Эксплуатация подземных вод питьевого назначения

Выше подчеркивалось, что негативное влияние гидрогеохи­мических техногенных процессов на загрязнение подземных вод определяют одно из основных направлений экологической гидрогеологии. Наиболее чувствительно изменение свойств геологической среды от негативного влияния этих процессов про­является при эксплуатации пресных подземных вод, предназначенных для хозяйственно-питьевого потребления городов, промышленных объектов и др.

Под загрязнением подземных вод в широком смысле этого слова понимается ухудшение их исходного качества (физических, органолептических, химических и биологических свойств), приводящее к ощути­мому экономическому или социально-экологическому ущербу. Более строгое определение требует ориентации на количественные критерии загрязнения, зависящие от характера испо­льзования подземных вод или от влияния их сброса и утилизации при крупном водоотборе на окружающую среду, прежде всего, на поверх­ностные воды.

Очевидно, что для водоносных горизонтов, содержащих пресные воды, критерии загрязнения должны связываться с санитарно-гигиени­ческими показателями качества вод питьевого назначения, регламенти­руемыми ГОСТ 2874-82.

Важнейшим из них является показатель допустимого бактериального загряз­нения подземной воды, определяемый общим содержанием в ней бактерий (не бо­лее 100 в 1 мл) и количеством бактерий группы кишечной палочки (не более 3 в 1000 мл; соответственно коли-индекс не более 3). Наряду с этим в лимитиру­ющие показатели качества вод включаются нормы (предельно допустимые концен­трации – ПДК) содержания биологически активных макро- и микрокомпонентов (в том числе радиоактивных), появление которых наиболее вероятно при техно­генном или сельскохозяйственном загрязнении подземных вод.

Обобщенным показателем качества вод по макрокомпонентному составу яв­ляется величина сухого остатка (близкая к общей минерализации воды), которая не должна превышать 1 г/л при общей жесткости не более 10 мл-экв/л. Среди ми­крокомпонентов, нормируемых ГОСТ 2874-82, можно выделить две основные группы: первая включает элементы, ПДК которых обычно много больше их фоновых концентраций в слабоминерализованных водах (например, ионы меди, молибдена, свинца, цинка); вторая объединяет элементы, ПДК которых близки к фоновым (например, ионы железа, марганца, фтора, селена, бериллия).

Действие фтора, нитратов и ра­диоактивных веществ оценивается отдельно по соответствующим ПДК.

Требования к качеству и соответственно критерии загрязнения под­земных вод могут заметно изменяться, если по тем или иным причинам отбираемые воды сбрасываются в поверхностные водотоки и водоемы. Такая ситуация типична для районов с горнодобывающей промышлен­ностью, где широко используется подобный способ борьбы с излишка­ми некондиционных рудничных (шахтных) вод.

Основные эколого-гидрогеологические положе­ния охраны и защиты пресных подземных вод от химического загрязнения в стадию их эксплуатации для водоснабжения

сводятся к решению следующих наиболее важных проблем:

1) оценки естественной защищенности подземных вод от химического загрязнения и техногенной зараженности радио­активными отходами;

2) методов и способов охраны и защиты подземных вод от техногенного загрязнения и зараженности;

3) методов и способов защиты подземных вод от техноген­ного истощения их естественных запасов.

Ниже рассмотрены кратко эти проблемы.

Практика показывает, что естественная защищенность грун­товых вод от техногенного загрязнениями зараженности при миграции загрязнений в вертикальном направлении в породах слагающих зону аэрации изучено еще слабо. ВСЕГИНГЕО составлена "Карта естествен­ной защищенности подземных вод от загрязнения" для всей территории стран СНГ, которая может быть использована для предварительной оценки экологической безопасности подзем­ных вод отдельных регионов. В основу ее построения положена информация о строении и свойствах геологической среды рай­она исследований.

По условиям естественной защищенности грунтовых вод от поверхностного проникновения техногенного химического заг­рязнения во ВСЕГИНГЕО выделяют три категории типовых районов.

