Господарсько-питне водопостачання

Р.С. Штенгелов

Одна з критично важливих основ життєдіяльності людини, особливо для міських поселень.

Три складові частини проблеми водозабезпечення населення (водопостачання):

1) планування водоспоживання та управління водними ресурсами - водне господарство (паралельно студенти слухають курс "Водне господарство")

2) вишукування і оцінка забезпечених джерел водопостачання - гідрогеологи (підземні води), гідрологи (поверхневі води)

3) технічне забезпечення роботи водозабірних споруд і водорозбірної мережі -- комунальне господарство.

Світовий досвід водопостачання: підземні води переважають у структурі водозабезпечення (50-75%, до 100%) практично у всіх європейських країнах (включаючи Прибалтику, Україну і Білорусь), у США, Китаї (більше 1 млрд. чоловік!), У країнах аридної зони (Туніс, Ємен, Саудівська Аравія та ін).

Росія: підземні води - близько 15 млн. куб.м на добу (~ 45%).

До теперішнього часу в Росії розвідано близько 4000 родовищ підземних вод з потенційними експлуатаційними можливостями 90 млн.куб.м на добу, тобто в середньому по країні приблизно 0.6 куб.м/добу на 1 людину. Реально експлуатується 1500 родовищ із загальним водовідбору близько 20% від розвіданої величини. Переважають дрібні родовища - близько 5 тис.куб.м на добу.

Частка підземних вод у водопостачанні міських поселень - близько 35-40%; для сільських населених пунктів - близько 85%. При цьому - чим більше місто, тим, як правило, менше частка використання підземних вод: для великих міст (понад 100 тис.) вона становить уже тільки близько 29%, а в найбільших містах (з населенням більше 250 тис. осіб) в половині випадків використовуються тільки поверхневі води (Москва, С.-Петербург, Н.-Новгород, Єкатеринбург, Омськ, Ростов н/Дону, Владивосток ...).

Така ситуація властива для більшості великих міст світу і пояснюється цілком прозовими економічними причинами. Для отримання необхідного обсягу підземних вод питної якості (для водозабезпечення великого міста -- кілька мільйонів куб.м на добу) потрібно задіяти цілу групу великих родовищ на значних площах. Вони повинні бути досить віддалені від міської території, щоб можливо було організувати ефективну санітарну охорону водозабірних споруд. Створення протяжних (десятки кілометрів) магістральних водоводів великого перерізу для перегону видобутої води в місто вимагає величезних капітальних та експлуатаційних витрат; важливими в таких випадках стають і питання землевідведення під такі великі лінійні інженерні споруди.

Для приклад - Москва: споживання близько 5 млн.куб.м на добу. 98% за рахунок поверхневих вод. У майбутньому передбачається поступове переведення водопостачання на підземні джерела - розвідані 4 групи родовищ (в основному, в межі Московської області) на відстані близько 100 км кожна.

Чому ж у більшості країн світу віддають явну перевагу підземних вод у справі організації водопостачання?

істотно більш висока захищеність від природних і техногенних забруднень (хоча і далеко не абсолютна - зараз близько 30-40% діючих підземних водозаборів виявляють ознаки техногенного забруднення),

більше висока зарегульованість всерединірічного і багаторічного режиму стоку,

Зовсім свіжа ілюстрація: літо-осінь 2003 Циклони старанно обходять стороною Примор'я; в краї - посуха. Рівні в поверхневих водоймищах на 6-7 м нижче ординара, подача води в систему водопостачання крайового центру (м.Владивосток) критично скорочена. Населення цілодобово стоїть в чергах ... до джерелам, які продовжують нормально функціонувати.

Підземні води - найпотужніша природна буферна система!

технологічна стійкість системи експлуатаційного відбору підземних вод незалежно від пір року, що важливо для більшості кліматичних провінцій з суворою взимку, значно ускладнює роботу водозаборів з поверхневих вододжерел,

можливість магазінірованія ( "заготівлі про запас") за допомогою компактних систем штучного поповнення запасів - більш економічних, простих в експлуатації і екологічно "нешкідливих" у порівнянні з поверхневими водосховищами; при цьому - природне поліпшення якості води при фільтрації через водовмещающіе породи.

ЗАПАСИ ПІДЗЕМНИХ ВОД ОБМЕЖЕНІ.

