Пополнение запасов подземных вод

Система искусственного пополнения подземных вод состоит из природных источников пополнения, сооружений очистки загрязненных вод, подачи воды в водоносные горизонты и водозаборы. Инфильтрационные сооружения бывают открытыми (бассейны, каналы, площадки) и закрытыми (скважины, шахтные колодцы и горизонтальные водосборные галереи).

В зависимости от наличия природных и искусственно создаваемых подпорный I донепроницаемых диафрагм непосредственно в зонах водоносных горизонтовhoiiojiiние запасов подземных вод может осуществляться из открытых водоисточников (6iссйнов) за счет инфильтрации через днища или боковые поверхности или путем iiikiки очищенной воды из водоемов через скважины (рис. 8.44).

Естественное восполнение подземных запасов воды происходит на горно-предгорных участках рек, где их ложе сформировано крупнозернистыми песками или песчанно-гравелистыми отложениями с большим коэффициентом фильтрации. Это наблюдается на ряде рек Сибири, Северного Урала, Прикарпатья, Северного Кавказа и Средней Азии, Крыма. При интенсивной фильтрации атмосферных осадков и речного стоки через известково-гравелистое ложе сток может практически приближаться к нулю. Такие реки часто в течение года пересыхают.

При искусственном восполнении подземных запасов за счет речного стока первостепенное значение имеют два фактора: наличие водовмещающих с хорошей водопроницаемостью пород и качество воды в реках в районе водозабора. Как правило, при решении этой задачи используют на первой стадии водоотбора защищенные сетками водоприемные оголовки и колодцы водоприемных шахт. Второй этап безреагентной очистки воды осуществляют в открытых бассейнах-отстойниках больших площадей, где продолжительность отстаивания может достигать 7-10 ч. Примером такого решения является инфильтрационный водозабор г. Дрездена с общей площадью инфильтрационных бассейнов до 150 Га. После отстаивания в водоеме-отстойнике вода фильтруется через скорые фильтры и поступает в инфильтрационные бассейны, из которых с помощью трубчатых колодцев и сифонных водоводов подается в резервуары чистой воды.

Схема восполнения подземных запасов воды

1- водоносная порода; 2 - подпорная плотина (диа­фрагма) из водонепроницаемых пород; 3 - водоупор; 4 - кровля; 5 - открытый бассейн поверхно­стных вод; 6-нагнетательная скважина; 7 - водозаборная скважина; 8, 9 - уровни подземных вод до и после восполнения

Система восполнения подземных вод через инфильтрационные бассейны

1 - водозаборные скважины; 2 - инфильтрационные бассейны; 3 - насосная станция второго подъема; 4 - водосборный трубопровод; 5 - распределительный трубопровод; 6 - водоочистная станция; 7 - насосная станция первого подъема; 8 - открытый водоприемник; 9 - соединительные трубопроводы; 10 - расесивающие выпуски

Необходимые фильтрационные свойства днищ бассейнов и водохранилищ поддерживаются периодической их чисткой с помощью плавсредств и земснарядом. Стабильную скорость инфильтрации моды поддерживают засевом инфильтрационных водоемов камышом специальных сортов, корневая система которых разрыхляет днища водоемов. Густота засева зарослей камыша в таких бассейнах достигает до 100 стеблей на 2 м зеркальной поверхности.

Принципиальные схемы грунтовых водохранилищ с каптажем инфильтрационной воды с помощью горизонтальных водосборов показаны на рисунке. Одним из основных недостатков бассейновых инфильтрационных водозаборов является кольматация их донных и боковых инфильтрационных поверхностей илом, образующимся при oтстаивании речных мутных вод. Выполненные рядом исследователей экспериментальные замеры в процессе эксплуатации действующих инфильтрационных бассейном выявили интенсивность заиливания фильтрующих поверхностей бассейнов и свойства закольматированных пластов и илистых пленок. Такие исследования применительно к рекам предгорного типа выполнены Т.В. Бурчак. Ею предложено определять водоотдачу, выраженную объемом воды W, инфильтрационного бассейна длиной L за период Т формуле

