Хозяйственно-питьевое водоснабжение

Р.С. Штенгелов

Одна из критически важных основ жизнедеятельности человека, особенно для городских поселений.

Три составные части проблемы водообеспечения населения (водоснабжения):

1) планирование водопотребления и управление водными ресурсами - водное хозяйство (параллельно студенты слушают курс"Водное хозяйство")

2) изыскание и оценка обеспеченных источников водоснабжения - гидрогеологи (подземные воды), гидрологи (поверхностные воды)

3) техническое обеспечение работы водозаборных сооружений и водоразборной сети - коммунальное хозяйство.

Мировой опыт водоснабжения: подземные воды преобладают в структуре водообеспечения (50-75%, до 100%) практически во всех европейских странах (включая Прибалтику, Украину и Белоруссию), в США, Китае (более 1 млрд. человек !), в странах аридной зоны (Тунис, Йемен, Саудовская Аравия и др).

Россия: подземные воды - около 15 млн. куб.м/сут (~ 45%).

К настоящему времени в России разведано около 4000 месторождений подземных вод с потенциальными эксплуатационными возможностями 90 млн.куб.м/сут, т.е. в среднем по стране примерно 0.6 куб.м/сут на 1 человека. Реально эксплуатируется 1500 месторождений с общим водоотбором около 20% от разведанной величины. Преобладают мелкие месторождения - порядка 5 тыс.куб.м/сут.

Доля подземных вод в водоснабжении городских поселений - около 35-40%; для сельских населенных пунктов - около 85%. При этом - чем крупнее город, тем, как правило, меньше доля использования подземных вод: для крупных городов (более 100 тыс.) она составляет уже только около 29%, а в наиболее крупных городах (с населением более 250 тыс.чел) в половине случаев используются только поверхностные воды (Москва, С.-Петербург, Н.-Новгород, Екатеринбург, Омск, Ростов н/Дону, Владивосток ...).

Такая ситуация свойственна для большинства крупных городов мира и объясняется вполне прозаическими экономическими причинами. Для получения необходимого объема подземных вод питьевого качества (для водообеспечения большого города - несколько миллионов куб.м в сутки) требуется задействовать целую группу крупных месторождений на значительных площадях. Они должны быть достаточно удалены от городской территории, чтобы возможно было организовать эффективную санитарную охрану водозаборных сооружений. Создание протяженных (десятки километров) магистральных водоводов большого сечения для перегона добываемой воды в город требует огромных капитальных и эксплуатационных затрат; немаловажными в таких случаях становятся и вопросы землеотвода под такие крупные линейные инженерные сооружения.

Для примера - Москва: потребление около 5 млн.куб.м/сут. 98% за счет поверхностных вод. В будущем предполагается постепенный перевод водоснабжения на подземные источники - разведаны 4 группы месторождений (в основном, в черте Московской области) на удалении порядка 100 км каждая.

Почему же в большинстве стран мира отдают явное ПРЕДПОЧТЕНИЕ ПОДЗЕМНЫМ ВОДАМ в деле организации водоснабжения ?

существенно более высокая защищенность от естественных и техногенных загрязнений (хотя и далеко не абсолютная - сейчас около 30-40% действующих подземных водозаборов обнаруживают признаки техногенного загрязнения),

более высокая зарегулированность внутригодового и многолетнего режима стока,

Совсем свежая иллюстрация: лето-осень 2003 г. Циклоны старательно обходят стороной Приморье; в крае - засуха. Уровни в поверхностных водохранилищах на 6-7 м ниже ординара, подача воды в систему водоснабжения краевого центра (г.Владивосток) критически сокращена. Население круглосуточно стоит в очередях ... к родникам, которые продолжают нормально функционировать.

Подземные воды - мощнейшая естественная буферная система !