Хоча в об'ємі гідросфери Землі підземні води становлять близько 45% (а поверхневі - Тільки 0.1%), але по стоку картина не на їх користь.

Цікавий показник для стічних об'єктів - термін відновлення води, тобто час, необхідне для переміщення води від області формування потоку, до сфери його розвантаження. Для поверхневих водотоків в середньому по земній кулі термін відновлення води складає 16 діб, а для потоків підземних вод - 1.5 тисячі років! Звичайно, можна сумніватися в коректності останньої цифри (неясно, про який інтервалі гідрогеологічного розрізу йде мова), тим не менше порівняння вельми показовий.

Обмеженість кількості підземних вод вимагає особливої уваги до їх експлуатації та охорони, щоб запобігти виснаження і забруднення. У Росії основний офіційний захисний механізм: ліцензування відбору підземних вод в межах величини експлуатаційних запасів, які спеціально розраховуються для кожного водозабору і затверджуються, тобто враховуються державою в водогосподарської балансі регіонів.

Звідси випливає один з найважливіших проблем прикладної гідрогеології: ОЦІНКА (ПІДРАХУНОК) Експлуатаційних запасів підземних вод. Це одне з найбільш розвинених напрямів прикладання праці фахівців-гідрогеологів. Мабуть, можна сміливо говорити про існування великого самостійного розділу прикладної гідрогеології -- розвідницької гідрогеології. Для території Радянського Союзу (нині Росії, країн СНД і Прибалтики) накопичений величезний досвід оцінки експлуатаційних запасів (далі ЕЗ) підземних вод в різних геолого-структурних і фізико-географічних умовах їх формування. Існує велика наукова і методична література, розроблені й удосконалюються нормативні документи, регламентують постановку робіт з оцінки та обліку експлуатаційних запасів підземних вод. Всі ці документи практикуючий гідрогеолог повинен знати і вивчати по мірі їх модернізації. Проте, у нашому навчальному курсі ми будемо лише позначати основні організаційні принципи постановки робіт, зосереджуючись, головним чином, на природних балансової-гідрогеодінаміческіх закономірності формування ЕЗ і на існуючих методи їх оцінки.

Постановка задач оцінки ЕЗ підземних вод

Слід розрізняти дві основні форми виконання робіт з оцінки ЕЗ.

Регіональна оцінка - необхідно підрахувати потенційний максимум водовідбору для деякої заданій території (гідрогеологічної структури, промислового або адміністративного регіону тощо). Такі роботи виконуються не часто; їх замовником звичайно виступають федеральні або регіональні органи генерального планування розвитку територій. При підрахунку розміщення водозаборів по площі може бути прийнято в різних варіантах:

а) система водовідбору визначена замовником і включає, як правило, більшість фактично існуючих водозаборів плюс деяка кількість перспективних, в відповідно до планів розвитку оцінюваної території;

б) за результатами робіт повинна бути рекомендована якась оптимальна (в техніко-економічному і водогосподарської відношенні) система водовідбору, найбільш ефективно реалізує експлуатаційні можливості території;

в) конкретна система водовідбору не визначена і він приймається розосередженим по всій оцінюваної площі. Передбачається, що в такій постановці оцінюється абсолютний максимум експлуатаційних можливостей території, однак цінність такого підрахунку вельми сумнівна чинності нереальності інженерного втілення подібної системи водовідбору. Таку постановку можна розглядати як допоміжну (початкове наближення) при рішенні задачі по варіанту б).

Локальні оцінки - в цьому випадку вихідної, заданою величиною є потрібний дебіт водозабору (заявлена потреба); як замовник найчастіше виступає місцева, територіальна адміністрація або конкретна водопотребляющая організація.

Далі підрядник (гідрогеологічна організація, що має ліцензію на виконання відповідних робіт) робить спеціальний комплекс польових і камеральних робіт <пошуково-розвідувальні роботи> (ПРР) для отримання достатнього обсягу необхідної інформації, на основі якої і проводиться підрахунок експлуатаційних запасів.

Що таке <експлуатаційні запаси> ?

Сам термін запозичений у твердих (рудних і нерудних) корисних копалин, однак існує принципова різниця: для твердих копалин запаси вимірюються об'ємом або вагою корисного компонента; для підземних вод мірою експлуатаційних запасів є дебіт, тобто постійне в часі кількість води, які добуваються водозабором. Розмірність ЕЗ - куб.м на добу.

