ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Влияние городских агломераций, промышленного и гражданского строительства на подземные воды

Высокие темпы развития техногенеза, огромные масштабы освоения и усилившаяся интенсивность эксплуатации обшир­ных территорий, расположенных в самых различных географи­ческих зонах, приводят к глубоким преобразованиям инженер­но-гидрогеологических условий и геологической среды в целом. В результате под влиянием хозяйственной деятельности суще­ственным образом изменяется структура водного баланса тер­ритории - появляются новые приходные и расходные статьи, меняются их соотношения по территории и во времени.

На освоенные территории поступает большое количество воды (водопровод, орошение и т. д.), закрытие поверхности зем­ли препятствует процессам испарения, устройство набережных и засыпка мелких рек и оврагов затрудняет разгрузку подземных вод, создаются новые водоносные горизонты, функционирова-

Ниє различных водопонижающих устройств и техногенные ис­точники питания формируют искусственный режим подземных вод.

Важное практическое значение для оценки й прогноза воз­можностей использования подземных вод прежде всего для хозяйственно-питьевого водоснабжения имеет анализ измене­ний их ресурсов и качества под влиянием интенсивной техно­генной деятельности (Боревский, Язвин, 1991; Язвин, Зекцер, 1996).

В аридных зонах понижение уровня грунтовых вод с 1 до 2 м может увеличить результирующее питание на 100-200 мм в год (Плотников, 1989). Расчеты баланса подземных вод на некото­рых ключевых участках гумидной зоны, в частности в Литве (Сакалаускене, 1977), показывают, что на глубине, при которой прекращается испарение с уровня грунтовых вод, результирую­щее питание может увеличиваться почти в 2 раза. Понижение уровня грунтовых вод при работе водозаборов вызывает увели­чение результирующего питания подземных вод, что сказывает­ся на формировании и величине их эксплуатационных запасов.

Урбанизированные территории являются наиболее ярким примером мощного и, как правило, несбалансированного воз­действия на геологическую среду техногенных факторов, весь­ма часто нарушающих гидрогеологические и геоэкологические условия территории. Поэтому эти территории рассматриваются наиболее детально.

На застроенных территориях происходят существенные из­менения условий формирования поверхностного и подземного стока, нарушается характер их гидравлической связи. При этом необходимо подчеркнуть, что если в естественных условиях из­менение гидрогеологической обстановки носит эволюционный характер, так как происходит за периоды, определяемые масш­табами геологического времени (миллионами лет), то здесь из­менения происходят за периоды времени, определяемые десят­ками лет (и даже отдельными годами) и поэтому носят скачкооб­разный характер. Эта особенность является часто определяю­щей при изучении закономерностей формирования ресурсов подземных вод на застраиваемых территориях и их взаимодей­ствий с окружающей средой.

Промышленное и гражданское строительство по разному влияет на подземные воды, приводя к изменению их качества, условий питания и разгрузки. В одних случаях техногенная дея­тельность приводит к усилению питания подземных вод, обус­ловленному утечками из водонесущих коммуникаций и различ­ных фильтрационных накопителей отходов, инфильтрацией сточ­ных и поливных вод, конденсацией влаги под сооружениями и асфальтом, созданием прудов и водохранилищ, строительством инженерных сооружений, вызывающих подпор подземных вод (набережные, ппубокозалегающие фундаменты и др.). Усиление питания (особенно за счет утечек промышленных сточных вод) может вызвать существенные негативные изменения качества подземных вод. В других случаях строительство и эксплуатация вызывают усиление разгрузки подземных вод (эксплуатация под­земных вод, водоотлив из строительных котлованов, линий мет­рополитенов, отбор воды различными дренажными сооружени­ями), либо уменьшение их питания (асфальтирование террито­рии, вывоз снега и т. д.).

Увеличение питания подземных вод, т. е. формирование ис­кусственных ресурсов подземных вод и создание искусственных емкостных запасов, сопровождается подъемом уровня грунто­вых вод, приводящим к подтоплению территории. Так на терри­тории Горьковской агломерации за 20 лет сформировался но­вый антропогенный водоносный горизонт, площадь которого за 15 лет наблюдений увеличилась в 4 раза, а подъем уровня составил 10 м. Инфильтрационные потери из водохранилищ, многочисленных прудов, утечки из водонесущих коммуникаций и полив зеленых насаждений в Москве привели к общему уве­личению питания подземных вод более чем в 3 раза по сравне­нию с неосвоенными территориями (Боревский и др., 1989).

