Обоснование и организация зон санитарной охраны

Организация зон санитарной охраны водозаборов подземных вод – одно из основных мероприятий по защите от загрязнения подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Под загрязнением понимается ухудшение качества подземных вод при эксплуатации под влиянием процессов проникновения в продуктивный гори­зонт вредных бактериальных или химических компонентов в количестве, превышающем допустимые нормы (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема источников загрязнения подземных вод

Как известно, основной целью разведки подземных вод является изуче­ние количества, качества и условий эксплуатации подземных вод. При изучении качества подземных вод решаются следующие задачи:

- выявляется химический и бактериологический состав подземных вод в естественных условиях;

- прогнозируется изменение качества подземных вод в процессе эксплу­атации;

- обосновываются задачи и содержание мероприятий по организации зон санитарной охраны.

Оценка химического и санитарно-бактериологического состава подземных вод осуществляется в процессе опробования водоносных горизонтов и про­ведения лабораторных исследований, причем эти работы должны быть про­ведены в достаточном объеме.

Требования к качеству воды для различных целей определяются действу­ющими стандартами, нормами, условиями. Так, выбор и оценка источника водоснабжения для хозяйственно-питьевых целей осуществляется по требо­ваниям ГОСТ 2874-82, ГОСТ 2761-84 и Сан ПиН 4.01.055.01. Требования к воде, используемой в технических целях, устанавливаются потребителями: показатели по агрессивности, температуре, жесткости, коррозии, общей минерализации и т.п.

Однако свойства воды, определенные в естественных условиях, могут быть изменены, чаще ухудшены в процессе эксплуатации. В связи с этим оценка качества воды должна осуществляться с учетом его изменения на весь срок эксплуатации. Изменение качества воды зависит от:

- защищенности водоносного горизонта;

- границы водоносного горизонта в плане и разрезе;

- наличия в зоне водозабора очагов загрязнения;

- сложности гидрохимических условий;

- интенсивности водоотбора.

Все эти факторы должны быть изучены в процессе поисково-разведочных работ.

Основными источниками загрязнения подземных вод являются:

- скопление бытовых и промышленных стоков, твердых отходов произ­водства;

- потери из дефектных канализационных стоков;

- складирование и потери нефтепродуктов и химической продукции;

- использование и миграция ядохимикатов на полях орошения;

- переток по затрубному пространству в скважинах высоко- минерализованных вод;

- загрязнение гидравлически связанных поверхностных вод и т.п.

Содержание и объем исследований для оценки качества подземных вод зависят от сложности гидрогеологических и санитарных условий месторож­дения подземных вод. На месторождениях с простыми гидрохимическими и санитарными условия­ми, где не ожидается изменения качества воды в процессе эксплуатации водозабора, ограничиваются минимальным объемом исследований, не приме­няя специальных. На месторождениях со сложными условиями (контакт с минерализованными водами, агрессивные газы, связь с загрязненными водоемами, сложные ус­ловия организования зон санитарной охраны), наряду с изучением естест­венных факторов качества необходимо всесторонне изучать условия расп­ространения и взаимодействия вод различного состава, обосновать мероп­риятия по предотвращению загрязнения подземных вод.

Для предотвращения загрязнения подземных вод создаются зоны санитарной охраны, в пределах которых осуществляются специальные мероприятия, исключающие возможность поступления загрязнений в водозабор и в водоносный пласт в районе водозабора. Более того, водозаборы подземных вод не должны располагаться в пределах территорий промышленных предприятий и населенных пунктов.

При определении размеров зон санитарной охраны водозаборов подземных вод, а также санитарно-оздоровительных и защитных мероприятий в пределах этих зон должны учитываться гидрогеологические условия и в первую очередь защищенность подземных вод от поверхностного загрязнения. Она определяется возможностью и интенсивностью поступления в водоносный горизонт загрязненных вод с поверхности земли или из поверхностных водотоков и водоемов. С позиции защищенности выделяются две группы подземных вод – защищенные и недостаточно защищенные.

К защищенным подземным водам относятся напорные и безнапорные межпластовые воды, которые имеют в пределах всех поясов зоны санитарной охраны сплошную водоупорную кровлю, исключающую возможность местного питания из вышележащих водоносных горизонтов, с поверхности земли или из поверхностных водотоков и водоемов.

К недостаточно защищенным подземным водам относятся подземные воды первого от поверхности земли безнапорного водоносного горизонта и напорные и безнапорные межпластовые воды, которые получают питание из вышележащих, недостаточно защищенных, горизонтов через гидрогеологические окна или непосредственно из водотоков и водоемов.

