Tadeusz Solecki* WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 27 ZESZYT WSTÊP

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 27 ZESZYT Tadeusz Solecki* OCENA ZASOBÓW EKSPLOATACYJNYCH UJÊCIA WÓD PODZIEMNYCH CZWARTORZÊDOWEGO POZIOMU WODONOŒNEGO, WYBRANEJ CZÊŒCI KRAKOWA, W ASPEKCIE MO LIWOŒCI ZAOPATRZENIA W WODÊ I POZYSKANIA ENERGII CIEPLNEJ** 1. WSTÊP Problem analizowany w artykule dotyczy rejonu pó³nocno-zachodniej czêœci Krakowa, która aktualnie znajduje siê poza stref¹ zasilania w wodê z miejskiej sieci wodoci¹gowej. Zaopatrzenie w wodê odbywa siê w tej czêœci Krakowa z indywidualnych ujêæ wód podziemnych stanowi¹cych studnie wiercone. Ujêcia te wykorzystuj¹ wody podziemne czwartorzêdowego poziomu wodonoœnego. Zasoby eksploatacyjne poszczególnych ujêæ wód podziemnych, mog¹ znacznie przekraczaæ w tym rejonie zapotrzebowanie na wodê do celów pitnych i sanitarnych. W zwi¹zku z tym, w artykule podjêto próbê oceny zasobów eksploatacyjnych typowego rzeczywistego ujêcia wód podziemnych, niebêd¹cych kopalinami w rozumieniu ustawy prawo geologiczne i górnicze [8]. Ujêcie oznaczone identyfikatorem S-1 zosta- ³o zaprojektowane i wykonane zgodnie z normami: PN-G-02318:1994, PN-93/G i PN-G-02321:1997 [12]. W niniejszym artykule zasoby eksploatacyjne ujêcia S-1 zosta³y przeanalizowane w aspekcie mo liwoœci zaopatrzenia w wodê do celów pitnych i na potrzeby sanitarne, z równoczesnym pozyskaniem energii cieplnej do celów grzewczych, z wody podziemnej * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Opracowano w ramach badañ w³asnych 391

2 pochodz¹cej z samego tego ujêcia. Woda z tego ujêcia cechuje siê stosunkowo nisk¹ temperatur¹ (12 o C), w zwi¹zku z tym nie daje mo liwoœci bezpoœredniego zastosowania w instalacjach grzewczych. W takich przypadkach maj¹ zastosowanie pompy ciep³a, które podnosz¹ energiê na wy szy poziom termodynamiczny. Ciep³o wody podziemnej stanowi tzw. dolne Ÿród³o ciep³a, które ze wzglêdów ekonomicznych powinno znajdowaæ siê blisko pompy ciep³a [2]. 2. CHARAKTERYSTYKA HYDROGEOLOGICZNA TERENU LOKALIZACJI UJÊCIA S-1 Teren lokalizacji poddanego analizie ujêcia wód podziemnych po³o ony jest w pó³nocno-zachodniej czêœci Krakowa, w dzielnicy IV Pr¹dnik Bia³y, na dzia³ce oznaczonej numerem 1443/7, obrêb 33 Krowodrza. Teren wyrównany nasypami, lekko nachylony w kierunku po³udnia, o wysokoœciach bezwzglêdnych w granicach 230,9 232,3 m npm. Morfologicznie jest to skraj Wy yny Krakowskiej fragment sto ka nap³ywowego rzeki Pr¹dnik, który znajduje siê na po³udniowym krañcu Monokliny Œl¹sko-Krakowskiej, na pograniczu z Nieck¹ Miechowsk¹ i Zapadliskiem Przedkarpackim. Teren lokalizacji ujêcia znajduje siê w obrêbie dwóch G³ównych Zbiorników Wód Podziemnych (GZWP). Charakterystyczne parametry tych zbiorników s¹ nastêpuj¹ce [3]: GZWP 450 Dolina rz. Wis³a (Kraków) zbiornik w utworach doliny rzeki, szacunkowe zasoby dyspozycyjne 20 tys. m 3 /dobê, œrednia g³êbokoœæ ujêæ m, GZWP 326 Zbiornik (J3) Czêstochowa (E) zbiornik w utworach jury górnej, szacunkowe zasoby dyspozycyjne 1020 tys. m 3 /dobê, œrednia g³êbokoœæ ujêæ 160 m. W tym rejonie ujmowane s¹ wody podziemne wystêpuj¹ce w obrêbie utworów czwartorzêdowych, tj. osadów piaszczysto- wirowych pochodzenia akumulacyjnego (sto- ek nap³ywowy Pr¹dnika). Zwierciad³o wód tego poziomu charakteryzuje siê generalnie stanem swobodnym niekiedy napiêtym, jak to ma miejsce w przypadku analizowanego ujêcia. Zasilanie tego poziomu odbywa siê g³ównie drog¹ infiltracji opadów atmosferycznych poprzez pokrywê glin i py³ów. Sp³yw wód podziemnych w utworach czwartorzêdowych nastêpuje w kierunku po³udniowym. Dla analizowanego ujêcia czwartorzêdowa warstwa wodonoœna charakteryzuje siê wspó³czynnikiem filtracji k = 1,29*10 4 m/s i. Dla innych ujêæ z tego rejonu k = (1,48 1,56)*10 4 m/s dane archiwalne. Przekrój hydrogeologiczny przez analizowane ujêcie oznaczone identyfikatorem S-1 i najbli sze istniej¹ce ujêcie oznaczone identyfikatorem R-3 przedstawiono na rysunku

