УДК 628.1

ББК 38.761.1

В62

Серия «Приусадебное хозяйство» основана в 2000 году

Художник Н.Н. Колесниченко

Подписано в печать 10.03.06. Формат 84х108 1/32.Усл. печ. л. 4,2. Доп. тираж 3000 экз. Заказ № 895.

Вода на вашем участке / авт.-сост. Н.И. Куликов, Е.Н. Ку-

В62 ликова, Л.Н. Приходько. — ACT; Донецк: Сталкер, 2006. —

77, [3] с: ил. — (Приусадебное хозяйство).

ISBN 5-17-014767-8 (ООО «Издательство ACT»)ISBN 966-596-912-9 («Сталкер»)

Книга знакомит читателя с различными видами естественных и искус-ственных источников, обеспечивающих человека водой.

Автор подробно рассказывает о способах оборудования источни-ков питьевой и технической воды.

Для широкого круга читателей.

УДК 628.1ББК 38.761.1

© Авт.-сост. Н.И. Куликов,Е.Н. Куликова, Л.Н. Приходько, 2002

© ИКФ «ТББ», 2002© Серийное оформление.

Издательство «Сталкер», 2002

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДЫ

В наше время во всех городах и поселках вода доставля-ется в дом по водопроводу. К этому настолько привыкли, чтобольшинство даже не задумывается над вопросом: а откудаи как воду подают в водопроводные магистрали? Для жителейсел этот вопрос более ясен — воду они берут из колодцев, ко-торые есть в большинстве дворов.

Родники или криницы

Верхняя часть криницы обложена бревнами или замше-лыми камнями, зачастую это рубчатые молотильные катки илимельничные жернова. На дне бьет родник, а с противополож-ной от тропинки стороны вытекает небольшой ручеек. Вода в та-кой кринице кристально чистая и холодная.

Сейчас во многих селах водоснабжение централизовано,пробурены скважины или вырыты колодцы. Но есть еще кри-ницы, в которых по-прежнему чистая холодная вода. И хотя онауже обложена не мельничным камнем, а железобетоннымикольцами, криница осталась криницей — около нее ближе ощу-щаешь естественное родство с природой.

Колодцы

Сродни кринице копанка — вырытая временная точка во-доснабжения для полива овощных грядок.

Колодцы — это более солидные сооружения. Глубина их са-мая различная — от 1,5-2-х до 30-50-ти и более метров. Воз-ле неглубоких колодцев ставили «журавль». Наденешь на крю-чок ведро и, перебирая руками шест, вытянешь его из колодца.И так кланяется «журавль», чтобы напоить семью и живность,огород полить.

Но в глубоких колодцах «журавль» уже не проходит — на30-40 метров шеста не найдешь. И наматывается медленно накрепкое дубовое бревно металлическая цепь. Долго, жалоб-но скрипит в гнездах металлический стержень. Вода из колод-ца вкусна необычайно — и оттого, что холодная и чистая (че-рез толщу почвы в 20-30 метров микробы не проникнут и солнцеее не нагреет), и оттого, что с таким трудом досталась. Теперьне так уж часто встретишь в селе «журавли» и коловороты. Ес-ли и сохранились старые колодцы, то воду из них качают эле-ктрическими насосами.

Подземные воды во многих местах стали основным источ-ником водоснабжения. Мощными насосами поднимается жи-вительная влага из глубин земли и по трубам подается круп-ным городам и промышленным предприятиям.

Добываемую из-под земли воду принято считать полезнымископаемым. Но если уголь, нефть, железо и многие другиеполезные ископаемые называются невозобновимыми, так какдля их формирования требуются специальные геологичес-кие условия и миллионы лет, то вода считается возобновимымполезным ископаемым. При правильной эксплуатации водо-носные горизонты могут давать высококачественную воду по-стоянно. На территории, например, Донбасса подземные во-ды формируются в основном в четвертичных, верхнемеловых,триасовых и каменноугольных отложениях. Грунтовые воды чет-вертичных отложений заключены преимущественно в пескахна глубине от 1 до 17 метров. Водоносный горизонт верхне-меловых отложений приурочен к трещиноватой зоне мергель-но-меловых пород. Мощность водоносного горизонта колеб-

лется от 10-20 до 35-40 метров. Водообильность — 20-50 ку-бометров в секунду. Глубина залегания от 50 до 80 метров. Пи-тается водоносный горизонт за счет атмосферных осадкови поверхностных вод.

«Где вода — там жизнь», — гласит восточная мудрость.С незапамятных времен люди искали подземную воду. Тольков разные эпохи пользовались разными методами. Вот как ре-

комендовал искать воду под землей древнеримский ученыйМарк Витрувий Полий: перед восходом солнца лечь ничком наземлю, упереться подбородком и оглядеть окрестность. Водаможет находиться там, где над землей поднимаются испаре-ния: здесь и следует копать колодец.

Поиск воды непростое дело, и на всех этапах развития че-ловечества ему придавали большое значение. По библейскойлегенде, пророк Моисей, спасая людей от жажды, ткнул жез-лом в скалу, и оттуда хлынула вода. Очевидно, в основу леген-ды была положена уже известная в те далекие времена спо-собность отдельных людей отыскивать воду, пользуясь ивовымпрутиком, раздвоенным на конце наподобие рогатки. Водоис-катель шел с этим прутиком, держа его перед собой. Там, гдепод землей находилась вода, «волшебный» прутик начиналдрожать и наклоняться вниз.

Использование прутика для поисков воды и некоторых дру-гих полезных ископаемых получило широкое распространениев XV-XVII веках. Однако природу этой способности людей бы-ло трудно объяснить, и поэтому водоискатели жестоко пресле-довались церковью. В 1518 году основатель лютеранской ве-ры Мартин Лютер осудил «прутиконосцев». А в серединеXVII века по указанию всесильного кардинала Ришелье были по-сажены в тюрьму, где и умерли, известные во Франции и сде-лавшие много в поисках воды и других ископаемых супруги Бо-солей. Тем не менее, способ продолжали применять в разныхстранах на всех континентах.

Длительное время объяснить способность людей отыски-вать воду пыталась официальная медицина. Эта способностьбыла названа биофизическим эффектом.

