Источники водоснабжения
Водоснабжение. Водоотведение. Оборудование и технологии. (ООО СТРОЙИНФОРМ, 2007 г.)
При количественной оценке водных ресурсов используют два понятия: статические (вековые) запасы и возобновляемые водные ресурсы. При современных климатических условиях вековые запасы считаются постоянными. Возобновляемые водные ресурсы изменяются во времени. В результате круговорота и водообмена между океаном и сушей они ежегодно восстанавливаются. Суммарный годовой сток рек определяет величину возобновляемых водных ресурсов.
При изучении и использовании последних современная наука исходит из представления о единстве и взаимосвязи природных вод всех типов, переходящих один в другой в процессе круговорота. Ежегодно возобновляемые водные ресурсы составляют динамическую часть статических запасов. Потребность в воде в основном удовлетворяется за счет возобновляемых ресурсов поверхностных и подземных вод.
Реки. Речной сток формируется под влиянием всего комплекса природных условий – климата, рельефа, почвенного и растительного покрова и др. Основной фактор, влияющий на величину стока -атмосферные осадки.
По преобладающему источнику питания и основной фазе водного режима реки страны делятся на три группы: с весенним половодьем, обусловленным таянием снегов на равнинах и невысоких горах; с весеннее-летним половодьем, формирующимся в основном за счет таяния сезонных и весенних снегов и ледников в горах; с паводковым режимом, вызванным дождевыми осадками.
Реки характеризуются изменчивостью состава воды во времени. Он зависит от ряда факторов: изменения погодных условий, неоднородности состава солей в горных породах и почвах, слагающих русла; воздействия растительности и животных организмов, наличия растворенного кислорода и т.д. Реки подразделяются на три гидрохимических класса:
- Гидрокарбонатные. Площадь бассейнов этих рек составляет 83% территории страны. Минерализация их воды в большинстве случаев незначительна;
- Сульфатные. Они занимают около 4% площади речного бассейна страны. Минерализация в этих реках выше минерализации карбонатных;
- Хлоридные. Их площадь составляет около 7% площади всех речных бассейнов. Вода в реках этой группы отличается высокой минерализацией.
По минерализации реки классифицируют следующим образом: малой (до 200 мг/л); средней (200-500 мг/л); повышенной (500-1000 мг/л) и высокой (свыше 1000 мг/л) минерализации.
Водная эрозия в речных бассейнах проявляется с различной интенсивностью. Во влажной и избыточно влажной зонах она выражена относительно слабо. К югу – переменно влажной (лесостепной) и особенно полусухой (полупустынной) и сухой (пустынной) зонах процессы эрозии усиливаются. Один из показателей интенсивности водной эрозии – среднегодовая мутность речных вод, которая изменяется от 10-25 мг/м3 на севере, до 5-1000 мг/м3 в южных районах.
В северной части реки покрыты льдом 7-8 мес., в средней полосе – 4 -5 мес. Толщина льда 50-100 см и более. На северо-западе европейской части и юге Приморья ледостав продолжается 1-2 мес. В Закавказье, Крыму, в горных районах Средней Азии ледостава, как правило, не бывает.
Озера. Озера по характеру взаимодействия с реками делятся на проточные и бессточные. Первые расположены преимущественно в зонах с гумидным (климат с избыточным увлажнением, при котором количество получаемого солнечного тепла недостаточно для испарения все влаги, поступающей в виде осадков) и субгумидным климатом, вторые – в ариадной, где испарение с водной поверхности превышает количество выпадающих атмосферных осадков.
Воды озер относятся к статическим запасам вследствие замедленного водообмена. Ежегодное возобновление воды в озерах составляет от 0,3 до 1,5%, поэтому даже незначительное понижение уровня в них в связи с водоотбором может привести к необратимым экологическим изменениям. Отбор воды из них возможен при возвращении отбираемой воды в озеро в многоводные годы.
На гидрохимический состав озер значительное влияние оказывают их размеры, глубина, конфигурация и замедленный водообмен. Они влияют на температурную стратификацию, неоднородность химического состава по глубине, интенсивность биологических процессов, газовый состав воды, концентрацию биогенных веществ, перемешивание. Химический состав воды в озерах зависит от состава воды рек и подземных источников, их питающих.
По минерализации озера принято относить к одной из следующих трех групп:
- пресные (не более 1 г/кг);
- солоноватые (1-35 г/кг);
- соленые (более 35 г/кг).
В засушливых районах, где наблюдается повышенное испарение, озера имеют более высокую минерализацию, чем озера, расположенные в зоне избыточного увлажнения.
Водохранилища. Аккумулируют сток половодий и паводков. Они позволяют использовать его в межень (фаза водного режима реки). При их помощи речной сток становится более равномерным как в течение года, так от года к году. Водохранилища существенно увеличивают объем водных ресурсов, доступных для использования, повышают долю стока для обеспечения потребностей в воде народного хозяйства, в том числе и водоснабжения.
