ВОДОЗАБОРНАЯ СКВАЖИНА С ОТБОРОМ ПОДЗЕМНОЙ ВОДЫ
WATER SUPPLY WELL WITH UNDERGROUND WATER INTAKE

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для эксплуатации подземных вод водозаборными скважинами и подачи подземной воды в магистральные линии систем орошения.
Известен трубчатый колодец, содержащий обсадную трубу, в которой установлен насос. Полость нагнетания насоса сообщена с водоподъемной трубой. В колодце установлено уплотнение, образующее с обсадной трубой и оголовком колодца герметичную камеру, соединенную с водоподъемной трубой (А.С. СССР №279485, кл. Е03В 3/12,1967).
Недостатком известного колодца является то, что при его эксплуатации запас воздуха, находящегося под давлением в герметичной камере, в результате растворения в воде постепенно уменьшается, что приводит к ухудшению эксплуатационных качеств.
Известно водозаборное устройство, содержащее напорный трубопровод, погруженный в скважину многосекционный насос с трансмиссионным валом, проходящим внутри напорного трубопровода или заполненной маслом трубе, электродвигатель, установленный на станине над устьем скважины (Шабалин А.Ф. Эксплуатация промышленных водопроводов. - Металлургия, 1972, с.143).
Однако наличие у данного устройства трансмиссионной передачи, не позволяющей точно отрегулировать зазоры между рабочими колесами и направляющими аппаратами насоса, приводит к большим объемным потерям, снижению подачи действия насоса.
В качестве прототипа принято водозаборное устройство, содержащее составленный из соединенных муфтами отрезков туб, напорный трубопровод, многосекционный насос с погружным электродвигателем и установленный в водоприемной части скважины сетчатый фильтр с отстойником, причем первая из размещенных ниже статического уровня воды муфта напорного трубопровода выполнена в виде держателя уплотняющего элемента, внутренняя полость последнего из которых соединена с линией повышенного давления, проложенной вдоль напорного трубопровода к устью скважины (Патент РФ №2083768, кл. Е03В 3/08, Е21В 43/00, 1995).
Недостатком известного водозаборного устройства является его сложность конструкции, необходимость использования энергоемких и сложных в эксплуатации электропогружных насосов, а также снижение эффективности при условиях, когда величина оттока подземных вод за пределы зоны влияния водозабора превышает дефицит водозабора из водоносного горизонта и затраты на обеспечение перетока подземных вод с нижерасположенному по потоку подземных вод существенно требует расходы на строительство других дополнительных устройств, связанные с устройством искусственной завесы (барража), что может определять неблагоприятные условия при их сельскохозяйственном использовании.
Использование подземных вод для орошения в каждом отдельном случае определяют, исходя из конкретных условий и технико-экономических соображений. При этом все это обусловлено законами движения подземных вод, глубиной их залегания, физико-химическим составом и др.
Поэтому другим недостатком известного водозаборного устройства является снижение надежности при работе насосного агрегата с учетом специфических требований различных технологических режимов, например, когда происходит падение динамического уровня воды в скважине ниже уровня, при котором обеспечивается нормальная работа насоса и скважины. Отсутствует автоматический контроль пуска насоса при срабатывании какой-либо защиты, а также из-за неравномерного притока или по другим причинам может не оказаться воды.
Целью заявляемого изобретения является повышение производительности насоса, обеспечение бесперебойной работы водозаборной скважины и повышение эффективности за счет увеличения общего доступа воздуха в область вакуума.
Указанная цель достигается тем, что в водозаборной скважине с отбором подземной воды, содержащей обсадную трубу, в которой установлен дырчатый фильтр в виде отрезка трубы с выполненной на его поверхности перфорацией, линия повышенного давления и электродвигатель, в зоне влияния водозабора устанавливают дополнительную перфорированную трубу, снабженную эжектором, активное сопло которого подсоединено к перфорированной трубе, и к эжектору подсоединен воздухоподводящий конфузор с обратным клапаном. Кроме того, конфузор с конусностью установлен в сторону входной части камеры эжектора, при этом перфорированные отверстия дополнительной трубы с дырчатым фильтром просверлены наклонно к основанию трубы и обе трубы заглублены на одном уровне водоносного горизонта. При этом она снабжена автоматической системой управления.
