Инфильтрационные сооружения
Для искусственного восполнения запасов подземных вод используются инженерные сооружения, обеспечивающие управление процессами питания в зависимости от конкретных природных условий. Особенностью этих сооружений является уменьшение их производительности в процессе работы вследствие кольматации и необходимость периодического проведения мероприятий по восстановлению их поглощающей способности. Наиболее простыми в эксплуатации являются открытые инфильтрационные сооружения, получившие широкое распространение.
Бассейны капитального типа создаются в виде котлованов или траншей с тщательной планировкой дна и откосов. Фильтрующей частью бассейна служит его дно, откосы крепятся бетонными плитами или подпорными стенками. Глубина бассейнов определяется литологическими особенностями участка фильтрации и составляет обычно 1,5—2 м (редко превышает 4 м). Фильтрация воды происходит через естественные песчаные отложения или песчаную загрузку мощностью от 0,5 до 1 м, состоящую из частиц размером 0,5—2 мм. Плановые параметры бассейнов зависят от топографии участка и инфильтрационного расхода и составляют на крупных установках в ширину (по дну) до 50 м и в длину до 500 м. Преимуществом капитальных бассейнов является высокая надежность для обеспечения требуемого количества и качества воды, а также возможность круглогодичной эксплуатации. Хотя в капитальные бассейны, как правило, подается предварительно обработанная вода, в которой значительно снижено содержание взвешенных частиц, тем не менее происходит кольматация дна, в результате которой в порах грунта и на дне образуется илистая пленка, уменьшающая производительность. Удаление этой пленки производится малогабаритными землесосными снарядами и специальными агрегатами без опорожнения бассейнов или с предварительным опорожнением ручным способом и с применением механизмов. Капитальные бассейны строят в Швеции, Швейцарии, ФРГ, ГДР и в других европейских странах.
Бассейны облегченного тина сооружают на хорошо проницаемых грунтах, максимально используя рельеф местности, обвалование участков, заполнение выемок и т. п. Откосы (от 1 : 1 до 1 : 3) обычно не планируют, но иногда укрепляют укаткой гальки и гравия или дернованием. Размеры бассейнов могут быть самыми разными, глубина их заполнения колеблется от нескольких сантиметров до нескольких метров. Обычно бассейны располагаются последовательно от более высоких к более низким отметкам. При большом содержании взвесей в поступающей воде первый из бассейнов (по высоте) используется в качестве отстойника и его не принимают во внимание при расчете эффективности инфильтрации. В места ввода в бассейн воды укладывают специальные лотки или бетонные плиты для предотвращения размыва. Применение бассейнов облегченного типа позволяет значительно снизить строительные затраты и быстро ввести их в эксплуатацию, использовать воду без предварительной подготовки или по упрощенной схеме водоподготовки, включающей аэрацию и предварительное отстаивание. Чистку таких бассейнов можно производить после опорожнения механизированным способом с помощью дорожных машин. В районах с засушливым климатом происходит естественная регенерация фильтрующей поверхности осушенного бассейна из-за растрескивания глинистой корки и последующего развеивания ветром глинистых и пылеватых частиц. Например, в дюнных песках прибрежной равнины в результате естественной регенерации в течение двух месяцев фильтрационная способность бассейнов восстановилась до 80% от первоначальной.
В ГДР и ФРГ известны «травяные» бассейны, которым не требуется регенерация. Для таких бассейнов в Цвиккау и Визенбурге (ГДР) использованы травы пойменных заливных земель, в Хальтерне (ФРГ) бассейны засеяны камышом. Скорость фильтрации в таких бассейнах устойчива и составляет 1—4 м/сут.
Каналы и канавы служат для пропуска воды и одновременно для фильтрации в районах, где строительство бассейнов нецелесообразно. Их ширина обычно составляет 0,3—3 м, скорость течения воды должна быть достаточно низкой, чтобы не допускать размыва дна и бортов, но достаточно высокой, чтобы препятствовать отложению взвешенного материала. Обычно каналы сочетают с системой инфильтрацнонных бассейнов, как это принято в береговых дюнах Нидерландов, в США (Калифорния). Такие конструкции инфильтрационных сооружений характеризуются простотой исполнения и невысокой стоимостью строительства и эксплуатации. Недостатком их является, как правило, небольшие скорости фильтрации и сравнительно большие потери воды на испарение.
Расчет систем искусственного восполнения за рубежом сводится к определению производительности бассейнов, площади инфильтрации, продолжительности фильтрационных циклов и циклов регенерации.
Закрытые инфильтрационные сооружения представляют собой нагнетательные (поглощающие) скважины, колодцы, шурфы, галереи, шахты. В них обычно подают предварительно тщательно очищенную воду, при этом желательно, чтобы ее состав и температура были близки к воде водоносного горизонта. При недостаточном степени очистки нагнетаемой воды скважину оборудуют фильтрами, обеспечивающими их эффективную регенерацию с помощью кратковременных откачек. Есть примеры использования скважин двойного назначения. Они работают как поглощающие в период подачи воды и как водозаборные, когда это необходимо. Эксперименты с закачиванием неочищенной воды из оросительного канала в колодец диаметром 1,2 м, оборудованный щелевым фильтром с двухслойной обсыпкой, показывают постепенное уменьшение поглощающей способности колодца. Нагнетательные скважины применяются для предупреждения интрузии соленых морских вод в глубь суши. В районе Лос-Анджелеса существует гидравлический барьер из 180 нагнетательных скважин для предотвращения вторжения морской воды в эксплуатируемые пресные водоносные горизонты. Глубина скважин 75—218 м, они оборудованы гравийными обсыпными фильтрами диаметром 300 мм. Особое внимание уделено антикоррозийной защите фильтров от агрессивного воздействия подземных вод. Подача воды в барражную систему производится с напором 10—60 м и расходом 5—28 л/с. Гидравлические барьеры из нагнетательных скважин имеются и в других районах.
В условиях Кубы применяются поглощающие скважины, специально оборудованный оголовок которых располагается в выемке, затапливаемой в период дождей. Выемка заполнена гравием, галькой и валунами мощностью свыше 1,5 м, что способствует грубой очистке воды. На Гавайских островах для восполнения запасов подземных вод используются фильтрационные галереи.
Особенностью искусственного восполнения запасов подземных вод является то обстоятельство, что окружающая среда выполняет определенную технологическую роль в процессе перевода поверхностных вод в подземные, в результате которой под влиянием различных физико-химических и биолого-бактериологических процессов в инфильтрационных сооружениях, в зоне аэрации и в самом водоносном горизонте происходит заметное улучшение качества фильтрующей воды. Это происходит под влиянием трех основных процессов: предварительной подготовки воды, самоочищения при фильтрации через дно бассейна и зону аэрации, а также при смешивании фильтрующейся воды с водой водоносного горизонта. Прогноз изменения качества воды является сложной задачей и требует большого объема длительных опытных работ. Для отдельных установок искусственного восполнения водоносных горизонтов, сложенных песками, рекомендуются эмпирические зависимости для расчета концентрации некоторых компонентов. На изменение качества воды в водоносном горизонте оказывают влияние процессы растворения, осаждения, ионного обмена, сорбции, фильтрационной дисперсии, наличие микроорганизмов и другие, еще недостаточно изученные факторы. Наиболее перспективным для прогнозов изменения качества воды при искусственном восполнении, по-видимому, являются решения, основанные на уравнениях массопереноса.