Как указывалось выше, в методическом отношении обоснование размеров ЗСО водозаборов подземных вод и санитарно-оздо-ровительных мероприятий в их пределах тесно связано с оценкой естественного и прогнозного качества подземных вод, привлекаемых водозабором. При этом выбор методов для решения этих задач определяется природной обстановкой в целом и гидрогеологическими условиями, а также схемой водозабора и характером хозяйственного использования окружающей территории. Большое значение имеет также методика разведки и оценки запасов подземных вод, выбор которой, в свою очередь, тесно связан с характером и сложностью гидрогеологических условий.
Сочетание различных методов обоснования ЗСО и оценки качества подземных вод в различных природно-хозяйственных условиях рассматривается ниже на примерах действующих и проектируемых водозаборов.
Пример 1. Глубокозалегающий напорный водоносный горизонт в песках. Для водоснабжения развивающихся старых и новых городов Западной Сибири в последнее время используются глубокозалегающие подземные воды Западно-Сибирского артезианского бассейна. Здесь на палеозойском складчатом фундаменте залегает мощный (до 3 тыс. м) осадочный чехол рыхлых отложений мезо-кайнозойского возраста, содержащий серию водоносных горизонтов и комплексов. В осадочной толще мезо-кайнозоя выделяются верхний и нижний гидрогеологические этажи, разделяемые толщей (до 750 м) водоупорных глинистых осадков олигоцен-туронского возраста, в кровле которой залегает чеган-ская свита глин. Нижний этаж, охватывающий основную часть осадочного чехла, сложен морскими и прибрежно-морскими отложениями (песчаники, аргиллиты, алевролиты, глины), содержащими горизонты высокоминерализованных и термальных подземных вод. Верхний этаж, имеющий мощность около 300 м, сложен континентальной пачкой пород олигоцен-четвертичного возраста, содержащей водоносные горизонты пресных вод.
Характерной особенностью континентальных олигоцен-чет-вертичных отложений является преобладание песчано-глинистых разностей пород и их пестрая ли-толого-фациальная изменчивость.
В континентальной песчано-глинистой толще выделены три основных водоносных горизонта, заключающих пресные воды (рис. 39):
1) четвертичный, мощностью 15 — 45 м в песчано-гравелистых отложениях поймы и надпойменных террас, не защищенный от поверхностного загрязнения;
Рис. 39. Глубокозалегающий напорный водоносный горизонт в песках:
1 — 3 — водоносные горизонты (1 — четвертичный, 2 — новомихайловский, 3 — ат-лымский); 4 — олигоцен-туронские глины; 5 — естественный уровень подземных вод; 6, 7 — напор в атлымском водоносном горизонте (6 — до эксплуатации водозабора, 7 — при эксплуатации водозабора с производительностью 70 тыс. м3/сут)
2) новомихайловский, в прослоях песка, залегающих на глубине 6 — 180 м, напор составляет в среднем 75 м, мощность и водообильность горизонта непостоянны. В кровле залегают глины, в подошве — многолетнемерзлые породы;
3) атлымский, приуроченный к пескам, имеет мощность 40 — 70 м, залегает на глубинах 200 — 240 м. Горизонт выдержан по мощности и литологическому составу, напор составляет 200 м, пьезометрические уровни устанавливаются на глубине 10 — 16 м от поверхности земли. В кровле горизонта залегают глины и многолетнемерзлые породы, в подошве — глины и алевриты чеган-ской свиты, имеющей региональное распространение. Питание горизонта осуществляется в долинах крупных рек, где местами отсутствуют многолетнемерзлые породы.
Для водоснабжения города проектируется водозабор, использующий подземные воды подмерзлотного атлымского водоносного горизонта.
На участке разведки мощность горизонта составляет 70 м, глубина залегания изменяется от 180 до 200 м, напор над кровлей пласта 180 — 200 м. Водопроводимость горизонта равна 1120 м2/сут, коэффициент пьезопроводности 4,9*105 м2/сут.
