Підземні води: основні характеристики, типи, вимоги та особливості експлуатації через свердловину

Автор: Мирко Іван Анатолійович

Підземними водами називають води, які розташовані у верхніх пластах земної кори, заповнюючи собою пустоти, тріщини, порожнини тощо. Як правило, вони знаходяться глибше шарів земної поверхні та дна відкритих (поверхневих) водойм. В залежності від розташування їх класифікують на ґрунтові, артезіанські та зони аерації.

В залежності від характеру використання підземні води класифікують на:

• технічні та питні (використовуються для споживання або ж задоволення побутових та господарських потреб, наприклад зрошення плантацій чи фермерських полів);
• мінеральні (лікувальні) води, які застосовують з бальнеологічною метою, в якості столових напоїв;
• теплоенергетичні, в складі яких є пароводяні суміші, що ефективні для теплопостачання громадських, промислових та сільськогосподарських об’єктів, можуть використовуватися як джерело вироблення електроенергії;
• промислові, зі складу яких можна вилучити цінні компоненти (корисні копалини).

Кожен з перерахованих типів відрізняється своїм хімічним складом, способом добування та напрямком подальшої експлуатації.

Як утворюються підземні води?

Перший видобуток підземної води людством зафіксований  кілька тисяч років тому, глибинними колодязями з питною водою користувалися ще за часів майя, а перші освоєння водоносних горизонтів зафіксовані ще в Стародавньому Єгипті. Проте в ті часи людям було не зрозуміло, чому в одних регіонах є вода, а в інших немає, або ж чому вона раптово зникає. Зараз більш детально про це можуть розповісти майстри, проводячи комплекс робіт щодо розрахунку глибини розташування потрібних водоносних горизонтів та їх обсягу. Для цього вони використовують спеціальні карти місцевості, враховують досвід буріння на сусідніх територіях, а також проводять ретельні гідрогеологічні дослідження. Останні стосуються вивчення складу ґрунтів, визначення наявності родовищ, оцінки їх запасів, якості, хімічного складу та навіть особливостей руху.

Важливо розуміти, що підземні джерела, до яких достатньо часто доводиться створювати глибокі свердловини для води, є частиною загального циклу руху води в природі. Дійсно, вони походять з опадів дощу, снігу або ж граду, які поступово вбираються та фільтруються глибше в ґрунт через силу тяжіння. Цей процес триває до тих пір, поки частки рідини не досягнуть шарів, де земля насичена чи заповнена водою. Запаси також формуються з водойм (озер, річок та морів). На сьогодні основним джерелом формування водоносних горизонтів вважається інфільтрація.

Особливості та характеристика мікрофлори в підземних водах

Серед мікроорганізмів, зокрема шкідливих для здоров’я людини, найбільше зосереджені різноманітні бактерії (одноклітинні мікроби), а також найпростіші віруси. Головна особливість цих мікроорганізмів полягає в постійній підвищеній активності та досить легкій адаптації відносно різних ступенів мінералізації самої рідини, а також її температури і тиску.

Щоб визначити ступінь забруднення, фахівці використовують спеціальним колітитром (визначення певного об’єму води, в якому міститься одна кишкова паличка) та класифікують отриману рідину як здорову (100 мл в розрахунку на одну кишкову паличку), досить здорову (10 мл), сумнівну (1 мл), нездорову (0,1 мл) та зовсім нездорову (0,01 мл).

Проблеми забруднення водоносних горизонтів

Наймасштабнішою причиною забруднення підземних джерел води вважається саме техногенний вплив на гідросферу, що особливо чітко прослідковується при видобуванні та використанні різноманітних корисних копалин, видобутку нафти та газу, роботи різних промислових шахт, функціонування кар’єрів тощо. Проте є не менш важливий та критичний фактор на ряду з вже перерахованими – результат життєдіяльності сучасної людини, особливо на етапі ліквідації побутових відходів.

Немало проблем створюють люди і під час неправильно організованого зрошення та гідромеліорації сільськогосподарських територій, що призводить до забруднення (зокрема засолення) ґрунтових вод.

Фізичні властивості, що характерні для підземних вод

Води з підземних джерел правильніше називати розчинами, в яких містяться певні концентрації солей, іонів, газів та колоїдів. Серед фізичних властивостей, на які майстри бурильних компаній звертають увагу в першу чергу, варто відокремити колір рідини, запах, температуру, ступінь прозорості, щільність, в’язкість та радіоактивність.

