Woda jest niezbędnym do życia i zarazem najbardziej powszechnym związkiem organicznym na Ziemi. Rosnące zużycie oraz niekorzystne warunki hydrogeologiczne wymuszają na nas racjonalne eksploatowanie i ochronę zasobów wód podziemnych.
Na terenie naszego kraju około 70 % wody przeznaczonej do spożycia to woda pochodząca z ujęć wód podziemnych, eksploatowana przy wykorzystaniu studni głębinowych.
Studnia głębinowa – jest to kopany lub wiercony otwór sięgający z powierzchni do poziomu wodonośnego, wyposażona dodatkowo w urządzenia techniczne umożliwiające trwały pobór lub chłonięcie wody.
Czy każda studnia pozwala na bezpieczne ujmowanie wód podziemnych? Przyjrzyjmy się bliżej poszczególnym etapom budowy, metodom wiercenia oraz konstrukcji studni głębinowych.
Projekt robót geologicznych
Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów robót geologicznych, w tym robót, których wykonywanie wymaga uzyskania koncesji (Dz.U. 2011 nr 288 poz. 1696) projekt robót geologicznych składa się z części tekstowej i graficznej. Część tekstowa obejmuje opis zamierzonych robót geologicznych m.in. informacje dotyczące lokalizacji, opis budowy geologicznej oraz przedstawienie możliwości osiągnięcia celu robót geologicznych. Część graficzna projektu zawiera naniesioną na mapę topograficzną lokalizację obiektu oraz przekroje geologiczne. Projekt robót geologicznych musi zostać podpisany przez osobę posiadającą odpowiednie kwalifikacje do wykonywania, dozorowania i kierowania pracami geologicznymi.
Projekt studni głębinowej musi uwzględniać wiele kryteriów takich jak warunki hydrogeologiczne, metodę wiercenia oraz założone parametry eksploatacyjne . Przed przystąpieniem do projektowania otworu należy rozpoznać warunki hydrogeologiczne w danym rejonie. Ważna jest również dostępność terenu dla urządzenia wiertniczego oraz rozpoznanie ograniczeń formalno-prawnych oraz potencjalnych kolizji z istniejącą infrastrukturą powierzchniową i podziemną.
Konstrukcja otworu
Konstrukcja projektowanego otworu może składać się z jednej lub kilku kolumn rur okładzinowych oraz kolumny filtrowej w zależności od warunków hydrogeologicznych, wybranej metody wiercenia oraz założonych parametrów. Zadaniem kolumny rur okładzinowych jest zabezpieczenie ścian otworu wiertniczego i zamknięcie wyżej leżących warstw wodonośnych. W wielu otworach rolę kolumny rur okładzinowych przejmuje rura nadfiltrowa, która zostaje wyprowadzona do powierzchni terenu. Rura podfiltrowa spełnia rolę osadnika dla drobnych cząsteczek skał, które mogą podczas eksploatacji przedostać się z warstwy wodonośnej do wnętrza kolumny filtrowej. W przypadku ujmowania warstwy wodonośnej, która jest zbudowana ze skał zwięzłych, niewymagających rurowania wykonuje się studnie bezfiltrowe.
Najważniejszym elementem kolumny filtrowej i zarazem całej studni głębinowej jest cześć czynna, która powinna zostać wykonana
z materiałów odpornych na korozję, utrudniających tworzenie się osadów pochodzenia chemicznego lub biologicznego oraz zapewniających odpowiednią wytrzymałość mechaniczną, która będzie gwarantowała stabilność otworu. Dobór odpowiedniej dla konkretnych warunków hydrogeologicznych konstrukcji filtra pozwala na osiągnięcie dużej wydajności studni oraz wysokiej sprawności hydraulicznej.
Nawet najlepiej zaprojektowana i wykonana studnia głębinowa podlegać będzie procesom starzenia. Ze względu na ten fakt bardzo istotny jest również dobór konstrukcji pozwalającej na wykonanie w późniejszym czasie zabiegów renowacyjnych lub rekonstrukcyjnych. W żadnym wypadku kryterium cenowe nie powinno być jedynym i decydującym wyznacznikiem uwzględnionym przy wyborze konstrukcji kolumny filtracyjnej.
Każdy otwór hydrogeologiczny na powierzchni terenu powinien zostać zakończony obudową, stanowiącą zabezpieczenie przez zanieczyszczeniem lub uszkodzeniem, jednocześnie pozwalając na instalację niezbędnego wyposażenia. Termoizolacyjne obudowy napowierzchniowe służą zabezpieczeniu ujęcia głębinowego oraz zabudowanej w niej armatury, chronią przed ujemnymi temperaturami oraz przed przedostaniem się wód powierzchniowych. Ponadto zapewniają bezpieczeństwo osobom odpowiedzialnym za prawidłowe funkcjonowanie ujęcia.
Nadzór
Prace geologiczne mogą być wykonywane, dozorowane i kierowane tylko przez osoby posiadające odpowiednie kwalifikacje. Funkcję dozoru geologicznego sprawuje uprawniony hydrogeolog lub geolog.
Osoba sprawująca dozór sporządza na bieżąco profil geologiczny otworu, przeprowadza pomiary kontrolne oraz nadzoruje najważniejsze procesy takie jak przewiercanie warstw wodonośnych lub zamykanie poziomów wodonośnych. Jest również odpowiedzialna za sprawdzenie zgodności konstrukcji kolumny filtrowej z założeniami projektowymi.
