ГЛАВА V. СОХРАНЕНИЕ И УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ВОДОЗАБОРАХ

ГЛАВА V. СОХРАНЕНИЕ И УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ВОДОЗАБОРАХ
Сохранение и улучшение качества воды, а также ее очистка имеют сейчас общенародное, общегосударствен­ное значение. Достигается это не только (и не столько!) на водоочистных станциях, но и путем реализации водо­охранных мер. Поэтому устройство водозаборов рассмат­ривается во взаимосвязи с общей задачей сохранения водных ресурсов. Так, в планах переброски части стока северных рек СССР в бассейн Волги одной из важных задач является улучшение качества воды в Волге.

Известно, что качество воды в источниках водоснаб­жения не остается постоянным, оно изменяется по сезо­нам года, месяцам и даже по часам суток. Очевидно, что и режим работы водозаборов, их конструкция, техноло­гия отбора воды должны быть в подчиненной форме увязаны с качеством воды в источнике. Следует заме­тить, что вопросы улучшения качества воды непосредст­венно на водозаборах сопутствуют инженерной практи­ке на всем протяжении развития систем централизован­ного водоснабжения. Применение фильтрующих тканей и песчаных фильтров на раструбных водоприемниках, фильтрующей обсыпки на оголовках, устройство водо­приемников в толще береговых аллювиальных отложе­ний (инфильтрационные водозаборы) и другие методы улучшения качества воды предшествовали применению специальных водоочистных сооружений. Однако по мере увеличения мощности водопроводов и, следовательно, отбираемых расходов воды, развития технологии ее очистки и создания для этой цели специальных сооруже­ний главным предназначением водозаборов становилось обеспечение бесперебойного отбора воды из источника, а улучшение ее качества полностью перенесено на водоочистные станции. Многолетняя практика эксплуатации водозаборов в различных условиях свидетельствует о том, что функции очистки воды в определенном соотно­шении могут быть распределены между водозаборами и водоочистными станциями с одновременным получением хорошего технологического и экономического эффекта. В связи с этим сопоставление качественных показателей воды в источнике и перед смесителем водоочистной стан­ции должно быть одним из главных критериев оценки эффективности работы водозабора (наряду с беспере­бойностью подачи воды), определяющих надежность во­доснабжения как в техническом, так и в санитарном от­ношении.

Регулирование качества воды на водозаборах воз­можно прежде всего по следующим показателям: плава­ющие и влекомые вещества, водные организмы; мут­ность (взвешенные вещества); содержание планктона; количество бактерий; температура воды.

Задача улучшения качества воды на водозаборах имеет особую актуальность применительно к районам Крайнего Севера, где строительство и эксплуатация во­доочистных станций крайне затруднены, в связи с чем до недавнего времени здесь не было станций очистки по­верхностных вод и сейчас имеется небольшое их число. По этой причине на Крайнем Севере довольно распро­странено водоснабжение за счет привозной воды, достав­ляемой за 20...30 км.

На Севере построено большое число морских водоза­боров в основном промышленного назначения. Попытки использования морской воды для хозяйственных целей, например в Певеке, пока не дали надежных результатов. Себестоимость привозной воды примерно в 4 раза ниже, чем опресненной. Чаще всего речную воду используют на Севере после отстаивания ее в земляных отстойниках или пойменных водохранилищах и обеззараживания. Особое значение в этих условиях, учитывая, что приро­да Севера легко уязвима, приобретают водоохранные меры, позволяющие сохранить природное качество воды. Например, в Магаданской области длительное время обеспечиваются благоприятные санитарные условия для непосредственной подачи воды потребителям с водоза­боров на р. Иультин и ее притоках (Теплый, Кюэль-Сие-на, Талая и др.). Каменистое русло этих рек и впадаю­щих в них ручьев, родниковое питание из межмерзлотных пород обеспечивают ничтожно малую мутность, слабую минерализацию и стабильную температуру во­ды (3...5°С). Аналогично с этим осуществляется водо­снабжение из проточных озер Кедровое, Глубокое, Хед, Сольвейг и др.
1. Использование природных факторов для сохранения качества воды на водозаборах
В комплексе мероприятий по защите рек от истоще­ния и загрязнения важная роль отводится защитным лесным насаждениям и естественным лесам, произраста­ющим по берегам рек и на их водоразделах. Защитные лесонасаждения, согласно рекомендациям Минсельхоза СССР [11], включают насаждения у истоков рек, на ко­нусах выносов и речных отмелях, а также вдоль рек (прирусловые полосы, создающиеся из двух-трех поя­сов). Первый пояс (берегоукрепительный) образуется посадками нескольких (чаще 2...3) рядов кустарниковых ив вдоль меженного уреза воды. Второй пояс (дренирую­щий) из тополей и древовидных ив размещают на поло­се между меженным и паводковым урезами воды в реке. Третий (противоэрозионный) формируют из засухоус­тойчивых пород и размещают выше паводкового уреза. Комплексное осуществление мер по охране вод и ле­соразведению позволяет не только сохранить качество воды малых рек, но и существенно улучшить его, что осо­бенно важно сейчас при интенсивной химизации земле­делия.

