Питне водопостачання міст на основі окремого використання підземних вод (на прикладі міста Харкова)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

05.23.04-ВОДОПОСТАЧАННЯ, КАНАЛІЗАЦІЯ

УДК 556.38 : 628.1(-21)

Питне водопостачання міст на основі окремого використання підземних вод (на прикладі міста Харкова)

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Яковлєв Валерій Володимирович

Харків 1999

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі “Інженерна екологія міст” Харківської державної академії міського господарства.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор, завідуючий кафедрою “Інженерної екології міст” Харківської державної академії міського господарства Стольберг Фелікс Володимирович

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор кафедри “Водопостачання, каналізація і гідравліка” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури Пантелят Гаррі Семенович

Кандидат технічних наук, ведучий науковий співробітник лабораторії екологічної гідрогеології Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем Захарченко Михайло Андрійович

Провідна установа: Рівненський державний технічний університет (м.Рівне)

Захист відбудеться 2 листопада 1999 року о 11 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти України. ( 310002, м. Харків, вул. Сумська, 40).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного університету будівництва та архітектури за адресою: 310002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розіслано вересня 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.І. Колотило

АНОТАЦІЯ

Яковлев В.В. Питне водопостачання міст на основі окремого використання підземних вод (на прикладі міста Харкова). - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, 1999.

Дисертацію присвячено вирішенню актуальної задачі обгрунтування і розробки технології питного водопостачання міст України на основі окремого використання підземних вод. Отримані нові гідрогеохімічні дані щодо підземних вод питної якості на теріторії м. Харкова стосовно вмісту мікрокомпонентів, а також нафтопродуктів, фенолів та пестицидів. Запропоновано метод розрахунку для кількісної оцінки природної захищеності підземних вод зони активного водообміну на теріторії м. Харкова. Цей підхід має суттєві відмінності від традиційних методик. Виконано прогноз якості підземних вод сеноман-нижньокрейдяного водоносного комплексу у м. Харкові для варіантів інтенсивного і раціонального режимів експлуатації. Основні результати роботи використані автором при організації постачання населенню м. Харкова питної води з свердловини ВАТ “Пивзавод “Рогань”.

Ключові слова: сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс, артезiанська свердловина, гiдрогеологiчнi данi, забруднення, захищеність підземних вод, окреме споживання пiдземних вод, мікрокомпонентний склад пiдземних вод, питне водопостачання мiст.

АННОТАЦИЯ

Яковлев В.В. Питьевое водоснабжение городов на основе отдельного использования подземных вод (на примере города Харькова). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - водоснабжение, канализация - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи обоснования и разработки технологии питьевого водоснабжения городов Украины на основе отдельного использования подземных вод. Проведены исследования и дана оценка экологического состояния подземной гидросферы г. Харькова по следующим основным показателям: качественному составу воды, влиянию антропогенной деятельности на химический состав воды и др. Определено, воды каких подземных горизонтов Харькова пригодны для питьевого водоснабжения.

Предложены метод и расчетные зависимости для количественной оценки естественной защищенности подземных вод зоны активного водообмена на территории г. Харькова. Этот подход имеет существенные отличия от традиционных методик, что позволило выполнить прогноз качества подземных вод сеноман-нижнемелового водоносного комплекса в условиях интенсивного и рационального режимов эксплуатации. Разработаны технические решения, которые повышают защищенность и надежность питьевого водоснабжения населения в условиях прогрессирующего загрязнения окружающей среды, а также в случае отказов традиционной системы водоснабжения из поверхностных источников.

Для территории г. Харькова получены новые гидрохимические данные по подземным водам питьевого качества в части, касающейся содержания микрокомпонентов таких как Be, Cd, Сr, Hg, Мо, Sr, а также нефтепродуктов, фенолов и пестицидов.

Предложена технология альтернативного питьевого водоснабжения на основе отдельного использования артезианских вод. Указаны принципы территориального размещения объектов, описано устройство водоразборных пунктов, состоящих из артезианской скважины, бювета и вспомогательных сооружений. Рекомендуется в целях повышения надежности и бесперебойности работы в чрезвычайных ситуациях оборудовать водоразборные пункты подземными автономными энергоустановками с запасом горючего, запасными емкостями для воды и заглубленными помещениями для разбора воды.

