Гидрогеологический мониторинг на участках береговых водозаборов (методические рекомендации)

В. М. Шестаков, С. А. Брусиловский

Настоящие методические рекомендации составлены в развитие документа (1) применительно к условиям береговых водозаборов и используют общие принципы гидрогеоэкологического мониторинга, представленные в работе (2). Мониторинг подземных вод на территориях береговых водозаборов может рассматриваться, как наиболее типичный случай водно-ресурсного мониторинга, целенаправленного на обоснование рационального использования ресурсов подземных вод. Такой мониторинг представляет собой систему проведения наблюдений и сбора информации для оценки состояния и прогнозирования изменений в системе водоотбора применительно к решению задач управления работой водозаборов подземных вод, исходя из водохозяйственных требований.

Анализ материалов мониторинга подземных вод на ряде объектов централизованного водоснабжения показывает, что методика его проведения должна быть тесно связана с гидрогеологическими условиями на территориях водозаборов. С этой точки зрения представляет первостепенный интерес условия береговых водозаборов, имеющих широкое распространение и развитую систему мониторинга. Береговые водозаборыподземных вод располагаются на берегах рек (водохранилищ) в эксплуатируемых горизонтах подземных вод и в плане обычно состоят из рядов водозаборных скважин (ВС) вдоль берега реки (водохранилищ). Основную балансовую часть у таких водозаборов составляет приток со стороны реки (водохранилищ).

Мониторинг на территории водозаборов подземных вод включает проведение регулярных наблюдений и специальных прогностических обследований.

Регулярные наблюдения (РН) проводятся для регулярного слежения за состоянием водозаборных скважин и качеством добываемой воды. Ведение КЗ организуется водопользователем с участием СЭС. Сроки проведения РН определяются утверждаемым регламентом. Особое внимание к проведению РН проявляется при наличии явного ухудшения условий водоотбора (аварийное снижение производительности или превышение загрязнения по показателям ПДК).

Специальные обследования проводятся для прогностического обоснования оптимизации работы водозаборов с учетом улучшения качество отбираемой воды, в частности, для переоценки эксплуатационных запасов подземных вод на участке водозабора. Специальное обследование организуется водопользователем с привлечением специализируюшихся в этом направлении организаций федерального уровня согласно стратегической программы использования подземных вод для водоснабжения. Как правило, для научного сопровождения специальных прогностических обследований следует привлекать специализированные научные подразделения.

Сроки проведения специальных обследований устанавливается согласно планированию работ по оптимизации работы водозабора. На этапе пуска водозабора проводятся первоначальное прогностическое обследование, на основании которого должно быть проверено реальное соответствие производительности водозабора утвержденным эксплуатационным запасам.

В рамках мониторинга могут проводится наблюдения, направленные на решение проблем влияние водоотбора на окружающую среду, - такие наблюдения следует проводить с участием геоэкологов, специализирующимися на решении такого рода работ. Особые обследования проводятся также при работах по регенерации водозаборных скважин с задачей оценки эффективности этих работ. Гидрогеологический мониторинг включает гидрогеодинамические и гидрогеохимические наблюдения. При их постановке ниже конкретно рассматриваются наиболее характерные для средней полосы России условия постоянно действующих равнинных рек и не учитываются особенности условий на территориях многолетней мерзлоты.

Гидрогеодинамические наблюдения

Гидрогеодинамические РН направлены на слежение за стабильностью работы водозабора и включают синхронные замеры уровней и расходов воды в ВС, а также уровней воды в реке. При постановке гидрогеодинамических наблюдений следует иметь в виду, что наибольшее влияние на производительность береговых водозаборов обычно оказывают сопротивления ложа водотока (водоема), включая связанную с ним величину отрыва уровней потока под водотоком, а для скважин в песчаных водоносных пластах так же и скин - эффект, определяющий потери напора в прискважинной зоне ВС.

