ГЛАВА 8. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Мероприятия по защите подземных вод от загрязнения подраз­деляются на профилактические, направленные на сохранение ес­тественного качества подземных вод; локализационные, препятст­вующие увеличению и продвижению создавшегося в водоносном горизонте очага загрязнения; восстановительные, проводимые для удаления загрязнений из водоносного горизонта и восстановления природного качества подземных вод [1, 3].

Опыт показывает, что для осуществления мероприятий по лик­видации загрязнения подземных вод требуются большие средства; кроме того, возникают технические трудности, связанные с необ­ходимостью очистки откачиваемых загрязненных подземных вод .из-за невозможности их использования или сброса в водоем. Меж­ду тем методы очистки подземных вод от химических загрязнений разработаны недостаточно и также требуют больших эксплуата­ционных затрат вследствие большого объема подлежащих очистке подземных вод. Если очаг загрязнения в водоносном горизонте имеет большой объем, ликвидация загрязнения становится прак­тически неосуществимой. Поэтому основным направлением в борь­бе с загрязнением подземных вод должно быть осуществление сис­темы профилактических мер, учитывающих тесную связь подзем­ных вод с поверхностными.

Главную роль в предупреждении загрязнения подземных вод играют мероприятия общего характера. К их числу в первую оче­редь следует отнести все меры по предотвращению загрязнения рек и водоемов; совершенствование методов очистки промышлен­ных и хозяйственно-бытовых сточных вод; создание производств с бессточной технологией и замкнутых систем промышленного водо­снабжения и канализации; изоляцию коммуникации, несущих сточ­ные воды; ликвидацию или очистку газодымовых выбросов на пред­приятиях; ограничение использования ядохимикатов и удобрений на сельскохозяйственных территориях; глубокое подземное захо­ронение особо вредных стоков, очистка которых экономически не оправдана.

Многие мероприятия профилактического характера должны осуществляться при активном участии специалистов-гидрогеоло­гов. К таким мероприятиям относятся:

— целенаправленный выбор водоносного горизонта, места рас­положения водозабора и режима его эксплуатации, т. е. опреде­ление производительности, числа и расположения водозаборных сооружений, а также допустимого понижения уровня подземных вод с целью сохранения должного качества подземных вод на весь период эксплуатации водозабора;

— оценка естественного и прогнозного качества подземных вод с позиций удовлетворения требованиям государственных стандар­тов на качество воды и при учете возможности и технико-экономи­ческой эффективности искусственного улучшения качества воды;

— выполнение гидрогеологических расчетов для обоснования размеров зоны санитарной охраны для каждого водозабора хо­зяйственно-питьевого нааначения;

— назначение в пределах зоны санитарной охраны санитарно-технического режима, соответствующего гидрогеологическим усло­виям и специфике хозяйственного освоения территории в районе водозабора.

При обязательном участии гидрогеологических организаций по данным специальных изысканий должно также проводиться обо­снование выбора безопасного в отношении загрязнения подземных вод места расположения новых промышленных предприятий, на­селенных пунктов и сельскохозяйственных объектов. Геологический контроль особенно важен при выборе участка размещения новых предприятий с большим количеством сточных вод и отходов, жи­вотноводческих комплексов и ферм. При этом необходимо учиты­вать естественную защищенность пригодных для водоснабжения подземных вод и связь отдельных водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами. Как правило, следует избегать строительства водоемких промышленных предприятий в долинах рек, на поймах и аллювиальных террасах, а также в других райо­нах, где грунтовые или плохо защищенные подземные воды ис­пользуются или могут быть использованы для водоснабжения.

Если по технико-экономическим или другим причинам нельзя отказаться от размещения нового предприятия в районе незащи­щенного водоносного горизонта, то гидрогеологические данные должны быть достаточными для разработки рекомендаций по за­щитным мероприятиям и созданию наблюдательной сети скважин, с помощью которых контролируется эффективность этих меропри­ятий.

Значительный успех в деле охраны качества подземных вод обеспечивает создание региональных водоохранных зон, охваты­вающих всю область питания и распространения водоносного го­ризонта, используемого для водоснабжения, или ее значительную часть. Здесь вводятся определенный режим использования терри­тории, регламент эксплуатации существующих предприятий, стро­гий контроль за очисткой и сбросом сточных вод, санитарным сос­тоянием почв, воздуха, природных вод и т. п.