Производительность водозабора оценивалась с помощью гидродинамического метода применительно к неограниченному в плане водоносному горизонту для схемы линейного ряда скважин. При суммарном расходе водозабора 70 тыс. м3/сут, получаемом из 70 скважин, размещенных на двух параллельных линиях длиною по 5100 м (расстояние между линиями 200 м, между скважинами 150 м), в центре линейных рядов через25лет понижение напора составит 45 м, а в крайних скважинах — 42м. При размещении скважин в виде четырех параллельных линий длиною 2550 м (расстояние между линиями и скважинами в ряду 150 м) при такой же суммарной производительности водозабора понижения составят соответственно 52 и 48 м. При этом остаточный напор над кровлей горизонта все еще будет значительным (130 — 150 м). Это обстоятельство в сочетании с наличием в кровле горизонта мощной толщи слабопроницаемых мно-голетнемерзлых пород позволяет считать атлымский водоносный горизонт хорошо защищенным от поверхностного загрязнения.
Расчет размеров ЗСО выполнен аналитическим методом. Для первого варианта линейного водозабора в неограниченном водоносном пласте при наличии естественного потока подземных вод с уклоном r=0,001 размеры третьего пояса ЗСО следующие: г== = 2300 м; R=3800 м; L=r+R = 6100 м; d=5200 м. Для второго варианта водозабора, характеризующегося большей величиной нагрузки на 1 м длины ряда, размеры третьего пояса ЗСО составляют: r-=3200 м; R=4200 м; L=r+R = 7400 м; d=4300 м. Как видно из приведенных цифр, площадь ЗСО для рассматриваемых вариантов на длительный срок Гх = 25 лет практически одинакова. Граница второго пояса ЗСО по расчету характеризуется следующими размерами: для первого варианта г=160 м;
R = 230 м, L = 390 м; d=3260 м; для второго варианта г=330 м;
R = 370 м; L=700 м; d=1800 м. Однако, в связи с хорошей защищенностью водоносного горизонта, в данном случае можно не выделять второй пояс ЗСО и не назначать в его пределах мероприятий, направленных против микробного загрязнения используемого водоносного горизонта. Для всех поясов ЗСО основным защитным мероприятием против химического загрязнения должно быть запрещение бурения глубоких скважин (разведочных, эксплуатационных на нефть и др.). В пределах первого пояса ЗСО следует соблюдать все мероприятия, предусмотренные Положением о ЗСО [24].
Пример 2. Водозабор в неоднородном по гидрохимическим условиям неглубоко залегающем водоносном горизонте. Проектируемый водозабор предназначен для хозяйственно-питьевого водоснабжения нескольких небольших населенных пунктов, расположенных в степной местности; территория используется для выпаса скота, орошаемого и богарного земледелия. Население получает воду из неглубоких колодцев, в которых вода часто имеет повышенную минерализацию и загрязнена нитратами. Небольшая река, средний годовой расход которой составляет 340 л/с, зарегулирована водохранилищем, используемым для орошения. В реке средняя минерализация воды составляет 2,3 — 2,5 г/дм3, иногда и выше; содержание нитратов достигает 36, а нитритов — 12,5 мг/дм3. По данным разведочных работ, здесь на кристаллическом фундаменте залегают осадочные отложения мелового, палеогенового, неогенового и четвертичного возраста, имеющие общую мощность 120 — 190 м (рис. 40). Верхнемеловые отложения (трещиноватые мергели, реже пески) являются относительным водоупо-ром для вышележащих водоносных пород; палеогеновые отложения представлены песками и песчаниками; в верхней части толщи залегают углистые пески со слабопроницаемыми прослоями бурых углей и углистых глин, которые отделяют палеогеновый водоносный горизонт от вышележащего водоносного горизонта в неогеновых отложениях, представленных песками с прослоями глин и песчаников. Разделяющий слабопроницаемый слой имеет небольшую мощность и местами отсутствует. На неогеновых породах на водораздельных пространствах залегают среднесармат-ские глины и пески, верхнеплиоценовые — нижнечетвертичные глины и четвертичные элювиально-делювиальные суглинки и глины. В пойме рек и балок развиты аллювиально-делювиальные отложения, представленные суглинками и песками.
В районе водозабора водоносный горизонт приурочен к палеогеновым отложениям и нижней части неогеновых. Обводнены также четвертичные отложения на водораздельных склонах, а также аллювиальные и аллювиально-делювиальные образования в долинах рек.