Защищенные грунтовые воды, когда в районе в разрезе зоны аэрации залегают глинистые породы мощностью до 10 м или суглинки мощностью более 3 м.

Условно защищенные грунтовые воды изучаемого района, когда в разрезе зоны аэрации залегают глины от 3 от 10 м или суглинки мощностью от 30 до 100 м.

Незащищенные категории грунтовых вод, когда в породах зоны аэрации залегают глины менее 3 м мощности или суг­линки мощностью менее 30 м.

Как показывает практика, большинство действующих водозаборов в России располагаются в речных долинах, где грун­товые воды на нижних террасах залегают в условиях их есте­ственной незащищенности; поэтому охрана и защита грунто­вых вод в таких условиях приобретает особое значение.

По данным ВНИИВодгео, при фильтрации химического заг­рязнения в породах зоны аэрации некоторые вещества полно­стью или частично сорбируются, а нейтральные не сорбиру­ются, не разлагаются и не перераспределяются, и переходят в толщу пород без изменения.

По сравнению с грунтовыми, напорные воды более глубо­кого залегания в естественных условиях относительно хорошо защищены от химического загрязнения.

Важной составной частью изучения пресных подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, является ис­следование и прогноз качества подземных вод в связи с охра­ной их от загрязнения. Загрязнение подземных вод обусловле­но проникновением в водоносные горизонты промышленных отходов, загрязняющих веществ сельского хозяйства, а также природных некондиционных по составу и минерализации вод (подземных и поверхностных), источниками которых являются техногенные и природные системы. Охрана подземных вод включает:

- строгое соблюдение законодательных актов по охране природной среды и водных ресурсов;

- осуществление технических и технологических мер, на­правленных на уменьшение загрязнения окружающей среды и подземных вод, а именно: уменьшение вырабатываемых про­мышленностью отходов, создание безотходного производства, многократное использование воды в технологическом цикле, строительство очистных сооружений и совершенствование очистки и обезвоживания отходов, предотвращение утечек сто­иков с поверхности земли;

- строгое соблюдение требований по порядку проведения разведки на подземные воды, по проектированию, строительству и эксплуатации водозаборов подземных вод;

- проведение водоохранных мероприятий по защите подземных вод.

Водоохранные мероприятия по защите подземных вод от загрязнения подразделяются на профилактические и специальные.

К профилактическим мероприятиям относятся: 1) выбор такого местоположения объекта (промышленного, сельскохо­зяйственного), при котором его отрицательное воздействие на окружающую среду и пресные подземные воды будет минимальным; 2)прогноз качества воды на водозаборном сооружении; оборудование и тщательное соблюдение зон санитарной охраны водозабора; 3) оценка воздействия проектируемого объекта на подземные воды и окружающую среду; 4) изучение защищенности подземных вод; 5) оборудование на крупных объектах (химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, горно-обогатительной, фармацевтической и других от­раслей промышленности) и централизованных водозаборах се­ти наблюдательных скважин для контроля за качеством под­земных вод; 6) систематический контроль за уровнем загрязне­ния подземных вод и прогноз его развития; 7) выявление и учет фактических и потенциальных источников загрязнения под­земных вод.

К профилактическим водоохранным мероприятиям отно­сится также создание специализированной сети наблюдательных скважин на крупных промышленных объектах и централизо­ванных водозаборах. Проект промышленного или сельскохо­зяйственного объекта, являющегося источником загрязнения подземных вод, должен обязательно включать проект сети на­блюдательных скважин.

С профилактическими мероприятиями тесно связаны пе­риодический прогноз развития очагов загрязнения в районах промышленных объектов, скорректированный по данным режимных наблюдений, и прогноз качества подземных вод на во­дозаборе и прилегающей к нему территории. Результаты на­блюдений за режимом подземных вод, гидрогеологические про­гнозы развития области загрязнения в водоносном горизонте и качество подземных вод на водозаборах являются обоснованием для осуществления специальных защитных мероприятий.

