Скважины на воду бывают разной глубины. Если вы решили пробурить глубокую скважину, например глубиной 100 метров, значит ли это, что воду придётся поднимать с этой глубины? Нужен ли насос с напором более 100 метров? Такими вопросами часто задаются люди, впервые решившие соорудить себе скважину для водоснабжения. Сразу скажем, что ответ на оба этих вопроса — нет. Если вы просто хотите узнать на какую глубину нужно устанавливать насос, то ответ прост — насос нужно устанавливать ниже динамического уровня воды в скважине. А если вы хотите понять почему, и что такое этот динамический уровень, придётся немного покопаться в деталях. Давайте разбираться.
Уровень воды в водоносном горизонте
Скважины на воду бурят для того, чтобы получить доступ к водоносному горизонту. Водоносный горизонт — это слой проницаемых для воды пород (песков, трещиноватых известняков или песчаников), в котором эта вода может двигаться. Проницаемые слои чередуются слоя ми относительно непроницаемых пород (например, глин), которые называются водоупорами. Так как слои в земной коре лежат в основном горизонтально (хотя и с некоторым наклоном), вода в водоносных горизонтах движется тоже преимущественно в горизонтальном направлении. Водоупорные слои тоже пропускают через себя воду (правда, очень медленно). Медленное движение подземных вод через слабопроницаемые слои происходит в основном в вертикальном направлении.
Рассмотрим, как формируется уровень воды в водоносных горизонтах. Обычно в неглубоких первых от поверхности горизонтах уровень воды устанавливается вблизи поверхности земли. Если недалеко протекает река и находится овраг, подземные воды стекают туда (дренируются) и уровень подземных вод в горизонте устанавливается немного выше уровня воды в реке или уровня дна оврага (такой уровень называют базисом дренирования). Если верхние слои представлены проницаемыми породами, то пробурив скважину, мы увидим в ней уровень воды на той глубине, на которой и были обнаружены водонасыщенные породы. Такой водоносный горизонт называется безнапорным, или, по старинке, горизонтом грунтовых вод. Если же верхние слои представлены слабопроницаемыми породами, то уровень воды в скважине может устанавливаться выше, такие водоносные горизонты называются напорными.
Откуда же в водоносных горизонтах возникает избыточный напор? Дело в том, что водонепроницаемые (правильнее говорить слабопроницаемые) слои тоже наполнены водой, и вода в них медленно, но движется. Впитываясь с поверхности или из вышележащего водоносного горизонта, вода медленно движется через водоупор и перетекает в нижележащий водоносный горизонт. Так как это медленное движение происходит на огромной площади, за счёт него перетекает большое количество воды. При этом в водоносном горизонте повышается давление воды и создаётся повышенный напор. По водоносному горизонту вода движется уже с большой (относительно) скоростью к удалённой дрене или к водозаборной скважине.
В артезианских бассейнах повышенный напор в водоносном горизонте может формироваться за счёт разности высот земной поверхности в областях питания и дренирования подземных вод. Если водоносный горизонт залегает с некоторым наклоном, то в одном месте он может располагаться близко к поверхности, а в другом — на достаточно большой глубине. Так как вода хорошо передаёт давление, то во всём водоносном горизонте создаётся давление близкое к уровню воды в водоносном горизонте там, где он находится вблизи земной поверхности (вспомним из школьной программы по физике закон Паскаля). Обычно там, где водоносный горизонт залегает мелко, в него просачивается вода с земной поверхности (происходит питание водоносного горизонта). Там где водоносный горизонт залегает глубоко, подземные воды перетекают через водоупорные слои вышележащие водоносные горизонты. Если в такой водоносный горизонт мы пробурим скважину в глубокой его части, то вода в этой скважине поднимется до уровня, соответствующего давлению воды в горизонте, то есть до уровня близкого к уровню воды в мелкой части водоносного горизонта. Если область питания артезианского водоносного горизонта расположена на возвышенности, а область разгрузки — в низине, то напор воды в скважине может быть даже выше уровня земли, такая скважина будет самоизливаться или даже фонтанировать.
