Водоснабжение

Использование подземных источников для обеспечения водой населения и промышленных предприятий в различных странах зем­ного шара из года в год увеличивается.

В США, Англии и Франции на нужды населения расходуется свыше 10—12% всей потребляемой воды. Процент использования подземных вод в Англии для различных нужд достигает 20—22%, западных штатах США — 25, восточных — 20%, Израиле — более 70%. В 1955 г. Лондон потреблял в сутки около 2 млн. м³ воды, в том числе более 25% за счет подземных вод из меловых отложений. В этой стране имеется свыше 120000 учтенных колодцев и буровых скважин на воду.

В некоторых районах Венгерской Народной Республики общий расход подземных вод из скважин достигает 1—2 м³/с. Отдельные скважины из древнеаллювиальных отложений рек Дуная и Тисы имеют дебит до 0,1 м³/ч при понижении уровня откачкой до 5 м от статического. Скважины в Алжире, Тунисе, Южной Африке, Ливии

274

дают 100—150 л/с при незначительных понижениях уровня воды при откачках.

В некоторых странах положение с водными источниками для водоснабжения весьма напряженное. В Сингапуре в 1961 г. питье­вую воду отпускали по карточкам. В столицу Перу — Лиму прес­ную воду привозят за сотни километров. В город Лос-Анжелес (Калифорния) вода по трем водоводам подается из районов, уда­ленных на 420, 610 и 800 км, до 3,5 млн. м³/сут., в том числе 25% из подземных вод. В настоящее время в городе не хватает воды и раз­рабатывается проект обессоливания морских вод.

В Нью-Йорке и Филадельфии, несмотря на подачу свыше 6 млн. м³/сут (в том числе около 25% подземной), проблема обес­печения водой населения с каждым годом становится острее. Для водоснабжения Парижа построено также ряд водоводов, подаю­щих до 3,5 млн. м³/сут воды из районов, удаленных от города на 100 км и более.

Недостаток в воде ощущают жители Кипра и Крита. Тяжелое положение с водой на о. Валхерен (Голландия), где очень часто пресные подземные воды в дюнах подтапливаются морской соленой водой во время сильных штормов. В такие периоды вода на остров доставляется в танкерах из Роттердама. В ряде районов Ирана (Исфагань, Шираз и др.) из-за отсутствия водных источников норма воды на одного жителя не превышает 5—10 л/сут. В неко­торых штатах Венесуэлы в 1973 г. была нормирована выдача питье­вой воды населению.

В Советском Союзе изучению водных источников и переводу водоснабжения населения на подземные воды уделяется большое внимание. Многие республики СССР все питьевое водоснабжение имеют за счет подземных источников. Некоторые крупные города Советского Союза потребляют 0,5—1 млн. м³/сут подземных вод.

Прежде чем приступить к разведке подземных вод для водо­снабжения, исследователь на основе имеющихся материалов дол­жен составить программу гидрогеологических исследований с ука­занием, для каких целей и на какое количество потребной воды ведутся исследования подземных источников.

Количество и качество воды для водоснабжения. При подсчете потребного количества воды можно руководствоваться следующи­ми нормами в сутки на одного человека.

В городах районного подчинения Потребление воды,

л/сут

При наличии канализации и домовых ответвлений

водопроводной магистрали 125—150

Без канализации, но с домовыми ответвлениями

водопроводной магистрали 75—100 *>!

С колонковым водоразбором 50—75

В городах областного и респуб гиканского подчинения

При наличии канализации 350—500

Без канализации, но с домовыми ответвлениями

водопроводной магистрали 250—-300

С колонковым водоразбором 175—200

Гидрогеологические исследования для промышленного водо­снабжения необходимо вести по специально составленной програм­ме. Ниже приводятся данные о количестве воды, необходимой для производства главнейших видов промышленной продукции:

Виды продукции Количество воды, л

При приготовлении 1 кг бумаги 400—800

На превращение 1 кг шерсти в сукно 1000

На приготовление 1 м хлопчатобумажной ткани 28—50

На выделку одной большой шкуры 1000—2000

На выделку одной малой шкуры 200 —1000

Для переработки 100 кг свеклы в сахар 1500

На выплавку 1 т стекла 20 000

На выплавку 1 т бутылочного стекла 8000

На приготовление 1 т мыла 500

На приготовление 1000 шт. кирпича 1200

На выплавку 1 т чугуна до 170000

То же, с использованием оборотной воды и добав­ кой свежей 10000—20000

На переработку 1 т нефти 5000—15000

На разделку одной головы крупного скота .... 300

На разделку одной головы мелкого скота .... 100

На переработку 1 л молока 4—8

В настоящее время существуют различные нормы, которых сле­дует придерживаться при общей оценке подземной воды по содер­жанию в ней тех или иных компонентов.