Класичне визначення:

ЕЗ - ПРОДУКТИВНІСТЬ (дебіт) РАЦІОНАЛЬНОГО У ГЕОЛОГО-економічних відносин Водозабір ЗА УМОВИ ДОТРИМАННЯ ліміт ПО РЕЖИМУ ЙОГО ЕКСПЛУАТАЦІЇ.

Суть обмежень, що пред'являються до режиму експлуатації водозаборів, ми детально розглянемо пізніше, а зараз важливо підкреслити, що в результаті виконання ПРР виконавець-гідрогеолог повинен визначити:

кількість свердловин

точки їх розташування

їх конструкцію (положення фільтрів, діаметри)

розмір "охоронної" зони

при це повинно бути доведено (з експертизою і захистом), що:

саме це кількість свердловин

даної конструкції

розташованих в даному місці

в протягом заданого часу

буде давати необхідну постійну продуктивність QЕ (це і є ЕЗ), причому

-- зниження рівнів ніде не перевищать критичних значень

-- вода за показниками якості відповідатиме призначенням (господарсько-питне використання)

-- водовідбору вплив на природне середовище буде "терпимим" (узгодженим з органами нагляду).

В ході ПРР оцінюються також умови будівництва й експлуатації водозабору як інженерної споруди, вирішуються питання землекористування, проведення оздоровчих заходів у зоні санітарної охорони і т.п. Всю цю складну роботу, що вимагає комплексної участі фахівців найрізноманітнішого профілю, організовує гідрогеолог, оскільки кінцева мета досліджень, безсумнівно, гідрогеологічна - оцінка експлуатаційних запасів підземних вод.

Основний принцип організації ПРР - стадійність

Ідея стадійний організації робіт очевидна - послідовне наближення до "істини". Результати робіт на кожній стадії аналізуються і обговорюються, після чого складається проект робіт на наступну стадію, враховує виявлені геолого-гідрогеологічні особливості. Назви, кількість стадій періодично переглядаються, але логіка постановки досліджень, послідовностей цілей не змінюється.

Важливим початковим етапом вивчення територій є РЕГІОНАЛЬНА ОЦІНКА їх потенційних експлуатаційних можливостей (т.зв. прогнозних ресурсів прісних підземних вод). Ця достатньо трудомістка і витратна робота надзвичайно корисна з точки зору раціонального управління використанням підземних вод. Звичайно, за логіці такою роботою має починатися освоєння перспективного, але маловивченого регіону; фактично ж такі роботи найчастіше проводяться для інтенсивно освоєних регіонів, вже на тлі активно розвиненої системи багаторічної експлуатації підземних вод. Метою проведення регіональної оцінки (переоцінки) прогнозних ресурсів є:

а) виявлення регіональної неоднорідності потенційних можливостей використання підземних вод,

б) для маловивчених регіонів - попередня оцінка абсолютних величин прогнозних ресурсів підземних вод, а для освоєних районів з діючими водозаборами - зіставлення потенційних можливостей з фактичними величинами водовідбору, виявлення "дефіцитних" та "профіцитних" площ з метою упорядкування та оптимізації існуючого і перспективного використання підземних вод.

Одна з останніх робіт такого призначення - регіональна переоцінка експлуатаційних запасів прісних підземних вод центральної частини Московського артезіанського басейну станом на 2002 р. Переоцінка виконана, в основному, для кам'яновугільних водоносних горизонтів на площі близько 60 тис. кв.км; загальне кількість врахованих експлуатаційних свердловин на території Московської області і міста Москви склало майже 9000.

При ЛОКАЛЬНИХ оцінки прийнятих така послідовність стадійності вивчення:

ПОШУКИ: найчастіше по фондових матеріалами; у випадку значної заявленої потреби в маловивчених районах можуть бути зроблені польові роботи регіонального характеру (напр., середньомасштабне гідрогеологічна зйомка).

Цілі ПРР на цій стадії:

-- обгрунтування вибору основного водоносного горизонту (тобто достатнього за своїми властивостями для задоволення заявленої потреби, по можливості неглибоко залягає, але при цьому захищеного від поверхневих забруднень),

-- обгрунтувати вибір перспективного району, тобто такої площі в межах області розповсюдження основного водоносного горизонту, де найбільш ймовірно можуть бути виявлені родовища підземних вод, достатні для задоволення заявленої потреби,

-- попередньо оконтуріть одне з таких родовищ як "першочергове".

