ГЛАВА 9. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГРАНИЦ

Защита водозабора в пределах ЗСО реализуется в первую оче­редь с помощью системы ограничений и запрещений некоторых ви­дов хозяйственной деятельности и использования территорий; при необходимости проводятся технические мероприятия — вынос су­ществующих зданий и коммуникаций, устройство канализации, очистных сооружений, специальных противофильтрационных экра­нов и т. д. На застроенных территориях создание ЗСО может ока­заться дорогостоящим или даже нереальным. Вопрос о возможно­сти организации ЗСО на том или ином участке рассматривается уже при проведении разведки подземных вод. Основным является требование, чтобы на данной территории до строительства водоза­бора источники загрязнения на поверхности и очаги загрязнения непосредственно в водоносном горизонте отсутствовали. Вместе с тем нередки случаи, когда те или иные небольшие источники и очаги загрязнения на рассматриваемой территории имеются; в этом случае обязательным условием создания ЗСО является воз­можность полной ликвидации источников загрязнения до введе­ния водозабора в эксплуатацию. Эти меры могут не потребовать­ся, если объект загрязнения невелик, удален от водозабора, коли­чество и концентрация загрязнителей невелики, а их влияние на качество подземных вод как в современных условиях, так и при эксплуатации водозабора может быть оценено как незначитель­ное. Для обоснования такого вывода следует определить возможное время t прихода загрязнений к водозабору и прогнозную кон­центрацию С_в загрязняющих веществ в водозаборе в сопоставле­нии с нормативными концентрациями этих веществ в питьевой во­де. Для простых схем фильтрационных потоков приближенные значения t и С_в могут быть получены аналитическими расчетами с использованием модели конвективного переноса и учетом смеше­ния воды, поступающей к водозабору из различных участков водо­носного горизонта или из разных источников питания. Если из­вестны параметры равновесной сорбции загрязняющего вещества, то можно учесть и эффект торможения, т. е. уменьшение скорости движения веществ в водоносном горизонте вследствие сорбции [1, 5, 8, 30 и др.].

При внутренних источниках загрязнения, находящихся непо­средственно в изолированном (приток воды сверху или снизу от­сутствует) водоносном горизонте, расчеты могут быть выполнены по приведенным ниже зависимостям [1, 3, И, 12, 25].

1. В: одномерном плоскопараллельном потоке подземных вод время движения загрязнений по полосе тока на участке длиной l определяется по зависимости t=mnl/g, где m — мощность водо­носного горизонта; n — активная пористость; g — удельный расход, потока подземных вод.

Концентрация загрязняющего компонента С_в в конце расчетно­го участка l равна концентрации в начале участка (предполагает­ся, что в изолированном водоносном горизонте в начале участка загрязнением охвачена вся мощность горизонта и далее на пути фильтрации смещения с водами другого состава не происходит). Если одновременно с фильтрацией происходит равновесная сорб­ция загрязняющего вещества, то t=Amnl/g, где А — коэффици­ент, учитывающий влияние сорбции; A= (l+|З)/|З (здесь {3 — ко­эффициент распределения сорбирующегося вещества между водой и породой). При известных значениях |З аналогичный сомножи­тель А вводится в последующие формулы для расчета t.

2. При работе линейного берегового (инфильтрационного) во­дозабора, когда общая минерализация воды или концентрации компонента в речной воде С_Р и в подземных водах на берегу Сб отличаются друг от друга, результирующая концентрация на ли­нии водозабора С_в составляет: С_в= (Q_pC_p+Q_бC_б) / (Q_p+Q_e), где Q_p и Q_б — расходы, поступающие в водозабор со стороны реки и берега: Q_p=Lkm(H_p — H_B)/x₀; Q₆=Lkm(H_K — H_B)/(x_K — x_Q), где L — длина линейного водозабора; km — водопроводимость водо­носного горизонта; H_В и H_р — уровни воды в водозаборе и в реке; x₀ — расстояние от водозабора до реки; Н_к — естественный уровень подземных вод на берегу на расстоянии х_к от водозабора.

Если подземные воды на берегу частично загрязнены, то для расчета С_в применяют выражение С_в= [Q_PC_P-J- (1 — г))(2_бСбН-+ Qn_бС₃] /(Qp+Q_б), где n — доля загрязненных вод в расходе есте­ственного потока, привлекаемого линейным водозабором со сторо­ны берега; С₃ — концентрация компонента в подземных водах на загрязненном участке. 6 — 5383 81

3. При работе одиночного или группового водозабора в удале--нии от реки при отсутствии или малом расходе естественного по­тока (т. е. когда фильтрация подземных вод вызвана преимущест­венно действием водозабора), время движения загрязнений к во­дозабору от участка, находящегося на расстоянии Гф, составляет ..t=[nmn(r_ф² — r₀²)]/Q_B, где Q_B — расход водозабора; г₀ — радиус водозабора.

Концентрация загрязняющего компонента в -водозаборе опре­деляется по формуле смешения: С_в= (C₄Q₄-i-C₃Q₃)/Q_B; Q=Q₄-{-+Q₃, где С_ч и С₃ — концентрации загрязняющего компонента в чи­стых и загрязненных подземных водах; Q₄ и Q₃ — расходы воды, .поступающей к водозабору с чистого и загрязненного участков. Значения Q₄ и Q₃ определяются аналитическим или графоаналити­ческим методами с учетом размера очага загрязнения и гидрогео­логических параметров водоносного горизонта.