На примере Харькова разработана программа поэтапного перехода к технологии питьевого водоснабжения из подземных источников, включающей оборудование бюветов и запасной системы водоснабжения населения в чрезвычайных ситуациях. Предложенная технология питьевого водоснабжения позволяет сохранить качество и запасы подземных питьевых вод, представляющих собой ценный невозобновляемый природный ресурс. Такая технология позволяет сохранить запасы питьевой воды на будущее и повышает надежность жизнеобеспечения мегаполиса с населением, превышающим миллион жителей. Надежность разработанной системы повышается также за счет большого количества независимых источников водоснабжения - артезианских скважин. В случае выхода из строя одного источника надежность работы системы изменится незначительно, так как население сможет использовать соседние источники. Для питьевых целей предлагается использовать воду, требующую меньших затрат на ее подготовку по сравнению с затратами на подготовку воды, отбираемой из поверхностных источников. По сравнению с бутилированием предложенное решение обеспечения населения водой имеет значительные преимущества по стоимости воды, а также исключает необходимость производства и утилизации пластиковой тары.

Выполнена экономическая оценка разработанных технических решений. Подсчитано, что затраты на проектирование, бурение скважин, приобретение оборудования и его монтаж для первых 10 бюветов в густонаселенных районах города составят 8,5 млн. грн. Эти затраты окупятся за 2,5 года при отпускной цене воды 5 копеек за литр. Прибыль от эксплуатации 10 бюветов составит 3,86 млн. грн. за год.

Основные результаты работы использованы автором при организации снабжения населения Харькова артезианской водой из скважины ОАО “Пивзавод “Рогань”.

Ключевые слова: сеноман-нижнемеловой водоносный комплекс, артезианская скважина, гидрогеологические данные, загрязнение, защищенность подземных вод, отдельное использование подземных вод, микрокомпонентный состав подземных вод, питьевое водоснабжение городов.

RESUME

Yakovlev V.V. Municipal Drinking Water Supply on the Base of Separate Underground Water Use (on the example of the city of Kharkiv). - Manuscript.

The dissertation is submitted for Candidate of Sciences degree in Technology, speciality 05.23.04 - Water Supply, Sewerage. - Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, 1999.

This dissertation is dedicated to solving a topical problem of substantiation and development of the technology of municipal drinking water supply on the base of separate use of underground waters. New data on underground waters hydrogeology and chemistry, especially concerning their trace elements, oil products, pesticides and phenols contents, were obtained for further environmental assessment of the underground sphere of Kharkiv. A technique and numerical dependencies for quantitative assessment of natural protectedness of underground waters in the active water exchange zone on the territory of Kharkiv were developed. For the first time water chemistry prognoses for artesian waters under conditions of intensive and rational exploitations were elaborated. Fundamental results of the carried out research were used by the author for development and organization of drinking water supply of Kharkovians by artesian water from the well which belonged to the open joint stock company “Rogan” Brewery.

Key words: Senoman-lower Cretacious aquiferous complex, artesian well, trace component content of underground waters, hydrogeological data, protectedness of underground waters, separate water use, municipal drinking water supply.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Використання води з поверхневих водоймищ дедалі більше ускладнюється у звязку з прогресуючим їх забрудненням скидами промислових і сільськогосподарських підприємств. У деяких областях України об'єми стічних вод можна порівняти з обємом річного стоку, що формується у маловодний рік. Незабруднених поверхневих джерел, з яких можна подавати воду для великих міст, у країні практично не залишилось. Очистка води з поверхневих водойм потребує дедалі більших матеріальних витрат.

Використання підземних вод з природно захищених від забруднень горизонтів, як показує досвід експлуатації у великих містах, стикається з проблемами їх виснаження і забруднення, що зумовлено техногенним проникненням у підземну гідросферу та нераціональним режимом водовідбору.

Таким чином, актуальним є пошук принципово нових рішень проблеми водопостачання великих міст.

Дисертацію виконано у рамках таких державних програм:

1. Попередня розвідка запасів підземних вод м. Харкова на ділянках насосних станцій №№ 8а, 10, ділянки “Дергачівська” (держ. реєстрац. № 39-91-98/16);

2. Геолого-екологічні дослідження Харківської промислово - міської агломерації (№ 39 - 90 - 35/27).

Метою дисертаційної роботи є обгрунтування і розробка технології питного водопостачання міст України на основі окремого використання підземних вод (на прикладі м. Харкова).

Наукова новизна роботи:

1. Досліджено і надано оцінку екологічному стану підземної гідросфери м. Харкова за показниками якісного складу води і впливу на нього антропогенної діяльності. Визначено, води яких підземних горизонтів придатні для питного водопостачання.

2. Запропоновано незалежний гідродинамічний метод розрахунку, який дозволив підтвердити наявність перетоку в сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс вод з суміжних горизонтів в умовах існуючого режиму эксплуатації і кількісно визначити його величину.

3. Вивчені закономірності та визначені основні параметри процесу фільтрації пiдземних вод через колектори та водотривкі шари: коефіцієнти фільтрації, активна пористість, термін проникнення води та інші.

4. Запропоновані методи розрахунків, які дозволили виконати кількісну оцінку природної захищеності підземних вод зони активного водообміну на теріторії м. Харкова.

