А. Е. Орадовская Н. Н. Лапшин санитарная охрана водозаборов подземных вод

Значение аутохтонных микроорганизмов в формировании каче­ства подземных вод различно и зависит от вида микроорганизмов, их количества и условий существования. Положительная деятель­ность аутохтонных микроорганизмов проявляется в том, что они способствуют биохимической деградации и обезвреживанию пропикающих в водоносные горизонты разнообразных органических и бактериальных загрязнений. Однако при большом поступлении органических веществ биологическая активность микроорганиз­мов настолько интенсифицируется, что приводит к изменению окислительно-восстановительных условий, состава и качества под­земных вод.

Главным агентом аэробной биохимической деградации органи­ческих загрязнений является кислород, находящийся в подземных водах в растворенном виде, а в зоне аэрации — в газообразном состоянии. Роль катализаторов биохимических реакций выполняют ферменты, выделяемые микроорганизмами. В ходе биохимической деградации сложные органические вещества последовательно трансформируются в более простые соединения — жирные кисло­ты, спирты, альдегиды, аммоний и др. На конечной стадии этот процесс может завершиться полной минерализацией с образова­нием нетоксичных веществ — воды, двуокиси углерода, нитратов, фосфатов, сульфатов.

К аэробным бактериям относятся, в частности, серобактерии и тионовые бактерии (окисляют сероводород, сульфиды и серу до серной кислоты), железобактерии (извлекают из воды железо и отлагают его в виде гидрогеля), нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак до нитритов и нитратов), бактерии-аммонифи-каторы (способствуют выделению аммиака из органических ве­ществ при их разложении).

Масштабы и глубина естественной биохимической очистки подземных вод зависят от состава и количества поступивших за­грязнений, а также от состава пород и подземных вод, водопро­ницаемости пород, скорости фильтрации и других элементов гид­рогеологической обстановки. В определенных условиях, например при массовом поступлении органических веществ и аллохтонных микроорганизмов, при большой скорости фильтрации в трещино­ватых и валунно-галечниковых породах и т. д. биохимическая очищающая деятельность автохтонных микроорганизмов имеет ограниченное значение и не может воспрепятствовать распростра­нению микробиологических и органических загрязнений в водо­носном горизонте.

При большом количестве поступивших в водоносный горизонт органических загрязнений дефицит кислорода, затраченного на аэробные превращения незначительной части органических ве­ществ, приводит к возникновению анаэробных условий и росту анаэробных бактерий (жизнедеятельность последних сопровожда­ется использованием не только растворенного кислорода, но и кис­лорода сульфатов и нитратов с появлением вследствие этого суль­фидов, сероводорода, газообразного азота, аммония и метана, ко­торые являются загрязнителями подземных вод). Избыточная ак­тивность автохтонных микроорганизмов в водоносном горизонте наблюдалась на участках сброса или складирования отходов пи­щевой промышленности, силоса, навоза, хозяйственно-бытовых сточных вод. В воде отмечены исчезновение растворенного кислорода, обогащение аммонием, сероводородом, сульфидами, желе­зом и ухудшение в целом качества подземных вод.

Автохтонные микроорганизмы иногда могут поступить в водо­носный горизонт непосредственно из поверхностных вод. Так, в скважины группы водозаборов, расположенных на берегу при­тока р. Дона и оказавшихся после создания на реке неглубокого водохранилища вблизи уреза воды, проникли споры хлороглеи — переходной формы от бактерий к водорослям, которые не задер­живались песчаной толщей даже на столь значительных путях фильтрации. Здесь же наблюдалось интенсивное развитие желе­зобактерий, связанное с повышением температуры подземных вод.

Размножение и отмирание хлороглеи и железобактерий в скважинах, водосборных емкостях и водоводах ухудшало каче­ство воды и вызывало необходимость его очистки для хозяйствен­но-питьевого использования.

Интенсивное развитие микроорганизмов в подземных водах наблюдалось авторами в районе водозаборов одного из развива­ющихся городов, хозяйственно-питьевое и техническое водоснаб­жение которого основано на использовании подземных вод аллю­виального водоносного горизонта, сложенного гравийно-галечно-ва-лунными отложениями с песчаным и супесчано-суглинистым заполнителем. Город расположен на коренном склоне долины и частично на той же высокой пойменной террасе, что и водозабо­ры подземных вод. С 1960-х по 1980-е гг. производительность групповых водозаборов возросла от 24 до 180 тыс. м³/сут, что связано с увеличением городского населения, интенсивным про­мышленным и городским строительством. Вместе с тем значитель­ная часть территории города еще занята жилой застройкой, где отсутствует канализационная сеть, поэтому увеличение водопо-требления привело к росту объема неочищенных хозяйственно-бы­товых сточных вод, инфильтрующихся в аллювий и поступающих в многочисленные мелкие притоки горной реки, проходящие по городу. В некоторых районах города отмечены утечки и переливы сточных вод из неисправных канализационных сетей. Утечки сточ­ных вод на промышленных площадках, в соответствии с харак­тером промышленного развития города (кожевенное производство, шерстомойная и камвольно-суконная фабрики, мыловаренный за­вод, мясоконсервный комбинат и т. д.), также приводят преиму­щественно к органическому загрязнению подземных вод.

На загрязненных участках водоносного горизонта в грунтах зоны аэрации, по данным исследования состава водных вытяжек, значения химического потребления кислорода (ХПК) достигают 68 мгО₂/дм³, аммоний-иона 1,6; железа 2,79 и фосфатов 3,2 мг/дм³, что указывает на сорбцию некоторой части загрязнений. Однако вследствие небольшой мощности зоны аэрации и малого содержа­ния в породах сорбирующей глинистой фракции барьерная роль зоны аэрации оказалась незначительной, так что загрязнения до­стигают поверхности грунтовых вод. Данные, приведенные в табл. 3, отражают значительные изменения химического состава первоначально чистых ультрапресных природных (подземных и поверхностных) вод, причем в нарушенных условиях величина некоторых компонентов и показателей превышает ПДК. Обога­щение подземных вод органическим материалом, азотом, фосфо­ром, железом, нефтепродуктами, фенолами способствовало на­столько интенсивному развитию микроорганизмов (табл. 4), что по составу и количеству последних на отдельных участках под­земные воды в районе водозаборов оказались близки к загрязнен­ным поверхностным водам.

