22675 (Хозяйственно-питьевое водоснабжение)

Хозяйственно-питьевое водоснабжение

Р.С. Штенгелов

Одна из критически важных основ жизнедеятельности человека, особенно для городских поселений.

Три составные части проблемы водообеспечения населения (водоснабжения):

1) планирование водопотребления и управление водными ресурсами - водное хозяйство (параллельно студенты слушают курс "Водное хозяйство")

2) изыскание и оценка обеспеченных источников водоснабжения - гидрогеологи (подземные воды), гидрологи (поверхностные воды)

3) техническое обеспечение работы водозаборных сооружений и водоразборной сети - коммунальное хозяйство.

Мировой опыт водоснабжения: подземные воды преобладают в структуре водообеспечения (50-75%, до 100%) практически во всех европейских странах (включая Прибалтику, Украину и Белоруссию), в США, Китае (более 1 млрд. человек !), в странах аридной зоны (Тунис, Йемен, Саудовская Аравия и др).

Россия: подземные воды - около 15 млн. куб.м/сут (~ 45%).

К настоящему времени в России разведано около 4000 месторождений подземных вод с потенциальными эксплуатационными возможностями 90 млн.куб.м/сут, т.е. в среднем по стране примерно 0.6 куб.м/сут на 1 человека. Реально эксплуатируется 1500 месторождений с общим водоотбором около 20% от разведанной величины. Преобладают мелкие месторождения - порядка 5 тыс.куб.м/сут.

Доля подземных вод в водоснабжении городских поселений - около 35-40%; для сельских населенных пунктов - около 85%. При этом - чем крупнее город, тем, как правило, меньше доля использования подземных вод: для крупных городов (более 100 тыс.) она составляет уже только около 29%, а в наиболее крупных городах (с населением более 250 тыс.чел) в половине случаев используются только поверхностные воды (Москва, С.-Петербург, Н.-Новгород, Екатеринбург, Омск, Ростов н/Дону, Владивосток ...).

Такая ситуация свойственна для большинства крупных городов мира и объясняется вполне прозаическими экономическими причинами. Для получения необходимого объема подземных вод питьевого качества (для водообеспечения большого города - несколько миллионов куб.м в сутки) требуется задействовать целую группу крупных месторождений на значительных площадях. Они должны быть достаточно удалены от городской территории, чтобы возможно было организовать эффективную санитарную охрану водозаборных сооружений. Создание протяженных (десятки километров) магистральных водоводов большого сечения для перегона добываемой воды в город требует огромных капитальных и эксплуатационных затрат; немаловажными в таких случаях становятся и вопросы землеотвода под такие крупные линейные инженерные сооружения.

Для примера - Москва: потребление около 5 млн.куб.м/сут. 98% за счет поверхностных вод. В будущем предполагается постепенный перевод водоснабжения на подземные источники - разведаны 4 группы месторождений (в основном, в черте Московской области) на удалении порядка 100 км каждая.

Почему же в большинстве стран мира отдают явное ПРЕДПОЧТЕНИЕ ПОДЗЕМНЫМ ВОДАМ в деле организации водоснабжения ?

существенно более высокая защищенность от естественных и техногенных загрязнений (хотя и далеко не абсолютная - сейчас около 30-40% действующих подземных водозаборов обнаруживают признаки техногенного загрязнения),

более высокая зарегулированность внутригодового и многолетнего режима стока,

Совсем свежая иллюстрация: лето-осень 2003 г. Циклоны старательно обходят стороной Приморье; в крае - засуха. Уровни в поверхностных водохранилищах на 6-7 м ниже ординара, подача воды в систему водоснабжения краевого центра (г.Владивосток) критически сокращена. Население круглосуточно стоит в очередях ... к родникам, которые продолжают нормально функционировать.

Подземные воды - мощнейшая естественная буферная система !

технологическая устойчивость системы эксплуатационного отбора подземных вод независимо от времен года, что немаловажно для большинства климатических провинций с суровой зимой, значительно осложняющей работу водозаборов из поверхностных водоисточников,

возможность магазинирования ("заготовки впрок") с помощью компактных систем искусственного пополнения запасов - более экономичных, простых в эксплуатации и экологически "безобидных" по сравнению с поверхностными водохранилищами; при этом - естественное улучшение качества воды при фильтрации через водовмещающие породы.

ЗАПАСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОГРАНИЧЕНЫ.

Хотя в объеме гидросферы Земли подземные воды составляют около 45% (а поверхностные - только 0.1%), но по стоку картина не в их пользу.

Интересный показатель для стоковых объектов - срок возобновления воды, т.е. время, необходимое для перемещения воды от области формирования потока до области его разгрузки. Для поверхностных водотоков в среднем по земному шару срок возобновления воды составляет 16 суток, а для потоков подземных вод - 1.5 тысячи лет ! Конечно, можно сомневаться в корректности последней цифры (неясно, о каком интервале гидрогеологического разреза идет речь), тем не менее сравнение весьма показательное.

Ограниченность количества подземных вод требует особого внимания к их эксплуатации и охране, чтобы предотвратить истощение и загрязнение. В России основной официальный защитный механизм: лицензирование отбора подземных вод в пределах величины эксплуатационных запасов, которые специально рассчитываются для каждого водозабора и утверждаются, т.е. учитываются государством в водохозяйственном балансе регионов.

Отсюда вытекает одна из важнейших проблем прикладной гидрогеологии: ОЦЕНКА (ПОДСЧЕТ) ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД. Это одно из наиболее развитых направлений приложения труда специалистов-гидрогеологов. Пожалуй, можно смело говорить о существовании крупного самостоятельного раздела прикладной гидрогеологии - разведочной гидрогеологии. Для территории Советского Союза (ныне России, стран СНГ и Прибалтики) накоплен огромный опыт оценки эксплуатационных запасов (далее ЭЗ) подземных вод в различных геолого-структурных и физико-географических условиях их формирования. Существует обширная научная и методическая литература, разработаны и совершенствуются нормативные документы, регламентирующие постановку работ по оценке и учету эксплуатационных запасов подземных вод. Все эти документы практикующий гидрогеолог должен знать и изучать по мере их модернизации. Однако, в нашем учебном курсе мы будем лишь обозначать основные организационные принципы постановки работ, сосредотачиваясь, главным образом, на природных балансово-гидрогеодинамических закономерностях формирования ЭЗ и на существующих методах их оценки.

Постановка задач оценки ЭЗ подземных вод

Следует различать две основные формы выполнения работ по оценке ЭЗ.

Региональная оценка - необходимо подсчитать потенциальный максимум водоотбора для некоторой заданной территории (гидрогеологической структуры, промышленного или административного региона и т.п.). Такие работы выполняются не часто; их заказчиком обычно выступают федеральные или региональные органы генерального планирования развития территорий. При подсчете размещение водозаборов по площади может быть принято в различных вариантах:

а) система водоотбора определена заказчиком и включает, как правило, большинство фактически существующих водозаборов плюс некоторое количество перспективных, в соответствии с планами развития оцениваемой территории;

б) по результатам работ должна быть рекомендована некая оптимальная (в технико-экономическом и водохозяйственном отношении) система водоотбора, наиболее эффективно реализующая эксплуатационные возможности территории;

в) конкретная система водоотбора не определена и он принимается рассредоточенным по всей оцениваемой площади. Предполагается, что в такой постановке оценивается абсолютный максимум эксплуатационных возможностей территории, однако ценность такого подсчета весьма сомнительна в силу нереальности инженерного воплощения подобной системы водоотбора. Такую постановку можно рассматривать как вспомогательную (начальное приближение) при решении задачи по варианту б).

Локальные оценки - в этом случае исходной, заданной величиной является требуемый дебит водозабора (заявленная потребность); в качестве заказчика чаще всего выступает местная, территориальная администрация или конкретная водопотребляющая организация.

Далее подрядчик (гидрогеологическая организация, имеющая лицензию на выполнение соответствующих работ) предпринимает специальный комплекс полевых и камеральных работ (ПРР) для получения достаточного объема необходимой информации, на основе которой и производится подсчет эксплуатационных запасов.

Что такое ?

Сам термин заимствован у твердых (рудных и нерудных) полезных ископаемых, однако существует принципиальная разница: для твердых ископаемых запасы измеряются объемом или весом полезного компонента; для подземных вод мерой эксплуатационных запасов является дебит, т.е. постоянное во времени количество воды, извлекаемое водозабором. Размерность ЭЗ - куб.м/сут.