Прогностические обследования на участках береговых водозаборов согласно принципу модельной ориентированности (2) должны быть, главным образом, направлены на оценку параметров геофильтрационной схемы, используемой для расчетов водозаборов.

Пространственная структура (дизайн) расположения наблюдательных скважин (НС) устанавливается, исходя из требований проведения последующей интерпретации данных наблюдений с учетом возможности диагностической оценки согласования условий наблюдений используемой расчетной схеме. Решение этой задачи требует творческого подхода, при реализации которого следует исходить из принципа соответствия дизайна сети НС структуре потока подземных вод, зависящей от особенностей профильной и плановой деформации потока , а также от пластового строения потока. Представления о структуре потока устанавливаются на основании тестового геофильтрационного моделирования.

В качестве примера рассмотрим типичные условия потока на участке берегового водозабора, состоящего из рядов водозаборных скважин (ВС), располагаемых вдоль берега реки в однопластовом потоке. В этом случае в основной части поток обычно может считаться плановым, имеющим генеральное направление от берега реки к ряду ВС, с зоной профильной деформации в ложе реки и примыкающей к ней области потока.

Как основной расчетный случай обычно рассматривается при этом условия стационарного режима потока, соответствующие меженнему уровню воды в реке. В этом случае к основным геофильтрационным параметрам в условиях однопластового строения потока грунтовых вод относятся проводимость потока с характеристикой распределения проницаемости по его глубине, параметры сопротивления ложа реки, а также расчетный радиус водозаборных скважин, характеризующий их прискважинное сопротивление (скин-эффект).

В таких условиях следует устанавливать НС по створам нормальным к линиям водозабора, избегая мест искривления контура уреза водоема (рис.1). Между водозабором и рекой в створе должны располагаться, как минимум, две НС. Для полноты представлений о потоке целесообразно в этом створе добавлять еще одну НС, имея в виду, что это позволяет провести не только определение параметров, но и диагностику стационарности режима потока, которая может нарушаться из-за неконтролируемых изменений водоотбора (3). Для малых и средних рек следует также иметь НС на противоположном от водозабора береге реки (НС0 на рис.1). Ближайшую к реке НС рекомендуется отодвигать от уреза реки за пределы зоны профильной деформации потока, которая при сравнительно однородном строении потока (при отсутствии глинистых прослоев внутри потока) имеет размер порядка мощности потока.

При наличии двух рядов ВС к наблюдательному створу добавляются НС между рядами. Продолжение створа НС за пределы рядов ВС обусловливается необходимостью учета потока к рядам ВС с береговой стороны, а также для оценки влияния водоотбора на окружающую территорию.

Заложение фильтровой части НС при однородном строении водоносного пласта по глубине можно ограничивать, устанавливая их с некоторым заглублением в водоносный пласт. При наличии в водоносном пласте глинистых слоев следует задавать глубину заложения НС с учетом возможности разделения напоров потока внутри пласта, особенно для ближайшей к реке НС.

Береговые водозаборы, располагаемые в первом от поверхности горизонте напорных вод, обычно состоят из ряда водозаборных скважин, установленных в этом горизонте вдоль берега реки. В этом случае для определения расчетных геофильтрационных параметров,- к которым кроме проводимости водоносных пластов добавляется коэффициенты перетока разделяющих пластов, - в рамках мониторинга может быть рекомендована схема расположения НС, показанное в разрезе на рис. 2,-здесь система НС состоит из двух пар НС, располагаемых по берегам реки в верхнем пласте, и створа из двух НС в нижнем пласте. Аналогические схемы расположения НС - с уменьшением их количества по глубине - рекомендуются при водоотборе из двух напорных пластов.