Водным путем распространяются бактерии и вирусы Salmo­nella sp., Shigella sp., Vibrio cholera, Versinia enterocolitica, Lep-tospira sp., v. Pseudotuberculosis, Dyspepsia Coli, Francisella tu-larensis, enterotoxigenic. E. Coli, Pseudomonades, вирусы инфекци­онного гепатита, полиовирусы, аденовирусы и др. По данным К. Герба, К. Уоллиса и других исследователей, почти все случаи водных инфекций в США были вызваны загрязнением подземных вод сточными водами. Кишечные палочки Escherichia Coli, являющиеся представителями нормальной микрофлоры кишеч­ника человека используются как санитарно-показательные ми­кроорганизмы, характеризующие интенсивность фекального за­грязнения воды. В ряде стран в качестве такого организма, кроме кишечных палочек, служат и энтерококки, которые отличаются наибольшей устойчивостью и выживаемостью во внешней среде. Энтерококки, наряду с кишечными палочками, обитают в кишеч­нике человека и теплокровных животных и могут быть причиной поражений кишечника. Большая концентрация санитарно-показа-тельных микроорганизмов свидетельствует о загрязненности воды и возможности содержания в ней патогенных микробов и вирусов.

При санитарно-бактериологическом исследовании воды обяза­тельному учету подлежат Escherichia paracoli, имеющие большое эпидемиологическое значение.

При санитарной оценке качества подземных вод отсутствие в составе воды колиформных бактерий обычно считалось призна­ком отсутствия и патогенных. Однако в литературе описаны случаи нахождения в подземных водах энтеровирусов при отсутствии или количестве коли-форм менее двух в 100 мм (данные С. Герба). Согласно данным Г. Битона и др. [33], выживаемость энтеровиру-сов в подземных водах может характеризоваться большими сро­ками, чем выживаемость санитарно-показательных микроорганиз­мов. Это указывает на недостаточность распространенных стан­дартных методов определения бактериологической безопасности воды только по количеству кишечных палочек. Случаи бактери­ального загрязнения используемых в водоснабжении подземных вод многократно описаны в литературе.

При поступлении загрязненных бактериями и вирусами сточ­ных и поверхностных вод в почвы, породы зоны аэрации и водо­носный горизонт количество бактерий и вирусов, как правило, уменьшается — происходит «почвенная очистка воды». Интенсив­ность и механизм удаления микроорганизмов контролируются двумя главными факторами: 1) выживаемостью бактерий и вирусов в данных биологических, химических и термодинамических усло­виях зоны аэрации и водоносного горизонта; 2) физическими и физико-химическими процессами, определяющими перенос микро­организмов в подземных водах.

Таблица 4

** В единицах на кубический дециметр. *** В единицах на кубический сантиметр.

В благоприятных условиях при температуре 15°С выживае­мость патогенных бактерий и вирусов, по данным Г. Мэтчеса и А. Пекдегера, составляет для Escherichia Coli и Salmonella ty-phi более 100 сут, для Salmonella typhimurium — менее 230 сут, для Versinis sp. — менее 200 сут, а для Poliovirus — более 250 сут. По данным советских исследователей (Е. И. Моложавая и др.), выживаемость некоторых микроорганизмов в подземных водах до­стигает 400 сут (энтерококк, сальмонеллы паратифа В, фаг Esche­richia Coli).

При определении размеров зон санитарной охраны водозабо­ров в СССР в соответствии с рекомендациями [24] расчетное вре­мя выживаемости болезнетворных микроорганизмов принимается равным 100 — 400 сут в зависимости от климатических условий и степени связи подземных вод с источниками загрязнения.

Перенос микроорганизмов в подземных водах, кроме выжи­ваемости, контролируется еще и такими физическими и физико-хи­мическими факторами, как фильтрация, адсорбция и дисперсия.

При фильтрации перенос микроорганизмов может быть огра­ничен малым, по сравнению с размером микроорганизмов, разме­ром пор породы. Но поскольку диаметр бактерий (0,2 — 5 мкм) и вирусов (0,25 — 0,03 мкм) очень мал, то уже в крупнозернистых песках и тем более в гравии микроорганизмы могут свободно про­ходить через поры между частицами этих отложений и перено­ситься на значительные расстояния в соответствии со скоростью движения подземных вод, которая изменяется от долей до десят­ков и сотен метров в сутки.

По данным М. Хатчисона, в натурных условиях продвижение аллохтонных микроорганизмов наблюдалось в почвенном слое на 100 м, в песках и гравии на 75 м, а в трещиноватых мелах на рас­стояние более 1 км. Возможность дальнего переноса микроорга­низмов увеличивается в трещиноватых и закарстованных породах не только из-за большой скорости движения воды, но и из-за зна­чительного размера трещин.

Большое влияние на задержку движения микроорганизмов при фильтрации в пористой и трещиноватой средах может оказы­вать их адсорбция, приближенно описываемая изотермами сорб­ции Фрейндлиха или Лэнгмюра. Параметры, характеризующие соотношение между количеством микроорганизмов, адсорбированных и находящихся во взвешенном состоянии, зависят от состава пород и подземных вод и вида микроорганизмов. Однако, по дан­ным полевых опытов Г. Мэтчеса и А. Пекдегера, скорость продви­жения бактерий Escherichia Coli u Serratia marcescens в подзем­ных водах была близка средней скорости движения воды, т. е. адсорбция происходила в очень малой степени.

Снижение скорости движения вирусов в грунтах значительно больше (для полиовирусов — до 500 раз) и также зависит от свойств воды, грунтов и вирусов. Однако вирусы могут десорби-роваться и вновь перемещаться с потоком, С. Дюбуа, Б. Мур и Б. Сейджик отмечали, что это происходит, например, после интен­сивных дождей. Бактерии десорбируются в меньшей степени; они могут необратимо прикрепляться к поверхности частиц грунта и некоторое время жить в адсорбированном состоянии.

