|
26 влекомыми наносами и прочими мельчайшими взвесями, что имевший место вначале приток к скважинам исчезает. Поэтому при значительной загрязненности воды в реках и большом содержании в воде взвешенных наносов строительство инфильтрационных водозаборов должно быть тщательно обосновано» [36]. 1.3.3. Процессы инфильтрации речных вод в русловой аллювий под воздействием водозаборов При эксплуатации и проектировании инфильтрационных водозаборов возникает необходимость в определении начального поступления поверхностных вод из реки в общий дебит инфильтрата, стекающего в сборные колодцы. Необходимость такой оценки вызвана тем, что, во-первых, поверхностные воды часто содержат такое количество взвешенных наносов, которое вызывает кольматацию русловых отложений, во-вторых, эти воды бывают, загрязнены или минерализованы и нельзя допустить, чтобы концентрация загрязняющих веществ в каптируемой воде превышала допустимые нормы. Поэтому основными вопросами, решаемыми при проектировании водозаборов, являются правильное размещение последних относительно уреза воды, выяснение количественных отношений между поверхностными и грунтовыми притоками. В литературе встречаются рекомендации о приближении водозаборов к урезу воды от 5 — 10 до 100-150 м. Так, 11.А. Плотников, исходя из практических соображений, рекомендует принимать расстояние линии водозабора от берега реки не менее 10 м, если водоносный горизонт представлен мелкими песками, и не менее 25 м, если горизонт состоит из гравийных отложений. Среднюю скорость береговой фильтрации он рекомендует принимать не более 2,5 м/су г., как при медленной фильтрации на очистных водопроводных сооружениях. Для расчета нужно брать минимальный уровень воды в реке 95%-ной обеспеченности или, что почти тоже, уровень, соответствующий средне месячному расходу самого маловодного месяца в году, сток которого равен 95%. Е.Л. Минкиным разработана методика, по которой возможны прогноз времени наступления предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ, определение максимального расхода водозабора, при котором концентрация загрязнений не превышает допустимые значения. Им предложен графоаналитический способ определения положения нейтральной линии тока, ограничивающего «область захвата» водозабора, расположенного возле поверхностного водоема, гидравлически связанного с водоносным горизонтом. Предполагаем, что фильтрация естественного потока подземных вод плоская, а сам поток не деформируется в результате поступления поверхностных вод при неизменных параметрах пласта и прямолинейном урезе водоема. Для этих условий Е.Л. Минкиным составлены графики, позволяющие в системе плоских координат, в зависимости от проектируемого дебита водозабора, удельного расхода на единицу ширины речного потока и расстояния от уреза воды, найти положение нейтральной линии тока, координаты характерных точек на границе зоны |
требления и работал поэтому периодически. Горизонтальные скважины трех лучевых водозаборов на р. Нижний Рейн (Германия), заложенные на расстоянии 200 м друг от друга в подрусловой части реки, уже по истечении 2,5 лет значительно уменьшили свою производительность из-за кольматации русловых отложений в радиусе 100 м водозаборов. Исследования показали, что закольматированный слой имеет толщину 10 см. Другой водозабор на этой же реке у г. Карлсруэ после трех лет эксплуатации также резко снизил производительность, причем снижение отметки инфильтрата в шахтном колодце при одних и тех же уровнях воды в реке достигло более 2,0 м. Лучевой водозабор на р. Зелье расчетным дебитом 3000 м3/ч через три года эксплуатации снизил производительность почти в пять раз и стал давать всего 600-800 м3/ч, да и то после длительной противоточной промывки водоносных дрен. В целом 32 % всех инфильтрационных водозаборов в Германии быстро обнаружили падение дебитов из-за кольматации, а из весьма крупных водозаборов инфильтрационного типа надежно работает только один, отличающийся от других сравнительно малым дебитом (600 м3/ч). Результаты наблюдений за инфильтрационными водозаборами, построенными в Германии, позволили установить, "что грунт дна реки, лежащий под скважинами, постепенно так сильно забивается влекомыми наносами и прочими мельчайшими взвесями, что имевший место в начале приток к скважинам исчезает. Поэтому при значительной загрязненности воды в реках и большом содержании в воде взвешенных наносов строительство инфильтрационных водозаборов должно быть тщательно обосновано" [13]. Большое внимание работе инфильтрационных водозаборов уделяют объединенные координационные совещания по вопросам проектирования, строительства, эксплуатации и исследований водозаборов и рек, водохранилищ и морей научно-исследовательскими организациями ВНИИ ВОДГЕО и ВНИИГ им. Б. 3. Веденеева. Так, в решениях Международного конгресса 2000 г. (г. Москва) отмечено, что "широко применяемые речные инфильтрационные водозаборы в результате кольматации резко снижают свой дебит". Совещание сочло необходимыми широкие исследования инфильтрационных водозаборов, на основании которых должны быть составлены нормативные указания об условиях эффективности их применения с учетом особенностей бассейнов рек отдельных географических районов, в том числе на Урале и в Сибири. Совещание 1966 г. (г. Тбилиси) отметило, что в связи с целым рядом положительных особенностей инфильтрационные водозаборы должны найти более широкое применение во многих районах РФ и особенно на севере страны, где реки характеризуются большой амплитудой колебаний горизонтов и суровым ледовым режимом. Чрезвычайная шугоносность рек этих районов и крайне тяжелые ледовые