Подземное пространство современного города буквально насыщено различными водонесущими коммуникациями и все они протекают. Эти утечки составляют огромное количество воды, которое путем инфильтрации поступает в подземные воды. Так, в США потери из сети водоснабжения для старых систем составляют до 30%, а для новых - 7-10%; в России из старых систем - до 35-40%, а в Финляндии в среднем 18%, но в отдель­ных случаях достигают 34%.

Необходимо отметить, что трубопровод не может не иметь утечек (хотя технически это возможно), иначе он по своей сто­имости будет "золотым". Обычно неизбежные минимальные утечки воды на 1 поп км сети составляют 2,3-7,0 м3/сут. Это за­висит от материала, диаметра, конструкции стыков, величины напора и возраста трубопровода. Однако фактические потери значительно выше. Так удельные (на 1 пог. км сети) утечки в системе водоснабжения Парижа составляют 51,4 м3/сут, а в То­кио - 57,2 м3/сут.

Концентрированными источниками утечек являются как пра­вило, производства с так называемым "мокрым" технологиче­ским процессом - химические и нефтехимические предприятия, ТЭЦ, очистные сооружения, насосные станции водооборотно - го цикла, различные резервуары и водоемы.

Инфильтруясь, утечки подпитывают подземные воды, вызы­вая значительные подъемы их уровня в виде отдельных бугров - до 10-15 м. Такие образования носят случайный характер и весь­ма трудно прогнозируемы. При этом под источниками утечек образуются техногенные верховодки и дискретные куполовид­ные поднятия, которые впоследствии могут сливаться и образо­вывать техногенные водоносные горизонты. Все это вызывает формирование широко развитого в городах весьма опасного процесса подтопления застроенных территорий. Уровень под­земных вод достигает критического положения, при котором происходит затопление подземных помещений, трасс водонесу­щих коммуникаций, фундаментов и пр. Нарушаются необходи­мые условия эксплуатации отдельных сооружений и целых тер­риторий.

Следует отметить, что подтопление в своем развитии носит скрытый характер и его проявления бывают совершенно нео­жиданными и поэтому весьма опасными, в особенности по сво­им неблагоприятным последствиям. Этот процесс может носить как региональный, так и локальный характер.

Кроме утечек из водонесущих коммуникаций другими суще­ственными факторами подтопления, а следовательно и допол­нительного питания подземных вод, являются те, которые ведут к сокращению расходных статей водного баланса территории. Это, прежде всего, резкое снижение естественной дренирован­ное™ застроенных территорий. Так, например, в Москве в про­цессе урбанизации территории за истекшие восемь с полови­ной веков исчезло более 100 мелких рек и ручьев, около 700 мелких озер, болот и прудов, а в долинах таких рек как Ходынка, Неглинка, Пресня практически засыпана ранее существовавшая овражно-балочная сеть. Следует также отметить, что при заст­ройке как правило, резко нарушаются условия поверхностного стока, а дождевая канализация часто оказывается недостаточ­ной. Процессом подтопления уже поражено более 40% всей тер­ритории Москвы.

Важным фактором, ведущим к пополнению запасов под­земных вод в городах, является закрытие поверхности земли различными покрытиями - экранами, асфальтом, гражданс­кими и промышленными сооружениями. Все это приводит к резкому сокращению испарения. Устройство непроницаемых набережных, создание свайных полей (при забивке свай проис­ходит существенное уплотнение связных грунтов), заглубление конструкций значительной протяженности ведет к барражиро­ванию потоков подземных вод и заметному снижению их раз­грузки.

В общем виде процесс подтопления можно определить, как подъем уровня подземных вод к поверхности земли и/или по­вышение влажности грунтов оснований до и выше их крити­ческих значений, определяемых конкретным видом застройки. Это вызывается действием главным образом техногенных и при­родных факторов, которые приводят к нарушению необходимых условий строительства и эксплуатации различных объектов и застроенной территории в целом, к ухудшению экологической обстановки и наносят заметный экономический ущерб.

Подтопление в городе может иметь не только региональный и локальный, а часто и объектный (точечный) характер. Причем во всех случаях на участках развития подтопления происхо­дят коренные изменения режима подземных вод, а сам процесс движения подземных вод является существенно неустановив­шимся.

К региональным источникам в масштабе города могут быть отнесены крупные промышленные комплексы, массивы ороше­ния, водохранилища. Так, например, существенное влияние на развитие подтопления оказал подпор подземных вод вследствие заполнения в тридцатые годы Химкинского водохранилища в г. Москве на высоту 20 м. В результате оказались подтоплены ряд районов города, расположенные в долине р. Москвы. При этом водоносный горизонт, заключенный во флювиогляциаль - ных песках под мореной из безнапорного превратился в напор­ный, что создало угрозу прорывов подземных вод в котлованы и заглубленные помещения.