Отличительными признаками от прототипа являются:
- в пределах зоны влияния водозабора устанавливают дополнительную перфорированную трубу с просверленными отверстиями наклонно к основанию трубы, и она снабжена эжектором;
- для подвода воздуха в область вакуума и увеличения его общего объема установлен конфузор с конусностью, направленной в сторону входной части камеры эжектора, и конфузор имеет обратный клапан;
- периодически подают энергию извне путем закачки воды через эжектор, в результате чего эжекторное активное сопло с нагнетательной камерой соединено с воздухоподающим конфузором;
- по мере повышения уровней подземных вод в пределах зоны влияния водозабора и накопления подземного стока в водоносном горизонте автоматическая система включения приводит в действие вакуумный насос, который приводит скважину в исходное положение, т.е. включается в работу.
В пределах зоны влияния водозабора устанавливают дополнительную перфорированную трубу, представляющую собой, например, скважину с дырчатым фильтром в виде трубы с выполненной на ее поверхности перфорацией, опущенную в водоносный горизонт на одном уровне с водозаборной скважиной, причем скважность дополнительной трубы дырчатого фильтра составляет 5-15%. Отверстия просверлены наклонно к основанию трубы, под углом 30-40 градусов к оси трубы. Дополнительная скважина верхним концом присоединяется к эжектору с активным соплом, куда подводится вода под большим напором, т.е. насос, по которому подводится жидкость, включающий активное сопло, камеру смешения и диффузор, а также воздухоподающий конфузор с конусностью, направленной в сторону входной части камеры эжектора. Жидкость с большой скоростью выбрасывается в камеру смешения и увлекает подсасываемый атмосферный воздух через воздухоподающий конфузор и действует как вакуум-насос. При этом атмосферный воздух поступает в камеру эжектора и оттуда в трубу, соединенную с отрезком дырчатого фильтра, заглубленного в водоносный пласт. За счет этого увеличивается поступление общего объема воздуха и происходит смешивание с водой, обеспечивая его поступление через дырчатый фильтр в эксплуатируемый водоносный горизонт, и обеспечивает дебитом водозаборную скважину из эксплуатируемого горизонта, т.е. приток к ней подземной воды. В свою очередь, это позволяет регулировать статический уровень в водозаборной скважине. Кроме того, приток воды в рабочую скважину может достигнуть динамического уровня, тогда дополнительную трубу с эжектором можно отключать, а благодаря воздухоподводящему конфузору с обратным клапаном обеспечивается продолжение автоматического поступления воздуха в дополнительную трубу с определенным повышенным объемом, что повышает давление в водоносном горизонте, так происходит забор воды в скважине.
При движении воздуха в конфузоре происходит сужение его и увеличивается его скорость, в результате чего устройство продолжает работать.
Автоматическая система на рабочей скважине приводит в действие вакуумный насос, который приводит в работу насос для откачки воды в систему орошения или осушение земель. Основной задачей здесь вакуум-насоса является обеспечить постоянный отсос воздуха из основной скважины, поступающего из водоносного горизонта из дополнительной скважины с водой. На основной скважине может быть установлен датчик давления расхода воздуха. Такое устройство обеспечивает надежную эксплуатационную работу насоса водозаборной скважины, т.е. после этого включается электродвигатель.
Следует отметить, что эжектор с воздухоподающим конфузором и с обратным клапаном чрезвычайно удобен для подачи атмосферного воздуха повышенного давления. Он не имеет движущихся частей, не боится попадания воды в приемную камеру и частиц песка. Таким образом, процесс запуска водозаборной скважины получается весьма простым, насос начнет работать и будет подавать воду в напорный трубопровод (потребителю), например на орошение или осушение земель. Вентиль закрывается, и вакуум-насос отключается на водозаборной скважине.
Таким образом, обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: регулирование гидрологического режима подземных вод в зоне водозаборной скважины, в частности, за счет увеличения к ней притока подземных вод из водоносного горизонта и расходование воды, например, на орошение или откачку дренажных вод, отличающееся от известных конструкций принципом работы.
Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется чертежом, представлен общий вид водозаборной скважины с отбором подземной воды.
Водозаборная скважина с отбором подземной воды содержит дырчатый фильтр 1 в виде трубы с выполненной на ее поверхности перфорацией 2 с отстойником 3, насос 4, магистральный трубопровод 5, задвижку 6, электродвигатель 7, вакуумный насос 8 с автоматической системой 9 включения и задвижку 10.
