logo1-color

Типизация комбинированных водозаборных систем при совместном использовании подземных и поверхностных вод

Предложена новая типизация комбинированных водозаборных систем при совместном использовании подземных и поверхностных вод, как в компенсационном варианте, так и при постоянной эксплуатации обоих источников воды. Выделены наиболее эффективные варианты компенсационного использования подземных вод при недостатке поверхностных вод без ущерба последним.

Ключевые слова: подземные воды, поверхностные воды, комбинированные водозаборные сооружения, компенсационный водозабор, водосборный бассейн.

Совместное использование поверхностных и подземных вод для водоснабжения различных водопотребителей насчитывает не одно тысячелетие. Достаточно обратиться к данным государственного мониторинга, чтобы увидеть, что большинство городов России используют одновременно подземные и поверхностные воды в системах централизованного водоснабжения. Отметим при этом, что с увеличением населения доля подземных вод снижается, а поверхностных растет. В наиболее крупных городах России в подавляющем большинстве подземные воды используются лишь в системах децентрализованного водоснабжения отдельных автономных водопотребителей.

Необходимость наличия двух источников централизованного водоснабжения, один из которых должен быть обязательно подземным, закреплена в Водном Кодексе РФ, а также в ГОСТе Р «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Защита систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. Общие требования».

Рассмотрение совместного использования поверхностных и подземных вод является обязательным разделом комплексных схем использования и охраны подземных вод на протяжении многих десятилетий. При использовании подземных вод особенно остро стоит вопрос об условиях и количественных показателях их взаимосвязи с поверхностными, оценке уменьшения поверхностного стока под влиянием водоотбора подземных вод. Последняя задача особенно актуальна при оценке запасов подземных вод в пределах частных водосборов, дренируемых местной гидрографической сетью, а также для береговых инфильтрационных водозаборов. Эта проблема много десятилетий рассматривается в научной и методической гидрогеологической литературе. Не останавливаясь подробно на анализе многочисленных комбинаций по этой проблеме, отметим пионерную работу Е.Л. Минкина — по существу основоположника научного обоснования методики расчетов «ущерба» поверхностного стока, а также фундаментальные исследования М.М. Черепанского, обобщенные в последнее десятилетие [4, 5].

Совместное использование поверхностных и подземных вод не является новой инвестиционной проблемой. Относительно новым является подход к оценке величины располагаемых водных ресурсов, которые могут быть использованы для целей хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения путем изменения соотношения отбора подземных и поверхностных вод в периоды разной водности во внутригодовом и многолетнем разрезе за счет учета цикличности этих периодов [2, 3]. В работе В.С. Ковалевского впервые было дано научное обоснование комбинированного использования поверхностных и подземных вод в периоды разной водности [2] с учетом ранее сформулированной концепции их совместного использования [3]. Однако и в этой наиболее полной работе рассмотрены не все варианты и возможности совместного использования подземных и поверхностных вод. В.С. Ковалевским выделяются три следующих основных варианта проектируемого совместного использования этих видов водных ресурсов:

  • создание водозаборов инфильтрационного типа;
  • использование водозаборов, работающих в режиме полной или частичной обеспеченности в маловодные периоды года за счет сработки емкостных запасов подземных вод и их последующего восполнения в многоводные периоды путем поглощения поверхностного стока;
  • периодическая эксплуатация подземных вод для погашения дефицита поверхностного стока (непосредственно используемого для водоснабжения) в отдельные маловодные годы или маловодные периоды внутри года.

Ковалевский В.С. отмечает, что последний случай является наиболее эффективным и перспективным в современных условиях. Он активно используется в последнее время в ряде индустриально развитых стран с ограниченными водными ресурсами. При этом варианте основным источником водоснабжения являются поверхностные воды, отбираемые речным водозабором.

Подземные воды эксплуатируются только в маловодные периоды, когда воды в реке не хватает для обеспечения требуемой производительности водозабора. Вода из скважин сбрасывается чаще всего непосредственно в реку. Отмечено также, что имеются случаи заложения «водозаборов-доноров» в соседних долинах для снижения ущерба поверхностному стоку, обеспечивающему основной водозабор.

На основании выполненного анализа В.С. Ковалевским выдвинуто следующее концептуальное положение [2]: наиболее перспективным с позиций получения качественной питьевой воды в отличие от существующего зарубежного опыта представляется создание систем совместного использования поверхностных и подземных вод, основанных на сооружении двух водозаборов — основного и компенсационного, эксплуатирующего только подземные воды. Основной водозабор может быть поверхностным или инфильтрационным.

Компенсационный водозабор на подземные воды работает только в маловодные периоды. Основное требование к компенсационному водозабору — минимизация ущерба поверхностному стоку, отбираемому основным водозабором.

