Лекційне заняття № 9 Водне середовище міста: формування, охорона та прогнозування стану підземних вод

1. Формування підземних вод на міських територіях.

2. Охорона і методи поповнення запасів поверхневих вод.

3. Санітарні норми охорони водозаборів.

4. Прогнозування стану підземних вод.

Із всіх елементів літосфери найбільшою динамічністю й швидкістю відповідної реакції на вплив техносфери володіють підземні води. До підземних вод відносять всі види води, що перебувають нижче поверхні землі.

За характером зв'язку з гірськими породами й ступеня рухливості підземні води підрозділяють на три групи: хімічно зв'язану, включаючи конституційну, кристалізаційну і цеолитну; фізично зв'язану, включаючи міцнозвязану, слабкозвязану й капілярну; і вільну воду.

Хімічно зв'язана вода втримується усередині мінералів, що складають породи, силами, що значно перевищують силу ваги. Видаляється з мінералів при нагріванні. Повне руйнування кристалічних ґраток з видаленням конституційної води відбувається при температурах у кілька сотень градусів. Кристалізаційна вода видаляється при температурі, що перевищує 105° С; цеолітна виділяється поступово, починаючи з температур порядку 40° С.

Фізично зв'язана вода втримується головним чином у тонкодисперсних породах і втримується на поверхні часток силами, що мають електричну природу. Диполі міцнозвязаної води входять до складу гранули колоїдної міцелли, слабкозвязана вода входить до складу дифузійного шару, що розташовується навколо адсорбційного шару, молекули якого втримуються силами молекулярного притягання. Слабкозвязанна вода може пересуватися в процесі вирівнювання товщини гідратної оболонки в сусідніх часток, а також під впливом осмотичних і електроосмотичних сил. У глинах кількість слабкозвязаної води може досягати 30%, а сумарна кількість зв'язаної води - до 50%.

Капілярна вода є найбільш рухливою із всіх видів зв'язаної води. Капілярна вода не підкоряється закону сили ваги й пересувається в капілярних порах знизу нагору від рівня підземних вод. Обмеження рухливості пов'язане з дією сил поверхневого натягу на границі розділу "вода-порода".

Вільна (гравітаційна) вода заповнює пори й порожнечі в гірських породах і пересувається в них під впливом сили ваги зверху вниз або в різних напрямках під впливом перепаду тисків (градієнта напору).

Науково-технічний прогрес нерозривно пов'язаний з використанням і забрудненням підземних вод. Основними стимулами до використання підземних вод в індустріальну епоху були потреба в більше якісній і здоровій, ніж поверхнева, воді й більша зручність використання підземної води, джерело якого максимально наближене до об'єкта водопостачання. Протягом сторіч людина використовує природну систему очищення й доставки води до місця використання. Ця природна система, що включає водоносні горизонти, що розділяють їх водовмісні шари, які перекриваються ненасиченими ґрунтами, у силу своєї великої ємності й специфічних властивостей у більшості випадків забезпечує більш стійке водопостачання, у порівнянні з поверхневими джерелами води. Однак у межах практично будь-якого регіону ресурси підземних вод за об'ємом завжди поступаються поверхневим. Так, ресурси поверхневих вод, формовані на території України в маловодний рік, становлять 29 700 млн м³, а прогнозні ресурси підземних вод не перевищують 7000 млн м³ що майже в чотири рази менше. У ряді випадків підземні воли не задовольняють вимогам, висунутим до питної води.

В теперішній час основний обсяг використовуваної людиною підземної води - це прісні води, що циркулюють у зоні активного водообміну, що простирається від приповерхніх шарів землі до глибин від сотень метрів до 1 км. Живлення підземних вод здійснюється в основному з атмосферних опадів, що вимивають із ґрунтів, ґрунтів зони аерації й пор водонасиченої зони накопичені там і постійно поповнювані забруднюючі речовини. Перший від поверхні водоносний горизонт - ґрунтові води, у силу своєї наближеності до джерел забруднення й відсутності ізолюючих шарів повсюдно забруднений. Забруднення цих вод у містах настільки значне, що їхнє очищення для наступного використання недоцільне.