Хотя адсорбция вирусов происходит более интенсивно, чем ад­сорбция бактерий, имеются данные о том, что вирусы в песчаном водоносном горизонте распространялись на расстояние около 60 м от источника загрязнения (септика). Кроме этого, перенос виру­сов сильно зависит от минерализации воды и при опреснении под­земных вод, например после выпадения дождей, вирусы могут десорбироваться и вновь попадать в воду.

Некоторые экспериментальные данные по кинетике адсорбции микроорганизмов [21] позволяют охарактеризовать эти процессы математически в виде уравнения нелинейной кинетики, в котором учитываются число сорбированных организмов, их текущее содер­жание в воде, полная сорбционная емкость породы, в которой происходит фильтрация содержащей микроорганизмы воды, а так­же кинетический коэффициент. Это дает возможность использо­вать для прогноза миграции биологических загрязнений в потоке подземных вод дифференциальное уравнение переноса и его ре­шение, действительное для условий постоянной скорости фильтра­ции и входной концентрации микроорганизмов С_вх [3].

Параметры массопереноса микроорганизмов в подземных водах отличаются большой изменчивостью, так как зависят от вида и начального содержания микроорганизмов, литологического соста­ва и структуры пород водоносного горизонта, химического состава подземных вод и др. В трещиноватых и закарстованных породах роль адсорбции относительно невелика и «очистка» подземных вод происходит главным образом путем их разбавления и сниже­ния концентрации микроорганизмов.

Гидродинамическая дисперсия микроорганизмов в породах определяется не только коэффициентом диффузии и дисперсии, но и коэффициентом собственной активной мобильности бактерий М, причем со снижением температуры воды М уменьшается: по ла­бораторным данным для Escherichia Coli при t=20 °С М= =0,1 м/сут [44].

Существуют большие расхождения в данных о параметрах процессов дисперсии, адсорбции и отмирания микроорганизмов, что связано, в частности, с различной методикой экспериментов и их условиями, поэтому параметры модели переноса и выживаемо­сти микроорганизмов необходимо определять всякий раз для кон­кретных условий.

Оценка опасности биологического загрязнения подземных вод и водозаборов имеет большое значение не только для обоснова­ния размеров зон санитарной охраны, но и для выбора метода складирования отходов и участков размещения животноводческих ферм, свалок, полей фильтрации, полей орошения сточными вода­ми, при выяснении безопасных расстояний от источников бакте­риального загрязнения до водозаборов, при искусственном попол­нении запасов подземных вод поверхностными и сточными водами.

Наблюдающиеся тем не менее случаи увеличения минерали­зации и жесткости воды в водозаборах связаны с недостаточным учетом деталей природной гидрохимической обстановки или с нарушением заданного режима водоотбора.

Нередки также техногенные влияния, например утечки и филь­трация минерализованных промышленных и сточных вод с по­ступлением их в эксплуатируемый водоносный горизонт. Часто повышение минерализации подземных вод происходит вследствие выноса солей из почв оросительными водами. В таких районах высокую минерализацию имеет и вода в дренажных каналах, пе­рехватывающих подземные воды, что, в свою очередь, приводит к росту минерализации воды в реках, принимающих дренажные воды. Таким образом, непригодные для питьевых целей минерали­зованные воды отбирают не только водозаборные скважины, рас­положенные на орошаемых массивах или ниже по потоку, но и скважины, использующие приречные и приканальные линзы под­земных вод.

Широко известны также случаи внедрения (интрузии) соленых морских вод на побережьях в водоносный горизонт после сниже­ния в нем уровней вследствие интенсивного водоотбора.

Интрузия океанических вод в водоносный горизонт в районе г. Санта-Барбара (шт. Калифорния, США) описана П. Мартином в 1984 г. За период с июля 1978 г. по январь 1980 г. уровни под­земных вод понизились здесь более чем на 30 м вследствие увеличения отбора подземных вод городскими водозаборами. (Это увеличение отбора было частью исследований для определения экс­плуатационных запасов подземных вод.) Водоотбор, сконцентри­рованный в городе на расстоянии до 1,6 км от побережья, вызвал понижение уровня подземных вод ниже уровня океана, в связи с чем увеличились размеры интрузии соленых океанических вод и ухудшилось качество воды в прибрежных водозаборных скважи­нах: в четырех скважинах концентрация хлоридов превысила 1 г/дм³, а в остальных стала более 0,25 г/дм³. Ранее предпола­галось, что интрузия соленых вод может происходить только в неглубокой прилегающей к берегу части водоносного горизон­та, так как вследствие тектонических нарушений далее залегают слабопроницаемые породы. Гидрогеологические исследования, од­нако, показали, что океаническая вода внедрилась на большую глубину и за пределы прибрежного тектонического сброса, кото­рый, таким образом, не стал барьером для интрузии. Поэтому при дальнейшем намеченном программой увеличении водоотбора кон­тур деградации состава воды будет еще больше удаляться от бе­рега и по расчетам через 20 лет достигнет городских скважин. С целью управления и контроля за интрузией предусмотрены сни­жение производительности городских водозаборов, развитие водо­снабжения за счет использования поверхностных вод, искусствен­ное пополнение подземных вод через нагнетательные скважины, передислокация водозаборных скважин в удаленные от берега участки.

Г Л А В А 5.

МЕТОДЫ ПРОГНОЗА КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ВОДОЗАБОРАХ
Как отмечалось выше, в условиях длительной эксплуатации водозабора состав отбираемой воды иногда изменяется по срав­нению с составом, характерным непосредственно для участка рас­положения водозабора и изученным при разведке подземных вод. Причиной изменений может быть привлечение к водозабору во­ды другого состава из удаленных участков эксплуатируемого во­доносного горизонта, переток из выше- и нижележащих водонос­ных горизонтов, привлечение поверхностных вод (речных, морских, из промышленных бассейнов — накопителей сточных вод) и т. д. В результате в отбираемой водозабором воде могут появиться различные загрязняющие вещества.

Эти изменения следует учитывать при оценке эксплуатацион­ных запасов подземных вод, определяемых с учетом требования о сохранении качества отбираемых подземных вод в течение всего расчетного срока работы водозабора, а также при обосновании зон санитарной охраны водозабора. Надежность прогноза качест­ва подземных вод для условий эксплуатации водозабора, завися­щая от сложности гидрохимических условий района его расположения, правильности их систематизации при проведении прогноз­ных расчетов, полноты исходных параметров, является одним из критериев отнесения эксплуатационных запасов подземных вод по степени изученности к категориям А, В, С.