Чисті якісні підземні води не мають забарвлень та запаху. Присмак рідини пов’язаний з наявністю в ній хімічних компонентів, наприклад, солоний присмак може свідчити про концентрацію хлористого натрію, а гіркий зумовлюється наявністю сульфату магнію, іржавий – це про наявність солей заліза.

Важливо! Станом на 2010 рік на території України було виявлено близько 450 родовищ питної та технічної води, 209 мінеральних родовищ, а також по одному родовищу теплоенергетичних і промислових підземних вод.

За кольором рідини можна визначити її хімічний склад, а також наявність решток чи механічних домішок. Жовтувате забарвлення може бути зумовлене болотним походженням джерела, в складі якого є гумінові компоненти (складаються з торфу, вугілля, сапропелів тощо). Мутність води свідчить про підвищену концентрацію в ній сірки або ж сірководневих сполук, як правило рідина має дещо зеленуватий відтінок. Загалом колір рідини визначають за спеціальною платино-кобальтовою шкалою і вимірюють в градусах.

Для чистої якісної води будь-які запахи є нехарактерними, тому їх наявність найчастіше свідчить про наявність в рідині сірководню або ж гниючих сполук органічного походження. При перевірці води лабораторними методами в розділі «запахи» вказують про його походження, наприклад, сірководневий, пліснявий чи болотний, або ж зазначають «без запаху».

Якщо отримана зі свердловини вода відрізняється солодкуватим смаком, це може свідчити про наявність в ній високої концентрації речовин саме органічного походження, а приємний освіжаючий смак забезпечується присутністю вільної вуглекислоти в складі. В будь-якому разі під час лабораторних аналізів складу води її смак оцінюється в балах за спеціальною табличною шкалою.

Щодо ступеня прозорості рідини, то цей показник зумовлений рівнем концентрації мінеральних сполук, колоїдів, домішок органічного походження та механічних решток. За ступенем прозорості підземні води класифікують на прозору, слабопалесціюючу, опалесціюючу, злегка каламутну та сильно каламутну. Ступінь каламутності визначають в міліграмах сухої речовини з розрахунку на літр рідини.

Щільність води визначається співвідношенням її маси до заповненого об’єму за певних температурних умов. Одиницею вимірювання щільності води використовують показник дистильованої рідини при температурі 4°C. Сам показник щільності залежить не лише від температури води, а й від кількості наявних в її складі солей, решток та газів. Як правило, щільність підземних вод розраховується в діапазоні від 1 до 1,4 г/см3.

В’язкість рідини визначається як внутрішній опір частинок її руху. В цифрах це визначається як коефіцієнт кінематичної і динамічної в’язкості. Що стосується стискуваності, то цією характеристикою вираховують зміни в об’ємі води внаслідок дії тиску, проте цей результат вважається досить незначним.

Характеристика підземних вод за їх радіоактивністю визначається вмістом в ній еманації радію та радону. На практиці майже всі джерела підземних вод є радіоактивними і тій чи іншій степені. За результатами перевірки рідину визначають як дуже сильно радіоактивною (понад 10000 еманів); сильно радіоактивною (від 1000 еман), радіоактивною (в діапазоні від 100 до 1000 еман), слаборадіоактивною (10-100 еман) та дуже малорадіоактивною (до 10 еман).

Ще однією досить важливою особливістю підземних вод є їх електропровідність. Цей показник визначається за кількістю (концентрацією) в рідині розчинених солей, наприклад, в прісних джерелах зафіксовано незначну електропровідність, а дистильовані рідини вважаються своєрідним ізолятором. Як правило, цей показник знаходиться в межах від 0,02 до 1,0 Ом*м.

Розподіл підземних вод на напірні та безнапірні

Вода з підземних джерел, яку отримують для використання після буріння та облаштування свердловини, може бути напірною або безнапірною.

Характеристики напірних підземних вод

Такі водоносні горизонти називають артезіанськими, вони повністю заповнюють порожнини та знаходяться під постійним тиском. Саме цим обумовлено самостійний підйом води по свердловинах після того, як буде зруйнований водонепроникний пласт. Як правило, така вода холодна і не містить якихось забруднень чи домішок, тому підходить не лише для задоволення господарських чи побутових проблем, а й безпосереднього вживання (пиття та приготування їжі).

