Проблема водоснабжения города Первоуральска и пути ее решения

Город Первоуральск расположен на Среднем Урале в 40 км к западу от Екатеринбурга и является важным промышленным центром с населением около 150 тыс. человек. Водоснабжение города организовано из целого ряда источников, включая поверхностные ресурсы Волчихинского водохранилища, каскад прудов на р. Ревда, а также подземный водозабор вблизи г. Нижние Серги, воды которого транспортируются в Первоуральск посредством водопровода длинной 80 км. Несмотря на наличие нескольких источников, город постоянно испытывает острую нехватку питьевой воды.

Билимбаевское месторождение флюсовых известняков расположено на левом берегу р. Чусовой западнее пос. Билимбай Первоуральского района, в 7 км от г. Первоуральска. Гидрогеологическая особенность Галкинского карьера заключается в том, что, несмотря на относительно небольшой размер, в него поступают аномально высокие водопритоки (3000 м3/ч). Значительный объем водоотлива из карьера неоднократно привлекал внимание руководителей и специалистов, как вероятный источник водоснабжения г. Первоуральска.

Несмотря на актуальность вопроса использования дренажных вод в питьевых целях, вблизи карьера никогда не было режимной сети и не проводились систематические наблюдения. Отсутствие гидрогеологической изученности связано с господствующим мнением о том, что водопритоки в карьер формируются за счёт поверхностного стока р. Чусовой и, как следствие, вода обладает низким качеством. Низкое качество поверхностных вод связано с высоким загрязнением р. Чусовой промышленными стоками. Одним из наиболее существенных загрязняющих компонентов является шестивалентный хром.

Для указанных представлений существуют определенные основания. Массив известняков на участке между карьером и рекой интенсивно закарстован. Расстояние до реки составляет 300 - 400 м. Перепад напоров между уровнем воды в р. Чусовой и дном карьера составляет около 30 м. В русле и на пойме реки периодически возникали карстовые провальные воронки. Поглощение поверхностного стока в карстовые воронки зачастую приводило к повышению водопритока в карьер до 5000 м3/ч и более.

Вопрос формирования ресурсов подземных вод в Билимбаевском карбонатном массиве является принципиальным. Опасения, связанные с загрязнением перспективной площади шестивалентным хромом, до сих пор не позволяли организовать дополнительный подземный водозабор в непосредственной близости от города. Комплекс гидрогеологических исследований на данном участке показал, что, несмотря на расположение Галкинского карьера в непосредственной близости от р. Чусовой, основной водоприток формируется за счет подземных вод, не загрязненных шестивалентным хромом. Площадь вблизи карьера может рассматриваться как благоприятный участок для добычи подземных вод питьевого качества.

Несмотря на скептическое отношение многих специалистов, необходимость проведения специальных гидрогеологических исследований была включена в условия недропользования Билимбаевского рудника. Гидрогеологические работы были начаты в 1997 г и выполнялись, с перерывами, несколько лет. Работы были организованы таким образом, чтобы выявить площадь и структуру депрессионной воронки, а также отслеживать сезонные, годовые и многолетние изменения гидродинамических и гидрохимических показателей. При проведении исследований использовался комплекс геодезических, геологических и геофизических методов.

Галкинский карьер расположен на южной окраине п. Билимбай на междуречье р. Чусовой и ее левого притока р. Петрушихи. Средний диаметр карьера в настоящее время составляет 650 м. В геолого-структурном отношении месторождение известняков приурочено к приосевой части Билимбаевского синклинория, сложенного карбонатными и осадочными образованьями палеозойского возраста. Известняки залегают в виде вытянутой полосы шириной 1,5 км, имеющей северо-восточное простирание. С поверхности коренные породы перекрыты чехлом песчано-глинистых отложений средней мощностью 5 м. В долине р. Чусовой получили развитие аллювиальные образования, мощность которых в среднем равна 8 м. Аллювиальные отложения представлены галечниками и прослоями глин. Карбонатные породы подвержены интенсивному карстовому процессу, что наряду с широким развитием тектонических нарушений определяет высокую обводненность массива.

Средний расход р. Чусовой по данным поста УГМС вблизи г. Первоуральска составляет 9,2 м3/с. Значительный подъем уровня воды происходит во время весеннего паводка (в апреле-мае), высота подъема уровня достигает 2,5 м. Ширина долины р. Чусовой при пересечении полосы известняков достигает 1 км. К западу и востоку, за переделами карбонатной полосы долина сужается. Ширина р. Чусовая 50-100 м, глубина 0,7-1,5 м.

В пределах поймы обнаружено большое количество воронкообразных карстовых углублений, провалов, заложенных в супесчанных аллювиальных отложениях и имеющих тенденцию к дальнейшему увеличению. При паводках пойма заливается и раньше вода через провалы уходила в подстилающие известняки, обуславливая пиковые водопритоки в карьере. С 1993 г поглощающие воронки засыпаются горным предприятием. Провалы и поглощение имеют место и в русле р. Чусовой и р. Билимбаихи, впадающей в р. Чусовую справа напротив карьера. Расход р. Билимбаихи составляет в устье 1000–1800 м3/ч.

К юго-западу от карьера полоса известняков пересекается поперечными долинами мелких рек Петрушиха, Макаровка и Битимка, являющихся левыми притоками р. Чусовой. Во всех реках отмечались потери воды в карстовые воронки. Расход каждого из перечисленных притоков составляет в меженный период 50-150 м3/ч, увеличиваясь в паводок до нескольких тысяч м3/ч.