Растет население, возникают новые промышленные тех-нологии, требующие колоссальных количеств воды, расши-ряются площади орошения. Расход воды увеличивается из го-да в год, и старые методы поиска подземных вод уже неудовлетворяют человечество. Поэтому постепенно сформи-ровалась наука о подземных водах, имя которой — гидроге-ология. Гидрогеологи составляют геологические карты, про-гнозируют наличие водоносных горизонтов, изучают составпочвенных пород.

Скважины, лучевые водозаборы

Возникла необходимость проникнуть в глубь Земли.Для этой цели изобрели буровой станок. Вначале это былопримитивное приспособление ударного действия с весьманизкой производительностью. В начале XX века на смену емупришел буровой станок вращательного действия. Проходя че-рез толщу горных пород, бур выносит на поверхность образ-цы, по которым определяют состав пород, их водоносность.В настоящее время, как правило, ведут комплексное разведоч-ное бурение, то есть в одной скважине определяют наличие не-скольких полезных ископаемых, в том числе и воды. Теперь напомощь гидрологам пришли новейшие достижения науки. По-иск воды ведется геофизическими методами, электрической,сейсмической и нейтронной разведкой. Весьма эффективнымпризнан аэрометод — поиск подземных вод путем фотографи-рования местности. Обильная растительность в засушливыесезоны, когда кругом уже все засохло, указывает места близ-кого залегания подземных вод. Это модификация геоботани-ческого метода поиска воды.

Этот принцип в последние годы стали использовать в ко-смической разведке воды. У космической гидрогеологии боль-шое будущее, так как этот метод позволяет обследовать всеместа, включая и труднодоступные.

Буровая скважина не случайно по своей конструкции напо-минает подзорную трубу (рис. 2). Телескопичность ее строе-ния, связанная с требованиями бурения и геологии, позволя-ет экономить материалы, что особенно важно, когда выработкаимеет большую глубину.

Самая нижняя часть скважины служит отстойником, гдевода, прежде чем попасть в насос, освобождается от содер-жащихся в ней мелких частиц. Над отстойником находится во-доприемная часть скважины — фильтр. Это именно та дверь,через которую грунтовая вода попадает в рабочую зону сква-жины.

Выше водоприемной части скважины располагаются колон-ны эксплуатационных и обсадных труб, которые, с одной сто-роны, «обсаживают» скважину, удерживая ее стенки от обру-

шения, с другой — служат для размещения в них водоподъем-ных труб и насоса. Над эксплуатационной колонной находит-ся кондуктор. Оправдывая свое название, он каждой проходя-щей через него при бурении трубе задает точное направление.С наружной стороны кондуктор одевается в цементную илиглиняную рубашку-замок, который предотвращает засорениеводоносного горизонта от попадания в него с поверхности

грязной воды через затрубное пространство обсадных труб (за-трубная цементация).

Самая верхняя часть скважины именуется устьем, иначе —оголовком. Собственно «головой» скважины является уста-новленный над нею павильон (или просто шатер), где монти-руется различное механическое и электрическое оборудова-ние (двигатель, приводящий насос в действие, щит управления,контрольно-измерительные приборы и т. п.). В наше время ча-ще всего оголовок скважины держат «на ключе», так как делатьтам почти нечего: в большинстве случаев насосы включаютсяи отключаются автоматически.

Наиболее важной, фактически решающей частью водоза-борной скважины является ее фильтр. Существует множествотипов фильтров, различающихся конструкцией и материалом.

Основой большинства типов фильтров является каркас.Это может быть либо фильтровая труба с щелями или круглы-ми отверстиями, либо цилиндрический стержневой корпус,изготовленный из металлических прутков или толстой прово-локи. Каркас — это скелет, на него надевается «платье» изфильтрующего материала, который и служит для процежива-ния воды.

Наиболее трудоемок по устройству гравийный засыпнойфильтр. Для его образования необходимо, чтобы диаметркаркаса был меньше диаметра обсадной трубы. Это позво-ляет в затрубное пространство между ними засыпать свер-ху гравий и песок, которые и составляют тело фильтра. По-сле засыпки фильтрового материала обсадная трубаподнимается вверх, и окружающий скважину естественныйгрунт водоносного пласта прижимает гравийный фильтрк каркасу.

Вместо засыпки нередко применяют кожуховые или корзин-чатые гравийные фильтры, которые представляют собой коль-цевые сетки-корзины с заранее насыпанным в них гравием.Кроме этого, также как в горизонтальных водозаборах, для филь-тров скважин все больше применяют новые фильтрующие ма-териалы: полимерные, стекловолокнистые, из пористой кера-мики, бетона и т. д. Стремление в наибольшей степенимеханизировать работу по устройству гравийных фильтров от-

крыло путь в водозаборные скважины связующим материалом:кольца фильтра изготавливаются из гравия, зерна которогоскреплены друг с другом цементным раствором или синтети-ческим клеем.

Но напомним, что все это относилось к скважинам, зало-женным в мелкозернистых песках. Если же водоприемнуючасть скважины окружает гравий или хотя бы крупнозернистыйпесок, то дело обстоит значительно проще. В этих случаяхфильтровую трубу или каркас одевают сверху проволочнойсеткой или просто обвивают проволокой. Размеры ячеек, че-рез которые должна течь вода, выбираются в зависимости отгранулометрического состава окружающего скважину грунта.Кстати, опыт работы именно таких фильтров показывает, чтосама природа поставляет нам конструкторские идеи. Делов том, что в первые минуты откачки воды из скважины, обору-дованной сетчатым фильтром, происходит вынос из грунтамелких частиц. Остальные, как по команде, выстраиваются посхеме «обратного фильтра»: ближе к скважине оказываетсякрупный гравий, за ним устанавливаются слои более мелкогогрунта. Это обеспечивает механическую прочность всей при-скважинной зоны (см. рис. 10).

Для сеток и обмоток фильтров используют проволоку изнержавеющей стали, латуни, перхлорвинила, а иногда — измельхиора и серебра. В годы войны советские саперы обна-ружили в старых немецких скважинах даже фарфоровыефильтры.

