??????????? ???????-????????? ????????

??????????? ???????

Дмитренко Тетяна Володимирівна

УДК 504.06:(628.196:628.112)

ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ ВИКОРИСТАННЯ ДЖЕРЕЛЬНИХ ВОД

(НА ПРИКЛАДІ ХАРКІВСЬКОГО РЕГІОНУ)

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській національній академії міського господарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Стольберг Фелікс Володимирович,

Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри інженерної екології міст

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Душкін Станіслав Станіславович,

Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення та очищення вод

кандидат технічних наук, доцент

Любавіна Олена Олександрівна,

Харківський державний університет харчування та торгівлі, доцент кафедри охорони праці та екології харчових виробництв

Провідна установа : | Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра міського будівництва та господарства, Міністерство освіти і науки України,

м. Макіївка

Захист відбудеться “ 14 ” січня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6).

Автореферат розісланий “ 13 ” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

Жуковський Т.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення населення якісною питною водою – одне з найважливіших державних завдань. Слід відзначити, що на практиці з цього питання за останні 10 – 20 років на території країн СНД, зокрема, в Україні, Російській Федерації та інших країнах, склалося вельми критичне становище, близьке до екологічної кризи. Якість питної води для населення України не завжди відповідає необхідним санітарно-гігієнічним вимогам і продовжує з кожним роком погіршуватися. Протягом останніх років кількість щорічно зареєстрованих спалахів кишкових інфекцій в Україні зросла втричі. За даними академіка В.В. Гончарука, в Україні більшість населення користується водою, якість якої не відповідає діючим нормативам.

Погіршення якості води в системах централізованого водопостачання привело до пошуку додаткових джерел постачання населення питною водою. За останні п’ятнадцять років у великих містах України (Києві, Харкові, Одесі та ін.) введено в експлуатацію артезіанські свердловини, що забезпечують населення водою більш високої якості. При цьому вода забирається з підземних горизонтів, захищених від антропогенної дії шарами водонепроникних порід. Зокрема, в Харкові організовано постачання населення водою з артезіанських свердловин глибиною 700 м. Наявність додаткового джерела водопостачання дозволяє забезпечити надійність водопостачання, особливо у разі виникнення екстраординарних ситуацій, пов'язаних з можливими техногенними катастрофами, небезпекою терористичних актів та іншими форс-мажорними обставинами.

До додаткових джерел питної води слід віднести і джерельну воду, якою користується населення міст протягом багатьох десятиріч і навіть сторіч.

Зважаючи на сказане, актуальними і невідкладними є питання, пов'язані з науковим обґрунтуванням можливості забезпечення екологічно безпечного ви-користання населенням джерельних вод урбанізованих територій для питних цілей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до державної програми “Моніторинг геологічного середовища територій Сумської, Полтавської, Харківської облас-тей” (№ У01-30/17 держреєстрації, 2001-2006 рр.) та регіональних програм: “Джерела м. Харкова” (затверджена Науковою радою Північно-східного наукового центру Національної академії наук України, м. Харків,  р.); “Комплексна програма поліпшення санітарно-епідеміологічного стану м. Харкова” (затверджена рішенням 24-ї сесії Харківської міської ради, 2000 р.); “Підготовка пакету документів щодо прийняття до комунальної власності територіальної громади міста джерел, які не мають балансового відображення” (затверджена рішенням 18-ї сесії Харківської міської ради, 2003 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування можливості забезпечення екологічно безпечного використання населенням джерельних вод урбанізованих територій для питних цілей.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі: розробити методику моніторингу якості джерельних вод, що формуються на урбанізованій території і використовуються для питних цілей; гідрохімічно та екологічно обґрунтувати виділення трьох природно-техногенних поверхів підземної гідросфери урбанізованої території, в основу якого покладено урахування як природних умов, так і техногенних чинників; розробити метод розрахунку і обґрунтування розмірів зон санітарної охорони (ЗСО) підземних джерел; розробити науково-технічні рішення для захисту джерел від бактеріального забруднення, а також методи очистки та знезаражування води; розробити концептуальний підхід до вирішення питань екологічно безпечного використання джерельних вод.

Об'єкт дослідження – деградація якості води підземних джерел урбанізованих територій.

Предмет дослідження – формування якості води джерел і підвищення екологічної безпеки їх використання для питних цілей.

Методи дослідження. Для оцінки якості джерельних вод використовували хімічні, бактеріологічні та фізико-хімічні методи досліджень.

Хімічний склад води визначали спектральним методом з використанням рентгено-флуоресцентного аналізатора “Спарк” і стандартними методами хімічного аналізу якості питних вод.

Розрахунок зон санітарної охорони джерел виконували з використанням балансової моделі, що базується на визначенні площі живлення, виходячи із дебітів джерел.