Міжпластові води, що залягають на глибинах до 100 м, мають порівняно більшу захищеність від поверхневих забруднень. Цикли водообміну цих горизонтів становлять від декількох років до декількох десятків років. Ці води в наш час широко використовують для водопостачання населених пунктів. Однак в останні десятиліття тенденції до техногенного забруднення підземних вод України, що залягають неглибоко, намітилися на третині всіх експлуатованих водозаборах питних вод. Наприклад, у Харкові на водозаборах, розташованих у межах міста, у воді верхньомілового водоносного горизонту, що залягає в інтервалі глибин 40—80 м, фіксується наднормативний вміст нафтопродуктів, сліди фенолів, пестицидів.

Найбільшу захищеність прісні підземні води мають у межах артезіанських басейнів, зона розвитку яких простирається до глибини від кількох сотень метрів до 1 км. Повний водообмін у цих горизонтах відбувається протягом сотень і тисяч років.

На перший погляд, це начебто дає можливість користуватися чистим джерелом води ще тривалий час. Однак на практиці в силу специфічних гідродинамічних і геохімічних процесів, що відбуваються в підземній гідросфері при інтенсивному відборі підземних вод, і надходженні забруднюючих речовин через стовбури несправних свердловин якісні показники підземних водоносних горизонтів поступово погіршуються.

Математичне моделювання гідрогеологічних процесів дозволяє прогнозувати кількісні показники цих змін. Глибокі горизонти прісних вод можуть піддатися впливу як забруднених горизонтів, що знаходяться вище, так і нижче комплексів, що містять некондиційні солонуваті води. Мало вивченим залишається склад порових розчинів прилягаючих слабоко пронкних шарів, віджим яких також може давати збільшення змісту в експлуатованих артезіанських водах небажаних компонентів - таких як солі твердості, хлориди, сульфати. Fe, F, Br, В, Li, Sr, А1, сірководень, нітрити.

Погіршення якості води, пов'язане з надходженням макро- і мікрокомпонентів із прилягаючих товщ у силу ненасиченості природних вод завжди незворотнє. При експлуатації артезіанських водозаборів за період амортизаційного строку (звичайно 25 років) вилучення підземних вод відбувається з ділянки, що має площу, вимірювану декількома квадратними кілометрами. Приплив небажаних інгредієнтів в експлуатований водоносний горизонт у той же період відбувається на всій площі депресії, вимірюваної багатьма десятками квадратних кілометрів. Таким чином, на урбанізованих територіях під впливом інтенсивної господарської діяльності складається порушений (антропогенний) режим підземних вод. Зміна гідродинамічних характеристик підземних вод (напору, швидкості, витрати), їхнього складу й температури відбувається не тільки під впливом природних факторів (атмосферних опадів, температури, режиму поверхневих вод і ін.), але й техногенних, які часто відіграють провідну роль.

Збереження високої якості й запасів підземних вод може бути забезпечене насамперед шляхом розробки й організації таких режимів експлуатації підземних водоносних горизонтів, що їх щадять. Дотримання цих режимів можливо на основі надійної системи контролю як за кількісними показниками об'ємів підземних вод, так і. особливо, за зміною їхнього складу на рівні макро- і мікроелементів. Спостереження за складом підземних вод на рівні мікроелементів дозволяє не тільки зафіксувати погіршення їхньої якості, але й вчасно внести корективи в режим експлуатації водозаборів. У результаті вивчення й систематизації матеріалу по складу артезіанських вод з'являється можливість об'єктивного визначення припустимих рівнів експлуатації цих вод, при якому гарантується прийнятна якість на тривалу перспективу.

Іншим напрямком охорони підземних вод від забруднення є локалізація, ліквідація й запобігання появи нових техногенних джерел забруднення водоносних горизонтів. Це стосується накопичувачів рідких і твердих відходів, каналізаційних систем і очисних споруд, нафтопроводів і сховищ нафтопродуктів.

Існуючі тенденції розширення техногенного впливу на всю глибину зони активного водообміну ведуть до швидкого скорочення обсягу кондиційних для питних цілей підземних вод. Необхідно обмежити використання кондиційних підземних вод на непитні потреби й відокремити властиво питне водопостачання з підземних джерел від іншого господарсько-побутового й промислового водопостачання.

Збільшення віддачі підземних водоносних горизонтів може бути досягнуте за рахунок штучного поповнення запасів підземних вод.

