Б. Е. Голованов

Б.Е. Голованов

Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт по строительству РААСН

Неравномерность распределения подземных вод, ограниченность запасов месторождений аллювиальных водоносных горизонтов, наиболее доступных для освоения, сезонная неравномерность их естественного восполнения под влиянием резкоизменяющихся условий взаимосвязи с поверхностными водотоками приводят к существенным осложнениям при организации централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Такие природно-климатические условия допустимо считать сложными по условиям обеспечения надежного водоотбора и, как показывает практика эксплуатации аллювиальных водоносных горизонтов, в таких условиях наиболее часто возникают ситуации вынужденного прекращения отбора воды или существенного сокращения объемов водоподачи. Эти ситуации в работе систем хозяйственно-питьевого водоснабжения требуют применения мероприятий уменьшающих или полностью исключающих вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций. При этом важнейшим условием является и минимизация экологической нагрузки на речные долины как на природные объекты.

Анализ опыта эксплуатации инфильтрационных водозаборов показывает существенное влияние сезонных изменений условий взаимосвязи аллювиальных водоносных горизонтов с рекой и основные затруднения в их работе, проявляющиеся в зимний период. Причем дебит таких водозаборов в холодный период года может снижаться на 30 – 70% по сравнению с летним и повторяется практически ежегодно. Указанная величина дефицита водоотбора и соответствующее уменьшение подачи воды потребителям на протяжении 30 – 60 суток определяет нарушение главного требования к работе систем хозяйственно питьевого водоснабжения – обеспечение бесперебойности водоподачи населению. Как известно несоблюдение этого требования определяет возникновение чрезвычайной ситуации, поскольку даже при режиме работы водопроводных систем, при котором вода в течение суток систематически подается с перебоями, уже может быть опасна в санитарно-эпидемиологическом отношении.

В этой связи особое значение приобретает использование месторождений подземных вод, интенсивность деградации которых из-за нарастания экологических проблем в сравнении с источниками поверхностных вод существенно меньше.К сожалению, подземные воды обычно распределены крайне неравномерно по площади, запасы их ограничены, и интенсивность естественного пополнения этих запасов существенно изменяется как по сезонам года, так и в многолетнем разрезе. В практике водоснабжения такие негативные особенности, которые должны учитываться при эксплуатации месторождений подземных вод, в определенной мере устраняются за счет применения специальных мероприятий по искусственному регулированию их запасов.

На практике приемы пополнения подземных вод, в частности в Приморском крае, не всегда в достаточной степени обоснованы и часто не дают ожидаемого эффекта, особенно при эксплуатации относительно маломощных водоносных горизонтов (до 10 м). Для организации бесперебойного водоснабжения осуществляют строительство нерегулируемых (постоянно действующих) подземных водохранилищ. Это достигается путём создания непроницаемого подземного барража (плотины) ниже существующего водозабора, перпендикулярно подземному потоку. Наибольшее распространение получил открытый способ строительства плотин, при котором в отрытую до водоупорного грунта траншею укладывается слабопроницаемый материал, например, глина или суглинок, устанавливается кирпичная или бетонная стенка с гидроизоляцией. При таком способе строительства плотин наиболее оптимальными должны считаться условия с относительно малой мощностью водоносного горизонта, водоупорное основание которых залегает на глубине до 10м от дневной поверхности.

Однако, в многоводные периоды года происходит переполнение подземных водохранилищ, приводящее к подтоплению и заболачиванию значительных территорий, а в маловодные периоды года – осушение, т.е. значительное снижение уровней подземных вод ниже водохранилища. Такие ситуации классифицируются чрезвычайными.

Классификация чрезвычайных ситуаций представлена на рис.1. Классификация составлена в рамках действующих нормативных документов по безопасности в чрезвычайных ситуациях: ГОСТы Р 22.0.02-94; Р 22.0.03-95; Р 22.0.04-95; Р 22.0.05-94; Р 22.0.06-95; Р 22.1.02-95 и ВСН ВК4-90.

