Примеры искусственного восполнения запасов подземных вод
Практика искусственного восполнения запасов подземных вод известна с древности. В Тунисе двадцать веков назад во времена римской колонизации значительные площади были пересечены террасами, с которых происходила инфильтрация поверхностных вод в специальные штольни, питавшие водопровод. Искусственное восполнение как совокупность мер для увеличения питания водоносного горизонта было применено в начале прошлого века в г. Глазго (Великобритания) на одном из островов в долине р. Клайд, где была вырыта дренажная галерея для усиления инфильтрации речных вод в аллювиальный водоносный горизонт. Первые инфильтрационные бассейны были построены в 1821 г. в. г. Тулуза (Франция) неподалеку от берега р. Гаронна для увеличения фильтрации поверхностной воды вблизи водозаборного сооружения. Во второй половине XIX века искусственное подпитывание подземных вод применялось в Германии, Франции, Великобритании, Швеции, США и других странах. Оно шло по пути создания технических средств для восполнения эксплуатационных запасов подземных вод в рыхлых аллювиальных отложениях за счет инфильтрации речных, озерных и дождевых вод. Кольматация естественных и искусственных бассейнов и постепенное уменьшение производительности водозаборных сооружений привели к разработке мероприятий по периодической очистке инфильтрационных сооружений путем снятия закольматированного слоя или его регенерации. Некоторые системы, созданные в прошлом веке, действуют и по настоящее время.
В США широкое распространение получило искусственное восполнение запасов подземных вод в аллювиальных толщах и в отложениях конусов выноса. В качестве инфильтрационных сооружений используются каналы, котлованы, канавы, борозды, естественные понижения, овраги, карьеры и специальные бассейны. В отличие от европейских стран, где чаще применяются капитальные инфильтрационные бассейны с креплением откосов, в США обычно строятся инфильтрационные бассейны облегченного типа, при этом максимально используют рельеф местности, поэтому плановые размеры и глубина бассейнов самые разные.
В связи с истощением естественных запасов подземных вод на Западе США (Калифорния, Техас, Нью-Мексико и др.) были проведены исследования с целью инженерной и экономической оценки методов искусственного восполнения, при этом особое внимание уделялось конструкциям инфильтрационных сооружений как открытого, так и закрытого типа.
Одно из самых значительных и наиболее полных исследований восполнения запасов подземных вод с помощью нагнетательных скважин проведено в штате Арканзас, где были изучены гидрогеологические условия района Великих равнин, выявлены возможные источники восполнения и проведены натурные опыты. Большинство проблем оказалось связано с кольматацией фильтров нагнетательных скважин и околоскважинного пространства, которая вызывалась присутствием в поверхностной воде взвешенных частиц, микроорганизмов и растворенного воздуха. Экономическая целесообразность искусственного восполнения в конечном счете определялась стоимостью предварительной очистки поверхностной воды.
На о-ве Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк) с целью сохранения ресурсов подземных вод для 2,5 млн. жителей округов Нассау и Суффолк с 1933 г. производится искусственное восполнение запасов подземных вод флювиогляциальных, неогеновых и меловых отложений. Восполнение производится на площади примерно 2400 км2 через более чем 2100 инфильтрационных бассейнов и 1000 нагнетательных скважин. Площадь бассейнов колеблется от 0,04 до 12,1 га, средняя глубина их составляет 3 м, скорость инфильтрации 1,4—6,6 м/сут. В бассейны без предварительной очистки поступает ливневый сток с городских территорий и промышленных площадок в объеме около 520 000 м3/сут, в связи с чем отмечаются серьезные загрязнения подземных вод токсичными элементами (кадмием, хромом и пр.). Через скважины нагнетаются в основном использованные при кондиционировании воды в объеме 200 000 м3/сут, с помощью которых создается гидравлический «вал», препятствующий вторжению морских вод в горизонты пресных подземных вод.
Установки по искусственному восполнению запасов подземных вод построены во многих штатах США, созданные ими запасы подземных вод составляют около 1/3 современного водопотребления страны.
Искусственное восполнение запасов подземных вод широко применяется в Калифорнии, что позволило некоторым авторам говорить о калифорнийском типе, подразумевая под этим метод регулирования водных ресурсов на больших территориях, включающих несколько водоносных комплексов или бассейнов, в противоположность европейскому типу, который характеризуется отдельными сооружениями различного назначения, ориентирующимися, скорее, на решения проблемы качества воды, чем количества.
