УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ АГРАРНИХ НАУК

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

КРУЧЕНЮК Василь Данилович

УДК 627.8.034.9 : 624.131.63

ІНТЕНСИФІКАЦІЯ РОБОТИ ДРЕНАЖНИХ СВЕРДЛОВИН З ЕРЛІФТНОЮ СИСТЕМОЮ ВОДОВІДБОРУ

ДЛЯ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕНИХ ПУНКТІВ ВІД ПІДТОПЛЕННЯ

(НА ПРИКЛАДІ КАМ'ЯНКА-ДНІПРОВСЬКОЇ ПРОТИФІЛЬТРАЦІЙНОЇ ЗАВІСИ)

Спеціальність 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації (технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Хоружий Петро Данилович, Інститут гідротехніки і меліорації УААН, завідувач відділу сільськогосподарського водопостачання та каналізації;

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Рокочинський Анатолій Миколайович, Національний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедри гідромеліорації;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Сторчак Валентина Андріївна, Державний інституту управління та економіки водних ресурсів, доцент кафедри водогосподарських систем і охорони праці;

Провідна установа: | Інститут гідромеханіки Національної академії наук України,

м. Київ, вул. Желябова, 8/4

Захист відбудеться „ 21 ” вересня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розіслано „17” серпня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук с.н.с. Т.І. Топольнік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи зумовлена необхідністю захисту територій, що потерпають від підтоплення ґрунтовими водами. У більшості випадків це пов’язано із наслідками техногенної діяльності, зокрема, будівництвом водосховищ. Лише у зоні негативного впливу каскаду дніпровських водосховищ знаходиться 33 масиви загальною площею 198 тисяч га, де розміщено 700 великих підприємств, 190 населених пунктів, в яких мешкають близько 400 тисяч чоловік. Захист їх від підтоплення забезпечується комплексом захисних споруд, які характеризуються суттєвою різноманітністю способів і технічних засобів водовідведення. За багаторічний термін експлуатації більшість із них відпрацювала нормативний термін, морально і фізично застаріла і потребує заміни. Зокрема, дренажні води з Каховського водосховища суттєво впливають на гідрогеолого-меліоративний стан територій міст Нікополь, Кам’янка-Дніпровська та селища Велика Знам’янка, відмітки поверхні яких на 5…7 м нижчі рівнів у водосховищі. Для їхнього захисту у 1956 році було побудовано 330 дренажних свердловин з ерліфтною системою водовідбору. Проте протягом усього терміну експлуатації їхня робота характеризується низькою надійністю і неспроможна забезпечити проектний режим рівнів ґрунтових вод на прилеглих до них територіях. Необхідність розробки наукових підходів до удосконалення конструкцій дренажних свердловин з ерліфтною системою водовідбору з підвищення інтенсифікації та ефективності роботи на прикладі Кам’янка-Дніпровської протифільтраційної завіси (ПФЗ) визначили вибір теми дисертації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано протягом 2003 – 2006 років відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Інституту гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук за участю автора як відповідального виконавця, так і керівника за держбюджетною тематикою відповідно до комплексних галузевих програм Держводгоспу України у рамках державної програми „Наукове обґрунтування і розробка технологічної схеми та конструкції споруд для забезпечення ефективної роботи протифільтраційних завіс від підтоплення дренажними водами з водосховищ” (№ держреєстрації 01040010629).

Мета дисертаційної роботи. Головна мета досліджень полягає в розробці наукових підходів для удосконалення конструкцій дренажних свердловин та обґрунтування на цій основі досконалих технологічних схем при реконструкції протифільтраційних завіс з ерліфтною системою водовідбору, розробці методів розрахунку для інтенсифікації їхньої роботи.

Основні завдання досліджень:

- аналіз та теоретичне узагальнення наявних наукових підходів до застосування методів і засобів основних існуючих положень з теорії розрахунку дренажних свердловин і фільтрів різних конструкцій для захисту територій від підтоплення;

- вивчення причин неефективної роботи дренажних свердловин у протифільтраційних завісах;

- експериментальне дослідження притоку води до дренажних свердловин та роботи ерліфтного способу відбору води з них;

- розробка нових конструкцій фільтрів дренажних свердловин для забезпечення тривалої і надійної роботи протифільтраційних завіс;

- виробнича перевірка та оцінка ефективності впровадження результатів наукових досліджень у виробництво при вирішенні проблеми інтенсифікації роботи дренажних свердловин;

Об’єкт дослідження – процеси фільтрації в дренажних свердловинах у протифільтраційних завісах з ерліфтною системою водовідбору.

Предмет дослідження – удосконалення методів підвищення ефективної і стабільної роботи дренажних свердловин з ерліфтною системою водовідбору у протифільтраційних завісах;

Методи дослідження – фізичне і математичне моделювання процесів фільтрації, кольматажу дренажних свердловин та відкачування з них води ерліфтами, використання аналітичних методів визначення параметрів зазначених процесів, використання польових натурних досліджень і статистична обробка даних багаторічних спостережень при експлуатації протифільтраційних завіс з використанням ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в подальшому розвитку наявних наукових підходів до удосконалення конструкцій та методів розрахунку дренажних свердловин, обґрунтування на цій основі раціональних технологічних схем протифільтраційних завіс з ерліфтною системою водовідбору.