Рис. 40. Гидрогеологический разрез по линии водозабора в неоднородном по гидрохимическим условиям неглубоко залегающем водоносном горизонте:
1 — четвертичный суглинок; 2 — неогеновая глина; 3 — неогеновый водоносный песок; 4 — палеогеновый песчаник; 5 — углистые пески с прослоями бурого угля и углистых глин; б — палеогеновый песок; 7 — палеогеновая глина; 8 — глинистый мергель позднемелового возраста; 9 — гранит; 10 — уровень подземных вод; 11 — разведочные скважины и минерализация воды, г/дм3; 12 — скважины водозаборные и минерализация воды, г/дм3
Подземные воды в палеогеновых и неогеновых породах тесно связаны. На участке водозабора полная мощность водоносного горизонта в неоген-палеогеновых отложениях составляет 53 м, эффективная мощность 35 м, водопроводимость 458 м2/сут, средний коэффициент фильтрации 8,6 м/сут.
Для оценки эксплуатационных запасов подземных вод на участке рассматриваемого водозабора применялось численное моделирование фильтрации. Модель охватывает большую территорию, где кроме рассматриваемого водозабора располагаются и другие проектируемые водозаборы. Для центральной и южной части территории на модели реализована схема из двух водоносных горизонтов с разделительным слабопроницаемым слоем. Для северной и северо-западной частей, где находится участок разведки рассматриваемого водозабора, на модели реализован один водоносный горизонт, объединяющий неогеновые, палеогеновые и меловые отложения; в речных долинах, кроме того, учитывался аллювиальный водоносный горизонт. На модели отражены взаимосвязь подземных вод с поверхностными водами, инфильтрация атмосферных осадков по долинам рек в аллювиальные и неогеновые отложения, питание основного водоносного горизонта «дождеванием» из четвертичных отложений через глинистые слои. Для рассматриваемого участка разведки характерна неоднородность подземных вод по общей минерализации и содержанию отдельных компонентов.
На формирование состава подземных вод аллювиальных и делювиальных отложений кроме климатических факторов влияют слабая дренированность водоносного горизонта в связи с преобладанием глинистых пород в разрезе и незначительным уклоном зеркала подземных вод, а также небольшая глубина залегания воды, способствующая ее интенсивному испарению в теплый период года. Вместе с тем для отдельных участков горизонта характерны хорошие условия инфильтрации атмосферных осадков и паводковых вод. На территории населенных пунктов и на площадях интенсивного применения навозных минеральных удобрений вблизи животноводческих объектов отмечена загрязненность подземных вод соединениями азота.
Взаимодействие указанных факторов определило пестроту химического состава и минерализации подземных вод аллювиальных отложений: обычно преобладают сульфатно-хлоридные натриево-кальциевые воды с минерализацией 1,3 — 2,2 г/дм3 при колебании минерализации от 0,7 до 6,3 г/дм3.
Подземные воды нижне- и верхнечетвертичных отложений, развитых на водораздельных склонах, также имеют неоднородный состав. Среди них преобладают сульфатные, бикарбонатно-сульфатные натриево-кальциевые воды; минерализация по площади изменяется от 0,8 до 11,3 г/дм3, чаще встречаются значения 2 — 3 г/дм3.
Качество подземных вод намеченного к эксплуатации горизонта неогеновых отложений также непостоянно по площади. Встречаются воды сульфатно-хлоридные, сульфатные натриево-кальциевые с минерализацией 2 — 3 (реже 3 — 5) г/дм3. Местами есть воды с минерализацией 0,5 — 1,5 г/дм3 хлоридно-сульфатно-бикарбонатного кальциево-магниевого и бикарбонатно-сульфат-ного натриево-кальциевого состава. Вблизи мест разгрузки вод четвертичных отложений, на отдельных участках развития аллювиальных отложений, в неогеновом горизонте встречаются ареалы вод повышенной (2 — 3 г/дм3) минерализации хлоридно-сульфатного натриево-кальциевого состава. Качество палеогеновых вод также неоднородно: минерализация по площади изменяется от 0,6 до 1,8 г /дм3.