Другим примером формирования регионального подтопле­ния могут служить свайные поля, создаваемые при массовой застройке целых микрорайонов. В зоне свайного поля грунт на­столько уплотняется, что его фильтрационная способность снижается почти что на порядок. Поэтому в потоке грунтовых вод создается значительный подпор вследствие барражного эф­фекта свайного поля и вверх по потоку возникает обширная об­ласть подтопления. Барраж подземного потока может создаваться и заглубленными частями зданий, вызывая при этом подтопле­ние отдельных участков.

Причиной регионального подтопления может быть также относительно продолжительные остановки водозаборов подзем­ных вод или крупных дренажных систем, что вызывает подъем подземных вод. Так, например, в период второй мировой войны вследствие военных действий на территории г. Харькова пре­кратил свою работу городской водозабор подземных вод. Это вызвало подъем уровня подземных вод более, чем на Юм, что привело к подтоплению ряда районов города.

Если региональный тип подтопления во многих случаях мо­жет быть учтен при проведении инженерных изысканий, проек­тировании и последующей эксплуатации застроенной террито­рии, то локальный (объектный) тип подтопления практически непредсказуем. Он связан, главным образом, с ошибками при строительстве и неудовлетворительной эксплуатацией здания, внешних водонесущих коммуникаций и нарушением условий дренирования поверхностного стока на прилегающем участке территории. Локальный тип подтопления имеет в городах весь­ма широкое, хотя и дискретное распространение.

Локальный тип подтопления формируется уже при длитель­ном простаивании вскрытых котлованов и наполнении их ат­мосферными осадками. Затем, после строительства фундамен­та при засыпке котлована происходит образование верховодок. В итоге наступает затопление заглубленных помещений, а часто и капиллярное замачивание стен первого этажа.

Процесс подтопления является многофакторным, формиру­ющимся под действием как техногенных, так и естественных факторов. К последним относятся прежде всего естественные сезонные колебания уровней грунтовых вод.

Процессам подтопления наиболее интенсивно подвергают­ся территории, сложенные слабопроницаемыми и неоднород­ными породами и характеризующиеся слабой дренированно - стью.

Борьба с подтоплением подземных вод требует проведения специальных дренажных мероприятий по откачке воды для сни­жения уровня до нормативных величин. В ряде случаев такой необходимый дренажный эффект может обеспечить работа во­дозаборных скважин, действующих для подачи воды населе­нию. При этом водозаборы подземных вод выполняют двойную функцию: снабжают население водой хорошего качества и улуч­шают условия строительства и функционирования подземных сооружений, в том числе метрополитенов, уменьшая водопри - токи к ним. В связи с этим прекращение эксплуатации водоза­борных скважин может привести к негативным последствиям для подземных сооружений. Так, прекращение отбора подзем­ных вод для водоснабжения в Бруклине (г. Нью-Йорк) привело к подъему уровня подземных вод и затоплению фундаментов и тоннелей метро.

Для формирования процесса подтопления на застроенной территории должны иметься и соответствующие техногенные условия, которые часто создают основные источники питания подземных вод. Установлено, что формирование подтопления происходит уже на начальной стадии строительства, а именно при подготовке территории к строительству (вертикальная пла­нировка, прокладка дорог, нарушающих ранее существовавший рельеф, а, следовательно, и условия поверхностного стока, вскрытие котлованов и траншей, устройство различных водо­емов, прокладка временных водонесущих коммуникаций и т. д.). В дальнейшем при развитии строительства (прокладка посто­янных подземных коммуникаций и их опробование с Одновре­менной эксплуатацией временных сетей, строительство фунда­ментов, засыпка котлованов и траншей разрыхленным грунтом, прокладка дождевой канализации и т. д.) и последующей эксплу­атации сооружений, нарушение ранее сложившихся гидрогео­логических условий интенсифицируется.

Рассмотренное выше дополнительное питание подземных вод на урбанизированных территориях, как правило, сопровож­дается прогрессирующим их загрязнением. Источниками загряз­нения здесь являются сети промышленной, хозяйственной и дождевой канализаций, места складирования промстоков и раз­личных отходов, а также склады многочисленных продуктов химической промышленности. Утечки из указанных источни­ков, инфильтруясь в подземные воды, заметным образом их за­грязняют. При этом резко снижается продуктивность городских зеленых насаждений, происходит деградация почв. В итоге в подземные воды попадают тяжелые металлы, нефтепродукты и многие другие токсичные химические элементы. Загрязнению подземных вод также способствует близость к городу массивов орошения и крупных промышленных предприятий.