Поэтому типизация компенсационных водозаборов была проведена только по условиям взаимосвязи подземных и поверхностных вод при предположении, что основной и компенсационный водозаборы расположены в одном речном бассейне. В.С. Ковалевским выделены следующие условия работы компенсационных водозаборов:

  • безнапорный водоносный горизонт, гидравлически взаимосвязанный с незарегулированным поверхностным стоком;
  • напорный водоносный горизонт с опосредованной гидравлической связью поверхностных и подземных вод;
  • напорный водоносный горизонт, практически не взаимосвязанный с поверхностным стоком.

При работе компенсационного водозабора должны быть гарантированы последующая компенсация срабатываемой емкости водоносного горизонта и допустимость ущербов поверхностному стоку.

Р.С. Штенгелов с коллегами [6], рассматривая гидрогеологические условия организации комбинированных водозаборных систем, выделил аналогичные условия:

  • высокая степень взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой;
  • затрудненный характер взаимосвязи продуктивного грунтового водоносного горизонта с рекой;
  • весьма затрудненный характер взаимосвязи реки и продуктивного межпластового водоносного горизонта.

В зависимости от условий взаимосвязи и ее количественных характеристик решалась задача по оценке необходимого удаления компенсационного водозабора от реки, на которой функционирует основной водозабор. Очевидно, что приведенные типизации далеко не исчерпывают все разнообразие не только комбинированных водозаборных систем, но и компенсационных, являющихся очень важным, но лишь одним из типов комбинированных водозаборных систем.

Важнейшим тезисом концепции совместного использования поверхностных и подземных вод является возможность увеличения общего количества располагаемых водных ресурсов, учитываемых при оценке обеспеченности потребностей в воде, для различных целей [2]. При этом совершенно необязательно, чтобы подземный компенсационный водозабор работал только в маловодные периоды для компенсации дефицита поверхностных вод. В более общей постановке повышение величины располагаемых водных ресурсов для бесперебойного обеспечения потребностей водоснабжения может быть достигнуто за счет:

  • подачи воды в централизованные водопроводные системы средних и крупных городов одновременно из подземных и поверхностных источников, практически не связанных между собой;
  • гибкого управления комбинированными водозаборными системами из поверхностных и подземных источников при сохранении общей величины суммарного водоотбора;
  • размещения поверхностных и компенсационных подземных водозаборов в различных речных бассейнах (не обязательно в соседних), что исключает проблему ущерба поверхностному водозабору при эксплуатации подземного;
  • форсированного водоотбора из подземного водозабора по сравнению с его «штатным» режимом в наиболее маловодные периоды.

Подземные и поверхностные водозаборы имеют свои достоинства и недостатки в орографическом, геолого-гидрогеологическом, водохозяйственном, геогидрологическом, экологическом, санитарно-топографическом, технико-экономическом, землеустроительном отношении.

Разнообразие условий их совместного и раздельного использования крайне велико, и его невозможно сколько-нибудь полно отобразить в рамах журнальной статьи. Поэтому приведем лишь некоторые примеры, иллюстрирующие дальнейшие предложения авторов по типизации комбинированных водозаборных систем и целесообразности расширения приведенных выше вариантов.

При совместном постоянном использовании подземных и поверхностных вод в системах централизованного водоснабжения соотношение водоотбора из нескольких подземных и поверхностных ВЗУ постоянно меняется, как по объективным, так и субъективным причинам.

Так, в г. Рязань водоотбор производится из р. Ока и из напорных каменноугольных водоносных горизонтов, опосредованно связанных с рекой. В 1990-е годы руководство городского «Водоканала» ставило вопрос о полном переходе на подземные источники. В настоящее время специалисты этой организации считают оптимальным соотношение водоотбора поверхностных и подземных вод 1:1 по условиям водоподготовки и другим технико-экономическим факторам.

В Московском регионе сложилась исторически следующая ситуация.

После строительства канала «Москва-Волга» целенаправленное водоснабжение г. Москва целиком базируется на поверхностных водах, т.к. потребность в воде значительно превосходит имеющиеся возможности водоотбора из подземных источников на территории города и вблизи него. После Чернобыльской катастрофы было принято решение о подаче воды из подземных источников, удаленных от города до 100 км. Это решение до сих пор не реализовано.

Водоснабжение городов и населенных пунктов Московской области, в т.ч. ближнего Подмосковья, традиционно базировалось на подземных водах. Однако с быстрым ростом населения городов ближнего Подмосковья (100 тысяч человек и более) возможности расширения использования подземных вод были исчерпаны. Поэтому в эти города стали подаваться поверхностные воды Московского водопровода для покрытия дефицита источников водоснабжения.

