Використання підземних вод у водопостачанні

    За  даними Держводгоспу України:

• Щорічно до 10% проб води з водопровідної мережі, що досліджуються не відповідають гігієнічним нормативам за тими чи іншими ознаками
• Кожна восьма проба питної води із сілких водоводів і кожна третя із джерел централізовано водопостачання не відповідають вимогам за біологічними показниками
• Кількість аварій, що трапляється як наслідок незадовільного стану водопровідної мережі на порядок перевищує норми встановлені у країнах Європи
• Питна вода в деяких регіонах України є значним фактором ризику виникнення інфекційних захворювань [71].

    Проблемі  захворювань, які можуть бути пов’язані  з якістю питної води присвячено статтю Прокопова В.О. «Контроль за якістю питної води» [35].

    Проблема  централізованого водопостачання населення якісною питною водою за економічних умов, що склалася в Україні не може бути вирішена в короткі строки. Тому як перший крок до покращення ситуації фахівці радять використання децентралізованих локальних агрегатів доочищення води і кондиціонування. В сучасних умовах – побутові фільтри один з основних способів гарантованого покращення якості питної води. 

    1.2. Утворення та рух підземних вод в зонах аерації й насичення

    Підземні  води формуються в основному з  вод атмосферних опадів, що випадають  на земну поверхню й просочуються (інфільтруються) у землю на деяку глибину, і з вод з боліт, рік, озер і водоймищ, що також просочуються в землю. Кількість вологи, прогнаної в такий спосіб у ґрунт, становить за даними Климентова П.П., 15-20 % загальної кількості атмосферних опадів [25]. Проникнення вод у ґрунти (водопроникність), що складають земну кору, залежить від фізичних властивостей цих ґрунтів. Відносно водопроникності ґрунти діляться на три основні групи: водопроникні, напівпроникні й водонепроникні або водотривкі.

    До  водопроникних порід відносяться  великоуламкові породи, галечник, гравій, піски, тріщинуваті породи й т.д. До водонепроникних порід - масивно- кристалічні породи (граніт, порфір, мармур), що мають мінімальну здатність  усмоктувати в себе вологу, і глини. Останні, просочившись водою, надалі її не пропускають. До порід напівпроникних відносяться глинисті піски, лес, пухкі піщаники, рихлуваті мергелі й т.п.

    Підземні  води в земній корі розподілені у  двох шарах. Нижній шар, складений щільними магматичними й метаморфічними породами, містить обмежену кількість води. Основна маса води перебуває у верхньому шарі осадових порід. У ньому по характеру водообміну з поверхневими водами виділяють три зони: зону вільного водообміну (верхню), зону вповільненого водообміну (середню) і зону досить уповільненого водообміну (нижню). Води верхньої зони звичайно прісні й служать для питного, господарського й технічного водопостачання. У середній зоні розташовуються мінеральні води різного складу. Це - древні води. У нижній зоні перебувають високомінералізовані розсоли. З них добувають бром, йод і інші речовини.

    Підземні  води утворюються різними способами. Як ми вже відзначали вище, один з  основних способів утворення підземної  води - просочування, або інфільтрація, атмосферних опадів і поверхневих вод (озер, рік, морів і т.д.). По цій теорії вода, що просочується доходить до водотривкого шару й накопичується на ньому, насичуючи породи пористого й пористо-тріщинуватого характеру. У такий спосіб виникають водоносні шари, або обрії підземних вод. Поверхня ґрунтових вод, називається дзеркалом ґрунтових вод. Відстань h від дзеркала ґрунтових вод до водоупора називають потужністю водотривкого шару [10].

    Кількість води, що просочилася в ґрунт, залежить не тільки від його фізичних властивостей, але й від кількості атмосферних опадів, нахилу місцевості до обрію, рослинного покриву. Тривалий дощ, що мрячить, створює кращі умови для просочування, ніж рясна злива, тому що чим інтенсивніше опади, тим з більшою швидкістю вода, що випала, стікає по поверхні ґрунту.

    Круті схили місцевості збільшують поверхневий  стік і зменшують просочування атмосферних  опадів у ґрунт; пологі, навпаки, збільшують їхнє просочування. Рослинний покрив (ліс) збільшує випар вологи, що випала, і в той же час підсилює випадання опадів. Затримуючи поверхневий стік, він сприяє просочуванню вологи в ґрунт.