условия требуют обращать здесь особое внимание на инфильтрационные водозаборы и связанную с ними проблему возможность борьбы с кольматацией фильтрующей толщи. На этих совещаниях было определено, что основные усилия в области ис82 следования инфильтрационных водозаборов должны быть направлены на изучение особенностей, закономерностей и влияния кольматации на производительность сооружений. Указывалось на необходимость разработки методики гидрогеологических изысканий на участках вновь проектируемых водозаборных сооружений, обобщения натурных данных по установлению эффективности этих сооружений; отмечалась также актуальность изучения влияния ледовых явлений на работу инфильтрационных водозаборов, ибо замечено, что донный и внутриводный лед сильно снижает их производительность; указывалось также на необходимость изучения возможности строительства инфильтрационных водозаборов на реках с периодически меняющимся стоком, в перемерзающих и пересыхающих руслах, на необходимость обоснования целесообразности строительства инфильтрационных водозаборов в районах вечной мерзлоты. Материалы совещаний показывают, что кольматация изучена недостаточно, а каких-либо нормативных указаний об учете кольматации при проектировании, строительстве и эксплуатации водозаборов в Строительных нормах и правилах Госстроя России не имеется. Этот пробел становится все более ощутимым при проектировании новых водозаборов в местах, где они раньше не строились. Так, проект лучевого водозабора с длиной водосборных дрен 360 м, диаметром труб 500 мм и производительностью 500 л/с (44 тыс. м3/сут), выполненный ОАО "Красноярскводоканал" для Канского гидролизного завода (Красноярский край), был отвергнут государственной экспертизой из-за возможности кольматации грунтов на р. Кап (коэффициент фильтрации 125 м/сут), аналогичной кольматации на реках Урала в южной части Западной Сибири. 4.3. Процессыинфильтрацииречныхводврусловойаллювий подвоздействиемводозаборов При эксплуатации и проектировании инфильтрационных водозаборов возникает необходимость в определении начального поступления поверхностных вод из реки в общий дебит инфильтрата, стекающего в сборные колодцы. Необходимость такой оценки вызвана тем, что, во-первых, поверхностные воды часто содержат такое количество взвешенных наносов, которое вызывает кольматацию русловых отложений, во-вторых, эти воды бывают загрязнены или минерализованы и нельзя допустить, чтобы концентрация загрязняющих веществ в каптируемой воде превышала допустимые нормы. Поэтому основными вопросами, решаемыми при проектировании водозаборов, являются правильное размещение последних относительно уреза воды, выяснение количественных отношений между поверхностным и грунтовым притоками. В литературе встречаются рекомендации о приближении водозаборов к урезу воды от 5-10 до 100-150 м. Так, Н. А. Плотников [45], исходя из практических соображений, рекомендует принимать расстояние линии водозабора от берега реки не менее 83 10 м, если водоносный горизонт представлен мелкими песками, и не менее 25 м, если горизонт состоит из гравийных отложений. Среднюю скорость береговой фильтрации он рекомендует принимать не более 2,5 м/сут, как при медленной фильтрации на очистных водопроводных сооружениях. Для расчета нужно брать минимальный уровень воды в реке 95%-ной обеспеченности или, что почти то же, уровень, соответствующий среднемесячному расходу самого маловодного месяца в году, сток которого равен 95 %. Е. Л. Минкиным разработана методика, по которой возможны прогноз времени наступления предельно допустимой концентрации загрязненных веществ, определение максимального расхода водозабора, при котором концентрация загрязнений не превышает допустимые значения. Им предложен графоаналитический способ определения положения нейтральной линии тока, ограничивающего "область захвата" водозабора, расположенного возле поверхностного водоема, гидравлически связанного с водоносным горизонтом. Предполагаем, что фильтрация естественного потока подземных вод плоская, а сам поток не деформируется в результате поступления поверхностных вод при неизменных параметрах пласта и прямолинейном урезе водоема. Для этих условий Е. Л. Минкиным составлены графики, позволяющие в системе плоских координат, в зависимости от проектируемого дебита водозабора, удельного расхода на единицу ширины речного потока и расстояния от уреза воды, найти положение нейтральной линии тока, координаты характерных точек на границах зоны санитарной охраны, рассчитываемой на определенный срок службы водозабора. Приближение водозабора к водоисточнику увеличивает дебит, однако, чрезмерное приближение ухудшает качество очистки воды и, как следствие, может усилить кольматацию руслового аллювия в зоне действия водозаборов. Отсутствие четких рекомендаций и нормативов по выбору оптимальных расстояний водозаборных сооружений относительно уреза воды требует специальных натурных наблюдений. Один раз в два года останавливаются для капитальной очистки после заиления взвешенными наносами в весенний паводок подрусловые водосборные дрены на р. Моти в г. Междуреченске (Кемеровская область, Западно-Сибирская железная дорога), на ст. Балыксу, Лужба и Теба по берегам этой же реки (Хакасская автономная область, Восточно-Сибирская железная дорога). В этих местах были сооружены однотипные водозаборы (постройки 1957-1959 гг.) на дебит около 150 м5/ч (насосы 8 НДВ). Поскольку откачка инфильтрата 150 м3/ч полностью производилась в таком объеме, то дебиты этих четырех сооружений после быстрого заиления дрен (а точнее, запрессовки их взвешенными наносами) снижались практически до нуля (рис. 4.2). 84 |