Специальными защитными мероприятиями являются лик­видация очагов загрязнения подземных вод путем откачки из центра очага загрязнения; откачка загрязненных подземных вод для локализации области загрязнения и недопущения рас­пространения загрязняющих веществ по водоносному горизон­ту; сооружение защитных водозаборов для перехвата загряз­ненных подземных вод и создания гидравлического водоразде­ла (завесы) между областью загрязненных вод и эксплуатируемыми чистыми подземными водами; создание непроницаемых экранов (стенок) вокруг очага загрязнения; одновременный от­бор по вертикали посредством ярусной системы скважин чис­тых и загрязненных вод и др. Особый вид защитного мероприятия - подземное захоронение наиболее токсичных и неочищенных отходов.

Важным мероприятием, направленным на охрану подзем­ных вод на участке водозабора и предотвращение их загрязнения, является выделение зон санитарной охраны водозаборного со­оружения. Зона санитарной охраны состоит из двух поясов: пер­вый пояс (зона строго режима) и второй пояс (зона ограничений).

Проект зоны санитарной охраны и проводимые в ней са­нитарные мероприятия должны разрабатываться в качестве со­ставной части общего проекта водозаборного сооружения.

Границы первого пояса санитарной охраны - зоны стро­гого режима - устанавливаются в зависимости от степени за­щищенности водоносных горизонтов от проникновения в них; загрязнения с поверхности земли и санитарных условий на территории водозабора. Согласно СНиП П-31-74 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» (1975 г.) предлагаются следующие размеры первого пояса: для надежно защищенных горизонтов (артезианские водоносные горизонты) - до 30 м, для не­защищенных и недостаточно защищенных горизонтов (грунто­вые, первые от поверхности горизонты напорных вод с нена­дежным водоупором, инфильтрационные водозаборные сооружения) - не менее 50 м. Для одиночных водозаборных сква­жин, располагаемых на территории, на которой практически исключается загрязнение поверхности земли, расстояние до ограждения первого пояса может быть уменьшено до 15 - 20 м.

Границы второго пояса санитарной охраны - зоны ограничений - устанавливают для каждого проектируемого водозаборного сооружения в зависимости от гидрогеологических иповерхностных условий прилегающей к участку водозабора территории, типа водозаборного сооружения и режима его эксплуатации. Границы устанавливаются прежде всего для централизованных водозаборных сооружений, эксплуатирующих грунтовые воды, и в особенности для инфильтрационных водозаборных сооружений. Удаление границы второго пояса от водозаборного сооружения определяется расчетным путем или по положению водораздельной (нейтральной) линии тока, ограничивающей область захвата водозаборного сооружения, или по положению контура загрязненных вод, время движения которого к участку водозабора будет больше или равно проектному сроку его эксплуатации (сроку, на который подсчитаны эксплуатационные запасы подземных вод данного месторождения).

Учитывая современную высокую степень загрязнения окружающей среды, на крупных водозаборах, эксплуатируемых системой групповых взаимодействующих скважин, выделяют третий пояс – постоянного профилактического надзора.

Проектирования зоны постоянной санитарной охраны на каждом водозаборном участке органически должно входить в разработку общего проекта водозаборного сооружения. По ре­зультатам разведки должна быть получена необходимая исход­ная эколого-гидрогеологическая информация для проектирования зоны постоянного надзора.

Как подчеркивалось выше, на каждом водозаборном участке должен быть организован мониторинг режима подземных (при необходимости и поверхностных) вод и техногенных процессов. Мониторинг подземных вод в данном случае следует рассматривать как составную и неотъемлемую часть общей комплек­сной программы научно-технического надзора за работой водо­заборного сооружения в целом. Вместе с тем мониторинг— это активная и действенная форма с контрольно-предупредитель­ными функциями управления эколого-гидрогеологическими и гидрогеодинамическими процессами, формирующихся на водо­заборном участке, в весьма длительную стадию его эксплуатации.