Наукова новизна отриманих результатів: –

розроблено методику моніторингу якості води підземних джерел, що дозволило обґрунтовано проводити систематичні спостереження за станом джерел та отримувати інформацію про відповідність якості води питним нормативам (на прикладі Харківського регіону);–

гідрохімічно та екологічно обґрунтовано виділення трьох природно-техногенних поверхів підземної гідросфери урбанізованої території, в основу якого покладено урахування як природних умов, так і техногенних чинників;–

розроблено метод розрахунку і обґрунтування розмірів зон санітарної охорони джерел з використанням балансової моделі, ?? ??? ?????????? ?????????????? ??????????? ?????? ? ??????? ? ??????? ? ????? ???????? ??????; –

запропоновано концептуальний підхід до вирішення питань екологічно безпечного використання джерельних вод, що базується на врахуванні екологічних аспектів, структури міської забудови, що склалася, прогнозу міграції техногенних забруднень, екстремальних обставин та ін. Це дозволило виробити комплекс науково-технічних і організаційних рішень, спрямованих на забезпечення екологічно безпечного використання джерельних вод.

Практичне значення отриманих результатів. Основні результати досліджень використані Державним управлінням екології і природних ресурсів у Харківській області при розробці програми впорядкування підземних джерел Харківського регіону для створення сприятливого гідрогеологічного режиму та запобігання забрудненню підземних вод.

Реалізовано рекомендації з ліквідації причин забруднення Пантелеймо-нівського і Шатилівського джерел м. Харкова.

Розроблено та запропоновано до впровадження практичні пропозиції щодо очистки та знезаражування джерельних вод з метою їх питного вико-ристання на основі ранжування джерел за ступенем придатності води для питних цілей (на прикладі харківських джерел). Основні результати досліджень впроваджено ВАТ “Харківспецбуд” при благоустрої джерел м. Харкова.

Запропоновано до впровадження удосконалену конструкцію каптажу джерел з використанням променевих дрен для захисту джерельних вод від бактеріального забруднення.

Розраховано зони санітарної охорони 25 джерел м. Харкова, розроблені вимоги і обмеження господарської діяльності на територіях, що входять до ЗСО.

На підставі результатів дисертаційного дослідження розроблено і впроваджено в центральній лабораторії санітарно-епідеміологічного контролю якості вод ТВО “Харківкомунпромвод” схему екологічного моніторингу якості води джерел м. Харкова.

Особистий внесок здобувача полягає у проведенні наукових і експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, формулю-ванні основних положень і висновків, а також апробації результатів роботи в умовах Харківського регіону. Запропоновано удосконалену методику моніто-рингу якості води джерел, що включає інформаційне забезпечення населення про якість питної води. Обґрунтовано кількісні і якісні показники природно-техногенних поверхів підземної гідросфери урбанізованої території. Розроблено метод розрахунку і обґрунтування розмірів зон санітарної охорони джерел з використанням балансової моделі. Розроблено загальні рекомендації щодо екологічно безпечного використання джерельних вод у містах України. Проведено натурні обстеження джерельних зон, складено карту всіх джерел Харкова, оцінені сумарні експлуатаційні запаси цих джерел.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і головні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на науково-технічній конференції "Основнi напрями забезпечення безпеки населення та стiйкостi функцiонування господарства України при загрозі виникнення природних і техногенних катастроф" (Київ, 1996 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Water Management – Monitoring of Water Quality" (Уппсала, Швеція, 1998 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Нагальнi проблеми лiквiдацiї пiдтоплення ґрунтовими водами територiй мiст i селищ мiського типу" (Харків, 1998 р.); відкритій лекції в Політехнічному університеті Вааса (Вааса, Фінляндія, 2001 р.); засіданні Регіонального екологічного центру Західної Фінляндії (Вааса, Фінляндія, 2001 р.); XXXI науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників ХДАМГ (Харків, 2002 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Вода, экология, общество" (Харків, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 13 наукових робіт, з яких 10 статей – у виданнях, регламентованих ВАК України. Чотири роботи опубліковано без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 160 найменувань на 15 сторінках, 6 додатків на 75 сторінках. Повний її обсяг – 227 сторінок, з них основний текст – 119 сторінок. Робота містить 17 таблиць, 19 рисунків (з них 6 таблиць та 12 рисунків на 18 окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету, об’єкт, предмет і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок автора.

Перший розділ присвячено аналізу стану питання використання і дослідження джерельних вод. Виявлено, що джерельні води займають важливе місце в сучасній структурі питного водопостачання населення міст різних країн. Джерела можуть бути також додатковою складовою питного водопостачання в періоди надзвичайних ситуацій – техногенних аварій і природних катастроф.

У розвинутих європейських країнах (Австрії, Німеччині, Швейцарії, Франції) використовується вода підземних джерел, зони живлення яких знаходяться далеко за межами міст або в горах, надійно захищені від техногенної дії та постійно знаходяться під ретельним санітарним контролем. В Україні, включаючи м. Харків, джерела з далекого минулого також використовуються населенням для питних і господарсько-побутових цілей. Проте в недостатній мірі організовано санітарно-бактеріологічний контроль якості цих джерельних вод, не здійснено їх комплексне дослідження, яке повинне включати всебічне вивчення зон живлення (в першу чергу, їх екологічну захищеність), динаміку зміни екологічної і техногенної обстановки в містах та інших населених пунктах, наявність зон санітарної охорони, упорядкування і захищеність каптажів. Висловлене вище свідчить про своєчасність і актуальність питань, які пов'язані з проведенням досліджень, спрямованих на комплексне вивчення стану підземних джерел і визначення перспектив використання джерельних вод для питних цілей. Ці дослідження повинні також включати розробку науково-технічних рішень, які спрямовані на підвищення екологічної надійності використання джерельних вод. Особливу актуальність це питання набуває у зв'язку з прогресуючим техногенним забрудненням навколишнього середовища.

