Vliv kovových částí výstroje vrtů na intenzitu kolmatace obsypu

1. Úvod

Vlivem kolmatace pláště vrtů na jejich životnost jsem se musel zabývat ve firmě Karel Kliner vodní zdroje již od devadesátých let minulého století. Při provozu hydraulické ochrany Kaučuku Kralupy (dnes Synhos) docházelo u řady vrtů v oblasti postižené úniky polutantů organického původu k výraznému poklesu vydatnosti s časem. V té době se problematika řešila regenerací vrtů s někdy dobrou, jindy malou účinností. Dále v průběhu prohlídek vrtů kamerou jsem ve vrtech a na výstroji pozoroval chuchvalce a měkké povlaky. Významný zlom ve studiu kolmatací nastal používáním metod mikrobiologických analýz, zvláště analýzy DNA bakterií ze získaných vzorků kolmatačních povrchů.

2. Princip kolmatace vrtů vlivem zemních potenciálů

Obr. 1: Oxo-hydroxidy železa na povrchu nerezové výstroje

Klíčovou událostí pro pochopení role kovových částic ve vrtech byla rekonstrukce starého vrtu K-3a v Kytlicích. Zde vlivem chyby při převystrojení došlo během krátké doby (ve dnech) k významnému poklesu vydatnosti vrtu z cca 10 l/s na 2 l/s. Vrt byl v jímaném úseku 27 až 48 m vystrojen štěrbinovými filtry z nerezové oceli. Primární kolmataci filtrů způsobil jemný písek. Při vytěžení pažnicové kolony však byla nerez pokryta mocnou vrstvou nárůstů oxo-hydroxidů železa. Prohlídkou vrtu televizní kamerou bylo zjištěno, že původní překližková výstroj vrtu není kolmatací postižena. Oxo-hydroxidy tak vznikaly pouze na povrchu nerezové výstroje (obr. 1). Vzhledem k výsledku prohlídky vrtu K-3a televizní kamerou a na podkladě předešlé dlouhodobé praxe s galvanickými lázněmi mi došla významná podobnost povrchu oxo-hydroxidů železa z nerezové výstroje s povrchem elektrod používaných při galvanickém pokovení a eloxování. Pak už bylo velmi snadné spojit si vliv filtračních potenciálů, vodivé výstroje vrtu a její kolmatace.

Hybnou silou kolmatací je rozdílný elektrochemický potenciál mezi kolektory s anoxickou a aerobní vodou. V podzemí je tak vlastně vytvořen plošně rozsáhlý galvanický článek. Vrt s kovovou výstrojí tvoří pro tento článek zkrat. Průchod elektrického proudu způsobuje kolem kovové výstroje klasické galvanické jevy (oxidace, redukce). To samozřejmě platí i pro kovové výtlaky čerpadel ve vrtech jinak s elektricky nevodivou výstrojí. Rozdílné elektrochemické potenciály v podzemí stimulují i růst bakterií v okolí kovových předmětů spojených s vrtem. Ukazuje se, že bakteriím je v podstatě jedno zda má elektroda kladný nebo záporný náboj. Náboj pouze určuje, které druhy bakterií se budou v okolí elektrody množit. Pro stimulaci růstu bakterií je podle biologů dostatečné elektrochemické napětí článku 0,05 V. Při ověřovacím měření jsme s kolegou naměřili mezi aerobní a anoxickou zónou napětí od 0,2 V do 0,9 V.

Obr. 2: Bakterie (modré) v oxo-hydroxidech železa (barveno DAPI)

Vliv elektrochemických potenciálů v případě využívaných vrtů je umocněn ochranou kostry čerpadel zemněním. Zemnící vodič je součástí kabelu (zelenožlutý drát) od čerpadla a standardně se na celém světě propojuje se zemní soustavou, která je situována v aerobní zóně. V případě vrtu K3-a byla sestavena kombinovaná výstroj z PVC zárubnic v oblasti aerobní zóny a nerezových zárubnic v zóně anoxické. Zemní vodič spojující kovový povrch čerpadla se zemní soustavou kolem vrtu elektricky propojoval i elektrochemický potenciál anoxické a aerobní zóny. Důsledky jsou vidět na přiložených obrázcích 1 a 2. Není bez zajímavosti, že celá kolmatační vrstva je tvořena hlavně hmotou anorganického původu. Bakterie (modré oblasti) jsou zde v menšině. V případě hojně používaných pásových pozinkovaných zemničů je elektrochemický potenciál mezi aerobní a anoxickou zónou navýšen o elektrochemický potenciál zinku. Měřené proudy a napětí mezi čerpadly a zemní soustavou se pohybují od 0,25 mA při 0,26 V (ocelové čerpadlo) do 65,3 mA při 0,92 V (nerezové čerpadlo a výtlak, pozinkovaný zemní vodič).

