CC BY
70
Михневич Г.С. ©
Кандидат географических наук, кафедра географии океана,
Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОД НА ИНФИЛЬТРАЦИОННОМ
ВОДОЗАБОРЕ В ПОСЕЛКЕ ОЗЕРКИ (КАЛИНИНГРАДСКАЯ ОБЛАСТЬ)
Аннотация
На примере крупнейшего в Калининградской области водозабора инфильтрационного типа в пос. Озерки прослеживаются изменения, которые претерпевают речные воды в процессе береговой фильтрации. В сравнении с речным водозабором установлено уменьшение цветности, мутности, окисляемости, микробиологических показателей, увеличение содержания железа и марганца и сглаживание сезонных изменений различных характеристик.
Ключевые слова: качество воды, береговая фильтрация.
Keywords: water quality, riverbank filtration.
Введение. Для водоснабжения г. Калининграда используется вода р. Преголи (59%), воды системы водохранилищ (18%) и подземные воды (23%) [1]. Воды поверхностных источников, отличающиеся высокими и зависящими от сезона показателями цветности, мутности, окисляемости, общего микробного числа (ОМЧ) и общего числа колиморфных бактерий (ОКБ), подвергаются загрязнению техногенного характера [2, 9; 3, 130]. Увеличение доли подземных вод было бы предпочтительным вариантом развития системы водоснабжения, однако неблагоприятные гидрогеологические условия г. Калининграда не способствуют развитию подземных водозаборов для централизованного водоснабжения; только отдельные предприятия и районы города используют подземные воды [4,47; 5, 41]. В этих условиях перспективы развития системы водоснабжения могут быть связаны с организацией водозаборов инфильтрационного (берегового) типа, на которых происходит искусственное пополнение запасов подземных вод из поверхностных источников.
Искусственное пополнение запасов подземных вод является обоснованным, если водоотбор не обеспечивается естественными источниками формирования эксплуатационных запасов или с целью повышения производительности водозаборов для покрытия возрастающей потребности в воде. Вместе с тем в процессе инфильтрации речные воды испытывают ряд гидрохимических изменений, связанных с процессами фильтрации, сорбции, растворения, выщелачивания, биодеградации, смешивания и др. [6, 80]. Формирование состава вод представляет практический интерес: береговая фильтрация рассматривается как первичный метод водоподготовки, поскольку обеспечивает улучшение качества захватываемых вод. Понимание схем береговой фильтрации основывается на данных, полученных в ходе исследований на скважинах водозабора [6,84; 7]. Подобные исследования в России единичны, а в Калининградской области вообще отсутствуют. Косвенно о гидрохимических изменениях можно судить по качеству воды на инфильтрационном водозаборе Восточной водопроводной станции (ВВС) в пос. Озерки-Новые, пополняющем запасы водами р. Преголи, и на типичном поверхностном водозаборе, например, на Южной водопроводной станции № 2 (ЮВС-2), использующем воду р. Преголи. В связи с этим целью работы является сравнительный анализ показателей качества вод на инфильтрационном (ВВС), поверхностном (ЮВС-2) и подземном (пос. Прибрежный) водозаборах для определения изменений в составе речных вод в процессе инфильтрации.
Восточная водопроводная станция (ВВС) (ранее Зеевальде) расположена в 28 км от г. Калининграда близ пос. Озерки Гвардейского района в долине р. Преголя. Водозабор
© Михневич Г.С., 2015 г.
представлен двумя рядами скважин, расположенных вдоль берегов канала, соединяющего оз. Воронье и оз. Киез (рис. 1). Все скважины водозабора закольцованы в один водопровод, из которого вода подается на очистные сооружения, а затем - в резервуар чистой воды, откуда забирается насосами второго подъема; далее вода с ВВС по водоводам длиной 25 км подается в город на Московскую насосную станцию, где она очищается, подается в резервуары чистой воды, а из них насосная станция 3-го подъема подает воду в сеть города Калининграда [1].
