Что такое артезианская скважина, особенности возведения

По условиям залегания подземная вода бывает грунтовой и артезианской. Всё, что выше первого водоупорного слоя – это грунтовая вода. Дальше водоупоры чередуются с водоносными горизонтами, и находящаяся в них вода называется межпластовой. Водоносные горизонты залегают либо в песчаных грунтах, либо в известняках, и если вода в них напорная, что бывает на глубине не менее 15 м от поверхности, она называется артезианской. Соответственно, артезианская скважина — это водозаборное сооружение, способное достать межпластовую воду с большой глубины.

Преимущества и особенности артезианских водозаборов

Чтобы было понятно, чем артезианская скважина отличается от грунтовой, приведём их основные отличительные признаки. Скважины на воду являются одними из важнейших гидрогеологических объектов, так как решают вопрос обеспечения питьевой водой удалённых объектов и пастбищ, крупных строек, к которым ещё не подведены коммуникации, да и просто небольших населённых пунктов или группы зданий.

По сравнению с колодцами или родниковыми каптажами, артезианская скважина позволяет добывать воду с большой глубины, и речь идёт даже не о десятках, а о сотнях метров. Имея нужное оборудование, бурить можно даже твёрдые скальные породы, и получать воду для самых разных целей — в том числе и для пополнения запасов в водохранилищах.

Отличительные признаки водоносных горизонтов

С точки зрения гидравлики, подземные воды делят на две категории: безнапорные (в основном это верховодка и грунтовые, редко межпластовые воды) и напорные (межпластовые, они же артезианские воды).

• Верховодка образуется за счёт инфильтрации ливневых и талых вод, заполняющих имеющиеся в приповерхностном слое земли пустоты. Эта вода залегает выше грунтовой, плохо очищается, так как путь через грунт проходит небольшой, а потому может использоваться лишь для полива и хозяйственных нужд.
• Грунтовая вода находится более глубоко — и не в линзах, а в толще грунта. Хоть снизу она и подпирается водоупорным глинистым пластом, сверху ничем не ограничена, поэтому имеет свободную поверхность.

• Этот водоносный горизонт находится ближе всего к поверхности земли, внутри него не создаётся давление, поэтому вода здесь безнапорная. Бассейн грунтовых вод имеет наибольшее распространение. Из-за отсутствия водоупора над горизонтом, уровень воды в нём постоянно колеблется. Это приводит к переполнению или истощению запасов, что влечёт изменение как химического и микробиологического состава, так и физических свойств воды.
• Та вода, что залегает между двумя водоупорными пластами, испытывает воздействие гидростатического давления, и чем больше глубина, тем оно выше. Именно поэтому при вскрытии водоносного пласта буровым оборудованием, вода под напором изливается на поверхность, а иногда и просто фонтанирует.

Условия залегания водоносных горизонтов могут быть разными: отличается не только глубина залегания, но и размер, и наполненность бассейна, фильтрационные характеристики, характер водообмена, скорость течения, степень минерализации и даже температура воды. Всё это определяется с помощью разведочного бурения, на основе которого и определяется конкретная цель водопользования.

Что представляет собой водозаборная скважина

С точки зрения конструктива скважина представляет собой вертикально заглублённый трубопровод, связывающий источник воды с земной поверхностью. При этом степень вскрытия водоносного пласта может быть полной (вплоть до нижнего водоупорного слоя), и неполной, когда водоприёмная часть трубы как бы зависает в толще проницаемого грунта. По этому признаку скважины соответственно классифицируют как совершенные и несовершенные.

• Оборудование скважины тоже может быть неодинаковым: они могут не иметь фильтра вообще, а если имеют, то конструкции фильтровой колонны различаются. Всё это зависит от категории и качества водоносного пласта, его способности отдавать воду, и отделять её от породы.
• Бесфильтровые скважины можно устраивать только в твёрдых устойчивых породах и на песке, кровлей которого является стабильный, поддерживаемый за счёт напора воды, глинистый пласт. В остальных случаях водоприёмная часть скважины оснащается фильтром.
• Для определения уровня воды в трубчатом водозаборе применяются два термина: 1) при отсутствии отбора воды — статический уровень; 2) отметка зеркала воды в процессе откачки представляет собой динамический уровень. Разница этих отметок является понижением уровня, на который ориентируются при подборе мощности насоса.