При наличии «внешнего» источника загрязнения, находящегося в смежном по разрезу водоносном горизонте, в результате перето­ка воды из него в эксплуатируемый водоносный горизонт в водо­заборе может появиться загрязняющий компонент в концентра­ции С_в. Для определения концентрации загрязнителя используются приведенные ниже зависимости.

1. Если эксплуатируемый напорный водоносный горизонт, со­держащий подземные воды хорошего качества, получает питание из вышележащего загрязненного покровного безнапорного гори­зонта и атмосферных осадков (двуслойный пласт), то в одиночном или групповом водозаборе концентрацию загрязняющего компо­нента Св можно рассчитать по выражению

где С_п и С_н — концентрации загрязняющего компонента в питаю­щем верхнем безнапорном и нижнем напорном эксплуатируемом горизонтах; м_п и м_н* — водоотдача верхнего и нижнего слоев; Q = = Q_В/(4пmna**); n — активная пористость нижнего водоносного горизонта; а**=km/м**; km — водопроводимость эксплуатируемо­го напорного горизонта; м**=м_п+м_н*; Ei( — z) — интегральная показательная функция; z=Q+r₀²/(4a**t); Q_B — расход водоза­бора.

2. При использовании подземных вод слоистой водоносной тол­щи, в которой напорные водоносные горизонты в хорошо прони­цаемых отложениях гидравлически связаны друг с другом через слабопроницаемые слои, в результате перетекания воды из загряз­ненного смежного по разрезу питающего слоя через слабопрони­цаемый слой в водозаборе при достижении максимального расхо­да перетока концентрация загрязняющего компонента в водоза­боре составит:

где С_э — концентрация загрязняющего компонента в эксплуатируемом водоносном горизонте; (km}₃ и (km)_n — водопроводимо-сти эксплуатируемого и питающего горизонтов соответственно.

Для сложных фильтрационных потоков в неоднородных и мно­гослойных водоносных толщах при сложных граничных условиях и в других случаях для оценки влияния загрязнений на качества подземных вод используются графоаналитические и численные ме­тоды, а также моделирование.

Размеры ЗСО должны быть такими, чтобы источники загряз­нения, которые могут появиться в районе водозабора, были уда­лены за границы ЗСО на расстояния, при которых длительность движения к водозабору поступивших в водоносный горизонт за­грязнений будет не менее заданной. Для водозаборов, где запасы подземных вод позволяют неограниченную длительность эксплуа­тации водозабора, водоносный горизонт должен быть защищен от любого вида загрязнений также на неограниченный срок.

Правильное определение границ ЗСО и назначение санитарно-оздоровительных и защитных мероприятий в их пределах имеют большое народнохозяйственное и социальное значение, поскольку занижение площади ЗСО может вызвать опасность загрязнения водозабора, а завышение — приводит к исключению из хозяйст­венного использования ценных земель, что может привести к эко­номическому ущербу.

В состав зоны санитарной охраны входят три пояса: пояс стро­гого режима, два пояса режима ограничений.

Границы ЗСО и составляющих ее поясов устанавливают при­менительно к конкретной производительности и схеме водозабора с учетом развития системы водоснабжения на перспективу; кроме того, учитывают гидрогеологические, гидрохимические и местные санитарные условия, а также особенности характера загрязняю­щих веществ. При изменении производительности, схемы водоза­бора и других условий его эксплуатации границы ЗСО должны быть пересмотрены.

Первый пояс ЗСО создается для устранения возможности слу­чайного или умышленного загрязнения водозаборного или водо­проводного сооружения. В этот пояс входит территория располо­жения водозабора, площадок всех водопроводных сооружений и, при искусственном пополнении запасов подземных вод, водоподво-дящего канала и инфильтрационных сооружений. Граница пояса устанавливается на расстоянии не менее 30 м от водозабора при использовании защищенных подземных вод и на расстоянии не менее 50 м при использовании недостаточно защищенных подзем­ных вод. Если водозабор состоит из группы близко расположен­ных скважин, шахтных колодцев или родников, первый пояс ЗСО устраивается общим для них, причем его граница должна нахо­диться на расстоянии не менее 30 или 50 м соответственно от крайних скважин, шахтных колодцев или родников.

Если скважины или колодцы удалены друг от друга или не­желателен отвод большой территории под первый пояс ЗСО, допустимо создание для каждой скважины или шахтного колодца отдельного пояса.

Для водозаборов, расположенных в благоприятных гидрогеоло­гических и санитарно-технических условиях, в том числе для нахо­дящихся на территории объекта, исключающего возможность за­грязнения почвы и подземных вод, границу этого пояса по согла­сованию с местными органами санитарно-эпидемиологической службы можно приблизить к водозабору на расстояние до 15 и 25 м соответственно. При искусственном пополнении запасов под­земных вод граница первого пояса должна устанавливаться на расстоянии не менее 50 м от инфильтрационных сооружений за­крытого типа (скважины, шахтные колодцы) и не менее 100 м от сооружений открытого типа (бассейны, каналы и др.).