Профилактике загрязнения подземных вод способствует мони­торинг качества подземных вод, т. е. научно обоснованная система длительных натурных наблюдений за основными динамическими характеристиками водоносного горизонта: уровнями, напорами, химическим и бактериологическим составом, температурой воды и т. п. Анализ этих данных позволяет получить пространственно-вре­менную картину загрязнения, объяснить произошедшие изменения и дать прогноз ожидаемых изменений качества подземных вод.

Специальные профилактические мероприятия технического ха­рактера применяются для изоляции подземных вод от промышлен­ных, сельскохозяйственных и коммунальных отходов, водораство­римого сырья, продуктов производства. Выбор схемы, типа, кон­струкции и проектирование профилактических технических меро­приятий проводятся по данным инженерно-геологических изыска­ний и наблюдений. Профилактика загрязнения подземных и по­верхностных вод при сельскохозяйственном производстве имеет большое значение в связи с развитием современного животновод­ства, поставленного на промышленную основу и дающего большое количество навоза и навозных стоков с высокой концентрацией органических веществ в них и бактериальной загрязненностью: биологическое потребление кислорода БПКб более 6 — 8 гO₂/дм³; коли-титр 10~¹⁰ — 1СН²; титр энтерококков 10~⁷; патогенные серо-типы кишечной палочки и сальмонеллы до 10000 ед/дм³; загряз­ненность яйцами гельминтов 160 — 420 на 1 л. Навоз и навозные стоки могут быть причиной более 100 инфекционных и паразитар­ных заболеваний. Для предупреждения загрязнения природных вод необходимы следующие мероприятия:

— сбор и хранение навоза на специальных гидроизолированных площадках с выдержкой на них навоза не менее 6 мес для осво­бождения от патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов;

— сбор навозных стоков из помещений ферм и с площадки на­возохранилища в гидроизолированные жижесборники;

— отвод ливневых стоков с выгульных площадок и других тер­риторий, на которых находятся животные и птицы, со сбросом их в гидроизолированные накопители ливневых вод. Использование навоза и животноводческих стоков на полях для удобрения и оро­шения должно проводиться согласно существующим нормам.

Для предотвращения выноса удобрений и ядохимикатов в во­дотоки необходимо соблюдение правил транспортировки, хранения и внесения удобрений и пестицидов, применение оптимальных доз удобрений, внесение фосфорных и калийных удобрений под зяблевую вспашку, дробное внесение азотных удобрений с заделкой на глубину вспашки, использование гранулированных пестицидов и пестицидов кратковременного действия, чередование различных групп пестицидов в севооборотах, применение хлорорганических пестицидов не чаще одного раза в год, расположение пахотных угодий при малых уклонах поверхности (менее 0,0005) не ближе 50 м от уреза воды в водотоке, а при больших уклонах (более 0,002) — не ближе 100 м.

Основными элементами инженерной защиты от утечки сточных вод и технологических растворов из зданий промышленных пред­приятий являются надежная, гидроизоляция фундаментов и полов или создание пластовых и линейных дренажей, собирающих про­фильтровавшиеся воды и растворы для перекачки с последующей утилизацией или очисткой. Вдоль трасс трубопроводов, несущих сточные воды, загрязненную пульпу или токсичные растворы, уст­раиваются сопутствующие дренажи. Пластовые и линейные дре­нажи должны иметь в основании водонепроницаемый экран из гли­нобетона, асфальта, пленки или других нефильтрующих материа­лов. Промышленная площадка в целом или отдельные группы зда­ний могут быть изолированы от чистых подземных вод с помощью кольцевой противофильтрационной завесы или стенки, доведенной до водоупора, в сочетании с дренажом, отбирающим инфильтрую-щиеся атмосферные осадки и сточные воды.

В районах, где под влиянием промышленных предприятий про­изошло загрязнение воздуха и почв, необходимо собирать и очи­щать ливневые воды. Наибольшее внимание при проектировании защиты от загрязнения подземных вод должно быть обращено на участки складирования сточных вод и отходов — шламо- и хвостохранилища, накопители, испарители, гидрозолоотвалы, поля фильтрации, солеотвалы и другие сооружения, которые должны быть нефильтрующими.