Если в процессе исследований подземной воды возникает подо­зрение на ее загрязнение, рекомендуется брать контрольные пробы воды на анализ не только в местах, где намечаются водозаборы или одиночные эксплуатационные скважины, но и в пунктах, где имеются условия для проникновения в водоносные пласты загряз­ненных вод. В некоторых случаях необходимы повторные химиче­ские и бактериологические анализы воды.

При оценке подземных вод для питьевых и технических целей необходимо тщательно определять содержание щелочноземельных металлов, обусловливающих жесткость воды.

В последние годы при исследовании источников водоснабжения большое внимание уделяется определению микроэлементов (Вг, I, F, Sr, Ra и др.), присутствие которых в воде оказывает большое влияние на организм человека.

При оценке подземных вод для технических целей надо учиты­вать характер производства: жесткие воды непригодны в текстиль­ной, сахарной промышленности, в дубильном производстве, для питания котлов и охлаждения различных двигателей; в писчебу­мажном и хлопчатобумажном производстве недопустимо содержа­ние в воде железа даже в небольших дозах и т. д.

Виды гидрогеологических работ для водоснабжения. При изы­сканиях для водоснабжения проводятся сбор и анализ имеющихся материалов, гидрогеологическая съемка, бурение поисково-разве­дочных или разведочно-эксплуатационных скважин, исследования

276

химического и бактериологического состава подземных вод, наблю­дения за режимом подземных вод.

В зависимости от природных условий объем и содержание гид­рогеологических исследований источников водоснабжения могут изменяться в широких пределах. При достаточном количестве фак­тического материала и простых гидрогеологических условиях райо­на работы по выбору источника могут ограничиться рекогносциро­вочным осмотром местности, или заложением одной-двух буровых скважин, либо просто гидрогеологическим заключением на осно­вании литературных и архивных данных. При сложных природных условиях исследования источников водоснабжения включают гео­лого-съемочные, гидрогеологические, разведочные и опытные рабо­ты, а также стационарные наблюдения за режимом подземных вод и лабораторные изучения.

Ориентировочная оценка дебита подземных вод при поисках может быть дана на основании литологического состава пород.

1. Породы неводоноснце — глины различной степени плотности.

2. Породы слабо водоносные — глинистые и мелкозернистые пес­ ки, лёссовидные суглинки, песчано-глинистые породы; производи­ тельность водопунктов до 5 м³/сут.

3. Породы средней водообильности — среднезернистые пески, тре­ щиноватые граниты, песчаники и некоторые другие трещиноватые породы; производительность водопунктов 50—75 м³/сут.

4. Породы высокой водообильности — крупнозернистые песча­ники, галечники, трещиноватые закарстованные известняки, силь­но пористые и кавернозные базальты молодого возраста; произво­дительность водопунктов 1000 м³/сут.

Дальнейшая оценка ресурсов подземных вод дается по резуль­татам гидрогеологических исследований в районе изысканий.

Для проектного задания проводится комплексная геолого-гидрогеологическая съемка с постановкой в случае необходимости разведочного бурения и _пробных откачек из одиночных скважин. Наиболее приемлемыми масштабами для комплексной геолого-гид­рогеологической съемки следует считать 1 : 50 000 и 1 : 100000 при простых геологических и гидрогеологических условиях и 1 : 25 000 и крупнее — при сложных.

При комплексной съемке необходимо серьезное внимание обра­щать на изучение родников, устанавливать возраст водоносных пород, из которых появляются родники, тип родников (восходящие и нисходящие), дебит, химический состав воды (подробные данные об изучении родников приводятся в главе V).

Одновременно с источниками в процессе комплексной съемки изучаются колодцы и буровые скважины с учетом имеющихся ин­струкций.

Наряду с количественной и качественной оценкой источника во­доснабжения на основании разведочных работ должно быть дано заключение о типе каптажа источника, наиболее отвечающем гео­логическим условиям его выхода и санитарно-техническим требо­ваниям.