Классическое определение:

ЭЗ - ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ (ДЕБИТ) РАЦИОНАЛЬНОГО В ГЕОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОМ ОТНОШЕНИИ ВОДОЗАБОРА ПРИ УСЛОВИИ СОБЛЮДЕНИЯ ЗАДАННЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ ПО РЕЖИМУ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ.

Суть ограничений, предъявляемых к режиму эксплуатации водозаборов, мы подробно рассмотрим позднее, а сейчас важно подчеркнуть, что в результате выполнения ПРР исполнитель-гидрогеолог должен определить:

количество скважин

точки их расположения

их конструкцию (положение фильтров, диаметры)

размер "охранной" зоны

при этом должно быть доказано (с экспертизой и защитой), что:

именно это количество скважин

данной конструкции

расположенных в данном месте

в течение заданного времени

будет давать требуемую постоянную производительность Q_Э (это и есть ЭЗ), причем

- понижения уровней нигде не превысят критических значений

- вода по показателям качества будет отвечать назначению (хозяйственно-питьевое использование)

- влияние водоотбора на природную среду будет "терпимым" (согласованным с органами надзора).

В ходе ПРР оцениваются также условия строительства и эксплуатации водозабора как инженерного сооружения, решаются вопросы землепользования, проведения оздоровительных мероприятий в зоне санитарной охраны и т.п. Всю эту сложную работу, требующую комплексного участия специалистов самого разнообразного профиля, организует гидрогеолог, поскольку конечная цель исследований, несомненно, гидрогеологическая - оценка эксплуатационных запасов подземных вод.

Основной принцип организации ПРР - стадийность

Идея стадийной организации работ очевидна - последовательное приближение к "истине". Результаты работ на каждой стадии анализируются и обсуждаются, после чего составляется проект работ на следующую стадию, учитывающий выявленные геолого-гидрогеологические особенности. Названия, количество стадий периодически пересматриваются, но логика постановки исследований, последовательностей целей не меняется.

Важным начальным этапом изучения территорий является РЕГИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА их потенциальных эксплуатационных возможностей (т.н. прогнозных ресурсов пресных подземных вод). Эта достаточно трудоемкая и затратная работа чрезвычайно полезна с точки зрения рационального управления использованием подземных вод. Конечно, по логике такой работой должно начинаться освоение перспективного, но малоизученного региона; фактически же такие работы чаще всего проводятся для интенсивно освоенных регионов, уже на фоне активно развитой системы многолетней эксплуатации подземных вод. Целями проведения региональной оценки (переоценки) прогнозных ресурсов являются:

а) выявление региональной неоднородности потенциальных возможностей использования подземных вод,

б) для малоизученных регионов - предварительная оценка абсолютных величин прогнозных ресурсов подземных вод, а для освоенных районов с действующими водозаборами - сопоставление потенциальных возможностей с фактическими величинами водоотбора, выявление "дефицитных" и "профицитных" площадей с целью упорядочения и оптимизации существующего и перспективного использования подземных вод.

Одна из последних работ такого назначения - региональная переоценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод центральной части Московского артезианского бассейна по состоянию на 2002 г. Переоценка выполнена, в основном, для каменноугольных водоносных горизонтов на площади около 60 тыс. кв.км; общее количество учтенных эксплуатационных скважин на территории Московской области и города Москвы составило почти 9000.

При ЛОКАЛЬНЫХ ОЦЕНКАХ принята такая последовательность стадийного изучения:

ПОИСКИ: чаще всего по фондовым материалам; в случае значительной заявленной потребности в малоизученных районах могут быть предприняты полевые работы регионального характера (напр., среднемасштабная гидрогеологическая съемка).

Цели ПРР на этой стадии:

- обоснование выбора основного водоносного горизонта (т.е. достаточного по своим свойствам для удовлетворения заявленной потребности, по возможности неглубоко залегающего, но при этом защищенного от поверхностных загрязнений),

- обосновать выбор перспективного района, т.е. такой площади в пределах области распространения основного водоносного горизонта, где наиболее вероятно могут быть выявлены месторождения подземных вод, достаточные для удовлетворения заявленной потребности,