В целях предотвращения или резкого сокращения фильтрации загрязненных вод из шламо- и хвостохранилищ, накопителей, от­стойников, солеотвалов и других объектов применяются разнооб­разные противофильтрационные устройства, выполненные из сла­бофильтрующих материалов — уплотненной глины, грунтово-по-. лимерной смеси, асфальтополимербетона, глинобетона, полиэти­леновой пленки, битумных покрытий и т. д. Конструктивно они оформляются в виде экранов, устраиваемых под сооружениями или на дне хранилищ и накопителей, в ядре и на откосах ограж­дающих их дамб, в виде вертикальных или наклонных противо-фильтрационных завес, прорезающих всю толщу водопроницае­мых пород до водоупора и создаваемых путем инъекции цемента, растворов твердеющих органических и неорганических соединений, а также в виде стенок-барражей, возводимых путем выемки водо­проницаемых пород и замены их водонепроницаемым материа­лом — цементно-глинистым раствором, смолами, рулонными синте­тическими пленками и т. д.

Применяются двухслойные экраны, например из синтетическо­го материала, при этом между экранирующими слоями помещают фильтрующий гравийный слой с системой дренажных труб, от­водящих загрязненные воды.

Широко применяются экраны из уплотненных глинистых грун­тов, хотя опытным путем доказано, что они не дают полной изо­ляции. Так, проведенные в Нидерландах лизиметрические испыта­ния грунтового экрана показали, что, несмотря на низкий коэф­фициент фильтрации (2-10~⁶ см/с) слоя уплотненных суглинков толщиной 50 — 75 см, уложенных на песчаную подушку и под пес­чаным прикрытием, за зимний период величина инфильтрации через экран превысила 300 см.

Рекомендуется [35] при складировании вредных отходов укла­дывать в основание глинистый экран толщиной не менее 3 м и водопроницаемостью (1 — 5)-10~⁸ см/с в зависимости от токсич­ности отходов. Кроме того, рекомендуется предварительная обра­ботка отходов с целью изменения подвижности вредных компо­нентов за счет изменения рН среды или комплексообразования, разложения отходов на простые нетоксичные компоненты или раз­бавления.

Материалы противофильтрационных устройств должны быть устойчивы к агрессивному воздействию сточных вод и отходов. Следует учитывать, что полиэтиленовая пленка не стойка к дей­ствию сильных окислителей и разрушается в органических раст­ворителях; асфальтобетон при температуре более 40 °С не стоек к действию концентрированных кислот, щелочей, органических раст­ворителей и отходов переработки нефти. На глинистые грунты аг­рессивное воздействие оказывают кислые сточные воды, при этом, по данным В. М. Гольдберга, Н. П. Скворцова и В. М. Павилон-ского, водопроницаемость глин может увеличиваться в несколько сот раз. Е. Лаппал установил, что водопроницаемость противо­фильтрационных устройств из глинистых грунтов может возрасти на три порядка при инфильтрации растворов некоторых органи­ческих веществ (анилин, этиленгликоль, ацетон).

Следует признать, что большинство конструкций экранов и за­вес полностью фильтрацию не прекращают, поэтому для выбора типа экрана, помимо его стоимости, следует руководствоваться расчетными размерами ограниченной фильтрации, допустимой в конкретных гидрогеологических условиях с учетом степени ток­сичности, концентрации и разбавления сточных вод в подземном потоке. Для указанных расчетов необходимы фильтрационные и миграционные характеристики материала экрана, пород зоны аэрации и водоносного горизонта.

Противофильтрационные экраны иногда покрывают слоем гра­вия или другого проницаемого материала для сбора и отвода про­никших загрязненных сточных вод и атмосферных осадков.

Примером защитных противофильтрационных сооружений мо­жет служить вертикальная заполненная бентонитовой глиной стен­ка глубиной от 15 до 30 м, созданная в штате Нью-Гэмпшире (США) для защиты подземных вод от загрязнения синтетически­ми органическими веществами, поступающими из накопителя про­мышленных сточных вод, в основании которого залегают песча­ные грунты. Водопроницаемость завесы составила 10~⁵ см/с.