Получается, что уровень воды в скважине не зависит от её глубины, а только от напора воды в водоносном горизонте. В глубокой скважине, вскрывающей напорный горизонт, уровень может быть на небольшой глубине, а в относительно неглубокой вода может стоять вблизи дна (правильнее говорить — забоя) скважины.
Уровни воды в скважине: статический и динамический
Мы поговорили о том, какой может быть уровень (напор) в водоносном горизонте. Когда мы бурим водозаборную скважину, в ней устанавливается уровень, соответствующий уровню воды в водоносном горизонте. Это называется статический уровень. Статический уровень может со временем меняться. В неглубоких скважинах основная причина изменений статического уровня это сезонные колебания. Засушливым летом уровни снижаются, дождливой осенью — восстанавливаются. В скважинах, вскрывающих глубокие водоносные горизонты, сезонные колебания уровня обычно не проявляются, зато в них намного сильнее заметно влияние соседних водозаборов. Ввод в строй новых водозаборов может понизить напор в водоносном горизонте на многие метры. В центральном Подмосковье, где сотни водозаборов добывают тысячи кубометров воды в сутки, напоры подземных вод снижены на десятки метров. В некоторых глубоких водоносных горизонтах они снизились уже до уровня водоносных известняков, и эти горизонты стали безнапорными. Снижение водоотбора приводит к повышению напора в водоносных горизонтах. В начале 1990-х годов водоотбор из скважин в Московской области снизился, и мы наблюдали повышение уровней подземных вод почти во всех водоносных горизонтах.
Если мы опусти в скважину насос и включим его, уровень воды в скважине снизится. Именно за счёт разности уровней в скважине и водоносном горизонте вода притекает в скважину. При непрерывной работе насоса снижение уровня будет увеличиваться до тех пор, пока не уровень не стабилизируется на какой-то глубине. Это и называется динамический уровень. Величина понижения уровня зависит от нескольких факторов: дебита откачки, проницаемости пород водоносного горизонта и качества скважины. Дебит откачки и понижение уровня обычно пропорциональны друг другу, поэтому специалисты могут рассчитать удельный дебит скважины — количество воды, которое можно откачать за единицу времени при понижении уровня на 1 метр. Определив удельный дебит при опытной откачке, и зная положение статического уровня, можно определить положение динамического уровня при эксплуатации скважины. Именно с этой глубины насосу будет необходимо поднять воду на поверхность и и именно она определяет необходимые характеристики насоса.
Насос можно устанавливать в скважину на любую глубину ниже динамического уровня. Насос, опущенный на 5 метров ниже динамического уровня, и насос опущенный на 50 метров будут работать совершенно одинаково, веди давление, которое ему нужно создать для подъёма воды не меняется. Конечно, устанавливать насос очень близко к динамическому уровню не рекомендуется, так как при возможном снижении уровня в водоносном горизонте (за счёт сезонных колебаний или за счёт влияния других скважин) насос может осушится и выйти из строя. Сильно опускать насос под уровень тоже нехорошо, это просто лишние затраты на водоподъёмные трубы.
Есть ещё один важный момент, о котором не стоит забывать. Конструкция погружных насосов предусматривает, что оптимальное охлаждение мотор насоса получает, если вся вода, которую он поднимает, обтекает насос снизу. Поэтому, если насос установлен в интервале установки фильтра скважины, он охлаждается хуже, ведь часть воды поступает к насосу сбоку, а часть — сверху. Поэтому рекомендуется устанавливать насос выше фильтрового интервала скважины. Если же это сделать нельзя, например, если скважина эксплуатирует безнапорный водоносный горизонт, высокопроизводительные насосы рекомендуется устанавливать в специальном охлаждающем кожухе.