технологическая устойчивость системы эксплуатационного отбора подземных вод независимо от времен года, что немаловажно для большинства климатических провинций с суровой зимой, значительно осложняющей работу водозаборов из поверхностных водоисточников,

возможность магазинирования ("заготовки впрок") с помощью компактных систем искусственного пополнения запасов - более экономичных, простых в эксплуатации и экологически "безобидных" по сравнению с поверхностными водохранилищами; при этом - естественное улучшение качества воды при фильтрации через водовмещающие породы.

ЗАПАСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОГРАНИЧЕНЫ.

Хотя в объеме гидросферы Земли подземные воды составляют около 45% (а поверхностные - только 0.1%), но по стоку картина не в их пользу.

Интересный показатель для стоковых объектов - срок возобновления воды, т.е. время, необходимое для перемещения воды от области формирования потока до области его разгрузки. Для поверхностных водотоков в среднем по земному шару срок возобновления воды составляет 16 суток, а для потоков подземных вод - 1.5 тысячи лет ! Конечно, можно сомневаться в корректности последней цифры (неясно, о каком интервале гидрогеологического разреза идет речь), тем не менее сравнение весьма показательное.

Ограниченность количества подземных вод требует особого внимания к их эксплуатации и охране, чтобы предотвратить истощение и загрязнение. В России основной официальный защитный механизм: лицензирование отбора подземных вод в пределах величины эксплуатационных запасов, которые специально рассчитываются для каждого водозабора и утверждаются, т.е. учитываются государством в водохозяйственном балансе регионов.

Отсюда вытекает одна из важнейших проблем прикладной гидрогеологии: ОЦЕНКА (ПОДСЧЕТ) ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД. Это одно из наиболее развитых направлений приложения труда специалистов-гидрогеологов. Пожалуй, можно смело говорить о существовании крупного самостоятельного раздела прикладной гидрогеологии - разведочной гидрогеологии. Для территории Советского Союза (ныне России, стран СНГ и Прибалтики) накоплен огромный опыт оценки эксплуатационных запасов (далее ЭЗ) подземных вод в различных геолого-структурных и физико-географических условиях их формирования. Существует обширная научная и методическая литература, разработаны и совершенствуются нормативные документы, регламентирующие постановку работ по оценке и учету эксплуатационных запасов подземных вод. Все эти документы практикующий гидрогеолог должен знать и изучать по мере их модернизации. Однако, в нашем учебном курсе мы будем лишь обозначать основные организационные принципы постановки работ, сосредотачиваясь, главным образом, на природных балансово-гидрогеодинамических закономерностях формирования ЭЗ и на существующих методах их оценки.

Постановка задач оценки ЭЗ подземных вод

Следует различать две основные формы выполнения работ по оценке ЭЗ.

Региональная оценка - необходимо подсчитать потенциальный максимум водоотбора для некоторой заданной территории (гидрогеологической структуры, промышленного или административного региона и т.п.). Такие работы выполняются не часто; их заказчиком обычно выступают федеральные или региональные органы генерального планирования развития территорий. При подсчете размещение водозаборов по площади может быть принято в различных вариантах:

а) система водоотбора определена заказчиком и включает, как правило, большинство фактически существующих водозаборов плюс некоторое количество перспективных, в соответствии с планами развития оцениваемой территории;

б) по результатам работ должна быть рекомендована некая оптимальная (в технико-экономическом и водохозяйственном отношении) система водоотбора, наиболее эффективно реализующая эксплуатационные возможности территории;

в) конкретная система водоотбора не определена и он принимается рассредоточенным по всей оцениваемой площади. Предполагается, что в такой постановке оценивается абсолютный максимум эксплуатационных возможностей территории, однако ценность такого подсчета весьма сомнительна в силу нереальности инженерного воплощения подобной системы водоотбора. Такую постановку можно рассматривать как вспомогательную (начальное приближение) при решении задачи по варианту б).

Локальные оценки - в этом случае исходной, заданной величиной является требуемый дебит водозабора (заявленная потребность); в качестве заказчика чаще всего выступает местная, территориальная администрация или конкретная водопотребляющая организация.

