ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ В ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ И ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОЗАБОРОВ

Для водоснабжения используются грунтовые или сравнительно неглубоко залегающие напорные воды, в которых при работе водо­забора пьезометрический уровень может быть снижен до глубин 150 — 200 м, что определяется технико-экономическими возможно­стями водоподъемных насосов.

Пресные подземные воды сконцентрированы главным образом в верхней части земной коры в зоне активного водообмена на глу­бинах до 600 м, редко глубже; ниже, в зоне замедленного подзем­ного стока, располагаются воды повышенной минерализации.

Месторождения пресных подземных вод, встречающихся в раз­нообразных типах геологических структур, отличаются источника­ми формирования их эксплуатационных запасов.

На формирование химического состава пресных подземных вод, имеющих современные, обычно не слишком удаленные области пи­тания, влияют многие природные факторы, основным из которых является физико-химическое взаимодействие воды с вмещающими породами разнообразного состава и структуры при движении воды от областей питания к участкам разгрузки или погружения водо­носного горизонта. Большое влияние также оказывает состав воды, поступающей в водоносный горизонт из различных источников пи­тания: за счет просачивания атмосферных осадков, разгрузки глу­бокозалегающих подземных вод, перетекания из других водонос­ных горизонтов через слабопроницаемые слои и литологические окна, привлечения речного стока, оросительных вод и др. Напри­мер, на участке берегового водозабора с искусственным пополне­нием запасов качество отбираемой воды формируется под влия­нием смешения подземных вод, поступающих со стороны речных террас, из реки и из инфильтрационного бассейна, а также с уча­стием физико-химического и биохимического взаимодействия этих вод с фильтрующей средой — аллювиальными и коренными от­ложениями, кольматирующей пленкой на дне бассейна. Химиче­ский состав и минерализация грунтовых вод, кроме того, зависят от климатических условий, характера почвенного покрова и расти­тельности, рельефа, густоты и врезанности гидрографической сети. Разнообразие гидрогеологических и природных условий опреде­ляет широкий диапазон изменения химического состава подземнцх вод по площади и по глубине водоносного горизонта, поэтому при изысканиях и разведке подземных вод для водоснабжения всегда проводится детальное изучение гидрогеохимических условий и со­става этих вод.

Даже в слабоминерализованных подземных водах отдельных районов отмечается высокое содержание некоторых нормируемых химических элементов — железа, фтора, бериллия, селена, строн­ция.

В составе природных пресных подземных вод в зависимости от содержания выделяют макрокомпоненты (концентрация от единиц до сотен миллиграммов на кубический дециметр) и микрокомпонен­ты (концентрация очень мала и редко составляет 1 — 5 мг/дм³). К макрокомпонентам, относительное содержание которых опре­деляет гидрохимический тип подземных вод, относятся хлориды, сульфаты, бикарбонаты, натрий, магний, кальций, калий, а к ми­крокомпонентам — бром, йод, фтор, бор, литий, стронций, медь, радий, уран. Кроме того, в заметных количествах могут содержать­ся в природных подземных водах ионы Н⁺, NO₃~, NO₂~, H₃SiO₄~, Fe²⁴-, Fe³⁺, Mn²+, сульфидные соединения, H₂S и HS~, органические вещества, газы, микроорганизмы (бактерии, простейшие, водорос­ли, грибы, вирусы, актиномицеты). При правильной конструкции и эксплуатации скважин взвешенные вещества, кроме микроорганиз­мов, в подземных водах обычно отсутствуют. Редкий случай об­наружения в водозаборных скважинах системы городского водо­снабжения асбестовых волокон, содержащихся в составе трещино­ватых палеозойских и докембрийских водовмещающих пород (шт. Нью-Джерси, США) указывает на необходимость детального изу­чения вещественного состава подземных вод, иногда даже с помо­щью электронного микроскопа.