В количественном отношении степень защищенности водоносного горизонта оценивается по времени движения загрязнений от поверхности земли до кровли эксплуатируемого водоносного горизонта через толщу перекрывающих пород. Это время зависит от мощности, фильтрационных свойств, пористости перекрывающих пород, градиента напора. Если время движения меньше 100 – 400 суток, водоносный горизонт является незащищенным от микробных загрязнений, а если меньше 25 – 50 лет, – от стабильных химических загрязнений за период срока работы водозабора. В этих случаях защита водозабора в пределах зоны санитарной охраны реализуется специальными мероприятиями так, чтобы возможные источники загрязнения были удалены на расстояния, при которых длительность движения загрязнений по пласту и водозабору будет не менее заданной.

В состав зоны санитарной охраны входят три пояса: первый пояс – пояс строгого режима, второй и третий пояса – пояса ограничений.

Первый пояс включает территорию расположения водозаборов и водопроводных сооружений и устанавливается в целях устранения случайного или умышленного загрязнения воды источника. Граница этого пояса устанавливается на расстоянии не менее 30 м от водозабора – при использовании незащищенных подземных вод и на расстоянии не менее 50 м – при недостаточно защищенных подземных водах.

Второй пояс зоны санитарной охраны предназначен для защиты водоносного горизонта от микробных загрязнений. Поскольку второй пояс расположен внутри третьего пояса, он предназначен для защиты и от химического загрязнения. Основным параметром, определяющим расстояние от границы второго пояса до водозабора, является расчетное время (Т_м) передвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору, которое должно быть достаточным для утраты жизнеспособности патогенных микроорганизмов, т.е. для эффективного самоочищения. Расчетное время выбирается исходя из гидрогеологических условий (грунтовые или напорные воды) и климатических характеристик районов.

Третий пояс зоны санитарной охраны предназначен для защиты подземных вод от химических загрязнений. Расположение его границ определяется гидродинамическими расчетами исходя из условия, что если за пределами рассматриваемых границ в водоносный пласт поступят химические загрязнения, они не достигнут водозабора, перемещаясь с подземными водами вне области питания, а если и достигнут, то не ранее расчетного времени. Вполне очевидно, что время передвижения загрязнений воды от границы третьего пояса до водозабора должно быть больше проектного срока эксплуатации.

Санитарно-оздоровительные и защитные водоохранные мероприятия для устранения или предупреждения возможности загрязнения подземных вод устанавливаются отдельно для каждого пояса зоны санитарной охраны. Это могут быть либо единовременные меры перед началом эксплуатации, либо постоянные мероприятия режимного характера. К таким общим мероприятиям относится: выявление и ликвидация всех старых, бездействующих или дефектных скважин, регулирование бурения новых скважин и любого нового строительства. Запрещается закачка отработанных вод в подземные горизонты, разработка недр, которая может привести к загрязнению водоносных горизонтов, а также размещение накопителей промстоков, складов горюче-смазочных материалов, ядохимикатов, минеральных удобрений и пр.

Для обоснования проекта зоны санитарной охраны гидрогеологическими расчетами должны быть определены:

- размеры и конфигурация области захвата, в пределах которой подземные воды движутся к водозабору и захватываются ими;

- время движения подземных вод по наиболее опасным направлениям, по которым возможно поступление загрязненных подземных вод в сторону водозабора.

Размеры и конфигурация зоны санитарной охраны водозабора зависят от его типа, схемы размещения и режима эксплуатации скважин, степени неоднородности водоносного пласта, наличия источников питания или естественного потока и т.д.

На принципиальной схеме движения подземных вод к водозабору (рис.8.2) выделяются следующие характерные участки:

- область питания водозабора, ограниченная нейтральной линией тока;

- область захвата водозабора, составляющая часть области питания и сформировавшаяся за определенное время работы водозабора (Т).

Рис. 8.2. Схема фильтрации подземных вод к водозабору

В пределах области питания все линии тока заканчиваются на водозаборе, а за ее пределами линии тока огибают водозабор. Это означает, что имеющаяся здесь вода с возможными загрязнениями никогда не достигнет водозабора. В пределах области захвата, схематически изображаемом в виде эллипса, вытянутого вдоль потока подземных вод, частицы воды обязательно поступят к водозабору. Площадь области захвата увеличивается в процессе эксплуатации, а ее предельное положение устанавливается по раздельной линии тока.

При осуществлении практических расчетов зоны санитарной охраны область захвата схематизируется в виде прямоугольника шириной 2d и общей протяженностью L:

, (8.1)

где r - протяженность зоны вниз по потоку или водозабору;

R - то же вверх по потоку.