Для береговых (инфильтрационных) водозаборов подземных вод в границы рассматриваемого пояса необходимо включить тер­риторию между водозабором и поверхностным водотоком, если расстояние между ними менее 150 м. Для подрусловых водозабо­ров ЗСО следует предусматривать так же, как для поверхностных источников водоснабжения.

Второй пояс ЗСО предназначен для защиты водоносного гори­зонта одновременно от микробных и химических загрязнений, по­скольку он расположен внутри третьего пояса, назначением кото­рого является защита от химических загрязнений.

Основным параметром, определяющим расстояние от грани­цы второго пояса ЗСО до водозабора, является расчетное время t_м продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору. Это время должно быть достаточным для утраты патогенными микроорганизмами жизнеспособности и вирулентно­сти (способности к неблагоприятному воздействию на организм человека), т. е. для эффективного самоочищения загрязненных вод при движении в водоносном пласте. При этом адсорбция микро­организмов, способствующая самоочищению, как правило, не учи­тывается (в связи с малой изученностью параметров этого процес­са), что приводит к завышению размеров, т. е. запасу при опре­делении границ пояса. Если по соображениям хозяйственного ис­пользования земель необходимо уменьшить размеры второго поя­са ЗСО, то можно учесть и адсорбцию микроорганизмов, однако для этого параметры адсорбции должны быть определены экспе­риментально на породах и в условиях, соответствующих участку расположения водозабора.

Граница второго пояса ЗСО определяется гидродинамическими расчетами с помощью аналитических, графоаналитических и чис­ленных методов расчета, а также моделирования фильтрации. При этом исходят из условий, что если за ее пределами через зо­ну аэрации или непосредственно в водоносный горизонт поступят микробные загрязнители, то они не достигнут водозабора. Реко­мендации по выбору расчетного времени Т_м приведены в табл. 6 с учетом интенсивности поступления загрязнений в водоносный горизонт из поверхностных вод открытых водоемов и климатиче­ского фактора, влияющего на выживаемость микроорганизмов.

При определении положения границ пояса, как правило, счи­тается, что химические вещества, которые могут поступить в во­доносный пласт, стабильны, т. е. не изменяют свой состав и кон­центрацию в результате физико-химического взаимодействия с подземными водами и породами. Эта условность, дающая запас в расчетах размеров ЗСО, является вынужденной из-за недоста­точной изученности названных процессов и соответствующих па­раметров. При необходимости уменьшения размеров пояса учет трансформации химических веществ в водоносном горизонте до­пустим только в случае, если эти процессы резко выражены и их закономерности достаточно изучены в экспериментах.

При высокой степени естественной защищенности водоносного горизонта и в некоторых других случаях размеры второго и треть­его поясов ЗСО могут быть уменьшены или эти пояса могут быть объединены при условии, что качество подземных вод от этого не ухудшится. Для уменьшения размеров или объединения этих поя­сов требуется соответствующее гидрогеологическое обоснование и при необходимости проектируются специальные защитные меро­приятия.

Если при расчете границ ЗСО берегового (инфильтрационно-го) водозабора, имеющего тесную гидравлическую связь с рекой или водоемом, оказывается, что в пределы первого или второго и третьего поясов ЗCO входит участок реки или водоема, то и для^: реки (водоема) необходимо устанавливать все три пояса ЗСО, размеры которых определяются как для источника водоснабже­ния из поверхностных вод. ЗСО по реке или водоему устанавли­ваются также в случае, если эти поверхностные воды использу­ются для искусственного пополнения запасов подземных вод.

В соответствии с положением о зонах санитарной охраны [24] границы поясов для поверхностных водоисточников устанав­ливаются в направлениях вверх и вниз по течению, а также в глубь берега (боковые) следующим образом. Граница первого пояса для рек и каналов вверх и вниз по течению, т. е. вдоль во­дотока (или водоема), устанавливается на расстоянии соответст­венно не менее 200 м и 100 м от крайних скважин берегового во­дозабора.

От реки в глубь берега, на котором находится водозабор, гра­ница первого пояса ЗСО проходит на расстоянии не менее 100 м от уреза воды при летне-осенней межени. По противоположному берегу при ширине реки или канала менее 100 м в первый пояс включается вся акватория и полоса суши шириной 50 м от уреза воды при летне-осенней межени, а при ширине реки или канала более 100 м — полоса акватории шириной не менее 100 м. Для водохранилищ и озер граница пояса устанавливается по аквато­рии во всех направлениях шириной не менее 100 м.

Границы второго пояса ЗСО вверх по течению вдоль проточно­го водотока и его боковых притоков определяются с учетом вре­мени движения воды до водозабора, необходимого для ее микроб­ного самоочищения, что, в свою очередь, зависит от скорости те­чения и климатических условий. Скорость течения принимается усредненной по ширине и длине водотока. Время продвижения воды от границы второго пояса до водозабора при расходе воды в проточном водотоке, соответствующем 95%-ной обеспеченности, должно быть не менее 5 сут для климатических районов IA, Б, В₅ Г и ПА и не менее 3 сут для 1Д, ПБ, В и Г, а также для III и IV. Вниз по течению граница второго пояса должна находиться на расстоянии не менее 250 м от водозабора. При подпоре или влия­нии обратных ветровых течений это расстояние должно быть уточ­нено в зависимости от гидрологических и метеорологических усло­вий. На судоходных реках и каналах в границы пояса входит акватория, прилегающая к водозабору в пределах фарватера.