5. Виконано прогноз якості підземних вод сеноман-нижньокрейдяного водоносного комплексу в м. Харкові з урахуванням перетоків з суміжних товщ в умовах інтенсивного та раціонального режимів експлуатації.

6. Для умов м. Харкова отримані нові гідрогеохімічні дані стосовно вмісту мікрокомпонентів у підземних водах питної якості: Ве, Сd, Сr, Нg, Мо, Sr, а також нафтопродуктів, фенолів, пестицидів.

Практичне значення роботи:

1. Розроблено технологію окремого споживання підземних вод для питних потреб населення м. Харкова.

2. Розроблено технічні рішення щодо підвищення захищеності та надійності питного водопостачання населення в умовах прогресуючого забруднення навколишнього середовища, а також у випадку відказу в роботі традиційної системи водопостачання з поверхневих джерел.

3. Доведено економічну спроможність технології питного водопостачання на основі окремого використання підземних вод.

4. Основні результати роботи використані ВАТ “ Пивзавод “Рогань” при обгрунтуванні та організації постачання населенню Харкова артезіанської води сеноман-нижньокрейдяного водоносного комплексу.

5. Накопичений науковий і практичний досвід дозволяє регіональній геологічній службі надавати обгрунтовані гідрогеологічні заключення для отримання ліцензій на використання артезіанських вод на території Харківської і Сумської областей.

Особистий внесок автора:

1. Виконано аналіз екологічного стану підземних вод м. Харкова і можливості їх використання для питного водопостачання.

2. Запропоновано незалежний гідродинамічний метод розрахунку, який дозволив підтвердити наявність перетоку в сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс вод з суміжних горизонтів в умовах існуючого режиму эксплуатації, і кількісно визначити його величину.

3. Вперше надано оцінку природної захищеності підземних вод зони активного водообміну на території м. Харкова.

4. Обгрунтовано необхідність і можливість впровадження технології водопостачання міст України з окремим використанням підземних вод питної якості.

5. Розроблено програму поетапного переходу до нової технології водопостачання в місті Харкові з окремим використанням підземних і поверхневих вод в умовах дефіциту коштів.

Апробація роботи. Основні результати досліджень і головні положення дисертації доповідались і обговорювались на I міжнародній науково - практичній конференції “Устойчивое развитие. Загрязнение окружающей среды и экологическая безопасность” (Дніпропетровськ, 1995 р.); семінарі “Спектральные методы анализа: техника и практика” (Ялта, 1995 р.); Міжнародній науково - практичній конференції “Третье тысячелетие: гармония природы и человека” (Чугуїв, 1996 р.); Міжнародній конференції “Нагальні проблеми ліквідації підтоплення грунтовими водами територій міст і селищ міського типу” (Харків, 1998 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 друкованих робіт, у тому числі 6 - без співавторів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, пяти розділів, загальних висновків, списку літератури з 190 найменувань, 44 сторінки додатків та містить 110 сторінок основного тексту, 10 таблиць, 11 рисунків, усього - 196 сторінок.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету дисертаційного дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення роботи, а також особистий внесок автора дисертації.

Перший розділ дисертації присвячено аналізу існуючого стану проблеми використання водних ресурсів України для водопостачання населених пунктів і його найважливішої складової частини - питного водопостачання. В умовах зростаючої концентрації водоспоживання і прогресуючого забруднення довкілля в населених пунктах, в першу чергу у великих містах, загострюється питання забезпечення населення якісною питною водою. Наведено аналіз балансу водоспоживання великих міст України. Кожен рік в Україні на господарчо-питні потреби використовується 4,6 млн. м3 води, з яких 35 % надходить з підземних джерел і 65 % - з поверхневих. Централізоване водопостачання в сільській місцевості в основному базується на використанні підземних вод захищених водоносних горизонтів. Середнє питоме водоспоживання у містах та населених пунктах міського типу - 310 л на людину у добу, що перевищує середній показник для сільської місцевості у 10 разів.

В удосконалення систем водопостачання міст та населених пунктів великий внесок зробили відомі вчені, фахівці та інженери: Малішевський Н.Г., Оводов В.С., Хоружий П.Д., Гіроль М.М,, Орлов В.О., Белозеров М.П., Петросов В.А. та інші. Але подальший розвиток міст, промисловості та сільського господарства потребує нових зусиль, спрямованих на забезпечення високої якості питної води, підвищення надійності роботи систем водопостачання в цілому і окремих його елементів.

Робиться висновок, що забезпечення якості питної води стримується відсутністю можливості подати її споживачу окремо від решти води господарсько-побутового призначення.