Автором зроблено:

- вперше показано, що дренажні свердловини з ерліфтним способом водовідбору при наявності у дренажних водах розчинених закисних форм заліза працюють як знезалізувальні установки, при цьому осад гідроксиду заліза, що утворюється при подачі повітря у свердловину, спричиняє інтенсивну кольматацію фільтра і прифільтрової зони;

- вперше встановлено залежність коефіцієнта корисної дії ерліфта від коефіцієнта занурення його форсунки та визначено основні фактори, що впливають на його роботу. Запропоновано новий підхід,суть якого полягає у виносі зони аерації за межі фільтрової колони, що, на відміну від існуючої конструкції, дасть змогу зменшити інтенсивність кольматації фільтра;

- з метою зміни умов притоку дренажної води до фільтрової колони за рахунок зменшення коефіцієнта гідравлічного опору фільтра вперше науково обґрунтовано необхідність застосування двошарового гравійно-кожухового фільтра з кожухом із волокнисто-пористого матеріалу. На відміну від наявних, така конструкція фільтра дає змогу зменшити швидкість кольматації та вдвічі збільшити дебіт дренажної свердловини;

- удосконалено методи розрахунку фільтрового каркасу з перемінними діаметрами гравійно-засипних фільтрів;

- удосконалено наявні методи обґрунтування конструктивних і технологічних рішень із застосуванням дренажних свердловин з двошаровими гравійно-кожуховими фільтрами.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що вони дають змогу підвищити обґрунтованість проектних технічних і технологічних рішень при будівництві і реконструкції протифільтраційних завіс через підвищення ефективності водовідбору дренажними свердловинами, обладнаними двошаровими гравійно-кожуховими фільтрами, а також забезпечити економію матеріальних та енергетичних ресурсів, підвищити екологічну надійність систем захисту територій населених пунктів та сільськогосподарських угідь від підтоплення ґрунтовими водами.

Дані розробки пройшли апробацію на Кам’янка-Дніпровській протифільтраційній завісі, де встановлено та виконано дослідно-виробничу перевірку двошарових фільтрів з керамзито-гравійною обсипкою, фільтровим каркасом з волокнисто-пористого матеріалу на 2 свердловинах. Впровадження таких конструкцій фільтрів засвідчило зміну умов притоку води до дренажних свердловин, що досягнуто за рахунок зменшення коефіцієнта гідравлічного опору фільтра і прифільтрової зони і як наслідок - збільшення удвічі їхнього дебіту. Економічний ефект від застосування двошарових фільтрів на одній свердловині становить 2785 гривень, а вірогідний економічний ефект для Кам’янка-Дніпровської ПФЗ може досягати 3035,7 тисяч гривень. Дані досліджень із рекомендаціями щодо інтенсифікації дренажних свердловин передано в Дніпровське басейнове управління водних ресурсів.

Особистий внесок автора. Основні наукові ідеї і положення теоретичних та експериментальних досліджень, основні напрями продуктивності та строку експлуатації дренажних свердловин розроблено автором особисто. Обґрунтовано нові підходи та вимоги до конструкції фільтрів для будівництва дренажних свердловин великого діаметра. Досліджено оцінку впливу різних факторів на ефективність роботи ерліфтного водопідйомника. Розроблено та впроваджено нову конструкцію двошарових гравійно-кожухових фільтрів та технологію їх спорудження. Пошукачем інтерпретовано одержані результати. Теоретичні узагальнення, висновки, рекомендації виконано безпосередньо автором.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і головні положення дисертації одержали позитивну оцінку на міжнародних науково-практичних конференціях: “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м. Миргород, 2003-2004 рр.), “Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в Україні”, присвяченій 75-річчю ІГіМ УААН (м. Київ, 2005 р.), “Наукові засади сталого розвитку водного господарства і меліорації земель в сучасних умовах” (м. Київ, 2005 р.), на Міжнародному конгресі “ЕТЕВК-2003” (м. Ялта, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 10 наукових праць, з яких 5 статей у фахових виданнях, з них 2 статті написано одноосібно.

Структура та обсяг дисертації.. Дисертація включає вступ, п’ять розділів, загальні висновки, список використаних джерел із 158 найменувань, 6 додатків. Роботу викладено на 147 сторінках основного тексту, включаючи 24 таблиці і 50 рисунків, усього 180 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, показано зв’язок роботи з науковими програмами і темами, зазначено новизну одержаних результатів, їхнє практичне значення.

У першому розділі вивчено стан проблеми підтоплення інфільтраційними водами із штучних водосховищ прилеглих до них територій, здійснено аналіз доцільності і умов застосування існуючих способів їх захисту.