Прогноз качества подземных вод выполняется при оценке влия­ния на подземные воды объектов — потенциальных источников за- -грязнения, а также при обосновании и разработке проектов про­филактических, локализационных и восстановительных мероприя­тий, имеющих целью защиту подземных вод от загрязнения.

Прогноз качества подземных вод на водозаборах складывает­ся из оценки возможности подтягивания к водозабору некондици­онных по качеству вод, определения сроков их появления в водо­заборе и прогноза изменения во времени состава и качества отби­раемой воды.

Движение растворенных, взвешенных или эмульгированных ве­ществ в водоносных горизонтах в области активного водообмена контролируется в первую очередь теми же гидрогеологическими факторами, которые определяют фильтрацию подземных вод, — геологическим строением, структурой и свойствами водоносных горизонтов, условиями пополнения запасов подземных вод (ин­фильтрация атмосферных осадков, питание из водотоков и водо­емов, переток их соседних водоносных горизонтов), интенсивностью отбора воды из водоносного горизонта водозаборами, дренажами и т. д. Все это в целом определяет направления и скорости дви­жения подземных вод вместе с содержащимися в них веществами к естественным дренам и к водозабору.

Кроме фильтрационных факторов большое влияние оказывают физико-химические процессы трансформации веществ в подземных водах и их взаимодействие с вмещающими породами — ионный обмен, физическая и химическая сорбция, разложение, выпадение в осадок и растворение, радиоактивный распад, дисперсия и дру­гие процессы, приводящие к изменению скорости движения и кон­центрации мигрирующих в водоносном горизонте веществ.

При прогнозировании изменения качества воды в водозаборе должны быть учтены гидрогеологическая обстановка и гидрохи­мические условия района размещения водозабора, выявлены ис­точники питания подземных вод, установлены существующие и возможные источники загрязнения и их гидродинамическая актив­ность, т. е. влияние на уровни, скорости и расходы естественного потока подземных вод.

Теоретической основой прогноза качества подземных вод явля­ется теория массопереноса в фильтрующей среде, а применитель­но к гидрогеологическим задачам — теория миграции веществ в горных породах и в подземных водах, в которой в схематизиро­ванном виде учитываются некоторые гидрогеологические и физи­ко-химические факторы.

В теории миграции процессы массопереноса в подземных водах описываются физико-математическими моделями, разработанны­ми применительно к нескольким типам фильтрационного строения горных пород. Для фильтрационно-однородных пористых и трещи­новатых пород применяется модель конвективно-дисперсионного переноса, который развивается как движение веществ вместе с потоком подземных вод (конвекция) с сопутствующим рассея­нием этих веществ (дисперсия) на границе зон распространения воды различного состава. В этой модели, кроме того, возможен учет влияния проточных и застойных зон, сорбционных и других физико-химических процессов. Для фильтрационно-неоднородных толщ пород рассмотрены следующие модели: 1) слоистой толщи с конвективно-дисперсионным массопереносом вдоль отдельных слоев и с молекулярной диффузией между слоями; 2) квазиоднородной трещиновато-пористой породы с конвективно-дисперсион­ным переносом в трещинах и молекулярно-диффузионным в бло­ках; 3) неоднородной породы неупорядоченного строения, содер­жащей случайным образом распределенные линзы, пропластки и включения пород различной формы и проницаемости. В моделях неоднородных толщ также можно учитывать некоторые виды фи­зико-химического взаимодействия.

На формирование качества подземных вод, отбираемых дли­тельно работающим водозабором, влияют значительные площади водоносного горизонта, поэтому для решения поставленной за­дачи при рассмотрении неоднородности целесообразно выделять достаточно заметные по мощности и выдержанные по простира­нию высокопроницаемые, непроницаемые и слабопроницаемые слои, пласты или зоны.

Применение различных моделей массопереноса к задачам прог­ноза качества воды в водозаборах подземных вод в настоящее время ограничено недостаточной изученностью соответствия тех или иных моделей реальным условиям распространения веществ в подземной сфере и недостатком сведений о параметрах массо­переноса, которые специфичны для различных веществ и пород и условий их взаимодействия. Для определения параметров мас-сообмена необходимы специальные полевые эксперименты, мето­дика проведения которых и интерпретация результатов разрабо­таны также еще недостаточно. Обычно при прогнозах качества воды в водозаборах используется наиболее простая модель кон­вективного переноса, в которой учитывается только основной фактор миграции — перенос веществ с частицами воды при их одинаковой усредненной скорости движения. В этой схеме неслож­но учесть дисперсию и частный случай сорбции — равновесную сорбцию.

Прогноз составляется в два этапа. Вначале тем или иным ме­тодом проводят расчет плановой фильтрации (как правило, можно ограничиться рассмотрением стационарного режима) с по­строением гидродинамичной сетки движения подземных вод. При этом выделяют область питания водозабора (см. гл. 9) и пред­ставляющие интерес отдельные линии и полосы тока, например связывающие водозабор с контурами распространения неконди­ционных подземных вод, с участками расположения источников загрязнения и т. п.

Затем применительно к выделенным полосам тока проводят расчеты миграции вещества в одномерном потоке с учетом только горизонтальной скорости фильтрации. В некоторых случаях (зна­чительная роль инфильтрации загрязненных вод в водоносный го­ризонт с поверхности, вертикальная фильтрационная неоднород­ность, повышенная плотность инфильтрующихся вод и др.) для выделенных полос тока целесообразно изучать миграцию в про­фильно-двухмерном потоке с учетом различия горизонтальных и вертикальных составляющих скорости фильтрации; методика этих расчетов рассмотрена в работах О. Стрэка, В. М. Шестакова и Л. С. Рыбниковой.

Модель конвективного переноса веществ, или «поршневого» вытеснения воды одного состава водой другого состава, широко используется в СССР и за рубежом не только при прогнозе каче­ства воды в связи с оценкой эксплуатационных запасов подзем­ных вод, но и при разработке проектов технических мероприятий по защите подземных вод от загрязнения, а также для расчетов границ зон санитарной охраны водозаборов подземных вод (см. главы 9 и 10).