В районе нефтеперерабатывающего завода в провинции Онта­рио (Канада), где отходы из отработанных накопителей попадали в реку вблизи водозаборных скважин, в русле реки был уложен металлический экран для изоляции загрязненных поверхностных вод от эксплуатируемого водоносного горизонта на участках «окон», где перекрывающий слабопроницаемый слой был размыт.

В дополнение к экранам и завесам для перехвата фильтрую­щихся из хранилищ и накопителей сточных вод устраиваются дре­нажи различного типа: горизонтальные, вертикальные и комбини­рованные. Все собранные дренажами сточные воды должны акку­мулироваться и перекачиваться в шламохранилище или в систему оборотного промышленного водоснабжения. Для предотвращения загрязнения подземных вод часто применяются комбинированные способы защиты, в которых противофильтрационные завесы и эк­раны сочетаются с дренажными устройствами.

На участках, где в результате кратковременной аварийной си­туации или под влиянием длительно действовавших источников произошло загрязнение подземных вод, в первую очередь необхо­димо устранить источник загрязнения (прекратить использование полей фильтрации, свалок, накопителей сточных вод и отходов; изменить технологический процесс на предприятии и, если воз­можно, удалить загрязненные породы с поверхности земли). Лик­видация источника загрязнения, однако, не устраняет угрозы даль­нейшего распространения загрязнений, уже попавших в водонос­ный горизонт, и поэтому требуется локализация очага загрязне­ния, препятствующая продвижению некондиционных вод к водо­заборам.

При локализации загрязнений в водоносном горизонте исполь­зуются два основных принципа: 1) создание подземной преграды на пути потока загрязненных вод к водозабору; 2) стягивание контура загрязненных подземных вод путем вовлечения их в де-прессионную воронку, создаваемую откачкой подземных вод через специальные дренажные (перехватывающие) скважины или тран­шеи. В зависимости от места сосредоточения загрязняющих ве­ществ по глубине водоносного горизонта, фильтры в дренажных скважинах устраивают в верхней, средней или нижней части водо­носного горизонта или на всю его мощность. Возможны также од­новременные откачки воды с разных глубин.

Для управления скоростью и направлением движения потока загрязненных вод можно также сочетать откачивающие и нагнета­тельные скважины, размещенные выше и ниже (по потоку) очага загрязнения, что приводит к уменьшению скорости движения под­земных вод вплоть до создания застойной зоны. Подземные пре­грады создаются (как и в профилактических целях) в виде коль­цевых или линейно ориентированных противофильтрационных завес и стенок из слабофильтрующих материалов; в некоторых случаях возможно создание противофильтрационной гидравличес­кой завесы, устраиваемой путем подачи в водоносный горизонт под напором чистой воды через скважины или траншеи. Недостат­ками использования гидравлических завес являются затраты чис­той воды для непрерывной закачки, а в отдельных случаях — необ­ходимость в одновременной откачке загрязненных и чистых под­земных вод.



Рис. 10. Гидравлическая завеса для защиты водозабора от загрязнения нефте­продуктами [43]:

1 — водозаборная скважина; 2 — скважина гидравлической завесы; 3 — гидроизогипсы при работе гидравлической завесы и их отметки; 4, 5 — границы зоны распространения под­земных вод, содержащих растворенные нефтепродукты, на период до начала откачки (4) из скважин гидравлической завесы и после двухлетней откачки (5); 6 — зона распростра­нения слоя нефтепродуктов на поверхности подземных вод до начала откачки; 7 — терри­тория нефтехимического комбината; 8 — направление движения подземных вод
С помощью подземных противофильтрационных стенок можно также изменить скорость и направление движения подземных вод, «отклонив» их от водозабора.

При стягивании контура загрязнений откачиваемые подземные воды непосредственно используются на технологические нужды и сбрасываются в реки или предварительно подвергаются очистке до необходимых пределов.

