Результаты исследований альтернативных источников водоснабжения населения Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

----------------------------------- © В.П. Конухин, А.А. Козырев,

А.О. Орлов, Ю.Г. Смирнов, 2009

УДК 628.112 (470.21)

В.П. Конухин, А.А. Козырев, А.О. Орлов,

Ю.Г. Смирнов

РЕЗ УЛЬ ТА ТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ АЛЬ ТЕРНА ТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ

озяйственно-питьевое водоснабжение всех российских городов осуществляется исключительно путем использования ресурсов пресных вод. Это могут быть открытые водоемы или подземные источники. Источником воды для хозяйственного и питьевого водоснабжения г. Апатиты является озеро Имандра, расположенное в Мурманской области в центре Кольского полуострова. Экологическое равновесие прилегающих территорий нарушает горнопромышленный комплекс, который является основным источником техногенного загрязнения. В результате многолетнего техногенного воздействия изменился природный ландшафт, увеличился уровень загрязнения воздуха и резко ухудшилось качество поверхностных вод. В связи со сбросом дренажных и сточных вод (отходов переработки полезных ископаемых) в поверхностных водоёмах изменились гидрологические условия.

По данным независимых экспертов озеро Имандра считается самым загрязненным промышленными и бытовыми стоками из всех водоемов Мурманской области [1]. При существующей схеме водоснабжения вода из озера Имандра подается по металлическим трубам, на расстояние 9 км, на насосную станцию ОАО «Апатиты-водоканал», где проходит обработку на водоочистных сооружениях.

Вода характеризуется низким содержанием форм азота, малой общей минерализацией - сухой остаток 75 - 90 мг/л, и общей жёсткостью - около 0,3 мг-экв./л. Последние два фактора обуславливают высокие концентрации растворённого кислорода 11 - 12,5 мг/л и свободной углекислоты 2.6 - 2,9 мг/л. Это является причиной высокой коррозионной активности воды, приводящей к вторичным загрязнениям в трубопроводах.

Распределительная водопроводная сеть насчитывает более 90 км труб внутренним диаметром от 50 до 1000 мм. Основными материалами труб являются сталь и чугун, что способствует вторичному загрязнению воды продуктами окисления металлов и зарастанию внутреннего сечения. Этот факт говорит о развитии бактериальной жизни в трубах водопроводной сети (в частности, железобактерий), вызывающих зарастание труб.

Основной причиной этого процесса является длительное пребывание питьевой воды перед поступлением к потребителям в резервуарах и водоводах при транспортировании. В зависимости от времени суток фактическая скорость в магистральных водоводах составляет 0,25-0,13 м/с. Время пребывания питьевой воды в сооружениях и водоводах равно минимум 10 час.

Очевидно, что в качестве источника питьевой воды озеро Имандра не отвечает требованиям первого класса, на которые рассчитаны используемые традиционные технологии водоочистки, так как он относится к водоемам с высоким уровнем антропогенного загрязнения. Для исправления сложившейся ситуации со снабжением питьевой водой было принято решение по оценке возможности использования подземных источников, расположенных в окрестностях города.

В результате геологоразведочных работ в долине реки Малая Белая, был выявлен напорный водоносный горизонт, характеризующийся высокими фильтрационными свойствами. Месторождение расположено на юго-западном склоне Хибинских гор в 16 км северо-западнее г. Апатиты и приурочено к долине реки Малая Белая. Формирование запасов подземных вод месторождения происходит за счет естественных ресурсов основного горизонта. Резкая расчлененность рельефа и выпадение значительного количества осадков благоприятствуют восполнению естественных ресурсов подземных вод. Хорошая обнаженность Хибинского массива, а также интенсивная трещиноватость, обеспечивают беспрепятственную инфильтрацию атмосферной влаги через зону аэрации, создают благоприятные условия для питания вод основного горизонта в бортах и ложе долины.

Естественные ресурсы были оценены величиной 76,3 тыс. куб. м/сутки по годовому подземному стоку 90%-ной обеспеченности. Возраст подземных вод составляет 7,5 года для вод трещиноватых коренных пород и 4,4 года для вод четвертичных отложений [2].

С целью уточнения запасов, качества воды и возможности использования месторождения подземных вод в долине реки Малой Белой для водоснабжения г. Апатиты в 2006-2008 гг. были проведены независимые экспертные исследования рассматриваемой проблемы.

В работах кроме авторов доклада принимали участие также эксперты Г еологической службы Финляндии Йоуни Пихлая, Марти Меламиес, Юхо Купила, Ульпу Вайсянен, Ритта Похйола и Горного института Кольского научного центра В.Г. Зайцев, Н.Г. Миха-элис, В.Н. Колобов. Были проанализированы все имеющиеся геологические, геофизические и гидрогеологические данные по месторождению подземных вод в районе реки Малая Белая. Был детально изучен химический состав воды и проведены дополнительные полевые геофизические исследования площадки. Результаты исследований позволяют сделать следующую оценку месторождения подземных вод в районе реки Малая Белая.