Рис. 1. Схема расположения Восточной водопроводной станции в пос. Озерки. Кружками показаны скважины, расположенные вдоль инфильтрационного канала
Эксплуатация станции Зеевальде началась в 1943 г., когда было пробурено 26 скважин глубиной 19-28 м с расстоянием между ними 50-100 м. Производительность станции составляла 18 тыс. м /сут. Поскольку к началу 1956 г. количество действующих скважин уменьшилось до 14, для восстановления первоначальной мощности ВВС в 1957 г. были пробурены 10 новых скважин глубиной 28-38 м; в 1962-66 гг. было пробурено еще 28 скважин, и производительность водозабора была доведена до современного значения - 30 тыс. м3/сут. Основным является межморенный окско-днепровский водоносный горизонт, перекрываемый сверху аллювиальными и болотными голоценовыми отложениями [4, 122; 5, 26]. Водовмещающие песчано-гравийные отложения содержат небольшие статические запасы воды, но обладают большой водопроницаемостью, вследствие чего представляют интерес для централизованного водоснабжения г. Калининграда при наличии гидравлической связи с р. Преголя. Поскольку связь с рекой часто затрудняется непроницаемыми барьерами, сложенными болотными и водно-ледниковыми отложениями, для пополнения запасов подземных вод привлечены поверхностные воды оз. Киез и Длинное, в которых в процессе эксплуатации песчано-гравийной смеси обнажился водоносный горизонт. Озера Киез и Длинное связаны с р. Преголя каналом через оз. Воронье (рис. 1). Запасы подземных вод, разведанных в районе пос. Озерки, могут обеспечить ежесуточную выработку до 230 тыс. м3/сутки. На настоящий момент осуществляется реализация проекта по развитию скважинного водозабора до 90 тыс. м3/сут [1].
Южная водопроводная станция № 2, расположенная в 10 км от центра города, в
районе пос. Малое Борисово, была построена в 1969 г. Водозабор осуществляется из р. Преголи через водопроводный канал длиной 800 м, в конце которого расположена станция 1го подъема и водозабор из запасного водохранилища, предусмотренного на случай нагонных ветров и засоления воды в р. Преголя. Производительность станции - до 100 тыс. м /сутки. Общая емкость водохранилища составляет 1000 тыс. м3, что обеспечивает автономную работу в течение 8 суток. В 2008 г. введено в строй второе водохранилище ЮВС-2 емкостью 1800 тыс. м3, что позволило устранить зависимость водоснабжения от нагонных явлений в р. Преголе [1].
Рассматриваемый в качестве характерного подземный водозабор пос. Прибрежное использует воды палеогенового (палеоцен-эоценового) водоносного горизонта, залегающего на глубине около 40-45 м.
Исходные данные. Качество исходной природной («сырой») воды на водозаборах поверхностного, инфильтрационного и подземного типа резко различается [2, 3-10]. На официальном сайте МУП КХ «Водоканал» городского округа «Город Калининград» представлена информация о качестве воды по цветности, мутности, окисляемости, железу, марганцу, жесткостью, рН, ОМЧ, ОКБ [1]. Архив данных охватывал период с июня 2009 г. по июнь 2014 г. Были определены средние, минимальные и максимальные значения за период наблюдения (табл.), построены графики их изменений (рис. 2-8). Сравнительный анализ показателей качества воды на ЮВС-2, ВВС и станции пос. Прибрежный за пятилетний период дал следующие результаты.
Таблица
Значения показателей качества исходной воды на водопроводных станциях г. Калининграда
(за период июнь 2009 - июнь 2014 гг.)
Показатель, ед. изм. Значение ЮВС-2 ВВС пос. Прибрежный
Цветность, град. хромово -кобальтовой шкалы (ПДК=20 град.) Минимальное 28 11 12
Максимальное 66 58 27
Среднее 46,43 31,52 19,29
Мутность, мг/л (ПДК=1,5 мг/л) Минимальное 1,44 0,58 0,58
Максимальное 4,9 3,4 1,48
Среднее 2,89 0,98 0,81
Пер манганатная окисляемость, мгО2/л (ПДК=5 мгО2/л) Минимальное 7,67 4,83 2,18
Максимальное 15 6,25 4
Среднее 10,64 5,71 2,87
Железо, мг/л (ПДК-0,3 мг/л) Минимальное 0,37 0,31 0,75
Максимальное 1,3 2,78 1,31
Среднее 0,75 1,31 1,04
Марганец, мг/л (ПДК-0,1 мг/л) Минимальное 0,01 0,2 0,092
Максимальное 0,7 0,4 0,23
Среднее 0,127 0,21 0,145
Жесткость, град. (ПДК-7 град.) Минимальное 3,90 4,4 6,6
Максимальное 7,80 5,51 7,67
Среднее 4,83 4,65 6,95
рН (ПДК=6-9) Минимальное 7,39 7,29 7,18
Максимальное 8,44 7,96 7,64
Среднее 8,02 7,66 7,37
ОМЧ, КОЕ/мл (ПДК=50 КОЕ/мл) Минимальное 11 0 0
Максимальное 239 1 0
Среднее 65,82 0,08 0
ОКБ, КОЕ/100 мл (ПДК=0 КОЕ/100 мл) Минимальное 12,22 0 0
Максимальное 234,9 0 0
Среднее 84,35 0 0
Результаты исследования. Цветность обусловлена наличием в воде растворенных органических веществ, а также некоторыми минеральными примесями. В процессе фильтрации органические вещества речных вод окисляются, средняя величина цветности уменьшается с 46,43 на ЮВС-2 до 31,52 на ВВС (табл.), хотя из-за недостатка кислорода все равно имеют место значения, превышающие ПДК (20 град.) и большие, чем на подземном водозаборе пос. Прибрежный (рис. 2). Также в процессе фильтрации уменьшаются максимальные и минимальные показатели. В процессе фильтрации в поровой среде песчаногравийных отложений речные воды очищаются от взвешенных веществ. В результате происходит снижение показателей мутности вод: если на ЮВС-2 среднее значение мутности превышает ПДК (1,5 мг/л) и составляет 2,89 (мг/л), то на ВВС показатель мутности равен 0,98 мг/л и приближается к значениям, типичным для подземных вод (0,81 мг/л) (табл., рис. 3). Величины перманганатной окисляемости также подтверждают, что фильтрация речных вод сопровождается уменьшением количества растворенной в них органики. Значения окисляемости, фиксируемые на станции ВВС, в два раза ниже, чем на ЮВС-2 и приближаются к ПДК (среднее значения 5,71) (табл.). Кроме того, на графике заметно, что сезонные изменения практически отсутствуют, в то время как речные воды характеризуются значительными амплитудами (от 7,67 до 15,0) (рис. 4).
