ТИПЫ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ЗАХВАТА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
ПОДЗЕМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Основную роль в формировании запасов подземных вод, используемых для водоснабжения, играют инфильтрационные и конденсационные процессы. Инфильтрационные процессы приводят к накоплению в земной коре воды в результате:
Ø фильтрации через почву атмосферных осадков;
Ø насыщение водой грунтов через берега и дно рек, озер, водохранилищ, прудов, каналов;
Ø фильтрации через почву воды при сельскохозяйственном орошении и т.п.
| Атмосферные осадки |
| Лобовой прием |
| Нисходящий родник |
| Верховодка |
| Уровень воды |
| Восходящий родник |
| Река |
| Фонтанирующая (артезианская) скважина |
| Водоупор |
| Межпластовая вода |
| Безнапорная скважина |
| Напорная скважина |
| Рис. 20.1 – Условный геологический разрез |
При конденсационных процессах водяные пары подземного воздуха конденсируются на частицах грунта; по мере накопления эта влага переходит в капельную форму и сила тяжести увлекает ее. Но все-таки подземные воды образуются, главным образом, за счет инфильтрации атмосферных и поверхностных вод, которые проникают в толщу земли и создают там подземные потоки и бассейны. На рис. 20.1 дан условный геологический разрез, на котором рассматривается образование подземных вод в результате инфильтрационных процессов и их залегание в земной толще. Подземные и поверхностные воды находятся в постоянном взаимодействии.
Атмосферные и поверхностные воды проникают в толщу земли через водопроницаемые породы. Породы, через поры либо трещины которых фильтруется вода, называются водоносными. Они делятся на рыхлые (песок, гравий, галечник, щебень) и трещиноватые (известняк, гранит, сланцы). Породы, непроницаемые для воды и содержащие ее в недостаточном количестве для целей водоснабжения, называются водоупорами (глина, плотная скала). Остальные породы сами являются водонепроницаемые, но вода в их трещинах движется (известняк, песчаник). При использовании для целей водоснабжения подземных вод производят гидрологические изыскания, которые устанавливают мощность водоносного горизонта, область его питания, количество воды, которое можно получить.
В зависимости от строения почв, грунтовые потоки делят на категории:
1. безнапорные;
2. напорные.
Безнапорные потоки в том случае, когда водоносный слой насыщен водой не на всю высоту, а напорные потоки – при полном насыщении водоносного пласта, находящегося между двумя водонепроницаемыми пластами.
По характеру залегания различают следующие виды подземных вод:
1) Верховодка - воды, которые образуются при просачивании атмосферных осадков сквозь хорошо фильтрующие породы вследствие накопления на преграде. Располагается наиболее близко к земной поверхности, которая залегает на водоупорных линзах (вогнутая часть линзы обращена к поверхности земли). Количество и состав этой воды резко изменяется в зависимости от гидрометеорологических условий (таяние снега или длительный дождь), она легко подвергается загрязнению с поверхности, имеет малый дебит, пересыхает в жаркое время года и, поэтому, не представляет интереса для водоснабжения.
2) Грунтовые безнапорные воды образуются при фильтровании поверхностной или атмосферной воды и скопления ее над первыми от поверхности земли водоупорными пластами. Количество и качество этой воды также зависит от гидрометеорологических факторов и колеблется по сезонам года. Может залегать в двух формах: грунтовый бассейн - котловина с водоупорным ложем, заполненная грунтовой водой, не имеет выраженного течения; грунтовый поток - вода течет (фильтруется) по водоносному слою в сторону наклона водоупора и выходит на поверхность в виде родников. Грунтовые безнапорные воды широко используются для водоснабжения домов усадебного типа и дач в сельской местности. Имеют ограниченное применение, так как их санитарное качество не всегда удовлетворяет требованиям потребителя. Мощность водоносных горизонтов грунтовых вод может достигать значительных величин: от 10 м в верховьях рек до 70 м в нижнем течении.
На глубине водоносные горизонты (пласты) могут перекрываться водоупорами. В таких условиях грунтовые воды переходят в межпластовые, так как водоносная толща в вертикальном разрезе зажата между непроницаемыми для воды пластами. Верхний из этих пластов называется водоупорной кровлей, а нижний - водоупорным ложем.
3) Межпластовые воды делятся на: напорные и безнапорные. Они находятся между двумя пластами водоупора и считаются самыми лучшими для питьевого водоснабжения, так как обеспечивают самую высокую санитарную надежность (защищены от загрязнений). Особенно чистыми являются напорные (так называемые "артезианские") воды - при нарушениях плотности кровли пласта вода выдавливается из водоносного пласта, а не поглощается им из вышележащих загрязненных слоев. Мощность межпластовьгх горизонтов может составлять от 2 до 100 м.
Если для забора межпластовых вод пробурить скважины, то могут иметь место три случая:
- Уровень воды в скважине соответствует уровню воды в водоносном пласте. В этом случае межпластовые воды безнапорные. Они встречаются в мощных водоносных пластах и не заполняют их полностью. Влияние гидрометеорологических факторов менее выражено. Питание водоносного пласта осуществляется через участки, не перекрытые верхним водоупором. Такие воды используются для водоснабжения.
- Уровень воды в скважине располагается выше водоупорной кровли и соответствует гидростатическому давлению воды в пласте, которое является следствием увеличения глубины залегания верхнего водоупора. В этом случае межпластовые воды напорные. Они имеют устойчивый состав, наиболее надежны в санитарном отношении, так как защищены водоупором от поверхности земли, откуда возможно поступление загрязнений. Наиболее пригодны для водоснабжения ввиду стабильности запасов воды и химико-бактериологических характеристик.