Далее подрядчик (гидрогеологическая организация, имеющая лицензию на выполнение соответствующих работ) предпринимает специальный комплекс полевых и камеральных работ <ПОИСКОВО-РАЗВЕДОЧНЫЕ РАБОТЫ> (ПРР) для получения достаточного объема необходимой информации, на основе которой и производится подсчет эксплуатационных запасов.

Что такое <эксплуатационные запасы> ?

Сам термин заимствован у твердых (рудных и нерудных) полезных ископаемых, однако существует принципиальная разница: для твердых ископаемых запасы измеряются объемом или весом полезного компонента; для подземных вод мерой эксплуатационных запасов является дебит, т.е. постоянное во времени количество воды, извлекаемое водозабором. Размерность ЭЗ - куб.м/сут.

Классическое определение:

ЭЗ - ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ (ДЕБИТ) РАЦИОНАЛЬНОГО В ГЕОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОМ ОТНОШЕНИИ ВОДОЗАБОРА ПРИ УСЛОВИИ СОБЛЮДЕНИЯ ЗАДАННЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ ПО РЕЖИМУ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ.

Суть ограничений, предъявляемых к режиму эксплуатации водозаборов, мы подробно рассмотрим позднее, а сейчас важно подчеркнуть, что в результате выполнения ПРР исполнитель-гидрогеолог должен определить:

количество скважин

точки их расположения

их конструкцию (положение фильтров, диаметры)

размер "охранной" зоны

при этом должно быть доказано (с экспертизой и защитой), что:

именно это количество скважин

данной конструкции

расположенных в данном месте

в течение заданного времени

будет давать требуемую постоянную производительность QЭ (это и есть ЭЗ), причем

- понижения уровней нигде не превысят критических значений

- вода по показателям качества будет отвечать назначению (хозяйственно-питьевое использование)

- влияние водоотбора на природную среду будет "терпимым" (согласованным с органами надзора).

В ходе ПРР оцениваются также условия строительства и эксплуатации водозабора как инженерного сооружения, решаются вопросы землепользования, проведения оздоровительных мероприятий в зоне санитарной охраны и т.п. Всю эту сложную работу, требующую комплексного участия специалистов самого разнообразного профиля, организует гидрогеолог, поскольку конечная цель исследований, несомненно, гидрогеологическая - оценка эксплуатационных запасов подземных вод.

Основной принцип организации ПРР - стадийность

Идея стадийной организации работ очевидна - последовательное приближение к "истине". Результаты работ на каждой стадии анализируются и обсуждаются, после чего составляется проект работ на следующую стадию, учитывающий выявленные геолого-гидрогеологические особенности. Названия, количество стадий периодически пересматриваются, но логика постановки исследований, последовательностей целей не меняется.

Важным начальным этапом изучения территорий является РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА их потенциальных эксплуатационных возможностей (т.н. прогнозных ресурсов пресных подземных вод). Эта достаточно трудоемкая и затратная работа чрезвычайно полезна с точки зрения рационального управления использованием подземных вод. Конечно, по логике такой работой должно начинаться освоение перспективного, но малоизученного региона; фактически же такие работы чаще всего проводятся для интенсивно освоенных регионов, уже на фоне активно развитой системы многолетней эксплуатации подземных вод. Целями проведения региональной оценки (переоценки) прогнозных ресурсов являются:

а) выявление региональной неоднородности потенциальных возможностей использования подземных вод,

б) для малоизученных регионов - предварительная оценка абсолютных величин прогнозных ресурсов подземных вод, а для освоенных районов с действующими водозаборами - сопоставление потенциальных возможностей с фактическими величинами водоотбора, выявление "дефицитных" и "профицитных" площадей с целью упорядочения и оптимизации существующего и перспективного использования подземных вод.

Одна из последних работ такого назначения - региональная переоценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод центральной части Московского артезианского бассейна по состоянию на 2002 г. Переоценка выполнена, в основном, для каменноугольных водоносных горизонтов на площади около 60 тыс. кв.км; общее количество учтенных эксплуатационных скважин на территории Московской области и города Москвы составило почти 9000.