Для прогноза массопереноса в подземных водах применяют различные методы расчета — аналитические (для простых схем фильтрации и миграции), графоаналитические, а также аналого­вое и численное моделирование. Методика аналитических расче­тов, позволяющих для некоторых схематизированных условий и расчетных схем определить на основе модели конвективного пе­реноса время и дальность продвижения границы раздела чистых и загрязненных вод при работе водозабора, изложена в работах [1, 3 — 5,8, 9, 11, 12, 17,25,34 и др.]

При моделировании фильтрации и массопереноса на ЭЦВМ используются конечно- и вариационно-разностные численные ме­тоды, причем последние реализуются обычно в виде различных модификаций метода конечных элементов. На ЭЦВМ также обыч­но вначале моделируют фильтрационный поток, а затем по отдель­ным направлениям рассчитывают миграцию. Известны моделирую­щие системы, в которых модели фильтрационного течения и мас­сопереноса объединены [34, 36]. Примером успешного использования модели конвективного переноса веществ с целью прогноза качества воды в проектируемом водозаборе является исследование, выполненное для Шадринского водозабора в доли­не р. Исети [27]. Прогноз качества подземных вод оказался не­обходимым в связи с ожидаемым перетоком из выше- и нижеле­жащих водоносных горизонтов. Здесь из трех этажно расположен­ных и взаимосвязанных водоносных горизонтов (сверху вниз, четвертичный аллювиальный в песках, нижнеэоценовый в опоках, верхнемеловой в песках и песчаниках) для централизованного водоснабжения выбран средний, залегающий на глубине 30 — 40 м. Водоносные горизонты разделены слабопроницаемыми толщами — диатомитовой и аргиллитово-мергельной. Гидрохимические условия района характеризуются плановой и вертикальной неоднородно­стью водоносных горизонтов, связанной с разгрузкой подземных вод в пойменной части долины и влиянием региональных глубин­ных тектонических нарушений. Минерализация (в г/дм³) подзем­ных вод с глубиной увеличивается: в четвертичном горизонте она составляет в среднем 0,6 (местами более 1), в нижнеэоценовом опоковом 1,9 (в плане минерализация изменяется от 0,8 до 3,5, а в разрезе от кровли к подошве увеличивается в 1,5 — 3 раза), в верхнемеловом 6 — 8. В условиях работы проектируемого водо­забора, имеющего большую производительность, в опоковый горизонт будут привлечены подземные воды из аллювиального и верх­немелового водоносных горизонтов. Прогноз фильтрации в много­слойной толще и изменений химического состава подземных вод опокового горизонта при водоотборе выполнен на численной не­стационарной математической модели. По результатам моделиро­вания установлено, что через 25 лет основная часть (75%) водо-отбора будет формироваться за счет перетока из четвертичного аллювиального горизонта, а остальная часть (25%) — за счет при­влечения воды из удаленных участков опокового. Расчеты концен­трации солей в отбираемой воде, проведенные по схеме смешения вод различной минерализации, подходящих к водозабору по от­дельным полосам тока, показали, что в начальный период минера­лизация составит 1,61 г/дм³, через три года эксплуатации она увеличится до 1,68 г/дм³ (из-за привлечения более минерализо­ванных вод опокового горизонта с участков, приуроченных к дну долины), а затем, вследствие поступления пресных вод аллюви­ального горизонта, начнет снижаться и через 13 лет составит 1,5 г/дм³, а через 25 лет — 1,43 г/дм³.

Более сложная численная модель миграции, учитывающая фи­зико-химические процессы, применена Дж. Робертсоном при изу­чении распространения радиоактивных и химических отходов от ядерных реакторов в подземных водах. Фильтрационный поток был отражен на конечно-разностной модели; в модель массопере­носа включены конвективный перенос, двухмерная дисперсия, ра­диоактивный распад и обратимая равновесная сорбция по линей­ной изотерме.

Для изучения миграции стронция в численной модели, разра­ботанной К. Миллером и Л. Бенсоном [42], кроме конвективно-дисперсионного переноса отражены сорбция ионов и комплексов на твердой фазе, формирование комплексов в водной фазе, дис­социация. Уравнения, характеризующие взаимодействие веществ, их перенос и ионный обмен, выражены в дифференциальной и ал­гебраической формах и решаются совместно. Методика численного моделирования для изучения миграции в системе пресные воды — соленые воды при эксплуатации водозабором линз пресных вод, залегающих над минерализованными водами, предложена Я. и X. Рабинами [45].
Г Л А В А 6.

САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

К УСТРОЙСТВУ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В состав водозаборных сооружений входят: 1) водозахватные устройства, т. е. сооружения для отбора воды из водоносного го­ризонта — вертикальные скважины, шахтные колодцы, горизон­тальные линейные открытые или закрытые дрены, трубчатые дре­ны, горизонтальные скважины-лучи (лучевые водозаборы), капта­жи источников. В комбинированных водозаборах горизонтальные дрены, галереи, штольни и шахтные колодцы сочетаются с верти­кальными скважинами, вскрывающими напорный водоносный го­ризонт; 2) насосные станции первого подъема воды из водопри­емных устройств; 3) водоводы для сбора воды из водоприемных устройств и последующей подачи ее, если это необходимо, на со­оружения по подготовке и улучшению качества воды или сразу в резервуары для дальнейшей транспортировки к потребителям; 4) сооружения по подготовке и улучшению качества воды; 5) насос­ные станции второго и при необходимости третьего-четвертого подъемов (при сифонном способе отбора воды скважинами и шахтными колодцами насосные станции первого и второго подъ­емов совмещаются в одном здании); 6) магистральные водоводы для транспортировки воды потребителям; 7) сооружения, регули­рующие напор и расход воды, подаваемой в водопроводную сеть потребителя.

В состав сооружений горизонтального водозабора входят: а) одна или несколько линейных дрен, проложенных под уклоном к водосборному колодцу; б) смотровые колодцы над дренами; в) водосборный колодец и обычно совмещенная с ним насосная стан­ция.

Лучевой водозабор состоит из водонепроницаемого шахтного колодца; горизонтальных скважин-лучей, выведенных из колодцев в водоносный горизонт веерообразно в одной или двух горизон­тальных плоскостях; насосной станции, монтируемой в шахтном колодце.