Природные аномалии качества подземных вод отмечаются в районах, где подземные воды залегают в отложениях, обогащен­ных некоторыми неорганическими (ртуть, медь, железо, свинец, цинк, хлориды калия и натрия) и органическими (уголь, торф) ве­ществами. Ухудшение качества подземных вод наблюдается также на прибрежных участках речных долин, где постоянное или перио­дическое питание подземных вод обеспечивается речной водой, имеющей повышенные минерализацию и жесткость. Повышенную минерализацию имеют также подземные воды, контактирующие с солеными морскими водами, а также грунтовые воды в аридных и полуаридных областях, где испарение преобладает над осадка­ми, и в других районах.

Полученная при изысканиях по данным опытных откачек ха­рактеристика состава подземных вод в последующем при работе водозабора может измениться. В первую очередь это связано с ча­сто наблюдающейся гидрохимической неоднородностью водоносно­го горизонта и с подтягиванием при длительной эксплуатации под­земных вод из более удаленных участков водоносного горизонта, где вода имеет иной состав. Большую роль играют также вовлечение дополнительных источников питания в виде фильтрации из поверх­ностных водотоков и водоемов, усиление инфильтрации атмосфер­ных осадков и др., при этом могут поступать более минерализован­ные воды из нижележащих водоносных горизонтов, загрязненные поверхностные воды, соленые морские воды и т. д.

Понижение уровня грунтовых вод на участке водозабора изме­няет окислительно-восстановительную обстановку в осушенной ча­сти водоносного горизонта; это может привести, в частности, к уве­личению в воде концентрации сульфатов железа, кальция и маг­ния вследствие окисления содержащегося в породах тонкодисперс­ного пирита, как это произошло на водозаборе г. Энсхеде в Нидер­ландах.

На заторфованных и заболоченных участках вместе с пониже­нием уровня грунтовых вод происходит разложение органического вещества в породах, что способствует увеличению содержания в воде азотсодержащих веществ и железа, выносимого из пород в результате обогащения воды органическими веществами и СO₂. Так, на одном из приречных водозаборов в долине р. Северский Донец за время эксплуатации водозабора количество железа увеличилось с 0,2 до 5 — 8 мг/дм³. Здесь используются подземные воды трещино­ватых мелов, залегающих под аллювиальной толщей, сложенной (снизу вверх) мелкозернистыми песками, супесями и илистыми суглинками, содержащими до 10%, а на заторфованных участках — до 40% органических веществ.

Повышение минерализации отбираемых водозабором подземных вод в результате понижения уровня пресных подземных вод и внедрения (интрузии) соленых морских вод в водоносный гори­зонт неоднократно наблюдалось на островах и морских побережь­ях многих стран. Скорость продвижения границы между солеными и пресными водами к центру депрессионной воронки по мере сни­жения напоров или уровней подземных вод увеличивается; по со­общению Д. Ергенсона, в районе г. Хьюстон (шт. Техас, США) она достигает 200 м в год.

Для большинства типов месторождений пресных подземных вод характерна тесная связь с атмосферой, при этом одним из суще­ственных или даже главных источников питания являются атмо­сферные осадки и поверхностные воды. Эта связь при работе водо­забора усиливается, поэтому состав поверхностных вод (ливневых, талых, речных, ирригационных, озерных) оказывает большое вли­яние на качество подземных вод. При инфильтрации через зону аэрации поверхностные воды могут изменять свой состав, причем во многих случаях он несколько улучшается за счет удаления взве­шенных, эмульгированных и некоторых растворенных веществ в результате осаждения, сорбции, химических и биохимических пре­вращений. Однако в других условиях, например если зона аэрации сложена засоленными породами, инфильтрующиеся поверхностные воды обогащаются растворенными веществами и, поступая в водо­носный горизонт, ухудшают качество подземных вод. В последние десятилетия основной причиной ухудшения качества подземных вод стало поступление промышленных, сельскохозяйственных или коммунально-бытовых загрязнителей с поверхности земли, в связи _t с чем приобрели актуальность проблемы оценки естественной за­щищенности подземных вод и их охраны от загрязнения.