Вивченням джерел до цього часу займалися в багатьох наукових, проектних, виробничих і контролюючих організаціях країн СНД, зокрема, в інституті НДІ ВОДГЕО (м. Москва), Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, Харківській геологічній партії КП “Південукргеологія”, інституті "УкрНДІІНТВ", ТВО "Харківкомунпромвод", Харківських обласній, міській і районних санітарно-епідеміологічних станціях та ін. Над вирішенням цих питань працювали відомі вчені, фахівці й інженери О.С. Федоровський, Г.М. Захарченко, В.В. Гончарук, Ф.В. Стольберг, В.В. Яковлєв, С.С. Душкін та інші. Разом з тим слід зазначити, що джерела, які використовуються населенням вже протягом декількох сторіч, до цього часу вивчені недостатньо. Вирішення цих завдань можливо тільки на основі системного підходу.

На підставі аналізу стану даної проблеми, вивчення і оцінки літературних джерел і матеріалів проектних та науково-дослідних організацій, а також водогосподарської і сучасної екологічної ситуації в населених пунктах України, зокрема, в м. Харкові, сформульовано мету і задачі дисертаційного дослідження.

У другому розділі викладено методологічні принципи проведених досліджень, розробки нових підходів до природно-техногенної стратифікації підземної гідросфери урбанізованої території, а також розрахунків зон санітарної охорони підземних джерел.

Виконано інвентаризацію всіх існуючих у межах м. Харкова джерел, кількість яких 25, здійснено їх комплексне обстеження, що включає дослідження хімічного складу, фізико-хімічних властивостей, бактеріальної забрудненості, а також дебіту води в різні періоди року.

На підставі проведених досліджень, а також аналізу великого фактичного матеріалу і літературних даних гідрохімічно та екологічно обґрунтовано виділення трьох природно-техногенних поверхів підземної гідросфери урбанізованої території, в основу якого покладено урахування як природних умов, так і техногенних чинників.

Для першого поверху, де розташовуються підземні частини більшості будівель і споруд промислових і цивільних об'єктів, насипні ґрунти, інженерні мережі комунікацій, каптажні пристрої горизонтальних дренажів, притаманне істотне забруднення ґрунтів і підземних вод зони неповного насичення – зони аерації, а також ґрунтових вод. На ділянках з близьким заляганням ґрунтових вод захисна роль зони аерації зменшується. Має місце техногенне забруднення води органічними, особливо азотовмісними речовинами, нафтопродуктами, фенолами. Тут також наявний широкий спектр неорганічних забруднень, представлених хлоридами, сульфатами, іонами важких металів та ін. Для водного середовища першого поверху характерні окислювальні умови.

На другому поверсі здійснюються будівництво і експлуатація підземних транспортних тунелів, каналізаційних колекторів глибокого закладення, фільтрів свердловин вертикального і променевого дренажів. У районах будівель великої поверховості цих глибин досягають пальові фундаменти. На глибинах, відповідних другому поверху, спостерігається розкладання органічних сполук, накопичення сірководню, розчинення у відновному середовищі і міграція іонів заліза і марганцю, розчинення карбонатів і підвищення жорсткості води.

На третьому поверсі проводяться головним чином експлуатаційний водовідбір і прокладка тунелів глибокого закладення. Як і для другого поверху, але в менших масштабах, тут характерна міграція заліза і марганцю, накопичення сірководню, підвищення жорсткості води. Значно зменшується концентрація нітратів у воді.

Кількісним критерієм, що характеризує можливе забруднення підземних вод в умовах міста, є час руху техногенних вод від поверхні землі до покрівлі експлуатаційного водоносного горизонту через товщу перекриваючих порід tр, діб.

Для оціночного визначення величини tр запропоновано використання залежностей (1) – (3), які згідно з літературними даними застосовуються при розрахунку розмірів зон санітарної охорони свердловинних водозаборів підземних вод. При цьому в процесі виконання дисертаційного дослідження визначено величини необхідних параметрів і коефіцієнтів, які знаходяться у залежностях, що пропонуються:

а) при малій інтенсивності інфільтрації забруднених вод e, м/добу (e < k0, k0 – коефіцієнт фільтрації порід зони аерації, м/добу), тобто за умови інфільтрації з неповним насиченням пір водою, що характерно для першого поверху

; | (1)

б) при двошаровій і багатошаровій будові пласта, що характерно для другого і третього поверхів,

, | (2)

де n0 – пористість порід над експлуатаційним горизонтом (у разі “а” - це породи зони аерації, у разі “б” - породи верхнього слабкопроникного шару);

m0 – потужність порід над експлуатаційним горизонтом, м;

DH – різниця рівнів води експлуатаційного і ґрунтового водоносних горизонтів, м.