Но зачем зарывать в землю столь дорогие материалы? Ихприменение вызвано необходимостью бороться с одним изсамых могучих и вездесущих явлений на нашей планете —процессом окисления. В воде всегда, в большем или мень-шем количестве, содержится растворенный кислород. Из-занего (а также азота, хлора, калия, магния и прочих элементови их соединений) фильтры скважин часто не выдерживаюти двух-трех лет эксплуатации — проволока и стержни ржаве-ют, становятся тонкими и прорываются.

Окислительно-восстановительные реакции, с одной сторо-ны, разрушают фильтры, а с другой — приводят к закупори-ванию его водоприемных отверстий, или, как говорят, к «за-

растанию». Продукты распада — окиси, соли постоянно от-кладываются на поверхности фильтров. К ним неизбежноприсоединяются глинистые частицы, выпадающие из воды,обволакивающие малейшие неровности. Не отстают от нихи различные водные бактерии, которые тоже стараются за-цепиться за проволоку фильтров и разрастись в целые коло-нии. Все это вместе часто образует плотную и толстую плен-ку, иногда почти полностью закупоривающую водоприемнуюповерхность скважин.

С закупоркой фильтров ведут борьбу химическими, меха-ническими и физическими методами. Например, промываютих 10-15%-ным раствором соляной кислоты, которую под дав-лением закачивают в скважину. Раствор соляной кислоты рас-творяет соли, наросшие на фильтре, и вымывает их на поверх-ность. Механический способ предусматривает очистку фильтровразличными проволочными щетками, «ершами», скребками, ко-торыми обычно чистят трубы вообще. Сюда же следует отне-сти и гидродинамический способ: на поверхность воды в сква-жине сбрасывают тяжелую цилиндрическую болванку, ударнаяволна через воду передается на поверхность фильтра и сотря-сает слои засорения, который откалывается, как штукатурка состены.

Очень часто для очистки фильтров водяных скважин при-меняют так называемое торпедирование. В данном случаероль торпеды играет простой детонирующий шнур или не-большой пороховой заряд-хлопушка. Взрывная волна переда-ется через воду фильтру, и он очищается.

Проник в область очистки скважин и такой универсальныйочиститель, как ультразвук. Он снимает накипь в паровых кот-лах и паропроводах, очищает турбины электростанций и дажестирает белье. По инициативе сотрудника Всесоюзного науч-но-исследовательского института подземных сооруженийА.Б. Мещанского ультразвук начинает успешно применятьсяи для очистки водяных скважин.

Пройдя фильтр и заполнив скважину, грунтовая вода попа-дает в водоподъемник — основу всего водозабора. Принципдействия любого насоса базируется на стремлении нарушитьфундаментальный закон гидродинамики: принцип неразрыв-

ности потока. Насос пытается разрушить сплошность текущейжидкости, оторвать одну ее часть от другой. Но это, конечно,невозможно: не закрепленная ничем щель или отверстие в во-де существовать не может, она «заплывает» уже в момент сво-его образования.

Единственное, что может насос — это немного «растянуть»жидкость, проредить ее, ослабить связи между частицами.Отражается это на понижении давления в потоке, т. е. на воз-никновении вакуума. На поверхность воды давит воздух с си-лой, равной атмосферному давлению. А в ближайшей к насо-су зоне давление более низкое. Поэтому, в соответствиис известным законом сообщающихся сосудов, вода устрем-ляется по всасывающей трубе к насосу, а он перебрасываетее в противоположную сторону «на выход», в так называемыйнапорный патрубок. В нем, благодаря действию насоса, со-здается напор, выталкивающий воду в водоотводной трубо-провод.

С какой же силой засасывается вода в рабочую полость на-соса, велика ли она? Еще Эванджелиста Торричели в 1643 г. ус-тановил, что в идеальных условиях эта величина равна 10 м во-дяного столба. Практически же насос может засосать водутолько с глубины 6-8 м, а то и меньше. Это и есть его всасы-вающая способность. Но как же быть, если глубина воды в сква-жине больше этой величины? Приходится опускать рабочий ор-ган насоса вниз, погружать его под уровень воды. Но об этомниже.

Простейший из насосов, пришедший в водоснабжение оттрадиционной нефтяной качалки — это поршневой штанго-вый насос объемного действия. Устройство его необычайнопросто и напоминает черпание воды ведром из колодца. Пор-шень насоса — цилиндрический стальной стакан с круглымдонным отверстием, где установлен шарик-клапан. Когда ста-кан падает вниз, клапан открыт и вода поступает через отвер-стие в стакан; когда он поднимается, шарик прижимается во-дой к отверстию и закрывает его. Поступательно-возвратноедвижение поршню сообщает длинная стальная штанга, приво-димая в действие балансиром — устройством, очень похожимна обычный колодезный «журавль».

Однако чаще всего для откачки подземной воды приме-няются лопастные центробежные насосы, которые удаетсялегче всех других электрифицировать. Представим себе ко-лесо, которое вращается на валу двигателя и имеет радиаль-ные плоскости-лопатки. Помещенное в металлический ко-жух-корпус насоса, такое колесо загребает притекающуюк нему воду и отбрасывает ее в сторону, к напорному патруб-ку. С противоположной стороны рабочего колеса — там, гдеотбирается вода —в результате действия центробежных силсоздается разрежение, вакуум, куда и засасывается вода изскважины.

Если у поршневых штанговых насосов длинные «руки»-штанги, которые позволяют загребать воду на большой глу-бине, то с центробежными насосами дело обстоит сложнее.Увеличить их высоту всасывания невозможно, она ограниче-на величиной «торричелиевой пустоты». Поэтому в последниедва десятилетия широкое распространение получили глубин-ные насосы, корпус которых погружается в воду. Сначала кон-структоры опустили в скважину только сам насос, а двига-тель, который боится влаги, оставили на поверхности земли.Передача вращения посредством длинного стального валаоказалась неудобной, громоздкой и требовала строгой вер-тикальности и прямолинейности скважин. Тогда был сконст-руирован центробежный насос с погружным электродвига-телем. Заключенный в герметичный корпус, такой насосныйагрегат позволяет надежно вести откачку воды даже с 500-ме-тровой глубины.

Часто при пробной и опытной откачке воды из скважины при-меняется эрлифт. Название говорит само за себя. В скважинуот компрессора по трубе подается под давлением сжатый воз-дух. Его пузырьки насыщают воду и образуют водо-воздушнуюсмесь, которая, благодаря своей легкости, поднимается вверх.На поверхности она изливается в сбросную трубу или лоток,где воздух улетучивается, а вода остается. Таким образом,воздух («эр») здесь служит своеобразным «лифтом», которыйподнимает воду на нужную высоту.