Месторождение расположено в межгорной долине, состав которой представлен четвертичными ледниковыми и водоледниковыми отложениями. Высотное превышение места забора воды из скважин позволяет доставлять её до города Апатиты самотёком. Схема месторождения подземной воды вблизи г. Апатиты представлено на рис. 1. Подземные воды приурочены к песчаным разностям в четвертичных отложениях, а также к трещиноватым скальным породам фундамента. На всей площади предполагаемого водозабора первым от поверхности на глубине 0,3 - 1,5 м залегает грунтовый водоносный безнапорный горизонт. Мощность горизонта изменяется от 3,9 м до 5,9 м.

Фильтрационные свойства водовмещающих пород изменяются в широких пределах от 2,26 м/сут до 60,64 м/сут. Питание горизонта осуществляется за счет атмосферных осадков. Режим подземных вод горизонта совпадает с режимом поверхностных вод реки.

Верхний напорный слой водно-ледникового горизонта находится на глубине от 9,4 м до 14,5 м. Мощность водоносного слоя не равномерна по площади и составляет от 1,25 до 7,4 м. Водовмещающие породы представлены гравийно-галечнико-ыми разностями различной зернистости. Величина напора подземных вод изменяется от 10,55 м до 15,9 м. Коэффициенты фильтрации составляют 8,12-28,89 м/сут.

Рис. 1. Схема месторождения подземной воды вблизи г. Апатиты

Разделяющий слабоводоносный ледниковый слой распространён по всему участку проектируемого водозабора. Г лубина залегания разделяющего слоя 16,8-27,0 м. Его мощность непостоянна, изменяется от 2,0 до 10,6 м, составляя в среднем 6,1 м. Нижний напорный слой водно-ледникового горизонта залегает на глубине 18,8-31,2 м от поверхности непосредственно на скальных породах. Мощность нижнего напорного слоя составляет в среднем 18,2 м.

Подземные воды, связанные со скальными породами, приурочены к трещинам в них. Величина напора изменяется от 47,4 о 62,45 м. Водоносный комплекс характеризуется довольно высокими фильтрационными свойствами: удельные дебиты изменяются от 1,32 до 3,64 л/см, коэффициент фильтрации составляет 1,51-16,8 м/сут, что связано с интенсивной трещиноватостью скальных пород. Продуктивный горизонт на участке водозабора обладает наилучшими фильтрационными свойствами.

Геофизические исследования площадки осуществлялись с помощью георадара. По результатам исследований была построена трехмерная модель долины реки с разделением на коренные породы и горизонт грунтовых вод (рис. 2). На рисунке 2d (С-В направление) видно, что скальные породы расположены очень глубоко. Уровни грунтовых вод выявлены по результатам интерполяции полученных данных.

Трехмерная модель построена на основании существующей геологической информации и данных, собранных во время полевых исследований. Информация была представлена в цифровом виде и подтверждена геологическими изысканиями с помощью GIS- программного обеспечения. Можно отметить, что в изучаемом районе слой грунта и слой грунтовых вод очень мощные, особенно в С-З части данного района. Толщина слоев грунта разная - от 1 до 100 метров, а толщина слоя грунта, насыщенного грунтовыми водами, составляет 13-84 метра. Мощность участка слоя, насыщенного грунтовыми водами, самая большая в С-В части изучаемого района, вверх по течению реки Малая Белая.

Для оценки химического состава производился отбор проб воды из различных источников. Пробы грунтовых вод были, главным образом, основными. Имелась небольшая разница в значениях рН, полученных при полевых измерениях и в лабораториях Финляндии и России. Значения рН составили 7,6-9,65 в поле и 7,28-9,63 в лаборатории по различным скважинам. Величина электропроводимости составила 2,5-7,8 мС/м - в поле и 2,17,6 мС/м - в лаборатории. Одна из разведочных скважин месторождения подземных вод показана на рис. 3.

Почти все концентрации серебра, бериллия, самородного висмута, кобальта, хрома, меди, железа, лития, никеля, люминофора (фосфора), свинца, селена и таллия были ниже предела чувствительности (табл. 2). Концентрации других элементов были также ниже предельно-допустимых значений (табл. 3). Рекомендован площадной водозабор из 8-ми скважин глубиной 41-56 м с проектной производительностью 3750 куб. м в сутки каждая. Ущерб речному стоку при эксплуатации составит 27% от среднегодового подземного стока. Понижение уровневой поверхности подземных вод при работе водозабора не превысит 2 м на расстоянии 2,5 км.