Поняття "родовище" для прісних підземних вод майже позбавлене абсолютного сенсу, оскільки вони поширені практично повсюдно. Воно використовується досить довільно - головним чином, в облікових цілях, для географічної прив'язки ділянок оцінки або експлуатації підземних вод. Тому можна спрощено визначити родовище підземних вод (далі МПВ) як ділянка, в межах якого за сукупністю ряду причин пропонується побудувати (або вже побудований) водозабір. Заради об'єктивності треба зазначити, що більшість цих причин має "гідрогеологічний характер": більш високі фільтраційні властивості водовмещающіх порід у порівнянні з навколишніми площами, оптимальне положення по відношенню до гідрогеодінаміческім кордонів, оптимально близьке положення по відношенню до водоспоживачів, найбільш сприятливі умови для збереження якості води при тривалій роботі водозабору і т.д.

ОЦІНКА: на цій стадії робіт, як правило, робиться певний комплекс польових робіт, метою якого є отримання необхідних параметричних характеристик для орієнтовного (зазвичай балансового) підрахунку - достатньо Чи попередньо виявлених у результаті пошуків родовища для задоволення заявленої потреби або слід розширити область пошуків для виявлення додаткових ділянок (або самостійних родовищ).

РОЗВІДКА: основна (за змістом і з матеріальних та інтелектуальних витрат) стадія ПРР. У її рамках реалізується самий широкий комплекс польових гідрогеологічних досліджень у відповідності з особливостями гідрогеологічного будови разведуемого МПВ. Цілі робіт на цій стадії:

-- уточнення контуру родовища (точніше, площі, в межах якої діють, на думку виконавця, основні балансообразующіе механізми, що забезпечують дебіт майбутнього водозабору),

-- отримання достатньої комплексу гідрогеодінаміческіх параметрів, що забезпечує адекватну балансову, фільтраційну та міграційну схематизація площі родовища,

-- обгрунтування вибору "водозабірного ділянки" (це локальна площа "всередині" родовища, де найбільш вигідно розташувати водозахватние пристрої),

-- детальне вивчення площі "водозабірного ділянки" для обгрунтування кількості, конструкції та схеми розміщення водозахватних пристроїв,

-- остаточний підрахунок ЕЗ, тобто виконання системи розрахунків, що обгрунтовують можливість отримання заявленої продуктивності за допомогою пропонованої схеми і конструкції водозабору (при дотриманні заданих обмежень по режиму експлуатації).

Далі звіт про ПРР проходить процедуру захисту (з експертизОй на територіальному або федеральному рівні); протокол затвердження підрахунку експлуатаційних запасів є підставою для виконання проектування водозабірного споруди, його будівництва та передачі в експлуатацію.

Експлуатація водозабірного споруди протягом розрахункового терміну розглядається в організаційному сенсі як чергова стадія розвідувальних робіт - ОСВОЄННЯ РОДОВИЩА (експлуатаційна розвідка). Методично роботи на цій стадії полягають у здійсненні багаторічних спостережень на спеціально організованій системі моніторингу чинного МПВ; метою досліджень є перерахунок ЕЗ (тобто оптимізація системи водовідбору) на основі досвіду експлуатації водозабірного споруди.

Треба розуміти, що викладена логічна схема стадійний організації ПРР (приблизно так вона закріплена й в діючих інструктивних документах) є в певною мірою ідеальної і в повному вигляді виконується рідко. Для більшості регіонів відсутні придатні до практичного використання дані регіональних оцінок; величезна кількість діючих водозаборів працюють "на незатверджений запаси ", тобто не мають належного гідрогеодінаміческого і гідрогеохімічних обгрунтування. Слід також мати на увазі, що в міру появи нових даних (у першу чергу - параметричних) на будь-якій стадії робіт гідрогеолог постійно повинен виконувати комплекс доступних розрахунків, дозволяють коригувати зміст і спрямованість поточних досліджень.

