Studnie kopaneEdit
Do ostatnich stuleci wszystkie sztuczne studnie były studniami kopanymi ręcznie, bez pompy, o różnym stopniu zaawansowania, i pozostają bardzo ważnym źródłem wody pitnej w niektórych rozwijających się obszarach wiejskich, gdzie są rutynowo kopane i wykorzystywane. Ich niezbędność spowodowało szereg literackich odniesień, dosłowne i przenośne, do nich, w tym odniesienia do zdarzenia Jezus spotkał kobietę przy studni Jakuba (Jan 4:6) w Biblii i „Ding Dong Bell” rymowanka o kot w studni.
Hand-dugg studnie są wykopy o średnicy wystarczająco dużej, aby pomieścić jedną lub więcej osób z łopatami kopania w dół poniżej lustra wody. Wykopy są usztywnione poziomo, aby uniknąć osuwania się ziemi lub erozji zagrażającej ludziom kopiącym. Można je wyłożyć ułożonymi kamieniami lub cegłą; przedłużenie tej okładziny ponad powierzchnię ziemi, tworząc ścianę wokół studni, służy ograniczeniu zarówno zanieczyszczenia, jak i obrażeń spowodowanych wpadnięciem do studni. Bardziej nowoczesna metoda zwana kesonowaniem wykorzystuje żelbetowe lub zwykłe betonowe prefabrykowane pierścienie studni, które są opuszczane do otworu. Zespół wykonujący odwiert kopie pod pierścieniem tnącym, a kolumna studni powoli zagłębia się w warstwę wodonośną, chroniąc jednocześnie zespół przed zapadnięciem się otworu wiertniczego.
Odwierty wykonywane ręcznie są niedrogie i mało zaawansowane technologicznie (w porównaniu z odwiertami), ponieważ wykorzystują głównie pracę ręczną w celu uzyskania dostępu do wód gruntowych na terenach wiejskich w krajach rozwijających się. Mogą być budowane przy dużym udziale społeczności lub przez lokalnych przedsiębiorców, którzy specjalizują się w studniach wierconych ręcznie. Udało się je wykopać na głębokość do 60 metrów (200 stóp). Mają niskie koszty eksploatacji i utrzymania, częściowo dlatego, że woda może być wydobywana ręcznie, bez użycia pompy. Woda pochodzi często z warstwy wodonośnej lub wód gruntowych i może być łatwo pogłębiana, co może być konieczne w przypadku obniżenia się poziomu wód gruntowych, poprzez teleskopowanie wykładziny dalej w głąb warstwy wodonośnej. Wydajność istniejących studni kopanych ręcznie może być zwiększona poprzez pogłębienie lub wprowadzenie pionowych tuneli lub rur perforowanych.
Wady studni kopanych ręcznie są liczne. Ręczne kopanie studni na obszarach, gdzie występują twarde skały, może być niepraktyczne, a ich kopanie i uzbrajanie może być czasochłonne nawet na korzystnych obszarach. Ponieważ wykorzystują one płytkie warstwy wodonośne, studnia może być podatna na wahania wydajności i ewentualne zanieczyszczenie wodami powierzchniowymi, w tym ściekami. Budowa studni kopanych ręcznie wymaga zazwyczaj udziału dobrze wyszkolonej ekipy budowlanej, a nakłady inwestycyjne na sprzęt taki jak betonowe formy pierścieniowe, ciężki sprzęt dźwigowy, szalunki szybu studni, silnikowe pompy odwadniające i paliwo mogą być duże dla mieszkańców krajów rozwijających się. Budowa studni kopanych ręcznie może być niebezpieczna ze względu na zapadanie się otworu studni, spadające przedmioty i uduszenie, w tym przez spaliny pomp odwadniających.
Studnia Woodingdean Water Well, wykopana ręcznie w latach 1858-1862, jest najgłębszą studnią wykopaną ręcznie i ma 392 metry (1285 stóp). Wielka Studnia w Greensburgu, Kansas, jest uważana za największą na świecie studnię wykopaną ręcznie, o głębokości 109 stóp (33 m) i średnicy 32 stóp (9,8 m). Jednak Studnia Józefa w Cytadeli Kairskiej ma 280 stóp (85 m) głębokości, a Pozzo di S. Patrizio (Studnia Świętego Patryka) zbudowana w 1527 roku w Orvieto, we Włoszech, ma 61 metrów (200 stóp) głębokości i 13 metrów (43 stopy) szerokości.