3 Rys. 1. Przekrój hydrogeologiczny z uwzglêdnieniem analizowanego ujêcia S-1 3. CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA I HYDRAULICZNA UJÊCIA S-1 Ujêcie wód podziemnych stanowi otwór wiertniczy, wykonany do g³êboko ci 32 m p.p.t., za pomoc¹ urz¹dzenia wiertniczego typu US-100, przeznaczonego do wierceñ mechanicznych udarowych, bez stosowania p³uczki wiertniczej. Konstrukcja ujêcia sk³ada siê z rur wiertniczych stalowych DN 18" (kolumna wstêpna do g³êboko ci 8,0 m) i filtra kolumnowego z rur PCV-U o nastêpuj¹cych parametrach: rura nadfiltrowa PCV-U rednica DN 200 mm, Ln =23,0 m, czê æ czynna (filtr w³a ciwy) PCV-U rednica DN 200 mm, perforacja szczelinowa pozioma 1 mm Lf = 6,0 m, rura podfiltrowa PCV-U rednica D N200 mm Lp =3,0 m, rurê podfiltrow¹ zakoñczyæ standardowym dnem z PCV, w dolnej, rodkowej i górnej czê ci filtra umieszczono prowadniki dla wymuszenia równomiernej przestrzeni pier cieniowej i grubo ci obsypki wirowej. W przestrzeni pomiêdzy cian¹ otworu a kolumn¹ rur filtrowych PCV-U umieszczono: obsypkê wirow¹ w interwale 32,0 20,0 m p.p.t., warstwê piasku gruboziarnistego w interwale 20,0 19,0 m p.p.t. (o wysoko ci ok. 1,0 m, w celu stworzenia strefy buforowej od nastêpnej czê ci wype³nienia przestrzeni pier cieniowej otworu co zapobiega wnikniêciu ilastego materia³u izolacyjnego miêdzy ziarna obsypki), materia³ uszczelniaj¹cy w interwale 19,0 7,0m ppt (nieprzepuszczalny dla wody i³ bentonitowy), 393

4 wype³nienie urobkiem wiertniczym w interwale 19,0 7,0m p.p.t. (urobek odpowiadaj¹cy sk³adem ska³om wystêpuj¹cym w strefie przyotworowej w tym interwale). Do budowy zastosowano wysokiej jakoœci atestowane materia³y, stanowi¹ce elementy sk³adowe konstrukcji ujêcia: filtr kolumnowy rury PCV-U [9], obsypka filtra wir filtracyjny [10], materia³ uszczelniaj¹cy z bentonitu [11]. Przepustowoœæ hydrauliczna filtra zosta³a okreœlona na podstawie nomogramów producenta i wynosi 5,5 m 3 /h na 1mb filtra przy nap³ywie wody 10 2 m/s [10]. W celu doboru obsypki wirowej wykonano analizê sitow¹ uœrednionej próbki pobranej z interwa³u czynnej czêœci filtra. Wyniki analizy sitowej materia³u skalnego warstwy wodonoœnej przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Krzywa granulometryczna próbki warstwy wodonoœnej W oparciu o krzyw¹ granulometryczn¹ próbki materia³u warstwy wodonoœnej dobrano obsypkê wirow¹ zgodnie z norm¹ PN-88/B W celu poprawy parametrów hydraulicznych strefy przyfiltrowej przeprowadzono pompowanie oczyszczaj¹ce strefê przyfiltrow¹ z drobnych cz¹stek pylastych i piaszczystych. Pompowanie oczyszczaj¹ce prowadzono przez 24 godziny, zgodnie z za³o eniami projektowymi [12], stosuj¹c zasadê, e wydatek pompowania oczyszczaj¹cego Q pomax powinien byæ o 20% wy szy od wydatku maksymalnego pompowania pomiarowego Q ppmax. W omawianym przypadku Q pomax = 26,0 m 3 /h. 394

