Γεωτρήσεις νερού
Οι γεωτρήσεις νερού είναι το πιο αποτελεσματικό γεωτεχνικό έργο για την αξιοποίηση των υπόγειων υδατικών πόρων.
Η εκμετάλλευση των υπόγειων υδατικών πόρων μέσω των γεωτρήσεων προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα επιφανειακά:
- Μπορούν να γίνουν απευθείας αντλήσεις. Τα επιφανειακά νερά εμφανίζονται τοπικά (λίμνες) ή ακολουθούν συγκεκριμένη πορεία (ποτάμια), ενώ τα υπόγεια νερά καταλαμβάνουν πολύ μεγαλύτερες επιφάνειες. Τα επιφανειακά νερά απαιτούν πολλές φορές ιδιαίτερα δαπανηρά συστήματα μεταφοράς, ενώ τα υπόγεια καλύπτουν σχετικά εύκολα την τοπική ζήτηση.
- Μεγάλα αποθέματα: Τα υπόγεια νερά παρουσιάζουν πολύ μικρή μεταβλητότητα στη διάρκεια του χρόνου, ενώ στα επιφανειακά η μεταβλητότητα τους είναι φανερή. Έτσι, τα υδάτινα αποθέματα που αποθηκεύονται στο έδαφος είναι συνήθως μεγάλα και μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες σε διάφορες χρονικές περιόδους.
- Κόστος. Τα έργα συλλογής επιφανειακών νερών έχουν τεράστιο κόστος (φράγματα, ταμιευτήρες, αγωγοί κλπ), ενώ το κόστος λειτουργίας τους είναι συνήθως μικρό. Αντίθετα το κόστος των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης υπόγειων νερών (γεωτρήσεις, αντλιοστάσια κλπ) είναι πολύ χαμηλό, ενώ το κόστος συντήρησης και λειτουργίας είναι μεγαλύτερο, ιδιαίτερα όταν η άντληση γίνεται από βαθιά υδροφόρα στρώματα.
- Ποιότητα νερού. Τα υπόγεια νερά είναι λιγότερα εκτεθειμένα στη ρύπανση από τα επιφανειακά. Ωστόσο αν είναι ήδη ρυπασμένα η διαδικασία εξυγίανσης είναι πιο δύσκολη και δαπανηρή.
Για την περίπτωση της μέσης οικιακής χρήσης η άντληση υπόγειων νερών είναι σίγουρα συμφέρουσα από οικονομικής απόψεως.
Τα υπόγεια υδροφόρα στρώματα μέσω της εκμετάλλευσης από τις γεωτρήσεις εξυπηρετούν πολλαπλούς στόχους, όπως:
- Αποτελούν πηγές παροχής νερού. Λόγω της επαναπλήρωσης των αποθεμάτων από τις βροχές και το χιόνι, τα υπόγεια νερά θεωρούνται ανανεώσιμοι πόροι.
- Συνιστούν δεξαμενές αποθήκευσης. Ιδιαίτερα τα επιφανειακά υδροφόρα στρώματα, λόγω της άμεσης ανανέωσης των αποθεμάτων, μπορούν να αποθηκεύσουν εξαιρετικά μεγάλες ποσότητες.Η ικανότητα αυτή μπορεί να αυξηθεί με την τεχνική του τεχνητού εμπλουτισμού.
- Λειτουργούν ως αγωγοί μεταφοράς. Η λειτουργία αυτή μπορεί να ενεργοποιηθεί μόνο με την παρέμβαση του ανθρώπινου παράγοντα (π.χ. με τη μεταβολή των τοπικών υδραυλικών συνθηκών).
- Μπορούν να λειτουργήσουν ως φίλτρα καθαρισμού. Με διάφορες τεχνικές υεχνητού εμπλουτισμού, ακάθαρτα επιφανειακά νερά μπορούν να διηθηθούν στο έδαφος για μερικό ή πλήρη καθαρισμό τους.
- Μπορούν να ρυθμίσουν παροχές επιφανειακών νερών. Με τη ρυθμιζόμενη άντληση των υπόγειων νερών , που εποικοινωνούν υδραυλικά με επιφανειακά νερά, μπορεί να ρυθμιστεί η στάθμη τόσο σε ποτάμια, όσο και σε λίμνες
Ιστορική ανασκόπηση
Στην ιστορία αναφέρεται ότι οι πρώτες γεωτρήσεις έγιναν πριν από 4000 χρόνια περίπου από τους Κινέζους και τους αρχαίους Αιγυπτίους όταν κατασκεύαζαν τις πυραµίδες. Για να ανοίγουν τρύπες στα πετρώµατα χρησιµοποιούσαν ράβδους οπλισµένες στο άκρο τους µε πολύτιµους λίθους, τις οποίες περιστρέφανε χειρονακτικά. Ο τρόπος αυτός διάτρησης των πετρωµάτων µε πρωτόγονα εργαλεία συνεχίσθηκε µέχρι τα µέσα του 19ου αιώνα, οπότε ο Ελβετός µηχανικός Lechaut συνέλαβε την ιδέα να τοποθετήσει χονδρόκοκκα βιοµηχανικά διαµάντια σε ένα χαλύβδινο στεφάνι για διάνοιξη διατρηµάτων. Επί της αρχής αυτής κατασκεύασε το πρώτο γεωτρύπανο το 1863. Το 1885 ο Σουηδός µηχανικός P.A. Craelius κατασκεύασε το πρώτο ελαφρό και απλό σε χειρισµό γεωτρύπανο δειγµατοληψίας πυρήνος
Τεχνική κατασκευής γεωτρήσεων
Οι σύχρονες γεωτρήσεις κατασκευάζονται με περιστροφικά ή κρουστικά γεωτρύπανα. Οι γεωτρήσεις φτάνουν σε μεγαλύτερο βάθος από τα παραδοσιακά πηγάδια, συχνά σε βάθος εκατοντάδων μέτρων.