Studnie wierconeEdit
Studnie wiercone mogą być bardzo prosto tworzone w nieskonsolidowanym materiale za pomocą konstrukcji otworu studziennego, który składa się z utwardzonego punktu napędowego i ekranu (perforowanej rury). Punkt ten jest po prostu wbijany w ziemię, zwykle za pomocą statywu i zabieraka, z dodawanymi w razie potrzeby odcinkami rur. Wbijak to obciążona rura, która przesuwa się nad wbijaną rurą i jest na nią wielokrotnie zrzucana. Gdy napotyka się wody gruntowe, studnia jest płukana z osadów i instalowana jest pompa.
Studnie wierconeEdit
Studnie wiercone są zwykle tworzone za pomocą wiertnic obrotowych z górną głowicą, stołowych lub kablowych, z których wszystkie wykorzystują trzony wiertnicze, które są obracane w celu utworzenia cięcia w formacji, stąd termin wiercenie.
Odwierty wiercone mogą być wydobywane za pomocą prostych metod wiercenia ręcznego (świdrowanie, szlamowanie, strumieniowanie, wbijanie, udar ręczny) lub maszynowego (obrotowe, udarowe, młotem w dół otworu). Najbardziej rozpowszechniona jest metoda wiercenia obrotowego wgłębnego. Obrotowe mogą być stosowane w 90% rodzajów formacji.
Odwierty wiercone mogą pobierać wodę ze znacznie większej głębokości niż studnie kopane – często do kilkuset metrów.
Odwierty wiercone z pompami elektrycznymi są stosowane na całym świecie, zazwyczaj na obszarach wiejskich lub słabo zaludnionych, chociaż wiele obszarów miejskich jest zaopatrywanych częściowo przez studnie miejskie. Większość maszyn do wiercenia płytkich studni jest montowana na dużych ciężarówkach, przyczepach lub wózkach pojazdów gąsienicowych. Studnie wodne mają zazwyczaj głębokość od 3 do 18 metrów, ale na niektórych obszarach mogą sięgać głębiej niż 900 metrów.
Wiertarki obrotowe wykorzystują segmentowy stalowy ciąg wiertniczy, zazwyczaj składający się z 6-metrowych (20 stóp) odcinków ocynkowanych rur stalowych, które są ze sobą gwintowane, z wiertłem lub innym urządzeniem wiertniczym na dolnym końcu. Niektóre wiertnice obrotowe są zaprojektowane do instalowania (poprzez wbijanie lub wiercenie) stalowej obudowy do odwiertu w połączeniu z wierceniem właściwego otworu. Powietrze i/lub woda są wykorzystywane jako płyn cyrkulacyjny do wypierania zwiercin i chłodzenia wierteł podczas wiercenia. Inna forma wiercenia obrotowego, zwana obrotową płuczką, wykorzystuje specjalnie przygotowaną płuczkę lub płyn wiertniczy, który jest stale zmieniany podczas wiercenia, tak aby mógł stale wytwarzać wystarczające ciśnienie hydrauliczne, aby utrzymać ściany boczne otworu otwartego, niezależnie od obecności obudowy w odwiercie. Zazwyczaj otwory wiercone w litej skale są obudowywane dopiero po zakończeniu procesu wiercenia, niezależnie od zastosowanej maszyny.
Najstarszą formą maszyny wiertniczej jest narzędzie linowe, używane do dziś. Specjalnie zaprojektowane do podnoszenia i opuszczania wiertła do otworu, spiętrzenie wiertła powoduje podnoszenie i opuszczanie wiertła na dno otworu, a konstrukcja kabla powoduje, że wiertło obraca się z prędkością około 1⁄4 obrotu na każde opuszczenie, tworząc w ten sposób proces wiercenia. W przeciwieństwie do wiercenia obrotowego, wiercenie z użyciem narzędzi kablowych wymaga przerwania wiercenia, aby otwór mógł zostać opróżniony ze zwiercin.