5 4. PRÓBNE POMPOWANIE POMIAROWE UJÊCIA S-1 I ANALIZA WYNIKÓW POMPOWANIA W celu okreœlenia zasobów ujêcia wykonano pompowanie pomiarowe, w warunkach ustalonych przez 24 godz., w odniesieniu do trzech stopni pompowania przy ró nych ustalonych wydatkach Q i oraz ró nych ustalonych depresjach S i, stosuj¹c nastêpuj¹c¹ ogóln¹ zasadê przyjêt¹ praktyce: Q 1 = 1/3Q maxt ; Q 2 = 2/3Q maxt ; Q 3 = Q maxt. Wykres przebiegu pompowania w czasie rzeczywistym przedstawiono na rysunku 3. Rys 3. Przebieg pompowania w czasie rzeczywistym Q maxt = 21,0 m 3 /h, wyznaczono w projekcie prac geologicznych [12] na podstawie obliczeñ. W rzeczywistoœci pompowanie prowadzono z niewielk¹ ró nic¹, osi¹gaj¹c wydatek Q max = 21,7 m 3 /h, co wynika³o z precyzji regulacji natê enia strumienia wyp³ywu wody, podczas prowadzenia pompowania. Zestawienie wyników pomiarów pompowania i obliczeñ zawarto w tabeli 1. Tabela 1 Zestawienie wyników próbnego pompowania Wydatek Depresja Qi [m 3 qi=qi/si q(max)/q(min) q'=q/s^0,5 q'(max)/q'(min) q''=q/(s^2/3) q''(max)/q''(min) /h] Si [m] Q1=7,20 S1=1,75 q1=4,11 5,44 4,96 Q2=14,4 S2=3,66 q2=3,93 3,14 7,53 1,70 6,06 Q3=21,7 S3=5,5 q3=3,95 9,25 6,96 1,40 Interpretuj¹c wyniki próbnego pompowania sporz¹dzono wykresy diagnostyczne Q = f (s) oraz q = f (s) rysunek

6 Rys. 4. Wykresy diagnostyczne Q = f (s), q = f (s) Na podstawie analizy wykresów diagnostycznych Q = f (s) i q = f (s) okreœlono, e odpowiadaj¹ one znanym z literatury przebiegom dla studni eksploatowanych w warunkach naporowych [5, 6]. Do okreœlenia rodzaju filtracji w strefie przyfiltrowej sporz¹dzono wykresy diagnostyczne Q = f (s), Q = f (s 1/2 ), Q = f (s 2/3 ) rysunek 5. Z przebiegu wykresów wynika, e linii prostej odpowiada funkcja Q = f (s), co wskazuje na filtracjê laminarn¹ w strefie dop³ywu do ujêcia. Rys. 5. Wykresy diagnostyczne Q = f (s), Q = f (s 1/2 ), Q = f (s 2/3 ) 396

7 Obliczenia parametrów hydrogeologicznych ujmowanego poziomu wodonoœnego, zasobów ujêcia, depresji, zasiêgu leja depresji, ustalenie granic obszaru zasilania tego ujêcia, obszaru zasobowego, kierunków i prêdkoœci rzeczywistej dop³ywu wód do ujêcia, przeprowadzono wykorzystuj¹c schemat Dupuita dop³ywu wody do ujêcia, eksploatowanego w warunkach naporowych, studni¹ niezupe³n¹. Wp³yw niezupe³noœci studni na jej wydatek skorygowano poprawk¹ Forchheimera [7]. W formule Dupuita opisuj¹cej dop³yw wody do ujêcia wystêpuj¹ dwie niewiadome (wspó³czynnik filtracji k oraz zasiêg leja depresji R), dlatego wstêpnie oszacowano wspó³czynnik filtracji k e, wed³ug empirycznej formu³y USBC [6]. Nastêpnie, wykorzystuj¹c oszacowany wspó³czynnik filtracji, obliczono zasiêg leja depresji wed³ug formu³y Sichardta [7]. Obliczon¹ wartoœæ zasiêgu leja depresyjnego zastosowano w formule Dupuita i metod¹ kolejnych przybli eñ dokonano wyliczenia wspó³czynnika filtracji k i oraz zasiêgów leja depresji R i dla ka dego stopnia pompowania. Wyniki obliczeñ hydrogeologicznych zestawiono w tabeli 2. Formu³y obliczeniowe podano w notacji Excel. 1. Wspó³czynnik filtracji z krzywej uziarnienia Tabela 2 Wyniki obliczeñ hydrogeologicznych oznaczenie wynik obliczeñ jednostka DANE: d 20 0,33 mm Formu³a USBC: k =0,036d(20)^2,3 Wynik obliczeñ k 0, m/s 2. Zasiêg leja depresji (wspó³czynnik filtracji z krzywej uziarnienia) DANE: S 1 1,75 m S 2 3,66 m S 3 5,5 m Formu³a Sichardta: R=3000*S*k z^0,5 Wyniki obliczeñ R 1 88,02 m R 2 184,10 m R 3 276,65 m 3. Korekta schematu Dupuita dop³ywu wody do ujêcia DANE: Formu³a Forchheimera : b=(l/m)^0,5*((2m-l)/m)^0,25 l 6,0 m m 10,8 m Wynik obliczeñ b 0,82 397