    Для багатьох територій земної кулі інфільтрація є основним способом утворення підземних  вод. Однак є й інший шлях їхнього  утворення - за рахунок конденсації  водяної пари у гірських породах. У теплу пору року пружність водяної пари в повітрі більше, ніж у ґрунтовому шарі й нижележащих гірських породах. Тому водяні пари атмосфери безупинно надходять у ґрунт і опускаються до шару постійних температур, розташованого на різних глибинах - від одного до декількох десятків метрів від поверхні землі. У цьому шарі рух парів повітря припиняється у зв'язку зі збільшенням пружності водяної пари при підвищенні температури в глибині Землі. Внаслідок цього виникає зустрічний потік водяної пари із глибини Землі нагору - до шару постійних температур. У поясі постійних температур у результаті зіткнення двох потоків водяної пари відбувається їхня конденсація з утворенням підземної води. Така конденсаційна вода має велике значення в пустелях, напівпустелях і сухих степах. У пекучі періоди року вона є єдиним джерелом вологи для рослинності. Таким же способом виникли основні запаси підземної води в гірських районах Західного Сибіру.

    Обидва  способи утворення підземних  вод - шляхом інфільтрації й за рахунок конденсації водяної пари атмосфери в породах - головні шляхи нагромадження підземних вод. Інфільтраційні й конденсаційні води називаються вандозними водами (від лат. "vadare" - іти, рухатися). Ці води утворяться з вологи атмосфери й беруть участь у загальному круговороті води в природі.

    Деякі дослідники відзначають ще один спосіб утворення підземних вод. Багато виходів цих вод у районах  сучасної або недавньої вулканічної  активності характеризуються підвищеною температурою й значною концентрацією  солей і летучих компонентів. Для пояснення генезису таких вод австрійський геолог Э. Зюсс в 1902 році висунув теорію ювенільного (від лат. "juvenilis" - незайманий). Такі води, як уважав Зюсс, утворилися з газоподібних продуктів, що удосталь виділяються при диференціації магматичного вогнища.

    Більш пізні дослідження показали, що чистих ювенільних вод, як їх розумів Э. Зюсс, у поверхневих частинах Землі  не існує. У природних умовах підземні води, що виникли різними способами, змішуються один з одним, здобуваючи ті або інші риси. Однак визначення генезису підземних вод має велике значення: воно полегшує підрахунок запасів, з'ясування режиму і їхня якість [20].

    Під час весняного повіддя й паводків рівень води в ріці, піднімаючись вище рівня річкового потоку, спрямованого до ріки, викликає відтік води з її й підйом рівня ґрунтових вод. Це знижує висоту рівня весняних повідь. На спаді ґрунтові води починають живити ріку, і рівень ґрунтових вод знижується.

    Ґрунтові  води можуть утворюватися за рахунок  штучних гідротехнічних споруд наприклад таких, як зрошувальні канали. Так, при будівництві Каракумської зрошувальної системи за рахунок перекидання частини стоку сибірських рік, у пустельну частину значна кількість води йшла не стільки на поливні потреби, скільки на випар і в ґрунт. Відбулося це внаслідок того, що більша частина зрошувальної системи проходила по піщаних ґрунтах, де коефіцієнт фільтрації досить високий, і незважаючи на протифільтраційні заходи, падіння рівнів води за рахунок фільтрації води в ґрунт було великим. Все це, крім зменшення стоку рік, приводило до того, що солі, що містяться в ґрунті, розчинялися ґрунтовими водами, і при русі підводних потоків назад у канал відбувалося замулення й засолення останнього.

    За  умовами залягання виділяють  три типи підземних вод: верховодку, ґрунтові й напірні, або артезіанські.

    Верховодкою називаються підземні води, що залягають  поблизу поверхні землі й відрізняються  мінливістю поширення й дебіту. Звичайно верховодка приурочена до лінз водотривких  або слабко проникних гірських порід, що перекриваються водопроникними товщами. Верховодка займає обмежені території, це явище - тимчасове, і відбувається воно в період достатнього зволоження; у посушливий час гола верховодка зникає. Верховодка приурочена до першого від поверхні землі водотривкому шару. У тих випадках, коли водотривкий шар залягає поблизу поверхні або виходить на поверхню, у дощові сезони розвивається заболочування.

    До  верховодки нерідко відносять ґрунтові води, або води ґрунтового шару. Ґрунтові води представлені майже зв'язаною водою. Краплинно-рідка вода в ґрунтах присутня тільки в період надлишкового зволоження.