277

Изучение подземных вод различных отложений. При изучении подземных вод, приуроченных к ледниковым отложениям, следует обращать внимание на литологический состав флювиогляциальных отложений, а также подстилающих и покрывающих толщ морен. Необходимо выяснять наличие погребенных торфяников, присутст­вие которых оказывает неблагоприятное влияние на качество под­земных вод (устойчивое наличие аммиака). Очень важно устано­вить связь отдельных водоносных горизонтов друг с другом и с от­крытыми водотоками и выяснить наличие ледниковых долин, за­полненных, рыхлыми породами.

В ряде районов запада и северо-запада СССР к ледниковым отложениям приурочены межморенные и подморенные водоносные горизонты, которые эксплуатируются буровыми скважинами для водоснабжения городов с водопотреблением до 800 тыс. м³/сут. Глубина скважин, заложенных на первый межморенный водонос­ный горизонт, 60—80 м; дебит отдельных скважин до 90 м³/ч. Под­моренный водоносный горизонт залегает на глубине более 100 м; дебит скважин до 40—50 м³/ч. Качество воды всех горизонтов удов­летворительное. Там, где ледниковые отложения налегают непо­средственно на коренные породы, содержащие минерализованные воды, в водах ледниковых отложений наблюдается повышенное со­держание хлоридов.

Для того чтобы правильно оценить гидрогеологические условия и возможность получения подземных вод из ледниковых отложений, необходимо провести комплексную геолого-гидрогеологическую съемку в масштабе 1 : 100000—1 : 50 000 с бурением разведочных скважин и пробными откачками. В результате съемки и бурения, проведенного с учетом особенностей ледникового ландшафта, со­ставляются гидрогеологическая карта и гидрогеологические разре­зы, позволяющие судить о мощности водоносных комплексов, их диалогическом составе и фильтрационных свойствах. После этого выбирают участки для заложения опытно-эксплуатационных сква­жин, из которых производят продолжительные опытные откачки для определения коэффициента фильтрации и радиуса депрессионной воронки, с последующим подсчетом количества подземных вод, которое может быть получено при заданном понижении уровня во­ды в буровой скважине. Если выяснится, что буровые скважины могут дать большие дебиты при заданном понижении, их оставля­ют для последующей эксплуатации.

При проходке разведочных и опытно-эксплуатационных сква­жин необходимо отбирать пробы для механического анализа и в отдельных случаях для определения коэффициента фильтрации в фильтрационных приборах.

При исследовании подземных вод в аллювиальных отложениях необходимо иметь в виду, что в их образовании принимали участие водные потоки. По характеру литологического состава аллювиаль­ные отложения сходны с флювиогляциальными: те и другие в ли-тологическом отношении весьма изменчивы как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. В связи с этим при изучении

278

подземных вод аллювиальных отложений необходим большой объем разведочных работ (буровые скважины, шурфы), опытных откачек, работ по изучению режима и химизма подземных вод.

Чтобы выбрать наиболее водообильные участки и установить мощность, глубину залегания водоносных пластов и уровни воды в них, разведочные работы ведутся вдоль берега реки с охватом современных и древних террас. На основании разведочных данных составляют карту глубин залегания водоносного горизонта и кар­ту гидроизогипс и выбирают участок для детальных исследований по поперечникам, нормальным к реке.

Так как воды аллювиальных отложений тесно связаны с водами открытых водотоков и не защищены от загрязнения с поверхности, при исследованиях обращают внимание на природные условия района для последующего установления зон санитарной охраны водозаборов.

Опытные работы на аллювиальные воды проводятся с той же целью, что и при разведке вод в флювиогляциальных отложениях.

При бурении скважин необходимо опробовать откачкой водо­носность пород по отдельным интервалам глубин, проводя откачку при постоянном дебите или постоянном уровне, и в зависимости от результатов откачки выбрать конструкцию и место расположения фильтра в проектируемой эксплуатационной скважине. Кроме того, важно выяснить положение уровня воды в открытом водотоке в те­чение года и его влияние, на режим изучаемого аллювиального водоносного горизонта.

Для районов, где предусматривается подпитывание водозаборов-водой открытых водотоков или за счет перевода поверхностного стока в подземный через устройство временных емкостей или по­глощающих скважин, необходимо иметь данные о качестве по­верхностных вод и о содержании в них тонких взвешенных частиц. Последнее важно для выяснения возможности заиления береговой части реки, примыкающей к району водозаборных сооружений. Заилен-ие, например, имело место на одной из рек Западной Сибири, где выстроенная фильтрационная галерея, имевшая вначале расход воды до 3 м³/с, через несколько месяцев работы снизила дебит в десять раз.

По окончании разведки часть скважин надо оставлять для даль­нейших наблюдений за режимом и качеством подземных вод.