8 Tabela 2 cd. 4. Wspó³czynnik filtracji k pi i zasiêg leja depresji R pi na podstawie próbnego pompowania oznaczenie wynik obliczeñ jednostka DANE: Formu³a Dupuita: k=(0,366*q(log(r)-log(r) )/(m*s*b) Q 1 1,75 m Q 2 3,66 m Q 3 5,5 m kp1 0, m/s Wyniki obliczeñ wspó³czynnika filtracji k pi Wyniki obliczeñ promienia zasiêgu leja depresji R pi kp2 0, m/s kp3 0, m/s kpœr 0, m/s Rp1 59,63 m Rp2 124,72 m Rp3 187,42 m 5. ZASOBY EKSPLOATACYJNE UJÊCIA I JAKOŒÆ WODY PRZEZNACZONEJ DO EKSPLOATACJI Zestawienie podstawowych parametrów hydrogeologicznych i eksploatacyjnych analizowanego ujêcia wody podziemnej, ustalone na podstawie próbnego pompowania pomiarowego, z dop³ywem wody w warunkach ustalonych, zawiera tabela 3. Prêdkoœæ rzeczywista dop³ywu wód do ujêcia wyznaczona z zale noœci Darcy (v = k*i), z uwzglêdnieniem wspó³czynnika porowatoœci ska³ warstwy wodonoœnej, wynosi v rz = (k*i)/n e. Kierunki dop³ywu wód do ujêcia wyznaczane s¹ przez linie pr¹du, które s¹ w rozpatrywanym przypadku prostopad³e do linii równych ciœnieñ wyznaczanych przez wywo³any eksploatacj¹ lej depresji i biegn¹ radialnie w warstwie wodonoœnej do osi otworu [1]. Na podstawie wyników pompowañ i wyników obliczeñ zamieszczonych w tabelach 1 i 2 wykreœlono zale noœci Q = f (R) oraz S = (fr) (rys. 6). Z tych wykresów wyznaczono zasiêg leja depresyjnego Re = 157 m, dla wartoœci wydatku eksploatacyjnego Q e = 18,0 m 3 /h, równemu maksymalnemu wydatkowi dopuszczalnemu Q dop, obliczonemu z uwzglêdnieniem formu³y Sichardta, okreœlaj¹cej dopuszczalne prêdkoœci wlotowe do filtra [6]. Jako granice obszaru zasilania oraz obszaru zasobowego mo na przyj¹æ, na podstawie obliczeñ przeprowadzonych dla analizowanego ujêcia, okr¹g o promieniu Re = 157 m, maj¹c na uwadze, e zgodnie z definicj¹ [4], pod pojêciem obszar zasobowy rozumie siê fragment zbiornika wód podziemnych ograniczony zasiêgiem sp³ywu wód podziemnych do ujêcia, w obrêbie którego formuje siê co zasadnicza czêœæ zasobów eksploatacyjnych tego ujêcia. 398