Калифорния представляет собой наиболее интересный пример искусственного восполнения запасов подземных вод. Там с 1959 г. осуществляется комплекс долговременных мероприятий по регулированию водных ресурсов, под названием «Калифорния уотер план» (рис. 20). Напомним, что этот штат занимает на Тихоокеанском побережье 411 тыс. км2 при населении 19,95 млн. человек (1970 г.) На западе штата тянутся Береговые хребты высотой свыше 2500 м, на востоке — горы Сьерра-Невада высотой до 4000 м. На севере и юге горные цепи соединены невысокими горами, замыкающими лежащую между ними Калифорнийскую долину длиной 800 км и шириной до 80 км. Этот тектонический прогиб заполнен мезозойскими и кайнозойскими аллювиальными осадками, мощность которых составляет несколько сотен метров.
Водные ресурсы и потребление их в пределах штата распределены неравномерно: 2/3 штата на юге потребляют 70% воды, в то время как 70% ресурсов сосредоточено на севере. Из 41 млрд. м3 используемой в год воды половина (650 м3/с) забирается из водоносных горизонтов. К 2000 г. прогнозируется увеличение потребности в воде вдвое. Вода используется для ирригации (в основном в долине р. Сан-Хоакин) и водоснабжения г. Лос-Анджелес. Добыча подземных вод осуществляется скважинами, число которых превышает 100 тыс.
Чрезмерная эксплуатация водоносных горизонтов привела к их значительному истощению. Уровень подземных вод в долине р. Сан-Хоакин понизился почти на 60 м. «Калифорния уотер план», первая очередь которого осуществлена к 1972 г., предусматривает сооружение 70 водохранилищ на севере штата и передачу этой воды по р. Сакраменто в долину р. Сан-Хоакин, затем по каналам — до параллели Сан-Франциско и далее вдоль Береговых хребтов, где аккумулируется в гигантской подземной емкости (около 35 млрд. м3), образовавшейся в результате интенсивного отбора воды. Это позволит к 1990 г. прекратить понижение уровня подземных вод. Восполнение запасов подземных вод осуществляется с помощью инфнльтрационных бассейнов (58,4%), а также инфильтрацией из русел рек (29,5%), каналов (9,4%), специальных траншей (1,7%) и нагнетательных скважин (1%). Характеристике восполнения запасов подземных вод в Калифорнии посвящено значительное число публикаций.
В странах Европы большинство установок по искусственному восполнению запасов подземных вод являются составной частью водозаборов, построенных главным образом для добычи грунтовых вод из аллювиальных отложений речных долин. Типичными являются установки ФРГ, действующие в Дортмунде. С 1910 г. в долине р. Рур, сложенной песчано-гравийными отложениями, работал водозабор, представляющий собой дрену, проходящую параллельно руслу реки на расстоянии 50 м от него. В связи с загрязнением реки и увеличением потребности в воде, с 1935 г. принцип эксплуатации водозабора был изменен. Вода из реки начала подвергаться предварительной обработке на скорых фильтрах, а затем подаваться в инфильтрационные бассейны, расположенные в. два ряда параллельно дрене на расстоянии 50 м от нее. Один ряд бассейнов периодически находится в эксплуатации, другой — очищается. В связи с постоянно возраставшей потребностью в воде площадь бассейнов за 55 лет эксплуатации увеличилась от 1,3 до 47,9 тыс. м2, а количество подаваемой в бассейны воды повысилось от 3 до 115 тыс. м3/сут. Сначала на этом водозаборе применялись бассейны облегченного типа размером 200x25 м2 с песчаной загрузкой дна мощностью 0,2—0,3 м из частиц диаметром 0,2—0,3 мм. При высоте слоя воды 0,3—0,4 м скорость инфильтрации равнялась 4,8 м/сут. Продолжительность работы бассейна составляла 1,5—2 месяца, после чего слой песка обновлялся. При этом в подземной воде было отмечено повышение содержания железа и марганца, а на дне инфильтрационных бассейнов значительное развитие водорослей. В связи с этим были приняты меры по предварительной очистке воды и сооружены фильтры квадратной формы общей площадью 4 тыс. м2, представляющие собой бассейны, вырытые в суглинках и заполненные гравием с размером частиц 5—10 мм и с мощностью слоя 1,5 м. В этих фильтрах засылка обновлялась через каждые три-четыре года. После аэрации вода направлялась через отстойники в предварительные фильтры, где задерживалась большая часть продуктов микробиологического разложения. Затем перед подачей в инфильтрационные бассейны вода снова аэрировалась, что позволило увеличить продолжительность работы бассейнов до четырех месяцев. В дальнейшем было установлено, что периодическое высушивание песчаного слоя и его разрыхление позволяют более эффективно производить бактериологическую очистку воды, поступавшей из предварительного фильтра.
