Хозяйственно-питьевое водоснабжение небольших городов и поселков городского типа основано на использовании подземных вод. Основными устройствами систем подземного водоснабжения являются водозаборные скважины. Водозаборные скважины играют важную роль в обеспечении населения питьевой водой, наличие и качество которой влияет на здоровье жителей, а также на социальное и экономическое развитие региона в сферах использования воды в различных отраслях промышленности.

В процессе эксплуатации подземного водозабора, имеющего, как правило, не один десяток скважин, их производительность (дебит) снижается, в результате чего энергетические затраты на обслуживание водозаборного сооружения увеличиваются.

Производительность скважины может снижаться по различным причинам, знание которых, эффективное и своевременное использование их, дает возможность повысить дебит скважин и улучшить водоподачу водозабора.

Снижение дебита скважины может быть вызвано как естественными, так и техническими факторами.

Основные причины снижения производительности скважины:

— истощение водоносного пласта — коллектора вследствие активной эксплуатации скважины;

— сезонные изменения уровня грунтовых вод;

— промерзание грунта в зимний период;

— накопление ила, песка, глины и органики в фильтре скважины, обсадных трубах и на дне скважины;

— минерализация скважины, т. е. отложение железа, извести, марганца, солей и других нерастворимых веществ на фильтре, трубах и насосе;

— образование биопленки вследствие наличия бактерий в воде;

— неправильный выбор погружного насоса, опускаемого в скважину для подъёма воды из подземного водоносного пласта (недостаточная или слишком повышенная мощность насоса);

— повреждение всасывающего патрубка насоса или автоматики;

— неправильная эксплуатация насоса, длительные перерывы в использовании насоса;

— деформация или разрушение обсадной трубы скважины из-за естественного её старения, смещения грунта или гидравлических ударов.

Для решения проблем увеличения дебита скважины и обеспечивания оптимальной работы подземного водозабора, разработаны механические, химические и комбинированные методы, а также технологические решения для конкретных условий функционирования системы.

Выбор метода зависит от текущего состояния скважины, от причин снижения дебита скважины, от геологии местности и причин падения уровня подземных вод, от эксплуатации оборудования.

Механические и импульсные методы направлены на разрушение и удаление кольматирующих отложений (ила, песка, биологических загрязнений) с поверхности фильтра скважины и в префильтровой зоне. В процессе механической и гидродинамической очистки делается прокачка и промывка скважины, либо путем многократной откачки воды до появления чистого потока, либо подачей воды под высоким давлением с помощью гидродинамической установки.

Пневмоимпульсная и электрогидравлическая обработка скважины включает создание гидравлических ударов, которые помогают разрушать минеральные отложения на фильтрах и в порах грунта, улучшая проницаемость водоносного слоя. Гидроудар — эффективный, но рискованный метод, который может привести к повреждению скважины. В процессе механической очистки используют пульсацию. Пульсирующие давление создают вибрацию, которая способствует удалению отложений и увеличивает подачу воды из скважины.

Для улучшения доступа воды из водоносного слоя к насосу делается перфорация обсадной трубы скважины, т. е. создание в этой трубе дополнительных отверстий.

Для удаления твердых примесей с внутренней поверхности фильтровой колонны применяют специальные механические щётки (ерши).

Химическая очистка скважины (химическая реанимация) основана на растворении кольматирующих образований с помощью кислот (соляной или уксусной) и реагентов для растворения карбонатных отложений, оксидов железа и марганца, блокирующих работу скважины».

Для предотвращения коррозии металлических элементов скважины в кислоту добавляют ингибиторы (катапин, уникол).

Реагенты-нейтрализаторы — переводят нерастворимые гидроксиды и карбонаты металлов в растворимые соли. Реагенты-восстановители преобразуют нерастворяемое трехвалентное железо в двухвалентное растворимое. Реагенты-комплексообразователи — образуют растворимые соединения железа и кальция (триполифосфат натрия, гексаметафосфат натрия).

