Охрана подземных вод от загрязнения

К верховодке нередко относят  почвенные воды, или воды почвенного слоя. Почвенные воды представлены почти связанной водой. Капельножидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте  ниже верховодки. Обычно они относятся  к водонепроницаемому пласту и характеризуются  более или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться  как в рыхлых пористых породах, так  и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа  в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен  постоянным колебаниям - на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

Грунтовые воды, накапливающиеся  в аллювиальных отложениях – один из источников водоснабжения. Они используются как питьевая вода, для полива. Выходы подземных вод на поверхность  называются родниками, или ключами.

Напорными или артезианскими называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью уровней в месте питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Если в центре такой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее будет вытекать в виде фонтана по закону сообщающихся сосудов.

Размеры артезианских бассейнов  бывают весьма значительными – до сотен и даже тысячи километров. Области питания таких бассейнов  зачастую значительно удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над  Европой.

Артезианские воды характеризуются  постоянством воды и хорошим качеством, что немаловажно для её практического  использования.

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод.

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные  воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения — хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в мореных отложениях.

Воды, образующиеся из магмы  при её кристаллизации и вулканическом  метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

 

 

 

 

 

 

Питание рек подземными водами

Подземные воды служат надежным источником питания рек. Они действуют  круглый год и обеспечивают питание  рек в зимнюю и летнюю межень (или  при низких уровнях стояния горизонта  воды), когда поверхностный сток отсутствует.

При сильно замедленных скоростях  движения грунтовых вод, по сравнению  с поверхностными, подземные воды в речном стоке выступают как  регулирующий фактор.

Также, при сильно замедленных  или небольших скоростях движения грунтовых вод, на реках Крайнего Севера при низких температурах воздуха, наблюдается перемерзание (полное или  частичное) реки, и тогда вода заходит  с подпорной части того водоема, в которую впадает река (это  может быть главная река, море, озеро  и т.п.). Такие явления наблюдаются, например, в п. Нижнеянск, который  находится в 25 км от устья р. Яны, где в период стояния низких температур и полного перемерзания реки на перекатах, с подпора в русло реки выше по течению от места перемерзания, заходит соленая вода из Северного Ледовитого океана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практическое значение подземных вод

Подземные воды имеют большое  практическое значение. В настоящее  время пресные подземные воды играют значительную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения многих стран. 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. При этом отмечается тенденция ко все большему использованию подземных  вод для водоснабжения. Это объясняется  тем общеизвестным фактом, что  подземные воды, как источник водоснабжения, имеют ряд преимуществ по сравнению  с поверхностными водами. Прежде всего, подземные воды, как правило, обладают лучшим качеством, более надежно  защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним  колебаниям и в большинстве случаев  их использование не требует дорогостоящих  мероприятий по водоочистке.

За последние 25—30 лет  в мире было пробурено более 300 млн. скважин для отбора воды. Только в США ежегодно бурится около  миллиона скважин, воды которых используются для хозяйственно-бытовых нужд, орошения, технического водоснабжения.

Роль подземных вод  в водоснабжении городов в  различных странах и в различные  периоды существенно изменялась. В целом на начальных этапах развития централизованного водоснабжения  в качестве источника водоснабжения  выступали, как правило, родниковые воды (где это было возможно). В  дальнейшем по мере роста потребностей в воде все больше стали использовать поверхностные воды. Прогрессирующее  их загрязнение во второй половине Х в. и возникшие в связи  с этим серьезные заболевания  населения вызвали необходимость  реконструкции систем водоснабжения, которая проводилась двумя путями: улучшением качества водоочистки, либо полным или частичным переходом  на подземные источники водоснабжения (в том числе и на воду достаточно далеко расположенных родников). В  качестве примера можно привести систему водоснабжения такого крупного города, как Париж, где в 1865—1900 гг. использовали родники на склонах  возвышенностей, расположенные на расстоянии 80—150 км от города, а поверхностные  воды стали использовать для технического водоснабжения. Наглядным примером роста отбора подземных вод в нашей стране является московский регион.

По данным Европейской  экономической комиссии подземные  воды являются основным источником городского хозяйственно-питьевого водоснабжения  в большинстве европейских стран. Полностью или почти полностью  на подземных водах основано водоснабжение  таких крупных городов Европы (с на селением около миллиона человек  и более), как Будапешт, Вена, Гамбург  Копенгаген, Мюнхен, Рим, а для таких  городов, как Амстердам, Брюссель, Лиссабон, подземные воды покрывают более  половины общей потребности в воде.

Подземные воды используются не только для питьевого водоснабжения, но и в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте — практически  при всех видах человеческой деятельности.

Нужно отметить, что в  странах с аридным и полуаридным  климатом подземные воды широко используются для орошения. За счет подземных  вод орошается примерно 1/З всех земель. Из общей площади орошаемых  земель в США за счет подземных  вод орошается 45% земель, в Иране  — 58%, в Алжире — 67%, а в Ливии  орошаемое земледелие целиком основано на подземных водах. Здесь же отметим, что в России на орошение земель и обводнение пастбищ расходуется лишь около 0,4 км что составляет порядка 2% от общего отбора подземных вод.