Значний внесок у розробку теорії й практики вивчення проблем захисту від підтоплення територій для різних кліматичних умов, методів обґрунтування

застосування дренажу, гідравлічного розрахунку дренажних систем, матеріалів і технологій будівництва внесли В.П. Насіковський, О.Я. Олійник, С.К. Абрамов, В.С. Алексєєв, Ф.М. Бочевер, Н.Н. Веригин, В.М. Гаврилко, М.Г. Пивовар, М.Г. Бугай, В.Л. Фридрихсон, А.І. Кривоног, Л.Ф. Кожушко, В.С. Кремез, Д.П. Савчук, В.Л. Поляков, А.М. Рокочинський, І.А. Скабаланович, О.Я. Нищименко, В.П.Ткаченко, А.М. Тугай, М.М. Хлапук, А.Ф. Дмитрієв, П.Д. Хоружий, В.М. Шестаков, А.В. Яцик та інші.

Встановлено, що для забезпечення проектування будівництва та експлуатації захисного дренажу в Україні створена відповідна нормативно-методична база (понад 20 документів). Вона має фундаментальну наукову основу, значну глибину опрацювання проблеми та широку апробацію на практиці. Водночас, на основі проведеного аналізу існуючого стану досліджень з проблем захисту від підтоплення, а також накопиченого багаторічного досвіду експлуатації дренажних свердловин виявлено низку питань і положень, які потребують перегляду та подальшого розвитку.

На прикладі роботи протифільтраційної завіси, побудованої у 1956 році для захисту 2035 га міста Кам’янка-Дніпровська у вигляді лінійного ряду 193 дренажних свердловин з ерліфтною системою відбору, досліджено причини, що впливають на ефективність захисту територій від підтоплення. Доведено, що в існуючих гідрогеолого-меліоративних умовах середній водовідбір із дренажної свердловини повинен становити 7 л/с, а їхній сумарний дебіт – 1350 л/с, і лише за цих умов забезпечується захист території міста. Також встановлено, що середній термін експлуатації дренажних свердловин становить 8 – 10 років. За цей період питомий дебіт зменшується у 2 рази і експлуатація їх стає економічно нерентабельною. Підтримання загального дебіту протифільтраційної завіси у минулі роки здійснювалося постійною ліквідацією малодебітних свердловин і бурінням та уведенням в експлуатацію нових. Для цього необхідно щорічно бурити наново 18…20 свердловин, що потребує значних капітальних витрат. Фактично за останні 10 років перебурено лише 28 свердловин. Зараз технічний стан такий, що 60 % свердловин Кам’янка-Дніпровської ПФЗ потребують переборювання, оскільки вони не забезпечують екологічну надійність захисту території міста, що знаходиться у зоні негативного впливу Каховського водосховища.

Для наукового обґрунтування інтенсифікації та забезпечення ефективної роботи Кам’янка-Дніпровської ПФЗ з мінімальними капітальними і експлуатаційними витратами проведено комплекс наукових досліджень складових її елементів і умов роботи: гідрогеологічну характеристику регіону та гранулометричний склад водоносного пласта, гідрохімічний аналіз ґрунтових вод, схеми притоку води до дренажних свердловин, роботу ерліфтних водопідйомних установок, конструкції свердловин і фільтрів.

У другому розділі викладено методику, задачу і зміст досліджень існуючих дренажних свердловин з ерліфтним водозабором на Кам’янка-Дніпровській ПФЗ. Головний метод полягає у системному дослідженні конструкції завіси як дренажних свердловин, так і її елементів, на основі аналітичних, польових та дослідно-виробничих випробувань.

Аналітичні дослідження здійснювали шляхом обробки і узагальнення наявних даних, отриманих у процесі багаторічної експлуатації дренажних свердловин, та матеріалів попередніх наукових досліджень.

Польові дослідження виконувалися упродовж 2003 – 2006 років методом обстеження роботи протифільтраційної завіси і оцінки її технічного стану, дослідження факторів впливу на дебіт дренажних свердловин шляхом вивчення гранулометричного складу водоносних горизонтів, хімічного складу дренажних вод і осадів, характеру й інтенсивності кольматації фільтрів та прифільтраційних зон.

Дослідно-виробничі випробування проводили на існуючих та двох побудованих експериментальних дренажних свердловинах з двошаровими гравійно-кожуховими фільтрами Кам’янка-Дніпровської ПФЗ шляхом проведення замірів і аналізу змін якісних та кількісних показників, що характеризують їхню роботу.

Встановлено, що головними факторами, від яких залежать рівні ґрунтових вод (Г.В.) на території, що захищається, є відмітки горизонтів у Каховському водосховищі, гідрогеолого-меліоративні умови, атмосферні опади, господарська діяльність, а також ефективність роботи протифільтраційної завіси. Водночас визначено, що починаючи з 1990 року сумарні витрати води із свердловин постійно зменшуються (з 1075 л/с у 1990 р. до 928,6 л/с у 2003 р.), і відповідно зростають площі території міста, на яких динамічні рівні (Г.В.) менші за критичну глибину (для міста Кам’янка-Дніпровської Нкр = 2,5 м).

Проведені гідрохімічні дослідження показали підвищений вміст закисного заліза Fе2+ у Г.В., які відбиралися із дренажних свердловин по трасі ПФЗ. Про це свідчать і дані хімічного аналізу кольматуючих осадів на фільтрах дренажних свердловин (табл. 1), які складаються переважно з гідроксиду заліза.