В связи с гидрохимической неоднородностью водоносного горизонта при изысканиях большие усилия были затрачены на поиски участка с пресными подземными водами; последний был определен на расстоянии 0,5 км от реки (см. рис. 40), и здесь вначале был намечен водозабор из пяти скважин, размещенных по площадной схеме. Для проверки возможности ухудшения качества воды в водозаборе из-за привлечения минерализованных подземных вод с участка правобережной поймы был сделан контрольный расчет времени движения некондиционных минерализованных подземных вод от ближайшего «пятна» таких вод в аллювиальных отложениях и от реки к водозабору. При этом были использованы расчетные понижения уровня воды в скважинах и данные моделирования фильтрации. На карте гидроизогипс, построенной на прогнозный период, были выделены отдельные линии тока, соединяющие «пятно» и реку с водозабором и по «им выполнены расчеты по выражениям (107) и (108) с учетом изменения гидрогеологических параметров на отдельных участках линий тока. Поскольку время движения к ближайшим водозаборным скважинам оказалось равным пяти годам, т. е меньше допустимого срока, намеченное расположение водозаборных скважин было изменено, а водозабор был запроектирован в виде линейного ряда, причем ближайшая к «пятну» скважина удалена от него уже на расстояние около 1 км, что обеспечивает на расчетный срок защиту водозабора от подтягивания минерализованных вод по пласту. Однако эксплуатируемый водоносный горизонт, кроме того, плохо защищен от поступления загрязнений сверху — зона аэрации, сложенная проницаемыми песками, супесями и суглинками, имеет мощность не более 10 м. Для защиты подземных вод от поверхностного загрязнения на площади всех трех поясов ЗСО запрещено использование сельскохозяйственных удобрений и ядохимикатов, а также размещение участков орошения.
Граница первого пояса определена в 50 м от скважин (незащищенный горизонт). Размеры второго и третьего поясов ЗСО на время 400 сут и 25 лет определены графоаналитическим расчетам по методике, аналогичной описанному выше методу оценки времени движения к водозабору некондиционных вод. По результатам расчетов граница второго пояса должна быть удалена от водозаборных скважин на 200 м; граница третьего пояса, с учетом того, что на территорию ЗСО не должны поступать подземные, талые и дренажные воды с участков орошения, находящихся за ее пределами, отодвинута до линии водораздела между оврагами.
Пример 3. Безнапорный песчаный водоносный горизонт. Водозабор в виде линейного ряда скважин длиною 8 км с производительностью 50 тыс. м3/сут проектируется для хозяйственно-питьевого водоснабжения города, расположенного в 15 км к югу от водозабора. Здесь же находятся действующие городские водозаборы, часть из которых загрязнена, и вода отбирается только для технических целей.
Проектируемый водозабор размещен в низине в области слияния двух крупных рек; река вблизи водозаборного участка — приток одной из этих рек (рис. 41). Эксплуатируемый безнапорный водоносный горизонт приурочен к разнозернистым пескам аллювиальных верхне- и нижнечетвертичных отложений.
Гидроизогипсы имеют сложные очертания, что связано с движением подземных вод к двум расположенным под углом региональным дренам, а также с влиянием действующих водозаборов и сбросом сточных вод в некоторые из озер.
Для проектируемого водозабора актуален вопрос о возможности его загрязнения, так как промышленные сточные воды города отводятся в реку вблизи водозабора по коллектору, который начинается трубопроводом длиною 4 км, а затем переходит в открытый незакрепленный канал, проложенный на протяжении 3,7 км до верховьев реки. По каналу сбрасывается более 50 тыс. м3/сут в значительной степени очищенных сточных вод, однако раньше сточные воды почти не очищались, и это вызывало загрязнение подземных вод при инфильтрации стоков через русло и разливах сточных вод в периоды высоких уровней воды в реке. При изысканиях вдоль русла реки были пробурены разведочные скважины, по которым в подземных водах установлена повышенная до 14,9 мг-экв/л жесткость; содержание железа (общего) достигает 50, аммония 7, бензола 0,1, цианидов 0,12, формальдегидов 0,8 и нефтепродуктов 2,5 мг/л. Ширина зоны загрязнения вдоль реки достигает 500 м.