Как показывает практика, в действующем законе о недрах вопросы экологии рассмотрены слабо. В Водном кодексе имеется раздел «Использование и охрана водных объектов». В статье 107 этого раздела «Особенности охраны подземных водных объектов» указано, что при проектировании и строительстве водозаборов из подземных вод необходимо исключить вредное влияние водозаборов на поверхностные воды и на окружающую среду. Эти требования реализуются в соответствии с «Положением об оценке воздействия на окружающую среду» (ОВОС). В этом Положении содержится перечень хозяйственных объектов, при проектировании которых необходимо проводить такую оценку. Сюда входят сооружение водозаборов из пресных подземных вод расходом более 10 млн м³ / год (или 27 тыс. м³ / сут), строительство метрополитенов, тепловых электростанций мощностью более 300 МВт, плотин на реках высотой более 15 м и многих других объектов хозяйственной деятельности.

ОВОС проводится на всех стадиях проектирования, начи­ная с концепции использования подземных вод и кончая про­ектом водозабора. Детальность выполнения ОВОС зависит от этапа, увеличиваясь с рангом документа.

Основные этапы проектирования систем водоснабжения из подземных вод:

1. Концепция использования подземных вод.

2. Схема комплексного использования подземных вод.

3. ТЭО инвестиций в строительство системы водоснаб­жения.

4. ТЭО строительства водозабора.

5. Технический проект водозабора.

Ниже рассмотрено содержание обязательных разделов ОВОС на примере организации водоснабжения г. Москвы из подземных вод Приокского МПВ (по Л.С. Язвину).

1. Должны быть четко определены цели реализации про­екта. Водоснабжение из подземных вод для г. Москвы - это не только увеличение подачи питьевой воды, но и обеспечение надежным источником водоснабжения на особый период.

2. Рассматриваются разумные альтернативы планируемой деятельности по строительству водозабора. ОВОС предполага­ет вариантное рассмотрение решаемой проблемы. Переброска подземных вод на 100 км до г. Москвы должна предполагать, что ближе крупных МПВ нет. Рядом с г. Москвой либо все крупные МПВ уже используются, либо загрязнены или исто­щены, а поверхностные воды плохо защищены.

3. Дается характеристика принимаемых проектных пред­ложений с учетом существующей экологической ситуации и с учетом ранее принятых решений по социально-экономическому развитию данной территории. Для конкретного примера - пред­полагается построить линейный водозабор из 50 скважин дли­ной 30 км, - необходимы 3 магистральных водовода длиной по 100 км каждый, насосные станции и т.д. Эти инженерные со­оружения окажут влияние на окружающую среду.

4. Дается характеристика существующего состояния при­родной среды в районе намечаемой деятельности.

5. Дается характеристика возможных последствий влия­ния предполагаемой деятельности на окружающую среду. Для Приокского МПВ оценивалась возможность изменения гидрологической и гидрогеологической обстановки, изменения уровня и качества подземных вод за счет работы водозабора. Было показано, что влияние водозабора на изменение поверхностного стока р. Оки не превысит 20 % ее меженного расхода в год 95 % обеспеченности. Снижение уровня поверхностных вод будет составлять 10-12 см, что значительно меньше есте­ственных колебаний уровня, обусловленных влиянием климата.

Выполнена оценка влияния планируемого отбора подзем­ных вод на развитие карстово-суффозионных процессов. Для рассматриваемого МПВ это важно, так как основной водонос­ный горизонт - закарстованные известняки и доломиты. Оце­нивалось влияние водозабора на возможность развития эндогенных геодинамических процессов (землетрясений). Хотя оче­видно, что понижение уровня на 15 - 20 м никакого влияния на землетрясения оказать не могут. Появились спекулятивные работы о возможных катастрофах при отборе подземных вод.

Выполнена оценка возможного влияния на растительность. Первый водоносный горизонт (грунтовые воды) практически гидравлически оторван от нижележащих горизонтов в пределах террас, а на пойме уровень грунтовых вод располо­жен на глубинах 7 - 10 м. Поэтому эксплуатация подземных вод карбона не окажет влияния на первый водоносный гори­зонт на водоразделах и террасах, а при глубоком залегании уровня в естественных условиях его снижение не вызовет из­менений влажности в зоне аэрации. Для этой территории глав­ным фактором увлажнения растительности является периодическое затопление поймы рекой Окой. На пойме имеются озера. Было установлено, что уровень воды в озерах гидравлически не связан с эксплуатационным водоносным горизонтом. Оценивалось влияние на рыбные запасы р. Оки в связи с сокращением ее стока в межень на 20 %.