Эрозия почвы, размыв берегов рек, смыв с полей ор­ганических и минеральных удобрений (особенно вблизи водозаборов) сопровождаются изменением качественных показателей воды в источнике. Положительный резуль­тат здесь дают водорегулирующие лесные полосы в зо­нах санитарной охраны источников водоснабжения (рис. 60), которые, по рекомендации ВНИИ агролесомелио­рации, следует закладывать на склонах крутизной более 2°, а на участках с интенсивной водной эрозией — и на более пологих склонах. Трассировку полос осуществля­ют поперек склонов.

Рис. 60. Водорегулирующие лесные полосы в зонах санитарной охраны водо­заборов

а — лесная полоса с ограждающим валом; б — то же, с валом и канавой
Водорегулирующие лесные полосы обеспечивают за­держание поступающего с прилегающих территорий жидкого и твердого стоков и оказывают мелиоративное влияние на сельскохозяйственные угодья. Ширина полос около 15 м, а межполосных полей — 300...400 м. Водопо-глощение лесных полос увеличивается в 1,5...2 раза рас­пашкой почвы (2...3 прохода плуга) по нижней границе лесополосы с отвалом пласта в сторону леса. Образую­щийся при этом земляной валик высотой 0,3...0,4 м под-пруживает поверхностный сток, распределяет его более равномерно по площади лесополосы и таким образом увеличивает площадь и продолжительность инфильтра­ции. На склонах крутизной 3...8⁰ обвалование лучше производить совместно с устройством ограждающих ка­нав, выполняемых с помощью канавокопателей, хворос­тяных запруд и т. д.

В опытных водорегулирующих лесополосах ВНИИ агролесомелиорации описанные и другие способы обес­печивают увеличение водопоглощения на 20...22 %, су­щественно снижают мутность воды, улучшают ее орга-нолептические и другие показатели. Кроме того, такие лесополосы способствуют повышению урожайности сель­скохозяйственных культур на прилегающих полях.

Проектирование водорегулирующих лесозащитных полос должно стать составной частью проектов зон са­нитарной охраны источников водоснабжения. Надо учи­тывать, что создание таких полос на всем водосборном бассейне реки (в первую очередь это относится к малым рекам) обеспечивает наиболее рациональное использо­вание водных и земельных ресурсов в интересах водо­снабжения, а также сельского и лесного хозяйства. Ассортимент древесных и кустарниковых растений, агро­техника посадок определены «Временными рекоменда­циями» Минсельхоза СССР [11].

Большое значение для сохранения качества воды в источниках имеют лесозащитные полосы, препятствую­щие интенсивному размыву берегов, ветровой и водной эрозии склонов. Исследования М. Г. Рябышева показа­ли, что лесозащитные полосы шириной 30...45 м по бе­регам Истринского и Можайского водохранилищ систе­мы водоснабжения Москвы значительно очищают по­верхностный сток, снижая содержание взвешенных веществ более чем в 100 раз, аммиака — в 1,5...2 раза, бактериальное загрязнение воды — в 2 раза.