Для перехвата естественных выходов подземных вод сооружа­ются каптажи — камеры или колодцы, работающие дном или стен­ками. Каптажи отдельных источников соединяются трубами, по которым вода самотеком поступает в сборный колодец (камеру), а из него также самотеком или с помощью насосов подается по­требителям. При пластовом выходе подземных вод их сбор осу­ществляется с помощью горизонтальной дрены.

При необходимости в состав сооружений горизонтальных и лу­чевых водозаборов, а также каптажей родников вводятся устрой­ства для обработки воды.

При искусственном пополнении запасов подземных вод в со­став водозабора входят: 1) сооружения для забора воды из источ­ника пополнения, в качестве которого используются поверхност­ные, шахтные, дренажные воды, очищенные сточные воды или под­земные воды другого водоносного горизонта; 2) насосная станция первого подъема для подачи воды из источника пополнения; 3) со­оружения предварительной подготовки «сырой» воды, используе­мой для пополнения; 4) инфильтрационные сооружения, через ко­торые подготовленная вода подается (инфильтруется) в водонос­ный горизонт, — открытые (бассейны, каналы, площадки, канавы, борозды, русла водотоков, естественные и искусственные пониже­ния рельефа) или закрытые (поглощающие буровые скважины, шурфы, колодцы, галереи, штольни); 5) водозахватные устройства (скважины, шахтные колодцы, лучевые или горизонтальные водозаборы); 6) сборные водоводы; 7) резервуары; 8) сооружения для обработки подземных вод (при необходимости); 9) резервуары чистой воды; 10) насосная станция второго подъема; 11) магист­ральные водоводы.

Выбор типа водозахватного сооружения определяется геологи­ческими и гидрогеологическими условиями, заданной производи­тельностью водозабора, а также величиной затрат на строитель­ство и эксплуатацию сооружений.

Наиболее распространенным типом водозахватных устройств являются водозаборные скважины, применяемые для отбора под­земных вод в различных гидрогеологических условиях с глубин от 10 до 1000 м, а также при залегании водоносного горизонта на глубине менее 10 м, если мощность горизонта не менее 5 м. Шахт­ные колодцы используются для отбора воды из напорных и без­напорных водоносных горизонтов, залегающих на глубинах до 50 м. Горизонтальные водозаборы с укладкой в открытой траншее трубчатой дрены или каменно-щебеночной призмы применяются в тех случаях,- когда подошва безнапорного водоносного горизонта залегает на небольшой (до 8 м) глубине; для получения подзем­ных вод с больших глубин используются водосборные галереи и штольни.

Лучевые водозаборы применяются для .получения воды из во­доносных горизонтов, сложенных песчано-галечниковыми безва­лунными отложениями мощностью 3 — 20 м и залегающих на глу­бине до 20 м от поверхности земли.

В санитарном отношении наиболее уязвимы водозаборные со­оружения, обычно отбирающие неглубокозалегающие подземные воды: шахтные колодцы, горизонтальные и лучевые водозаборы, каптажи родников, водозаборы в системе искусственного пополне­ния подземных вод.

При выборе типа водозахватного сооружения (скважины, лу­чевой или горизонтальный водозабор) и схемы расположения скважин (одиночные, группы скважин, линейный ряд, кольцевая или площадная система) учитываются гидрогеологическая эффек­тивность водозабора, оцениваемая оптимальными значениями по­нижений уровня подземных вод и расхода водозабора, технико-экономические показатели (протяженность и стоимость коммуни­каций, стоимость строительства водозабора, площадь и народнохозяйственное использование отводимых под водозабор земель), а также экологическое влияние отбора подземных вод на окружающую среду, например на лесные массивы, пастбища и т. д.

В зависимости от того, какую роль в питании эксплуатируемо­го водоносного горизонта играют поверхностные воды (река, озе­ро, водохранилище, море), выделяют водозаборы водораздель­ные, удаленные от поверхностного источника питания, и бере­говые (или инфильтрационные), размещаемые вблизи уреза ре­ки или водоема и получающие из них постоянное или периодичес­кое питание. Это разделение имеет и санитарное значение. Так, подземные воды, отбираемые береговыми водозаборами, часто испытывают неблагоприятное влияние загрязненных поверхностных вод. Характер и степень изменения качества определяются соста­вом речных вод, производительностью и размерами водозабора, расстоянием его от реки, а также гидрогеологическими фактора­ми — фильтрационной однородностью и водопроводимостью водо­носного горизонта, уклонами естественного (т. е. не нарушенного работой водозабора) потока подземных вод и др.

Ухудшение качества подземных вод, как отмечено выше, не­редко происходит вследствие случайного проникновения загряз­ненных атмосферных осадков, поверхностных или некондиционных вод неэксплуатируемого горизонта непосредственно в водозабор­ное сооружение — скважину, дрену. Для предупреждения этих явлений место расположения сооружения и конструкция водоза-хватных и других сооружений, входящих в состав водозабора, должны удовлетворять определенным санитарно-техническим тре­бованиям. Прежде всего, участок расположения скважин, дрен или других водозахватных сооружений должен находиться в бла­гоприятных санитарных условиях. Кроме того, необходимо выпол­нение специальных мероприятий по оборудованию скважин. Для предупреждения затопления устья скважины (шахты) грунтовыми или паводковыми водами устраиваются асфальтированные откосы от стен сооружений и водоотводные каналы. Конструкция оголов­ка скважины должна быть герметична, чтобы не допустить про­никновения в межтрубное и затрубное пространство поверхностной воды и загрязнений. Верхняя часть выведенных на поверхность зем­ли колонн должна возвышаться не менее чем на 0,5 м. При вы­воде устья скважины в шахту на дне последней устраивается приямок с уклоном к нему пола для откачки просочившейся воды. Металлическая крышка должна защищать шахту от атмосферных осадков; вокруг устья скважины и на дне шахты устраивается глиняный «замок».