Предусмотрена минимизация влияния на животный мир за счет строительства специальных переходов через водоводы на звериных тропах.

6. Намечаются мероприятия по предотвращению негативных последствий от реализации строительства водозабора.

Отбор подземных вод проектным водозабором - не единствен­ный фактор, осложняющий природную обстановку в этом рай­оне. Производится отбор поверхностных вод для технического водоснабжения местных предприятий, ведется разработка ру­словых песков для строительства, периодически углубляют фарватер р. Оки для обеспечения судоходства. С 1950 г. уро­вень воды в р. Оке понизился на 1 - 1,8 м при сохранении рас­хода реки, что вызывает негативные последствия. Необходимо выполнение мероприятий по стабилизации уровня в р. Оке до начала строительства водозабора. Эксплуатация подземных вод усугубит сложную природную обстановку, хотя воздействие водозабора не превысит 10 % от суммы всех иных действую­щих факторов. По-видимому, целесообразно сооружение низ­конапорных русловых плотин с подпором не более 4 м, без за­топления поймы.

7. Формулируются предложения по разработке програм­мы мониторинга природной среды на территории реализации предлагаемого проекта.

В практике работ водозаборных сооружений в зависимости от конкретных условий сложившейся экологической кризисной ситуации применяются специальные индивидуальные меры защиты подземных вод от техногенного зафязнения. Н.И. Плотников приводит пример таких работ на Урале.

В результате изучения сложившейся кризисной экологической ситуации на водозаборе Екатеринбурга было обнаружено высокое содержание фенолов. Исследования показали, что техногенный источник загрязнения расположен на участке ранее отработанного медного месторождения, куда в заброшенные шахты сбрасывались промышленные отходы криолитового завода; фенолы проникли в родники, расположен­ные гипсометрически (ниже шахтного поля), а затем на водо­заборный участок. Для ликвидации последствий экологического кризиса были приняты специальные меры защиты: 1) полнос­тью устранен первоисточник техногенного загрязнения (был прекращен сброс в шахты промышленных отходов); 2) произ­ведена длительная откачка загрязненных шахтных вод и их скла­дирования в специально построенные в балках накопители — отстойники, после испарения загрязненных вод на площади накопителей фенолы сжигались. Примерно через шесть месяцев после откачки подземные воды постепенно восстановили свое питьевое качество.

К специальным мерам защиты подземных вод от химичес­кого загрязнения следует также отнести: 1) ликвидацию обла­сти загрязнения путем откачки загрязненных подземных вод до полного их извлечения; 2) локализацию (откачкой) облас­ти загрязнения для ее стабилизации и предупреждения от даль­нейшего распространения; 3)создание на водозаборе системы спаренных скважин для защиты от проникновения к водо­забору некондиционных вод, залегающих ниже горизонта пре­сных подземных вод и др.

При защите подземных вод хозяйственно-питьевого назна­чения от химического загрязнения, оказавшаяся в экологичес­ки кризисной ситуации, приходится применять крайние меры. В случае, если на водозаборном участке невозможно изолиро­вать постоянный техногенный источник загрязнения приходилось полностью пе­ребазировать действующее каптажное сооружение на новое экологически безопасные участки. Такие меры были приняты, например, для восстановления условий водоснабжения городов Зыряновска и Актюбинска.

Как показывает опыт, большинство действующих водозаборных, сооружений работают, как правило, в режиме оптимальной гидрогеодинамической нагрузки и поэтому на участке истощения эксплуатационных запасов подземных вод, не наблюдается.

Однако, на отдельных водозаборах по ряду при­чин отмечаются процессы истощения эксплуатаци­онных запасов. В этих случаях защита пресных подземных вод от истощения на водозаборных участках, при наличии источника может быть эффективно решена искусственным восполне­нием.