В связи с тем, что величины значений r, R, и d в процессе эксплуатации увеличиваются, размеры зоны санитарной охраны должны быть такими, чтобы загрязненные частицы достигли водозабора лишь к концу расчетного времени Т. Чаще всего расстояние R представляется в виде двух слагаемых:

, (8.2)

где R_q - расстояние, преодолеваемое частицами воды при отсутствии

водозабора в естественных условиях (при движении со скоростью

бытового потока q):

, (8.3)

где R – дополнительное расстояние, которое проходит частица воды

при эксплуатации водозабора;

m - мощность пород;

n - активная пористость.

Граница зоны санитарной охраны вниз по потоку проводится через водораздельную точку N на нейтральной линии тока. В случае, когда расстояние от водозабора до точки N велико и время движения частиц больше расчетного времени Т, положение нижней границы смещается ближе к водозабору - на расстояние r от него. Величина 2d принимается равной максимальной ширине области захвата водозабора, при этом максимальное значение d_max устанавливается по наибольшей ширине области питания водозабора.

Как было отмечено, расчетное время Т устанавливается в зависимости от вида возможного загрязнения пласта и степени его защищенности. В случае, если область захвата водозабора представляет открытые сверху участки, величина времени Т определяется в соответствии со сроком эксплуатации водозабора.

В безнапорных водоносных горизонтах, а также в неглубоко залегающих пластах, перекрытых сверху слабопроницаемыми отложениями, определение границ зоны санитарной охраны в зависимости от бактериологического загрязнения осуществляется с учетом времени t₀ – просачивания загрязненных вод по вертикали до основного эксплуатационного пласта. При этом

, (8.4)

где Т_М - время выживаемости бактерий.

При расчетах времени продвижения загрязнений и установлении факторов зоны санитарной охраны, а также при определении минерализации подземных вод и содержания в них загрязняющих компонентов в отдельных случаях учитываются процессы физико-химического взаимодействия загрязненных вод с природными подземными водами и породами эксплуатационного пласта. Наиболее существенными из этих процессов являются поглощения либо убыль веществ из фильтрующихся загрязненных вод в результате сорбции, разложения или обмена, дисперсия или рассеяние вещества на границе раздела загрязняющих и природных вод, деформация границы раздела загрязненных и чистых вод под влиянием различий в плотности.

Определение размеров зоны санитерной охраны подземных водозаборов осуществляется по расчетным зависимостям, принятым для определения основных схем фильтрации. Это береговые водозаборы для одиночных или линейного ряда скважин при различных вариантах направления естественного потока подземных вод (к реке, от реки, отсутствует и т.д.). Для водозаборов, удаленных от рек, рассматриваются случаи одиночных, компактно расположенных скважин, или линейные водозаборные сооружения.

В качесте примера рассмотрим довольно часто встречающийся случай линейного водозаборного сооружения в удалении от реки, а именно, линейный водозабор в напорном водоносном горизонте, нормально расположенный к направлению естественного потока подземных вод (рис.8.3).

Рис. 8.3. Схема фильтрации к линейному водозабору в неограниченном пласте

Границей области питания является раздельная линия, проходящая через водораздельную точку N, положение которой определяется расстоянием х_в:

. (8.5)

Протяженность зоны санитарной охраны вверх по потоку находится по следующей зависимости:

, (8.6)

где .

При отсутствии бытового потока (q = 0) формула (8.6) принимает вид

; (8.7)

; . (8.8)

Расстояние до границы зоны санитарной охраны, располагающейся ниже по потоку подземных вод от водозабора, находится по формуле

, (8.9)

где .

Максимальная протяженность зоны вниз по потоку r_max = x_b, а при отсутствии бытового потока (q = 0) r = R.

Ширина зоны санитарной охраны для линейного водозабора, расположенного нормально к направлению потока подземных вод, находится по следующей зависимости:

. (8.10)

Проект организации зон санитарной охраны обосновывается материалами специальных гидрогеологических, гидрохимических и санитарных исследо­ваний. В связи с этим должны проводиться исследования на месторождении в следующих направлениях:

- изучать процессы проникновения в водоносный горизонт возможных загрязнений;

- исследовать сорбционные (поглотительные) свойства водоносных пород по отношению к загрязняющим веществам и изучить их очищающие способ­ности;

- изучать опыт эксплуатации подземных вод в аналогичных гидрогеоло­гических условиях;

- проводить санитарно-гигиеническое районирование площади месторож­дения по степени возможного загрязнения подземных вод;

- определять и обосновывать на месторождении зоны санитарной охраны.