У формулі (2) потужність порід над експлуатаційним горизонтом m0 фігурує в другому ступені і тому найбільш істотно впливає на час проникнення розчинених забруднюючих речовин у водоносні горизонти і визначає ступінь їх природної захищеності.

При розрахунку часу низхідного руху техногенних вод необхідно врахо-вувати додатковий час заповнення ємностей водоносних горизонтів tзап,, діб, що визначається за формулою

, | (3)

де n1 – пористість порід верхнього слабкопроникного шару;

m1 – потужність порід верхнього слабкопроникного шару, м.

Наведені вище залежності (1) – (3) відносяться тільки для тих ділянок урбанізованих територій, де відсутнє підтоплення і техногенні забруднення мінімальні. Локальне техногенне живлення, наявність штучних каналів проникнення можуть порушувати описані вище закономірності.

Для забезпечення необхідних санітарних умов і запобігання подальшій деградації якісного складу джерельних вод обґрунтована необхідність виділення для них зон санітарної охорони подібно до того, як це передбачено для свердловинних водозаборів підземних вод, призначених для централізова-ного питного водопостачання.

Розміри першого поясу ЗСО рекомендується приймати як для джерела води, що каптує незахищені підземні води, оскільки в місці виходу на поверхню джерельні води практично стають ґрунтовими.

Другий пояс ЗСО пропонується визначати, виходячи із швидкості руху води в колекторі – обухівських пісковиках і алевролітах. При цьому стосовно руху підземних вод використані відомі рівняння Дарсі і Дюпюі для визначення довжини шляху часток води l, яка прямо пропорційна коефіцієнту фільтрації водоносного горизонту К, гідравлічному ухилу i, часу фільтрації tф і обернено пропорційна величині ефективної пористості утримуючих воду порід n:

. | (4)

Протяжність зон формування джерел і напрям руху підземних вод до місць виходу джерел запропоновано визначати графічно. На топографічній схемі масштабів 1:5000 і 1:10000 для кожного джерела проводиться осьова лінія течії підземних вод – вхрест осьовій лінії вододілу підземних вод і лінії дрени від точки виходу джерела до лінії вододілу. Довжина осі а відповідає протяж-ності області формування джерела вгору за потоком (рис. 1). Оскільки поперед-ня оцінка показує, що час руху підземних вод від вододілу до точки їх виходу в джерелі явно менше розрахункового часу для третього поясу ЗСО (10000 діб), то відстань до вододілу приймається як довжина третього поясу ЗСО.

Для розрахунку ширини області захвату приймається, що площа формування джерела S визначається добутком обчисленої вище довжини а на шукану ширину потоку b:

. | (5)

Рис. 1. Схема для розрахунку меж поясів зони санітарної охорони джерела: 1 – джерело; 2 вісь руху потоку підземних вод до джерела – протяжність зони формування – а, м (довжина третього поясу ЗСО); 3 – вододільна лінія; 4 – крайні положення осьової лінії руху підземних вод з урахуванням можливої невизначеності напряму руху підземного потоку; 5 – розрахункова довжина (протяжність) другого поясу ЗСО l, м; 6 – рекомендована верхня межа другого поясу ЗСО; 7 – рекомендована межа першого поясу ЗСО; 8 –– половина розрахункової ширини зони формування джерельного стоку b/2, м;

9 – рекомендована бокова межа третього поясу (області живлення)

Площа області живлення джерела також може бути визначена, виходячи з величин інфільтраційного живлення w, м/рік і дебіту джерела Q, м3/рік:

. | (6)

При цьому величина інфільтраційного живлення w вміщує природну wе і техногенну wt складові:

. | (7)

Природне живлення може бути визначено як модуль підземного стоку річки, в басейні якої розташовується джерело, за результатами багаторічних спостережень за витратою річок в зимову межень.

Величину техногенного живлення підземних вод для селітебних територій і промислових об'єктів пропонується встановлювати гідрогеологіч-ними дослідженнями. Для урбанізованих територій ця величина може бути порівняна з величиною природної інфільтрації з атмосферних опадів.

Таким чином, з формул (5) – (7) ширину зони живлення (що дорівнює ширині третього поясу ЗСО) запропоновано визначати за балансовою моделлю:

. | (8)

У зв'язку з невизначеністю напряму руху підземного потоку контури другого і третього поясів рекомендується визначати з урахуванням можливого відхилення ліній течії від ідеальної осьової лінії. При сучасному рівні вивченості підземних вод міст цей кут може бути заданий величиною (+ 10 0). Практично, при наявності достатнього матеріалу, лінії течії знімаються з карти ізогіпс живлячого водоносного горизонту.

????????????? ???????? ??????????? ?????? ?????????? ???, ?? ?????????? ?? ????????????? ????????? ? ???????????????? ?????????? ??? ?????? ?????. ?? ???????? ?????????? ??? ???????? ?????? ???????????? ??????? ? ???? ???? ??????????? ??? ????? ??????????? ????????? ???????. Основні її положення включають: –

розробку органами санітарно-епідеміологічної служби міста системи поточного контролю за органолептичними, хімічними, мікробіологічними і радіологічними показниками джерельних вод; –

проведення спостережень за дебітом джерел Q і температурою води Т0С) на зливі, що служать інтегральними показниками наявності та ступеня техногенного впливу;

– рекомендації щодо частоти відбору проб для хімічного, мікробіологіч-ного і радіологічного аналізів води;

– проведення регулярного опитування мешканців міста про якість споживаної джерельної води;

– інформування населення про якість води і проведення санітарно-освітньої роботи з питань гігієни водоспоживання шляхом наочної агітації, а також через засоби масової інформації.

