Нашли неточность, аошибку в тексте?

Выделите текст и нажмите
Ctrl + Enter и напишите вашу версию текста.
Спасибо.

Мы бесплатно разместим статьи, тексты, книги, публикации на Эко портале обращайтесь portaleco.ru@gmail.com

 Формирование подземных вод на урбанизированных территориях.
(0 голоса, среднее 0 из 5)
Статьи - Экология города

Формирование подземных вод на урбанизированных территориях.

Из всех элементов литосферы наибольшей динамичностью и скоростью ответной реакции на воздействие техносферы обладают подземные воды. К подземным водам относят все виды воды, находящиеся ниже поверхности земли.

По характеру связи с горными породами и степени подвижности подземные воды подразделяют на три группы: химически связанную, включая конституционную, кристаллизационную и цеолитную; физически связанную, включая прочносвязанную, рыхлосвязанную и капилярную; и свободную воду.

Химически связанная вода удерживается внутри минералов, слагающих породы, силами, значительно превышающими силу тяжести. Удаляется из минералов при нагревании. Полное разрушение кристаллической решетки с удалением конституционной воды происходит при температурах в несколько сот градусов. Кристаллизационная вода удаляется при температуре, превышающей 105° С; цеолитная выделяется постепенно, начиная с температур порядка 40° С.

Физически связанная вода содержится главным образом в тонкодисперсных породах и удерживается на поверхности частиц силами, имеющими электрическую природу. Диполи прочносвязанной воды входят в состав гранулы коллоидной мицеллы, рыхлосвязанная вода входит в состав диффузного слоя, располагающегося вокруг адсорбционного слоя, молекулы которого удерживаются силами молекулярного притяжения. Рыхлосвязанная вода может передвигаться в процессе выравнивания толщины гидратной оболочки у соседних частиц, а также под влиянием осмотических и электроосмотических сил. В глинах количество рыхлосвязанной воды может достигать 30%, а суммарное количество связанной воды — до 50%.

Капиллярная вода является наиболее подвижной из всех видов связанной воды. Капиллярная вода не подчиняется закону силы тяжести и передвигается в капиллярных порах снизу вверх от уровня подземных вод. Ограничение подвижности связано с действием сил поверхностного натяжения на границе раздела "вода—порода".

Свободная (гравитационная) вода заполняет поры и пустоты в горных породах и передвигается в них под влиянием силы тяжести сверху вниз или в различных направлениях под влиянием перепада давлений (градиента напора).

Научно-технический прогресс неразрывно связан с использованием и загрязнением подземных вод. Основными стимулами к использованию подземных вод в индустриальную эпоху были потребность в более качественной и здоровой, чем поверхностная, воде и большее удобство использования подземной воды, источник которой максимально приближен к объекту водоснабжения. На протяжении столетий человек использует природную систему очистки и доставки воды к месту использования. Эта природная система, включающая водоносные горизонты, разделяющие их водоупорные слои, перекрывающие ненасыщенные грунты и почвы, в силу своей большой емкости и специфических свойств в большинстве случаев обеспечивает более устойчивое водоснабжение, по сравнению с поверхностными источниками воды. Однако в пределах практически любого региона ресурсы подземных вод по объему всегда уступают поверхностным. Так, ресурсы поверхностных вод, формируемые на территории Украины в маловодный год, составляют 29 700 млн м3, а прогнозные ресурсы подземных вод не превышают 7000 млн м3, что в четыре с лишним раза меньше. В ряде случаев подземные воды не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

В настоящее время основной объем используемой человеком подземной воды — это пресные воды, циркулирующие в зоне активного водообмена, простирающейся от приповерхностных слоев земли до глубин от сотен метров до 1 км. Питание подземных вод осуществляется в основном из атмосферных осадков, вымывающих из почв, грунтов зоны аэрации и пород водонасыщенной зоны накопленные там и постоянно пополняемые загрязняющие вещества. Первый от поверхности водоносный горизонт — грунтовые воды, в силу своей приближенности к источникам загрязнения и отсутствию изолирующих слоев повсеместно загрязнен. Загрязнение этих вод в городах настолько значительно, что их очистка для последующего использования нецелесообразна.

Межпластовые воды, залегающие на глубинах до 100 м, имеют сравнительно большую защищенность от поверхностных загрязнений. Циклы водообмена этих горизонтов составляют от нескольких лет до нескольких десятков лет. Эти воды в настоящее время широко используют для водоснабжения населенных пунктов. Однако в последние десятилетия тенденции к техногенному загрязнению неглубоко залегающих подземных вод Украины наметились на трети всех эксплуатируемых водозаборах питьевых вод. Например, в Харькове на водозаборах, расположенных в черте города, в воде верхнемелового водоносного горизонта, залегающего в интервале глубин 40—80 м, фиксируется сверхнормативное содержание нефтепродуктов, следы фенолов, пестицидов. В пределах Харьковской промьфлленно-городской агломерации, несмотря на наличие перекрывающего регионального водо- упора эоценовых мергелей, в процессе эксплуатации межпластовых вод верхнемелового водоносного горизонта в него проникают загрязненные грунтовые воды. За 80 лет эксплуатации верхнемелового водоносного горизонта общая минерализация откачиваемых подземных вод возросла от 0,5—0,7 до 1,8—2,2 г/дм3, общая жесткость повысилась от 5—7 до 18—20 ммоль/дм3, что является результатом выщелачивания меломергельных пород под воздействием увеличения скорости фильтрации и растворяющего воздействия проникающий сверху агрессивных вод.