Уровень

грунтовых

ВОД

Уровень скальных пород

Рис. 2. ЗБ-модель долины реки Малая Белая

081

№ Объект Медь Цинк Хром Кадмий Марга- Никель Кобальт Свинец

мг/л мг/л 6-вал. мг/л мг/л мн / л мг/л мг/л мг/л

1. Скв. 33.1 0,0005 0,0014 < 0,0005 < 0,0001 0,007 < 0,0005 < 0,0005 < 0,0005

2. Скв. 33.2 0,0005 0,0014 < 0,0005 < 0,0001 < 0,0005 < 0,0005 < 0,0005

3. Скв. 32.1 0,0007 0,0011 < 0,0005 < 0,0001 0,005 < 0,0005 < 0,0005 < 0,0005

4. Скв. 32.2 0,0007 0,0011 < 0,0005 < 0,0001 < 0,0005 < 0,0005 < 0,0005

5. Скв. 35 0,0008 0,0014 0,0008 < 0,0001 0,009 0,0007 0,0015 0,0007

6. Скв. 10 R 0,006 0,0008 < 0,0005 < 0,0005

7. Скв. 2 Е 0,006 0,0007 < 0,0005 < 0,0005

8. Скв. 36 0,0007 0,0012 0,0007 < 0,0001 0,011 < 0,0005 0,0014 0,0007

9. Скв. 12.1 0,0014 < 0,0001 0,008 < 0,0005 < 0,0005 0,0011

10. Скв. 12.2 < 0,0005 < 0,0001 0,008 < 0,0005 < 0,0005 0,0011

11. Река 0,0022 0,0032 0,0009 < 0,0001 0,018 0,0009 0,0008 0,0008

181

Объект pH 200 С Цвет- ность Жест- кость ммоль/л Са ммоль/л Мд ммоль/л А1 мг/л Железо мг/л Бор мг/л Хло- риды мг/л Щёлоч- ность ммоль/л

Скв. 33.1 8,77 0,0 0,02 0,02 0 0,05 < 0,05 < 0,05 0,80 0,50

Скв. 33.2 8,50 0,0 0,03 0,03 0 0,05 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Ручей 7,28 46,5 0,10 0,10 0 0,10 0,24 < 0,05 1,00 0,40

Скв. 32.1 8,63 0,0 0,05 0,05 0 0,04 < 0,05 < 0,05 1,00 0,50

Скв. 32.2 8,63 0,0 0,07 0,07 0 0,03 < 0,05 < 0,05 1,00 0,46

Скв. 35 8,66 0,0 0,25 0,25 0 0,05 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Река 7,43 1,8 0,05 0,05 0 0,02 < 0,05 < 0,05 0,80 0,30

Скв. 10 К 9,63 0,0 0,05 0,05 0 0,03 < 0,05 < 0,05 1,50 0,50

Скв. 2 Е 8,83 0,0 0,25 0,25 0 0,07 < 0,05 < 0,05 1,00 0,43

Скв. 13.2 8,71 0,0 0,06 0,06 0 0,05 < 0,05 < 0,05 0,80 0,46

Скв. 9.2 9,10 0,0 0,02 0,02 0 0,10 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Скв. 36 9,11 0,0 0,00 0,00 0 0,18 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Скв. 12.1 8,44 0,0 0,02 0,02 0 0,06 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Скв. 12.2 8,82 0,0 0,03 0,03 0 0,07 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Скв. 7 8,56 0,0 0,00 0,00 0 0,51 < 0,05 < 0,05 1,00 0,50

Родник 9,55 0,1 0,05 0,05 0 0,07 < 0,05 < 0,05 1,00 0,40

Рис. 3. Разведочная скважина месторождения подземной воды

По результатам комплексных работ эксперты геологической службы Финляндии и Г орного института Коль-кого научного центра пришли к общему заключению: для решения проблемы качества питьевой воды для водоснабжения населения города Апатиты необходимо использовать подземный источник в районе реки Малая Белая. Исследования показали, что он являются наиболее защищёнными от загрязняющих воздействий и характеризуется высоким качеством.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сандимиров С.С., Кашулин Н.А., Евдокимова Г.А., Кошкин В.В. ИС-анализ техногенного загрязнения хибинских рек и озер в результате деятельности горного и обогатительного производства, Журнал “ARCREVIEW”, № 4 (31) 2004.

2. Леонов С.Н. Отчёт «Поиски подземных вод для водоснабжения г. Апатиты Мурманской области, проведенные в 1976-1978 гг.», 1978. Н5Н=Д

I— Коротко об авторах -----------------------------------------------------1

Конухин В.П. - доктор технических наук, профессор,

Козырев А.А. - доктор технических наук, профессор,

Орлов А.О. - научный сотрудник,

Смирнов Ю.Г. - научный сотрудник,

Горный институт, Кольский научный центр, г. Апатиты Мурманской области.

E-mail: vladimir@goi.koIasc.net.ru E-mail: kozar@goi.kolasc.net.ru E-mail: aleor@goi.kolasc.net.ru E-mail: smirnov@goi.kolasc.net.ru