Улучшение качества воды в источниках требует не только посадки лесозащитных полос, но и ведения лес­ного хозяйства: восстановление и расширение лесов, ограничение вырубок, улучшение качественного состава насаждений, сохранение травяного покрова и подлеска. Примером комплексного подхода может служить лесо­защитная зона одного из источников водоснабжения г. Грозного.

Интересные эксперименты по влиянию лесов на ка­чество воды в источниках были проведены в США. В хо­де экспериментов установлено, что на безлесных водо­сборных площадках в воде малых рек концентрация солей кальция, магния, калия и нитратов в 4...5 раз больше, а сульфатов — в 1,5 раза меньше, чем на зале­сенных. Температура воды во втором случае ниже при­мерно на 7°С. Отмечено также, что лесные массивы, предохраняя реки от заиления и давая питательные вещества различным гидробионтам, дополнительно спо­собствуют улучшению (сохранению) качества природ­ных вод. Признано необходимым насаждение и сохране­ние лесозащитных полос шириной 10...30 м по обоим берегам рек.

Важным сейчас является сохранение лесозащитных зон и, следовательно, качества воды в источниках водо­снабжения на обширной, вновь осваиваемой территории Сибири и Крайнего Севера. Для обеспечения высокого качества воды в системах водоснабжения важную, а не­редко определяющую роль играет также сохранение (восстановление) природных факторов самоочищения. Так, необычайно чистая вода оз. Байкал обусловлена наряду с другими природными факторами жизнедея­тельностью мелких рачков-эпишур, обитающих в по­верхностном слое воды. Эти рачки пропускают неодно­кратно в течение года через себя байкальскую воду, фильтруя ее. Очевидно, нарушение экологического рав­новесия, способное ухудшить условия жизнедеятельно­сти рачков-эпишур, неизбежно повлечет ухудшение ка­чества воды в источнике и, следовательно, вызовет необ­ходимость дополнительной ее очистки.

Известно, что длительное пребывание древесины в воде ухудшает качество воды, в связи с чем запрещен сейчас сплав леса (как молевой, так и плотами) на большинстве рек нашей страны.

При водоснабжении из поверхностных источников очень часто упускается возможность использования большой положительной роли высших водных растений в формировании качества воды, особенно в искусствен­ных водотоках. Влияние данного фактора подтвержда­ется многолетними наблюдениями на Северокрымском, Большом Ставропольском и Саратовском каналах, на каналах Волга — Уводь, Иртыш — Караганда, Днепр — Донбасс и на многих каналах в Туркменской ССР и др. Роль этого фактора еще более возрастает в связи с пред­стоящей реализацией грандиозной программы переброс­ки части стока сибирских рек в европейскую часть стра­ны. В нашей стране и за рубежом проведены большие натурные исследования по улучшению качества воды под влиянием как естественной растительности, так и искусственных насаждений (О. П. Оксиюк, А. И. Ме­режко, Т. Ф. Волкова и др.). Установлено, что тростник и другие высшие водные растения активно извлекают из воды биогенные вещества, повышают содержание кислорода, затеняют и тем самым способствуют пони­жению температуры воды летом.

Наблюдения, проведенные на аварийном сбросе Се­верокрымского канала, включающего четыре заросших тростником каскада протяженностью 80 м каждый, вы­явили существенное снижение окисляемости, бактери­альной загрязненности и других показателей качества воды, а также увеличение ее прозрачности (табл. 11). Для улучшения качества воды р. Рейн (г. Крефельд, ФРГ) и р. Шпрее (Берлин) используют очищающую способность камыша озерного.

Таблица 11. Показатели качества воды сбросного канала

Места отбора проб на выходе из ступени	Планктон, кл/мл *106	Бихромат-ная окис-ляемость, мг О/л	Кишеч­ные па­лочки, в 1 мл	Прозрач­ность, см	МН4+, мгN/л
1-й	5	22,62		55	0,46
2-й	5,3	22,62	460	55	0,46
3-й	4,4	22,62	390	55	0,5
4-й	4,4	16,16	150	90	0,37

Развитие высшей водной растительности в каналах и естественных водотоках помимо прямого положитель­ного влияния на качество воды дает дополнительный эффект. Закрепляя русло и препятствуя его размыву, растительность предотвращает тем самым воду от повторного загрязнения. Все это подтверждает целесооб­разность создания специальных биоплато на каналах — источниках хозяйственно-питьевого водоснабжения и лрирусловых водоохранных полос на естественных во­дотоках.