Наибольшую защищенность пресные подземные воды имеют в пределах артезианских бассейнов, зона развития которых простирается до глубины от нескольких сот метров до 1 км. Полный водообмен в этих горизонтах происходит в течение сотен и тысяч лет.

На первый взгляд, это как будто дает возможность пользоваться чистым источником воды еще длительное время. Однако на практике в силу специфических гидродинамических и геохимических процессов, происходящих в подземной гидросфере при интенсивном отборе подземных вод, и поступления загрязняющих веществ через стволы неисправных скважин качественные показатели подземных водоносных горизонтов постепенно ухудшаются.

Математическое моделирование гидрогеологических процессов позволяет прогнозировать количественные показатели этих изменений.

Глубокие горизонты пресных вод могут подвергнуться воздействию как вышезалегающих загрязненных горизонтов, так и нижезалегающих комплексов, содержащих некондиционные солоноватые воды. Мало изученным остается состав поро- вых растворов прилегающих слабопроницаемых слоев, отжим которых также может давать увеличение содержания в эксплуатируемых артезианских водах нежелательных компонентов — таких как соли жесткости, хлориды, сульфаты, Fe, F, Br, В, Li, Sr, А1, сероводород, нитриты.

Ухудшение качества воды, связанное с поступлением макро- и микрокомпонентов из прилегающих толщ в силу ненасыщенности природных вод всегда необратимо. При эксплуатации артезианских водозаборов за период амортизационного срока (обычно 25 лет) извлечение подземных вод происходит с участка, имеющего площадь, измеряемую несколькими квадратными километрами. Приток нежелательных ингредиентов в эксплуатируемый водоносный горизонт в тот же период происходит на всей площади депрессии, измеряемой многими десятками квадратных километров. Таким образом, на урбанизированных территориях под воздействием интенсивной хозяйственной деятельности складывается нарушенный (антропогенный) режим подземных вод. Изменение гидродинамических характеристик подземных вод (напора, скорости, расхода), их состава и температуры происходит не только под воздействием естественных факторов (атмосферных осадков, температуры, режима поверхностных вод и др.), но и техногенных, которые часто играют ведущую роль.

При условии сохранения объема элемента гидросферы и емкостных характеристик слагающих его горных пород водный баланс выражается уравнением вида:Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image87.jpeg

где Qj — сумма приходных и расходных статей водного баланса элемента, м3/сут.; (+) — приток, (—) — отток подземных вод; At — длительность расчетного периода, сут.; Av — изменение объема (запасов) подземных вод, м3.

Под запасами подземных вод понимается общий объем воды, содержащейся в рассматриваемом элементе гидросферы. Приток подземных вод к рассматриваемому элементу, пополнение запасов, приходные статьи водного баланса называются питанием подземных вод; отток, сработка запасов, расходные статьи баланса — разгрузкой подземных вод.

Для элемента грунтового горизонта уравнение водного баланса выражается зависимостью:

Iienaiea: C:\WINDOWS\TEMP\FineReader10\media\image88.jpeg

где Wn — суммарное питание грунтовых вод с поверхности, м3/сут.; Р — разгрузка грунтовых вод на поверхность, м3/сут.; ± QH — приток из нижележащих горизонтов или отток в нижележащие горизонты, м3/сут.; ±Д??ф — разность притока и оттока по грунтовому водоносному горизонту, м3/сут.; Q3— отбор грунтовых вод, м3/сут.; F — площадь балансового участка, м2; АН — изменение уровня грунтовых вод в рассматриваемом элементе потока (м) за расчетный период A/; (i — гравитационная емкость, доли единицы.

Суммарное питание грунтовых вод с поверхности Wn включает в себя составляющие: W— инфильтрационное питание грунтовых вод; К — конденсация; QnoB — поглощение поверхностных вод; Wu — искусственное питание.

Составляющими разгрузки грунтовых вод на поверхность Р являются Z— разгрузка суммарным испарением, включающим транспирацию, и Рп — разгрузка грунтовых вод на поверхность (родники, мочажины, пластовые выклинивания).

При неизменной емкостной характеристике горных пород и площади балансового участка изменение составляющей приходной части водного баланса JVn и расходной части Q3 приводит к изменению АН — подъему или снижению уровня грунтовых вод.

Глубина залегания грунтовых вод, обусловленная природными факторами, имеет зональный характер. Глубина залегания грунтовых вод в различных зонах Украины, выделенных на основе особенностей увлажнения и рельефа, показана в табл. 3.16.