Существует и множество других типов водоподъемников,отличающихся принципом работы, конструкцией рабочего ор-

гана, материалом, приводом и т.п. Например, находят приме-нение винтовые насосы, работающие по принципу шнека.В сельском хозяйстве используются ленточные или ячеисто-ленточные водоподъемники, в которых металлическая или ре-зиновая лента при движении вверх поднимает воду в своихячейках и выливает ее в желоб. Интересны и водоструйныенасосы (гидроэлеваторы), работающие по принципу пульве-ризатора — здесь эжекционный эффект создается струей во-ды, подаваемой под напором сверху и увлекающей воду изскважины.

Конструкция скважины непосредственно связана со спо-собом ее устройства. В бурении на воду, часто соперничаядруг с другом, господствуют два способа: ударный и враща-тельный, принципиально отличающиеся друг от друга.

Ударно-канатное бурение, например, заключается в том,что горные породы в забое скважины разрушают ударным воз-действием сбрасываемого сверху рабочего бурового инстру-мента. По форме он напоминает обычное плотничье долото.Плоская болванка, имеющая заостренную нижнюю кромку,вместе с надетой на нее сверху тяжелой ударной штангой опу-скается в скважину на канате (отсюда название) и совершаетудары по забою, каждый раз поворачиваясь вокруг своей осина некоторый угол. Это последнее и обеспечивает круглуюформу выработки. Рабочий буровой инструмент испытываетбольшую нагрузку и сильно изнашивается. Его часто приходит-ся ремонтировать или заменять новым. В старину среди русскихбуровиков была распространена даже такая поговорка, кото-рую приводит в своем словаре В.Даль: «Бур не стоит, тупится —подварить ему надо кудри, поправить в кузне». В процессеударно-канатного бурения в скважину периодически подлива-ют воду, она охлаждает долото и, смешиваясь с частицамиразрушенной породы, образует шлам, который в дальнейшемизвлекается с помощью желонки — специального подъемно-го металлического стакана. Если проходка скважины ведетсяв рыхлом песчаном или гравелистом грунте, который неус-тойчив и осыпается, то бурение осуществляется через колон-ну обсадных труб.

Основным элементом станка ударно-канатного буренияявляется балансир — стальная или деревянная балка, к одно-му концу которой прикреплен бурильный канат, а другой под-соединен к шатуну и кривошипу вала двигателя. Посредине сво-ей длины балансир с помощью шарнира закрепляется наопорной стойке, и, когда шатунно-кривошипный механизмприводится в действие, он начинает качаться, а ударная штан-га с долотом — «клевать» забой скважины (все та же насоснаякачалка, или колодезный журавель). Вместо каната для подве-ски ударного инструмента иногда используются буровые штан-ги — тогда бурение называют ударно-штанговым.

При вращательном роторном способе бурения двигатель,установленный на поверхности, посредством ротора — мас-сивного стального кольца, соединенного с ним — передаетвращение находящемуся на забое долоту через колонну опу-щенных в скважину бурильных труб-штанг. В процессе буре-ния по бурильным трубам на забой непрерывно подается свер-ху глинистый раствор. Он охлаждает долото, и, захватываявыбуренные частицы породы, поднимается вверх по кольце-вому пространству между бурильными трубами и стенкамискважины. Таким образом, происходит постоянная очистка за-боя. На этом роль глинистого раствора не ограничивается —в рыхлом грунте он проникает в поры, связывает друг с дру-гом песчаные зерна и образует глиняную корку, закрепляющуюстенки скважины и не дающую ей обрушиться. Однако это име-ет и существенную отрицательную сторону: закупоривая водо-приемную поверхность, глинистый раствор приводит сниже-нию водозахватной способности водозабора — приходитсязатрачивать довольно много времени и средств, чтобы очис-тить скважину, разглинизировать ее стенки. Вот почему ро-торное бурение, хотя и эффективнее ударно-канатного, в ма-ломощных водоносных пластах может и обеспечить подачуводы из скважины в нужном количестве. В последнее время по-явились предложения заменить глинистый раствор другим(например, известковым) — таким, который легко бы раство-рялся и вымывался при промывке скважины. Это может зна-чительно расширить область применения вращательного бу-рения при устройстве подземных водозаборов.

С каждым годом все большее распространение получаетспособ вращательного бурения водозаборных скважин с об-ратной промывкой. Смысл его заключается в том, что, в отли-чие от описанной выше промывки забоя скважин с прямой по-дачей глинистого раствора по бурильным трубам, здесь,наоборот, раствор (а теперь, чаще всего, просто вода) пода-ется в кольцевое пространство между стенками скважин и ко-лонной буровых труб. Поток поступающей воды (раствора)удерживает скважину от обрушения, смешивается на забоес выбуренным грунтом и по буровым трубам всасывается на-верх. Отсюда второе название этого способа — всасывающеебурение. Благодаря такой промывке забоя, скорость восходя-щего потока в буровой колонне не зависит от диаметра сква-жины, поэтому она может быть достаточно большой, что поз-воляет выносить куски породы значительных размеров,а следовательно, вести проходку скважин намного большегодиаметра, чем при прямой промывке.

Лучевые водозаборы

А что, если вместо множества мелких скважин построитьодну укрупненную, т. е. вырыть большой колодец, имеющий та-кую же производительность, как все скважины вместе? Теоре-тически это возможно. А на практике? Большая укрупненнаяскважина должна иметь диаметр, равный нескольким десят-кам метров. Пробурить ее и, главное, закрепить вертикаль-ные стенки пористым фильтрующим материалом — дело оченьтрудное. Нужно найти новую конструкцию подземного водоза-бора — такого, который будучи легко осуществимым на прак-тике, обеспечивал бы откачку из одной точки достаточно боль-шого количества воды.