Пробы воды на химические и бактериологические анализы сле­дует отбирать в разные периоды года (особенно весной и осенью), чтобы судить о необходимости хлорирования воды.

Как уже говорилось, в многолетней мерзлоте выделяются три категории подземных вод: надмерзлотные, межмерзлотные и под-мерзлотные.

Надмерзлотные воды залегают выше зоны многолетней мерзло­ты, служащей для них водоупором. Источником пополнения этих вод являются атмосферные осадки и воды верхнего деятельного слоя, мощность которого колеблется от 1 до 2 м. Надмерзлотные воды после сильных дождей настолько насыщают грунты, что мест-

270

ность часто заболачивается. Переход надмерзлотных вод из жид­кого состояния в твердое происходит постепенно (рис 134). Вна­чале вода переохлаждается до —0,5° С, а потом замерзает При этом увеличивается ее объем и происходит пучение грунта с обра­зованием в ряде случаев трещин, через которые вода изливается, образуя наледи. Надмерзлотные воды носят сезонный характер, поэтому использование их возможно в ограниченных масштабах. Межмерзлотные воды приурочены к таликам в слое мерзлоты. Питание таликов может быть связано с надмерзлотными или под-мерзлотными водами, может быть постоянным или временным. Если поступление воды в талик происходит постоянно из подмерз-лотного слоя, талики заслуживают внимания как возможные источ-

Рис. 134. Постепенное замерзание надмерзлотных вод

а - деятельный слой, б — устойчивая мерзлота, / — жидкая фаза надмерзлотных вод 2 — переохлажденная фаза надмерзлотных вод, 3 — твердая фаза надмерзлотных вод

ники водоснабжения. Межмерзлотные воды встречаются не только в жидкой, но и в твердой фазе (ископаемый лед).

Подмерзлотные воды делятся на воды неглубокого и глубокого залегания. К первому типу относятся воды аллювиальных долин и верхней зоны коренных пород; ко второму типу —более глубоко залегающие подземные воды с положительной температурой, иног­да очень высокой. Водам первого типа свойственны очень низкие положительные или даже отрицательные температуры. Питание подмерзлотных вод может происходить за счет атмосферных осад­ков (через талики) и подземных вод, поступающих из более глубо­ких водоносных горизонтов.

При наличии таликов подмерзлотные воды могут давать восхо­дящие родники, в большинстве случаев приуроченные к южным склонам долин. Выходя на поверхность, они могут образовывать наледи или бугры (гидролакколиты), высота которых колеблется от нескольких сантиметров до 10 м и более, при диаметре 50—80 м. Изучая расположение гидролакколитов, можно выявить ряд зако­номерностей в распространении водоносного горизонта.

280

На водах подмерзлотных родников в настоящее время основано водоснабжение ряда предприятий и населенных пунктов Восточной Сибири и Забайкалья.

Гидрогеологическая съемка в районах многолетней мерзлоты включает выявление гидролакколитов, таликов и других признаков водоносности. Замер дебитов родников в процессе съемки или изу­чение дебита водоносного горизонта путем откачек из колодцев (скважин) необходимо вести при максимальном и минимальном уровнях воды (весной и осенью). Особое внимание следует обра­тить на замер уровней воды в колодцах. Стенки колодца могут быть промерзшими и не отражать истинного положения уровня воды в водоносном пласте. Зимой при промерзании надмерзлотного водоносного горизонта уровень воды в колодце может сильно под­ниматься, вплоть до самоизлива.

При проведении разведочных буровых работ на межмерзлотные или подмерзлотные воды необходимо иметь скважины диаметром не менее 6 дюймов и во избежание замерзания воды промывать их соляным раствором.

На основе данных разведочного бурения и пробных откачек выбирают участок под водозаборные сооружения и закладывают опытные скважины для проведения опытно-эксплуатационных от­качек и термических наблюдений.

Разведка напорных вод. При исследовании артезианских вод необходимо прежде всего обосновать выбор места для заложения артезианской скважины. При этом используются данные литера­турные и пробуренных скважин. По имеющимся материалам со­ставляют гидрогеологические разрезы, карты гидроизопьез и хи­мического состава подземных вод. При бурении скважины в доку­ментации отражают литологический состав водоносного пласта, его мощность, характер и степень трещиноватости пород, величины напоров воды, ее химический состав. Должно быть установлено положение пьезометрического уровня воды и проведена пробная и опытная (при трех понижениях уровня) откачка для оценки про­изводительности водоносного пласта.