Комплексный подход к проблеме сохранения и улуч­шения качества природных вод сейчас, когда приняты кодексы законов об охране вод и лесов, является вопло­щением в жизнь природоохранных мер с конкретным народнохозяйственным эффектом — сокращением расхо­дов на очистку природных вод для хозяйственно-пить­евого водоснабжения с одновременным повышением на­дежности обеспечения качества питьевой воды.

2. Сохранение качества воды на водозаборах из малодебитных источников
Сохранение водных ресурсов, предотвращение за­грязнения поверхностных и подземных вод особо важное значение имеют на малодебитных источниках (малых реках). Водоснабжение из малодебитных поверхностных источников (особенно в предгорных и горных районах) имеет специфику в технологии забора воды и в улучше­нии ее качества. Обусловливается это большой неравно­мерностью поверхностного стока, обилием донных и взвешенных наносов, резкими колебаниями мутности во­ды и др.

Положение нередко усугубляется отрицательными последствиями антропогенного воздействия: вырубка ле­са в бассейнах водосбора, лесосплав, распахивание зе­мель и т. д. (Челябинск, Анжеро-Судженск, Рубцовск и др.). Имеется много положительных примеров, когда охрана водных источников от загрязнения становится составной частью, основой осуществления комплексных природоохранных мер (водозаборы Владивостока, Про-копьевска-Киселевска, Грозного, Новороссийска, Сверд­ловска, Уфы и др.), позволяющих определить рацио­нальный подход к решению задачи водоснабжения в комплексе общей проблемы охраны окружающей при­родной среды.

Применение на малодебитных источниках общепри­нятых в настоящее время методов отбора воды и ее очистки сопряжено с большими капитальными затрата­ми и при этом не всегда обеспечивает требуемую надеж­ность водоснабжения как в отношении количества, так и качества воды. Подтверждается это многими приме­рами из практики водоснабжения на Кавказе, в Сред­ней Азии, на Крайнем Севере, Камчатке, Сахалине и др. Очень часто малодебитные ранее используемые источни­ки, если не покрывают даже 50 % водопотребления, не принимаются в расчет при проектировании новых или расширении действующих систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. Привлечение крупных водоисточников, укрупнение головных сооружений водопроводов вполне оправдывают себя, если они наряду с экономичностью проектных решений обеспечивают также требуемую степень надежности водоснабжения. Но даже и в этих случаях не должна исключаться возможность использо­вания малодебитных источников в качестве основных или резервных. Это подтверждается практикой эксплуа­тации водопроводов в Орджоникидзе, Грозном, Дербен­те, Горно-Алтайске, Петропавловске-Камчатском, Юж­но-Сахалинске и многих других.