Для урбанизированных территорий характерно также теп­ловое загрязнение подземных вод, вызываемое прогревом при­поверхностных слоев земли в районах расположения горячих производств и инфильтрацией горячих утечек (с температурой до 60-70°С). В областях с повышенной температурой интенси­фицируется рост гидробионтов, бактерий, усиливается погло­щение ими кислорода. При этом следует учесть, что в городах поверхностные отложения, кроме того, весьма насыщены за­грязняющими подземные воды компонентами (например, ток­сичными микрокомпонентами мышьяка, свинца, стронция, кобальта, ртути, кадмия, меди различными радионуклидами). Поэтому даже инфильтрация утечек очищенных вод из сетей пи­тьевого водоснабжения часто приводит к ухудшению качества подземных вод.

В городах при техногенном подъеме уровня подземных вод и проявлении вызванных этим опасных инженерно-геологиче­ских и гидрогеологических процессов возникает напряженная экологическая ситуация и может произойти:

- затопление заглубленных помещений, в том числе подва­лов и станций метро, в результате которого здесь появляется сырость и грибковые образования на стенах; создается благо­приятная среда для развития комаров и заболевания людей; рез­ко осложняются условия содержания и ремонта систем водо-, электро - и газоснабжения, ускоряется их износ;

- обводнение грунтов оснований, недопустимое снижение их прочностных и деформационных свойств, активизация опас­ных геологических процессов (карст, оползни, провалы, суффо­зия и пр.), что в свою очередь ведет к опасным, часто аварий­ным деформациям зданий, дорог, инженерных сетей;

- повышение на 1-2 балла сейсмичности застроенной территории, что приводит к заметному снижению сейсмоус - тойчивости существующих сооружений и к необходимости про­ведения дополнительных и дорогостоящих антисейсмических мероприятий;

- повышение агрессивности грунтовых вод и коррозионной активности грунтов по отношению к металлу и бетону заглуб­ленных сооружений и коммуникаций;

- недопустимое увлажнение и засоление территорий город­ских парков, скверов, газонов, ведущее к угнетению зеленых насаждений и удорожанию их содержания, а нередко и к забо­лачиванию территорий загрязненными канализационными сто­ками;

- затопление траншей инженерных коммуникаций, что про­воцирует многочисленные аварии и наносит ущерб окружаю­щей среде.

На территориях, где подземные воды загрязнены нефтепро­дуктами, подъем жидких и газообразных нефтяных углеводо­родов к поверхности земли создает взрыво - и пожароопасную обстановку и ухудшает санитарные условия территории.

На урбанизированной территории в связи с необходимостью создания требуемых условий строительства, а также эксплуата­ции подземного пространства города ведется искусственное понижение подземных вод. Все это происходит в сочетании с работой городских водозаборов часто в виде дискретно распо­ложенных по территории города скважин.

Эксплуатация сооружений глубокого заложения, например, тоннелей метро и отдельных зданий ведется в обязательном со­четании с работой постоянных водопонижающих устройств.

Снижению инфильтрационного питания подземных вод спо­собствует экранирование поверхности земли зданиями, асфаль­товым и другим покрытием. Известно, что плотность город­ской застройки с учетом покрытий площадей и дорог может в отдельных районах города достигать 90%.

Уменьшение питания подземных вод происходит также в результате отвода части поверхностного стока в дождевую ка­нализацию.

В городах в результате интенсивного отбора подземных вод может возникнуть целый ряд неблагоприятных для окружаю­щей среды последствий:

- подтягивание к водозабору загрязненных подземных вод со стороны промышленных зон, участков расположения очист­ных сооружений, массивов орошения;

- переосушка и деградация почв в городских парках и скве­рах, гибель влаголюбивых растений;

- сокращение расходов малых рек, развитие процессов про­седания земной поверхности;

- активизация многих геологических процессов, например, карстово-суффозионных, что приводит к возникновению про­валов и разрушению домов.

В заключение необходимо отметить, что на урбанизирован­ных территориях заметно снижается естественная защищенность подземных вод. Это, в первую очередь, связано с освоением подземного пространства в городах, так как здесь часто проре­заются слабо проницаемые слои, что способствует проникнове­нию загрязненных городских вод в эксплуатируемый водонос­ный горизонт.