Искусственное восполнение эксплуатационных запасов под­земных вод на действующем водозаборе может возникнуть и при необходимости увеличения его производительности в связи с дополнительной потребностью в водоснабжении объекта (если на месторождении нет возможности решить эту пробле­му за счет естественных ресурсов). Следует иметь в виду, что искусственное восполнение эксплуатационных запасов на действующих водозаборах позволяет не только увеличить его производительность, но и во многих случаях улучшить качество подземных вод.

Под искусственным восполнением запасов подземных вод следует понимать комплекс эколого-гидрогеологических и инженерно-техничес­ких мероприятий, который обеспечивает на действующем во­дозаборном участке в заданном режиме (по качеству и количе­ству) дополнительное искусственное их питание в естествен­ном продуктивном водоносном горизонте путем привлечения искусственного источника. В отличие от естественного такое питание на водозаборе является целенаправленным с помо­щью специальных инженерных сооружений инфильтрационного типа. Для искусственного восполнения грунтовых вод на поверхности строят открытые инфильтрационные бассейны, или инфильтрационные траншеи. Для искусственного воспол­нения эксплуатационных запасов глубоко залегающих напор­ных вод, на водозаборном участке создается система нагнета­тельных буровых скважин. В практике применяются два спосо­ба подачи воды (источник питания) в инфильтраци­онные бассейны:

1) прямоточный способ, когда вода из головного сооруже­ния подается в сообщающиеся между собой инфильтрацион­ные бассейны (или траншеи) непрерывным потоком, а излишки воды затем отводятся от водозаборного участка специ­альным каналом. В этом случае искусственное питание в инфильтрационных бассейнах происходит в условиях постоянно­го расхода;

2) замкнутый способ, когда вода из источника по­дается раздельно на каждый изолированный инфильтрационный бассейн, где постоянно поддерживается ее уровень. В этом случае инфильтрационные бассейны получают искусственное питание под влиянием постоянного напора в инженерных со­оружениях.

Во всех случаях свежая вода перед подачей ее в инфильтра­ционные сооружения должна пройти соответствующую санитарно-техническую подготовку.

Проблема искусственного восполнения эксплуатаци­онных запасов подземных вод на действующих водозаборах должна включать (по Н.И. Плотникову) следующие взаимосвязанные работы.

1. Анализ и оценка эколого-гидрогеологических условий, а также режима эксплуатации участка действующего водозабора. Исследования в этом направлении выполняются на базе ин­формации многолетних данных мониторинга режима подзем­ных род и техногенных процессов.

2. Эколого-гидрологические и эколого-санитарные исследования ис­точника искусственного восполнения эксплуатационных запа­сов, за счет поверхностных вод (речные воды, воды озер, водохранилищ и др.). Изучается: режим стока, качество воды (выполнение требований ГОСТа "Вода — питьевая"), характеристики мутности поверхностных вод (источник заиления и кольматации инженерных сооружений).

3. Эколого-гидрогеологические исследования с целью изу­чения фильтрационных свойств пород слагающих естествен­ную и техногенную зону аэрации: опытно-фильтрационные работы в шуфах — наливом, а также фильтрационные иссле­дования с помощью опытного инфильтрационного бассейна или инфильтрационной траншеи.

4. Разработка технологической схемы (проекта) искусствен­ного питания: выбор типа инфильтрационного сооружения, их необходимое количество и система расположения в плане (в соответствие с заявленной дополнительной потребностью в воде) способ подачи воды в бассейн и др.

5. Обобщение собранных эколого-гидрогеологических мате­риалов, составление расчетной геофильтрационной схемы водозаборного участка и оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетом их искусственного восполнения.

Что же касается искусственного восполнения запасов напорных вод на действующих водозаборах системой нагнетаний скважин, то в практике этот способ пока применяется редко. Научно-методические основы искусственного нагнетания в скважины хорошо разработаны в нефтяной гидрогеологии.