Аналіз існуючого стану водопостачання міст дозволив визначити напрямок дисертаційного дослідження, сформулювати мету і завдання роботи.

У другому розділі розглянуто ймовірні варіанти виходу зі строю міських систем водопостачання. Робиться висновок про високу уразливість поверхневих джерел водопостачання і необхідність створення дублюючих систем з незалежним, надійно захищеним джерелом питної води.

Показано, що в умовах України надійним джерелом питних вод можуть бути артезіанські свердловини, що розосереджені на теріторії міст і забезпечені автономними енергоустановками. За умовою витрати питної води 10 літрів на добу на одну людину, що перевищує максимальну потребу людини в кліматичних умовах України, запаси питних підземних вод (57 млн. м3 на добу) будуть використані усіми містами країни (34,5 млн. жителів) лише на 6 %.

Наприкінці розділу робиться висновок про необхідність і можливість спорудження незалежних систем питного водопостачання великих міст України.

У третьому розділі розроблено методику і наведено результати досліджень. Вміст мікрокомпонентів у підземних водах вивчався атомно-абсорбційним, флуоресцентним, колориметричним та полум'яно-фотометричним методами за переліком компонентів згідно з ГОСТ 2874 - 82 “Вода питьевая...”, а також з урахуванням вимог нового ДСПіН “Вода питна...”, який буде впроваджено з 2000 р., а також ДСПіН “Охрана поверхностных вод от загрязнения”. Визначено вміст мікроелементів, що раніше не визначалися у підземних водах Харкова, або визначення їх здійснювалося напівкількісними спектральними методами. Це такі елементи як Ве, Сd, Cr, Hg, Мо, Sr. Визначено також вміст найбільш поширених органічних забруднюючих речовин - нафтопродуктів, фенолів та пестицидів.

Надається методика оцінки природної захищеності артезіанських вод від забруднення. Багаторічні дослідження та спостереження за геологічними і гідрогеологічними особливостями гідросфери дозволили автору покласти в основу розрахунків гідродинамічний метод, що забезпечує відносну простоту та достатню для практичних потреб точність визначення впливу антропогенної діяльності на закономірності зміни хімічного складу, характеру і інтенсивності забруднення цих вод. Структура, особливості та параметри водотривких шарів у підземній гідросфері Харкова обумовлюють такий гідравлічний режим руху фільтраційного потоку води, що характеризується як ламінарний. Це дозволило використати для розра-хунків формулу Дюпюі, що добре описує існуючі явища:

v = - k (dH /dL), (1)

де v - середня швидкість води у плоскому живому перерізі потоку, що фільтрується через водотрив;

k - коефіцієнт фільтрації водотриву, що розглядається, м/добу;

dH/dL - відношення зміни величини гідростатичного напору до зміни довжини шляху фільтрації.

Перехід від диференційної форми до конкретних величин напору та потужностей водотривів дозволяє записати залежність (1) у вигляді:

v = k ( H / L ), (2)

де H - різність п`єзометричних рівнів води на покрівлі та підошві водотривкого шару, що розглядається, м;

L - довжина шляху фільтрації води, що дорівнює потужності водотривкого шару ( m), м.

Дійсна швидкість фільтрації води (v) відрізняється від величини середньої швидкості (v) завдяки тому, що вода практично рухається лише у каналах активної пористості грунту:

v = v nа, (3)

де v - дійсна швидкіcть фільтрації підземних вод, м/добу; na - активна пористість порід, долі одиниці.

Дійсна швидкіcть фільтрації також може бути виражена:

v = m / t , (4)

де t - час фільтрації через водотривкий шар, доба.

На підставі рівняння (2) з урахуванням (3) та (4) запишемо:

(m n ) / t = ( k H) / m. (5)

Звідки: t = ( m2 na ) / ( k H). (6)

Таким чином, для розрахунку терміну проникнення води, а також забруднень через водотривкий шар запропоновано користуватися формулою (6). Розроблений підхід надає змогу оцінювати природну захищеність підземних вод кількісним методом, що суттєво відрізняється від існуючих.

Наведено методику визначення показників активної пористості na та коефіцієнту фільтрації k розділяючих водотривів підземної гідросфери Харкова. Визначення цих показників здійснено на експериментальному приладі, сконструйованому по типу приладу Ф - 1М з використанням реальних зразків різних водотривів.

Наведено методику прогнозу якісного складу підземних вод за показниками загальної мінералізації та загальної жорсткості. Ці показники є результатом змішування обємів води, що надходять з основного та суміжних водоносних горизонтів та мають задані параметри якості згідно з такими формулами:

М1Q1+M2Q2+M3Q3

Мпр = ------------------------- , (7)

Q1+Q2+Q3

де Мпр - прогнозна загальна мінералізація підземних вод, г/дм3;

Q1, Q2э Q3 - приток підземних вод відповідно по водоносному комплексу сеноман-нижньокрейдяних відкладів, з вищезалягаючого і нижчезалягаючого водоносних горизонтів, відповідно, м3/добу;

М1,М2, М3 - загальна мінералізація підземних вод вищезалягаючого і нижчезалягаючого водоносних горизонтів, г/дм3.