Изоляция эксплуатируемого водоносного горизонта от выше- и нижележащих горизонтов осуществляется с помощью цементации межтрубного и затрубного пространства, а также тампонажа сты­ков обсадных труб. Первый от поверхности неиспользуемый водо­носный горизонт перекрывается двумя колоннами обсадных труб или одной колонной с затрубной цементацией. Скважины для питьевого водоснабжения, как правило, оборудуются металличес­кими трубами; использование труб из полимерных материалов или специальных покрытый для металлических труб возможно только с разрешения Министерства здравоохранения СССР. Об­садная труба в верхней части скважины, находящаяся под воздей­ствием грунтовых вод, должна быть коррозионно-устойчивой, что, в частности, может быть достигнуто цементацией затрубного про­странства под давлением с выдавливанием цемента от башмака до устья скважины.

Извлечение из скважины промежуточных колонн обсадных труб допускается только в случае, если это не вызовет соединения эксплуатационного и смежных водоносных горизонтов. При вырезке колонны труб срез колонны должен не менее чем на 5 м превышать башмак предыдущей колонны, а кольцевой зазор сле­дует заделывать цементным раствором или сальником. Фильтр скважины должен быть устойчив к химической коррозии и эрози­онному воздействию воды. Материал для обсыпки фильтров не­обходимо отбирать из незагрязненного карьера и затем следить, чтобы его состав не ухудшился при транспортировке и хранении; в некоторых случаях целесообразно промыть материал обсыпки на поверхности земли. Перед засыпкой материал дезинфицируют. При бурении скважин с промывкой забоя водой и применении глинистого раствора вода и глина также должны быть чистыми. После окончания бурения скважины, установки фильтра и стро­ительной откачки, выполняющейся до полного осветления воды в скважине, отбирают пробы воды для химических и бактериологи­ческих анализов. Повторная откачка воды из скважины на сброс выполняется после монтажа насоса. В случае интенсивного бак­териального загрязнения откачиваемой воды проводят дезинфек­цию скважины и насоса раствором активного хлора 50 — 100 мг/дм³. В случаях, когда для подъема воды используется зр-лифт, подаваемый в скважину воздух следует очистить от приме­сей смазочных материалов; он не должен быть загрязнен дымом, газами, пылью. При ремонте скважины опускаемое в скважину водоподъемное оборудование должно быть очищено от грязи и смазочного масла, а затем промыто раствором хлорной извести. После каждого ремонта проводится откачка воды на сброс, а при плохих бактериологических анализах — хлорирование скважины.

На горизонтальных водозаборах вокруг смотровых и водо­сборных колодцев устраивают глиняный замок, чтобы исключить проникновение загрязненных поверхностных вод. Колодцы обору­дуются крышками и вентиляцией.

Разведочные и неиспользуемые наблюдательные скважины дол­жны быть затампонированы, чтобы предотвратить поступление за­грязненных подземных вод из других горизонтов по стволу сква­жины, по межтрубному или затрубному пространствам. При там­понаже скважин выполняются следующие операции: очистка сква­жины от заиления и обрастаний стенок; промывка скважины и отбор пробы воды на химический и бактериологический анализы; дезинфекция скважины раствором хлорной извести; засыпка ра­бочей части скважины фильтрующим материалом (песок, гравий, щебень), предварительно промытым и продезинфицированным; заливка цементным раствором через заливочную трубу; перфора­ция скважины на участке залегания грунтовых вод; заливка ство­ла скважины цементным раствором под избыточным давлением для заполнения раствором затрубного и межтрубного пространст­ва через перфорированную часть скважины; устройство шурфа вокруг скважины на глубину 1,5 — 2 м; срез обсадных труб на 0,5 м ниже поверхности земли, заливка шурфа раствором цемента.

При использовании шахтных колодцев к основным санитарно-техническим мероприятиям относятся предохранение прилегающей территории от загрязнения, отвод от колодца ливневых вод, на­дежное крепление шахты колодца, устройство глиняного «замка» вокруг устья колодца и применение, механического способа водо­подъема. По отношению к существующим и возможным источни­кам загрязнения колодец необходимо располагать выше по тече­нию грунтового потока и выше по рельефу. Нельзя размещать шахтные колодцы на участках, заливаемых ливневыми и талыми водами или заболоченных. При бактериальном загрязнении ко­лодца можно применить хлорирование воды с помощью дозиру­ющего патрона.

Санитарно-технические требования предъявляются и к другим сооружениям водозабора. Так, резервуары для хранения запаса воды должны иметь непроницаемые стенки и дно, для чего при­меняются глиняные «замки», торкретирование, изоляция асфаль­том и др.; поверхностные воды отводятся от резервуаров с помо­щью нагорных канав. Люки резервуаров и шахт герметически за­крывают плотными металлическими крышками; на краях люков делают отливы из цементного раствора. Во избежание вторичного загрязнения воды в системе водоразводящих сетей должна быть обеспечена герметичность соединений труб. Водопроводные линии с водой питьевого качества укладывают, как правило, выше линий бытовой и производственной канализации. Проектирование и ук­ладку водопроводных линий проводят после санитарной оценки трассы; водопроводные линии испытывают под давлением воды на герметичность и прочность, промывают, дезинфицируют раствором хлорной извести или газообразного хлора. При подготовке, тран­спортировке и хранении воды, используемой для хозяйственно-питьевых нужд, следует применять реагенты, внутренние антикор­розионные покрытия, а также фильтрующие материалы, соответ­ствующие требованиям Министерства здравоохранения СССР.
Г Л А В А 7.

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ОБРАБОТКОЙ ИХ В ВОДОНОСНОМ ГОРИЗОНТЕ
Мероприятия по улучшению качества подземных вод проводят­ся в случаях, когда оно по некоторым показателям не удовлетво­ряет требованиям потребителя. Наиболее простым способом улуч­шения качества является смешение воды из различных водозабо­ров или отдельных скважин на водозаборе, среди которых имеются водозаборы или скважины с более или менее чистой водой. Вода смешивается в резервуарах, находящихся непосредственно на во­дозаборе или на водопроводной станции.

При этом учитываются расходы воды из отдельных скважин и водозаборов, показатели состава и качества воды и по формуле смешения определяется ожидаемый состав смешанных вод. В не­которых случаях для доказательства эффективности смешения может потребоваться проведение предварительных лабораторных опытов.