У третьому розділі наведено результати досліджень кількісних і якісних показників води джерел Харківського регіону.

Проведено систематичні натурні дослідження долин річок м. Харкова з метою виявлення всіх наявних джерел і оцінки їх сучасного стану та відвідува-ності, а також придатності для практичного використання населенням міста.

У результаті спеціальних спостережень встановлено, що джерела м. Хар-кова відвідують 14,3 тис. чол./добу, або 5,2 млн. відвідувань за рік, що свідчить про високу їх популярність серед мешканців міста.

Результати розрахунку, проведеного за формулами (1) – (3), показали, що час проникнення атмосферних і техногенних вод з поверхні землі у виділені поверхи для території м. Харкова складає: для 1-го, 2-го і 3-го поверхів – відповідно 3 – 8 місяців, 5 – 20 років, більше 5 – 20 років. Встановлено, що джерела міста відносяться до обухівського водоносного горизонту, запаси підземних вод якого формуються в основному в межах другого природно-техногенного поверху. Значний час проникнення атмосферних і техногенних вод з поверхні землі у другий поверх, наявність глинистих порід з великими іонно-обмінними і сорбційними властивостями, а також діяльність денітрифі-куючих і сульфатредукуючих бактерій сприяють самоочищенню підземних вод цього поверху, тому їх якість значно краще якості ґрунтових вод.

Практично залежності (1) – (3) можна застосовувати для тих ділянок м. Харкова, де відсутні підтоплення і порушення цілісності підземних шарів.

Розглянуто якість джерельних вод для питних цілей.

Дані, отримані автором спільно з лабораторією Харківської геологічної партії КП “Південукргеологія” і центральною лабораторією санітарно-епідеміологічного контролю якості вод ТВО “Харківкомунпромвод”, свідчать про невисоку якість води джерел Харківського регіону. Для окремих джерел перевищення нормативів наявне за такими компонентами хімічного складу, як нітрати – у 2 – 4 рази, жорсткість – у 2 рази, сульфати – у 1,5 раза та ін.

При проведенні роботи автор керувався найбільш жорстким варіантом забрудненості води. Це дозволило розробити і запропонувати надійні рішення, що гарантують екологічно безпечні умови використання джерельних вод для питних цілей.

Виявлено техногенні зміни джерельних вод індустріального Харкова по відношенню до фонового стану джерельних вод на заміських територіях, що виражається у зростанні мінералізації води, її жорсткості, вмісті нітратів, сульфатів, іонів деяких важких металів та ін. (табл. 1).

Таблиця 1

Порівняльна характеристика деяких показників хімічного складу

джерельних вод Харківського регіону

Показники якості

Води | ГОСТ

2874-82

“Вода питьевая” | Джерела

фонові 1

(заміські) | незначно забруднені | істотно забруднені

Сухий залишок, мг/ дм3 | 1000 | 466 – 710 | 480 – 790 | 652 – 1283 2

Жорсткість загальна,

мг-екв/ дм3 | не більше 7 | до 7,38 | до 8,8 | 4,0 - 13,8 | Перманганатна окислюваність, мг О/дм3 | (4,0) 3 | до 2,6 | до 2,9 | 1,04 – 4,50

Cl-, мг/ дм3 | 350 (250) | 19,1 - 28,3 | 31 – 154 | 56 – 140

SO42-, мг/ дм3 | 500 (250) | 63,4 - 78,6 | 98 – 215 | 118 – 376

HCO3-, мг/ дм3 | - | до 415 | до 470 | 250 – 452

Na+, мг/ дм3 | (200) | 27 – 75 | 61 – 160 | 138 – 270

NO3-, мг/ дм3 | 45,0 | 0,17 - 2,38 | 0,5 – 52,0 | 13,6 – 196,0

NO2-, мг/ дм3 | (3,3) | 0 – 0,01 | 0 - 0,3 | 0,01 – 1,2

F-, мг/ дм3 | 1,5 | 0,28 - 0,67 | 0,15 - 0,9 | 0,18 – 1,03

PO43-, мг/ дм3 | 3,5 | 0,09 - 1,28 | 0,12 - 1,2 | 0,07 – 1,0

Zn2+, мг/ дм3 | 1,0 | 0 – 0,073 | 0,002 – 0,165 | 0,001 – 0,23

SiO2, мг/ дм3 | - | до 39,0 | до 58,36 | 4,0 – 73,9

Примітки:

1. Джерела в селищах Подвірки, Солоницівка, Великі Проходи, Лозовеньки, джерело Бурчак.

2. Жирним шрифтом виділено значення концентрацій, що перевищують гранично-допус-тимі.

3. У дужках вказано нормативи ДержСанПіН 96 або СанПиН 88.