Рис. 2. Динамика показателей цветности в исходной воде на водопроводных станциях г.
Калининграда
Рис. 3. Динамика показателей мутности в исходной воде на водопроводных станциях г.
Калининграда
Рис. 4. Динамика показателей окисляемости в исходной воде на водопроводных станциях г.
Калининграда
Повышенное содержание железа и марганца в водах четвертичных водоносных горизонтов является типичным для Калининградской области. На подземном водозаборе в пос. Прибрежный содержание железа многократно превосходит ПДК (среднее значение - 1 мг/л) (табл., рис. 5). Воды р. Преголи также характеризуется высоким, но несколько меньшим, чем в подземных водах, содержанием железа, (среднее значение 0,75 мг/л) (табл., рис. 5). В результате фильтрации содержание железа значительно увеличиваются:
инфильтрационный водозабор ВВС демонстрирует среднее значение 1,31 мг/л (при разбросе 0,31-2,78 мг/л) в полтора-два раза превосходящее содержание железа на ЮВС-2 равное 0,75 мг/л (0,37-1,3 мг/л) (табл., рис. 5). Растворимость соединений железа и марганца зависит от окислительно-восстановительных условий в водоносном горизонте. При береговой фильтрации вначале происходит резкое изменение окислительных условий на восстановительные, когда вода, богатая органикой и растворенным кислородом, поступает в водоносные породы, и кислород расходуется на окисление органики. Далее на некотором расстоянии от реки или инфильтрационного канала наблюдается постепенная смена восстановительных условий на окислительные, когда кислород вновь поступает в подземные воды с инфильтрующимися атмосферными осадками [6, 82]. Такие процессы приводят к повышению содержания в подземных водах железа и марганца, растворимость которых возрастает в восстановительных условиях в непосредственной близости от реки, а затем к снижению их концентрации до исходных значений. Поскольку забор воды на ВВС осуществляется в непосредственной близости от инфильтрационного канала, то повышенное содержание железа является следствием улучшения его растворения в восстановительных условиях.
Аналогично влияет процесс фильтрации и на содержание марганца: минимальные и средние его концентрации в водах ЮВС-2 составляют 0,01 и 0,127 мг/л, а ВВС - 0,2 и 0,21 мг/л соответственно, т.е. в результате фильтрации концентрация марганца в водах возрастает (табл., рис. 6). При этом на станции в пос. Прибрежном средние значения показателей марганца (0,145 мг/л) аналогичны станции ЮВС-2 (табл.). На ЮВС-2 увеличение содержания марганца (как и железа) приходятся на январь-июнь, в пос. Прибрежный наблюдаются незначительные внутригодовые изменения концентрации марганца, в то время как на ВВС они практически отсутствуют (рис. 6).
Незначительно уменьшаются в процессе фильтрации средние показатели жесткости (с 4,83 до 4,65), сильно сокращаются максимальные значения (с 7,8 до 5,51), сглаживаются внутригодовые колебания жесткости. При этом поверхностные и инфильтрационные воды отличаются меньшей жесткостью по сравнению с подземными (пос. Прибрежный). Как и в ряде примеров, охарактеризованных в зарубежной литературе [6, 84-96], в процессе фильтрации незначительно уменьшается показатель рН (среднее значение уменьшается с 8,02 на ЮВС-2 до 7,68 на ВВС). Подземные источники пос. Прибрежный имеют более
низкие значении рН (7,37) (табл.).
Рис. 5. Динамика показателей железа в исходной воде на водопроводных станциях г.
Калининграда
Рис. 6. Динамика показателей марганца в исходной воде на водопроводных станциях г.