На непроточных водоемах граница второго пояса ЗСО по ак­ватории должна быть удалена во все стороны от водозабора на 3 км при количестве ветров в сторону водозабора до 10% или на 5 км при количестве ветров в сторону водозабора более 10%.

Боковые границы второго пояса ЗСО водотоков и водоемов, включая притоки, определяются шириной береговой полосы, кото­рая при отсчете от уреза воды в период летне-осенней межени должна составлять не менее 500 м при равнинном рельфе местно­сти и 750 — 1000 м при гористом (для пологого и крутого склонов соответственно). 86

Границы третьего пояса ЗСО вверх и вниз по течению совпа­дают с границами второго пояса, а боковые границы — с линией водораздела в пределах 3 — 5 км, включая притоки реки.

Если положение границ второго и третьего поясов ЗСО на бе­регах в районе водозабора подземных вод, установленное по при­веденным выше указаниям как для поверхностных источников во­доснабжения, не совпадает с положением, определенным по гид­родинамическим расчетам (см. гл. 10), то следует выбрать поло­жение, при котором границы удалены от водозабора на большее расстояние.

Рекомендации о размерах ЗСО и мероприятиях в этой зоне водозабора подземных вод даются гидрогеологической организа­цией по результатам разведки и оценки эксплуатационных запа­сов подземных вод. Проект ЗСО разрабатывается одновременно с составлением проекта хозяйственно-питьевого водоснабжения и входит в его состав. ЗСО проектируют с использованием материа­лов гидрогеологических, гидрологических, санитарных изысканий и в соответствии с «Положением о порядке проектирования и экс­плуатации зон санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов хозяйственно-питьевого водоснабжения», утверж­денным Главным государственным санитарным врачом СССР 18 декабря 1982 г. Для действующих водозаборов, не имеющих установленной ЗСО, проект ЗСО разрабатывается специально.

Проект ЗСО и план санитарных и защитных мероприятий должны быть согласованы с исполкомом местного Совета народ­ных депутатов, с органами санитарно-эпидемиологической служ­бы, по регулированию использования и охраны вод, коммунально­го хозяйства, системы Министерства геологии, а также с други­ми заинтересованными министерствами и ведомствами и утверж­дены в порядке, предусмотренном положением о зонах санитарной охраны [24].
ВОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА ТЕРРИТОРИИ

ЗОН САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ ВОДОЗАБОРОВ
Санитарно-оздоровительные и защитные мероприятия, целью которых является устранение и предупреждение возможности за­грязнения подземных вод, планируются отдельно для каждого по­яса ЗСО При этом следует учитывать назначение каждого из них, а также степень естественной защищенности водоносного гори­зонта от загрязнения с поверхности. Мероприятия по обеспече­нию установленного режима на территории поясов ЗСО должны проводиться в течение всего периода эксплуатации водозабора, а единовременные меры (например, снос некоторых строений, устройство ограды и др.) осуществляются до строительства водо­забора.

Можно выделить следующие водоохранные мероприятия, про­водимые в ЗСО: общие подлежащие выполнению во всех трех поясах; дополнительные, только по первому и второму поясам и до­полнительные, только по первому поясу.

К общим мероприятиям относятся: 1) выявление и ликвида­ция (или восстановление) всех бездействующих, старых, дефект­ных или неправильно эксплуатируемых скважин, представляющих опасность в отношении возможности загрязнения водоносного го­ризонта; 2) регулирование бурения новых скважин и любого но­вого строительства при обязательном согласовании с местными органами санитарно-эпидемиологической службы, геологического контроля и по регулированию использования и охране вод; 3) за­прещение закачки отработанных вод в подземные горизонты, под­земного складирования твердых отходов и разработки недр зем­ли, которая может привести к загрязнению водоносного горизон­та; 4) своевременное выполнение необходимых мероприятий по санитарной охране поверхностных водотоков и водоемов, имею­щих непосредственную гидравлическую связь с используемым во­доносным горизонтом; 5) запрещение размещения накопителей промышленных стоков, шламохранилищ, складов горюче-смазоч­ных материалов, ядохимикатов и минеральных удобрений, а так­же других объектов, представляющих опасность химического за­грязнения подземных вод. К ним следует отнести крупные живот­новодческие объекты и птицефабрики, являющиеся источниками стойкого нитратного загрязнения. Размещение таких объектов до­пускается в пределах третьего пояса ЗСО только при использо­вании защищенных подземных вод, а также при условии проведе­ния специальных мероприятий по защите водоносного горизонта от загрязнения и по согласованию с перечисленными выше орга­низациями санитарного, геологического и водного контроля.

На территории третьего пояса устанавливается строгий сани­тарный надзор за использованием пестицидов и биологических средств борьбы с вредителями и болезнями растений, не допуска­ется также применение высокотоксичных, стойких в почве и ку­мулятивных веществ.