9 Tabela 3 Zestawienie podstawowych parametrów ujêcia Oznaczenie Parametr Wynik obliczeñ A. Parametry hydrogeologiczne m mi¹ szoœæ warstwy wodonoœnej [m] 10,8 n e wspó³czynnik porowatoœci 0,34 U wspó³czynnik nierównomiernoœci uziarnienia 4,5 kœr œredni wspó³czynnik filtracji warstwy wodonoœnej [m/s] 0, T przewodnoœæ hydrauliczna warstwy wodonoœnej [m 2 /s] 0, B. Parametry eksploatacyjne Qe wydatek eksploatacyjny [m 3 /h] 18,00 Se depresja eksploatacyjna [m] 4,60 qe wydatek eksploatacyjny jednostkowy [m 3 /(h*m)] 3,91 Re promieñ zasiêgu leja depresyjnego przy Qe i Se [m] 157 i œredni spadek hydrauliczny na krzywej depresji [-] 0,029 v prêdkoœæ Darcy [m/s] 0, v rz prêdkoœæ rzeczywista [m/s] 0, Rys. 6. Zale noœæ zasiêgu leja depresji od wydajnoœci Q i depresji S Ustalone zasoby eksploatacyjne ujêcia, zgodnie z definicj¹ [4], rozumiane jako dopuszczalna iloœæ wód podziemnych przy okreœlonym sposobie eksploatacji, uwzglêdniaj¹ca 399

10 ograniczenia zwi¹zane z wymaganiami ochrony œrodowiska i warunkami techniczno-ekonomicznymi poboru wody, wynosz¹ dla analizowanego ujêcia Qe = 18 m 3 /h, przy depresji eksploatacyjnej Se = 4,60 m. Przeprowadzony bilans dobowego maksymalnego zapotrzebowania z tego ujêcia na wodê pitn¹ i do celów sanitarnych wynosi wykazuje Q psmax =1,5 m 3 /d. Wobec powy szego dla celów grzewczych pozostaje woda z tego ujêcia do wykorzystania w iloœci Q g = 430,5 m 3 /d. 6. WNIOSKI 1. W pó³nocno-zachodniej czêœci Krakowa wystêpuje czwartorzêdowy poziom wodonoœny wykorzystywany do celów pitnych i sanitarnych, ze wzglêdu na brak mo liwoœci korzystania z miejskiej sieci wodoci¹gowej. 2. Na podstawie testowania istniej¹cego ujêcia wody podziemnej, przeznaczonego do eksploatacji czwartorzêdowego poziomu wodonoœnego ustalono, e zasoby eksploatacyjne tego ujêcia znacznie przekraczaj¹ zapotrzebowanie na wodê do celów pitnych i sanitarnych. 3. Z bilansu zasobów eksploatacyjnych wynika, e pokrywaj¹c zapotrzebowanie na wodê do celów pitnych i sanitarnych w iloœci 1,5 m 3 /dobê, pozostaje do innych celów 430,5 m 3 /dobê wody mo liwej do wydobycia z analizowanego ujêcia. 4. Z literatury wynika, e geotermia o niskiej entalpii rozwija siê dynamicznie w wielu krajach œwiata, przyczyniaj¹c siê do zrównowa onego rozwoju, dlatego, id¹c za ich przyk³adem, nale y wykorzystaæ nadmiar zasobów eksploatacyjnych analizowanego ujêcia do celów grzewczych. LITERATURA [1] Driscoll F.G.: Groundwater and Wells. Johson Screens, St. Paul 1995 [2] Kapuœciñski J., Rozdoch A.: Geotermia niskotemperaturowa w Polsce stan aktualny i perspektywy rozwoju. MŒ; NFOŒiGW, Warszawa 2006 [3] Kleczkowski A. (red.): Mapa obszarów G³ównych Zbiorników Wód Podziemnych. AGH, Kraków 1990 [4] leczkowski A., Ró kowski A. (red.): S³ownik hydrogeologiczny. MŒZNiL, Warszawa 1997 [5] aciak S,. Solecki T., Œwi¹tek R.: Eksploatacja i obs³uga ujêæ wód podziemnych. AGH Skrypty Uczelniane nr 592, Kraków 1977 [6] Pazdro Z.: Hydrogeologia ogólna. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1983 [7] Szczepañski A. (red.): Metodyka okreœlania zasobów eksploatacyjnych zwyk³ych wód podziemnych. Poradnik metodyczny. Borgis, Warszawa

11 [8] Ustawa z dnia 4 lutego 1994 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. Nr 27, poz. 96 z póÿ. zmianami) [9] Katalogi producenta filtrów studziennych. Pol-BUD, ódÿ 2009 [10] Karta informacyjna dla i³u bentonitowego TBS. Best Drilling Chemicals, Kraków 2005 [11] Karta atestu kontroli jakoœci wiru filtracyjnego nr 11/2005. Spó³dzielnia pracy Surowców Mineralnych, Opole 2005 [12] Materia³y Ÿród³owe Wojewódzkiego Archiwum Geologicznego. Kraków