При ерліфтному водопідйомі залізо (Fe2+), що міститься в закисній формі у ґрунтових водах, окислюється при контакті з киснем повітря, що подається у свердловини до трьохвалентної форми (Fe3+) і випадає в осад на фільтрі, прифільтровій зоні та водопідйомних трубах згідно з хімічним рівнянням:

4Fe(HCO)+ O+ 2HO = 4Fe(OH)+ 8CO.

Таблиця 1

Результати хімічного складу осадів (у % до сухого залишку)

на фільтрах дренажних свердловин Кам’янка-Дніпровської ПФЗ

Компоненти осаду | № свердловин

26 | 30 | 37 | 38 | 163

Нерозчинний осад | - | 6,1 | 1,6 | 3,3 | 0,4

Fe2O3 | 74,8 | 65,9 | 66.4 | 78,3 | 69,1

CaO | 0,7 | 0,5 | 0,6 | 0,4 | 1,8

MnO | 2,8 | 4,6 | 2,7 | 1,0 | 2,9

MgO | 2,2 | 0,7 | 1,1 | 5,1 | 0,7

SiO3 | 0,4 | 0,3 | 0,5 | 0,6 | -

Співставлення концентрації заліза в глибинних пробах води та при виливі її із свердловини подано у табл.2.

Таблиця 2

Результати аналізів вмісту заліза в дренажних водах

і при виливі їх із свердловин Кам’янка-Дніпровської ПФЗ

Найменування показників | Розмір величин для свердловин

181 | 183 | 184 | 163 | 159

С1 | С2 | С1 | С2 | С1 | С2 | С1 | С2 | С1 | С2

Залізо

закисне Fe2+ ,мг/дм3 | 0,23 | 0 | 0,26 | 0,02 | 0,82 | 0 | 2,2 | 1,39 | 2,14 | 1,68

Залізо

загальне Fe заг ,г/дм3 | 0,41 | 0,1 | 0,46 | 0,14 | 1,12 | 0,12 | 1,42 | 0,3 | 3,34 | 2,0

Примітка: С1 – вміст заліза у воді на глибині 16 м від поверхні землі, мг/дм3;

С2 – те саме при виливі води зі свердловини.

Згідно з даними табл. 2, загальний вміст заліза у воді, що знаходиться у водоносному пласті, коливається в різних свердловинах від 0,41 до 3,34 мг/дм3. Проте для кожної свердловини характерним є зменшення вмісту заліза у воді, що виливається на поверхню землі, тобто ерліфт у дренажній свердловині працює як знезалізнювальна установка з ефективністю затримання 80…85% заліза у свердловинах.

У процесі експлуатації Кам’янка-Дніпровської ПФЗ для відновлення дебіту дренажних свердловин застосовуються загальноприйняті хімічні, фізичні та комбіновані методи їхньої регенерації. Вибір реагентів для обробки свердловин здійснюються як правило на основі аналізу хімічного складу осадів, що відкладаються на водопідйомних трубах і фільтрах. Для хімічної обробки традиційно застосовують соляну кислоту НCl концентрацією 5…28 %, розчин дитіоніту натрію Na2S2O4 концентрацією 5…7 %, розчин гексаметафосфату натрію Na6P6O18 концентрацією 5...7 %, розчин триполіфосфату натрію Na5P3O10 концентрацією 5…8 %. З усіх реагентів найактивнішим є дитіоніт натрію.

Фізичні методи регенерації свердловин на практиці здійснюються йоршуванням та імпульсним, віброреагентним, ультразвуковим, гідравлічним методами.

Проте багаторічний досвід застосування різних способів підвищення продуктивності дренажних свердловин свідчить, що регенерація дає змогу збільшити їхні дебіти на 20…40 %, але через 3 – 4 місяці вони знову знижуються до попередніх значень. Тому в даний час їх застосовують тільки у разі термінового усунення підтоплення на окремих ділянках до перебурювання малодебітних свердловин.

Таким чином, для забезпечення стабільної роботи дренажних свердловин необхідно не допускати утворення кольматуючого осаду з гідроксидів заліза у прифільтровій зоні, тобто виключити подачу кисню в свердловину або застосовувати фільтр, який дасть змогу збільшити міжремонтний період.

У третьому розділі наведено результати дослідження роботи ерліфтів на дренажних свердловинах Кам’янка-Дніпровської ПФЗ. При цьому встановлено залежність гідравлічного коефіцієнта корисної дії (ККД) ерліфтної установки від коефіцієнта занурення форсунки.

Встановлено також залежності витрат води і ККД від глибини занурення форсунки для різних значень коефіцієнтів гідравлічного опору фільтра. Так, при кольматації фільтра (збільшенні коефіцієнта гідравлічного опору ж) знижуються витрати і ККД, але інтенсивність зменшення цих величин буде меншою для більших значень глибини занурення форсунки.

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження на дренажних свердловинах № 23; 133; 150; 160 Кам’янка-Дніпровської ПФЗ дали змогу визначити основні фактори, що впливають на їхній дебіт.