Во втором и третьем поясах, кроме мероприятий, общих для всех поясов и перечисленных выше, необходимо проводить сле­дующие дополнительные мероприятия:

1) запрещается размещение кладбищ, скотомогильников, полей ассенизации и фильтрации, земледельческих полей орошения, со­оружений подземной фильтрации, навозохранилищ, силосных траншей, животноводческих и птицеводческих предприятий, а так­же других сельскохозяйственных объектов, обусловливающих опасность микробного загрязнения подземных вод; запрещаются также применение удобрений и ядохимикатов и промышленная рубка леса; 2) санитарное благоустройство территории населен­ных пунктов и других объектов (создание канализационной сети, устройство водонепроницаемых выгребов и др.)-

По первому поясу ЗСО дополнительно к перечисленным меро­приятиям предусматриваются следующие: 1) территория пояса должна быть спланирована для отвода поверхностного стока за ее пределы, озеленена, огорожена и обеспечена постоянной охра­нной; 2) запрещаются все виды строительства, не имеющие непо­средственного отношения к эксплуатации, реконструкции и рас­ширению водозабора и водопроводных сооружений, в том числе .жилых и хозяйственных зданий, прокладка трубопроводов различ­ного назначения, проживание людей (в том числе работающих на водопроводе), а также применение ядохимикатов и удобрений; 3) здания должны быть канализованы с отведением сточных вод в систему канализации или на местные очистные сооружения, расположенные за пределами первого пояса с учетом санитарного режима на территории второго пояса ЗСО. В исключительных случаях, при отсутствии канализации, устраиваются водонепро­ницаемые приемники для бытовых отходов и нечистот; 4) преду­сматривается строгое выполнение санитарно-технических требо­ваний к конструкции водозаборных и наблюдательных скважин; .5) водозаборные скважины должны быть оборудованы аппарату­рой для систематического контроля соответствия фактического дебита при эксплуатации производительности, предусмотренной при проектировании водозабора и обосновании границ ЗСО.

Состав указанных выже основных и дополнительных санитар-но-оздоровительных и защитных мероприятий на территории ЗСО при соответствующем обосновании может быть уточнен и расширен применительно к конкретным гидрогеологическим условиям с уче­том современного и перспективного народнохозяйственного ис­пользования территории в районе ЗСО.

На реках и водоемах, входящих в ЗСО водозаборов подземных вод, предусматриваются следующие водоохранные мероприятия. По первому поясу ЗСО:1) акватория должна ограждаться ба­кенами (буями) и другими предупредительными знаками; 2) за­прещается спуск любых сточных вод, а также купание, стирка белья, водопой скота и другие виды водопользования, оказываю­щие влияние на качество воды. По второму и третьему поясам: 1) запрещается отведение в реки и водоемы сточных вод, не отве­чающих требованиям правил охраны поверхностных водоемов от загрязнения сточными водами; 2) выявляются объекты, загряз- -няющие водоем, с составлением планов осуществления водо­охранных мероприятий и определением сроков их выполнения; 3) регулируется и ограничивается отведение территории для но­вого строительства жилых, промышленных и сельскохозяйствен­ных объектов, создание и эксплуатация которых связаны с повы­шением степени опасности загрязнения сточными водами поверх­ностных вод.

По второму поясу ЗСО, кроме указанных мероприятии, преду­сматривается также следующее:

1) запрещается расположение объектов, обусловливающих опасность химического (накопители промышленных стоков, шла-мохранилища, склады горюче-смазочных материалов, ядохимика­тов и минеральных удобрений и др.) и микробного (поля ассени­зации и фильтрации, земледельческие поля орошения, кладбища, скотомогильники, навозохранилища, животноводческие и птице­водческие предприятия и др.) загрязнений подземных вод, при­менение удобрений и ядохимикатов, промышленная рубка леса, добыча из водоема песка и проведение дноуглубительных работ, создание пастбищ в прибрежной полосе шириной не менее 300 м; 2) санитарное благоустройство территории населенных пунктов и других объектов (создание канализационной системы, устройство водонепроницаемых выгребов); 3) выполнение мероприятий по предупреждению загрязнений, вносимых водным транспортом; 4) обеспечивается специальный режим испольаования поверхност­ных вод для купания, туризма, водного спорта, рыбной ловли и т. д.

Из изложенного выше видно, что в некоторых природных и хо­зяйственных условиях для создания ЗСО водозаборов подземных вод и проведения соответствующих водоохранных мероприятий могут потребоваться значительные финансовые затраты, что долж­но быть определено и учтено проектной организацией при разра­ботке технико-экономического обоснования выбора подземных вод в качестве источника водоснабжения.

При выяснении эффективности водоохранных мероприятий в ЗСО нельзя ограничиваться наблюдениями за составом воды только в водозаборных скважинах; необходим, особенно для круп­ных водозаборов подземных вод, гидрогеологический контроль на всей площади ЗСО, что позволит своевременно принять допол­нительные меры для сохранения качества воды в водозаборе.

Вопросы методики гидрогеологических исследований в связи с контролем за охраной подземных вод рассмотрены в работах [3, 7, 10, 15, 18, 22]. Следует отметить, что гидрогеологические наблюдения нужны и за пределами ЗСО, так как расчетные раз­меры ЗСО являются в известной мере приближенными; послед­нее обстоятельство связано с необходимостью схематизации при­родных условий при расчетах и с использованием усредненных значений гидрогеологических параметров, оценок интенсивности источника загрязнения, количества и состава загрязнений и т. п. Хотя, с одной стороны, при расчетах границ ЗСО физико-химиче­ские трансформации веществ в подземных водах обычно не учи­тываются и это приводит к завышению размеров ЗСО, с другой стороны, при изысканиях могут быть не выявлены в водоносном горизонте отдельные слои и пропластки с высокими показателями фильтрационных свойств, что не исключает возможность подтяги­вания к водозабору воды из участков водоносного горизонта, на­ходящихся за пределами расчетных границ ЗСО. Поэтому в рай­онах крупных водозаборов существование источников загрязнения подземных вод недопустимо и за пределами третьего пояса ЗСО, по крайней мере на расстоянии 0,5 — 1 км при песчаных и песча-но-гравелистых породах и 2 — 4 км при трещиноватых и закар-стованных породах. В связи с этим здесь следует усилить гидро­геологический контроль и при необходимости ликвидировать ис­точники загрязнения, находящиеся вблизи ЗСО.