В составе наблюдательного створа обязательно должен быть водомерный пост, позволяющий замерять режим уровней воды в реке. Стационарные гидрометрические створы, на которых также определяется расход воды в реке, оборудуются - согласно рекомендациям (1) - выше и ниже по течению реки в тех случаях, когда водоотбор соизмерим с меженним расходом реки, чтобы иметь возможность оценить по данным гидрометрических наблюдений вызываемый водоотбором ущерб поверхностному стоку.

Устройство водозаборных скважин должно позволять регулярно проводить замеры динамических уровней вместе с замерами дебита ВС, которые должны использоваться для оценки параметров скин-эффекта, нередко определяющих реальную производительность ВС. Замеры дебитов ВС производятся водомерами или расходомерами, а при их отсутствии для приближенной оценки расходов водоотбора используются данные по времени работы насоса и расходу электроэнергии.

Количество наблюдательных створов и их расположение вдоль водозаборного ряда обусловливается неоднородностью гидролого-геологических условий и неравномерностью водоотбора. При этом целесообразно для изучения неравномерности влияния сопротивления ложа реки предусматривать задание одиночных НС вдоль реки, согласовывая их положение с особенностями строения русловых отложений. Специальный дизайн НС принимается для замеров восполнения запасов грунтовых вод при затоплении поймы в паводок.

Важным вопросом для прогнозирования предельно возможного водоотбора на участке берегового водозабора является установление уровня отрыва, при котором осуществляется переход под рекой от подпертой фильтрации к свободной. Для определения этого уровня можно по-видимому использовать проведение этажных пьезометрических замеров в русле реки, хотя практического обоснования такое решение пока не имеет.

При наличии на участке водозабора инфильтрационных бассейнов, осуществляющих искусственное пополнение запасов грунтовых вод, в дизайн системы наблюдений включаются НС, расположенные вблизи бассейна, а также устройства для замеров расходов воды в бассейне.

Решающее значение для повышения достоверности исходных данных имеет правильный выбор режима проведения наблюдений.

Исходя из того, что расчетными для берегового водозабора обычно являются периоды стационарного уровенного режима, а нарушения стационарности могут быть связаны с переменным режимом уровней реки и водоотбора, можно рекомендовать на участках береговых водозаборов проведение замеров уровней воды в НС в отдельные сезоны года, имея при этом в виду, что особый интерес представляют материалы зимних наблюдений, когда гидрогеодинамическая обстановка в районе водозабора обычно оказывается менее благоприятной. При этом наблюдение за уровнями воды в НС следует проводить циклами в несколько замеров с первичным анализом стационарности потока, фиксируя режим водоотбора в ближайших к наблюдательному створу ВС.

В водозаборных скважинах, удаленных от наблюдательного створа, замеры динамических уровней и дебита водоотбора следует проводить в особом режиме с целью определения изменчивости удельного дебита ВС при <старении> ВС. Вместе с тем, как правило, нецелесообразно проводить изучение нестационарного режима при остановке и включении работы водоотбора, поскольку данные такого режима плохо интерпретируются из-за существенных осложнений в расчетной схеме нестационарного процесса.

Режимные наблюдения в период паводка дают существенную информацию о паводочном восполнении запасов грунтовых вод, а также позволяют оценить изменения параметров связи грунтовых вод с рекой и с напорными водами. В такой период замеры уровней воды в реке и в НС должны делаться с частотой, обеспечивающий непрерывность их изменений во времени. Как правило, такие наблюдения должны быть ориентированы на модельную интерпретацию данных наблюдений, методика которой не редко требует особого научно-методического обоснования. Перед замерами нестационарного режима НС следует опробовать путем проведения экспресс-наливов для оценки гидродинамической инерционности НС (см. приложение 1).

Интерпретация данных гидрогеодинамических наблюдений проводится для определения геофильтрационных параметров путем решения обратных задач эпигнозного моделирования.