Чередуя цикл инфильтрации с осушением бассейна и высушиванием песчаной загрузки, удалось продлить срок работы бассейнов с 1,5 до 2 лет. В настоящее время в Дортмунде используются бассейны капитального типа размером 200x25 M2 каждый с песчаным фильтром мощностью 0,5 м, состоящим из частиц размером 0,5—2 мм. На 20 крупных водозаборах ФРГ искусственно восполняемые запасы воды достигают 40% общего водоотбора.
В ГДР построено 10 установок по восполнению запасов подземных вод, производительность которых в середине 60-х годов составляла 150 тыс. м3/сут. Большой интерес вызывает установка, расположенная в г. Цвикау. Она представляет собой систему неглубоких выемок, засаженных луговыми травами, аналогичными произрастающим на пойменных луговых землях. Мощность слоя воды в выемках определяется высотой стебля луговых трав, которые должны быть погружены в нее на 2/3. Скорость фильтрации воды в бассейнах летом составляет 4 м/сут, а зимой уменьшается до 1 м/сут. Зимой уровень воды в выемках поддерживается на высоте 30 см над поверхностью травяного покрова. Вода, подаваемая в бассейны, содержит до 60 мг/л механических примесей, которые способствуют развитию корневой системы и росту трав, вызывая при этом своеобразную декольматацию грунта. Такие бассейны в Цвикау успешно работают на протяжении нескольких лет. Строительство их получило широкое распространение в стране. Кроме того, они используются для интенсификации работы существующих инфильтрационных бассейнов других систем.
В Швейцарии искусственное восполнение запасов грунтовых вод применяется там, где на ограниченном пространстве требуются значительные количества воды. Мелкие пруды инфильтрации используются таким образом, что в районе каптажа постоянно затоплена примерно половина их, в то время как другая половина остается сухой и восстанавливает свою проницаемость. Фаза затопления длится две недели, а восстановления — три недели. Пруды засажены ивами, тополями, ольхой, что позволяет обходиться без удаления ила из них. В стране имеется восемь установок по искусственному восполнению запасов подземных вод. Наиболее крупной среди них является Муттенцер-Хард, находящаяся в лесу около г. Базель. В этом районе входящем в зону отдыха, запрещено строительство крупных бассейнов. В связи с этим восполнение запасов грунтовых вод осуществляется через систему инфильтрационных траншей, имеющих ширину 2 м, протяженность до 3500 м и удельную поглощаемость грунтов 5—8 м3/сут. На дне траншей образован слой мощностью 40 см, состоящий из крупного кварцевого песка. Продолжительность работы таких инфильтрационных сооружений без чистки 2,5 года. Расстояние между траншеями и водозаборными скважинами около 400 м, вода проходит его в течение 20—40 сут. Производительность водозабора достигает 150 тыс, м3/сут. Дальнейший рост водопотребления Базеля, Цюриха и других городов страны намечено обеспечить за счет увеличения искусственной инфильтрации речных вод.
В Швеции насчитывается двадцать установок по искусственному восполнению запасов подземных вод общей производительностью 280 тыс. м3/сут. Первые из них построены еще в начале века для подпитывания грунтовых вод аллювиальных и флювиогляциальных отложений. В 50-е годы в Швеции функционировало 17 инфильтрацнонных установок, источником для которых служили речные и озерные воды, предварительно очищенные от твердых взвесей с помощью песчаных фильтров. В этих системах расстояние между и и фильтрационными и каптажными сооружениями составляет несколько сотен метров, что позволило наряду с очисткой воды стабилизировать ее температурный режим.
Несколько небольших систем по восполнению запасов подземных вод имеется в Финляндии, в частности, в районе городов Лаппаранта и Ванта. В качестве источника восполнения используется вода многочисленных озер, водозаборы организованы на узких и вытянутых участках, сложенных флювиогляциальными песками озов.
Во Франции водозаборы с искусственным восполнением запасов подземных вод построены для водоснабжения городов Нанси (в долине р. Мозель), Лиона (в долине р. Роны), Круасси-Сюр-Сен (в долине р. Сены) и др., в которых для сбора и фильтрации воды используются открытые инфильтрационные сооружения.
Представляет интерес водозабор, находящийся в долине р. Сены. Здесь под влиянием интенсивной эксплуатации подземных вод уровень их к 1963 г. понизился на 10 м ниже среднего уровня воды в реке. В результате проникновения загрязненной воды реки качество подземных вод на участке водозабора ухудшилось. Подпитывание водоносного горизонта осуществляется через отработанный песчаный карьер площадью 11 га, из которого вода поступала в трещиноватые породы мела, вмещающие основной водоносный горизонт на участке водозабора. В карьеры после предварительной обработки, включающей аэрацию, коагуляцию и очистку на скорых фильтрах, подается около 10 млн. м3 воды в год. В результате этих мероприятий в скважинах, расположенных вблизи карьера, отмечено улучшение бактериального состояния подземных вод, прекратилось понижение их уровня.