Obudowę studni wierconych stanowi zazwyczaj fabrycznie wykonana rura, zazwyczaj stalowa (w przypadku wiercenia z użyciem narzędzi pneumatycznych lub kablowych) lub z tworzywa sztucznego/PVC (w studniach płuczkowych, obecnych również w studniach wierconych w litej skale). Rura osłonowa powstaje poprzez spawanie chemiczne lub termiczne segmentów rury osłonowej. Jeśli obudowa jest instalowana podczas wiercenia, większość wiertnic wbija obudowę w grunt wraz z postępem wiercenia, podczas gdy niektóre nowsze urządzenia pozwalają na obracanie obudowy i wiercenie w formacji w podobny sposób jak wiertło posuwające się tuż poniżej. PVC lub tworzywo sztuczne jest zazwyczaj spawane, a następnie opuszczane do studni wierconej, pionowo ułożone w stos z zagnieżdżonymi końcami i albo sklejone, albo połączone ze sobą. Sekcje obudowy mają zwykle 6 metrów (20 stóp) lub więcej długości i od 6 do 12 cali (15 do 30 cm) średnicy, w zależności od przeznaczenia studni i lokalnych warunków wód gruntowych.
Zanieczyszczenie powierzchni studni w Stanach Zjednoczonych jest zwykle kontrolowane przez zastosowanie uszczelnienia powierzchniowego. Duży otwór jest wiercony do określonej głębokości lub do formacji ograniczającej (na przykład gliny lub skały macierzystej), a następnie od tego miejsca wykonywany jest mniejszy otwór dla studni. Odwiert jest zwykle orurowany od powierzchni w dół do mniejszego otworu za pomocą obudowy, która ma taką samą średnicę jak ten otwór. Przestrzeń pierścieniowa pomiędzy dużym otworem a mniejszą obudową jest wypełniana gliną bentonitową, betonem lub innym materiałem uszczelniającym. Tworzy to nieprzepuszczalne uszczelnienie od powierzchni do następnej warstwy ograniczającej, które powstrzymuje zanieczyszczenia przed przemieszczaniem się w dół po zewnętrznych ścianach obudowy lub otworu wiertniczego i przedostawaniem się do warstwy wodonośnej. Ponadto, studnie są zwykle zamykane za pomocą zaprojektowanej pokrywy studni lub uszczelnienia, które wentyluje powietrze przez sito do studni, ale utrzymuje owady, małe zwierzęta i osoby nieupoważnione z dostępu do studni.
Na dnie studni, w zależności od formacji, pozostawia się urządzenie przesiewające, pakiet filtrów, obudowę szczelinową lub otwarty otwór, aby umożliwić przepływ wody do studni. Skonstruowane ekrany są zwykle stosowane w formacjach nieskonsolidowanych (piaski, żwiry itp.), pozwalając wodzie i pewnej części formacji przejść przez ekran. Umożliwienie przejścia części materiału tworzy filtr o dużej powierzchni z reszty formacji, ponieważ ilość materiału obecnego w odwiercie powoli maleje i jest usuwana z odwiertu. Studnie skalne są zazwyczaj obudowane wykładziną/obudową z PVC i ekranem lub obudową szczelinową na dnie, jest ona obecna głównie po to, aby zapobiec przedostawaniu się skał do zespołu pompy. Niektóre studnie wykorzystują metodę pakietu filtracyjnego, gdzie niewymiarowy ekran lub obudowa szczelinowa jest umieszczana wewnątrz studni, a medium filtracyjne jest pakowane wokół ekranu, pomiędzy ekranem a otworem lub obudową. Pozwala to na odfiltrowanie wody z niepożądanych materiałów przed wejściem do studni i strefy pompowania.
-
Zautomatyzowany system studni wodnej napędzany przez pompę strumieniową
.pompa
-
Zautomatyzowany system studni zasilany pompą głębinową
-
System studni z cysterną
-
System studni wodnej z cysterną ciśnieniową
-
Przekrój studni sitowej ze stali nierdzewnej
System studni z cysterną
.