Рис. 1. Классификация чрезвычайных ситуаций в водоснабжении населенных пунктов из подземных источников, приуроченных к долинам малых рек

В сложных природных условиях при неравномерном площадном распределении водных ресурсов, значительной загрязненностью поверхностных вод и неблагоприятным режимом их стока интенсификация отбора подземных вод в экономически наиболее развитых районах, в которых ощущается дефицит пресных подземных вод питьевого качества, для обеспечения устойчивого развития необходимо применять метод регулируемых (временно действующих) подземных водохранилищ. Создание таких водохранилищ является одним из путей решения важнейшей водохозяйственной проблемы по увеличению располагаемых водных ресурсов и недопущения возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных не только с угрозой дефицита водоподачи, но и с недопустимым изменением качества отбираемой воды хозяйственно-питьевого назначения.

Опыт искусственного пополнения и регулирования запасов подземных вод показывает, что для организации бесперебойного хозяйственно-питьевого водоснабжения и исключения возникновения чрезвычайных ситуаций при строительстве и эксплуатации водозаборов подземных вод из аллювиальных водоносных горизонтов в долинах малых рек в маловодные периоды года, а также для обеспечения водоотбора в требуемых объемах, должны быть созданы благоприятные гидрогеологические условия. Это возможно за счет регулирования режима и сезонного накопления подземного стока при строительстве подземных водохранилищ.

Неустойчивость условий работы водозаборов в маловодные периоды года, обусловливающая снижение их дебита и, следовательно, возникновение чрезвычайных ситуаций, целесообразно компенсировать регулированием эксплуатационных запасов подземных вод. Это достигается увеличением приходной части баланса подземного стока, в частности, путем сосредоточенной инфильтрации поверхностных вод, промышленных стоков или дренажных вод, за счет интенсификации притока в эксплуатируемый горизонт воды из реки и др.

Регулирование подземного стока (РПС), как один из методов активного управления ресурсами подземных вод в экстремальных условиях их забора из аллювиальных водоносных горизонтов, основанный на перераспределении и аккумуляции этих вод с последующим рациональным их использованием, имеет большое практическое значение.

В условиях подземного водохранилища основными источниками формирования дебита водозабора подземных вод являются поток подземных вод, направленный вниз по долине, поверхностные воды, привлекаемые к водозабору, и емкостные запасы, представляющие собой гравитационную воду, содержащуюся в порах и трещинах водоносного пласта. Применение временно действующего противофильтрационного экрана – барража позволяет производить периодическое накопление подземных вод на участке расположения водозабора и последующее их использование в меженный период. Именно этот период определяет экстремальные условия работы водозабора, когда поверхностный сток в речной долине либо отсутствует, либо его расход не обеспечивает достаточную интенсивность инфильтрационного питания эксплуатируемого водоносного горизонта и, следовательно, не обеспечивает и требуемый водоотбор, что и обусловливает вынужденное снижение подачи воды населению. Кроме того, в этом случае производится более полное использование потока подземных вод, так как обеспечивается возможность его перехвата в меженный период и создаются лучшие условия восполнения емкостных запасов за счет той части потока подземных вод, которая в многоводный период не привлекается к водозабору.

Поскольку большинство населенных пунктов Приморского края испытывает определенные трудности с питьевой водой, а ограниченность водных ресурсов и неудовлетворительное качество вод часто исключают или затрудняют возможность использования обычных приемов водообеспечения, возникает необходимость в нетрадиционном подходе к этой проблеме. Одним из таких нетрадиционных подходов является строительство водозаборов в комплексе с искусственным регулированием подземного стока, заключающемся в создании подземного водохранилища. Такие водохранилища могут быть с сезонным накоплением стока в многоводные периоды, когда дебит водозаборных сооружений и сток из «водохранилища» меньше притока подземных вод за счет фильтрационного питания, и расходованием накопленного объема подземных вод в маловодные периоды. Таким образом, происходит искусственное регулирование подземного стока в сезонном или многолетнем разрезе с целью его накопления и планомерного использования, и в этом случае под эксплуатационными запасами подземных вод следует понимать как расход подземного потока, так и его объем, возможный к использованию.

Аллювиальные водоносные горизонты, сложенные песчано-гравийно-галечными отложениями, имеющие значительные уклоны, высокие фильтрационные параметры и небольшую мощность (до 10 м), не могут в естественных условиях служить в качестве надежного источника водоснабжения из-за неравномерности внутригодового стока рек с минимумом в меженные у периоды, а большая часть подземного стока теряется. Именно в таких условиях наиболее целесообразно создание подземного водохранилища. Этому благоприятствуют небольшая ширина долины (до 1000 м) и то обстоятельство, что водовмещающие породы залегают на слабопроницаемом основании. Осуществив перехват подземного стока на участке водозабора с помощью подземной плотины, объем эксплуатационных запасов подземных вод можно значительно увеличить. Этот способ особенно незаменим, если в районе кроме маломощного аллювиального водоносного горизонта отсутствует другой источник водоснабжения.