Опыт использования малых источников со всей оче­видностью доказывает во многих случаях, что более це­лесообразна не очистка воды, забираемой из уже за­грязненного источника, а максимальное использование природных факторов сохранения и улучшения качества воды в водотоках и водоемах начиная от их истоков, осуществление комплекса водоохранных мер, включая создание заповедных зон водопользования, ибо сохране­ние природных качественных показателей воды более экономично, чем их восстановление. Именно фактор со­хранения водных ресурсов в ряде случаев стал опреде­ляющим в размещении промпредприятий (Томск) и жи­лой застройки (Магадан). Такой подход полностью со­гласуется с дальнейшим расширением природоохранных мер в нашей стране, намеченных XXVI съездом КПСС. Одним из положительных примеров сохранения ка­чества воды в источниках является Чернореченский во­дозабор на р. Ди-Шеуда (Двойной родник) в г. Гроз­ном. В конструктивном и технологическом -отношении водозабор отличается простотой инженерных решений, обеспечивающей, однако, достаточно высокую санитар­но-гигиеническую и техническую надежность водоснаб­жения: простейшая подземная запруда в русле реки, берегового типа, вода из которых по трубопроводам от­водится в общую водосборную камеру, хлорируется и выше запруды в 10 м размещены три водоприемники. далее самотеком подается потребителям на расстояние более 5 км (рис. 61). Плотина создает небольшой под­пор подрусловых и поверхностных вод и тем самым обеспечивает сосредоточенный их отбор. Каждый из во­доприемников представляет собой шахтный колодец диаметром 2,2 м с водоприемным окном, перекрытым сороудерживающей решеткой, и с водоподводящим лот­ком. Лоток имеет длину 6 м и переменное (сужающееся к водоприемнику) сечение. На подходе к водоприемни­кам русловый поток перекрыт сороудерживающими сет­ками. Постоянное наблюдение, периодическая очистка сеток и решеток предотвращают попадание плавающих веществ в водопроводную систему. Интересен данный водозабор не только простотой конструктивных и техно­логических решений, но прежде всего водоохранными мерами, обеспечивающими надежное сохранение качест­ва природных вод на уровне ГОСТ 2874 — 82. Весь водо­сборный бассейн р. Ди-Шеуда включен в водоохранную зону водозабора. Сооружений и дорог в этой зоне нет, природопользование полностью подчинено целям водо­снабжения.

Речка Ди-Шеуда имеет родниковое питание. Много­численные родники (Алдынские ключи) с сосредоточен­ными и рассредоточенными выходами подземных вод у подножия сопок образуют четыре ручья с минимальным суммарным стоком более 100 тыс. м³/сут. Ручьи проте­кают в залесенных и покрытых травой ложбинах. Путь пробега воды от наиболее удаленных ключей до водо­приемников около 3,5 км. При отсутствии осадков по­верхностный сток Ди-Шеуды значительно сокращается, а дебит водозабора обеспечивается в основном подрусловым стоком в аллювиальных отложениях. Выходы родников, ручьи, русло самой речки тщательно прочищают, так что по­верхностные воды на всем пути от родников до водоприемников имеют контакт только с аллюви­альными песчано-гравий-ными отложениями и не претерпевают никакого загрязнения. В зонах рас­средоточенного выхода подземных вод выполне­на сеть водосборных и водоотводящих борозд, площадки между которы­ми (карты) пропалывают для предотвращения за­грязнения воды при отмирании и перегнивании трав. Весь бассейн водосбора площадью около 400 га покрыт лиственным лесом с густым подлеском и сплошным тра­вяным покровом. В таких условиях даже дождевой по­верхностный сток не создает больших потоков, не вызы­вает эрозии почвы и не приносит в источник существен­ных загрязнений.

Санитарно-эпидемическая надежность водоснабже­ния в данном случае прошла длительную проверку, во­дозабор действует около 50 лет. Контроль качества во­ды здесь осуществляют помимо обычных лабораторных методов также биотестированием. В акватории водоза­бора и выше по течению от водоприемников постоянно находится 20...30 особей стерляди. Отдельные особи присутствуют даже в водосборной камере. Контроль за их состоянием и поведением позволяет своевременно установить непредвиденное загрязнение источника. Се­бестоимость воды на этом водозаборе в десятки раз меньше, чем на традиционных открытых водозаборах с водоочистными станциями.

Аналогичный водозабор действует в системе группо­вого водопровода для Дербента и пос. Дагестанские Ог­ни (рис. 62). Этот водозабор имеет некоторое отличие от рассматриваемого выше водозабора в части устрой­ства водоприемников, которые представляют собой от­крытые водоприемные камеры — шлюзы, заполненные гравием. По дну водоприемных камер уложены перфо­рированные трубы, заканчивающиеся в водоотводящей камере. Вода из многочисленных родников и ручьев по­ступает в водоприемники, пройдя сороудерживающие решетки и сетки, фильтруется через гравийную загруз­ку и, как в предыдущем случае, самотеком подается по­требителям.

Дальнейшее развитие этих двух водозаборов осу­ществляется с применением скважин и использованием подземных вод нижележащих водоносных пластов.

