Способ увеличения производительности водозабора подземных вод
METHOD TO INCREASE PRODUCTIVITY OF WATER ABSTRACTION OF UNDERGROUND WATER

Изобретение относится к водоснабжению и может использоваться при регулировании подземного стока водоносных горизонтов для повышения надежности водоотбора и его увеличения, преимущественно в прибрежных морских районах.
Известен способ пополнения подземных вод (а.с. СССР №1094921, МКИ 5 Е 03 В 3/32, опубл. 30.05.84, бюл. №20) созданием подпора уровней воды в водотоке, питающем эксплуатируемый водоносный горизонт, с помощью водоподъемной плотины, установленной в створе ниже водозабора по течению, которая создается при наступлении отрицательных температур воздуха путем искусственного образования наледи в водотоке и промерзания прирусловых отложений, причем участок русла выполаживают, расширяют и устанавливают на нем теплообменник, соединенный с атмосферой. За счет повышения интенсификации инфильтрационного питания водоносного горизонта из русла реки удается обеспечить достаточную надежность водоотбора или увеличить дебит водозабора в холодный период года.
Недостатком известного технического решения является снижение эффективности за счет увеличения непроизводительных потерь подземного стока с участка регулирования запасов подземных вод.
Известен способ пополнения подземных вод (Патент по а.с. СССР №1638274, МКИ 5 Е 03 В 3/32, опубл. 30.03.91,) созданием подпора уровней воды в водотоке, питающем эксплуатируемый водоносный горизонт, с помощью водоподъемной плотины, установленной в створе ниже водозабора по течению, которая создается при наступлении отрицательных температур воздуха путем искусственного образования наледи в водотоке и промерзания прирусловых отложений, причем участок русла выполаживают, расширяют и устанавливают на нем теплообменник, соединенный с атмосферой. Для регулирования процесса формирования наледной плотины определяют эксплуатационный уровень воды в реке, необходимый для поддержания требуемого дебита водозабора в период отрицательных температур воздуха, регулируют поступление воздуха в теплообменник при поднятии уровня воды в реке выше эксплуатационного и возобновление поступления воздуха - при уровне ниже эксплуатационного.
Недостатком известного технического решения является снижение эффективности за счет увеличения непроизводительных потерь подземного стока с участка регулирования запасов подземных вод.
Известен способ периодического увеличения водоотбора из напорных водоносных горизонтов (Патент по а.с. СССР №1638274, МКИ 5 Е 03 В 3/32, опубл. 30.03.91, бюл. №12, изм. в Гос. реестре 21.04.92), заключающийся в бурении дополнительных скважин на участке за пределами границы влияния скважин основного водозабора и повышении давления в водоносном горизонте нагнетанием воздуха в дополнительные скважины с одновременным водоотбором из скважин основного водозабора.
Известный способ наиболее эффективен при отсутствии источников искусственного пополнения запасов подземных вод, например, при отсутствии стока в реке в маловодные периоды года. При этом увеличение эксплуатационных запасов подземных вод обеспечивается привлечением дополнительных ресурсов со смежных участков водоносного горизонта за счет вытеснения воды из водосодержащих пород воздухом, нагнетаемым под давлением через скважины, расположенные в поперечном створе потока подземных вод.
Недостатком известного способа является снижение эффективности при условиях, когда величина оттока подземных вод за пределы зоны влияния водозабора превышает дефицит водоотбора из водоносного горизонта и затраты на обеспечение перетока подземных вод с нижерасположенного по потоку подземных вод смежного участка существенно превышают расходы на строительство подземного водохранилища с регулированием подземного стока.
В прибрежных районах  на юге  нашей страны, где водные запасы ограничены, население зачастую снабжается  подземными водами, Объёмы использования всё время растут. Вместе с тем, проводимые исследования, показывают, что подземные воды нередко  разгружаются в  субмаринные горизонты, и по сути теряются для использования (см.  Зекцер И.С, Подземный сток и ресурсы пресных подземных вод стр. 100. М. Научный Мир 2012г). Кроме того, отбор подземных вод может «подтягивать» минерализованные воды из глубоких водоносных горизонтов, малопригодные для питья, а в прибрежных районах – солёные морские воды (см. Там же , стр. 37).Растущие потребности в водных ресурсах требуют решения ряда практических задач, в том числе-разработать природоохранные ограничения интенсификации отбора подземных вод и повысить степень использования подземных вод, в том числе путём их искусственного восполнения.
Известно проектирование и строительство бетонных плотин на пути проникновения морских вод вглубь материка  через карстовую галерею (см.  Зекцер И.С. Подземный сток и ресурсы пресных подземных вод, М. Научный Мир 2012г., стр. 107) с целью оптимизации водоснабжения подземными водами.  Плотина построена в самой глубокой части карстовой галереи на расстоянии 500м от выхода её в море. Плотина позволяет предотвратить попадание морских вод в подземные горизонты, однако её сооружение требует значительных материальных затрат.