При проведении целенаправленного гидрогеологического конт-роля в районе ЗСО большое значение имеет выбор точек разме­щения наблюдательных скважин. При этом следует руководство­ваться гидродинамической обстановкой на территории между ис­точником загрязнения и водозабором и учитывать скорости и направления движения подземных вод, изменившиеся, по сравне-нию с естественными условиями, под влиянием отбора воды водо-заборами и дренажами, а также и инфильтрации воды в водо­носный горизонт из накопителей сточных вод, искусственных пру­дов и других гидродинамически активных объектов.

Направления движения подземных вод определяют по доста­точно детальной карте гидроизогипс, желательно также с по­мощью аналитических расчетов или моделирования построить гидродинамическую сетку фильтрации.

При создании режимной сети наблюдательных скважин долж­на учитываться возможность вертикальной неоднородности и стратификации химического состава подземных вод, что нередко встречается на участках распространения минерализованных вод, обладающих повышенной плотностью, а также при загрязнении подземных вод углеводородами и нефтепродуктами, что вызывает снижение плотности подземных вод. В этих случаях загрязнения соответственно концентрируются в нижней и верхней частях во­доносного горизонта. Рекомендуется проводить опробование под­земных вод поинтервально по глубине водоносного горизонта. Для этого могут быть применены разнообразные приспособления, например пробоотборник с четырьмя надувными пакерами, раз­деляющими скважину на три зоны, причем откачка осуществля­ется из всех трех зон, а отбор пробы — только из средней зоны.

Известны наблюдательные скважины, в которых в обсадную трубу врезаны на разных глубинах несколько пьезометров, при этом изоляция отдельных опробуемых зон осуществляется в за-трубном пространстве скважины. Несколько пьезометров в одной скважине могут быть опущены на разную глубину, а интервалы опробования разделены в скважине участками цементации. К. Эд-вэрси в 1983 г. предложил способ поинтервального отбора проб воды из скважины при помощи двухкамерного устройства, кото­рое должно быть установлено в средней части песчаной засыпки высотою 2 м, охватывающей интервал исследования. Выше за­сыпки устраивается глиняная пробка. Подземная вода поступает через сетчатый фильтр, установленный в одной из камер, и через клапан проходит во вторую камеру, откуда может быть выдавле­на пневматическим способом на поверхность. Таких устройств в скважине может быть несколько.

Метод отбора проб для определения в подземных водах малых концентраций органических веществ разработан Дж. Пэнковом в 1983 г. Устройство для отбора проб воды, опускаемое в наблюда­тельную скважину на трубке, состоит из небольшого цилиндриче­ского патрона с сорбирующим материалом. Патрон соединен с на­сосом; движение поршня в насосе создается при помощи вакуума.

При этом вода проходит через патрон с сорбентом. Затем патрон отделяется от насоса и поднимается на поверхность. В лаборато­рии из него удаляют излишек воды, проводят термальную десорб­цию патрона через силикатную капиллярную трубку и определя­ют органические вещества методом газовой хроматографии. Этим методом в подземных водах были определены трихлорэтан, хлор­бензол, пара-дихлорбензол в средних концентрациях от 14 до 0,88 мкг/дм³.

Наблюдения за химическим составом подземных вод и поло­жением уровня воды следует проводить не только в эксплуатируе­мом водоносном горизонте, но и в выше- и нижележащих водо­носных горизонтах, если в последних имеются или могут появить­ся некондиционные по составу воды и в пределах ЗСО возможен переток этих вод в эксплуатируемый горизонт.
ОСНОВЫ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЗОН САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ
Вопросы изучения структуры фильтрационного потока к водо­забору, оценки времени движения и концентрации загрязнений в водоносных горизонтах, в связи с прогнозом качества подземных вод и обоснованием ЗСО, рассматривались в работах [1, 3 — 5, 7, 9 — 11, 16, 17 и др.].

Особенности фильтрационного потока к водозаборным соору­жениям рассмотрим на примере работы одиночного водозабора в однородном, неограниченном по простиранию водоносном гори­зонте при наличии естественного потока подземных вод (рис. 13).

Область фильтрации к водозаборному сооружению может быть разделена на две части. Внутренняя область, прилегающая к водозабору, отличается тем, что траектория движения частиц-воды, содержащихся здесь, или линии тока подземных вод закан­чиваются на водозаборе. Во внешней области траектории движе­ния частиц воды или линии тока огибают водозаборное сооруже­ние. Внутреннюю зону можно назвать областью питания подзем­ного водозабора, так как она содержит объемы воды, непрерывна поступающие к водозабору (питающие водозабор) и извлекаемые им на поверхность в процессе эксплуатации.