При отсутствии источников водоснабжения с чистыми водами или малой их производительности смешение становится невозмож­ным и тогда необходимо проводить специальную обработку воды.

Наиболее часто применяемыми видами улучшения качества подземных вод являются обеззараживание и обезжелезивание; в отдельных случаях может также потребоваться снижение содер­жания марганца, кремниевой кислоты и растворенных газов, сни­жение концентрации или, наоборот, добавление фтора; умягчение; уменьшение солесодержания; удаление привкусов и запахов и др. Традиционные методы улучшения качества подземных и поверх­ностных вод связана с обработкой воды на очистных сооружениях. В последнее время развиваются новые методы очистки, при ко­торых обработка воды и улучшение ее качества осуществляются непосредственно в водоносном горизонте. Это сулит значительные экономические выгоды, так как отпадает необходимость в строи­тельстве и эксплуатации дорогостоящих очистных сооружений.

Способ очистки подземных вод от железа и марганца непо­средственно в водоносном горизонте был разработан в 1969 г. в Финляндии. По этому способу, получившему широкое развитие в Швеции, а затем и в других странах под названием метода Вире-доке, удаление железа и марганца из подземных вод производится на пути фильтрации к водозаборной скважине. Для этого вокруг эксплуатационной водозаборной скважины на расстоянии от 5 до 100 м от нее по окружности устраиваются пять — восемь аэрацион-ных скважин. Часть воды (10 — 40%), отбираемой из эксплуатаци­онной скважины, дегазируется для освобождения от метана и сероводорода, обогащается кислородом и затем с помощью воздуш­но-водяных эжекторов периодически подается в аэрационные сква­жины. Таким образом, в водоносном пласте вокруг эксплуатацион­ной скважины создается обогащенная кислородом зона, условия в которой благоприятны для интенсификации жизнедеятельности железобактерий и марганцевых бактерий, осаждения труднораст­воримых соединений железа и марганца и их адсорбции на зернах грунта. В результате в водозаборную скважину некоторое время поступает вода с пониженным содержанием железа и марганца. При последующем увеличении содержания этих веществ в отка­чиваемой воде обработку аэрационных скважин повторяют.

Для повышения степени подземной очистки воды от железа и разработаны новые способы, находящиеся в стадии эксперимен­тального опробования и внедрения на отдельных водозаборах.

Математическая модель процесса обезжелезивания в водонос­ном горизонте и технологический регламент на проектирование ус­тановок обезжелезивания (при содержании в воде железа до 3 мг/дм³) с попутным удалением марганца и сероводорода раз­работаны во ВНИИ ВОДГЕО (Г. М. Коммунар). При этом пре­дусмотрена возможность использования установок трех типов: циклических, циркуляционных и многоскважинных.

В установке циклического типа в одной и той же скважине периодически производятся зарядка и откачка. При зарядке в при-скважиныую зону подается кислород путем закачки аэрированной воды; на этой стадии процесса содержащееся в воде железо окис­ляется адсорбированным кислородом и осаждается в породе. На стадии откачки из скважины отбирается обезжелезенная вода.

В установках циркуляционного типа фильтр водозаборной скважины с помощью герметических перегородок (пакеров) раз­деляется на отдельные секции, что обеспечивает возможность од­новременной закачки аэрированной воды, например через верх­нюю секцию фильтра, и откачки очищенной воды через нижнюю секцию.

Многоскважинная установка в принципе аналогична системе «Виредокс» и может включать от одной до нескольких аэрацион-ных скважин. При необходимости дополнительной обработки во­ды реагентами к описанным установкам на стадии зарядки можно подключить дозаторы реагентов.

Опыт эксплуатации установок обезжелезивания воды в водо­носном горизонте на водозаборах ряда городов (Рига, Брест и др.) свидетельствует об их высокой эффективности.

По мнению ряда исследователей (В. Бреник, И. Радченко,, И. Хаускрехта), можно использовать метод подземной очистки с по­дачей в водоносный горизонт кислорода или кислородсодержащих веществ для удаления из воды (кроме железа и марганца) тяже­лых металлов и аммония, а также для снижения углекислотной агрессивности воды. При этом из воды могут быть удалены растворенные углеводороды и другие органические вещества, по­явившиеся в водоносном горизонте в результате загрязнения воды. Для улучшения качества подземных вод, загрязненных раство­ренными нефтепродуктами, Г. Нагель и В. Кюн в 1982 г. предло­жили способ подземной очистки с использованием озонирования. Восстановление качества подземных вод, загрязненных нефтепро­дуктами, осуществляется с помощью этого метода с 1980 г. на водозаборе в г. Карлсруэ (ФРГ). Нефтепродукты появились здесь, в четырех скважинах, дающих в сумме 17 тыс. м³/сут воды и рас­положенных в 400 м от железнодорожных путей, на которых про­исходили утечки нефти при заполнении цистерн. Поскольку очист­ка воды в поверхностных очистных сооружениях, например на ак­тивированном угле, экономически невыгодна, было принято ре­шение о создании подземной водяной завесы, отделяющей водоза­борные скважины от зоны загрязнения. Для этого между очагом загрязнения и водозаборными скважинами на расстоянии 45 — 75м пробурили пять нагнетательных инфильтрационных скважин, в каждую из которых подается 2 — 3 тыс. м³/сут воды, предваритель­но обработанной озоном в больших реакторах-бассейнах. Воду для обработки отбирают из защищаемой скважины и добавляют в нее озон в количестве 1 г на 1 г органических примесей в воде (в пересчете на углерод). Обработанная в реакторе вода содержит 0,1 — 0,2 мг/дм³ озона. В результате нагнетания, озонированной воды в водозаборные скважины концентрация нефтепродуктов в воде снизилась с 3 — 5 до 1 — 1,5 мг/дм³, увеличилось содержание кислорода с 1 — 3 до 7 — 8 мг/дм³, наблюдалось также снижение концентрации тяжелых металлов и улучшение бактериологических показателей качества воды.

При водоподготовке на специальных поверхностных очистных сооружениях для улучшения состава и качества питьевых вод при­меняются химические (реагентные, ионного обмена, адсорбцион­ные), физические (дегазация, вымораживание, дистилляция, тер­мическая обработка), электрохимические и комбинированные ме­тоды.