Дані про невідповідність води популярних у мешканців м. Харкова джерел питним нормативам щодо хімічного складу наведено в табл. 2.

За бактеріологічними показниками води (колі-індекс і загальне мікробне число) джерела міста розділені на благополучні, в яких всі 100% проаналізова- них проб упродовж року не забруднені, епізодично забруднені – одиничні

Таблиця 2

Зведена таблиця показників хімічного складу джерельних вод,

пріоритетність їх використання

Найменування джерела

і його місцеположення | Показники, за якими спостерігається постійна невідповідність нормативам (>50 % проб) | Показники, за якими спостерігається періодична невідповідність нормативам

(<50% проб) | Ранжування джерел за якістю води та складністю очистки

Петренковський | Br, SO4 | NO3 | 1

Павленки | жорсткість (10,2) 1 | Br, NO3 | 1

Північносалтівсь- кий–1 | SO4, Br

жорсткість (9,0) | - | 2

Шатилівський | жорсткість (8,77) | Br | 2

Олексіївський–1 | жорсткість (7,6) | Li, Br | 2

ГБК "Ювілейний" | жорсткість (7,7), Br | - | 2

Пантелеймонів-ський | жорсткість (13,5), SO4, NO3 | сухий залишок, Pb, Br | 2

Салтівський–2 | SO4, жорсткість (11,52), NO3 | - | 2

Салтівський–1 | Pb, SO4, Br, Na, сухий залишок, жорсткість (8,71) | - | 2

Немишлянсь-

кий–1 | SO4, жорсткість (13,37) | сухий залишок, Br, NO3 | 2

Новозахідний–1 | NO3, SO4, жорсткість (10,24) | Br, Na | 2

Тюринський | Mn, жорсткість (12,35), SO4, сухий залишок | Br, NO2 | 3

Олексіївський–2 | Mn, жорсткість (9,2) | NO2, Br | 3

ГБК "Гігант" | SO4, жорсткість (8,3) | As, Pb, Br | 3

Парк "Юність" | жорсткість (11,6), NO3 | Mn, Br, Pb, перманганатна окислюваність | 3

Журавлівський | Na, NO3 | Br | 4

Мотель “Дружба” | NO3, жорсткість (13,6), SO4 | - | 4

Новозахідний-2 | NO3, Na, SO4, Br, Cd,

жорсткість (10,24) | сухий залишок | 4

Примітка:

1. У дужках вказано максимальне значення жорсткості, мг-екв/дм3.

проби нестандартні, періодично забруднювані – менше половини проб нестандартні й систематично забруднені – більше половини проб води впродовж року забруднені.

Згідно з багаторічними спостереженнями за дебітом джерел м. Харкова попередньо оцінені їх сумарні експлуатаційні запаси, які дорівнюють 7,0 тис. м3/добу, що майже в три рази перевищує біологічну потребу у воді мешканців міста (2,45 тис. м3/добу). Таким чином, з урахуванням розосередженості по території міста вони являють собою додаткову надійну складову питного водопостачання м.Харкова за умов відповідної очистки та знезаражування.

Четвертий розділ присвячено розрахункам розмірів поясів зон санітарної охорони для всіх джерел м. Харкова, а також розробці екологічно удосконаленої конструкції каптажу джерел.

Виконано розрахунок поясів ЗСО 25 джерел м. Харкова, розроблено ви-моги і обмеження господарської діяльності на територіях, що входять до ЗСО.

Межа першого поясу ЗСО встановлена в радіусі 50 м від джерела, проте, враховуючи реальний напрямок потоку і необхідність доступу до джерела для забору води, перший пояс рекомендується виділяти у вигляді половини круга вказаного вище радіуса в бік області живлення підземних вод.

Розрахункова протяжність другого поясу ЗСО для джерел м. Харкова складає 133 - 500 м, а ширина прийнята рівною ширині третього поясу ЗСО.

Протяжність третього поясу (зона живлення) визначається віддаленістю джерела від вододілу і для харківських джерел складає 625 – 2750 м, а його ширина – 12 – 467 м. Площа третього поясу залежно від дебіту джерела і величини інфільтраційного живлення коливається від 17500 до 841000 м2.

Рекомендовані розміри других і третіх поясів ЗСО визначені із запасом, що дасть змогу з більшою мірою впевненості попередити забруднення джерельних вод з поверхні у разі здійснення заходів із санації цих територій.

Слід підкреслити, що в зонах живлення джерел, розташованих у межах м. Харкова, забруднення першого міжшарового горизонту вже відбувалося протягом багатьох десятиріч. Тому рекомендовані треті пояси ЗСО мають сенс для випадку можливого нового надходження токсичних речовин у її межах.

Розроблено конструкцію каптажу джерел, що дозволяє істотно скоротити або повністю запобігти бактеріальному забрудненню джерельних вод. Для цього запропоновано використання горизонтальних променевих дрен, що запо-бігає попаданню забруднюючих речовин в кінцевостокових елементах підзем-ного потоку і поліпшує таким чином показники санітарного стану води (рис. 2).

Перевагою такої конструкції каптажу є можливість забору води із зони, яка не забруднена бактеріально, і відмови від пристроїв для знезаражування води.