Известен  способ снижения  непроизводительных потерь из подземного водохранилища в маловодные периоды года путём создания противофильтрационной завесы из слабопроницаемых грунтов ниже места расположения водозабора в долине реки, а также подпора  уровней  в русле реки выше  створа расположения противофильтрационной завесы (см а.с. СССР №1201433, Е03В 3/32,опубл. 30.12.1985г.). Данный способ не всегда применим, в частности из-за отсутствия рек.
,
)
Известен способ защиты водных ресурсов с помошью горизонтальных (межпластовых) противофильтрационных завес(см.патент РФ № 2347034, Е02В 3/16, опубл. 20.02.2009. Способ включает сооружение в границах литологического или гидрогеологического «окна» горизонтальной противофильтрационной завесы, т.е. искусственного водоупора. На участке отсутствия водоупорного слоя проходят вертикальный шахтный ствол или стволы, из которых разбуривают веер горизонтальных лучевых инъекционных скважин. По длине скважин выделяют 2-3 зоны или интервала инъектирования водопроницаемых пород в зоне «окна» различными по вязкости или подвижности и скорости схватывания или гелеобразования закрепляющими составами, после истечения срока схватывания которых на участке «окна» образуется горизонтальная межпластовая противофильтрационная завеса, препятствующая перетоку подземных вод между смежными горизонтами и проникновению загрязнений в водоносный горизонт, используемый для водоснабжения.
Способ позволяет предотвратить истощение и загрязнение водоносных горизонтов, но данный способ трудоёмок.
Известен «Способ предотвращения загрязнения грунтовых вод» (см. патент РФ№2052575, Е02В 3/16).
Способ предусматривает формирование динамичной гидрозавесы, позволяющей создать барьер на пути движения загрязнений и пополнить запасы воды водозабора.
На практике способ осуществляют следующим образом. Ниже источника загрязнения по потоку грунтовых вод нормально потоку отрывают канал, заглубленный до водоупорного слоя. Для осуществления гидравлической связи канала с водоносным пластом по оси канала разбуривают ряд поглощающих скважин. В канал подают воду из водозаборных скважин или наземных водоисточников (реки, озера). При этом в водоносном горизонте вдоль канала образуется вал из подаваемой воды, который препятствует дальнейшему продвижению загрязненных вод.
Способ позволяет предотвратить истощение и загрязнение водоносных горизонтов, но данный способ трудоёмок и требует подачи чистой воды, которая дефицитна, кроме того, подаваемая вода испаряется из канала, что приводит к потерям, возможно попадание в канал загрязнений с пылью, дождевыми потоками, по причине человеческого фактора; со временем канал заиливается и его необходимо чистить.
Известен способ предотвращения продвижения жидких загрязнений в массиве горных пород,  (см. патент РФ №2365709, Е02В 3/16, опубл. 27.08.2009), включающий сооружение перпендикулярно потоку загрязненных вод гидравлической завесы, создающей в водоносном пласте по трассе гидрозавесы вал - путем подачи в пласт чистой воды и поднятия уровня в нем подземных вод, при этом по трассе гидрозавесы сооружают линейную или круговую замкнутую систему нагнетательных скважин, объединенных водоподающим напорным трубопроводом, который подключают к насосной станции и снабжают дозаторами для подачи в нагнетаемую воду нейтрализующих загрязнения составов и системой управления режимом напоров и производительности закачки воды, который принят за прототип.
Данный способ лишён  ряда недостатков технического решения по патенту РФ №2052575, однако он  достаточно трудоёмок в осуществлении, также требует подачи для создания гидрозавесы чистой воды.
Технической задачей и техническим результатом настоящего технического решения являетсяувеличения производительности водозабора подземных вод, повышение степени использования подземных вод  в прибрежных морских районах путём их искусственного восполнения без ухудшения качества подземных вод и предотвращение их безвозвратных потерь за счёт  поступления их в субмаринные горизонты, а также предотвращение поступлений   морских солёных вод в подземные горизонты.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе увеличения производительности водозабора подземных вод  за счёт создания гидравлической завесы, создающей в  водоносном пласте по трассе гидрозавесы вал путем подачи в пласт воды и поднятия уровня в нём подземных вод, имеются отличия, а именно,  ниже водозабора в водоносный горизонт подают высоко очищенную сточную воду путём воздействия на нее кавитацией высокой и низкой интенсивности, чтообеспечивает высокую текучесть очищенной воды. Перед подачей в водоносный горизонт очищенную воду также обезвоздушивают и  охлаждают до температур на 2-3 градуса ниже температуры подземных вод субмаринной разгрузки. При подаче воды в подземный горизонт обустраивают самотечный выпуск, доводя скорость воды до скоростей фильтрации подземного горизонта и переводят ее поток из турбулентного режима движения в ламинарный.