Опыт использования систем РПС на водозаборах Приморского края в сложных природно-климатических условиях и, особенно, при относительно малой мощности зоны аэрации показал их высокую эффективность. Однако,при строительстве подземных водохранилищ должна обеспечиваться возможность активного управления их водным балансом. Это должно исключать возможности подтопления территории и, в частности, инженерных сооружений на ней, а также исключать возможность недопустимого снижения уровней подземных вод на участках, расположенных ниже водохранилища.

Таким образом, при строительстве подземных водохранилищ одним из основных требований является создание таких технологий, которые бы обеспечивали регулируемую проницаемость барражей, возводимых в водоносном горизонте в поперечном створе речной долины. Только в этом случае появляется возможность в зависимости от уровня подземных вод в водохранилище, и ниже его, уменьшать или увеличивать размеры барража и, соответственно, изменять величину оттока подземных вод из водохранилища.

При создании водохранилищ в долинах малых рек повышаются уровни подземных вод и в маловодный период, характеризующийся снижением уровня воды в реке, могут существенно возрастать непроизводительные потери из водохранилища за счет повышения интенсивности разгрузки подземных вод в реку. Причем такие потери подземного стока при относительно малой мощности водоносного горизонта (до 10м) и зоны аэрации приводят к быстрой сработке искусственно сформированных запасов, что обусловливает возникновение дефицита водоотбора из водохранилища к концу маловодного периода и возникновение угрозы чрезвычайной ситуации, связанной со снижением водоотбора. В таких условиях следует применять специальные мероприятия по регулированию интенсивности разгрузки подземных вод из водохранилища, в частности, создание водоподпорных сооружений в русле реки на участке инфильтрации.

Ранее отмечалось, что для создания подземных водохранилищ необходимо сооружение подземных подпорных сооружений из водонепроницаемого материала – противофильтрационных экранов (барражей), расположенных перпендикулярно подземному потоку. С экологической точки зрения это не всегда допустимо. Прежде всего, это предопределяет инертность всей системы регулирования стока, невозможность оперативного управления гидрогеологическим режимом. В частности, увеличение площадной инфильтрации в верхнем бьефе водохранилища, при выпадении большого количества осадков в период прохождении летних тайфунов в случае переполнения «свободной» емкости может привести к резкому повышению уровней подземных вод на отдельных участках и их заболачивание. Требования экологической безопасности при регулировании подземного стока могут соблюдаться только при условии возможности управления режимом сброса подземных вод за пределы водохранилища – ниже барража. Это особенно актуально при регулировании стока в относительно маломощных водоносных горизонтах, регулирующая емкость в которых обычно невелика.

При необходимости сезонного регулирования подземного стока целесообразно применение воздушных барражей в водоносном горизонте в поперечном сечении долины реки в створе ниже водозабора. При этом увеличение эксплуатационных запасов подземных вод месторождения и возможность соответствующего увеличения водоотбора достигается за счет сокращения величины оттока подземных вод с эксплуатируемого участка по водоносному слою и снижения, таким образом, расходной части баланса создаваемого водохранилища.. Временно действующее подземное водохранилище с сезонным регулированием целесообразно создавать в аллювиальных водоносных горизонтах с целью надежного обеспечения требуемого водоотбора в маловодные периоды года, в частности, в зимний период, в том числе и долинах временно действующих водотоков – периодически перемерзающих или пересыхающих.

Воздушный барраж создается за счет закачки воздуха, например, воздуходувной станцией в водоносный горизонт при относительно равномерном распределении воздуха в его поперечном сечении. При этом воздух частично или полностью заполняет поры пород водоносного горизонта, чем обеспечивает их непроницаемость для воды. В результате образуется противофильтрационная завеса, обеспечивающая подпор уровней на выше расположенном участке водоносного горизонта. С этой целью в предварительно выбранном створе устанавливаются воздухопоглощающие устройства (Патент РФ № 2244785,авторы Голованов Б.Е., Головин В.Л.), например, ряд нагнетательных скважин или нагнетательная дрена, воздухопроводом соединенная с воздуходувной станцией.