В сравнительно простых условиях - при расположении рядов ВС в однопластовом потоке вдоль реки (рис. 1) - могут использоваться аналитические решения, позволяющие получить параметры T, ΔL и величину скин-эффекта применительно к схеме одномерного планового стационарного потока. Дальнейшие расчеты проводятся с учетом планового характера потока, обусловленного влиянием неравномерности распределения водоотбора и плановой конфигурации границ потока, используя компьютерное моделирование по существующих программам;- в частности, на практике используется программа MODFLOW с автоматизированным определением параметров по программе PEST (3). При этом в области акватории реки (водохранилища) задается перетекание с расчетным параметром перетока А0, связанным с параметром ΔL определенным соотношением.

При расположении водозабора в напорных пластах решение обратных задач существенно осложняется из-за планово-пространственной структуры потока и необходимостью дополнительного определения проводимостей водоносных пластов и коэффициентов перетока разделяющих пластов. В этом случае решение обратной задачи следует проводить путем компьютерного моделирования потока в системе взаимодействующих водоносных пластов с целенаправленным подбором параметров. В плане проведения такого вычислительного эксперимента основное внимание следует уделять определению параметров разделяющих пластов и ложа водотока, задавая параметры проводимости водоносных пластов по данным опытных опробований, проведенных на стадии разведочных работ.

Гидрогеохимические наблюдения

Состав и порядок гидрогеохимических наблюдений определяется нормативными документами: ГОСТ 27065-86 <Качество воды. Термины и определения>, ГОСТ 2761-84 <Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора> (6), Санитарные правила и нормы, СанПин 2.1.4.1074-01 <Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества> (7), <Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 <Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования> (8}, конкретизированными применительно к проведению мониторинга качества подземных вод в (1) и дополненными требованиями, предъявляемыми к программе мониторинга береговых водозаборов.

В соответствии с (1, п.5.1.4 и п.5.2.3.6.) оптимальный комплекс анализируемых компонентов химического состава и микробиологических показателей устанавливается с учетом геохимического типа подземных вод, природных и антропогенных факторов. Поскольку для береговых водозаборов основную часть водоотбора составляет приток из реки, необходимо проводить контроль за качеством воды в речной воде и на водозаборе.

Согласно нормативным документам, обязательными для контроля качества, общими для подземных и поверхностных вод, являются:

органолептические и физические показатели:температура, цветность, мутность, запах (при 200 и 600), привкус;

химические показатели:рН, железо, марганец, нитраты, общая жесткость, окисляемость перманганатная, сульфаты, хлориды, сухой остаток, фториды, а также другие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые химические и радиоактивные загрязняющие вещества (по согласованию с санитарно-эпидемиологической службой в зависимости от местных санитарных условий;

микробиологические: число сапрофитных бактерий.

Для подземных вод в соответствии с конкретной рабочей программой дополнительными показателями являются: сероводород, бериллий, бор, медь, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций, цинк, бактерии группы кишечной палочки и др.

Для поверхностных вод (ГОСТ 17.1.3.07-82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков) дополнительно определяются согласно категории программы контроля:

сокращенная программа 1: удельная электропроводность, визуальные наблюдения, свободный кислород, БПК5;

сокращенная программа 2: дополнительно к программе 1 еще 2 - 3 загрязняющих вещества, основных в данном пункте наблюдения;

сокращенная программа 3: дополнительно к программам 1 и 2 также ХПК, Еh;

полная программа: дополнительно к програмам 1 - 3: щелочность, гидрокарбонат, кальций, магний, натрий, калий, сумма ионов, аммоний, нитриты, фосфаты, кремний, нефтяные углеводороды, СПАВ, летучие фенолы, пестициды, органические соединения металлов, а также 37 гидробиологических показателей.

Приведенный обширный перечень показателей качества природных вод, регламентированный различными нормативными документами, составляет лишь незначительную часть вредных веществ, на содержание которых в водах имеются ПДК (7).

Критериями корректировки комплекса гидрогеохимических параметров, определяемых при мониторинге береговых водозаборов, являются постоянные и периодические превышения ПДК показателей качества водыв водоносных горизонтах и поверхностных водах.