Ж1Q1+Ж2Q2+Ж3Q3

Жпр= --------------------------, (8)

Q1+Q2+Q3

де Жпр - прогнозна загальна жорсткість, ммоль/дм3;

Ж1, Ж2, Ж3 - загальна жорсткість підземних вод, відповідно, основного водоносного комплексу, що експлуатується, вищезалягаючого і нижчезалягаючого горизонтів, ммоль/дм3.

Надано дані щодо гідрогеологічних умов Харкова та екологічного стану підземної гідросфери в умовах інтенсивного техногенного впливу.

Досліджено, що в умовах житлово-промислової агломерації водоносні горизонти четвертинних, неоген-палеогенових і верхньокрейдяних відкладів, що залягають на глибинах не більше як 100 м, зазнали значних змін якості води у звязку з техногенним впливом. Ці води забруднені азотними сполуками, органічними речовинами і важкими металами (табл.1), а води верхньокрейдяного горизонту, крім того, мають високу жорсткість. Такі води не можуть використовуватися для питного водопостачання, але у звязку з проблемою підтоплення у долинах річок доцільно проводити їх дренаж з можливим використанням для технічних потреб.

Водоносні комплекси сеноман-нижньокрейдяних і верхньоюрських відкладів, що представлені пісками та пісковиками з проверстками глин, залягають під потужним водотривким шаром мергельно-крейдяних порід.

В природному режимі комплекси мали гідростатичний напір 520 - 750 м. В результаті тривалої та інтенсивної експлуатації, яка почалася з кінця ХIХ століття (сеноман - нижньокрейдяний водоносний комплекс), гід-ростатичний напір на 1998 рік у різних ділянках міста знизився на 80 - 130 м.

Води сеноман-нижньокрейдяного водоносного комплексу по хімічному складу є переважно сульфатно-гідрокарбонатними. Мінералізація складає 0,5-0,8 г/дм3. Води помірно жорсткі (3-7 ммоль/дм3), на сході міста мякі (до 3 ммоль/дм3), мають нейтральну і слаболужну реакцію (рН = 7,0-8,9) та невелику окислюваність (перманганатну) - 2-3 мг/дм3. За переліченими показниками вода відповідає всім вимогам для питних вод, окрім, у деяких випадках, вмісту заліза, що коливається від 0,3 до 3,8 мг/дм3.

Підземні води верхньоюрських відкладів відрізняються виключною мякістю, майже повною відсутністю заліза, підвищеним вмістом фтору - до 2,25 мг/дм3 при нормативі до 1,5 мг/дм3, та бору - до 0,73 мг/дм3 при нормативі до 0,5 мг/дм3. Виявлено, що в артезіанських водах відсутні домішки нафтопродуктів, фенолів, пестицидів. Азотні сполуки знаходяться в кількостях, притаманних чистим природним водам (табл. 1).

Виконано розрахунки природної захищеності прісних підземних вод Харкова через визначення часу проникнення забруднюючих речовин з поверхні. Показано, що найбільш захищеними є води сеноман-нижньокрейдяних і верхньоюрських відкладів. У табл. 2 наведено вихідні дані та результати розрахунків мінімального терміну проникнення забруднень у основні горизонти прісних вод Харкова. Для артезіанських водоносних комплексів при умові інтенсивної єксплуатації зі зниженням пєзометричного рівня води до 250 м цей термін складає 4,4 - 6,2 роки. При раціональній експлуатації зі знижкою рівня до 50 м мінімальний термін проникнення становить 22,2 - 31 рік.

Підтвердження наявності перетоку в сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс отримано аналітичним методом з використанням даних щодо об'єму водовідборів і глибини рівнів підземних вод при експлуатації водоносного комплексу в м. Харкові.

Оскільки сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс являє собою “безграничний” напірний пласт, рух підземних вод при відкачці зі свердловини або групи свердловин, що утворюють “великий колодязь”, підпорядковується рівнянню Тейса:

Q

S = --------- Ei(r2/4at ), (9)

4Km

де S - зниження напору (м) на ідстанні r від місця водовідбору (м) через термін t після початку відкачки (діб); Q - дебіт “великого колодязя”, м3/добу; Km - величина водопровідності водоносного горизонту, яка дорівнює добутку від множення коефіцієнту фільтрації на потужність водоносних порід, м2/добу; a - коефіцієнт п'єзопровідності водоносного горизонту, м2/добу; Ei - інтегральна функція.