Особливості безнапірних підземних вод

Безнапірні води заповнюють водоносні горизонти лише частково. До збільшення їх обсягу призводять часті рясні дощі або снігопади (в процесі танення), а надмірне споживання шляхом механічного викачування, навпаки, – до зниження рівня запасів. Через підвищення використання ґрунтових вод на певних територіях люди можуть зіштовхнутися з суттєвою нестачею води в регіонах. До того ж, такі джерела частіше забруднюються та не підходять для споживання.

Застосування водозабірних споруд для використання підземних джерел води

Водозабором підземних вод називають комплекс спеціальних гідротехнічних споруд, включаючи каптажні пристрої, які приймають воду з відкритого водоносного пласта, а також насосні станції, які постачають рідину до водоводів зі збором води, якими рідина потім транспортується до резервуарів чи в спеціальні системи для попереднього очищення і покращення параметрів. Підбір типу та схеми розміщення таких споруд проводять з врахуванням наявних гідрологічних та геологічних умов роботи. Окремо вираховується глибина розташування потрібного водоносного  горизонту та умов його залягання (зокрема це стосується типу ґрунтових порід та наявності тиску в підземному джерелі).

На практиці такі конструкції для видобування підземних вод розділяють на водозабірні свердловини (в вигляді трубчастих установок), горизонтальні і променеві водозабори, шахтні колодязі та каптаж джерел.

Найчастіше використовують саме водозабірні свердловини, які забезпечують забір води з підземних джерел. Як правило, вони обладнані спеціальними обсадними трубами, насосними системами та фільтрами. Технічні параметри таких конструкцій визначаються з конкретних геологічних та гідрологічних умов місцевості, а також за дебітом джерела.

Шахтні колодязі більше підходять для роботи з безнапірними підземними водами, що розташовані на невеликих глибинах (до 30 метрів). Також для роботи з неглибоко залягаючи ми джерелами малої потужності можуть використовуватися спеціальні горизонтальні водозабірні конструкції, які складаються з водоприймачів, відвідних каналів (трубопроводів), а також водозабірного колодязя та безпосередньо насосної станції. Якщо в роботі застосовується поєднання комплексу горизонтальних водозабірних конструкцій і колодязів шахтного типу, то майстри це називають променевими водозаборами.

Чинні вимоги щодо захисту і охорони підземних вод під час буріння та подальшої експлуатації артезіанських родовищ на території України

Оскільки підземні води, особливо артезіанського типу, належать до надр держави, їх використання контролюється чинними вимогами. Наприклад, водозабірні свердловини (їх будівництво та облаштування) створюються з урахуванням критеріїв містобудівної документації, будівельних норм та інших вимог, про які детально можуть розповісти саме майстри, що забезпечують буріння артезіанських свердловин та допомагають в оформленні всіх необхідних дозволів.

Ділянка землі для будівництва свердловини на воду надається у користування в порядку, що передбачений Земельним кодексом України. Щоб забезпечити саме екологічне буріння свердловин з дотриманням їх безпечності для навколишнього середовища, роботи мають проводитися відповідно Закону України «Про оцінку впливу на довкілля». При цьому технології буріння свердловин мають реалізовуватися таким чином, щоб не допустити перетікання підземних вод між водоносними горизонтами. З іншої сторони, рідина, якою промиватимуть конструкцію, не повинна бути забрудненою, щоб не допустити псування підземних джерел.

Конструкція має будуватися таким чином, щоб було доступним вимірювання дебіту джерела, періодичного лабораторного аналізу води, а також можливості відновити роботу установки після можливого пошкодження. Щодо визначення зон санітарної охорони водних об’єктів, то для цього використовують вимоги передбачені в Водному та Земельному кодексах України, а також в Законі «Про питну воду, питне водопостачання та водовідведення». Не варто забувати про дотримання норм чинного законодавства і під час ліквідації або ж тампонування свердловин. Окрім того, власникам свердловин (особливо промислових масштабів) необхідно організувати монтаж та використання спеціальних вимірювальних приладів, за показниками яких регулярно відслідковуватимуться обсяги використаної води та її якість.