Рис. 41. Безнапорный песчаный водоносный горизонт:
а — план; б — разрез, 1 — скважины проектируемого линейного водозабора; 2 — действующие водозаборы; 3 — коллектор промышленных сточных вод; 4 — свалка промышленных отходов; 5 — гидроизогипсы на период изысканий и их отметки; 6 — то же, на расчетный срок эксплуатации водозабора и их отметки; 7 — линии тока при работе водозабора; 8 — расчетные точки для определения величины прогнозных понижений уровня; 9 — граница третьего пояса ЗСО; 10 — линия гидрогеологического разреза; 11 — аллювиальные отложения; 12 — отложения пермского возраста; 13 — уровень подземных вод; 14 — скважины проектируемого водозабора
Еще один очаг загрязнения подземных вод выявлен на участке свалки промышленных отходов, где складируется в основном кислый гудрон. По данным разведочного бурения и режимных наблюдений, здесь установлена повышенная до 8,4 г/л минерализация подземных вод, а также высокие значения содержания (в г/л) ряда компонентов: сульфаты 4,7; хлориды 1,6; аммоний 0,098; железо (общее) 0,018 г/л; окисляемость достигает 2,88 г/л. В воде обнаружены также нефтепродукты (до 50 мг/л), фенолы (до 0,15 мг/л), бензол (до 0,4 мг/л), цианиды (до 0,025 мг/л), формальдегид (до 0,05 мг/л) и ацетон (до 0,06 мг/л). В районе свалки загрязнения опустились на глубину до 70 м от поверхности, т. е. достигли подошвы водоносного горизонта. В плане ареал загрязнения продвинулся вниз по потоку и распространился на 2,5 км к северо-востоку от свалки промышленных отходов.
Для выяснения возможности влияния на новый водозабор загрязненных подземных вод, находящихся вблизи реки и участка свалки, было определено положение границ третьего пояса ЗСО, что одновременно позволяло оценить и прогнозное качество воды в водозаборе на 25 лет. В связи с более или менее однородными фильтрационными свойствами водоносного горизонта и сложным характером гидроизогипс потока подземных вод в естественных условиях, для расчета был применен графоаналитический метод.
Вначале аналитическими расчетами с использованием ЭВМ были определены для нестационарного режима прогнозные понижения уровня подземных вод при работе взаимодействующих 25 скважин, входящих в состав проектируемого водозабора. Прогнозные уровни вычислены для водозаборных скважин и для расположенных по сетке отдельных расчетных точек водоносного горизонта. Расчеты выполнены применительно к следующим параметрам: коэффициент фильтрации 20 м/сут, мощность водоносного горизонта 60 м, коэффициент уровнепроводности 7*103 м2/сут, расстояние между скважинами 300 м, радиус фильтра скважины 0,16 м, расчетный срок эксплуатации 25 лет. По рассчитанным понижениям с учетом карты гидроизогипс, составленной на период изысканий, установлено положение прогнозных уровней подземных вод и построены гидроизогипсы на расчетный срок работы водозабора.
Затем на прогнозной карте гидроизогипс выделены характерные линии тока и на каждой из них рассчитано расположение точки, от которой через 25 лет вода придет к водозабору. Оконтуренная таким образом зона захвата водозабора на 25 лет (см. рис. 41), являющаяся в то же время границей третьего пояса ЗСО, построена с некоторым «запасом», т. е. имеет завышенные размеры, поскольку при оценке расчетных понижений не учитывалось дополнительное инфильтрационное питание водоносного горизонта, уменьшающее понижения в скважинах, и, кроме того при расчете скорости продвижения подземных вод к водозабору не учитывался нестационарный характер фильтрации.
Из рис 41 видно что очаг загрязнения вблизи свалки находится далеко от границы ЗСО и поэтому не будет влиять на качество отбираемой воды в пределах 25-летнего срока при указанной выше производительности водозабора. Вместе с тем для сохранения в перспективе возможности значительного увеличения производительности водозабора с использованием всех запасов месторождения пресных вод (более 100 тыс. м3/сут) поставлен вопрос о необходимости защиты подземных вод от загрязнения путем ликвидации свалки и проведения специальных мероприятий по локализации создавшегося в водоносном горизонте очага загрязнения.
Очаг загрязнения вдоль русла реки находится на границе ЗСО поэтому в проекте внеплощадочного водоснабжения города в связи со строительством нового водозабора намечены следующие мероприятия: расчистка русла реки на протяжении 20 км и устройство коллектора из железобетонных труб для отвода сточных вод в реку ниже створа проектируемого водозабора. Продвижение к водозабору накопившихся ранее загрязнении может быть остановлено с помощью гидравлической завесы в виде ряда дренажных скважин, откачивающих загрязненные воды. Однако учитывая намечаемое прекращение действия источника загрязнения (сброс сточных вод в реку вблизи водозабора), а также возможность сорбции и разбавления оставшихся в водоносном горизонте загрязняющих веществ по пути от реки к водозабору вопрос о необходимости и сроках создания дренажного ряда следует решать по результатам натурных наблюдении за изменением уровней и направления движения подземных вод в рассматриваемом районе после включения водозабора, а также наблюдений за скоростью продвижения загрязнении к водозабору. Дчя этого в проекте водозабора предусмотрено создание нескольких поперечников наблюдательных гидрохимических скважин от реки в направлении к водозабору, причем рекомендуется начать наблюдения за полгода-год до включения водозабора.