Через термін більший за 2,5 r2/a (де r - радіус свердловини або “великого колодязя”, м) інтегральна функція Еi може бути апроксимована логарифмічною функцією і формула (9) набуває виду:

0.183Q 2.5at

S = --------- lg --------- . (10)

Km r2

Знаходження параметру водопровідності виконується за методом Джейкоба. Для цього формула (10) перетворюється в рівняння прямої S==f(lg t) або S=f(lg r). При цьому обробка графіків по першій залежності, що характеризує темп зниження рівнів при відкачці в окремо взятому місці, дозволяє визначити дійсну величину Km. По другій залежності, що характеризує форму депресійної воронки на конкретний зріз часу, можливо визначити умовну величину Km, що включає додаткове живлення водоносного горизонту з суміжних товщ. Як показує гідрогеологічна практика, параметр Km, визначений останнім способом, в більшості випадків є завищеним оскільки абсолютно ізольованих водоносних горизонтів не існує.

Знаючи величини Km, що визначені наведеними способами, на основі формули (10) можемо оцінити внесок додаткового живлення за рахунок перетікання з суміжних горизонтів.

Дійсно, представляючи формулу (10) відносно дебіту Q, можна записати:

S

Q1 = (Km)t -----------------------, (11)

0.183 lg(2,25at/r2)

де Q1 - водовідбір з експлуатаційного водоносного комплексу, що відповідає дійсному значенню водопровідності (Km)t.

S

Q2 = (Km)r -----------------------, (12)

0.183 lg(2,25at/r2)

де Q2 - фактичний водовідбір з урахуванням додаткового живлення за рахунок перетоку з суміжних водоносних горизонтів, що відповідає значенню умовної водопровідності (Km)r.

Q = Q2 - Q1= [(Km)r - (Km)t] S/ 0.183 lg(2,25at/r2), (13)

де Q - величина додаткового живлення, що надходить в сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс за рахунок перетоку з суміжних водоносних горизонтів.

Розділивши рівняння (13) на (12), получимо:

Для “великого колодязя” м.Харкова величини, наведені в останній формулі, складають:

- (Km)r , що визначено з графіку площинного простеження S-f(lg r) - 770 м3/добу (див. рис.);

- (Km)t , що визначено з графіків часового простеження S-f(lg t) (серед-ня величина для м.Харкова) - 646 м3/добу.

Підставляючи ці величини до формули (14) отримуємо кількісне відображення долі перетоку в загальному водовідборі з сеноман-нижньо-крейдяного водоносного комплексу:

Як бачимо з виконаного розрахунку, 16 % води, що відбирається на харківських водозаборах, надходить шляхом перетікання в основний експлуатаційний водоносний комплекс з суміжних пластів.

Таким чином, незалежним гідродинамічним методом підтверджено наявність перетоку в сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс вод з суміжних горизонтів в умовах експлуатації і кількісно визначена його величина.

На основі залежностей (7) і (8) надано прогноз якісного складу артезіанських вод для варіантів інтенсивної та раціональної експлуатації. Показано, що при умові інтенсивної експлуатації жорсткість води на ділянці у центральній частині Харкова (8,3 ммоль/дм3) перевищить межі допустимого для питних вод (7,0 ммоль/дм3). Для зниження темпів просування фронту некондиційних вод у артезіанські комплекси необхідно зменшити градієнт напору у крейдяному водотриві. Цього можна досягти за рахунок зниження водовідбору з сеноман-нижньокрейдяного водоносного комплексу і інтенсифікації водовідбору з водоносних горизонтів, що залягають вище водотриву.

Виходячи з показників якості води і ії захищеності від техногенного забруднення, для питних цілей у місті Харкові найбільш придатними є води сеноман-нижньокрейдяних і верхньоюрських відкладів. Запаси цих вод не можуть забезпечити увесь обєм господарсько-побутових потреб населення міста, тому воду з цих джерел доцільно подавати споживачам тільки для суто питних потреб через систему, що відділена від загального водопроводу.

У четвертому розділі викладено технічне та екологічне обгрунтування запропонованої технології. Наведено дані про розміщення та устрій водорозбірних пунктів (бюветів) на базі артезіанських свердловин.

Для підвищення надійності роботи водорозбірних пунктів необхідно передбачити запасні системи автономного енергозабезпечення (дизельні електростанції), а також запасні накопичувальні резервуари. Окрім наземного павільйону, для водорозбору в умовах надзвичайних ситуацій потрібно облаштувати також і підземне приміщення.

Для забезпечення економічної підтримки нової системи питного водопостачання доцільно назначити помірну плату за користування еколо-гічно чистою артезіанською водою.