Обратите внимание: Дебит скважины — это количество воды, отобранной за единицу времени (обычно за 1 час). Есть ещё понятие удельного дебита — он определяет количество воды, отобранной до понижения уровня на 1 м. В артезианских скважинах недопустимо понижать динамический уровень воды ниже верхнего водоупорного пласта (его называют кровлей напорного горизонта).

Где размещают скважину

Для устройства водозаборной скважины выбирают такой участок, на котором можно получить требуемое количество питьевой воды с соблюдением санитарных требований, и когда гидрогеологические условия это позволяют. В то же время её нерентабельно удалять слишком далеко от снабжаемого водой объекта.

• Место обычно выбирают с таким расчётом, чтобы при увеличении потребности в воде можно было бы заложить ещё одну, а лучше несколько скважин. Проектировщики стараются предусматривать возможности их соединения, позволяющие создавать взаимный резерв.
• Артезианская скважина обычно обладант солидным дебитом, и обходится недёшево, поэтому устраивать их для одного дома, если только это не особняк с плавательным бассейном, нецелесообразно. Их обычно размещают в жилых посёлках, либо между посёлком и промышленным предприятием (на территории производств артскважины не располагают, СанПиН это запрещает).
• Промежуточное положение водозабора даёт возможность устройства вокруг него полноценной санитарной зоны. При выборе места так же обращают внимание на местоположение ближайшего естественного водоёма. Дабы грязная вода из него не попадала в зону питания скважины, расстояние между ними должно быть не менее 50 метров.

Примечание: Бывает так, что на местности нет артезианского горизонта, либо он залегает настолько глубоко, что если достать воду, она получится поистине золотой. В таком случае скважину закладывают в пойме реки или на террасе её долины, где есть водонасыщенный аллювиальный (несцементированный) песок. Однако здесь идёт активный подсос грязной речной воды, так что параллельно приходится проектировать качественную систему фильтрации и обеззараживания.

• Нередко приходится очищать и артезианскую воду. В ней, конечно, нет биологических загрязнений, как в грунтовой воде, но бывает растворено много железа. Для удаления его излишков и смягчения воды, при артезианских скважинах проектируют станцию обезжелезивания.

Как проектируется артезианская скважина

Артезианскую скважину проектируют только лицензированные организации, и только на основании полученного от государственных органов геологии и санитарного надзора разрешения. Проектные работы, если это не типовое сооружение, обычно ведут в две стадии: сначала сводный сметный расчёт, потом уже создают рабочую документацию с расчётами каждого элемента или узла.

До начала проектирования осуществляется сбор информации о геологии района, рельефе, климате, составе грунтов, условиям залегания в них подземных вод, их качестве и режимах движения. На основе этих данных производится предварительная оценка ресурсов водоносного горизонта и приблизительно рассчитывается дебит будущей скважины, что позволяет выбрать для неё наиболее оптимальную конструкцию.

Затем, дабы подтвердить предварительные выводы, бурится разведочная артезианская скважина. На основе полученных сведений, условия проектирования корректируют, и приступают к формированию основной части проекта. Он состоит из пояснительной записки (здесь предлагается целесообразный способ бурения) и технико-геологического разреза скважины, с приложением копий всех согласований.

Общая конструкция скважины

Конструкции скважин могут отличаться, и подбираются в зависимости от характеристик водоносного горизонта, степени его защищённости от поверхностных загрязнений, мощности геологических напластований и других нюансов. В частности, имеет значение тип оборудования, применяемого для подъёма воды, ведь требуется глубинный, и диаметр скважины должен ему соответствовать.

• Для артезианской скважины важно не только не допустить притока грязной воды с поверхности, но и оградить вскрытый водоносный пласт от притока воды из вышележащих горизонтов. В противном случае, контролировать дебит будет просто невозможно, а стенки пласта могут обрушаться.
• Чтобы разобщить водоносные пласты, и не допустить подобных последствий, ствол скважины укрепляется обсадными трубами. Каждый участок имеет своё назначение и наименование: сначала идёт устьевая направляющая труба; затем колонна-кондуктор, перекрывающая более неустойчивые верхние породы; затем эксплуатационная колонна (в неё устанавливается насос).
• Если порода в водоносном горизонте рыхлая, на конце эксплуатационной колонны устраивают фильтр, либо монтируют полноценную фильтровальную колонну. При большой толщине напластований неустойчивых пород, между кондуктором и эксплуатационным участком ствола могут предусматриваться дополнительные технические колонны.