Вказані переваги роблять запропоновану конструкцію каптажу перспективною для її застосування в умовах міста.

На прикладі двох відомих джерел міста (Немишлянського і Пантелеймонівського) встановлено, що каптаж і розчищення зон живлення джерел покращують якісні показники води.

П'ятий розділ присвячено розробці рекомендацій щодо очистки та знезаражування джерельних вод з метою їх питного використання, а також розробці концептуального підходу до вирішення питань екологічно безпечного використання джерельних вод. У цьому ж розділі на підставі проведених

Рис. 2. Удосконалена конструкція каптажу з використанням горизонтальних променевих дрен: 1 – підпірна стінка (бетон або кам'яна кладка); 2 – променева дрена (металева труба з перфорацією на кінці); 3 – вивідна труба; 4 – грати зливового стоку; 5 – відвідна труба (металева або пластмасова); 6 – дренаж некондиційних вод (металева труба з краном); 7 – асфальтована доріжка

досліджень для Харківського регіону розроблені загальні рекомендації щодо використання джерельних вод у різних містах України, а також здійснена оцінка економічної ефективності заходів інженерного захисту, благоустрою джерел, очистки та знезаражування джерельних вод.

За результатами досліджень і з урахуванням передового вітчизняного і зарубіжного досвіду запропоновано методи кондиціювання, що включають очистку та знезаражування джерельних вод. Враховуючи специфічні особли-вості цієї категорії природних вод, запропоновано такі методи кондиціювання: –

від органічних речовин – сорбційним методом на активному вугіллі;–

від солей жорсткості – шляхом реагентного або іонообмінного зм'як-шення (часткове зм'якшення води);

– від сполук азоту – сорбцією на селективних іонообмінниках;

– знезаражування здійснювати ультрафіолетовим опроміненням.

На підставі даних про хімічний і бактеріологічний склад джерельних вод, можливості їх кондиціювання, а також з урахуванням техногенної і екологічної ситуації в зоні живлення джерела проведено ранжування міських джерел за якістю води та складністю очистки, виконанням заходів з каптажу, водопідготовки і санації в зонах санітарної охорони.

Запропоновано концептуальний підхід до вирішення питань екологічно безпечного використання джерельних вод, який базується на урахуванні еколо-гічних аспектів, структури міської забудови, що склалася, прогнозу міграції техногенних забруднень, екстремальних обставин і полягає в наступному:

1. На цей час якість води джерел м. Харкова не гарантує екологічно безпечного її використання для питних цілей. Ранжування джерел залежно від якості води показало, що найбільше відповідає питним нормативам вода Шатилівського джерела, але і тут мають місце відхилення від нормативів за деякими показниками.

2. Для забезпечення екологічно безпечного використання води джерел в сучасних умовах мегаполісів (наприклад, м. Харкова) необхідно виконати комплекс природоохоронних (екологічних), реконструктивних і науково-організаційних заходів:

– контролювати якість води і виділити ЗСО як для джерел централізова-ного господарсько-питного водопостачання; –

здійснити комплекс заходів щодо гарантованого захисту зон живлення джерел. До виконання цих заходів впровадити режим обмеження використання ???? джерел, що розташовані в межах міста і не мають гарантованого захисту зон живлення від техногенного забруднення. У м. Харкові сказане в першу чергу відноситься до Шатилівського джерела;

– розробити інженерні заходи щодо захисту джерельних вод від бактеріального забруднення в місцях виходу джерел, наприклад, удосконалити пристрої каптажів джерел шляхом використання горизонтальних променевих дрен, що дозволяє істотно скоротити або повністю запобігти бактеріальному забрудненню джерельних вод; –

розробити проекти і здійснити будівництво установок очистки та знеза-ражування води джерел перед використанням для питних цілей. Проекти повинні передбачати очистку джерельних вод від надлишку солей, органічних забруднень, нафтопродуктів, сполук групи азоту та інших екологічно небез-печних інгредієнтів, а також знезаражування ультрафіолетовим опроміненням. До реалізації вказаних заходів використовувати воду джерел для питних цілей необхідно в обмеженому обсязі при строгому санітарному контролі.

3. Здійснення вищевказаних заходів дозволить забезпечити екологічно безпечне використання джерельних вод урбанізованих територій для питних цілей.

Запропонована концепція дозволяє вважати джерела, що досліджуються, одним з резервів водопостачання міст (разом з артезіанським) як у звичайні періоди експлуатації, так і особливо в разі екстремальних ситуацій.

На основі виконаної дисертаційної роботи розроблено загальні рекомендації щодо екологічно безпечного використання джерельних вод у містах України.

Виконано оцінку економічної ефективності заходів інженерного захисту, благоустрою джерел, очистки та знезаражування джерельних вод на прикладі м. Харкова. Оцінка ефективності використання інвестицій, що складають 2,23 млн. грн., свідчить про доцільність реалізації найбільш імовірного сценарію, а за сприятливих умов – оптимістичного. При цьому при виконанні імовірного прогнозу проект окупиться за 4,9 роки, а при здійсненні оптимістич-ного прогнозу за 3,3 роки. Крім цього, треба врахувати соціальний ефект від здійснення проекту.