Встановлено, що в досліджуваних гідрогеолого-меліоративних умовах величини питомих дебітів дренажних свердловин, які вимірювались в різні роки їх експлуатації, мають зв’язок із статичним рівнем.

При цьому питомий дебіт свердловини № 23 значно менший, ніж в інших свердловинах. Це пов’язано з гіршою якістю відкачуваної води з цієї свердловини. Вміст заліза у воді дренажних свердловин № 23, 133, 150 і 160 відповідно становить, мг/л: 2,32; 0,86; 0,84 і 0,41. У воді свердловини № 23 заліза більше у 6 разів, ніж у свердловині № 160. Це призводить до збільшення гідравлічних опорів фільтра і прифільтрової зони та додаткового зниження рівня води в цій свердловині, а отже, і зменшення її питомого дебіту.

В результаті виконаних експериментальних досліджень з визначення коефіцієнта гідравлічного опору фільтра, встановлено, що втрати напору у фільтрі внаслідок його кольматації значно перевищують зниження води біля свердловини. Тому очевидним є висновок щодо необхідності застосування фільтра, конструкція якого матиме низький коефіцієнт гідравлічного опору і не буде кольматуватися осадом протягом нормативного часу його експлуатації.

З метою мінімізації негативного впливу кольматуючих осадів на дебіт свердловин для умов Кам’янка-Дніпровської ПФЗ науково обґрунтовано необхідність винесення зони аерації за межі фільтра. Тому в досліджуваних умовах зазначеним вимогам відповідає дренажна свердловина з глибиною не менше 30 м , а ерліфту – 20 м.

У четвертому розділі досліджено конструктивні особливості і способи будівництва високодебітних дренажних свердловин та можливість застосування в них фільтрів різних конструкцій. Враховуючи результати досліджень, викладених у 1, 2, 3 розділах, встановлено, що діючі свердловини на протифільтраційних завісах, типова конструкція яких представлена на рис. 1, не забезпечують надійний захист території міста Кам’янка-Дніпровська. Спорудження таких свердловин з фільтрами гравійного типу та використанням ерліфтів здійснюють на Кам’янка-Дніпровській ПФЗ, починаючи з 1956 року. У такий спосіб за 40 років пробурено 518 свердловин. На сьогодні місто захищається 193 свердловинами діаметром 600…900 мм (див. рис. 1)

При ерліфтному способі водопідйому та наявності у дренажних водах гідрокарбонату заліза такі свердловини працюють як знезалізювальні установки з утворенням нерозчинного осаду гідроксиду заліза. Тому при обладнанні свердловини дротяним фільтром, у якого ширина щілини між витками дроту становить 1,5…2,0 мм, фільтр швидко кольматується і дебіт протягом 8 – 10 років зменшується удвічі. Подальша експлуатація такої свердловини недоцільна. Дослідженнями встановлено, що для усунення зазначених недоліків необхідно змінити умови притоку води із при фільтрової зони (зменшити гідравлічні опори фільтра). Це досягається змінами конструкції фільтра, суть яких полягає в збільшенні щілин у фільтровому каркасі до 10 мм шляхом застосування двошарових гравійно-обсипних фільтрів. Зазначеним вимогам відповідає конструкція двошарового гравійно-обсипного фільтра, конструкція якого представлена на рис.2. Також в результаті проведених досліджень для таких фільтрів розроблено методику підбору розмірів першого і другого шарів гравійної обсипки, співвідношення яких має становити Д2/Д1=5. Таким чином у такому фільтрі розмір щілини перфорації фільтрового каркасу становить 8…10 мм, з товщиною першого шару обсипки 100…150 мм та діаметром гранул 10…15 мм, а другого шару – відповідно 100…150 мм та 2…3 мм. Проте спорудження дренажних свердловин із двошаровим гравійно-обсипним фільтром потребує застосування спеціального зварювального і підйомного обладнання для монтажу та демонтажу сталевих труб, між якими засипається фільтрова обсипка. Таким чином, спорудження дренажних свердловин з двошаровим гравійно-обсипним фільтром призведе до збільшення вартості будівництва та ускладнення технології, що зведе нанівець переваги такої конструкції фільтра.

Для суміщення технології будівництва типових свердловин з гравійно-каркасним фільтром (див.рис.1) із одночасним обладнанням їх двошаровими гравійно - обсипними фільтрами (див.рис.2) у рамках цієї роботи запропоновано удосконалену конструкцію гравійно-кожухового фільтра, конструкцію якого представлено на рис.3.

Основними елементами фільтрової колони є її робочі секції (рис.4), діаметром d = 430 мм і висотою h = 1500 мм. Робоча секція складається з трьох основних частин: опорного каркаса із перфорованої труби d = 219 мм з отворами 10х80 мм; фільтруючої засипки із керамзиту d = 10…15 мм, яка утримується

кожухом із волокнисто-пористого матеріалу (напилений поліпропілен). Фільтрова колона збирається із завчасно виготовлених у стаціонарних умовах секцій на поверхні землі і опускається у свердловину, де після її центрування другий шар обсипки створюється шляхом заповнення вільного простору гравієм d = 2…3 мм на висоту 14 м. Верхня частина між трубного простору заповнюється піском.