И такая конструкция есть. Если из шахтного колодца про-бурить веером горизонтальные скважины, то получится луче-вой водозабор. Эта лучевая сеть может поймать столько же во-ды, сколько десяток вертикальных скважин, отстоящих другот друга на расстояние в несколько сотен метров. Устройстволучевого подземного водозабора позволяет вести экономич-ную откачку подземных вод с очень маленьких площадок —

например, в стесненных городских условиях, когда расставлятькольца или цепочки скважин просто негде. Это хорошо пони-мали, например, польские водоснабженцы, построившие круп-нейший в Европе лучевой водозабор в центре Варшавы — пря-мо под руслом Вислы.

По той же причине незаменимыми могут быть лучевые во-дозаборы в прижатых к морю горами курортных районах Чер-номорского побережья Кавказа и Крыма. Там дорога каждаяпядь земли и занимать большую площадь под водозаборыи под обширные зоны санитарной охраны — непозволитель-ная расточительность.

Лучевой водозабор по конструкции напоминает гигантско-го спрута, распростершего в разные стороны свои длинные щу-пальца. Горизонтальные радиальные скважины водозаборавсей своей длиной высасывают воду из водоносного пласта(рис.3).

Приток грунтовых вод к лучевым скважинам обеспечива-ется, как и в других подземных водозаборах, за счет все тогоже принципа сообщающихся сосудов. Одним из этих «сосудов»служит водоносный пласт пористого грунта, другим — шахт-ный колодец, уровень воды в котором понижает насос. Протис-нувшись через узкие водоприемные щелевые или круглые от-верстия лучевых фильтровых труб, грунтовая вода стекает поним в водосборный колодец, откуда и откачивается насосом,подающим ее в водовод на поверхности земли. Горизонталь-ные скважины лучевых водозаборов обычно — имеют длину20-60 м, а диаметр 100-300 мм.

История развития лучевых водозаборов косвенно связанас самым важным явлением нашего века — бурным расцветомдвигателей внутреннего сгорания. Благодаря им нефть сталадля человечества полезным ископаемым № 1. Сначала ее,как и подземную воду, добывали только обычными буровымискважинами. Но со временем инженеры-нефтяники, как и ин-женеры — водоснабженцы, поняли, что горизонтальные сква-жины во многих случаях лучше вертикальных.

Устройство горизонтальных дрен лучевого водозабораосуществляется проталкиванием в грунт из шахтного колод-ца горизонтальных труб с помощью двух спаренных гидрав-лических домкратов, развивающих усилие около 100 т. Гори-зонтальный луч набирается из коротких фильтровых патрубков(рис. 4). Первым звеном служит заостренная буровая головка,которая ползет вперед, захватывая специальными шламоза-борными отверстиями разжиженный грунт (шлам) из водонос-ного пласта.

Разработана конструкция буровой головки, почти полно-стью снимающей лобовое сопротивление грунта продавлива-нию лучевых труб (рис.5). Её отличительной чертой являетсябольшая шламозахватная способность. Острые кромки шла-мозаборного отверстия врезаются в грунт, который вместес водой по специальной (шламовой) трубе стекает в шахтныйколодец строящегося лучевого водозабора. Шаровой клапан-затвор, насаженный на конец штанги, может, в случае необхо-димости, закрывать вход во внутреннюю полость колонны про-

давливаемых в грунт труб, а заостренный наконечник на затво-ре разбивает пробки грунта, если они закупоривают осевое от-верстие.

Другая буровая головка использует свойство грунта те-рять устойчивость и течь под воздействием вибрации. Конст-рукция такой ударно- рыхлительной головки показана на (рис. 6).В конце обтекаемого стального насадка вмонтирован заост-ренный подпружиненный наконечник, на который передаетудары все та же управляемая из шахтного колодца штанга.При вибрации наконечника грунт перед буровой головкой раз-рушается, приходит в подвижное состояние и начинает течьвдоль поверхности головки. Боковые приемные отверстия за-хватывают часть этого грунта, освобождая в земле место, ку-да проталкивается буровой снаряд.

«Локомотивом-толкачом», который продвигает в грунт весь«Поезд» горизонтальных труб, служат уже упоминавшиеся ги-дравлические домкраты, установленные в шахтном колодце,откуда ведется проходка скважин.

После окончания бурения шламовая труба вместе с клапа-ном и штангой извлекается из скважины, и та готова к работе.

В отличие от описанных буровых головок пассивного дей-ствия существуют также «активные» буровые головки — са-моходы. Их толкать сзади домкратами не нужно, они двигают-ся вперед своим ходом. Мощный насос с большим напоромподает воду по шлангу или трубе. Часть этой воды выходит износа буровой головки и, отжимая в стороны частицы грунта, со-здает в нем на мгновение свободную полость, куда входит бу-ровой снаряд. Другая часть подаваемой воды заворачивает поспециальным отверстиям назад и с силой выбрасывается на-ружу (рис. 6). Реакция водяных струй движет в грунте буровуюголовку, которая в свою очередь тянет за собой, как на букси-ре, длинный шланг или трубу.

До сих пор речь шла о лучевых водозаборах классическо-го типа, для строительства которых обязателен центральнорасположенный шахтный колодец. Глубина его обычно состав-ляет 15-25 м, а диаметр 4-6 м. Это довольно много, поэтомустроить такие лучевые водозаборы непросто — ведь колодецнадо сооружать в сильно обводненных крупнозернистых грун-

тах, где нередко встречаются и валуны. Приходится нередкодаже применять кессонный способ проходки, т. е. рыть землюиз специальной камеры в которой поддерживается высокое дав-ление воздуха, что предотвращает поступление в нее грунто-вой воды.

В связи с этим идут усиленные поиски новых конструкциии новых способов устройства лучевых водозаборов, основан-ных на отказе от строительства шахтных колодцев.

Интересное решение предложил кандидат технических на-ук М. Ф. Хасин. Он изобрел устройство, которое дает возмож-ность образовывать скважины в грунте гидравлическим спо-собом: в заранее пробуренную вертикальную скважину сверхуопускается батарея вложенных друг в друга патрубков умень-шающегося размера. Подобно телескопической мачте подъ-емника, с помощью которого электромонтеры подвешивают наулицах провода, патрубки раздвигаются относительно другдруга и вдавливаются в грунт. Для облегчения вдавливания повнутреннему, самому малому патрубку в грунт подается под на-пором вода, производящая гидромониторное действие.