Отримані результати досліджень джерел Харківського регіону мають високий ступінь узагальнення і можуть бути застосовані для інших міст країни, де існують виходи підземних вод на земну поверхню у вигляді джерел.

ВИСНОВКИ

1. Забезпечення населення якісною питною водою - одне з найважливі-ших державних завдань. Проте на практиці з цього питання за останні

10 20 років в Україні та інших країнах СНД склалося вельми критичне становище, близьке до екологічної кризи. У даній роботі вивчені екологічні аспекти формування джерельного стоку та науково обґрунтована можливість забезпечення екологічно безпечного використання населенням джерельних вод для питних цілей.

2. На підставі проведених досліджень розроблено методику моніторингу якості води джерел урбанізованих територій.

3. Гідрохімічно та екологічно обґрунтовано виділення трьох природно-техногенних поверхів підземної гідросфери урбанізованої території, в основу якого покладено урахування як природних умов, так і техногенних чинників.

4. Розроблено метод розрахунку і обґрунтування розмірів зон санітарної охорони джерел з використанням балансової моделі, що дає можливість цілеспрямовано здійснювати заходи з охорони і санації в зонах живлення джерел. Розраховано зони санітарної охорони 25 джерел м. Харкова.

5. Запропоновано концептуальний підхід до вирішення питань екологічно безпечного використання джерельних вод, що базується на врахуванні екологічних аспектів, структури міської забудови, що склалася, прогнозу міграції техногенних забруднень, екстремальних обставин та ін. Це дозволило виробити комплекс науково-технічних і організаційних рішень, спрямованих на забезпечення екологічно безпечного використання джерельних вод.

6. Оцінено сумарні експлуатаційні запаси джерел м. Харкова, які дорівнюють 7,0 тис. м3/добу, що майже в три рази перевищує біологічну потребу у воді мешканців міста (2,45 тис. м3/добу).

7. На підставі даних про хімічний і бактеріологічний склад джерельних вод, можливості їх кондиціювання, а також з урахуванням техногенної і екологічної ситуації в зоні живлення джерела проведено ранжування джерел м. Харкова за якістю води та складністю очистки, виконанням заходів з каптажу, водопідготовки і санації в зонах санітарної охорони. Розроблено практичні пропозиції щодо кондиціювання, що включає очистку та знезаражування джерельних вод з метою їх використання для питних потреб.

8. Запропоновано конструкцію каптажу джерел з використанням горизонтальних променевих дрен для захисту джерельних вод від бактеріального забруднення. На прикладі двох відомих джерел міста (Немишлянського і Пантелеймонівського) встановлено, що каптаж і розчищення зон живлення джерел покращують якісні показники води.

9. Виконано оцінку ефективності використання інвестицій, відповідно до якої витрати на проектування, обладнання, інженерний захист і експлуатацію бюветів 20 джерел м. Харкова, які складають 2,23 млн. грн., окупляться за 4,9 роки (найбільш імовірний прогноз) і за 3,3 роки (оптимістичний прогноз).

10. Розроблено загальні рекомендації щодо екологічно безпечного використання джерельних вод у містах України. Отримані результати досліджень джерел Харківського регіону мають високий ступінь узагальнення і можуть бути застосовані для інших міст країни, де існують виходи підземних вод на земну поверхню у вигляді джерел.

11. Основні результати досліджень впроваджено ВАТ “Харківспецбуд” при благоустрої таких джерел м. Харкова: Олексіївського-1, Салтівського-2, Немишлянського-1. Реалізовано рекомендації з ліквідації причин забруднення Пантелеймонівського і Шатилівського джерел м. Харкова. На підставі результатів дисертаційного дослідження розроблено і впроваджено в централь-ній лабораторії санітарно-епідеміологічного контролю якості вод ТВО “Харків-комунпромвод” схему екологічного моніторингу якості води джерел м. Харкова. Основні результати досліджень використані Державним управлін-ням екології і природних ресурсів у Харківській області при розробці програми впорядкування джерел Харківського регіону для створення сприятливого гідрогеологічного режиму та запобігання забрудненню підземних вод.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дмитренко Т.В. Родники в городской черте // Экология города: Уч. по-собие. – К.: Либра, 2000. – С. 65-68.

2. Дмитренко Т.В. К вопросу экологической реконструкции балки Сар-жин Яр // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. – К.: Техніка. – 1997. – Вып. 8. – C. 87-88.

3. Дмитренко Т.В. Антропогенное воздействие на подземные воды г. Харькова // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. – Харьков: ХГПУ. – 1998. – Вып. 25. – С. 157-159.

4. Дмитренко Т.В., Ищенко А.В. К вопросу обследования родников Дзержинского и Киевского районов г. Харькова // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. – К.: Техніка. – 1997. – Вып. 10. – C. 93-94.

5. Дмитренко Т.В. К вопросу исследования Немышлянского родника в г. Харькове и источников его загрязнения // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. – К.: Техніка. – 1997. – Вып. 12. – C. 76-78.

6. Яковлев В.В., Дмитренко Т.В., Шараевская Л.А. Результаты исследова-ния