Дві дослідно-експериментальні свердловини з гравійно-кожуховими фільтрами у 2004 році пробурені роторним способом із зворотною промивкою на Кам’янка-Дніпровській ПФЗ.

У п’ятому розділі наведено результати дослідно-виробничих випробувань дренажних свердловин з фільтром нової конструкції та розрахунки ефективності їх застосування.

З метою визначення граничного (максимального) дебіту дренажних свердловин з удосконаленою конструкцією фільтра було розглянуто варіант дослідження режимів їх роботи з двома ерліфтами. При цьому встановлено, що при сталому режимі роботи дренажної свердловини та відкачуванні з неї одним ерліфтом постійної витрати води Q=10,7 дм3/с динамічний рівень води в свердловині встановився на глибині Ндин=5,8 м від поверхні землі, тобто величина зниження рівня води в свердловині становила Н=2,0 м, а питомий дебіт свердловини в цей момент дорівнював Qпит=5,3 дм3/с на 1 пог. м свердловини.

При відкачуванні двома ерліфтами постійної витрати Q=21,4 дм3/с динамічний рівень води в свердловині встановився на глибині Ндин=7,9 м від поверхні землі, а величина зниження рівня води в свердловині становить Н=4,1 м. При цьому питомий дебіт в цей момент дорівнював Qпит =5,2 дм3/с на 1 пог. м свердловини.

Дослідженням за процесом відновлення рівня у свердловині встановлено, що при безперервному відкачуванні води одним ерліфтом стабільний режим роботи дренажної свердловини при сталому динамічному рівні води в ній настає після 1,5 години, відновлення статичного рівня через 36 хвилин. При відкачуванні води двома ерліфтами стабільний режим роботи дренажної свердловини при сталому динамічному рівні води в ній настає після 2-х годин, а відновлення статичного рівня відбувається за 1 годину.

Спостереження за динамікою змін дебіту та динамічного рівня води експериментальної свердловини з жовтня 2004 році свідчать про стабільний режим роботи експериментальної свердловини. Незначні відхилення від середніх значень питомого дебіту і динамічного рівня, визначених спостереженнями, пояснюються нестабільною подачею у ерліфти повітря, пов’язаного із зміною атмосферного тиску, втратою його у трубопроводах, роботою компресорів тощо.

Дослідно - виробничими випробуваннями встановлено:

- дренажна свердловина обладнана двошаровим гравійно-кожуховим фільтром удосконаленої конструкції із запропонованою технологією спорудження (див. рис. 3) забезпечує дебіт у 2 рази більше за дебіт свердловин із одношаровими каркасно-стержньовими фільтрами з обмоткою із нержавіючого дроту та гравійною обсипкою (див. рис. 1);

- фактичний питомий дебіт експериментальної свердловини становить 5,25 дм3/с на 1 пог. м свердловини та у разі обладнання ними Кам’янка-Дніпровської ПФЗ забезпечить надійний захист території міста від підтоплення;

- досягнута високодебітність експериментальних свердловин з фільтрами удосконаленої конструкції дає змогу зменшити кількість одночасно працюючих свердловин у протифільтраційній завісі без зменшення її ефективності.

Оцінку ефективності застосування удосконаленої конструкції гравійно-кожухових фільтрів виконано з урахуванням вартості фільтрів старої і нової конструкції, яка відповідно становить 985 грн./м і 1765 грн./м, середніх витрат води у свердловинах обладнаних фільтрами старої і нової конструкції, які становлять 7 л/с і 15 л/с, економії річних експлуатаційних витрат електроенергії на підйом води та терміни експлуатації дренажних свердловин із застосуванням старої та нової конструкції 8 і 15 років. При цьому отриманий результат свідчить про досягнення щорічного економічного ефекту 2783 грн./рік на одній свердловині. В цілому по Кам’янка-Дніпровській ПФЗ економічний ефект від впровадження удосконаленої конструкції фільтру може становити 250,5 тисяч гривень. Також зменшення кількості свердловин, що працюють одночасно у складі протифільтраційної завіси, дають змогу заощадити обсяги капітальних видатків на їх спорудження на 2785,2 тисяч гривень. Загальний економічний ефект від впровадження дренажних свердловин з фільтрами нової конструкції на Кам’янка-Дніпровській ПФЗ може становити 3035,7 тисяч гривень.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-практичної проблеми, що полягає у необхідності підвищення рівня стабільного функціонування дренажних свердловин для захисту населених пунктів і територій від підтоплення ґрунтовими водами у зоні впливу штучних водосховищ.

Показано, що здійснення такого підходу потребує розвитку теоретичних засад і удосконалення методів розрахунку та оптимізації технічних і технологічних рішень у проектах будівництва, реконструкції та експлуатації протифільтраційних завіс за економічними та екологічними вимогами.