Пример 4 Линза пресных вод в песках. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов, расположенных в полупустынном безводном районе, намечено использовать грунтовые воды, залегающие в виде линзы пресных вод среди минерализованных вод (рис. 42)
Климат района резко континентальный, территория используется преимущественно для выпаса скота. Месторождение пресных фунтовых вод приурочено к большому песчаному массиву, который представляет собой аккумулятивную аллювиально-дель-товую равнину позднечетвертичного возраста, возвышающуюся на 5-8 м над окружающей морской равниной хвалынского возраста Песчаные гряды чередуются с ложбинами временных водотоков и котловинами выдувания, расчлененность рельефа благоприятствует инфильтрации атмосферных осадков и паводковых вод из временных водотоков в пески. Поэтому, несмотря на малое количество атмосферных осадков (средняя многолетняя годовая норма составляет 150 мм, а в маловодный период — примерно 100 мм), в песках формируется горизонт грунтовых вод, приуроченный к верхнечетвертичным аллювиально-дельтовым отложениям, представленным песками с прослоями и линзами глин. Он имеет мощность от 2 — 4 м в краевых частях песчаного массива до 18 — 20 м в его центре. Глубина залегания уровня подземных вод изменяется от 1 до 5 м. На площади песчаного массива пресные подземные воды распространены среди минерализованных в виде крупных линз неправильной формы, причем пресные воды приурочены обычно к песчаным грядам и барханам, а более минерализованные — к долинам временных водотоков и выполненным глинистыми отложениями понижениям в рельефе, где залегающие вблизи поверхности подземные воды интенсивно испаряются. Увеличение минерализации грунтовых вод отмечается и на отдельных участках внутри площади распространения пресных вод, что связано с местными изменениями литологии пород и рельефа (см. рис. 42).
Подстилающим водоупором для водоносного горизонта являются в основном глины плиоцена, реже — меловые отложения Маастрихта.
Водозабор проектируется в юго-западной части месторождения в виде четырех линейных рядов скважин. Средняя мощность водоносного горизонта в пределах области влияния водозабора составляет 10 м для линейных рядов I — III и 12 м для линейного ряда IV. Средние взвешенные (по площади) значения коэффициента фильтрации, определенные по кустовым откачкам, составляют 10,8 и 3,5 м/сут соответственно для I — III и IV рядов. Коэффициент водоотдачи, вычисленный по наблюдениям за понижениями уровней в наблюдательных скважинах опытных кустов, равен 0,15. Общая проектная производительность водозабора составляет 11016 м3/сут при следующих параметрах линейных рядов скважин: длина ряда IV 13 км; нагрузка на скважину 130 — 432 м3/сут, понижение уровня воды 5 — 9 м.
Рис. 42. Линза пресных вод в песках:
1 — разведочная скважина и величина минерализации, г/дм3; 2 — проектируемый линейный ряд водозаборных скважин и его номер; 3 — гидроизогипсы естественного потока и их отметки; 4, 5 — границы между пресными и минерализованными водами; (4 — установленная; 5 — предполагаемая); 6 — граница третьего пояса ЗСО водозабора; 7 — линзы пресных вод
Подсчет эксплуатационных запасов подземных вод выполнен гидродинамическим методом применительно к схеме безнапорного неограниченного водоносного горизонта с учетом взаимодействия скважин в рядах. Эксплуатационные запасы на 25 лет обеспечиваются осушением пласта; извлечение 30 % естественных запасов в контуре приведенного радиуса влияния водозабора дает примерно 12, тыс. м3/сут. Естественные ресурсы, количество которых определено для условий маловодного года, достаточны для восполнения срабатываемых запасов подземных вод.