Калининграда
Наиболее ярко прослеживается эффект улучшения качества вод в процессе фильтрации на береговых водозаборах при анализе микробиологических показателей. Воды берегового водозабора ВВС становятся практически стерильными, как и воды в пос. Прибрежный, в то время как воды рек (ЮВС-2) характеризуются значительным ОМЧ, превосходящим ПДК (среднее значение 65,8 КОЕ/мл) (табл., рис. 7). Также на ЮВС-2 отмечаются сезонные ритмы показателя ОМЧ (максимальные всплески показателя в летнее время (июль-август) и менее значительные поздней зимой - ранней весной), отсутствующие на ВВС (рис. 7). Общее число колиморфных бактерий (ОКБ) также уменьшается в процессе фильтрации, придавая водам берегового водозабора ВВС стерильность (табл., рис. 8). Речные воды (ЮВС-2) характеризуются постоянной зараженностью колиморфными бактериями (рис. 8). Внутригодовая изменчивость значений ОКБ (рис. 8) несколько иная, чем ОМЧ: максимальные всплески микробиологической активности приходятся на зимневесенний период (январь-март), минимальные - на летний (июнь-август).
Рис. 7. Динамика показателя общего микробного числа в исходной воде на водопроводных
станциях г. Калининграда
Рис. 8. Динамика показателя общего числа колиморфных бактерий в исходной воде на
водопроводных станциях г. Калининграда
Обсуждение результатов и выводы. В результате проведенного анализа отмечается значительное изменение показателей качества в процессе фильтрации речных вод. На водозаборе инфильтрационного типа наблюдается значительное уменьшение значений цветности, мутности, окисляемости, ОМЧ, ОКБ. Обусловлено это очищением речных вод в процессе фильтрации в поровой среде: они освобождаются от взвешенных частиц и адсорбированных на них компонентов. Особенное значение приобретает очистка вод от микроорганизмов. Также отмечаются уменьшение величины рН и жесткости. Вместе с тем, значительно увеличиваются концентрации железа и марганца, что является следствием возрастания их растворимости при установлении восстановительных условий в зоне, примыкающей к фильтрационному каналу и озерам. Можно предположить, что при увеличении расстояния между фильтрационным каналом и водозаборными скважинами значение концентраций железа и марганца будет сокращаться за счет возврата окислительных условий при притоке атмосферных осадков и подземных вод, насыщенных кислородом. Типичные для речных вод сезонные изменения большинства изученных показателей на инфильтрационном водозаборе исчезают или сглаживаются.
Дальнейшее увеличение мощности водозабора в пос. Озерки и сооружение новых инфильтрационных водозаборов (например, в г. Черняховске) должно учитывать возможности естественной очистки вод в процессе инфильтрации, дальнейшего движения речных вод и их смешивания с водами подземного межморенного горизонта. В связи с этим необходимо проведение более широкого комплекса гидрохимических работ не только на водозаборных, но и на наблюдательных скважинах, что позволило бы построить
гидрохимические разрезы и проследить изменение окислительно-восстановительных условий и концентраций различных веществ в воде в зависимости от удаления скважин водозабора от поверхностного водоема.
Литература
1. Система водоснабжения. Муниципальное унитарное предприятие коммунального хозяйства «Водоканал» городского округа «Г ород Калининград» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.vk39.ru/sistema-vodosnabjenii/ (дата обращения 10.08.2014)
2. Михневич Г.С. Сравнительный анализ показателей качества исходной воды на водопроводных станциях г. Калининграда // Ученые записки Русского географического общества (Калининградское отделение). - Калининград: БФУ им. И. Канта, РГО, АО ИО РАН, 2013. - Т. 12. - С. Л-1 - Л-11. Электрон. опт. диск (CD-ROM).
3. Михневич Г.С. Характеристика антропогенных изменений качества подземных вод Калининградской области // Экология России: на пути к инновациям. Межвузовский сборник научных трудов. - Астрахань: Издательство Нижневолжского экоцентра, 2014. - Вып. 9. - С. 128134.
4. Гидрогеология СССР. Калининградская область РСФСР / Под ред. А.Р. Кондратаса. - М.: Недра, 1970. - Т. XLV. - 158 с.
5. Информационный бюллетень о состоянии недр на территории Калининградской области за 2011 г. (Государственный мониторинг состояния недр) / Отв. исполнитель Л.С. Полякова. - Гусев: ФГУП «Севзапгеология», 2012. - Вып. 16. - 99 с.
6. Шестаков В.М., Невечеря И.К., Авилина И.В. Методика оценки ресурсов подземных вод на участках береговых водозаборов. - М.: КДУ, 2009. - 192 с.
7. Феофанов Ю.А., Ряховский М.С. Факторы, влияющие на формирование качества воды в инфильтрационных водозаборах // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 4. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.science-education.ru/104-6557 (дата обращения 26.07.2014)