Выбор защитных мероприятий основывается на анализе при­родных условий рассматриваемой территории, учете характера и влияния источника загрязнения и на технико-экономических расче­тах. Примером успешно осуществленного мероприятия по локали­зации загрязнения является действующая в ЧССР дренажная завеса на участке очага загрязнения подземных вод нефтепродук­тами (рис. 10) [43]. Завеса состоит из двух рядов скважин, раздельно отбирающих нефтепродукты и подземные воды. За два года площадь участка, где на подземных водах находился слой нефтепродуктов, уменьшилась с 3,5 до 2,8 км², при этом было со­брано примерно 30 тыс. м³ нефтепродуктов. Площадь загрязнения подземных вод растворимыми и эмульгированными нефтепродук­тами уменьшилась с 26 до 12 км². Концентрация нефтепродуктов в откачиваемых водах составляла 0,1 — 23 мг/дм³.

Основные элементы проекта защиты городского берегового во­дозабора от загрязнения показаны на рис. 11. Береговой водоза­бор использует подземные воды аллювиального водоносного гори­зонта, получающего питание из реки. В долине реки, в 40 км вы­ше города, расположен завод, сбрасывавший сточные воды в не-зкранированный шламонакопитель на речной террасе. В результате сброса сформировался ареал загрязнения подземных и речных вод фтором, а в городском водозаборе периодически отмечалось повышение концентрации фтора. Для локализации загрязнения было прекращено пользование шламонакопителем и запроектиро­ваны следующие мероприятия: 1) перехват и откачка наиболее загрязненных подземных вод с помощью дренажной комбиниро­ванной завесы (галерея и разгрузочные скважины); 2) устройство кольцевой противофильтрационной стенки из глинистого матери­ала вокруг шламонакопителя; 3) перехват загрязненных подзем­ных вод на контуре ареала с помощью ряда дренажных скважин.

Система, предназначенная для перехвата загрязненных под­земных вод (в воде содержатся диизометилфосфонат, дибромди-хлорпропан, дипихлопентадиен), удаления их из водоносного го­ризонта, очистки на поверхности и возвращения в водоносный го­ризонт, создана в одном из районов в Скалистых горах (США). Основные компоненты системы включают: 1) 54 дренажные сква­жины, соединенные трубопроводами и оборудованные для выбо­рочного включения отдельных скважин, что позволяет осуществ­лять раздельный отбор из трех выявленных зон загрязнения под­земных вод; 2) противофильтрационную завесу, созданную нагне­танием бентонитового раствора в скважины и заглубленную до водоупора; 3) 38 скважин, в которые подавали откачанные под­земные воды после очистки; 4) наблюдательные скважины, раз­мещенные в пределах всей системы. Получаемая с помощью на­блюдательных скважин информация об уровнях и качестве под­земных вод позволяет регулировать работу системы в целях до­стижения максимальной производительности. Локализация очага загрязнения путем откачки сильно загрязненных подземных вод, содержащих до 200 мг/дм³ органических веществ, их очистка на поверхности с помощью фильтрации через гранулированный акти­вированный уголь и последующая подача части очищенной воды в водоносный горизонт через скважины описаны Р. О' Брайеном и Дж. Фишером в 1985 г. При этом степень очистки подземных вод задавалась в зависимости от дальнейшего использования воды для питьевых, технических нужд или для возврата в водоносный гори­зонт.

а — план; б, в — расчетная схема направлений скорости фильтрации подземных вод меж­ду водозаборами до создания гидравлической завесы (б) и при ее работе (0). 1 — чистый «одозабор; 2 — загрязненный водозабор; 3 — гидроизогипсы и их отметки; 4 — накопитель сточных вод; 5 — граница распространения загрязненных подземных вод; 6 — зона распро­странения загрязненных подземных вод; 7 — граница поймы; 8 — промышленная зона и го­родская застройка; 9 — расчетная точка сетки в координатах х, у для определения скорос­ти фильтрации подземных вод; 10 — направления v_x и о_у; 11 — дренажные скважины гид­равлической завесы; 12 — раздельная линия тока; 13 — траектория движения подземных вод. Направление и величина о:

Расположенные в долине реки водозаборы эксплуатируют верх-яемеловой водоносный горизонт, сложенный трещиноватыми ме-.лами и перекрытый песчаным аллювиальным водоносным гори­зонтом. Аллювий и мел разделены слоем разрушенного мела, обла­дающего слабой проницаемостью. Мощности аллювиального и ме­лового водоносных горизонтов соответственно равны 15 — 20 и 20 — 25 м, мощность элювиированного раздельного слоя 2 — 8 м. Поток подземных вод в естественных условиях направлен к реке и дре­нируется ею. Водозаборы работают в стационарном режиме, эк­сплуатационные запасы подземных вод обеспечиваются в основ­ном за счет перетока из аллювия и в значительно меньшей мере — за счет притока из мелового водоносного горизонта и из реки.