Наиболее благоприятные условия создания такого барража возникают при наличии над водоносным горизонтом слабопроницаемых покровных отложений.

Временно действующие водохранилища при необходимости регулирования подземного стока только в холодный период года, можно создавать за счет образования мерзлотного барража в поперечном створе водоносного горизонта ниже участка активного водоотбора (Патент РФ № 2249084, авторы Головин В.Л., Голованов Б.Е.). С этой целью в указанном створе устанавливается трубчатый теплообменник, выполненный, например, в виде спаренных труб из теплопроводного материала, соединенных посредством вертикальных разновысоких стояков с атмосферой.

Такой барраж в водоносном слое способствует сокращению расходной части баланса подземных вод на участке водоотбора и повышению уровней подземных вод за счет их накопления. При этом появляется возможность увеличения водоотбора в зимний период ориентировочно на величину снижения оттока подземных вод из временно действующего водохранилища.

Таким образом, применение подземных водохранилищ с воздушным или мерзлотным барражем в маломощных водоносных горизонтах речных долин позволяет обеспечивать сезонное накопление подземного стока, а, следовательно, наладить бесперебойную подачу воды потребителям и исключить возможность возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с вынужденным снижением или полным прекращением подачи воды населению. Предложенные технологии позволяют также исключить вероятность подтопления территории водохранилища в его верхнем бьефе, поскольку обеспечивается возможность активного регулирования проницаемости таких барражей. Кроме того, исключается и недопустимое осушение водоносного горизонта ниже участка размещения подземного водохранилища. Регулирование проницаемости барража позволяет в соответствии с положением уровня подземных вод увеличивать или уменьшать их отток за пределы водохранилища, что невозможно при использовании известных технологий регулирования гидрогеологического режима.

В результате анализа современного состояния проблемы установлено, что чрезвычайные ситуации, вызванные сезонными перебоями в водоснабжении из-за нехватки подземных вод аллювия – это рядовое явление в отечественной и мировой практике.

Теоретические исследования с применением метода активного регулирования подземного стока показывают, что создание временно действующих барражей действительно обеспечивают дополнительные запасы воды без нанесения экологического ущерба, позволяющие предупреждать чрезвычайные ситуации в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения.

1. 
   Земляной В.В., Леонов Б.В., Голованов Б.Е. Особенности гидрогеологических исследований при оценке запасов подземных вод в долинах рек со сложными шуголедовыми условиями.//Инженерно-строительные изыскания, МосЦТИСИЗ. – М.: Стройиздат, 1981, №1(60). - С.30-33.
   
2. 
   Головин В.Л., Голованов Б.Е., Леонов Б.В. Расчет водозаборов при регулировании подземного стока.//Тр. Дальневосточного отделения Российской инж. Академии, вып.7. – Владивосток: ДВГТУ, 2003. - С.175-178.
   
3. 
   Головин В.Л., Голованов Б.Е. Регулирование подземного стока при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений. – Владивосток: ДВГУ,2004.- 79 с.
   
4. 
   Головин В.Л., Голованов Б.Е. Регулирование гидрогеологического режима в подземных водохранилищах.//Проблемы мелиорации и водного хозяйства на Дальнем Востоке. – Владивосток: ФГУП ДальНИИГиМ, 2004. - С.147-162.
   
5. 
   Головин В.Л., Земляной В.В., Голованов Б.Е. Опыт искусственного пополнения запасов подземных вод на водозаборах Приморского края.//Проблемы мелиорации и водного хозяйства на Дальнем Востоке. – Владивосток, ФГУП ДальНИИГиМ, 2004.-С.229-250.
   
6. 
   Голованов Б.Е. Основные принципы и особенности создания подземных водохранилищ.//Вестник отделения строительных наук. Выпуск 1. – Владивосток, ФГУП «Дальнуака» ДВО РАН, 2005. – С. 87-89
   
7. 
   Головин В.Л., Голованов Б.Е. Экологически безопасные подземные водохранилища для бесперебойного водоснабжения.// Вестник отделения строительных наук. Периодическое научное издание. Выпуск 10. – Владивосток, ФГУП «Дальнуака» ДВО РАН, 2006. – С. 108-112.