Водоснабжение г. Казань в основном базируется на поверхностных водах Куйбышевского водохранилища, т.е. их дефицит отсутствует. Однако в отдельных районах города по техническим причинам, связанным с трудностями подачи воды в нужном количестве, поверхностные воды смешиваются с некондиционными подземными водами с повышенной жесткостью и минерализацией для погашения дефицита.

Приведенные примеры относятся к традиционным видам совместного использования поверхностных и подземных вод. Рассмотрим реализованные в России примеры компенсационных водозаборов в системах комбинированного водоснабжения. В Южном Приморье практически все водоснабжение городов и поселков основывается на поверхностных водах и зависит от режима наполнения водохранилищ. Наиболее показательным является пример водообеспечения г. Владивосток, который расположен на гористом п-ове Муравьева-Амурского и беден ресурсами пресных подземных вод, в связи с чем его водоснабжение изначально и до сих пор базируется на поверхностных водах, накапливаемых в водохранилищах, как на самом полуострове, так и за его пределами. Наиболее крупное из них — Артемовское, имеет полезный объем 113 млн. м3. Орографические особенности территории определяют небольшие объемы водохранилищ. Поэтому ежегодный водоотбор из них больше, чем естественный постоянный приток. Пополнение сработанных запасов водохранилищ происходит только в периоды выпадения обильных атмосферных осадков, как правило, во время осенних тайфунов. В маловодные годы при отсутствии тайфунов запасы воды в водохранилищах не восполняются в необходимом объеме. Тогда Владивосток и прилегающие к нему населенные пункты испытывают острый дефицит в воде, что влечет за собой проведение чрезвычайных мероприятий с введением ограниченной подачи воды потребителю. Такие критические ситуации прослеживаются в течение последних 40 лет с периодичностью раз в 4–10 лет (1967–1968, 1977–1978, 1982–1983, 1987–1988, 1998–1999 и 2003–2004 гг.).

Оцененный М.Я. Хариной (ООО «Росэкострой») дефицит воды без включения в баланс подземных вод в год нормальной водности составляет 95 тыс. м3/сут. При этом доля потерь из водопровода составляет 85 тыс. м3/сут, что говорит о том, что реконструкция водопроводной сети и снижение утечек улучшили бы ситуацию с водоснабжением в годы нормальной водности. В целом в эти годы острой нехватки водных ресурсов не наблюдается. В то же время, в маловодный год дефицит воды превышает 250 тыс. м3/сут и требует введения в баланс водопотребления новых источников покрытия потребности в воде.

Нормализация ситуации с водоснабжением населения в маловодные годы может быть эффективно обеспечена только за счет использования в балансе водоподачи подземных вод, независящих от капризного приморского климата. Для погашения дефицита в 1979–1982 гг. было разведано Пушкинское месторождение подземных вод на значительном удалении от города в бассейне р. Раздольная с оцененными запасами подземных вод 330 тыс. м3/сут, т.е. в объеме, достаточном для погашения дефицита в маловодные годы [1]. Однако запасы подземных вод наиболее доступного для освоения участка составляют всего лишь 124.5 тыс. м3/сут. Первоначально предполагалось эксплуатировать оба участка Пушкинского месторождения с равномерным водоотбором 250 тыс. м3/сут. Но по экономическим соображениям было решено осваивать только Раздольненский участок. При этом была обоснована эксплуатация участка в течение 1–2 лет в форсированном режиме с водоотбором 250 тыс. м3/сут в маловодные периоды и последующим снижением водоотбора с таким расчетом, чтобы в многолетии средний суммарный водоотбор не превышал величину оцененных ранее запасов [1]. Приведенный пример является примером эффективного решения задачи комбинированного водоснабжения с расположением поверхностного и подземного водозаборов в бассейнах разных рек и проектном форсированном режиме эксплуатации последнего в маловодные годы. Строительство первой очереди компенсационного водозабора завершено в 2012 г.

Другим примером эффективного компенсационного водозабора является подземный водозабор Калининской АЭС. Для охлаждения реакторов используются поверхностные воды оз. Песьво и Удомля. Размещение станции на водоразделе Балтийского и Каспийского морей определило недостаточность ресурсов поверхностных вод для поддержания необходимого теплового режима озер. Дефицит водных ресурсов был оценен М.В. Болговым (ИВП РАН) в 1,25 м3 продолжительностью 8 мес на 4-й год эксплуатации и 6 мес на 5-й год. Для погашения дефицита ЗАО «ГИДЭК» разведано Удомельское месторождение подземных вод.

Для эксплуатации выбран алексинско-протвинский водоносный горизонт нижнего карбона (3-й от поверхности), перекрытый слабопроницаемой толщей верийских глин и практически несвязанный с поверхностными водами озер. В настоящее время построена первая очередь водосбора. Сброс откачиваемых для погашения дефицита подземных вод предусмотрен непосредственно в озера.