Один водозабор, имеющий производительность 30 тыс. м³/сут, расположен вблизи химического комбината и накопителя про­мышленных сточных вод; в этой же промышленной зоне (см. рис. 12,а) находятся другие давно действующие предприятия хи­мической промышленности. Утечки технологических и сточных вод из коммуникаций и цехов на промышленных площадках и из на­копителя сточных вод привели к загрязнению подземных вод органическими и неорганическими компонентами, поэтому загряз­ненный водозабор, построенный для питьевых целей, используется только для технического водоснабжения. Водозабор отбирает во­ду, в которой отмечается повышенное содержание (в мг/дм³) ряда компонентов: аминосоединений 0,11 — 0,23; нитросоединений 0,33 — 0,34; аммиака 0,5; фенола 0,09 — 0,66, сухой остаток 0,9.

В другом водозаборе сохранилось хорошее качество воды, и он используется для хозяйственно-питьевого водоснабжения при производительности 25 тыс. м³/сут. Граница между чистыми и загрязненными водами по данным изысканий проходит примерно посредине между водозаборами. Соотношение отметок уровня под­земных вод на водозаборах и между ними свидетельствует о прин­ципиальной возможности движения загрязненных вод в направле­нии чистого водозабора, что, однако, зависит от колебаний вели­чины водоотбора на водозаборах, интенсивности инфильтрации атмосферных осадков, а также количества сточных вод, поступа­ющих в водоносный горизонт из ближайших источников загряз­нения. Для защиты водозабора намечено устройство перехваты­вающих дренажных скважин, откачка из которых должна привести к созданию водораздела на поверхности подземных вод, препят­ствующего продвижению загрязнений. Действие дренажного ряда должно также обеспечить локализацию очага загрязнения на рас­сматриваемом участке.

При выборе места расположения дренажных скважин и опре­делении режима их работы следовало учитывать количество и со­став откачиваемых подземных вод с точки зрения возможности их дальнейшего использования, а также необходимость сохранения производительности действующих водозаборов, недопущение уско­рения движения и распространения загрязненных подземных вод.

Гидрогеологическая оценка эффективности и расчет произво­дительности перехватывающего дренажа выполнены аналитичес­ким методом применительно к трехслойному горизонту для усло­вий установившейся фильтрации подземных вод.

При аналитических расчетах установлены понижения уровня воды в водозаборных и дренажных скважинах в современных и проектных условиях, а также скорости и направления движения воды в точках, располагающихся на сформировавшемся фронте загрязненных вод. Для составляющих скоростей фильтрации в верхнем и нижнем горизонтах получены выражения, характери­зующие величину скорости фильтрации в каждой точке области фильтрации при откачке из взаимодействующих дренажных и во­дозаборных скважин в рассматриваемом трехслойном горизонте вблизи реки. На первом этапе по данным натурных наблюдений за уровнями подземных вод и расходами водозаборных скважин с помощью аналитических расчетов было проведено уточнение исходных гидрогеологических параметров водоносных горизонтов, а также сделана оценка основных элементов фильтрационного по­тока в современных условиях, т. е. до создания перехватывающих скважин.

Построение поля скоростей фильтрации для современных усло­вий выполнено с использованием значений уклона естественного потока подземных вод (см. рис. 12,6). Анализ поля показывает, что движение загрязненных подземных вод на участке имеет слож­ный характер. В удаленной от реки северной части они движутся в направлении к загрязненному водозабору; продвижение к чис­тому водозабору возможно здесь лишь в отдельные периоды, ког­да поток подземных вод со стороны водораздела уменьшается или увеличивается расход чистого водозабора, или уменьшается рас­ход загрязненного. В южной части загрязненные воды могут про­двигаться к чистому водозабору.