Но, так или иначе, для  производственного водоснабжения  применение пресных подземных вод  допускается с разрешения органов  по регулированию использования  и охране вод только в районах, где отсутствуют необходимые  поверхностные водные источники  и имеются достаточные запасы подземных вод питьевого качества. Требования к качеству подземных  вод для производственного водоснабжения  устанавливаются водопотребляющими  или проектными организациями для  каждого конкретного случая с  учетом специфических особенностей применения вод по данному назначению.

К воде, применяемой в  различных отраслях промышленности, предъявляются требования в соответствии со спецификой данного вида производства. Например, в сахарном производстве необходимо, чтобы вода имела минимальную  минерализацию, так как присутствие  любых солей затрудняет варку  сахара. В пивоваренном производстве требуется отсутствие в воде CaSO4, препятствующего брожению солода. В  воде, применяемой для винокуренного  производства, нежелательно присутствие  хлористого кальция и магния, которые  задерживают развитие дрожжей. В  текстильной и бумажной промышленности не допускается присутствие в  воде железа, марганца и кремниевой кислоты. Производство искусственного волокна требует малой окисляемости воды (менее 2 мг/л) и минимальной жесткости (до 0,64 мг-экв/л). Такие же требования по жесткости предъявляются к воде и в энергетической промышленности. К воде, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, предъявляемые требования можно свести к двум основным условиям: безвредности ее для организма и удовлетворительному качеству по вкусу, запаху, прозрачности и другим внешним свойствам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет водозаборной скважины

1. Исходные данные

Исходные данные приведены  в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Данные о потреблении воды

Плотность населения, чел./га	130
Максимальная суточная норма  водопотребления, л/чел.	180

Таблица 2. Гидрогеологические условия

Виды пород	Глубина залегания пород, м
Суглинок	0 - 5
Песок среднезернистый (статический  уровень)	5 - 30 (15)
Глина	30 - 50
Песок крупный (статистический уровень)	50 -80
Глина плотная	80

2. Определение потребности  в воде

Определим максимальную суточную потребность населенного пункта в воде (м³/сут) по формуле:

Q_сут = F n q10^-3,                    (1)

где F – площадь населенного  пункта (определяется по плану), га;

n – плотность населения,  чел./га;

q – максимальная суточная  норма водопотребления, л/чел.

Площади населенно пункта определим как площадь выпуклого  четырехугольника по формуле:

F = 0,5 d₁ d₂ sinα,                       (2)

где d₁,d₂ – диагонали четырехугольника, м;

α – угол между диагоналями.

F = 0,5·1380·1460·sin90 = 100,74 га.

Рассчитываем максимальную суточную потребность в воде:

Q_сут = 100,74·130·180·10^-3 = 2375,3 м³/сут.

3. Расчет конструкции скважины

Длина проектируемой скважины составляет около 80 метров, что позволяет  бурить скважину ударно-канатным способом. Именно этот способ выбираем для бурения  скважины, тем более, что его применение позволяет избежать глинизацию эксплуатационных водоносных горизонтов, а также позволяет  опробовать водоносный горизонт при  бурении.

Начальный и конечный диаметр  скважины принимаются в зависимости  от сортамента труб, способа бурения, размеров и конструкции фильтра  и насоса. Скважины крепятся несколькими  колоннами обсадных труб, число которых  зависит от глубины скважины и  выхода колонн труб. Колонна обсадных труб наибольшего диаметра называется кондуктором. Эти трубы не входят в число непосредственных технических  колонн. Глубина опускания кондуктора назначается до первого водонепроницаемого пласта с заходом в этот пласт  на 1 метр. Из гидрологических условий  известно, что первый водонепроницаемый  пласт – глина, находящаяся на глубине залегания от 30 до 50 метров. Следовательно, первая обсадная колонна  – кондуктор будет длиной 31 метр.

Приток воды к скважине в большей степени зависит  от диаметра рабочей части фильтра, чем от его длинны. Поэтому для  увеличения притока, а, следовательно, для уменьшения числа скважин, сначала  назначается максимальное значение диаметра труб, чтобы получить максимальный диаметр фильтра.

Максимально возможный диаметр  кондуктора, согласно сортаменту стальных труб, а также ограничению диаметров  погружаемых труб, равен 530 мм. Разница  в диаметрах между кондуктором  и первой колонной, а также между  предыдущими и последующими колоннами  обсадных труб, должна быть не менее 100 мм. Значит, следующую колонну принимаем  диаметром 426 мм. Так как после  пласта глины залегает водоносный слой крупного песка, от 50 до 80 метров, то колонна  диаметром 426 мм будет последней. Водоносный слой песка – безнапорный, следовательно, длина колонны должна быть длинной  до рабочей части фильтра и  равна 67,5 метров.