследования, зачастую, не производились.
Наконец, искажение геологической документации связано с корыстной практикой завышения
категорий по буримости пройденных пород. Более того, по тем же причинам по ряду
скважин глубина по паспорту превышает их фактическую глубину, а сами скважины оборудованы
на вышезалегающие, по сравнению с паспортными данными, водоносные горизонты.
Неудивительно,
что в таких случаях оказывалась искаженной информация по испытанию скважин
(динамический уровень, понижение и др.) и глубине установки водоподъемного оборудования.
Зачастую, взамен вышедшей из строя скважины сооружалась новая без соответствующего
документального оформления.
Кроме
этого, нередки случаи полной утраты документации на действующие в хозяйствах
скважины.
Вышеперечисленное
привело к беспорядочному размещению скважин как по территории водопользователя,
так и по водоносным горизонтам, что иногда приводит к преждевременному
истощению запасов подземных вод и их загрязнению. Из-за отсутствия специальных
наблюдений за эксплуатацией этих водозаборных скважин или их групп нередко
теряется ценный источник сведений о состоянии как окружающей среды (гидросферы),
так и о техническом состоянии самих скважин. Последнее приводит к преждевременному
выходу скважин из строя и их перебурке (ремонту). Для подтверждения этого в
табл. 1 приводятся данные по некоторым районам Алтайского края.
Из
табл. 1 следует, что 19% существующих скважин подлежат ликвидации или ремонту.
В качестве эффективной меры по устранению фактического состояния скважин и ликвидации
необоснованных затрат при их эксплуатации предлагается регулярное проведение
диагностических исследований в действующих водозаборных скважинах.
Диагностика
водозаборных скважин включает комплексное гидрогеологическое обследование,
экспресс-опробывание водозаборной скважины. Обычно обследованию скважины
предшествует сбор архивной и фондовой информации как по самой скважине, так и
по геолого-гидрогеологическим условиям участка обследуемого водозабора. На
месте проводится стандартное описание водопункта, которое включает его привязку
(административную, геоморфологическую, плановую и высотную), установление
конструкции скважины и ее элементов (водоподъемное оборудование), а также время
сооружения скважины и наименование буровой организации. Путем опроса лиц,
ответственных за эксплуатацию скважин, добывается информация о режиме и
отклонениях от норм в работе скважины, ее ремонтах, замене насосов и т. д. в течение
всего срока ее службы.
Таблица
1 Результаты обследования водозаборных скважин в некоторых районах Алтайского
края
|
Наименование района |
Количество водозаборных скважин |
Подлежащие ремонту |
Подлежащие ликвидации |
|
1.
Баевский |
26 |
3 |
6 |
|
2.
Благовещенский |
28 |
1 |
1 |
|
3.
Егорьевский |
79 |
7 |
16 |
|
4.
Завьяловский |
39 |
3 |
3 |
|
5.
Заринский |
125 |
8 |
14 |
|
6.
Зональный |
76 |
10 |
3 |
|
7.
Павловский |
243 |
18 |
15 |
|
8.
Родинский |
54 |
11 |
4 |
|
9.
Славгородский |
29 |
3 |
3 |
|
10.
Тюменцевский |
123 |
14 |
13 |
|
11.
Целинный |
117 |
12 |
8 |
|
ИТОГО |
939 |
90 (10%) |
86 (9%) |
На основании
полученных сведений намечается схема опробывания скважины или их групп -
кустовая откачка, экспресс-откачка или восстановление уровня после проведенного
опыта.
В процессе
опробывания водозаборной скважины фиксируются основные гидрогеологические
показатели: дебит, статический и динамический уровни, физические свойства откачиваемой
воды. Одновременно на полулогарифмической клетчатке строится индикаторный
график временного прослеживания понижения или восстановления уровня. Время
опыта определяется получением представительного участка для расчета основных
гидрогеологических параметров. В конце возмущения отбирается проба воды на сокращенный
химический анализ.
Обработка
результатов опыта проводится графоаналитическим способом по методу Тейса или
Джейкоба. Полученные таким образом расчетные гидрогеологические параметры (водопроводимость
плата, коэффициент пьезопроводности, показатель гидравлического несовершенства
скважины) подвергаются всестороннему анализу и в дальнейшем используются для
расчета оптимальной прогнозной производительности каждой действующей скважины.
Обычно
индикаторный график имеет два участка. Первый участок продолжительностью до
10-20 минут более крутой и характеризует гидравлическое несовершенство скважины
(так называемый “скин-эффект”). Второй участок, более пологий, является
представительным и характеризует фильтрационные и емкостные свойства самого пласта.
Как известно,
производительность скважин со временем уменьшается, а величина гидравлического
сопротивления их фильтрующих элементов увеличивается. Процессы изменения
прифильтрованного пространства скважин в процессе их эксплуатации носит название
кольматации. Последняя имеет сложную механическую, физико-химическую и биологическую
природу. Механическая кольматация вызвана низкой степенью освоения (очищения от
глинистого раствора) скважин или неправильным подбором зерен гравийной обсыпки,
когда наблюдается вынос глинистых частиц из водоносной породы. Физико-химическая
кольматация заключается в выпадении в осадок на поверхности сетчатых фильтров
гидратов окиси железа, марганца и сульфатов кальция при набухании глин в процессе
ионного обмена. Биологическая кольматация заключается в зарастании фильтров за
счет жизнедеятельности железистых и сульфатредуцирующих бактерий.