Повернемося тепер до загальної постановки задачі оцінки експлуатаційних запасів підземних вод. За визначенням, до експлуатаційних запасів може бути віднесено тільки те кількість води, при відборі якого виконується ряд вихідних умов (обмежень). Ці умови такі:

-- водозабірних споруд має бути раціональною в геологічному і техніко-економічному відношенні;

-- зниження рівнів підземних вод в водозабірних свердловинах не повинно перевищувати допустимої величини;

-- водозабір повинен розраховуватися на певний строк безперервної роботи;

-- якість води (з урахуванням можливої водопідготовки) протягом усього терміну роботи водозабору повинна відповідати нормативам для господарсько-питного водопостачання;

-- екологічні наслідки водовідбору повинні бути мінімальними (точніше, допустимими, прийнятними).

Розглянемо докладніше сенс і зміст цих умов.

З курсу   "Інженерні споруди" студентам вже відомі основні типи водозаборів підземних вод та їх принципова пристрій. У нашому курсі завжди будемо припускати, що водозабір влаштований з вертикальних свердловин з насосним водопідйому (ця система технологічно найбільш розроблена і широко застосовується в усьому світі). Необхідними елементами схеми такого водозабору (рис.1.1) є: а) власне водозабірні свердловини (станції I підйому), б) збірний водовід в межах водозабірного ділянки, в) споруди водопідготовки та регулювання подачі води, г) магістральний водовід до об'єкту водопостачання (зі станціями II, III ... підйомів для підтримання енергії потоку).        

            

Рис.1     

РАЦІОНАЛЬНОЇ Водозабір передбачає мінімум витрат:

-- Капітальні витрати (вартість спорудження) - в основному, визначаються довжиною магістрального водоводу (від водозабору до об'єкту водопостачання); у меншій ступеня - кількістю свердловин, їх глибиною та конструкцією.

-- Експлуатаційні витрати (вартість експлуатації) включають:

1) енерговитрати на I підйом, тому важливо кількість свердловин і глибина динамічного (зниженого) рівня;

2) витрати на водопідготовку, що залежать від сумарного дебіту та необхідних технологій водопідготовки;

3) енерговитрати на перегін води по магістральному водоводу (II, III ... підйоми), залежать від довжини водоводу, рельєфу за його трасі і сумарного дебіту.

Видно, що раціональний водозабір повинен бути розташований якомога ближче до водоспоживачів і містити мінімальну кількість експлуатаційних свердловин.

Мінімізація кількості свердловин досягається за рахунок максимального навантаження на кожну з них. Від чого залежить можливий дебіт свердловин? Наприклад, при квазістаціонарних режимі в необмеженій ізольованому шарі

тобто максимальний дебіт досягається при розташуванні свердловини в області з найбільш високою провідністю пласта і, навпаки, низькими величинами рівні (пьезо) провідний (т.е . при високій Водовіддача). Крім того, має значення і радіус фільтра свердловини , тому в практиці будівництва водозабірних свердловин застосовують різні методи збільшення проникності пріфільтровой зони - простреліваніе, торпедування, гідророзрив, соляно-кислотна обробка і т.п., щоб збільшити розрахунковий радіус .

Нарешті, важливо, щоб будова гідрогеологічного розрізу дозволяло при необхідності створювати достатні пониження рівня в водозабірних свердловинах. Однак, величина можливого зниження рівня має певні обмеження.

ДОПУСТИМІ Зниження   РІВНЯ у водозаборі . Обмеження величини зниження рівня в водозабірних свердловинах переслідує дві мети:

-- По-перше, при експлуатації грунтових водоносних горизонтів відбувається зменшення їх потужності і, отже, зменшення провідності горизонту. Щоб не допустити прогресуючого, "обвального" перепоніженія рівнів, рекомендується зберігати в зоні водозабірної свердловини не менш 30-50% початковій провідності.

-- По-друге, в водозабірної свердловині завжди повинен залишатися стовп води, достатній для розміщення насоса і відстійника (зазвичай 3-10 м).

Для безнапірних горизонтів беруть розрахункову величину допустимого зниження порядку , де - початкова, непорушення потужність потоку в зоні експлуатаційних свердловин (ріс.1.2, а). Однак, такий підхід допустимо тільки для однорідних по вертикалі горизонтів, коли кумулята провідності має вигляд прямої лінії (ріс.1.2, б). Більше імовірно, що водоносні шари мають неоднорідне (і досить контрастне) будову по вертикалі - шаруватість в пухких четвертинних відкладеннях, карстові колектори та ін У таких випадках величина допустимого зниження повинна влаштовуватися на основі розвіданої форми кумуляти провідності - з умови, щоб залишкова провідність пласта в зоні свердловини становила не менше (0.3