После химической очистки скважина должна быть тщательно промыта чистой водой под давлением для удаления всех отложений.

Для поддержания расчетного расхода воды подземного водозабора, не реже одного раза в год, необходим технический анализ работы скважины и регулярные профилактические мероприятия: проведение лабораторных анализов воды для оценки изменений ее химического состава; контроль качества воды в целях устранения загрязняющих веществ.

Для повышения эффективности работы водозаборного сооружения и снижения энергетических затрат применяют методы технической модернизации: подбор насоса с оптимальными характеристиками в соответствии со статическим и динамическим уровнем воды в скважине. Известно, что при работе погружного насоса большой или недостаточной мощности наблюдаются резкие колебания уровня воды в скважине. Все это снижает дебит скважины, изменяет параметры насоса, приводит к увеличению отложений и в результате к увеличению энергозатрат при откачках воды из скважин.

Регулярное техническое обслуживание скважинных насосов также является важным фактором оптимизации работы водозабора. Загрязнение рабочих частей насоса и другие причины приводят к снижению эффективности работы насоса, увеличению потребления электроэнергии, снижению срока службы насоса.

В процессе работы насоса важно следить за состоянием трубопровода и арматуры. Засорение труб, утечки и другие неисправности приводят к снижению объема подаваемой воды, т. е. к снижению дебета скважины.

В настоящее время ведутся научные и практические исследования по оптимизации режимов работы водозаборов, направленные на увеличение производительности скважин при минимальных энергозатратах.

В связи с этим определенный интерес вызывают работы В. В. Ивашечкина и Ю. А. Медведевой (Белорусский национальный технический университет) по созданию двухколонных скважин с двумя независимыми фильтрами. Между коллекторами скважины выше и ниже фильтров устанавливается соединительные перемычки (рисунок 1).

Рис. 1. Геолого-технические разрезы опытных скважин: 1 — одноколонная скважина с двухсекционным фильтром; 2 — одноколонная типовая скважина; 3 — двухколонная двухфильтровая скважина [1, с. 6]

В двухколонных двух фильтровых скважинах вместо одного погружного насоса большей мощности используется два менее мощных. Один из насосов выполняет основную нагрузку- подъем воды из скважины на поверхность, второй насос включается в процесс в момент пиковой нагрузки. Такая схема позволяет организовать работу наосов таким образом, чтобы максимальная производительность скважины, при минимальных колебаниях уровня воды в скважине, осуществляется с минимальными энергозатратами.

В процессе работы таких скважин из-за наличия двух фильтров снижается интенсивность кольматации скважины, повышается надежность конструкции скважины.

Повышение эффективности работы скважины при минимальных энергетических и прочих затратах на подъем воды требует комплексного подхода к данной проблеме, включая регулярное обслуживание, использование современных технологий химической и механической очистки скважин и модернизацию конструкции скважины.

Литература:

1. Медведева, Ю. А. Двухколонные двух фильтровые водозаборные скважины и методы восстановления их дебита: специальность 05.23.04 «водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водные ресурсы»: автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук / Медведева Юлия Александровна; Белорусский нац. технический ун-т. — Минск, 2024. — 27 с. — Текст: непосредственный.
2. Ивашечкин, В. В. Оптимизация работы водозаборов подземных вод с помощью двухколонных скважин / В. В. Ивашечкин, Ю. А. Медведева. — Текст: непосредственный // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энергетических объединений СНГ. — 2022. — № 5. — С. 451–462.
3. Ивашечкин, В. В. Двухколонная водозаборная скважина и расчет режимов ее работы / В. В. Ивашечкин, Ю. А. Медведева. — Текст: непосредственный // Горный журнал. — 2022. — № 4. — С. 57–61.
4. Медведева, Ю. А. Новая конструкция двухколонной двухфильтровой скважины для забора подземных вод и бесперебойной и надежной доставки воды потребителям / Ю. А. Медведева, В. В. Ивашечкин. — Текст: непосредственный // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. — 2020. — № 5. — С. 50–55.