Это препятствует разгрузке пресного водоносного пласта в субмаринные горизонты и засолению водоносного горизонта морскими водами. Тем самым, увеличивается производительность водозабора и утилизируются очищенные сточные воды без ущерба качеству подземных вод.
Способ заключается в следующем:
Ниже водозабора в водоносном пласте, разгружающимся в субмаринные горизонты, создают гидрозавесу путём создания в водоносном пласте вала из воды, для чего в пласт подают высоко очищенную сточную воду, которую перед подачей в водоносный горизонт обрабатывают кавитацией высокой (с числами кавитации G=0,1-0,5) и низкой интенсивности (с числами G=0,001-0,005 кавитации), подаваемую воду обезвоздушивают и  охлаждают до температур на 2-3 градуса ниже температуры подземных вод субмаринной разгрузки. При этом, степень очистки сточных вод обеспечивается до требований сброса в рыбохозяйственный  водоем,  действующих на соответствующей территории..
Положительный эффект от обработки воды кавитацией высокой интенсивности (с числами кавитации G=0,1-0,5) (см. – И.Пирсол «Кавитация». М., «Мир», 1975, стр. 65-70), приводит не только к разрушению оболочек микроорганизмов и их гибели, но и к разрушению сплошности потока водоносных горизонтов, при этом обработка воды кавитацией низкой интенсивности (с числами G=0,001-0,005 кавитации) увеличивает текучесть сточной воды, препятствующей прохождению питьевой воды из подрусловых водоносных горизонтов.
Очищенную сточную воду обезвоздушивают, что приводит к увеличению плотности воды, подаваемой в водоносный горизонт, а также охлаждают до температур на 2-3 градуса ниже температуры подземных вод субмаринной разгрузки. Тем самым, улучшают качество работы гидрозавесы.
При подаче воды в подземный горизонт обустраивают самотечный выпуск, доводя скорость воды до скоростей фильтрации подземного горизонта и переводят ее поток из турбулентного режима движения в ламинарный. Для осуществления способа может быть использовано следующее оборудование.
Сточную воду подают в устройство для отбора тепловой энергии, затем, при перекачке используют устройства создания кавитации высокой и низкой интенсивности. Для обработки воды кавитацией высокой интенсивности используют типовые струйные аэраторы.
Для обработки воды кавитацией низкой интенсивности может использоваться устройство, выполненное согласно патента РФ № 2260716.
При подаче сточной воды в подземный горизонт обустраивают самотечный выпуск и доводят скорость воды до скоростей фильтрации подземного горизонта, используя устройство, выполненное согласно патента РФ №2244786. В подземных горизонтах при таком способе подачи вода освобождается также от антропогенных полей, полученных ею в результате хозяйственного использования и возвращает себе природные качества.
3
3
Пример 1. В маловодный период увеличение производительности водозабора до 125 тыс. м/сутки достигается за счет предотвращений разгрузки подрусловых вод в субмаринные горизонты. При этом на замещение требуется не менее 130 тыс. м/сутки утяжеленной очищенной сточной водой, которая обеспечивает гидравлический подпор одновременно нескольким подземным потокам: сверху пресной воды, снизу морской.
3
Пример 2. В период мокрого сезона не увеличивается количество подаваемой очищенной сточной воды в субмаринные горизонты для подпора верхних потоков и снизу морской воды. Поэтому требуемое количество утяжеленной воды составит 125 тыс. м/сутки.
Пример 3. Для уменьшения перерасхода подаваемой на замещение очищенной сточной воды за счет повышения ее текучести в маловодный период число кавитации низкой интенсивности G повышают с величины 0,001 до 0,005, а число кавитации высокой интенсивности G снижают от величины 0,1 до 0,05.
Пример 4. Скорости движения подаваемой на замещение воды в начале снижают с 0,7-0,5 до 0,003-0,002 м/с, при этом скорость движения потока воды замещенного подруслового горизонта составляет 0,0003 м/с.
Пример 5. При температуре Т=+7°С воды подрусловых горизонтов требуется для создания в водоносном пласте подпорного вала высокоочищенную сточную воду охлаждать до величины Т=+4÷5°, при этом ее подача должна быть непрерывной, так как рабочий гидравлический режим всех водных потоков постоянен.
3
2
3
2
Пример 6. При температуре охлажденной воды до 4-5°С ее вязкость составляет 1,51мх10Н⋅с/м при воздействии кавитации высокой интенсивности G=0,14-0,5 вязкость воды снижается до 0,28мх10Н⋅с/м, тем самым текучесть воды увеличивается, создавая своего рода гидравлическую плотину, препятствующую проходу в субмаринные потоки пресных вод из водоносных горизонтов водозабора.