Забезпечення віддалених користувачів можливо здійснити шляхом розвозу води з свердловин спеціальними автомашинами, як це робить Роганський пивзавод, доставляючи воду жителям міста з жовтня 1998 р.

Наведено розрахунки розмірів зон санітарної охорони, що виконані за стандартною методикою. Середня розрахункова ширина зони захвату свердловини, що буде експлуатуватися у системі альтернативного питного водопостачання, становить близько 2500 м. Виходячи з прийнятої схеми розміщення свердловин з відстанню між сусідніми свердловинами 1,8-2,2 км, розрахункові області захвату підземних вод практично перекривають більшу частину міста.

Беручи до уваги високу природну захищеність, що забезпечується потужним мергельно-крейдяним водотривом, головна увага в межах зони санітарної охорони повинна приділятися дотриманню заходів щодо захисту артезіанських вод у діючих і новопробурених свердловинах.

П'ятий розділ присвячено розробці рекомендацій для здійснення нової технології водопостачання в умовах дефіціту коштів та матеріалів. Надається план трьох етапів втілення нової технології водопостачання з розробкою заходів надійності створюваних систем та заходів щодо охорони підземних вод. На першому етапі система базуватиметься на 23 вже існуючих відомчих водозабірних свердловинах, розташованих у старій частині міста, та 29 новопробурених - у районах новобудов. На другому етапі свердловини приєднуються до існуючого водопроводу, і тим самим створюється альтернативна система водопостачання на “особливий період”. На третьому етапі зявляється можливість облаштування локальних водопроводів питної води до житлових будинків за рахунок споживачів.

Виконано економічну оцінку розроблених технічних рішень. Підраховано, що витрати на проектування та обладнання перших 10 бюветів в густонаселених районах міста складатимуть 8,5 млн. грн. Ці витрати при відпускній вартості води 5 копійок за літр окупляться за 2,5 роки. Прибуток від експлуатації 10 бюветів складе 3,86 млн. грн. на рік.

споживання водопостачання забруднення

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Показано, що розвиток та удосконалення систем водопостачання великих міст Європи і світу грунтуються на зниженні питомого споживання води, удосконаленні процесів обробки природної води, збільшенні використання підземних вод та інше. В містах України забезпечення нормативної якості питної води стримується відсутністю можливості подачі її споживачу окремо від решти води господарсько-побутового призначення.

2. Запропоновано та обгрунтовано створення незалежної системи питного водопостачання на базі окремого використання високоякісних і захищених від забруднення підземних вод для великих міст України, в тому числі для Харкова.

3. Показано, що Харків може розглядатись як в достатній мірі репрезентативне місто з точки зору гідрогеологічних умов, соціальних аспектів водопостачання та можливості переходу на нову технологію питного водопостачання з використанням підземних джерел.

4. Вивчено закономірності та визначено основні параметри процесу фільтрації грунтових вод крізь водопроникні та водотривкі шари: коефіцієнти фільтрації, активна пористість, термін проникнення води та інші. Це дало змогу:

4.1. Запропонувати методи розрахунків, які дозволили виконати кількісну оцінку природної захищеності підземних вод зони активного водообміну на теріторії м. Харкова.

4.2. Виконано прогноз якості підземних вод сеноман-нижньокрейдяного водоносного комплексу в м. Харкові з урахуванням перетоків з суміжних товщ для варіантів інтенсивного та раціонального режимів експлуатації.

5.Запропоновано незалежний гідродинамічний метод розрахунку, який дозволив підтвердити наявність перетоку в сеноман-нижньокрейдяний водоносний комплекс вод з суміжних горизонтів в умовах існуючого режиму експлуатації, і кількісно визначити його величину.

6. Отримано нові гідрогеохімічні дані щодо підземних вод питної якості на території м. Харкова стосовно вмісту мікрокомпонентів таких як: Ве, Сd, Сr, Нg, Мо, Sr, а також нафтопродуктів, фенолів, пестицидів. Визначено води яких підземних горизонтів придатні для питного водопостачання.

7. Запропоновано технологію окремого споживання підземних вод для питних потреб населення м. Харкова.

8. Розроблено технічні рішення щодо підвищення захищеності та надійності питного водопостачання населення в умовах прогресуючого забруднення навколишнього середовища, а також у випадку відказу традиційної системи водопостачання з поверхневих джерел.

9. Виконано економічну оцінку розроблених технічних рішень. Підраховано, що витрати на обладнання перших 10 бюветів у густонаселених районах міста складуть 8,5 млн. грн. Ці витрати при відпускній вартості води 5 копійок за літр окупляться за 2,5 роки. Прибуток від експлуатації 10 бюветів складе 3,86 млн. грн. за рік.