3. Řešení problému kolmatace odpojením zemního vodiče

Vliv zemního vodiče na intenzitu kolmatace byl ověřen i při exploataci vrtu Cj-1A vyhloubeného do cenomanského kolektoru v pískovně Černuc. Vrt je využíván ve směnném provozu (12 hodin čerpání, 12 hodin klid). Výstrojí nevyhovující sousední vrt Cj-1 vzdálený 25 m byl regenerován s četností 1 × za 3 roky. U vrtu Cj-1A došlo po krátké době provozu k intenzivní kolmataci jeho pláště. Vrt bylo nutné regenerovat 1 × za 2 až 4 měsíce (viz obr. 3, odečet hladin 1 × za 3 až 4 dny). Těsně před regenerací v březnu 2014 došlo k objevu souvislostí mezi kolmatací a elektrickým propojením mezi aerobní a anoxickou zónou. V rámci regeneračních prací byl odpojen zemní vodič čerpadla od zemní soustavy. Vliv odpojení zemního vodiče na kolmataci vrtu, vyplývajícího z grafu není třeba dále komentovat. Z pátrání po sledu událostí, které zapříčinily intenzifikaci kolmatace vrtu, jsme s pracovníky pískovny Černuc dospěli k závěru, že za ni může revizní technik požadující zlepšení uzemnění zemní soustavy v pískovně. Původní z elektrotechnického hlediska nevyhovující zemní soustava (zemní vodič „kopal”) byla v první polovině roku 2013 doplněna o další zemní pásové vodiče.

Obr. 3 Hydrogramy úrovní hladin ve vrtech Cj-1A a Cj-1

Kolmatační jevy na dvojici vrtů Cj-1A a Cj-1 byly od roku 2014 podrobně monitorovány. Z výsledku monitoringu je závislost intenzity kolmatace na připojení zemního vodiče čerpadla potvrzena. V průběhu následných experimentů s elektrickými návnadami pro baktérie byla zjištěna i významná závislost mezi intenzitou čerpání podzemních vod a intenzitou kolmatace vrtů. Čerpáním indukované proudění podzemní vody směrem k vrtu zvyšuje přínos kationtů a dalších živin pro bakteriální osádku žijící na plášti vrtu. Pro některé kolektory se specifickým chemizmem vody tak platí, že čím je vrt intenzivněji využíván, tím je jeho kolmatace progresivnější.

S odpojováním zemních vodičů čerpadel od zemní soustavy souvisí i otázka ochrany pracovníků údržby vrtů před nebezpečným dotykovým napětím. Mezi hlavní ochrany před nebezpečným dotykovým napětím patří ochrana polohou (např. dráty vysokého a velmi vysokého napětí). Čerpadlo v hloubce pod 3 m ve vrtu do průměru 600 mm s nevodivou výstrojí a výtlačným potrubím je prakticky chráněno už svojí polohou. Další možná ochrana čerpadel je ochrana proudovým chráničem. Ten však vyžaduje uzemnění vodivého krytu čerpadla. Neznám však lepší uzemnění, mimo přímého propojení se zemní soustavou, než je kus kovu zapuštěného pod hladinu podzemní vody. Tím je problematika ochrany čerpadel před nebezpečným dotykovým napětím dostatečně vyřešena.

4. Literatura

1. ČSN EN 61140 (33 0500) Ochrana před úrazem elektrickým proudem – Společná hlediska pro instalaci a zařízení
2. ČSN 33 2000-4-41 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 4-41: Ochranná opatření pro zajištění bezpečnosti – Ochrana před úrazem elektrickým proudem
3. NAKLÁDAL, P. KYTLICE – MLÝNY, Rekonstrukce vrtu K-3a, Praha, 2019
4. NAKLÁDAL, P. DP ČERNUC A ČERNUC II, Monitoring vod, Závěrečné zprávy z let 2000 až 2017
5. DRAHOTA, P.; FALTEISEK, L.; REDLICH, A.; ROHOVEC, J.; MATOUŠEK, T.; ČEPIČKA, I.; Microbial effects on the release and attenuation of arsenic in the shallow subsurface of a natural geochemical anomaly, Environmental pollution 180: 84–91, 2013
6. GRIEBLER, C.; LEUDERS, T. Microbial biodiversity in grounwater ecosystems, Freshwater Biology 54: 649–677, 2009