Штучне поповнення запасів підземних вод - це комплекс інженерних заходів, спрямованих на збільшення живлення підземних вод, збільшення або збереження експлуатаційних ресурсів водоносного горизонту або родовища підземних вод, а також на поліпшення або збереження якості одержуваної води. У ряді випадків таким способом удасться продовжити строк роботи існуючих водозаборів.

Основним джерелом заповнення запасів підземних вод є річковий стік. Іншими джерелами можуть служити води тимчасових водотоків, зливові й поталі води, води шахтного водовідливу, вертикальних і горизонтальних дренажів за умови, якщо вони задовольняють існуючим вимогам до якості води.

Існують два основних методи штучного поповнення - розподіл і нагнітання - з різними модифікаціями. Метод розподілу використовується для поповнення запасів підземних вод безнапірних горизонтів в умовах, коли зона аерації складена добре проникними відкладеннями або ж залягає з поверхні слабопроникний шар суглинків або глин має потужність не більше 4 м. У цих випадках інфільтраційні споруди називаються відкритими. Метод нагнітання застосовується для накачування води в напірні водоносні горизонти або ж в умовах, коли з поверхні землі залягають потужні (більше 10 м) шари слабопроникних порід. Метод розподілу може виконуватися різними способами: побудовою інфільтраційних басейнів, каналів, траншей, котлованів: затопленням ділянок природної поверхні або спеціально підготовлених площадок; розчищенням русел постійних і тимчасових водотоків з метою посилення інфільтрації з ріки (русловий метод). При товщині слабопроникного покривного шару 5-20 м використовуються численні фільтруючі колодязі, що засипають гравієм, діаметром 1 і більше метрів. Метод нагнітання передбачає застосування нагнітаючих свердловин і галерей, у які води подаються під тиском - так звані закриті інфільтраційні споруди. Своєрідним способом штучного поповнення можна вважати посилення живлення експлуатованого водоносного горизонту суміжними, що залягають вище або нижче експлуатованого, шляхом буріння й устаткуванні свердловин, що з'єднують живильні й поповнюваний водоносні горизонти за умови, що напори в живильних горизонтах вище.

Негативним фактором, що впливає на зниження продуктивності фільтраційних споруд у часі, є кольматація фільтруючих поверхонь зваженими у воді частками. Крім суспензій, істотними факторами кольматації можуть бути бактеріологічне замулення, зв'язані гази, повітря, підвищений вміст заліза тощо. Внаслідок цього інфільтраційні споруди доводиться періодично чистити від 3-4 разів у рік до одного разу в кілька років, частіше 1-2 рази в рік. Повний період роботи між двома розчищеннями називається фільтроциклом.

В окремих випадках з метою одержання проясненої води для технічного водопостачання можуть облаштовуватися свердловинні, галерейні й променеві водозабори поблизу водойм. У випадку поділу міських систем водопостачання на питний і господарсько-технічний водопроводи, що в найближчому майбутньому представляється цілком реальним, подібні водозабори, розміщені в пригородах (скажемо, на вході рік у юрода) могли б поставляти воду непитного призначення й склали б серйозну конкуренцію поверхневим джерелам. Перевага їх складається в більш високій якості води: відсутності завислих часток, водоростей, меншому бактеріальному забрудненні, що спрощує й здешевлює водопідготовку. Такі інфільтраційні споруди можна розмістити ближче до споживача й знизити тим самим витрати на транспортування води. Крім того, такий спосіб водопостачання практично не залежить or кліматичного фактора й має більшу захищеність джерела водопостачання, у порівнянні з відкритими водоймами.

Організація зон санітарної охорони (ЗСО) має на меті захист підземних вод від забруднення. ЗСО складаються із трьох поясів. Перший пояс - зона строгого режиму - призначений для захисту устя свердловини й водопровідних споруд. Ця територія захищається парканом. Будь-яка діяльність і розміщення об'єктів, не зв'язаних прямо зі сведловиною й водопровідним господарством, у її межах забороняється. Радіус зони строгого режиму становить не менш 50 м для свердловин, що розкривають незахищені підземні води, і не менш 30 м для свердловин, що експлуатують захищені підземні води. У сприятливих гідрогеологічних і санітарно-технічних умовах за узгодженням з органами санітарно-епідеміологічної служби радіуси можуть бути зменшені вдвічі - 25 м у випадку незахищених і 15 м у випадку захищених водоносних горизонтів.