Приведенные примеры подтверждают целесообраз­ность и практическую возможность сохранения и улуч­шения качества воды непосредственно на водозаборах из поверхностных источников. Такая возможность достига­ется только при комплексном осуществлении природо­охранных мер, направленных на сохранение водных ре­сурсов.

Описанный принцип водоснабжения может широко применяться во вновь осваиваемых районах нашей стра­ны, где требуются небольшие по производительности сооружения, простые в устройстве, но достаточно на­дежные в эксплуатации.

Если в аналогичных условиях не достигается качест­во воды по ГОСТ 2874 — 82, водозаборы данного типа мо­гут рассматриваться как сооружения предварительной очистки воды.

3. Некоторые особенности устройства и эксплуатации водозаборов с учетом улучшения качества воды
Задачу получения с водозабора воды высокого каче­ства следует рассматривать в трех аспектах: гидрологическом, конструктивном и технологическом.

Гидрологические факторы оказывают оп­ределяющее воздействие на содержание взвешенных ве­ществ в отбираемой воде, их должны учитывать еще на стадии выбора источника водоснабжения. Известно, что многие коммунальные водопроводы имеют два, а иногда и более источников водоснабжения. Контроль качества воды в источнике и взаимосвязь режимов работы водо­заборов дают возможность в определенное время отби­рать воду из источника с более высокими качественны-им показателями, облегчая тем самым последующую ее очистку и сокращая расход реагентов. Влияние гидроло­гических факторов на качество отбираемой воды в каж­дом конкретном источнике должны учитывать при выбо­ре створа и точки размещения водозабора в данном створе.

Расположение водоприемников (или во­доприемных отверстий), их устройство с учетом динами­ки руслового потока и закономерностей транспортирова­ния наносов позволяют не только предотвратить пере­бои в работе водозабора, о чем говорилось выше, но и обеспечить получение воды с минимальным содержани­ем взвеси и планктона. С этой точки зрения следует оценивать прежде всего место расположения водоприем­ника на выбранном участке реки. Вогнутый берег дает преимущества не только в отношении глубины потока, но и качества забираемой воды. Однако встречаются еще случаи, когда на водозаборах, расположенных у во­гнутого берега, при недоучете гидрологического факто­ра наблюдается обильное вовлечение наносов, затрудняющее очистку воды (Волгоград, Хабаровск, Барнаул и др.).

Так, водоприемник на одном из водозаборов из р. Амур, рас­положенный на расстоянии более 200 м от берега из условия обес­печения нужных глубин, оказался в полосе транспортирования на­носов. Реконструкция водозабора с приближением водоприемника к берегу (за пределы границы транспортирования наносов) позволила существенно облегчить работу водоочистной станции. Наличие не­скольких водоприемников на данном водозаборе позволяет манев­рировать заборами воды по сезонам года.

Еще более сложно решить вопрос расположения во­доприемника в безопасной в отношении наносов зоне на водохранилищах.

Для малых водозаборов простейшего типа (раструб­ные оголовки) заметный эффект улучшения качества во­ды дает расположение водоприемных отверстий (раст­руба) против течения реки (угол отвода речного потока а = 0°). Такие водоприемники применяют на горных ре­ках с расчетом использования инерционных сил потока, дающих экономию энергии на подъем воды. Но важно и то, что инерционные подъемники лучше других защи­щены от попадания в них наносов. По данным А. Е. Бе-лана [4], при а = 0° количество наносов, вовлекаемых в самотечные трубы, уменьшается в среднем на 40 % по сравнению с их количеством при перпендикулярном по­току расположении окон (а = 90°). Обязательным усло­вием при этом является превышение скорости речного потока и_а над входной скоростью водоприемника у_в, т. е.

Даже если место расположения водоприемника вы­брано верно, большой дополнительный эффект улучше­ния качества воды может дать маневрирование отбором по глубине потока: выше к поверхности — зимой, с боль­шей глубины — в период паводка. При этом важно обес­печить забор воды в той точке, где качество ее наилуч­шее. Достичь этого можно при наличии водоприемных отверстий на нескольких уровнях оперативным контролем качества воды, а также автоматической связью систем наблюдения за качеством и управлением водоприемны ми отверстиями.