Другим интересным примером, связанным с восполнением запасов грунтовых вод, в результате чего необходимо было восстановить гидравлическое равновесие, является долина р. Дензер-Мондреток. Здесь в 5 км ниже плотины был построен дренажный канал, вскрывший водоносные аллювиальные отложения реки на всю мощность и понизивший (примерно на 10 м) уровень грунтовых вод на площади 12 км2. Это привело к резкому снижению урожайности различных сельскохозяйственных культур. В связи с этим для восполнения запасов грунтовых вод по берегам реки было заложено 233 буровых колодца, в которые нагнетается вода в количестве до 8,5 м3/с или в среднем около 4 л/с в каждый колодец. Несмотря на то, что во Франции искусственное восполнение запасов подземных вод не получило большого распространения, там считают необходимым его применение в более широких масштабах ввиду истощения водных ресурсов и растущей потребности в воде.
В Великобритании искусственное восполнение также пока не получило широкого распространения, хотя имеются отдельные положительные примеры его применения. В Министерстве водных ресурсов проводится изучение возможностей осуществления искусственного питания подземных вод, истощенных многолетней эксплуатацией.
В долине р. Ли и ее притоков производились опыты по восполнению запасов подземных вод Лондонского артезианского бассейна. Для этого использовалась предварительно очищенная вода из р. Темзы. Нагнетания воды в скважины в течение четырех месяцев чередовались с откачками в течение семи месяцев. Эффективность восполнения (отношение откачанной воды к нагнетаемой) составила 0,4. Аккумулирующая способность бассейна оценивается в 450 млн. м3.
В Нидерландах искусственное восполнение запасов подземных вод применяется на участках водозаборов городов Амстердама, Гааги и др. По водоводу длиной свыше 50 км предварительно очищенная вода из р. Рейна подается в инфильтрационные бассейны в дюнных песках на побережье Северного моря. Инфильтрационные сооружения в дюнах выполняют двоякую роль. С одной стороны, обеспечивают четвертую часть коммунального водоснабжения Нидерландов (около 150 млн. м3 в год), а с другой — создают заградительный барьер, препятствующий проникновению морских вод в глубь территории, частично расположенной ниже уровня моря. За пределами прибрежной зоны имеются также небольшие сооружения по восполнению запасов подземных вод.
В Италии для искусственного восполнения запасов грунтовых вод в долине р. Арно используется установка «Анконелла» во Флоренции
В Испании в долине р. Безос (вблизи г. Барселона) производится нагнетание речной воды в аллювиальный водоносный горизонт через скважину большого диаметра глубиной 25 м. Вокруг нее на расстоянии до 3 м пробурено 16 скважин малого диаметра, позволяющих восстанавливать производительность нагнетательной скважины. Для чего ежедневно в течение 1/4 ч проводится прокачка ее при одновременном нагнетании воды в периферийные скважины (рис. 21). Это оригинальное и сложное сооружение работает с 1952 г.
В Венгрии искусственное восполнение запасов подземных вод производится на водозаборах городов Будапешт и Мишкольц.
В Чехии в результате искусственного восполнения ресурсов подземных вод обеспечивается 11% водопотребления, в том числе для г. Праги 42%. Искусственное питание инфильтрационными бассейнами и нагнетательными скважинами производится на 51 участке с расходом 4,7 м3/с.
В Польше для водоснабжения г. Познань построена установка для искусственного восполнения запасов подземных вод с помощью 32 инфильтрационных бассейнов площадью 22 га. В бассейны длиной 200—600 м, шириной 20 м и глубиной 1,5—1,7 м ежедневно подается из р. Варты 140 тыс. м3 воды, а отбирается водозабором 110 тыс. м3. Для опытных работ под дном инфильтрационного бассейна оборудован куст из восьми скважин различной глубины для периодического отбора проб воды.
В Румынии известны инфильтрационные бассейны в районе городов Клужа, Лудуща и Сукеава.
В Болгарин проводились исследования по аккумулированию части поверхностного стока при периодической эксплуатации подземных вод Кардовской котловины. Благоприятные условия для искусственного восполнения запасов подземных вод имеются в конусах выноса рек Стара, Мурля, Бяла и др.
В странах Азин исследования по искусственному восполнению запасов подземных вод проводились в Японии, Индии, Пакистане, Иране.