Следовательно,
стоимость добываемой воды постоянно возрастает по причинам затрат на ремонт
фильтрующего элемента, замены вышедших из строя насосов и более глубокой их
установки. Поэтому для снижения себестоимости добываемой воды важны регулярные
замеры динамического уровня в процессе эксплуатации скважины. Только при этом
условии, по характеру изменения удельного дебита возможно подсчитать время полного
срока службы скважины, при котором эксплуатация является экономически целесообразной.
В качестве
примера приводим данные гидрогеологического обследования, проведенного в одном
из хозяйств Павловского района.
Водозабор
расположен на поверхности Приобского плато (абс. отм. 250Б.С и состоит из 3
скважин, расположенных в линию на расстоянии 20 и 55 м друг от друга. По
предварительной документации все 3 скважины имеют одинаковую глубину - 160 м и
оборудованы на один и тот же водоносный горизонт, залегающий в интервалах
120-148 м. В результате проведенной диагностики скважин выявлена информация,
которая приводится в табл. 2, где указаны данные из паспортов, в скобках - фактические
параметры по материалам обследования.
По результатам
обследования эксплуатирующей организации даны рекомендации по обслуживанию и
реконструкции данного водозабора. Водозаборные скважины 2 и 3 эксплуатируют
один (кочковский) водоносный горизонт, а скважина 1 - более глубокозалегающий
павлодарский водоносный горизонт неогена. Для удовлетворения заявленной потребности
в воде (54 м3/час) необходимости в сооружении дополнительных
водозаборных скважин нет. С этой целью предлагается ремонтировать данный
водозабор путем замены низкоэффективного водоподъемного оборудования более мощным
(табл. 3). В этом случае повышается общая эффективность работы водозабора.
Таким образом,
удельный расход электроэнергии, определяющий себестоимость добываемой воды
после реконструкции водозабора, снижается в 3 раза. На эту же величину
повышается эффективность реконструкции водозабора. С целью дальнейшего увеличения
водоотбора даны рекомендации по восстановлению, ремонту фильтров водозаборных
скважин и организации регулярных диагностических исследований данного водозабора.
Таким образом,
регулярное, 1-2 раза в год, проведение диагностики водозаборных скважин
позволяет с достаточной достоверностью не только оценить техническое состояние
самих скважин и окружающей их гидросферы, но и составить прогноз изменения этих
систем при их взаимодействии, установить экономически целесообразный срок эксплуатации
скважин и дать рекомендации оптимальных режимов ее эксплуатации, что в конечном
итоге позволит улучшить качественные, количественные и экономические параметры
водоотбора. Стоимость обследования одной скважины не превышает 1,5 тысячи
рублей
Таблица
2 Результаты обследования водозабора
|
Параметр
скважины |
Численное
значение параметра по скважине |
|
||
|
|
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
|
|
1.
Водоподъемное оборудование |
ЭЦВ8-25-100 (ЭЦВ10-63-110) |
ЭЦВ6-16-110 (ЭЦВ6-10-80) |
ЭЦВ6-16-75 (ЭЦВ8-25-100) |
|
|
2.
Глубина установки насоса, м |
92(127) |
90(66) |
90(100) |
|
|
3.
Мощность э/двигателя насоса, кВт |
11(32) |
11(4,5) |
5,5(11) |
|
|
4.
Диаметр экспл. колонны, мм |
325 |
273 |
219 |
|
|
5.
Дебит, м3/час |
37(25) |
15(7) |
10(0,3) |
|
|
6.
Статический уровень, м |
55(70) |
28(45) |
50(45,2) |
|
|
7.
Динамический уровень, м |
85(90,4) |
70(58) |
70(46,2) |
|
|
8.
Понижение, м |
30(20,4) |
42(13) |
20(1,0) |
|
|
9.
Удельный дебит, м3/час |
1,2(1,2) |
0,4(0,5) |
0,5(0,3) |
|
|
10.
Водопроводимость, м2/сут |
н.с.(84) |
н.с.(38) |
н.с.(342) |
|
|
11.
Коэффициент пьезопроводности, м2/сут |
н.с.(4´105) |
н.с.(4´105) |
н.с.(4´105) |
|
|
12.
Фильтрационное сопротивление |
н.с.(10) |
н.с.(13) |
н.с.(20) |
|
Таблица
3 Оценка эффективности работы водозабора до и после реконструкции
|
Параметр скважины |
Численные значения параметра |
Итого |
||
|
|
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
|
|
1. Водоподъемное
оборудование |
ЭЦВ25-150 |
ЭЦВ6-10-110 |
ЭЦВ6-10-80 |
|
|
2. Мощность
э/двигателя насоса, кВт |
16 |
5,5 |
4,5 |
26 |
|
3. Прогнозный
дебит, м3/час |
32 |
12 |
10 |
54 |
|
4. Расход э/энергии
для подъема 1 м2 воды, кВт/м3: - до реконструкции - после реконструкции |
|
|
|
1,47 0,48 |
|
5. Эффективность |
|
|
|
3,0 |