Помимо этого, была предложена конструкция бесшахтно-го лучевого водозабора, устраиваемого из скважины путемвдавливания в грунт дренажных трубок. Последние сложеныв специальной кассете, как патроны в барабане револьвера, —миниатюрный пружинный домкрат выстреливает их в грунтодну за другой. Предлагалось также опускать в заранее про-буренную скважину веерообразный пучок дренажных труб,а потом раскрывать их в грунте как раскрывают обыкновенныйзонт.

Все эти изобретения применимы при устройстве горизон-тальных скважин лишь в рыхлых грунтах, т. е. песчаных, песча-но-галечных, гравелистых. Но ведь часто встречаются горныескальные породы, твердость и крепость которых не позволя-ет применять простое задавливание труб домкратами и дажереактивно-гидравлическое или вибрационное бурение. Эти-ми способами скалу не разрушить. В таких условиях приходит-ся использовать механическое, например, вращательное, бу-рение. В землю вгрызаются стальные долота, которыеизмельчают породу и превращают ее в песок.

Подземные галереи

Верхняя часть Земли напоминает слоеный пирог: пластыпеска сменяются слоями глины, ниже могут опять залегать пе-ски, потом галечники, известняки, песчаники, граниты и т. д.В слоях «пирога» природа заложила начинку — полезные ис-копаемые: нефть, газ, воду. Для того чтобы извлечь их, очевид-но, выгоднее расположить скважину не вертикально, как этообычно делается, а горизонтально, тогда она сможет быть до-статочно длинной и будет захватывать большую площадь про-дуктивного пласта, каким бы тонким он ни был. В результатенефтяники получат больше нефти, а водоснабженцы — боль-ше воды.

Водозабор горизонтального типа позволяет эксплуатиро-вать совсем маломощные водоносные пласты, и особенно эф-фективен, когда его располагают вблизи реки, озера или во-дохранилища. Кстати, горизонтальные водозаборы появилисьзначительно раньше вертикальных. Они возникли в странахс засушливым жарким климатом.

«Самое удивительное сооружение для получения воды в пу-стыне, — пишет В.Н. Куний, — это, конечно, подземные дре-нажные галереи — туннели. В разных странах их называютпоразному: кяриз, канат, фоггара и так далее. Но они всюдув принципе одинаковы. Кяризов, видимо, никто не считал,но для Ирана, например,- классической страны кяризов — на-зывают цифру порядка 30 тыс. Суммарная же длина всех под-

земных выработок кяризов составляет, вероятно, около 500 ты-сяч километров».

Особенностью кяриза (иначе кяхриза) является остроум-ное использование рельефа местности (рис. 9). Обычно он стро-ится на косогорном участке. В водоносном пласте устраивает-ся водосборная подземная штольня, укрепленная камнем илидеревом. За водосборным участком идет водопроводящая га-лерея, уклон которой делается меньшим уклона поверхности зем-ли. Благодаря этому собранная из грунта вода самотеком вы-водится наружу и поступает в водосборный канал или водоем.С поверхностью земли горизонтальную часть кяриз, соединяютвертикальные колодцы, которые устраиваются по длине водо-забора с интервалом от 10 до 50 м. В процессе строительстваэти колодцы служат, так же, как, например, в угольных шахтах,для транспортировки рабочей силы, инструмента и выбранно-го грунта. Рабочих под землю обычно опускают на веревках,с их же помощью поднимают наверх бадьи и ведра с грунтом.После завершения строительства вертикальные колодцы ста-новятся вентиляционными, смотровыми и ремонтными.

Строительство современных горизонтальных водозабо-ров полностью механизировано. Экскаватор выкапываеттран-

шею, куда трубоукладчик кладет водоприемные (дренажные)трубы, после чего производится их обратная засыпка грун-том. Благодаря уклону, вода по трубам стекает в водосбор-ный колодец, а оттуда подается насосом потребителю. Водо-приемная часть горизонтального трубчатого водозабораделается из асбоцементных, керамических, бетонных, чугун-ных, стальных, пластмассовых, стекловолокнистых или дру-гих труб. В верхней части и с боков в трубах делаются щеле-вые или круглые отверстия. Нижняя часть трубы (примернотреть ее высоты), по которой стекает вода, остается без от-верстий. Для небольших водозаборов вместо труб иногдаприменяется каменно-щебеночная дрена, представляющаясобой призму из камня и щебня, уложенную на дно траншеи.Благодаря большой пористости каменно-щебеночном дре-ны вода по ней стекает в водосборный колодец, как по тру-бе. Для крупных водозаборов вместо трубчатых дрен строятбольшие водосборные галереи, которые выполняются изсборных железобетонных элементов с щелевыми отверсти-ями или окнами.

Однако какие бы конструкции подземных водозаборов нипридумали инженеры и ученые, они обязательно учитываютглавный принцип подвода воды к водоприемным отверстиям.Он состоит в том, что крупность частиц фильтрующего мате-риала в непосредственной близости от водозабора прини-мается равной (или несколько большей) размеру самих водо-приемных отверстий, а в удалении от них навстречу потокууменьшается до размеров частиц самого грунта в естествен-ном состоянии. Это видно при рассмотрении конструкциигравийного фильтра, применяемого при устройстве водоза-боров в мелкозернистых грунтах. Выглядит этот фильтр сле-дующим образом: непосредственно у входа в трубу водоза-бора укладывают самые крупные гравийные частицы, вследза ними кладут слой мелкого гравия, а потом уже идут слои пе-ска с убывающей крупностью зерен (рис. 10). Таким образом,притекающая к водозабору водоносного пласта вода снача-ла встречает на своем пути лабиринт мелких пор и потом че-рез более крупные поры гравелистого слоя попадает в водо-забор. Такое устройство обеспечивает высокую устойчивость

фильтра, в противном случае он бы разрушился, струи водывымыли бы песок в полость водозабора, и ничто не могло быих удержать.

Гравийно-песчаный фильтр может устраиваться в один-два слоя или делаться многослойным. Все зависит от крупно-сти и разнородности окружающего водозабор грунта. Есливодозаборную трубу укладывают в природном гравии, то ис-кусственный фильтр класть незачем. А в случае мелкозерни-стого песка или супеси дело обстоит хуже. Особенно, когда грунтоднородный, т. е. состоящий из частиц одинаковой крупно-сти. В разнозернистом грунте даже если мелкие частицы от-моются в водоприемную трубу, то крупные (так называемый ске-лет грунта) всегда останутся. В однородном же грунте ничто егоне удерживает, устремляющаяся в водозабор вода подхваты-вает песчаные и глинистые частицы, смывает их в дрену, заку-поривает ее. Преградой на пути такого потока и встает много-

алойный песчано-гравийный фильтр, который не допускаетразмыва.

