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".

140 Экология города

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 промышленно-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

Раздел 3. Водная среда города 141

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 проникающих 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, Вг, В, Li, Sr, A1, 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 инфедиентов 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 ифают ведущую роль.

При условии сохранения объема элемента гидросферы и емкостных ха­
рактеристик слагающих его горных пород водный баланс выражается уравне­
нием вида: „

£(QjAt)± Ду=0,

¹

где Q_i — 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.

Экология города

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:

где W_n — суммарное питание грунтовых вод с поверхности, м³/сут.; Р — раз­грузка грунтовых вод на поверхность, м³/сут.; ± Q_H— приток из нижележащих горизонтов или отток в нижележащие горизонты, м³/сут.; ±AQ — 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 At; \i — гравитационная емкость, доли единицы.

Суммарное питание грунтовых вод с поверхности W_n включает в себя со­ставляющие: W —инфильтрационное питание грунтовых вод; К — конденса­ция; Q_noB — поглощение поверхностных вод; W_u — искусственное питание.

Составляющими разгрузки грунтовых вод на поверхность Р являются Z_p— разгрузка суммарным испарением, включающим транспирацию, и Р_п — 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 W_n 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

Раздел 3. Водная среда города 143

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_H) 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 (/і). 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 (Z_p). 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

144 Экология города

При подъеме уровней грунтовых вод должен увеличиваться их отток в естественные дрены (— AQ) 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 грунтовые и межпластовые водоносные горизонты.

Явление подтопления городов рассмотрено в разд. 2.4.

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

Основными источниками загрязнения грунтовых 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.