Анализ материалов по загрязнению поверхностных (данные по бассейнам рек Дона и Волги, включая Цимлянское, Воронежское, Чебоксарское, Рыбинское и Саратовское водохранилища, Кубани, Оки, Камы, Сев. Двины, Оби, Иртыша и Енисея) и подземных вод, содержащихся в <Государственных докладах о состоянии окружающей среды Российской Федерации с 1988 по 2002 гг.> (4,5), а также некоторых данных о береговых водозаборах, позволяет сформировать перечень показателей химического состава, чаще всего превышающих ПДК. К ним в первую очередь относятся патогенные микроорганизмы, нефтепродукты, железо, марганец, нитриты, аммоний, нитраты, фенолы. Кроме того, нередко, особенно в поверхностных водах, наблюдаются многократные превышения ПДК тяжелых металлов (медь, цинк, свинец, хром, кадмий, ртуть и др.), пестицидов, поверхностно-активных веществ, органических веществ природного генезиса.

Выбор приоритетных показателейна водозаборах подземных вод согласуется с СЭС и осуществляется на основе предварительных исследований с учетом специфики и масштабов загрязнения при различных видах хозяйственной деятельности и данных о защищенности подземных вод, а также по частоте встречаемости проб с превышением нормативов качества. При начальных обследованиях, проводящихся на данном водозаборе, отбираются пробы для проведения полного химического исследования воды, на основании которого формируется список приоритетных показателей качества, которые следует определять при регулярных замерах.

Программа контроля качества воды согласуется с СЭС. Количество и периодичность проб воды в местах водоотбора, отбираемых для лабораторных исследований, определяется типом источников воды, категорией пункта контроля и видом программы контроля. Для подземных источников минимальное количество проб для микробиологических и органолептических показателей в год - 4 пробы (по сезонам), для химических и радиологических показателей-1 проба, для поверхностных вод соответственно 12 проб - ежемесячно и 4 пробы - по сезонам года. (СанПиН 2.1.4.1074-01). Согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 в поверхностных водах на пунктах контроля категориях I и II визуальные наблюдения и определения показателей по сокращенной программе 1 проводятся ежедневно, по сокращенной программе 2 - ежедекадно, по сокращенной программе 3 - ежемесячно (включая и пункты контроля III категории), по полной обязательной программе для всех категорий пунктов контроля - в основные фазы водного режима. Периодичность проведения контроля по гидробиологическим показателям для пунктов контроля I и II категории по сокращенной программе проводится ежемесячно, для III категории - в вегетационный период , по полной программе для всех категорий пунктов контроля - ежеквартально.

При проведении регулярных замеров рекомендуется одновременно проводить отбор проб для анализа по сокращенной программе, включающей определение органолептических показателей, наиболее характерных для данного водозабора загрязняющих веществ. Для определения неустойчивых компонентов состава при этом рационально использовать полевые методы анализа (ГОСТ 24902-81. Вода хозяйственно-бытового назначения. Общие требования к полевым методам анализа (6).При обнаружении существенного превышения ПДК, или суммарного показателя загрязнения, превышающего единицу, необходимо проводить более частые анализы загрязняющих веществ до стабилизации показателей. При специальных обследованиях, проводящихся, в частности, при аварийных сбросах загрязняющих веществ в водоем, отбираются пробы для проведение полного химического исследования качества воды.

Отбор проб воды осуществляется в основном из водозаборных скважин. Для изучения возможностей продвижения загрязняющих компонентов (особенно бактерий и вирусов) от реки к водозабору следует также определять соответствующие показатели в НС, располагаемых между рекой и водозаборными скважинами.