Но часто водоснабженцы имеют дело с такими условиями,что не только гравия, но и подходящего для фильтра песканайти поблизости нельзя. Приходится вместо гравийно-пес-чаного фильтра применять трубы из пористых материалов.Например, из пористого бетона. Но, бывает, и он не годится —особенно, когда водоносный пласт сложен пылеватым заилен-ным песком (плывуном, как говорят строители). С таким грун-том бороться особенно трудно: он мелкозернист, текуч и об-ладает такой плохой водоотдачей, что «отжать» из него водуоказывается возможным лишь через самые тонкопористыефильтры, многие конструкции которых еще только проходят ста-дию исследования.

Иногда вместо песчано-гравийных обсыпок используютразличные местные материалы: мох, губку, камыш, водорос-ли, траву и пр. Например, дренажи, выполненные из короткихгончарных трубок, в Прибалтике часто перекрывают мхом, ко-торый даже в водонасыщенных суглинистых грунтах служитпрекрасным фильтром. Процеженная сквозь его поры водачерез стыки между трубками поступает во внутреннюю по-лость дрены и стекает в водосборный колодец.

Одним из серьезных недостатков горизонтальных водоза-боров является их сравнительно низкая водозахватная способ-ность (т. о. производительность, отнесенная к единице длиныводозабора). Действительно, обеспечить глубокое заложениегоризонтального водозабора не удается; отрыть траншею набольшую глубину и поддерживать от оплывания на время стро-ительства ее откосы — дело далеко не простое. Не говоря ужо том, что для' качественной укладки водоприемной трубыи гравийно-песчаной обсыпки нередко требуется откачиватьиз траншеи постоянно поступающую в нее воду, что тоже час-то бывает затруднительно. А раз глубоко расположить водо-забор не удается — значит нельзя и обеспечить достаточнобольшой напор воды, с которым непосредственно связанапроизводительность водозабора.

И еще один недостаток горизонтального трубчатого водо-забора: во время его эксплуатации неизбежно происходит за-

сорение, заиление труб, их коррозия и отложение солей. В от-личие от вертикальных водозаборов, открыть сверху, очиститьуложенную под землей трубу нелегко. Особенно при ее боль-шой длине. Делают это с помощь вертикальных ремонтныхи смотровых колодцев, и это со всем не простое дело.

Перечисленные недостатки в некоторой степени призван ис-править предложенный автором этой книги свайно-стоечныйподземный водозабор. Он выполняется в виде полой стены-дре-ны (рис. 11), которая устанавливается в водоносном грунте це-ликом или набирается из полых свай (шпунтин) или стоек.

Верхняя часть такой водозаборной стены оборудует во-доприемными окнами-фильтрами, а нижняя представляет со-бой водосборный лоток. Профильтровавшись через водопри-ёмные окна водозабора, грунтовая вода попадает в еговодоотводную лотковую часть, по которой стекает в водосбор-ный колодец, где установлен насос для откачки. Сверху водо-забор открыт, как и простой шахтный колодец или скважина,и поэтому в процессе эксплуатации его легко можно чистить.

Водозабор-стена может опускаться в грунт непосредст-венно с поверхности и в принципе не требует рытья специ-альной траншеи и водоотлива. Погружение водозабора в грунтобеспечивает обычный сваезабойный капер, вибро- или гид-ропогружатель и т. п. Установленный под землей поперек по-тока грунтовых вод водозабор-стена может играть роль свое-образной плотины, перегораживающей подземную рекуи перехватывающей воду.

Свайно-стоечный водозабор может успешно применятсяи в качестве элемента того или иного сооружения. Возьмем дляпримера железобетонную подпорную стенку, укрепляющуюберег. Если ее выполнить из полых водозаборных блоков-сто-ек, то она будет не только удерживать грунт от обвала, но и дре-нировать поступающую к ней грунтовую воду. А это в свою оче-редь не только обеспечит водоснабжение, но и, как видно изрис. 11, разгрузит саму подпорную стенку от гидростатичес-кого давления, которое оказывает на нее грунтовая вода (вме-сто большого Н — меньшее h).

Другой случай — свайный фундамент здания. Устроенныйв виде полой водозаборной стенки, он тоже сыграет дренаж-

ную роль, перехватив подтопляющие здание грунтовые воды.А если здание, о котором идет речь — насосная станция, та-кой фундамент даст водопотребителям дополнительное коли-чество чистой подземной воды. Таким образом, предложенныйводозабор-стена дает возможность комплексного использо-вания сооружения.

ХРАНЕНИЕ ВОДЫ

Хранение воды в открытых водоемах имеет и тот серьезныйнедостаток, который связан с ее температурным «загрязнени-ем». Поверхностная вода быстро прогревается и охлаждается,колебания ее температуры связаны с суточными и сезоннымиизменениями температуры воздуха. В подземных же водохра-нилищах вода одета в толстую «шубу» грунта, защищающую ееот палящих лучей солнца и леденящего дыхания мороза. А этоособенно важно для питьевого водоснабжения.

Все сказанное делает создание подземных водохранилищважной задачей. Сводится эта проблема к искусственной под-питке подземных водоносных пластов поверхностной водой.Например, регулирование подземного стока заключается в том,что зимой вода из реки подается в пласт, а в жаркий летний пе-риод откачивается для нужд потребителей. Искусственное по-полнение подземных вод так и называется: «магазинирование».

Для подпитки подземного водоносного пласта применяютне только фильтрационные бассейны, но и траншеи, канавы,борозды, котлованы, шурфы. В случае, если верхний слой зем-ли сложен водонепроницаемыми грунтами, приходится ис-пользовать шахтные колодцы и скважины. Эти горные выработ-ки, прорезая верхний экранирующий слой грунта, позволяютповерхностной воде проникать глубоко под землю и питатьводоносный горизонт. В условиях напорного водоносного пла-ста используют систему нагнетательных скважин, через кото-рые поверхностная вода закачивается в землю под напором,создаваемым насосами.