Для оконтуривания линз пресных вод выполнен большой объем разведочных работ, сопровождавшихся изучением изменения состава подземных вод водоносного горизонта по глубине и в плане. Линии водозаборных скважин намечены на участках, где при разведке были вскрыты воды с минерализацией от 0,3 до 1 г/л; средняя (по разведочным скважинам в ряду) минерализация для линейных рядов I — IV составила соответственно 0,75; 0,6; 0,5 и 0,7 г/л. По всем показателям вода удовлетворяет требованиям к питьевой воде, за исключением бактериальной загрязненности и высокого содержания во многих скважинах нитритов (часто до 2 мг/л) и аммиака (часто 2 и даже 7 мг/л), что связано с использованием земель для выпаса скота. В отдельных скважинах отмечены повышенные значения жесткости и концентрации железа и марганца.
В целях определения прогнозного состава воды для каждого линейного ряда скважин рассчитана область захвата на срок 25 лет. Расчет выполнен при вариантах возможности естественного потока подземных вод к водозабору с обеих сторон, что обусловлено невыдержанностью направления движения подземных вод в естественных условиях. Граница второго пояса для расчетного срока 400 сут проходит на расстоянии 150 м от линейных рядов, а граница третьего пояса — на расстоянии 1 — 1,6 км. Граница первого пояса находится на расстоянии 50 м от водозаборных скважин.
После оконтуривания зоны захвата на 25 лет (что соответствует границе третьего пояса ЗСО) оказалось, что к некоторым скважинам через шесть — десять лет будут подтянуты минерализованные воды. Прогнозная минерализация отбираемых водозабором подземных вод (1,1 г/л) была вначале определена как средняя взвешенная по площади с учетом минерализации воды во всех разведочных скважинах, входящих в область захвата. Однако, с учетом недостаточно полной изученности гидрохимических условий в области захвата скважин, входящих в состав линейных рядов I и частично IV, где также могут залегать минерализованные воды, а также вероятности ухудшения условий питания подземных вод после завершения строительства плотины на реке, подпитывающей временные водотоки, уточненная прогнозная минерализация отбираемых подземных вод оценена в размере до 1,5 г/л. Из-за отсутствия других источников хозяйственно-питьевого водоснабжения использование воды с минерализацией до 1,5 г/л и общей жесткостью до 10 мг-экв/л разрешено органами здравоохранения с условием, что вода будет обеззараживаться. В связи с неоднородностью химического состава воды на отдельных участках водоносного горизонта, воду из всех линейных рядов рекомендовано смешивать перед подачей потребителям.
Рис. 43. Гидрогеологический разрез участка водозабора в безнапорных трещинных подземных водах:
1 — водозаборная скважина; 2 — разведочная скважина; 3 — граница второго пояса ЗСО; 4 — аллювиальные четвертичные отложения (песок, галечник, супесь); 5 — верхнесоликамская подсвита уфимского яруса (плитчатые известняки, мергели); 6 — нижнесоликамская подсвита уфимского яруса (мергели и глины с прослоями песчаников, алевролитов и гипсов); 7 — нижнепермские отложения «уйгурского и артинского ярусов (алевролиты, песчаники, аргиллиты, глины и мергели); 8 — граница минерализации 1 г/дм3 в нижнесоликамском водоносном горизонте; 9 — уровень подземных вод
Строительство и эксплуатацию водозабора намечено начинать с линейного ряда II, как обеспеченного менее минерализованной водой. В проекте водозабора третий пояс ЗСО запроектирован общим для всего водозабора; на территории ЗСО запрещены выпас и проход скота, размещение животноводческих объектов. Пример 5. Безнапорные трещинные подземные воды. Проектируемый водозабор располагается в малообжитом районе; вода в количестве 75 тыс. м3/сут предназначается для хозяйственно-питьевого водоснабжения города, удаленного на несколько десятков километров. Участок водозабора занимает основание коренного склона и зону сопряжения склона с дном широкой долины реки, протекающей по равнине в области развития трещиноватых пород пермского возраста (рис. 43). Четвертичные отложения, распространенные в основном по дну долины реки и по долинам ее многочисленных притоков, представлены рыхлыми делювиальными, элювиальными, ледниковыми и водно-ледниковыми отложениями. Отложения верхней перми представлены уфимским ярусом верхнего отдела пермской системы; в соликамской свите P2Uisl выделяются верхнесоликамская P2Uisl2 (из-вестняково-мергелистая толща) и нижнесоликамская P2uisl1 (глинисто-мергелистая толща) подсвиты. Для водоснабжения выбран первый от поверхности водоносный горизонт в отложениях верхнесоликамской толщи, содержащей прослои алевролита, реже песчаника, аргиллита и глин. Горизонт содержит безнапорные трещинные подземные воды, и лишь в дне долины под перекрывающими четвертичными отложениями воды становятся слабонапорными. Подземные воды верхнесоликамского горизонта пресные, хорошего качества, за исключением обнаруженного в некоторых разведочных скважинах повышенного до 1 мг/л содержания двух- и трехвалентного железа. В нижней части водоносного горизонта нижнесоликамской толщи содержатся минерализованные воды. Верхне- и нижнесоликамский водоносные горизонты разделены слабопроницаемыми прослоями глин и аргиллитов мощностью не менее 9 м; пьезометрический уровень верхнего горизонта выше уровня воды в нижнем горизонте. Из-вестняково-мергелистая толща очень неоднородна по фильтрационным и емкостным свойствам: коэффициент фильтрации изменяется по площади от 5 до 225 м/сут, а водопроводимость — от 500 до 11000 м2/сут. Водозабор размещен по линии максимальной водопроводимости пород вдоль коренного склона долины. Определенные мощной групповой откачкой (30 тыс. м3/сут) обобщенные гидрогеологические параметры участка водозабора составили: £т=6000 м2/сут; а=3*105 м2/сут; м =0,02.