На береговых водозаборах значительных размеров необходимо выявлять пространственно-временные изменения качества воды, характеристика которых может повлиять на решение вопросов технологии обработки питьевой воды, например, обезжелезивания, деионизации и т.д. В связи с этим в регламентируемый нормативными документами режим опробования и выбор скважин для отбора проб могут быть внесены коррективы на основании имеющихся данных о степени пространственно-временной вариабельности химического состава подземных вод водозабора и поверхностных вод, как основного источника питания.

Важнейшим условием получения достоверной информации о составе воды является соблюдение правил отбора, транспортировки и хранения проб, различающихся в зависимости от цели аналитического исследования, объекта контроля и комплекса химических определений (Р. 51592-2000. Вода. Общие требования к отбору проб. Р. 51593-2000. Вода питьевая. Отбор проб. ГОСТ 17.1.5.05-83. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков) (6). В наблюдательных скважинах необходимо перед отбором на состав воды сменить несколько объемов воды в скважине. В программе отбора регламентируется аппаратура для отбора и ее подготовка, требуемый объем воды, методы консервации - в зависимости от определяемых параметров химического состава и методов аналитических определений.

Для аналитического определения показателей качества природных вод нормативными документами рекомендовано более 20 методов, причем для ряда компонентов допускается применение до 5 различных методик, отличающихся по своим метрологическим характеристикам.В связи с этим при создании и пополнении банка данных аналитических определений по результатам мониторинга необходимо обязательно указывать применяющуюся методику определения и ее метрологические характеристики, подтвержденные результатами параллельных анализов и определения стандартных растворов.Метрологическое обеспечение контроля качества вод регламентируется нормативными документами: ГОСТ Р 8.563-96, ГОСТ 17.0.0.02-79 и ГОСТ 27384-87, в которых указываются рекомендуемые методики для каждого из параметров состава, диапазон измерений и допустимые погрешности (6).

Список литературы

Мониторинг месторождений и участков питьевых подземных вод (методические рекомендации). МПР РФ, 1998.

Шестаков В.М. Принципы геофизико-экологического мониторинга. //Геоэкология, N4, 1999.

Шестаков В.М., Ван ПиН Гидрогеологический мониторинг на участках водозаборов на берегах Воронежского водохранилища. // Вестник МГУ, серия геология, N1, 2004.

О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации за 1988 - 1998 годы. Приложение к Государственному докладу <О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1998 году>. М:. 1999.

Государственные доклады <О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1999, 2000, 2001 и 2002 годах. М:. 2000, 2001, 2002, 2003.

Государственный контроль качества воды. М:. Изд-во стандартов. 2001.

Питьевая вода. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.1.4.1074-01. Минздрав России. М:. 2002.

Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 <Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования>. М:. 2003.

Приложение. Оценка гидродинамической инерционности наблюдательных скважин по данным экспресс-наливов.

Гидродинамическая инерционность НС характеризуется разницей напоров ΔHc в водоносном пласте и НС при нестационарном режиме уровней.

Для ее оценки предварительно определяется параметр инерционности θ, величина которого может быть получена обработкой данных экспресс - налива, проводимого путем единовременного налива в опробуемую скважину некоторого объема воды с последующими замерами восстановления уровня воды. Данные замеров изменения уровня Нс(t) относительно статического положения, начиная от значения Hc0 в момент времени t=0 начала замеров, обрабатываются построением графика зависимости lg (Hc0/Hc)љот t, на котором опытные точки должны ложиться на прямую линию, приходящую в начало координат. Снимая с этой прямой любую точку, определим далее величину θ по формуле

θ = (2,3/t) × lg(Hc0/Hc).

Зная величину θ, можно оценить величину гидродинамической инерционности из соотношения

ΔHc = vнс / θ,

где vнс - скорость изменения уровня воды в НС.

Рис. 1. Схема расположения НС в типичных условиях потока на участке берегового водозабора.

Рис. 2. Схема расположения НС на береговом водозаборе, эксплуатирующем первый от поверхности горизонт напорных вод.