W= L(2b+1,34l)√2HPT, м²

где b- половина ширины бассейна по дну, м; l - длина откоса от уреза воды до бассейна, м; H - глубина воды в бассейне, м; Т- продолжительность фильтрации воды из бассейна, сутки; Р- величина, зависящая от мутности речной воды и свойств образующейся на откосах и дне илистой пленки:

P=K_ny_n/M, м/сут,

где К_n - коэффициент фильтрации пленки, м/сут; y_n - объемный вес скелета пленки г/см²; М — мутность воды, поступающей из реки в бассейн, г/см³.

Эффективность очистки (улучшение качества) воды в самих инфильтрационных бассейнах и водохранилищах (водоемах) зависит не только от фильтрационных свойств водоприемной поверхности, но и от интенсивности биохимических процессов самоочищения, и технологических приемов, интенсифицирующих эти процессы (например, фильтрация воды в бассейнах) или направленных на тщательную предочистку речных вод.

Основная цель инфильтрационных систем водоснабжения - пополнение речной водой запасов подземных вод в истощенных водоносных пластах для устойчивой эксплуатации артезианских водозаборов. Причем такое пополнение производится периодически при наиболее высоких в течение года качеств речной воды. Чтобы исключить загрязнение и кольматацию взвесью водоносных пластов, поверхностные воды в таких системах подвергаются очистке от взвешенных веществ методом медленного фильтрования со скоростью 0,5-2 м/сут через песок, размещаемый на дне водопоглащающих бассейнов. Оттуда она фильтруется далее по водоносному пласту к водозабору. При эксплуатации таких систем было обнаружено, что поверхностная вода хорошо очищается не только от взвешенных, но и растворенных и ней органических загрязнений и по ка­честву почти не уступает артезианской.

Это связано с наличием в воде поверхностного источника растворенного кислоро­да (его обычно нет в подземной) и разнообразной бактериальной аэробной микрофло­ры. Ее развитие и закрепление на развитой поверхности песка в медленных фильтрах, а затем и водоносного пласта в виде тонкой биопленки, превращает их в условиях ста­бильной температуры, малых скоростей фильтрации в пласте в высокоэффективный би­офильтр, обеспечивающий окисление и минерализацию разнообразных органических соединений, содержащихся в поверхностной воде, соответственно количеству раство­ренного кислорода в ней. Успешному протеканию этого процесса способствует аэрация исходной воды и отказ от ее предварительного хлорирования, токсичного для бактери­альной микрофлоры. Такая система производительностью до 150 тыс. м³/сут реализова­на в г. Цюрихе из р. Лиммат.

В случаях сильного загрязнения и эвтрофикации поверхностной воды, наличия в ней токсичных для микроорганизмов тяжелых металлов фильтрующее дно поглощаю­щих бассейнов быстро заиляется, а биопленка на нем перестает справляться с деструк­цией повышенного количества загрязнений. В этих случаях необходима предваритель­ная очистка речной воды методами коагуляции, осаждения и скорого фильтрования.