При ЛОКАЛЬНЫХ ОЦЕНКАХ принята такая последовательность стадийного изучения:

ПОИСКИ: чаще всего по фондовым материалам; в случае значительной заявленной потребности в малоизученных районах могут быть предприняты полевые работы регионального характера (напр., среднемасштабная гидрогеологическая съемка).

Цели ПРР на этой стадии:

- обоснование выбора основного водоносного горизонта (т.е. достаточного по своим свойствам для удовлетворения заявленной потребности, по возможности неглубоко залегающего, но при этом защищенного от поверхностных загрязнений),

- обосновать выбор перспективного района, т.е. такой площади в пределах области распространения основного водоносного горизонта, где наиболее вероятно могут быть выявлены месторождения подземных вод, достаточные для удовлетворения заявленной потребности,

- предварительно оконтурить одно из таких месторождений как "первоочередное".

Понятие "месторождение" для пресных подземных вод почти лишено абсолютного смысла, поскольку они распространены практически повсеместно. Оно используется довольно произвольно - главным образом, в учетных целях, для географической привязки участков оценки или эксплуатации подземных вод. Поэтому можно упрощенно определить месторождение подземных вод (далее МПВ) как участок, в пределах которого по совокупности ряда причин предлагается построить (или уже построен) водозабор. Объективности ради надо отметить, что большинство этих причин имеет "гидрогеологический характер": более высокие фильтрационные свойства водовмещающих пород по сравнению с окружающими площадями, оптимальное положение по отношению к гидрогеодинамическим границам, оптимально близкое положение по отношению к водопотребителю, наиболее благоприятные условия для сохранения качества воды при длительной работе водозабора и т.д.

ОЦЕНКА: на этой стадии работ, как правило, предпринимается некоторый комплекс полевых работ, целью которого является получение необходимых параметрических характеристик для ориентировочного (обычно балансового) подсчета - достаточно ли предварительно выявленного в результате поисков месторождения для удовлетворения заявленной потребности или следует расширить область поисков для выявления дополнительных участков (или самостоятельных месторождений).

РАЗВЕДКА: основная (по смыслу и по материальным и интеллектуальным затратам) стадия ПРР. В ее рамках реализуется самый широкий комплекс полевых гидрогеологических исследований в сответствии с особенностями гидрогеологического строения разведуемого МПВ. Цели работ на этой стадии:

- уточнение контура месторождения (точнее, площади, в пределах которой действуют, по мнению исполнителя, основные балансообразующие механизмы, обеспечивающие дебит будущего водозабора),

- получение достаточного комплекса гидрогеодинамических параметров, обеспечивающего адекватную балансовую, фильтрационную и миграционную схематизацию площади месторождения,

- обоснование выбора "водозаборного участка" (это локальная площадь "внутри" месторождения, где наиболее выгодно расположить водозахватные устройства),

- детальное изучение площади "водозаборного участка" для обоснования количества, конструкции и схемы размещения водозахватных устройств,

- окончательный подсчет ЭЗ, т.е. выполнение системы расчетов, обосновывающих возможность получения заявленной производительности с помощью предлагаемой схемы и конструкции водозабора (при соблюдении заданных ограничений по режиму эксплуатации).

Далее отчет о ПРР проходит процедуру защиты (с экспертизой на территориальном или федеральном уровне); протокол утверждения подсчета эксплуатационных запасов является основанием для выполнения проектирования водозаборного сооружения, его строительства и передачи в эксплуатацию.

Эксплуатация водозаборного сооружения в течение расчетного срока рассматривается в организационном смысле как очередная стадия разведочных работ - ОСВОЕНИЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ (эксплуатационная разведка). Методически работы на этой стадии заключаются в осуществлении многолетних наблюдений на специально организованной системе мониторинга действующего МПВ; целью исследований является пересчет ЭЗ (т.е. оптимизация системы водоотбора) на основе опыта эксплуатации водозаборного сооружения.