Sprawowanie nadzoru geologicznego leży w kompetencjach kierownika prac geologicznych, który koryguje zakres prac w dostosowaniu do bieżących wyników. Obsługa hydrogeologiczna wierceń polega na udziale hydrogeologa we wszystkich pracach związanych z projektowaniem, wykonaniem a także przekazaniem do eksploatacji.
Wiercenie otworu
Najczęściej stosowanymi w Polsce metodami wiercenia studni głębinowych jest wiercenie udarowe oraz wiercenie obrotowe z wykorzystaniem płuczki wiertniczej.
W przypadku wiercenia udarowego skała urabiana jest poprzez udary podnoszonego i opadającego świdra. Przewód wiertniczy wprawiany jest w ruch posuwisto zwrotny mechanicznie za pomocą wahacza lub szarpaka. Urobek powstający w czasie procesu wiercenia wyciągany jest z dna otworu przy wykorzystaniu łyżki wiertniczej. Wiercenie udarowe charakteryzuje bardzo dobre rozpoznanie litologiczne oraz brak „zanieczyszczenia” warstwy wodonośnej płynami wiertniczymi. Jest metodą bardzo czasochłonną, wymaga stosowania wielu kolumn rur wiertniczych co przekłada się na duże koszty prowadzenia prac wiertniczych. Obecnie metoda udarowa wykorzystywana jest do wiercenia studni głębinowych o głębokości nie przekraczającej 100 m.
Wiercenie obrotowe polega na skrawaniu, ścieraniu lub kruszeniu skały przy pomocy obracającego się świdra lub koronki umiejscowionej na końcu przewodu wiertniczego wprawianego w ruch obrotowy mechanicznie za pośrednictwem stołu obrotowego, wrzeciona lub głowicy obrotowej. Charakteryzuje się o wiele szybszym w porównaniu do wiercenia udarowego postępem prac oraz niższymi kosztami.
W procesie wiercenia obrotowego wykorzystywana jest płuczka wiertnicza mająca za zadanie oczyszczanie dna otworu ze zwiercin i wynoszenie ich na powierzchnię, ponadto odpowiada za stabilność ścian otworu oraz chłodzenie i smarowanie świdra wraz
z przewodem. W trakcie wiercenia płuczka może mieć negatywny wpływ na wpływ na właściwości hydrauliczne strefy przyotworowej.
Istotnym elementem podczas wiercenia każdej studni głębinowej bez względu na wybraną metodę wiercenia jest zadbanie o właściwą izolację poszczególnych poziomów wodonośnych. Nawiercona warstwa wodonośna musi zostać odizolowana od warstw leżących nad nią. Izolacje poziomów wodonośnych uzyskuje się poprzez wciśnięcie rur okładzinowych w korek iłowy utworzony na dnie otworu lub poprzez zacementowanie przestrzeni pierścieniowej poza rurami.
Ostatnim etapem wiercenia po zabudowaniu kolumny filtrowej i wykonaniu obsypki żwirowej są pompowania oczyszczające i sprawnościowe. Pierwsze z nich pozwala na oczyszczenie otworu i strefy przyotworowej, pompowania sprawnościowe mają natomiast na celu ocenę parametrów hydrogeologicznych warstwy wodonośnej, określenie zasięgu oddziaływania ujęcia oraz ustalenie dopuszczalnej wydajności i zasobów eksploatacyjnych studni.
Wiercenie to nie wszystko
Dopełnieniem prac wykonawczych są badania geofizyczne oraz inspekcja telewizyjna. Dodatkowe pomiary pozwalają na ocenę jakości wykonania oraz wykrycie wad konstrukcyjnych mogących wpłynąć na dalsze funkcjonowanie studni. Brak uszczelnienia przestrzeni pierścieniowej, nieszczelne złącza rurowe, źle dobrana konstrukcja filtra lub obsypka żwirowa to tylko jedne z wielu czynników, które mogą negatywnie wpłynąć na późniejszą eksploatację.
Nie bez znaczenia jest również późniejsza eksploatacja studni, która powinna się odbywać zgodnie
z ustalonymi wydajnościami. Regularne pomiary zwierciadła statycznego (minimum raz na kwartał) połączone z ciągłym monitoringiem eksploatacji pozwalają na bieżące eliminowanie problemów. Należy pamiętać o tym że spadek współczynnika wydobycia do poziomu 90 % jest właściwym momentem do podjęcia działań.
Bezpieczne źródło wody
Budowa studni głębinowej jest wieloetapowym procesem. Jedynie należyte zaprojektowanie i wykonanie otworu hydrogeologicznego a następnie w późniejszym etapie racjonalna eksploatacja połączona z monitoringiem pozwalają na długotrwałe i bezpieczne ujmowanie wód podziemnych.
…
Literatura
1. Dowigałło J., Kleczkowski A. S., Macioszczyk T., Różkowski A., (2002) Słownik hydrogeologiczny, Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.
2. Gonet A., Macuda J., Zawisza L., Duda J., Porwisz J., (2011) Instrukcja obsługi wierceń hydrogeologicznych, Wydawnictwa AGH, Kraków. www.researchgate.net/publication/335700611_Instrukcja_obslugi_wiercen_hydrogeologicznych
3. Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz.U. 2011 nr 163 poz. 981) www.isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20111630981
4. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2011 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących projektów robót geologicznych, w tym robót, których wykonywanie wymaga uzyskania koncesji (Dz.U. 2011 nr 288 poz. 1696) www.isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20112881696
…
Mateusz Szatko