При наличии в исходной речной воде синтетических биологически неразлагаемых орга­нических загрязнений предочистка воды перед подачей ее в водоносный пласт услож­няется дополнительным озонированием и сорбцией на активных углях. Такая система производительностью около 120 тыс. м³/сут применена на водопроводной станции Мюльхейн (ФРГ), забирающей воду из сильнозагрязненного и эвтрофированного Рей­на. Доочистка воды озонированием и фильтрованием через уголь проводится после про­хождения воды через водоносный пласт. Примером создания такой усложненной систе­мы является водоочистной комплекс Краузи производительностью 150 тыс. м³/сут, ис­пользуемый для водоснабжения г. Парижа. С истощением запасов подземных вод и не­обходимостью увеличить их водоотбор из трещиноватых известняков с 1959 г. было на­чато искусственное пополнение водоносного пласта водой р. Сена выше сброса сточ­ных вод Парижа. В связи с неудовлетворительным качеством речной воды, регулярным появлением в ней планктона и сильных привкусов и запахов она подвергается сложной предварительной обработке: микрофильтрованию, прехлорированию дозой 0,8 мг/л (что ограничивает развитие планктона в открытых сооружениях), коагуляцией поли- алюминий-хлоридом, флокуляцией, осветлением в осветлителях со взвешенным осад­ком (тина «Пульсатор») и скорому фильтрованию на песчаных фильтрах. При больших поступлениях загрязнений с территории города иногда применяется и предварительная обработка воды порошкообразным активированным углем (паводок, дожди). Фильтро­ванная вода проходит ступенчатый аэратор для насыщения кислородом и попадает в 10 фильтрующих бассейнов с гравийно-песчаным основанием общей площадью 13 га и скоростью фильтрации 0,7-1,4 м/сут. Вода после инфильтрации и пребывания в водо­носных пластах известняка в течение 7-15 суток откачивается 30 артезианскими насо­сами. Объем воды на пополнение в отдельные годы доходит до 60% от общего отбора ее из пласта. Такая обработка значительно улучшает качество речной воды, преобразо­ванной и подземную. Последняя практически не имеет цветности и мутности. Содержа­ние железа и марганца к ней не выше 0,01 мг/л, аммонийного азота не выше 0,1 мг/л, а растворенный кислород находится на уровне 4 мг/л. В значительной мере при пом вода освобождается от растворенной) органического углерода.

Тип воды	ООУ, мг/л
Исходная речная	3,5- 7,0
Очищенная перед подачей в водоносный пласт	2,8- 3,5
Откачиваемая из пласта	1.0- 1,8

Несмотря на столь значительное снижение ООУ в полученной таким способ подземной воде, потребителями отмечались неприятные привкусы и запахи, связанные с появлением их в очищенной речной воде, подаваемой в водоносный пласт. Хотя после прохождения через водоносный пласт интенсивность запахов и привкусов снижалась. 1,5-2 раза, частота появления некоторых из них даже увеличивалась. Снижение привкусов и запахов в искусственной грунтовой воде обеспечивает станция доочистки, предусматривающая ее аэрацию, биологическую нитрификацию, озонирование дозой 0,5-0,7 мг/л, фильтрование через гранулированный активированный уголь и хлорирование дозой 0,1-0,15 мг/л. Пуск этих сооружений уменьшил интенсивность и чистоту явления запахов и привкусов, изменил их характер. Высокочувствительные экстракционно-газохромато-графические анализы микроколичеств летучих органических соединений, создающих привкусы и запахи, выявили неожиданную картину

	Очищенная речная вода	Искусст­венная арт. вода	Нитрифици­- рованная вода	Озонирован­ная вода	Пода после Г ЛУ	Хлори­ рованная иода
Общее число органических соединений	436	352	295	368	345	363
Число удален­ных соедине­ний		-107	-89	-35	-73	-44
Число вновь образованных соединений		+27	+68	+ 107	+56	+65

Водоснабжающие сооружения с подрусловым дренажем-водозабором

1- канал; 2 - оголовок; 3 - зарядная камера; 4 -водоприемный колодец; 5 - водовод; 6 - распределительный колодец; 7 - распределительные трубы; 8 - секции запасной емкости; 9 - подрусловый дренаж-водозабор; 10 - горизонтальный придамбовый дренаж-водозабор; 11 - трубопроводы, отводящие осветленную воду; 12 - камера управления; 13 - водовод осветленной воды; 14 - открытая дрена; 15 - трубопровод для сброса воды из секций; 16 - зона санитарной охраны

Конструкции и схема к расчету подрусловых горизонтальных дренажей водозаборов

1 - секция запасной емкости; 2 - засыпка из песка крупностью 0,3-2мм; 3 - засыпка из гравия крупностью 8-32 мм; 4 - дренаж из пористого бетона; 5 - перфорированные трубы; 6 - шахтный или буровой колодец; 7 - трубопровод для отвода осветленной воды; 8 - водонасыщенный грунт; 9 - днище секции запасной емкости; 10 - водоупор.