Проектируемый водозабор намечен в виде линейного ряда, состоящего из 18 скважин и имеющего длину 10 км; проектная нагрузка на скважины составляет 40 — 50 л/с.
Источниками формирования эксплуатационных запасов подземных вод здесь являются атмосферные осадки, привлекаемая разгрузка водоносного горизонта в русла водотоков и в четвертичные отложения, а также привлекаемый транзитный сток реки. В связи со сложными гидрогеологическими условиями, обусловленными фильтрационной неоднородностью горизонта, невозможностью надежного определения границ горизонта и количественной оценки основных источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод, последние были определены методом экстраполяции темпа снижения уровня и расхода длительной групповой откачки с дебитом, составляющим 40 % производительности проектируемого водозабора. Для установления общей величины обеспеченных на расчетный срок эксплуатационных запасов подземных вод приближенно оценены привлекаемый расход естественной разгрузки в левобережные притоки реки (по гидрологическим наблюдениям), фильтрация из реки и сокращение испарения из болот.
Использован также метод гидрогеологической аналогии — фактические данные наблюдений при эксплуатации двух водозаборов, расположенных вблизи проектируемого в сходных геологических и гидрогеологических условиях. На водозаборах-аналогах ухудшение качества подземных вод наблюдалось только по немногим скважинам, которые были заглублены в нижне-соликамскую толщу. Учитывая это обстоятельство, забой скважин на проектируемом водозаборе предусматривается размещать значительно выше границы раздела пресных и минерализованных вод.
Ухудшение качества воды может произойти в связи с увеличением содержания железа из-за привлечения к водозабору подземных и поверхностных вод с участков развития болот, занимающих 15 % площади питания водозабора; поэтому в проекте водозабора предусмотрено обезжелезивание воды, хотя при изысканиях железо в воде обнаружено в количестве менее ПДК.
Граница первого пояса ЗСО водозабора должна находиться на расстоянии 50 м от скважин, поскольку водоносный горизонт не защищен от поверхностного загрязнения. Расчет границы второго пояса выполнен аналитическим методом соответственно указаниям, содержащимся в главах 9 и 10, в двух вариантах — с учетом питания из реки и без него. Использованы следующие расчетные параметры: единичный расход естественного потока q= = kmi=600*0,01=6 м2/сут, единичный расход водозабора на наиболее нагруженных участках 12 м2/сут, средняя мощность горизонта 56 м, активная пористость 0,02, расстояние до реки 1,25 — 4 км. При расчетном сроке Тм = 400 сут граница второго пояса должна проходить на расстоянии 2,5 км от водозабора (см. рис. 43).
Рис. 44. Использование подземных вод аллювиально-пролювиальных галечников в межгорной долине:
1 — родники; 2 — гидроизогипсы и их отметки; 3, 4 — контуры распространения (3 — четвертичных отложений, 4 — галечников современного русла и поймы реки); 5 — птицеферма; 6 — водозабор
Границы третьего пояса ЗСО, охватывающего большую территорию с существенно неоднородными гидрогеологическими параметрами, определены с использованием общих представлений о возможных размерах области захвата рассматриваемого водозабора. Учитывая условия питания водоносного горизонта, которое происходит в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков практически на всей площади его распростра