Συνηθέστερα κατασκευάζονται σε αγροτικές ή ημιαστικές περιοχές, αλλά κατασκευάζονται και σε αστικές περιοχές. Λόγω της ρύπανσης η χρήση τους όμως συνήθως μπορεί να είναι μόνο για άρδευση.
Γραμμές ροής νερού και ισοδυναμικές γύρω από μια άπειρη σειρά πηγαδιών – Bear 1979
Ατομικές και σύνθετες καμπύλες πτώσεις της στάθμης για τρία πηγάδια ίσης εκμετάλλευσης στη σειρά – Bear 1979
Τα περιστροφικά γεωτρύπανα χρησιμοποιούν ένα στέλεχος διάτρησης, το οποίο είναι συνήθως φτιαγμένο από εφτάμετρα τμήματα γαλβανισμένου χαλύβδινου σωλήνα, ενωμένα μαζί. Ροή μίγματος αέρος/αφρού βοηθάει στο να μειώνονται οι τριβές και να αποφεύγονται οι υψηλές θερμοκρασίες στα τμήματα του διατρητικού στελέχους. Επίσης είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί και μίγμα ειδικής αργίλου (μπετονίτη), το οποίο εισάγεται συνεχώς στη διάτρηση, έτσι ώστε να δημιουργείται επαρκής υδραυλική πίεση και να μην έχουμε κατάρρευση των τοιχωμάτων, πριν τοποθετήσουμε τη σωλήνωση της γεώτρησης.
Η παλιότερη μορφή γεωτρυπάνων είναι τα κρουστικά μηχανήματα, τα οποία χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα. Είναι σχεδιασμένα ώστε να ανεβοκατεβαίνουν μέσα στη διάτρηση, και ο σχεδιασμός του καλωδίου επιτρέπει στην κεφαλή να περιστρέφεται περίπου κατά ένα 1/4 του κύκλου σε κάθε κίνηση, το οποίο δημιουργεί μια “περιστροφική” διάτρηση. Σε αντίθεση με το περιστροφικό, το κρουστικό μηχάνημα απαιτεί να σταματά η διαδικασία κάθε τόσο για να απομακρύνται τα υλικά διάτρησης.
Η γεώτρηση “ντύνεται” με σωλήνα από PVC ή γαλβανισμένο χάλυβα. Η σωλήνωση κατασκευάζεται ενώνοντας με οξυγονοκόλληση ξεχωριστά κομμάτια σωλήνα μαζί. Τα κομμάτια σωλήνα PVC ή χάλυβα ενώνονται και σταδιακά κατεβαίνουν προς τα κάτω στην διάτρηση. Τα κομμάτια αυτά είναι συνήθως 6 m ή και περισσότερο σε μήκος και 6-12 ίντσες (15 με 30 cm) σε διάμετρο. Συνήθως χρησιμοποιούνται σωλήνες με τρύπες (φιλτροσωλήνες) και συμπαγείς εναλλάξ. Ανάμεσα στο σωλήνα και στα τοιχώματα τοποθετείται χαλίκι, το οποίο λειτουργεί σαν φίλτρο, για την ομαλή είσοδο του νερού στη σωλήνωση.
Για να αποφευχθεί η ρύπανση της γεώτρησης από την επιφάνεια, η γεώτρηση “σφραγίζεται“. Κατασκευάζεται μια μεγάλη τρύπα μέχρι κάποιο βάθος (συνήθως μέχρι το πρώτο αδιαπέραστο στρώμα), και από εκεί και πέρα κατασκευάζεται μια μικρότερη τρύπα. Στη συνέχεια στη μεγάλη τρύπα τοποθετείται σωλήνωση ίδιας διαμέτρου με τη μικρή τρύπα, μέχρι το βάθος που αρχίζει η δεύτερη. Στο κενό διάστημα μεταξύ των τοιχωμάτων της μεγάλης διάτρησης και της σωλήνωσης τοποθετείται τσιμέντο. Αυτό δημιουργεί μια “σφραγίδα” από την επιφάνεια μέχρι το πρώτο αδιαπέραστο στρώμα, που μονώνει τη γεώτρηση από την είσοδο ρύπων.