Режим водоотбора в годы средней и высокой водности — 47 тыс. м3/сут, в т.ч. 31 тыс. м3/сут на постоянную подпитку озер ежегодно в течение 6 мес и 17 тыс. м3/сут — на хозяйственно-питьевое водоснабжение КалАЭС постоянно в течение года. В маловодные периоды — дополнительно 108 тыс. м3/сут для погашения дефицита в водном и тепловом балансе озер.

В Республике Татарстан широко используются водозаборы из родников первого от поверхности водоносного горизонта. Причем водоотбор осуществляется с сохранением санитарного попуска в малые реки и ручьи, питающиеся за счет этих родников. При снижении расхода родников в летнюю межень дефицит водоподачи достигается за счет водоотбора из скважин, расположенных на той же площадке и оборудованных на более глубокий горизонт, отдаленный от первого и практически не связанный с родниками.

Приведенные примеры иллюстрируют разнообразие условий совместного комбинированного использования поверхностных и подземных вод, в т.ч. компенсационных водозаборов, которые надо учитывать при их типизации. Поэтому в приведенной ниже типизации ее основания расширены. Водозаборы подземных вод при комбинированном использовании совместно с поверхностными могут быть подразделены по следующим основаниям.

1. По режиму эксплуатации:

1.1. Эксплуатируемые постоянно.

1.1.1. При равномерном отборе.

1.1.2. При переменном водоотборе, в т.ч. при форсированном режиме в глубокую межень.

1.2. Эксплуатируемые периодически.

1.2.1. При ординарном («штатном») режиме.

1.2.2. При форсированном режиме.

2. По размещению относительно бассейнов поверхностного стока:

2.1. В едином водосборном бассейне.

2.1.1. При активном взаимодействии с поверхностным стоком (поверхностным водозабором).

2.1.2. При незначительном взаимодействии с поверхностным стоком за счет эксплуатации:

а) межпластовых водоносных горизонтов при территориально совмещенных поверхностных и подземных водозаборах (могут размещаться даже на одной площадке);

б) первого от поверхности (в двухслойных системах без разделяющего слоя — второго) на достаточном расстоянии от реки для снижения их взаимодействия.

2.2. В разных водосборных (речных) бассейнах. При этом степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод не влияет на водоотбор из последних. При размещении водозаборов в едином водосборном бассейне для этого подтипа могут использоваться типизации В.С. Ковалевского и Р.С. Штенгелова [2, 6] по условиям взаимосвязи подземных и поверхностных вод.

3. По условиям взаимосвязи поверхностных и подземных вод продуктивного водоносного горизонта:

3.1. Практически совершенная.

3.2. Затрудненная.

3.3. Практически отсутствует.

Очевидно, что при размещении поверхностного и подземного водозабора в едином водосборном бассейне преимущество при соответствующих гидрогеологических условиях следует отдавать глубоким напорным водоносным горизонтам, а подземные водозаборы территориально совмещать с поверхностными. Отметим также, что для обеспечения бесперебойной работы подземных водозаборов в форсированном режиме в критические маловодные периоды следует продолжать работу в многоводные и средние по водности периоды в «щадящем» режиме с пониженным водоотбором.

Предложенная типизация может использоваться при разработке: систем управления водными ресурсами; комплексных схем их использования и охраны; методики разведки и оценки запасов подземных вод.

Следует иметь в виду, что при размещении поверхностного и подземного водозаборов в разных водосборных бассейнах эксплуатация подземного никак не влияет на поверхностный водоотбор. Поэтому методика оценки ущерба поверхностному стоку в этих условиях не отличается от общепринятой.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Боревский Б.В., Козак Н.С., Черняк А.Г. Повышение водообеспеченности г. Владивостока за счет использования подземных вод в маловодные периоды при форсированном водоотборе // Водные ресурсы. — 2012. — № 6. — С. 608–623.
  2. Ковалевский В.С. Комбинированное использование ресурсов поверхностных и подземных вод. — М.: Научный мир, 2001.
  3. Ковалевский В.С., Раткович Д.Я. Концепция совместного использования поверхностных и подземных вод // Водные ресурсы. — 1998. — № 6. — С. 738–743.
  4. Минкин Е.Л. Взаимосвязь подземных и поверхностных вод и ее значение при решении некоторых гидрогеологических и водохозяйственных задач. — М.: Стройиздат,1973.
  5. Черепанский М.М. Теоретические основы гидрогеологических прогнозов влияния отбора подземных вод на речной сток. — М.: НИА Природа, 2005.
  6. Штенгелов Р.С., Филимонова Е.А., Маслов А.А. Обоснование гидрогеодинамических условий для организации комбинированных водозаборных систем // Изв. вузов. Геология и разведка. — 2012. — № 1. — С 43–48.