На эксплуатируемом водоносном горизонте и для увеличения притока подземной воды на определенном расстоянии устанавливают на одном высотном уровне дырчатый фильтр 1 в виде отрезка трубы, дополнительный отрезок перфорированной трубы 11 с дырчатыми отверстиями 12, выполненной в виде трубы с перфорацией на ее поверхности, снабженной напорной трубой 13, по которой подводится вода под большим напором с эжектором, включающим активное сопло 14, камеры смешения 15, 16 и диффузор 17. Для пуска и отключения воды в трубу 18 установлена задвижка 19. Эжектор также включает воздухоподающий конфузор 20 с конусностью, направленной в сторону входной части камеры 15 смешения, и обратный клапан 21, закрепленный перед камерой 5 смешения.
Водозаборная скважина с отбором подземной воды работает следующим образом.
Перед запуском эжектора в работу задвижка 19 на трубопроводе 13 открывается, вода под напором проходит через сопло 14 эжектора и создает эжектирующее действие на атмосферный воздух, поступающий из воздухоподводящего конфузора 20 через обратный клапан 21 в камеры смешения 15 и 16 и далее в диффузор 17. Сопло 14 повышает интенсивность подсоса атмосферного воздуха из воздухоподающего конфузора 20, т.е. создается разрежение и происходит всасывание воздуха.
Таким образом, вода, смешанная с атмосферным воздухом, поступает в дополнительную перфорированную трубу 11 с увеличенным расходом (подаваемая под напором и эжектируемая). Разрежение, создаваемое в камере эжектора, увеличивает производительность, исключает скапливание атмосферного воздуха перед активным соплом эжектора. Для работы дополнительной трубы поступает вода с соответствующим напором, следовательно, для нагнетания жидкости в водоносный горизонт используется живая сила потока жидкости вместе с воздухом. Отверстия просверлены наклонно к основанию трубы, при этом обе трубы заглублены на одном уровне водоносного горизонта, а перфорация выполнена под углом 30-40 градусов к оси трубы, позволяет проникать большому объему воздуха в водоносный горизонт под углом и продавливать вместе с жидкостью (водой) для осуществления притока воды в направлении к водозаборной скважине, что приводит к значительному увеличению удельных расходов воды в створе водозаборной скважины с дырчатым фильтром 1. За счет впуска сжатого воздуха с жидкостью давление воды в водоносном пласте повышается, и воздух также будет проникать в водозаборную скважину. Объем воздуха в водозаборной трубе повысится, проходя через фильтр 1 скважины. На этой стадии скважина не работает. Наличие вакуумного насоса 8 с автоматической системой 9 включения позволяет произвести откачку воздуха, в результате чего статический уровень воды повышается, образуется подпор подземных вод за счет увеличения притока на регулируемом участке. Затем при прекращающейся откачке воздуха и при достижении некоторого минимального перепада давления открывают задвижку 6 и осуществляют пуск электродвигателя 7 скважины. Таким образом, после повышения давления в подземном пласте до отметок, обеспечивающих требуемый водоотбор, подачу воды из напорной трубы 13 прекращают перекрытием задвижки 19, тогда как остается возможность осуществлять автоматически поступление атмосферного воздуха по воздухоподводящему конфузору 20 с обратным клапаном 21, что обеспечивает также повышенное давление и приток подземных вод в сторону водозаборной скважины 1 под разностью давления воздуха между обеими скважинами. При резком снижении дефицита воды в скважине до допустимых пределов подачу жидкости (воды) из напорного трубопровода 13 возобновляют.
Выделившийся воздух отсасывается вакуум-насосом 8 и направляется в атмосферу (на чертеже не показано). При этом работа вакуум-насоса должна быть отрегулирована автоматической системой 9 включения с электродвигателем 7 так, чтобы в скважине поддерживался постоянный уровень воды, и обеспечивалась достаточная производительность насоса с непогружным электродвигателем. Однако по мере эксплуатации может произойти дефицит забора воды из скважины 1, т.е. уменьшение дебита скважины. Для восстановления дебита производят остановку скважины, сообщающейся трубой с отсасывающим вакуум-насосом 8, и остановку электродвигателя 7 и под напором воду нагнетают в дополнительную трубу 13, которая проходит через активное сопло 14 эжектора с подводящим с воздухоподводящим конфузором 20 с обратным клапаном 21, обеспечивая начало нового цикла работы водозаборной скважины.