Благодаря использованию водохранилищ, имеется возможность решения ряда народнохозяйственных задач: повышение надежности водоснабжения, снижение концентрации загрязняющих веществ в реках в результате разбавления стока, создание условий для гидроэнергетического строительства, борьба с паводками, улучшение условий судоходства, рыборазведения, рекреации и др.
Водохранилища, создаваемые в бассейне рек, увеличивают объем статических запасов вод в руслах, но уменьшают интенсивность водообмена в речных системах. Это отрицательно сказывается на качественных характеристиках воды. Обустройство водохранилищ связано со значительными потерями земельных ресурсов из-за затопления земель. Они могут оказывать негативное влияние на гидрологический режим в верхнем и нижнем бьефах (часть водотока, примыкающая к водопроводному сооружению) гидроузла, на водные и наземные экосистемы, хозяйственные объекты, социальные условия жизни людей.
Гидрохимический режим водохранилищ устанавливается через некоторое время после их заполнения, когда произойдет разложение растительности, загрязнений и т.п., оставленных на месте их устройства. Вода в них обогащена минеральными и органическими веществами, ухудшающими ее физические свойства, а также их санитарное состояние и кислородный режим. В водохранилищах развиваются планктон и высшая водная растительность, повышается температура воды на поверхности, увеличивается испарение влаги с поверхности, возникает температурная стратификация, уменьшается количество взвешенных частиц в воде. Изменение химического состава в них происходит в более узких пределах, чем в реках.
Моря при отсутствии пресных вод могут служить источником водоснабжения для целей питьевого и промышленного водоснабжения. На водный, термический, ледовый и гидрохимический режимы на материковой отмели морей воздействует сток крупных рек северной части европейской территории и особенно рек Сибири.
К особенностям морской воды следует отнести значительную минерализацию, однородность и постоянство химического состава. Минерализация морской воды в среднем составляет 32-35 г/кг.
Подземные воды. Их роль в общем балансе водопотребления как в нашей стране, так и за рубежом постоянно возрастает. Возможность рационального отбора подземных вод зависит не только от количества воды, находящейся в водоносных горизонтах, но и от фильтрующих свойств водовмещающих пород. Количественные категории подземных вод определяются рядом показателей, среди которых наиболее значимыми являются:
- естественные запасы (статические и вековые запасы) – объем гравитационной воды, заключенный в порах и трещинах водовмещающих пород;
- естественные ресурсы (динамические запасы) – величина питания водоносного горизонта в гидрогеологических условиях, не нарушенных эксплуатацией подземных вод;
- эксплуатационные запасы, или эксплуатационные ресурсы – количество подземных вод, которое может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении способами без ухудшения качества воды в течение всего расчетного срока водопотребления.
Региональная оценка потенциальных эксплуатационных ресурсов подземных пресных и слабосолоноватых вод (с минерализацией 1-3 г/л в районах с дефицитом пресных ресурсов) проведена только для хорошо изученной части страны, составляющей около 54% общей ее площади.
На подземных водах основано хозяйственно-питьевое водоснабжение большинства городов в центральных районах европейской части России.
Химический состав подземных вод отличается разнообразием. Он определяется в основном условиями их формирования, которые зависят от взаимодействия с атмосферой и земной поверхностью. Слабое протекание биологических процессов, отсутствие света и свободного растворенного кислорода препятствуют развитию растительности и жизнедеятельности водных организмов в подземных водах. Но одновременно с этим создаются благоприятные условия развития анаэробных процессов. Это определяет огромное разнообразие химического состава подземных вод. При изучении гидрохимических свойств подземных вод принята следующая классификация их по глубине залегания:
- воды зоны активного водообмена (верхней зоны). Эти воды подвержены воздействию фильтрующихся поверхностных вод и кислорода;
- воды зоны затрудненного водообмена (средней зоны). Эти воды имеют слабое взаимодействие с поверхностью;
- воды зоны относительно застойного водообмена (нижней зоны). Эти зоны полностью изолированы от поверхностного влияния.
Для целей водоснабжения используются воды верхней и средней зон. Химический состав вод верхней зоны зависит от климатических условий, атмосферной среды, фильтрации атмосферной и речных вод, наличия водоупорной кровли, характера грунтов. Минерализация этих вод определяется количеством выпадающих осадков и температурой воздуха.
К подземным водам средней зоны относятся артезианские и межпластовые воды. Они защищены от бактериального загрязнения и наиболее широко используются для целей водоснабжения. Степень минерализации этих вод и особенность их химического состава в основном зависят от количества и качества состава солей, находящихся в водоносных породах. Все воды этой зоны содержат весьма малые концентрации органических веществ.
Воды нижней зоны, как правило, имеют высокую минерализацию сложного химического состава. Они для целей водоснабжения не используются.