Надо понимать, что изложенная логическая схема стадийной организации ПРР (примерно так она закреплена и в действующих инструктивных документах) является в определенной мере идеальной и в полном виде выполняется редко. Для большинства регионов отсутствуют пригодные к практическому использованию данные региональных оценок; огромное количество действующих водозаборов работают "на неутвержденных запасах", т.е. не имеют должного гидрогеодинамического и гидрогеохимического обоснования. Следует также иметь в виду, что по мере появления новых данных (в первую очередь - параметрических) на любой стадии работ гидрогеолог постоянно должен выполнять комплекс доступных расчетов, позволяющих корректировать содержание и направленность текущих исследований.

Вернемся теперь к общей постановке задачи оценки эксплуатационных запасов подземных вод. По определению, к эксплуатационным запасам может быть отнесено только то количество воды, при отборе которого выполняется ряд исходных условий (ограничений). Эти условия таковы:

- водозаборное сооружение должно быть рациональным в геологическом и технико-экономическом отношении;

- понижение уровней подземных вод в водозаборных скважинах не должно превышать допустимой величины;

- водозабор должен рассчитываться на определенный срок непрерывной работы;

- качество воды (с учетом возможной водоподготовки) в течение всего срока работы водозабора должно отвечать нормативам для хозяйственно-питьевого водоснабжения;

- экологические последствия водоотбора должны быть минимальными (точнее, допустимыми, приемлемыми).

Рассмотрим подробнее смысл и содержание этих условий.

Из курса "Инженерные сооружения" студентам уже известны основные типы водозаборов подземных вод и их принципиальное устройство. В нашем курсе всегда будем предполагать, что водозабор устроен из вертикальных скважин с насосным водоподъемом (эта система технологически наиболее разработана и широко применяется во всем мире). Необходимыми элементами схемы такого водозабора (рис.1.1) являются: а) собственно водозаборные скважины (станции I подъема), б) сборный водовод в пределах водозаборного участка, в) сооружения водоподготовки и регулирования подачи воды, г) магистральный водовод к объекту водоснабжения (со станциями II, III ... подъемов для поддержания энергии потока).

Рис.1

РАЦИОНАЛЬНЫЙ ВОДОЗАБОР предполагает минимум затрат:

- Капитальные затраты (стоимость сооружения) - в основном, определяются длиной магистрального водовода (от водозабора до объекта водоснабжения); в меньшей степени - количеством скважин, их глубиной и конструкцией.

- Эксплуатационные затраты (стоимость эксплуатации) включают:

1) энергозатраты на I подъем, поэтому важно количество скважин и глубина динамического (пониженного) уровня;

2) затраты на водоподготовку, зависящие от суммарного дебита и необходимых технологий водоподготовки;

3) энергозатраты на перегон воды по магистральному водоводу (II, III ... подъемы), зависят от длины водовода, рельефа по его трассе и суммарного дебита.

Видно, что рациональный водозабор должен быть расположен как можно ближе к водопотребителю и содержать минимальное количество эксплуатационных скважин.

Минимизация количества скважин достигается за счет максимальной нагрузки на каждую из них. От чего зависит возможный дебит скважин? Например, при квазистационарном режиме в неограниченном изолированном пласте

т.е. максимальный дебит достигается при расположении скважины в области с наиболее высокой проводимостью пласта и, напротив, низкими величинами уровне(пьезо)проводности  (т.е. при высокой водоотдаче). Кроме того, имеет значение и радиус фильтра скважины , поэтому в практике строительства водозаборных скважин применяют различные методы увеличения проницаемости прифильтровой зоны - простреливание, торпедирование, гидроразрыв, соляно-кислотная обработка и т.п., чтобы увеличить расчетный радиус .

Наконец, важно, чтобы строение гидрогеологического разреза позволяло при необходимости создавать достаточные понижения уровня в водозаборных скважинах. Однако, величина возможного понижения уровня имеет определенные ограничения.