Искусственное восполнение запасов воды водоносного горизонта приморской равнины и известково-доломитовой толщи мелового возраста производится в Израиле. Водоносный горизонт получает естественное питание в количестве 200 млн. м3 в год, а отбор воды из него составил только в 1965 г. 480 млн. м3 в год, что вызвало стремительное падение уровня и создало угрозу вторжения морских вод. Водные ресурсы в этом районе сконцентрированы в районе Тиверианского озера, где выпадает в год больше 1000 мм осадков, в то время как на юге выпадение осадков составляет 25 мм. В условиях полуаридного климата искусственное восполнение запасов подземных вод позволило создать межсезонные и даже многолетние запасы воды, эксплуатация которых может регулироваться в зависимости от текущих потребностей. Вода из озера но трубопроводу длиной 130 км подается к установкам искусственного восполнения закрытого типа (скважинам) для закачки воды в известково-доломитовую толщу или открытого типа (инфильтрационные бассейны на песчаной приморской равнине). В 1967— 1968 гг. расход воды на искусственное восполнение составил 132 млн. M3, т. е. примерно 8,5 м3/с при периоде восполнения 6 месяцев; 80% восполнения производилось через закрытые инфильтрационные сооружения. Отмечено улучшение качества воды после смешивания поверхностных слабоминерализованных вод с подземными водами повышенной минерализации. Кроме того, созданы гидравлические барьеры, препятствующие проникновению морских вод в прибрежные районы.
В странах Африки имеются отдельные примеры применения искусственного восполнения запасов подземных вод в ЮАР, Марокко, Сомали.
В Австралии имеется крупномасштабный пример искусственного восполнения запасов подземных вод. В дельте р. Бурдекин (штат Квинсленд) площадью около 650 км2 для полива сахарного тростника ежегодно расходуется свыше 300 млн. м3 подземных вод, что в полтора раза превосходит естественное питание водоносного горизонта четвертичных отложений. Годовой сток реки значительно превышает потребности в воде, но характеризуется крайней неравномерностью во времени. Интенсивный водоотбор вызвал значительное снижение зеркала подземных вод. К концу сухого периода 1971 г. уровень подземных вод оказался на 5 м ниже уровня моря, что вызвало опасность интрузии морских вод. Австралийский совет по водным ресурсам провел большие исследования по искусственному питанию подземных вод различными методами. В настоящее время для искусственного восполнения запасов подземных вод из реки в систему каналов и инфильтрационных бассейнов забирается около 100 млн. м3 в год. Подача ее производится в периоды, когда уменьшается содержание в воде взвешенных веществ. Бассейны располагаются параллельно естественным водотокам на более высоких участках дельты, что позволяет периодически осушать их для чистки.
В связи с наблюдающимся на действующих установках уменьшением скорости инфильтрации продолжаются исследования процессов фильтрации в зоне аэрации под дном инфильтрационных бассейнов, изучение влияния взвешенных частиц, флоры и фауны в теплых водах инфильтрационных сооружений на снижение скорости инфильтрации, а также численное моделирование водоносной системы для проектирования расширенной программы искусственного восполнения запасов подземных вод этого района.
В условиях Кубы для искусственного подпитывания водоносных горизонтов применяются открытые и закрытые инфильтрационные сооружения.
Использование сточных вод для восполнения запасов подземных осуществляется в ФРГ, США и в некоторых других странах. В ФРГ сточные воды одного из городов по составу были близки к воде р. Рейна, отличаясь от нее лишь более высоким содержанием БПК5. фосфатов, цинка и других компонентов. После обработки их, в частности, осаждения фосфатов, озонирования и фильтрации через активированный уголь и закачки в аллювий показатели загрязнения были снижены до значений, принятых для питьевой воды. Очистка, инфильтрация и вторичное использование сточных вод практикуется на площадях развития слабопроницаемых тонкозернистых пород.
Очищенные сточные воды городских канализаций используются в более чем 400 городах США для орошения земель и искусственного восполнения запасов подземных вод путем инфильтрации их из открытых обвалованных бассейнов, высохших речных русел и закачки в нагнетательные скважины.
Полевые исследования по закачке очищенных сточных вод в верхнемеловой водоносный горизонт, сложенный разнозернистыми песками в Лонг-Айленд (США), показали резкое снижение концентрации бактерий вблизи гравийного фильтра скважины (почти в 500 раз). Установлено, что при достаточном хлорировании сточных вод перед закачкой в водоносный горизонт, опасность бактериального загрязнения его исключается. Использование сточных вод городских канализаций после полной биологической очистки подтверждено опытами в Пенсильвании и других районах США.