2. За результатами гідрохімічних досліджень встановлено наявність у ґрунтових водах розчинних форм заліза (Fе(НСО3)2). При ерліфтному водовідборі внаслідок подачі у свердловину стиснутого повітря вона працює як знезалізнювальна установка. Доведено, що нерозчинний осад гідроксиду заліза, який утворюється в цьому разі, є головною причиною кольматації фільтра і прифільтрової зони. Показано, що у різних свердловинах вміст розчинних форм заліза коливається від 0,4 до 4 мг/дм3.

3. Через кольматацію фільтра гідроксидом заліза втрати напору можуть суттєво перевищувати величину зниження динамічного рівня води біля свердловини (більше як у 10 разів), тому у розвиток та на відміну від наявних розроблено вихідні оптимізаційні вимоги щодо проектного рішення конструкції фільтра, які полягають у створені умов безперешкодного виносу осаду із свердловини або збільшенні терміну заростання осадом отворів у каркасі фільтра. Необхідною умовою в цьому разі є розташування форсунки ерліфта, де утворюється зона аерації, за межами фільтра.

4. Визначено шляхом теоретичних та експериментальних досліджень залежності витрат води із дренажних свердловин від коефіцієнта занурення форсунки і коефіцієнта гідравлічного опору фільтра та прифільтрової зони.

Відповідно рекомендовано, що для гідрогеолого-меліоративних умов Кам’янка-Дніпровської ПФЗ глибина дренажної свердловини повинна бути не меншою 30 м, а глибина занурення форсунки не меншою 20 м.

5. За сприятливих геологічних умов, збільшення дебіту дренажних свердловин можна досягти шляхом спорудження фільтрів методом заміщення з великим контуром гравійної обсипки. У розвиток та на відміну від наявних удосконалено методи розрахунку фільтрового каркаса з різними діаметрами отворів.

6. Теоретичними та експериментальними дослідженнями визначено вимоги до конструкції фільтра, який повинен мати мінімальні коефіцієнти гідравлічного опору та протягом нормативного часу експлуатації забезпечувати розрахункові дебіти.

Показано, що зазначеним вимогам відповідають двошарові гравійно-обсипні фільтри. Дослідженнями гранулометричного складу водовмісних порід для умов Кам’янка-Дніпровської ПФЗ розраховано оптимальні розміри шарів обсипки фільтра та розмірів їхніх гранул.

7. Результати наукових досліджень апробовані в умовах виробництва шляхом спорудження двох свердловин з гравійно-кожуховими двошаровими фільтрами. На Кам’янка-Дніпровській ПФЗ вони засвідчили забезпечення розрахункового дебіту, відповідно сформульованим вимогам, який удвічі перевищує дебіти свердловин, що протягом 40 років споруджувались на Кам’янка-Дніпровській ПФЗ.

Подальший розвиток і впровадження результатів наукових досліджень дасть змогу при застосуванні в дренажних свердловинах апробованої конструкції фільтра підвищити експлуатаційну надійність систем захисту від підтоплення ґрунтовими водами, підвищити ефективність використання капітальних витрат, енергетичних та матеріально-технічних ресурсів.

Впровадження двошарових гравійно-кожухових фільтрів також дає змогу зменшити на 89% кількість дренажних свердловин Кам’янка-Дніпровської протифільтраційної завіси, удвічі збільшити дебіти та термін їх експлуатації, і отримати економічний ефект у сумі 3035,7 тис. гривень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

СТАТТІ У ФАХОВИХ ВИДАННЯХ

1. Крученюк В.Д. Дослідження гідротехнічних характеристик дренажних вод з Каховського водосховища // Вісник українського державного університету водного господарства та природокористування. – Рівне: УДУВГП. – 2004. – Вип.3(27). – С.61 – 65.

2. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д.Підтоплення територій: що робити? // Економічний вісник. – 2003. – 10-3-4 (13-14). – С. 6 – 7.

3. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д. Проблеми забезпечення ефективної роботи дренажних протифільтраційних систем Каховського водосховища по захисту від підтоплення населених пунктів // Водне господарство України. – 2002. – Вип. 3 – 4. – С. 63 – 64.

4. Хоружий П.Д., Крученюк В,Д. Способи підвищення ефективності роботи протифільтраційних завіс від підтоплення територій з водосховищ // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2003. – Вип. 6. – С. 48 – 51.

5. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д. Аналіз роботи дренажних свердловин з ерліфтною системою водовідбору // Меліорація і водне господарство. – 2004. – Вип.91. – С. 209 – 218.

6. Крученюк В.Д. Удосконалення конструкцій гравійних фільтрів для дренажних свердловин // Вісник українського державного університету водного господарства та природокористування. Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво – Рівне: УДУВГП. – Вип. 29. – С. 22 – 31.

7. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д. Дослідження притоку води до дренажних свердловин // Водне господарство України. – 2004.– Вип. 3-4. – С. 8 – 12.

НАУКОВІ ВИДАННЯ ТА ТЕЗИ ДОПОВІДЕЙ

1. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д. Протифільтраційні завіси від підтоплення територій з водосховищ // Матеріали науково-практичної конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (14 – 17 квітня 2003 р. м. Миргород). – К.: Тов. „Знання” України, 2003. – С. 15 – 19.

2. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д. Дослідження процесу підтоплення територій інфільтраційними водам и з Каховського водосховища // Труди міжнародної науково-практичної конференції „Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (20 – 23 квітня 2004 р., м. Миргород). – К.: Тов. ”Знання” України, 2004. – С. 111 – 115.

3. Хоружий П.Д., Крученюк В.Д. Аналіз роботи протифільтраційних завіс від підтоплення територій // 3б. доповідей Міжнародного конгресу „ЕТЕВК-2003”. – Ялта. – 2003. – С. 422- 425.

АнотаціЯ

Крученюк В.Д. Інтенсифікація роботи дренажних свердловин з ерліфтною системою водовідбору для захисту населених пунктів від підтоплення (на прикладі Кам’янка-Дніпровської протифільтраційної завіси). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02. – сільськогосподарські меліорації – Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ 2006.

У дисертаційній роботі вирішується актуальне науково-технічне завдання захисту від підтоплення територій населених пунктів та земельних угідь ґрунтовими водами із штучних водосховищ. На прикладі роботи Кам’янка-Дніпровської протифільтраційної завіси з ерліфтною системою водовідбору виконано ретроспективний аналіз фактичного технічного стану гідротехнічних споруд, гідрогеологічного стану території, які захищаються, гідрохімічного складу ґрунтових вод. Розроблено вимоги до конструкції фільтрів високодебітних дренажних свердловин. На їх основі запропоновано і впроваджено їх удосконалену конструкцію.

Дані розробки з високим рівнем ефективності запропоновано для використання на дренажних свердловинах існуючих протифільтраційних завіс на Каховському водосховищі.

Ключові слова: протифільтраційна завіса, дренажна свердловина, ерліфт, гравійно-кожуховий фільтр, кальматація фільтрів, підтоплення територій.

АННОТАЦИЯ

Крученюк В.Д. Интенсификация работы дренажных скважин с эрлифтной системой водозабора для защиты населённых пунктов от подтопления (на примере Каменка-Днепровской противофильтрационной завесы). – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – сельскохозяйственная мелиорация – Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев 2006.

В диссертационной работе решается актуальная научно – техническая проблема защиты от подтопления населённых пунктов и земельных угодий грунтовыми водами из искусственных водохранилищ. На примере Каменка-Днепровской протифильтрационной завесы с эрлифтным способом отбора воды из дренажных скважин разработаны научные основы интенсификации её работы. В работе обоснованы новые подходы и требования к конструкции фильтров дренажных скважин большого диаметра (600…900 мм) в условиях наличия в грунтовых водах гидроокиси железа. Проведёнными исследованиями определены зависимости КПД эрлифта от коэффициента его погружения. Также установлены зависимости расходов воды и КПД эрлифта для различных коэффициентов гидравлического сопротивления фильтра.

Исследованиями установлено, что при фильтрации воды из Каховского водохранилища она насыщается растворенными соединениями железа, которое при контакте с кислородом воздуха эрлифта переходит в нерастворимые коллоидные соединения, кальматирующие фильтры дренажных скважин, что вызывает быстрый их выход из строя и подтопление территорий. В результате дренажные скважины работают как водообезжелезивающие установки с эффективностью 80-85%.

Определено, что наибольшая эффективность защиты от подтопления территории может быть достигнута за счёт оборудования дренажных скважин многослойными фильтрами.

Разработана конструкция двухслойного гравийно-обсыпного фильтра с применением кожуха из волокнисто-пористого материала.

Разработанные подходы адаптированы в реальных условиях эксплуатации Каменка-Днепровской протифильтрационной завесы, где в результате опытно-производственных испытаний скважин, оборудованных гравийно – кожуховыми фильтрами установлено увеличение их дебита в два раза больше дебита скважин, оборудованных каркасно – стержневыми фильтрами с однослойной гравийно-песчаной обсыпкой. При этом одновременно достигнуто и увеличение их срока службы с 8 до 15 лет.

Ключевые слова: протифильтрационная завеса, дренажная скважина, эрлифт, гравийно-кожуховый фильтр, кольматация фильтров, подтопление территорий.

ANNOTATION

Krucheniuk V.D. Intensification of work of drainage wells with air lift system of water intake for waterlogging protection of settlements (as an example - Kamjanka-Dniprovska antifiltration barrier). - Manuscript.

Ph.D. thesis for a candidate’s degree of technical science by speciality 06.01.02. - agricultural reclamation - Institute for Hydraulic Engineering and Land Reclamation UAAS, Kyiv 2006.

In thesis an actual scientific and technical problem of settlements and lands protection from waterlogging with soil water from artificial reservoirs is solving. For Kamjanka-Dniprovska antifiltration barrier the retrospective analysis of actual technical condition of hydrotechnical constructions, hydrogeological condition of the protected territories and hydrochemical structure of ground waters was made. Demands to the construction of filters of high-capacity wells were developed. On their basis the improved construction was offered and implemented .

Presented elaborations were offered to use at drainage wells of existing antifiltration barriers at Kachovka reservoir.

Key words: antifiltration barrier, drainage well, air lift, gravel-jacket filter, incrustation of filters, waterlogging.