Расчет защищенности грунтовых вод
Термин защищенность используется для характеристики степени изолированности подземных вод от поверхностного загрязнения. Защищенность контролируется временем проникновения загрязнения с поверхности земли в грунтовый водоносный горизонт.
Нормативные документы в области санитарной охраны питьевых водозаборов дают определение защищенности. Так, к защищенным подземным водам относятся напорные и безнапорные межпластовые воды, имеющие в пределах всех поясов ЗСО сплошную водоупорную кровлю, исключающую возможность местного питания из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов. К недостаточно защищенным подземным водам относятся: а) подземные воды первого от поверхности земли безнапорного водоносного горизонта (грунтовый горизонт); б) напорные и безнапорные межпластовые воды, которые в естественных условиях или в результате эксплуатации водозабора получают питание на площади ЗСО из вышележащих недостаточно защищенных водоносных горизонтов через гидрогеологические окна или проницаемые породы кровли, а также из водотоков и водоемов путем непосредственной гидравлической связи.
От степени защищенности зависят размеры ЗСО, порядок установления которых определяет законодательство. В первую очередь это касается 2-го пояса. В случае если горизонт является защищенным, размер 2-го пояса ЗCО рассчитывается гидродинамическим методом на период времени, равный 100 или 200 сут. в зависимости от климатического региона. В противном случае 2-й пояс ЗCО рассчитывается на время, равное 400 сут. Размер 1-го пояса ЗCО также законодательно связан со степенью защищенности горизонта. Так, для защищенного горизонта радиус 1-го пояса ЗCО устанавливается равным 30 м, а для недостаточно защищенного радиус увеличивается до 50 м.
В случае, когда зона аэрации сложена слабопроницаемыми линзами супесей, суглинков и глин, можно провести дополнительное обоснование защищенности первого от поверхности водоносного горизонта, чтобы перевести его из категории недостаточно защищенного в защищенный с целью сокращения размеров ЗСО.
Защищенность грунтовых вод может быть оценена качественно по методике В. М. Гольдберга или количественно путем гидродинамических расчетов.
1. Оценка защищенности грунтовых вод по В.М. Гольдбергу
Качественная оценка может быть проведена в виде определения суммы условных баллов, характеризующих время миграции загрязнения с поверхности до уровня грунтовых вод. В нашей стране наиболее широко известна методика оценки защищенности, предложенная В.М. Гольдбергом для безнапорных вод. Это оценка базируется на четырех параметрах зоны аэрации: 1) глубине залегания грунтовых вод; 2) строении и литологии пород; 3) мощности слабопроницаемых отложений в разрезе; 4) фильтрационных свойствах пород и, прежде всего, слабопроницаемых отложений. Обоснование баллов производится исходя из времени достижения загрязняющими веществами уровня грунтовых вод. В качестве исходной единицы для оценки баллов (1 балл) В. М. Гольдберг принял приблизительное время фильтрации через зону аэрации, сложенную хорошо проницаемыми породами (k~2м/сут) мощностью 10 м.
Для расчета необходимо сложить баллы, полученные за мощность зоны аэрации (таблица 1), и баллы за мощности имеющихся в разрезе слабопроницаемых пород (таблицы 2, 3). По сумме баллов выделяют шесть категорий защищенности грунтовых вод (таблица 4).
Наименьшей защищенностью характеризуются условия, соответствующие категории I, наибольшей — категории VI. Для целей организации ЗСО защищенным водоносным горизонтом рекомендуется принимать тот, который наберет в сумме 10 и более баллов, т. е. попадет в III и выше категорию по Гольдбергу.