Структура водоприёмной части скважины

В зависимости от качества залегающих в водоносном горизонте пород, водоприёмная часть может оборудоваться фильтром, либо функционировать без него. Конкретный выбор, в том числе конструкции фильтра, зависит от характеристик грунта, фракции частиц, которые нужно отфильтровывать.

В мелкозернистых песках, например, лучше устроить гравийный фильтр. В среднезернистых песках предусматривают сетчатый фильтр с сеткой галунного плетения, в крупнозернистых песках – тоже сетчатый, но с сеткой квадратного плетения. В гравелистом песке, в полускальных и скальных породах лучше всего будет работать трубчатый фильтр с круглой перфорацией.

Лишь в плотных глинистых пластах и сцементированных известняках мощностью более 10 м можно устраивать бесфильтровые скважины. Главным условием здесь является наличие над водоносным горизонтом прочной устойчивой кровли.

И всё же артезианские скважины чаще обустраиваются с фильтром, который обязан обеспечивать воде свободный доступ к водоприёмной части, одновременно защищая её от заиливания и кольматажа (естественного цементирования). Это основной элемент водозабора, от которого зависит дебит скважины, её производительность и долговечность.

Трубчатый фильтр состоит из каркаса и фильтрующей поверхности. Каркас может быть стержневым или трубчатым, спирально-проволочным или листовым, с щелевой или круглой перфорацией. Гравийные фильтры бывают блочными, кожуховыми, засыпными. Два первых варианта собираются на поверхности, после чего опускаются в шахту скважины и устанавливаются в водоприёмной части.

Чем и как бурят артезианские скважины

Исходя из глубины залегания пластов и особенностей породы, слагающей водоносный горизонт, определяется оптимальный способ бурения скважин. Целесообразность того или иного способа основывается на трёх показателях:

1. требуемом качестве и долговечности скважины;
2. сроков строительства;
3. себестоимости сооружения.

В идеале должны сойтись все три фактора, но если это невозможно, основным является первый.

В рыхлых породах скважины небольшого диаметра и глубиной менее 100 м, бурят ударно-канатным способом. Для устройства скважин диаметром от 500 мм (вне зависимости от глубины) применяют роторный способ с прямой промывкой — перед тем, как промыть скважину, готовят водогипановый или глинистый раствор, после чего закачивают в шахту. Цель этого действа состоит в том, чтобы сформировать на стенках скважины эластичную корку, способствующую восстановлению естественных свойств нарушенного водоносного горизонта.

В скальных породах, при не слишком большой глубине бурения, обычно используют комбинацию двух вышеупомянутых способов: до кровли водоносного горизонта бурят роторным способом, а внутри него – ударно-канатным.

При глубине залегания водоносного горизонта на глубине 150 -450 м применяют колонковый способ. При ещё большей глубине залегания (500-1000 м), а так же большом диаметре скважины, используют реактивно-турбинную технологию бурения.

Опробование скважины — заключение

Процесс бурения сопровождается необходимостью выполнения нескольких откачек. Делается это для того, чтобы очистить воду от мути и взвешенных частиц, подготовить скважину к эксплуатации и установить её дебит. Опробование скважины включает в себя три этапа:

• прокачку – для удаления шлама и остатков глинистого раствора;
• пробно-эксплуатационную откачку, позволяющую замерить уровень и расход воды;
• опытную откачку, при которой определяется дебит, его устойчивость и радиус влияния.

Продолжают откачки до достижения определённого уровня понижения, что по времени может занимать порядка 2-3 суток. Необходимость более длительной откачки возникает редко — только в случае интенсивного выноса мелкого песка из фильтровой обсыпки. В заключение артезианская скважина дезинфицируется хлорсодержащими препаратами: её пару часов выдерживают, после чего производят ещё одну откачку, и запускают водозабор в эксплуатацию.