Таким образом, при необеспеченности водоотбора из водоносного горизонта, особенно в маловодные годы, возникает необходимость регулирования подземного стока посредством создания повышенного подземного давления на водоносный горизонт. В связи с этим водоносный горизонт, в котором создается дополнительное давление (перепад давления), должен иметь непосредственно сообщение с атмосферным воздухом при наличии эжектора, активное сопло которого подсоединено к отводящей камере 15 и 16 с воздухоподводящим конфузором 20. Давление воздуха со стороны дополнительной трубы с дырчатым фильтром, скважность которого составляет 5-15%, с отверстиями, просверленными наклонно к основанию трубы, под углом 30-40 градусов к оси трубы, несколько выше, чем напор подземных вод в створе забора воды насосом 4 - превышение уровня воды над водоупором. При этом производительность трубы 1 скважины может быть увеличена в соответствии с гидрологическими условиями водоносного пласта, в частности, в соответствии с мощностью зоны аэрации, которая и определяет потенциальные возможности накопления подземных вод в зоне створа водозабора. Пределы возможного увеличения производительности водозабора скважины 1 определяются гидрологическим обоснованием. Продолжительность нагнетания воздуха, смешанного с напорной водой, в водоносный горизонт дополнительного отрезка трубы 1 в сторону водозаборной скважины может соответствовать продолжительности мощности отбора насоса 4 в условиях естественного восстановления эксплуатируемого водоносного горизонта не ниже динамического уровня воды в скважине, например продолжительность сезонного орошения или откачки дренажных вод, когда интенсивность в летние периоды повышается. Необходимо отметить, что в случаях глубокого заложения дренажных коллекторов может возникнуть необходимость в перекачке дренажных вод. Основным механическим оборудованием этих станций являются горизонтальные центробежные насосы, поэтому нужны вакуумные насосы. Поэтому с целью упрощения в конструкции станции применены вертикальные насосы, что особенно эффективно при откачке воды непосредственно из скважины вертикального дренажа. Гидрологические расчеты наиболее простых систем дренажей базируются на законе движения грунтовых вод. При откачке воды из однородного водоносного пласта со свободным уровнем вокруг дрены образуется депрессионная воронка с максимальным понижением уровня воды в колодце. Возможность управлять производительностью расхода насоса из скважины за счет снабжения насоса автоматической системой управления 9 с задвижкой 10 и, соответственно, связь с дополнительной трубой 13 с эжектором и с воздухоподводящим конфузором 20 с обратным клапаном 21 позволяет управлять гидрологическим режимом подземных вод на участке подземного пласта, что особенно важно в пластах относительно небольшой мощности. Пуск вакуумного насоса производится при понижении уровня в водонапорной трубе скважины до нижнего предела уровня воды в ней. В этом случае полученный сигнал передается на прибор управления, который включает вакуумный насос в работу. Контрольно-диспетчерский пункт (на чертеже не показано) позволяет проверить выполнение операций пуска или остановки вакуумного насоса в соответствии с полученным сигналом. Такая возможность не обеспечивается ни одним известным техническим решением.
Управление такой скважины по существу сводится к управлению электродвигателем 7 за счет контроля автоматической системой управления вакуум-насосом и контроля за подачей в дополнительную трубу 13 воды под напором, проходящей через активное сопло 14 эжектора, т.е. обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата независимо от его использования для орошения или осушения земель с учетом специфических требований технологических режимов. При этом в скважине вода с воздухом из нижних слоев поднимается до динамического уровня и выше. Созданное повышенное давление выделенного объема воздуха в трубе перед электродвигателем 7 удаляется автоматической системой 9 и включением в действие вакуумного насоса 8, т.е. позволяет увеличить степень разрежения воздушной среды над динамическим уровнем воды в скважине и, тем самым, включить в работу электродвигатель с насосом.
Предлагаемое изобретение позволяет не только восстановить производительность скважины, но и значительно увеличить ее дебит и тем самым продлить срок эксплуатации для орошения и осушения земель, а это снижает капитальные затраты на строительство дополнительных водозаборных скважин для подъема грунтовых вод. Таким образом, функциональные возможности и конструктивные особенности строительства позволяют проводить забор воды из скважины на орошение или удаление дренажных вод при осушении земель.