Область питания водозабора отделяется от внешней части области фильтрации раздельной, или нейтральной, линией тока (траекторией движения). На этой линии располагаются одна или несколько важных с точки зрения охраны водозаборов раздель­ных, или критических, точек N. Вблизи этих точек образуется за­стойная зона, а в самих точках N скорость движения воды равна нулю.

Область питания следует отличать от области влияния водоза­бора, т. е. части водоносного пласта, в пределах которой эксплуа­тация водозабора вызывает практически ощутимые понижения; уровней подземных вод. Прежде всего, эти области могут суще­ственно отличаться по расположению и площади. Например, точ­ки А и В на рис. 13 расположены вблизи водозабора и поэтому могут находиться в области влияния водозабора, но в то же вре­мя они находятся за пределами области его питания. Наоборот, точки С и D на рис. 13 располагаются внутри области питания, но настолько далеко от водозабора, что его влияние на положение уровней подземных вод здесь может быть практически незаметно. В отличие от области влияния, размеры которой в большинстве случаев не зависят от естественного потока подземных вод, форма и размеры области питания водозабора в значительной степени определяются направлением и скоростью естественного потока.



Рис. 13. Схема фильтрации подземных вод к водозабору:

1 — линии тока; 2 — нейтральная линия тока; 3 — граница ЗСО; 4 — водозабор; 5 — область за­хвата; 6 — область питания; 7 — направление естественного потока подземных вод; S — раздельная точка, q — естественный поток подземных вод; R и г — максимальные расстоя­ния по оси х от водозабора до верхней и нижней границ области захвата на время Т; L — длина ЗСО; Id — ширина 3GO
Из сказанного ясно, что зона санитарной охраны должна рас­полагаться в пределах области питания водозабора. Для дальней­шего уточнения положения границ этой зоны выделим другой важный элемент фильтрационного потока — область захвата во­дозабора (см. рис. 13), которая представляет собой часть области питания. Все частицы воды, располагающиеся внутри области за­хвата, достигают водозабора за тот или иной конечный расчет­ный промежуток времени Т. В плане область захвата одиночного водозабора на каждый момент времени приближенно может быть изображена в виде эллипса, вытянутого вдоль потока подземных вод. В процессе эксплуатации водозаборного сооружения область, непрерывно увеличивается. Предельное ее положение, достигаемое при теоретически бесконечном времени, устанавливается по раз­дельной (нейтральной) линии.

Как уже отмечалось, границы второго и третьего поясов зоны санитарной охраны назначаются таким образом, чтобы имеющие­ся или возможные загрязнения подземных вод не могли поступить в водозабор в течение намеченного срока. Исходя из этого, задачей гидрогеологических расчетов для обоснования зон санитарной -охраны является определение основных размеров и конфигурации области захвата водозабора, соответствующей расчетному перио­ду Т.

Как правило, область захвата водозабора имеет сложные очер­тания, что зависит от типа водозаборного сооружения, схемы раз­мещения эксплуатационных скважин и гидрогеологических усло­вий в районе расположения водозабора. Если реальная гидрогео­логическая обстановка может быть схематизирована по основным расчетным показателям (обычно это возможно в относительно простых гидрогеологических условиях, а также на ранних стадиях проектирования), то область захвата водозабора и другие иско­мые величины для обоснования проекта ЗСО водозаборов подзем-:ных вод можно определить путем аналитических расчетов. При этом схематизируются не только гидрогеологические условия, но ;и сами водозаборы; обычно они представляются в виде одиноч­ных или групповых сосредоточенных водозаборов («больших ко­лодцев») или вытянутых линейных водозаборных систем.

Для проведения практических расчетов, кроме того, целесооб­разно упростить и конфигурацию зоны санитарной охраны водоза­борных сооружений. Наиболее просто ее представить в виде пря­моугольника, полностью включающего область захвата. При этом несколько завышаются размеры охраняемой территории и обеспе­чивается некоторый запас в инженерных расчетах.

Протяженность R зоны санитарной охраны вверх по потоку подземных вод от водозабора устанавливается по максимальному расстоянию от водозабора до верхней границы области захвата на расчетный промежуток времени Т.

Вниз по потоку подземных вод протяженность г зоны сани­тарной охраны водозаборов определяется расстоянием от водоза­бора до нижней границы зоны захвата водозабора по оси х на тот же расчетный момент времени Т.

Таким образом, общая длина зоны санитарной охраны водоза­бора L составит:

L=R+r. (1)

Ширина зоны санитарной охраны 2d на основании сказанного принимается равной максимальной ширине эллипса, ограничива­ющего область захвата водозабора (см. рис. 13). Расчетное время Т устанавливается в зависимости от вида возможного загрязнения водоносного пласта.

Для защиты водозабора от устойчивых химических загрязне­ний при проектировании третьего пояса ЗСО величина Т_х опреде­ляется в соответствии со сроком эксплуатации водозабора; при проектировании водозаборов на длительный срок Т_х обычно при­нимается равным 25 — 50 лет ((1 — 2)-10⁴ сут). При проектирова­нии водозабора на неограниченный срок эксплуатации третий по­яс ЗСО рассчитывается на 25 лет, а по истечении этого срока про­изводится уточнение границ ЗСО с учетом данных эксплуатации водозабора, перспектив его дальнейшего развития, химического состава отбираемой воды и хозяйственной обстановки в прилега­ющем районе.