10. Основні результати роботи використані автором при організації постачання населенню Харкова артезіанської води зі свердловини ВАТ “Пивзавод “Рогань”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. .Яковлев В.В. Оптимизация состава подземных вод для целей питьевого водоснабжения населения г. Харькова. //Науковий вiсник будівництва. Вип. 5. - 1999. - С. 79-82.

2. Яковлев В.В. Проблемы питьевого водоснабжения городов Украины //Коммунальное хозяйство городов. Вып. 13.-1998.-С.70-73.

3. Яковлев В .В. Первоочередные шаги по обеспечению населения г. Харькова питьевой водой повышенного качества на базе отдельного использования артезианских вод. //Науковий вiсник будiвництва. Вип. 6. - С. 244 - 248.

4. Дмитренко Т.А., Яковлев В.В. Экологическое состояние водоносного горизонта обуховских отложений в г. Харькове //Коммунальное хозяйство городов. Вып. 13. - 1998. - С.81-85.

5. Яковлев В.В., Ибрагимов Р.Б. Гидрохимические особенности подземных вод сеноман-нижнемелового водоносного комплекса в г. Харькове. //Коммунальное хозяйство городов. Вып.19. - 1999.- С. 154-157.

6. Яковлев В.В., Дмитренко Т.В. Экологическое состояние грунтовых вод на подтопленных территориях //Пiдтоплення в великих мiстах України (на прикладi м.Харкова).- Харкiв-Київ: Знання, 1998.- С. 78-81.

7. Яковлев В.В. Улучшение питьевого водоснабжения г. Харькова за счет новой схемы использования подземных вод //Тезисы докл. областной научно-практической конф. “Экологические проблемы Харьковской области”. (25 -27 декабря 1995 г., г. Харьков). - Харків, 1995. -С. 105-106.

8. Мирка Г.Е., Соколов Ю.П., Яковлев В.В. Эколого-геохимические проблемы коммунального хозяйства крупных промышленных городов //Коммунальное хозяйство городов. Вып.3.- 1996.-С.40-41.

9. Яковлев В.В. Повышение качества и надежности питьевого водоснабжения городов Украины //Науч.-практ. семинар "Спектральные методы анализа: техника и практика"(26-28 сентября 1995 г., г. Ялта) - К.: Знання, 1995. - С. 48-49.

10. Машошин Г.Ф., Рябых В.А., Яковлев В.В. Микрокомпоненты в подземных водах Харьковской агломерации //Первая международная научно-практ. конф. "Устойчивое развитие: загрязнение окружающей среды и экологическая безопасность".- Т.1.- Днiпропетровськ, 1995.- С.87-88.

11. Свиренко Л.П., Вергелес Ю.И., Спирин А.И., Яковлев В.В. Комплексный экологический подход к исследованию подтопленных земель //Матеріали доповідей і повідомлень мiжнародної конф. "Нагальнi проблеми лiквiдацiї пiдтоплення грунтовими водами территорiй мiст i селищ мiського типу." (14-16 жовтня 1998 р., м. Харків).- К., 1998.- С.10-12.

12. Мирка Г.Е., Яковлев В.В. Тяжелые металлы в почвах и донных отложениях г. Харькова //Тезисы докл. областной научно-практ. конф. "Экологические проблемы Харьковской области".(25-27 декабря 1995 г., г. Харьков) - Харкiв, 1995. - С. 66-67.

13. Свиренко Л.П., Яковлев В.В. Инвентаризация участков территории Харьковской городской агломерации с опасным уровнем загрязнения почв //Областна наук.-практ. конф. "Экологические проблемы Харьковской области".- Харкiв, 1995.- С. 89.

14. Рябых В.А., Яковлев В.В., Белокопытова Н.А. Влияние эксплуатации подземных вод на условия подтопления городской территории на примере г. Харькова //Мiжнародна наук.-техн. конференція "Нагальнi проблеми лiквiдацiї пiдтоплення грунтовими водами территорiй мiст i селищ мiського типу".- К., 1998.- С.55-63.

15. Яковлев В.В., Белокопытова Н.А., Решетов И.К. Перспективы использования подземных вод в Харькове //Вестник ХГУ, сер. Геология. География. Экология. № 402. Харків -1998.- С.61- 68.

16. Яковлев В.В., Дмитренко Т.В. Экологическое состояние грунтовых вод на подтопленных территориях //Підтоплення в великих містах України (на прикладі м. Харкова) Харків-Київ: Знання, 1998.- С. 78-82.

17. Яковлев В.В., Ибрагимов Р. Б. Улучшение качества питьевого водоснабжения на Украине. //Тезисы доклада научной конф. “Третье тысячелетие: гармония природы и человека”. Чугуев, 1996.- С.82-83.

Размещено на Allbest.ru

...