ДОПУСТИМОЕ ПОНИЖЕНИЕ УРОВНЯ В ВОДОЗАБОРЕ. Ограничение величины понижения уровня в водозаборных скважинах преследует две цели:

- Во-первых, при эксплуатации грунтовых водоносных горизонтов происходит уменьшение их мощности и, следовательно, уменьшение проводимости горизонта. Чтобы не допустить прогрессирующего, "обвального" перепонижения уровней, рекомендуется сохранять в зоне водозаборной скважины не менее 30-50% начальной проводимости.

- Во-вторых, в водозаборной скважине всегда должен оставаться столб воды, достаточный для размещения насоса и отстойника (обычно 3-10 м).

Для безнапорных горизонтов принимают расчетную величину допустимого понижения порядка , где - начальная, ненарушенная мощность потока в зоне эксплуатационных скважин (рис.1.2, а). Однако, такой подход допустим только для однородных по вертикали горизонтов, когда кумулята проводимости имеет вид прямой линии (рис.1.2, б). Более вероятно, что водоносные пласты имеют неоднородное (и достаточно контрастное) строение по вертикали - слоистость в рыхлых четвертичных отложениях, карстовые коллекторы и др. В таких случаях величина допустимого понижения должна обосновываться на основе разведанной формы кумуляты проводимости - из условия, чтобы остаточная проводимость пласта в зоне скважины составляла не менее (0.3 ÷ 0.5) (рис.1.3 а,б).

Рис. 2. Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в однородном по вертикали безнапорном пласте

Рис. 3. Допустимое понижение уровня (a) и форма кумуляты проводимости (б) в неоднородном по вертикали безнапорном пласте

Рис. 4. Допустимое понижение уровня для межпластовых водоносных горизонтов

 Для напорных горизонтов гарантированной является величина допустимого понижения до кровли пласта (не вызывающая изменения проводимости эксплуатируемого пласта); если же эта величина недостаточна, то допускается переход к безнапорному режиму с использованием еще (0.5 ÷ 0.7) (рис. 1.4).

РАСЧЕТНЫЙ СРОК ЭКСПЛУАТАЦИИ - это время, в течение которого водозабор должен работать непрерывно с дебитом. Обычно (если не оговорено иное) используют так называемый амортизационный срок (27.4 года, что соответствует "круглой" расчетной величине 10 000 суток). Однако, могут быть заданы и особые варианты: временные водозаборы (например, строительные - 3÷5 лет), периодические водозаборы (оросительные - 3÷ 4 месяца в году; пиковые с внутригодовой, внутринедельной и даже внутрисуточной периодичностью).

Если при разведке доказана возможность стационарного режима фильтрации при эксплуатации, то такой водозабор может работать неограниченно долго.

СОХРАНЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ в пределах действующих нормативов в течение всего расчетного срока - вполне понятное требование, не требующее комментариев. Его содержание будем рассматривать подробнее позже.

Наконец, особенно в последние годы, пристальное внимание уделяется ограничениям по ВОЗДЕЙСТВИЮ ВОДООТБОРА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ. Формы и масштабы этого воздействия различны в разных условиях; назовем, например:

- нарушения геомеханического характера (просадка земной поверхности, возникновение суффозии, активизация карста),

- нарушение влажностного режима приповерхностных слоев земной коры (иссушение сельхозземель, развитие ветровой эрозии, "пыльные бури"),

- нарушение общего водного баланса территорий, особенно в районах массированного водоотбора (уменьшение водности рек, осушение озер, болот),

- сопутствующие изменения ландшафтов (растительные и животные сообщества),

- переформирование криогенной обстановки в районах развития многолетней мерзлоты

- и т.п.

Таким образом, собственно гидрогеологическое содержание проблемы оценки ЭЗ подземных вод может быть сведено к необходимости количественного обеспечения трех прогнозных положений:

1) обоснование связи между дебитом водозабора и понижениями уровней в нем;

2) обоснование тенденции изменения показателей качества извлекаемой воды за расчетный срок;

3) обоснование возможных изменений условий взаимосвязи эксплуатируемого водоносного горизонта со смежными элементами окружающей сре