Для защиты водозабора от бактериальных загрязнений разме­ры второго пояса зоны санитарной охраны устанавливаются исхо­дя из времени выживаемости бактерий Т_м, составляющего 100 — 400 сут.

В безнапорных водоносных горизонтах, а также в неглубоко залегающих напорных пластах, перекрытых сверху слабопрони­цаемыми отложениями, при определении границы зоны санитар­ной охраны от бактериальных загрязнений целесообразно учиты­вать время to просачивания загрязненных вод по вертикали до ос­новного эксплуатируемого пласта, т. е. принимать

T=T_u — t₀. (2)

Величина t₀ может быть приближенно определена по следую­щим формулам [1]:

а) при малой интенсивности е инфильтрации загрязненных вод: (е0), т. е. когда инфильтрация происходит с неполным насыще­нием пор водой:

(3)

б) при значительной интенсивности инфильтрации (е>k₀), т. е. при инфильтрации с полным насыщением пор:

в) при двух-трехслойном строении горизонта:

где k₀ — коэффициент фильтрации пород зоны аэрации; п₀ и т₀ — пористость и мощность пород над эксплуатируемым горизонтом: (в первых двух случаях — это породы зоны аэрации, а в третьем — породы верхнего слабопроницаемого слоя); ДR — разность уров­ней воды основного и соседнего, питающего слоя.

Таким образом, задача гидрогеологического обоснования гра­ниц зоны санитарной охраны водозаборных сооружений в при­ближенной постановке сводится к определению параметров R (протяженность ЗСО вверх по потоку подземных вод); г (протя­женность ЗСО вниз по потоку) и d (половина общей ширины ЗСО). При этом в качестве исходных данных для расчета ЗСО должны быть известны длительность расчетного интервала Т, а также величины скоростей и направление движения подземных: вод в условиях эксплуатации водозаборных устройств.

Как следует из сказанного выше, задача выявления опасности загрязнения водозаборного сооружения сводится к исследованию траекторий движения частиц воды, располагающихся в началь­ный момент времени на различных участках области фильтрации подземных вод. Дифференциальные уравнения, количественно ха­рактеризующие закон движения или траектории движения частиц воды при плановой двухмерной фильтрации, имеют вид

где х и у — непрерывно изменяющиеся во времени t декартовы координаты движущейся точки; v_x и v_y — проекций вектора дей­ствительной скорости течения воды соответственно на оси х и у.

Составляющие v_x и v_y в системе уравнений (6) могут быть -найдены аналитически, путем теоретического решения соответст­вующей гидродинамической задачи или численно на основе реше­ния краевой фильтрационной задачи на аналоговых устройствах или с использованием ЭВМ.

Для определения максимальной протяженности ЗСО вверх по потоку подземных вод от водозабора R уравнения (6) должны ре­шаться при следующих условиях:

где x₀ и у₀ — координаты точек водозабора.

Первое из условий (7) означает, что отсчет времени начинает­ся сразу для всех точек, располагающихся на прямой x=R. Вто­рым условием определяется длительность расчетного интервала Т, необходимого для перемещения частиц воды от сечения R до во­дозабора. Третье условие (7) дает возможность выбрать из всех точек на прямой x=R ту, которая достигнет водозабора за наи­меньшее время (функция Т имеет экстремум).

При определении расстояния г выражение (7) несколько из­меняется:

Ширина ЗСО также может быть найдена решением системы (6). При этом граничные условия принимают вид:

Для получения аналитических выражений, определяющих па­раметры ЗСО, в некоторых сравнительно простых случаях филь­трационного потока к водозабору (симметричная зона захвата, простые краевые условия) удобно исследовать линии тока частиц воды, т. е. линии, касательные к которым в каждой точке показы­вают направление движения воды. При этом используется то обстоятельство, что траектории течения и линии тока в большинстве практических случаев совпадают. В частности, это имеет место при установившейся или квазиустановившейся фильтрации под­земных вод, когда скорости движения воды во всех точках пласта не изменяются как по величине, так и по направлению. При не­стационарной фильтрации в общем случае линии тока и траекто­рии движения могут не совпадать. Однако здесь можно выделить некоторые схемы чисто нестационарной фильтрации, когда такое совпадение будет иметь место. Например, случай работы водоза­бора в неограниченном пласте без естественного потока и другие схемы, когда вектор скорости движения частиц воды изменяется только по величине, но направление движения воды в процессе эксплуатации водозабора остается неизменным.

Уравнение линий тока можно получить из следующего диффе­ренциального соотношения (двухмерная плановая фильтрация):

(10)
Для плоских подземных потоков, следующих линейному зако­ну фильтрации, для исследования картины движения частиц воды по линиям тока можно применить аппарат функции комплексного переменного. При этом вводится в рассмотрение функция тока Ф, которая может быть найдена из известных условий Коши — Ри-мана:
(11)

где потенциал скорости фильтрации ф определяется по формуле

В настоящее время для некоторых простейших фильтрацион­ных схем получены аналитические выражения для функций ф и ty [1, 3, 9 — 11, 16]. Используя их, можно найти расчетные зависи­мости, определяющие время движения отдельных точек воды до водозабора:

где х, у — начальные координаты точек; xq, y_Q — координаты во­дозабора.