- Межпластовая вода фонтанирует (самопроизвольно изливается) из скважины. Фонтанирующие межпластовые воды еще называют артезианскими - от провинции Артезия во Франции, где впервые были пробурены фонтанирующие скважины. Сейчас в технической литературе артезианскими могут называться и не фонтанирующие скважины. Артезианские воды по существу являются напорными межпластовыми водами и, поэтому наиболее пригодны для водоснабжения. При выходе напорных межпластовых вод на поверхность образуются восходящие родники.
4) Подрусловые (инфильтрационные воды) имеют качество грунтовых вод и являются промежуточными между подземными и поверхностными водами. Находят широкое применение, особенно в зарубежной практике, где отказываются от непосредственного приема воды из рек, и предпочитают забор частично очищенных естественным образом подрусловых вод.
5) Родники (ключи) - разновидность межпластовых вод, выходящих на поверхность земли, как правило, на склонах. Являются прекрасным водоисточником, но имеют ограниченный дебит и могут использоваться только для небольших потребителей. Ключи делятся на нисходящие и восходящие. Нисходящими называют ключи, выходящие на земную поверхность вследствие выклинивания (выхода) водонепроницаемого слоя по которому идет грунтовый поток. Восходящие ключи - это ключи, которые выходят на земную поверхность снизу их напорных горизонтов.
Различают происхождение подземных вод:
· инфильтрационное (просачивание сквозь хорошо фильтрующие породы атмосферных осадков и воды из поверхностных источников);
· конденсация паров из воздуха (в пустынях);
· ювенильное - из паров магмы (первичное образование подземных вод при формировании земной коры).
На рис. 20.1 изображено питание подземных вод за счет фильтрации поверхностной воды из озера. С другой стороны, подземная вода служит источником питания для реки. Особое значение это приобретает в связи с возрастающим загрязнением поверхностных вод промышленными и бытовыми стоками, так как это может привести к загрязнению подземных вод питьевого качества.
Контрольные вопросы
1. Подземные воды. Происхождение и характеристика.
ТИПЫ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ЗАХВАТА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Устройство водозаборных узлов и их отдельных элементов и состав сооружений для приема подземных вод зависят от:
· условий залегания;
· мощности;
· водообильности;
· глубины залегания;
· геологического строения водоносных горизонтов;
· гидравлических характеристик потока (его напора, скорости, направления движения, связи с другими водоносными пластами, связи с другими водоносными пластами, массивами и поверхностными водами);
· санитарного состояния территории;
· необходимости в искусственном восполнении запасов подземных вод и его конструктивного решения;
· наличия водоносных пластов, содержащих воду неудовлетворительного качества, намечаемой производительности и технико-экономических показателей.
В зависимости от конкретных условий для приема подземных вод могут применяться сооружения следующих типов:
1. вертикальный водозабор (скважина или шахтный колодец);
2. горизонтальный водозабор;
3. комбинированный водозабор;
4. лучевой водозабор;
5. каптажи.
Скважины - вертикальный водозабор, является наиболее распространенным сооружением для захвата подземных вод в различных условиях. Глубина скважины определяется глубиной залегания и мощностью водоносного горизонта и может лежать в пределах от 5 до 1000 м. Обычно, для водоснабжения используют скважины глубиной до 150 м, реже до 300 м, совсем редко до 800 м и более.
Шахтные колодцы - вертикальный водозабор, применяется, как правило, во-первых, от поверхности безнапорных водоносных горизонтах (грунтовые воды, верховодка), сложенных рыхлыми породами (песками, галечниками), мощностью не более 10 м. Применяются для забора безнапорных вод при ограниченной глубине их залегания до 20...40 м, исходя из параметров машин для изготовления колодцев. Бывают любой формы.
Горизонтальные водозаборы - дрены, галереи, штольни - устраиваются для захвата воды из безнапорных пластов при их мощности до 8м. Преимущественно располагают их вблизи поверхностных водоемов.
Комбинированные водозаборы состоят из горизонтальных дрен (галерей, штолен) с системой, соединенных с ними, вертикальных скважин. Сооружения такого типа целесообразно применять при наличии, наряду с основным каптируемым водоносным горизонтом, более глубоких напорных вод.
Лучевые водозаборы - представляют собой водонепроницаемые шахтные колодцы с расходящимися из них горизонтальными лучами скважинами. Лучевые водозаборы устраивают при глубине залегания водоносных пластов для 15 - 20м и их мощности не более 20м. Шахтные колодцы в этом случае служат для сбора воды из горизонтальных скважин.
Каптажи источников (родников) устраиваются в виде сборных камер или не глубоких колодцев и применяются для захвата подземных вод при концентрированном их выходе на поверхность в виде восходящих или нисходящих родников.
Выбор типа и схемы водозабора определяется гидрогеологическими условиями, производительностью водозабора и технико-экономическими соображениями. Наряду с выбором типа водозабора важным является определение схемы его расположения на местности. Например, в долинах рек с постоянным поверхностным стоком и при возможности фильтрации речных вод в водоносный пласт водозаборные сооружения любого типа следует располагать вдоль берега реки. В артезианских бассейнах (вдали от поверхностных источников) схема расположения водозабора определяется технико-экономическим сравнением различных вариантов. При этом захват подземных вод стремятся осуществить возможно ближе к потребителю.