Объективности ради, следует отметить, что, кроме пре-имуществ, подземные водохранилища имеют и ряд недостат-ков. Одним и них является ограниченность количества воды,

которая может в них аккумулироваться. Ведь подземная водазаполняет лишь поры грунта, поэтому при равных размерах под-земное водохранилище может содержать лишь 20-30% запа-сов воды поверхностного. В связи с этим важнейшей задачейгидрогеологов и гидротехников, занимающихся конкретнымивопросами восполнения запасов подземных вод для крупныхводопотребителей, являете поиск подходящих, подземных ре-зервуаров. При этом приходится заботиться не только об их раз-мерах и пористости грунта-заполнителя, но и о надежности «бе-регов» подземного водохранилища — они должны бытьнепроницаемы и не должны допускать утечек воды. Но если этотвопрос достаточно сложно решается при исследовании ложаповерхностных водохранилищ, то для подземных он труденвдвойне.

Естественные подземные емкости часто обнаруживают-ся в виде понижений водоупорных слоев земли, межгорныхвпадин, песчаных и гравийно-песчаных линз и т. д. В каждомотдельном случае подземное водохранилище может бытьоконтурено и детально разведано с помощью бурения сква-жин и геофизических методов исследования. Когда природ-ные гидрогеологические условия не позволяют непосредст-венно использовать подземные емкости для устройстваводохранилищ, возможно создание искусственных водохра-нилищ. При этом требуется обустройство подпорных плотин,перегораживающих подземные «реки» и поднимающих ихуровень. Подземные плотины могут создаваться в грунтев виде цементационных завес, глиняных или бутобетонныхстенок.

МЕЛИОРАЦИЯ УЧАСТКА

В глубоких подземных пластах вода размывает встречаю-щиеся на ее пути горные породы, насыщается солями, мине-рализуется. По извилистым узким каналам-порам поднимают-ся вверх водяные столбики. Их движут к поверхности земликапиллярные силы. Они, как микроскопические насосы, заде-ланные в стенки грунтовых пор, тянут воду на многометровуювысоту, к свету. Здесь, вблизи земной поверхности, горячий воз-

дух высушивает почву. Вода испаряется, оставляя на землебелые пятна соли — яд для растений.

От года к году накапливаются вредные кристаллы в верх-нем слое почв, вытесняют полезные питательные вещества, не-обходимые для роста растений. Пролысины и белые пятнав степи увеличиваются, захватывая все новые и новые площа-ди. Солончаки и солонцы завоевывают большие территории,часто на них гибнут травы, кустарники, деревья, все дальше в по-исках пищи убегают полевые животные, улетают птицы.

С давних времен люди давали грустные названия этим ме-стам. «Черные земли»,- говорили калмыки. «Голодная степь!» —восклицали узбеки. Так и поныне значатся они на географиче-ских картах.

Орошение возрождает эти края, превращает их в цветущиеоазисы. Но одновременно снова приходит засоление, на этотраз вторичное, вызванное человеком. Подаваемая на поля во-да течет по бороздам между посевами. Одну часть этой воды«выпивают» корни растений, другая — испаряется, а третья —просочившись вниз через почву, пополняет грунтовые воды, по-вышает их уровень, происходит подтопление сельскохозяйст-венных земель. Вода вымывает из грунта соли, уносит их вме-сте с собой к почвенному слою — начинается засоление. Вотведь парадокс: люди орошают землю, стараются превратитьее в зеленый сад, но вместо растений на почве нередко появ-ляются уже известные нам белесоватые пятна. Как же бороть-ся с засолением полей?

Давно уже люди заметили, что после дождя белые пропле-шины в степи блекнут, сереют, а то и вовсе исчезают. Но коро-ток век дождевых ручьев, быстро стекают они в реки и овраги,не успев проникнуть глубоко в почву. Поэтому полноценногообессоливания грунта атмосферные осадки не дают. Нужныболее сильные средства — искусственные промывки.

Здесь мы сталкиваемся с новой ролью воды, противопо-ложной той, о которой только что говорили. Поднимаясь сни-зу вверх, вода засоляла почвы. Подчиняясь воле человека,двигаясь вниз, в землю, она, наоборот, обессоливает ее. Та-кой способ применяли еще в Древнем Египте. В долине Нилазасолялись плодородные почвы. Крестьяне пускали на них са-

мотеком пресную речную воду, она растворяла соли, насыща-лась ими и стекала обратно в реку. Такие же промывки, так на-зываемые «араты», делались и при обработке засоленных зе-мель в дореволюционном Азербайджане.

Однако для полного обессоливания почв нужны более силь-ные и специальные средства, в качестве которых служат дре-нажные системы. Вымываемые при промывке соли вместес насыщенной ими водой должны быть вовремя удалены с рас-соляемых полей. Это и делает дренаж. Что же он собой пред-ставляет?

Дренаж орошаемого участка — это система параллельныхканалов, которые собирают из грунта и отводят за пределы оро-шаемой территории промывную воду.

В большинстве случаев дренаж строили (да и теперь ещестроят) путем рытья дренажных канав-каналов. Но такой дре-наж нарезает на куски засеянное поле, мешает механизиро-ванной обработке почвы. Поэтому все чаще стали применятьтак называемый закрытый дренаж.

Его устраивают так. Отрывают траншеи и укладывают в ниходну за другой короткие дренажные трубы длиной до 30 см (на-пример, керамические) и засыпают их землей. Работа не из лег-ких, особенно если учесть, что протяженность дренажной се-ти на крупных объектах мелиорации может достигать десятков,а то и сотен километров. Понятно, что старый способ строи-тельства дренажа никого устроить не мог. За разработку ма-шин дреноукладчиков, которые могли бы делать все опера-ции сразу, взялись ученые и инженеры.

Вскоре специалисты смонтировали новую машину. Этобыл трактор с прицепами, который напоминал поезд с паро-возом и вагонами. Первый «вагон» — землеройный, выкапы-вал траншею. Он, как и речная землечерпалка, представлял со-бой многоковшовый экскаватор и был оборудован непрерывнодвижущимися ковшами, которые зачерпывали грунт, сбрасы-вали его на транспортерную лент