При експлуатації інфільтраційних споруд (штучне поповнення підземних вод) границі ЗСО влаштовуються на відстані не менш 50 м від каптажних споруд закритого типу (свердловини, шахтні колодязі) і не менш 100 м від споруд відкритого тину (канали, басейни).

Для берегових водозаборів (інфільтраційних) у зону строгого режиму включається територія між водозабором і поверхневою водоймою, якщо вона має довжину не більше 150 м.

Для підруслових водозаборів зона строгого режиму встановлюється такий же, як і для водозаборів з поверхневих водойм.

Другий пояс ЗСО передбачається для захисту водозаборів від мікробних забруднень. Границі цього пояса визначаються розрахунковим методами і не захищаються. На території 2-го пояса обмежується будь-яка діяльність, яка може спричинити бактеріальне забруднення підземних вод, - у першу чергу розміщення смітників, туалетів, вигрібних ям, органічних добрив тощо. При розрахунку розмірів 2-го пояса ЗСО вихідним є час, необхідний для втрати патогенними організмами життєздатності й вірулентності, що для умов ґрунтових вод становить 400 діб, а для межпластових вод - 100-200 діб. При цьому адсорбція мікроорганізмів у водонесущих породах не враховується. Методика розрахунків докладно розроблена й наводиться в спеціальній літературі. Розміри 2-го пояса залежать від величин водовідбору, проникності і активній пористості порід. Можливі випадки, коли розміри цього пояс менше, ніж розміри зони строгого режиму. У цьому випадку 2-й пояс виділяється, оскільки обмеження в зоні строгого режиму включають всі вимоги, пропоновані для 2-го пояса ЗСО.

Третій пояс ЗСО також являє собою зону обмежень, призначену для запобігання хімічного забруднення підземних вод на весь строк роботи водозабору. Якщо строк спеціально не встановлений, то за розрахунками розмір 3-го пояса час дії водозабору приймається рівним 25 рокам. На території 3-го пояса обмежується діяльність, пов'язана зі зберіганням, використанням і внесенням у ґрунт хімічних речовин, які можуть погіршити якість підземних вод.

Прогнозування зміни гідродинамічного й гідрохімічного режиму території може здійснюватися різними методами, з використанням різних моделей.

Для наближених оцінок або при відсутності даних, необхідних для використання більше точних методів прогнозу, використовують метод аналогій. Метод аналогій заснований на переносі на прогнозований об'єкт результатів аналізу гідрогеологічних даних, одержаних на території із близькими гідрогеологічними умовами й характером техногенного впливу

Методи фізичного моделювання використають у випадках, коли відсутні математичні моделі (наприклад, фільтрація супроводжується суффозією і т.п.) або недостатні гідрогеологічні дані для використання математичного апарата. Фізичне моделювання може бути лабораторним і проводитися па моделях, що зберігають природу явищ (наприклад, трубка Дарована), або натурним. Натурне моделювання полягає в проведенні експериментів на спеціально обладнаних свердловинах у виробничих умовах.

Група методів математичного моделювання припускає заміну фізичної сутності гідродинамічного процесу його математичним описом. Тут можуть бути виділені кілька напрямків. Метод гідравлічних аналогій передбачає заміну природної області фільтрації гідравлічною моделлю й заснований на математичному вираженні закону Дарси. Метод електрогідродинамічних аналогій (ЕГДА) заснований на математичній аналогії процесу руху рідини в пористому середовищі й струму в провіднику. Близькі математичні вирази закону Дарси й закону Ома дозволяють проводити аналогії між напором і потенціалом струму, фільтраційним і електричним опором, витратою води й силою струму. З обліком розрахованих масштабних коефіцієнтів набирають по трьох координатах електричну модель фільтраційного середовища із заданими границями фільтраційного нуля. Моделювання проводять на сіткових моделях або на суцільному середовищі, яким служить електропровідний папір. Основними недоліками методів ЕГДА є необхідність побудови нової моделі для кожного конкретного об'єкта й внесення додаткових погрішностей у результати за рахунок побічних ефектів моделі (неоднорідність електропровідного паперу, крок сітки й т.п.).