    Ґрунтові  води. Ґрунтовими називаються води, що залягають на першому водотривкому обрії нижче верховодки. Звичайно вони приурочені до витриманого водонепроникного шару й характеризуються більш-менш постійним дебітом. Ґрунтові води можуть накопичуватися як у пухких пористих породах, так і у твердих тріщинуватих колекторах. Рівень ґрунтових вод являє собою нерівну поверхню, що повторює, як правило, нерівності рельєфу в згладженій формі: на височинах він нижче, у знижених місцях - вище. Ґрунтові води переміщаються убік зниження рельєфу.

    Рівень  ґрунтових вод піддається постійним  коливанням. Як відзначалося вище, на нього  впливають різні фактори: кількість  і якість опадів, що випадають, клімат, рельєф, наявність рослинного покриву, господарська діяльність людини й багато чого іншого.

    Ґрунтові  води, що накопичуються в алювіальних  відкладеннях - одне із джерел водопостачання. Вони використовуються як питна вода, для поливу. Виходи підземних вод на поверхню називаються джерелами, або ключами.

    Напірні, або артезіанські води. Напірними  називають такі води, які перебувають  у водоносному шарі, укладеному між  водотривкими шарами, і випробовують гідростатичний тиск, обумовлений різницею рівнів у місці живлення й виходу води на поверхню. Область живлення в артезіанських вод звичайно лежить вище області стоку води й вище виходу напірних вод на поверхню Землі. Якщо в центрі такої чаші, або мульди, закласти артезіанську свердловину, то вода з неї буде бити у вигляді фонтана за законом сполучених посудин.

    Розміри артезіанських басейнів бувають  досить значними - до сотень і навіть тисячі кілометрів. Області живлення таких басейнів найчастіше значно віддалені  від місць витягу води. Так, воду, що випала у вигляді опадів на території Німеччини й Польщі, одержують в артезіанських шпарах, пробурених у Москві; у деяких оазисах Сахари одержують воду, що випала у вигляді опадів над Європою [45].

    Артезіанські  води характеризуються сталістю дебіту й гарною якістю, що важливо для її практичного використання.

    Підземні  води служать надійним джерелом живлення рік. Вони діють цілий рік і  забезпечують живлення рік у зимову й літню межень (або при низьких  рівнях стояння обрію води), коли поверхневий стік відсутній.

    При сильно вповільнених швидкостях руху ґрунтових вод, у порівнянні з  поверхневими, підземні води в річковому  стоці виступають як регулюючий фактор.

    Також, при сильно вповільнених або невеликих  швидкостях руху ґрунтових вод, на ріках  Крайньої Півночі при низьких температурах повітря, спостерігається перемерзання (повне або часткове) ріки, і тоді вода заходить із підпірної частини тої водойми, у яку впадає ріка (це може бути головна ріка, море, озеро й т.п.).

    Розрахунки  підземного стоку звичайно узагальнюються у вигляді карт підземного живлення, коефіцієнтів і модулів підземного стоку, що відбивають природні ресурси різних видів підземних вод, розвинених у межах малих і середніх річкових басейнів і їхніх окремих районів і ділянок.

    У зоні аерації, тобто в товщі порід, розташованої між денною поверхнею й дзеркалом ґрунтових вод, перебувають:

    а) водяна пара, що заповнює пори породи;

    б) гігроскопічна волога, що обумовлює  гігроскопічну вологість порід;

    в) плівкова вода, що обволікає зерна  порід у вигляді плівок різної товщини;

    г) капілярна вода, що розташовується у вигляді капілярної облямівки  над дзеркалом ґрунтових вод [36].

    Рух підземних вод у зоні аерації  може відбуватися у вигляді пересування  пари, у вигляді плівкового руху, вільного просочування й капілярного руху.

    Рух пароподібної й гігроскопічної вологи. А. Ф. Лебедєвим було експериментально доведено, що волога в пароподібному  стані пересувається від ділянки  з більшою пружністю водяної  пари до ділянки з меншою його пружністю. Пружність же залежить від температури й вологості порід. Таким чином, якщо між різними ділянками гірських порід з'являється різниця в температурі або вологості, виникає рух водяної пари. При однаковій температурі рух спрямований від більше вологих часток до менш вологих; при однаковій вологості - від більш до менш нагрітих. Тому влітку пароподібна волога рухається зверху донизу, а взимку - знизу нагору [39].

    Рух води у вигляді просочування. Просочування в породах може відбуватися у  вигляді окремих струмків і у  вигляді суцільної маси води. У першому випадку окремі струмки води рухаються самостійно, розрізнено. Спочатку відбувається змочування часток ґрунту, після чого під дією сил ваги надлишкова вода у вигляді гравітаційної просочується вниз.