Пример №1. Оценка защищенности грунтовых вод по Гольдбергу Исходные данные. Водозабор подземных вод в районе г. Нововоронеж эксплуатирует безнапорный водоносный горизонт песков. При бурении скважины уровень воды установился на глубине 14 м от поверхности земли. По архивным данным также известно, что годовая амплитуда колебаний уровня грунтовых вод для данного района составляет 1.5 м. Зона аэрации сложена песками, однако на глубине 3 м и 7 м встречаются прослои глины мощностью 2.0 м и супеси мощностью 4 м соответственно. Расчет. Шаг 1. Определяем баллы за глубину до воды по таблице 1. Минимальная глубина до воды с учетом годовой амплитуды колебаний уровней грунтовых вод составляет (14 м—1.5 м) = 12.5 м. Таким образом, за глубину присваивается 3 балла. Шаг 2. Определяем группу (индекс) слабопроницаемых включений пород зоны аэрации по таблице 2. Первый прослой глины относится к литологической группе с индексом «в», а второй прослой супесей относится к группе «б». Шаг 3. Определяем баллы за мощность каждой литологической группы по таблице 3. Для глин (тип «в») мощностью 2 м присваивается 4 балла, а для супесей (тип «в») мощностью 4 м присваивается также 4 балла. Шаг 4. Суммирование баллов (всего 10 баллов - см. таблицу на рисунке ниже).Шаг 5. Оценка категории защищенности по таблице 4. По сумме баллов рассматриваемый водоносный горизонт можно отнести к III категории защищенности по В. М. Гольдбергу. Поскольку выполняется условие, что сумма баллов ≥ 10, то водоносный горизонт может рассматриваться как защищенный при установлении 1-го и 2-го поясов ЗCО.
2. Количественная оценка защищенности грунтовых вод
Время проникновения загрязнения с поверхности земли на зеркало грунтовых вод для первого от поверхности водоносного горизонта определяется составом слагающих зону аэрации пород, ее мощностью (L), а также величиной инфильтрационного питания (W). В случае если величина инфильтрационного питания не превышает коэффициент фильтрации пород зоны аэрации (k), в расчетах используется приближенное уравнение (1), если иначе, то уравнение (2). Различие уравнений связано с режимом фильтрации в зоне аэрации. При низкой интенсивности инфильтрационного питания и в проницаемых породах движение влаги в зоне аэрации происходит в ненасыщенной среде (уравнение 1). Если же коэффициент фильтрации литологической разности ниже величины инфильтрационного питания (как правило характерно для глин и суглинков), то миграция загрязнителя идет в водонасыщенной среде (уравнение 2).
Как видно, для расчета защищенности нужно задаться величиной инфильтрационного питания. Прямое определение величины инфильтрационного питания (W) является нетривиальной задачей. Она зависит от множества метеорологических, геоморфологических и почвенных факторов. Для приближенной оценки инфильтрационного питания можно воспользоваться картой, приведенной ниже.
Карта распределения инфильтрационного питания подземных вод (W) (Döll, P., Fiedler, K. (2008): Global-scale modeling of groundwater recharge. Hydrol. Earth Syst. Sci., 12, 863-885).
Если по результатам расчета суммарное время миграции загрязнителя с поверхности (t0) окажется более 400 сут, то грунтовый водоносный горизонт можно считать защищенным для сокращения 1-го и 2-го поясов ЗCО в установленном порядке.
Пример №2. Оценка защищенности грунтовых вод количественным методом Исходные данные. Водозабор подземных вод в районе г. Нововоронеж эксплуатирует безнапорный водоносный горизонт песков. При бурении скважины уровень воды установился на глубине 14 м от поверхности земли. По архивным данным также известно, что годовая амплитуда колебаний уровня грунтовых вод для данного района составляет 1.5 м. Зона аэрации сложена породами различной литологии (см. таблицу 7). Расчет. Шаг 1. Обоснование параметров. Примем значения коэффициента фильтрации и активной пористости для каждой литологической разности по справочным данным (см. Таблицу 7). Величина инфильтрационного питания (W) принята равной 0.0003 м/сут, в соответствии с картой (см. выше). Шаг 2. Выбор расчетной формулы. Выбранная величина инфильтрационного питания (W) меньше коэффициента фильтрации слоя 1, 3, 4, 5. Для них используем уравнение (1). Для третьего слоя глин используем уравнение (2). Шаг 3. Расчет времени миграции загрязнения через каждый слой зоны аэрации (таблица 8).Шаг 4. Сопоставление расчетного времени (t0) с критерием защищенности. Исходя из логики сокращения 2-го пояса ЗCО, можно сделать вывод, что защищенным грунтовым водоносным горизонтом может считаться тот горизонт, время миграции загрязнения через зону аэрации (t0) которого превышает 400 сут. В нашем случае расчетное время получилось больше, что позволяет отнести рассматриваемый грунтовый водоносный горизонт к категории защищенных.