Таблица 3.16. Средние зональные характеристики грунтовых вод

Зона

Глубина за

Величина пи

Минерализа

Химический

легания, м

тания, мм/год

ция, г/л

состав

Неглубоких

5-10

45 - 90

0,3 - 0,5

НС03-Са

оврагов

 

 

 

Глубоких

10 - 15

30 -45

до 0,1

НС03-Са

оврагов

 

 

 

HCO,SO,-Ca

3 4

Овражно-ба-

до 20

10 - 20

1,0 - 3,0

SCf4-Ca(Na)

лочные сети

и более

 

 

Зона причер

до 50

5,0 - 1,0

до 3,0 - 5,0

S04 HC03-Ca

номорских

и более

 

 

S04-Ca

балок

 

 

 

ClS04-(Na)Ca

Цифры, приведенные в таблице, характеризуют средние глубины залегания грунтовых вод в междуречных пространствах на определенном удалении

от крутых склонов, уступов речных террас, заболоченных понижений. *

Для застроенных территорий характерным является подтопление, основная причина которого состоит в высокой территориальной концентрации водопотребления и поступлении дополнительного питания в подземное пространство. Приходные статьи баланса увеличиваются прежде всего за счет искусственного питания (W) из многочисленных источников дополнительной инфильтрации: водопроводной и канализационной сети, отстойников, градирен и т.д. Увеличивается также доля атмосферных осадков, идущая на питание грунтовых вод (И^) вследствие перепланировок поверхности, препятствующих отведению поверхностного стока. На застроенных территориях возрастает внутригрунтовая конденсация, поскольку фундаменты зданий обладают более высокой теплопроводностью, по сравнению с почвами и грунтами. Накоплению конденсата способствуют и открытые в зимний период подвальные помещения, котлованы и т.п.

Подъему уровней грунтовых вод может способствовать также уменьшение порового пространства, в котором содержатся гравитационные воды (/J). Это может происходить под насыпями, фундаментами, где уменьшение порового пространства является следствием увеличения статических нагрузок.

 При забивке свай под фундаменты объем порового пространства грунтов уменьшается на величину объема свай.

 Это приводит к резкому ухудшению проницаемости грунтов, особенно в горизонтальном направлении, и формированию в пределах свайных оснований своеобразного барража на пути фильтрации грунтовых вод. Компенсирующего водоотбора (Q3) грунтовых вод на территории городов, как правило, нет. Поэтому уровни грунтовых вод на урбанизированных территориях имеют тенденцию к подъему, что коррелиру- ется с возрастанием территориальной концентрации водопотребления. Баланс между притоком и оттоком устанавливается при достижении грунтовыми водами глубин, где резко возрастает испарение и транспирация (Zp). Обычно эти факторы разгрузки грунтовых вод существенны при глубинах воды от поверхности до 1 — 1,5 м, что по нормативам для застроенных территорий соответствует подтопленным территориям (табл. 3.17).

Таблица 3.17. Нормы осушения или глубины залеганий грунтовых вод

Характер застройки

Норма осушения, м

Территории крупных промышленных зон и комплексов

до 15

Территории городских промышленных зон, коммуналь

5

но-складских зон, центры крупнейших, крупных и

 

больших городов

 

Селитебные территории городов и сельских населенных

2

пунктов

 

Территории спортивно-оздоровительных объектов и

1

учреждений обслуживания зон отдыха

 

При подъеме уровней грунтовых вод должен увеличиваться их отток в естественные дрены (—A Q) вследствие увеличения градиента уклона потока. Однако на практике в пределах урбанизированных территорий базис стока, как правило, имеет тенденцию к подъему вследствие затопления, сужения и зарегулирования рек и ручьев, засыпки оврагов и балок, что, наоборот, способствует уменьшению градиентов уклона потоков и уменьшению таким образом расходных составляющих грунтовых вод.

Существенным фактором, влияющим на расход грунтовых вод, является эксплуатация неглубоко залегающих межпластовых горизонтов. Например, для Харькова, где подтоплено более 5 тыс. га, по результатам гидрогеологического моделирования установлено, что в результате длительной откачки подземных вод, залегающих в интервале 40—80 м от поверхности земли, уровень грунтовых вод на подтопленной территории может быть понижен на 1—5 м. Такой эффект может быть получен при определенной проницаемости водоупора, разделяющего фунтовые и межпластовые водоносные горизонты.

Истощение межпластовых вод происходит при их интенсивной эксплуатации для коммунального и промышленного водоснабжения.

Основными источниками загрязнения фунтовых и межпластовых вод в городах являются: промплощадки и отстойники жидких отходов промпред- приятий; утечки из канализационных сетей, очистные сооружения, свалки бытовых отходов; рассеянное загрязнение нефтепродуктами, органическими веществами и тяжелыми металлами на городской территории.

Меры по охране подземных вод от загрязнения должны носить упреждающий характер и реализовываться в период проектирования и строительства промышленных и коммунальных объектов.


Похожие статьи:

Добавить статью в закладки

 
Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Полное или частичное копирование материалов сайта разрешается только при указании активной ссылки на экологический портал!
Материалы размещены и подготовлены для образовательных и некоммерческих целей.
ООО "Новая Экология" © 2010 - 2017