Площадь полосы карбонатных пород, располагающейся на левом берегу р. Чусовой и включающей Галкинский карьер, составляет 7,5 км2, а площадь водосбора бассейнов рек Битимка, Макаровка и Петрушиха до границы вступления их в карбонатные породы – 24,8 км2. Площадь подземного водосбора Галкинского карьера не превышает 50-56 км2. При ориентировочном значении эксплуатационного модуля водопритока 5 л/с×км2 ресурсы подземных вод, привлекаемые в карьер, не должны превышать 900-1000 м3/ч. Остальная часть водопритоков, по общепринятому на 1997 г мнению, формировалась за счет р. Чусовой.

В 1982 г при бурении скважины на берегу р. Чусовой прямо напротив карьера выяснилось, что уровень подземных вод находится на глубине около двадцати метров. Стало очевидным, что поверхностные воды в русле реки как бы «подвешены» над основным трещинно–карстовым водоносным горизонтом. Это означает, что под руслом реки имеет развитие зона аэрации, а тесная гидравлическая связь речных и подземных вод отсутствует.

Указанный факт прямо противоречит общепринятым представлениям о формировании водопритоков за счёт поверхностных вод р. Чусовой. Фактически, подземный поток развивается независимо от поверхностного стока, подчиняясь геологическому строению территории и положению в пространстве высокопроницаемой зоны трещиноватых известняков.

В целом следует отметить, что практически все специалисты согласны с тем, что вблизи Галкинского карьера могут формироваться ресурсы подземных вод в количестве 1000 м3/ч. Массив карбонатных пород, который расположен южнее карьера, защищен карьерным водоотливом от подтягивания загрязненных поверхностных вод р. Чусовой. Поэтому здесь возможно обнаружение подземных вод, пригодных для целей питьевого водоснабжения.

Для решения вопроса о составе вод в районе Галкинского карьера в 1997 г гидрогеологические работы первого этапа выполнялись непосредственно в карьере и, в меньшем объёме, на прилегающих водотоках. Исследования охватили три сезона (зимний, весенний, летний). Работы в карьере включали отбор проб воды и измерение расходов на 12 створах по водосборным канавкам. Из р. Чусовой и ближайших водотоков отбирались пробы воды. Было отобрано 68 проб на макрокомпоненты, и столько же проб на шестивалентный и трёхвалентный хром.

После обработки полевых и аналитических материалов стало очевидным, что дренажные воды формируются, главным образом, за счёт подземных вод. Поверхностные воды р. Чусовой составляют не более 20% от общего дебита водоотлива. Ключевым фактором, позволившим сделать однозначные выводы, явились различия в химическом составе подземных и речных вод. Наряду с общей минерализацией и соотношением содержания макрокомпонентов, главную роль в качестве индикатора сыграл основной загрязняющий компонент речных вод – шестивалентный хром.

Было установлено, что водопроявления, загрязненные хромом, локализуются в карьере вдоль северного, и, частично, северо-восточного борта (со стороны р. Чусовой). На остальной территории карьера происходит разгрузка чистых подземных вод. Подземные воды, формирующие основную часть водопритока в карьер, в основном, соответствуют требованиям, предъявленным к питьевым водам. Основная часть водопритоков поступает в карьер на двух локальных участках, связанных с развитием линейных проницаемых зон тектонических нарушений. В северо-восточном углу карьера поступают смешанные воды (речные и подземные). На участке, расположенном в противоположной юго-восточной части карьера, поступают чистые подземные воды.

На следующем этапе была поставлена задача изучить возможность водоотбора чистых подземных вод. Состояние подземной гидросферы на данном участке определяется сочетанием сложных гидрогеологических условий района с техногенным воздействием горного предприятия и сельскохозяйственного производства. Качество подземных вод определяется общим загрязнением района, и в первую очередь, р. Чусовой, шестивалентным хромом.

Гидрогеологические условия Билимбаевского карбонатного массива являются уникальными и весьма благоприятными. Известняки представляют собой массив хорошо проницаемых пород, ограниченный слабопроницаемыми, практически водоупорными породами (сланцами), защищающими водосборную площадь от притока загрязненных поверхностных вод р. Чусовая. Массив известняков имеет сложную форму в виде двух протяженных полос. Одна полоса известняков простирается с юго-запада на северо-восток, пересекается реками Битимка, Макаровка, Петрушиха, Чусовая, Билимбаевка и выклинивается около Билимбаевского пруда. Длина этой полосы карбонатных пород достигает 7,5 км, а средняя ширина – 2 км. Общая площадь первой полосы составляет примерно 15  км2. Эта полоса, расширяясь, переходит западнее р. Битимки в Черемшанскую структуру (вторую полосу). Общая площадь массива известняков в районе исследований оценивается в 38 км2.

Депрессионная воронка, сформированная в результате водоотлива из карьера, существенно изменила уровень подземных вод в пределах первой полосы известняков. Например, вблизи р. Макаровки подземные воды находятся на глубине около тридцати метров. Депрессия также захватила основную часть второй – Черемшанской меридиональной полосы на юго-западе, а на северо-востоке распространилась до Билимбаевского пруда. Водоприток в карьер формируется за счёт движения подземных вод с юго-западной и северо-восточной частей протяженной полосы карбонатных пород.

Результаты исследований показали, что приток с обеих сторон имеет примерно одинаковое значение. Принимая значение водопритока 3000 м3/ч, можно считать, что с южной и с северной стороны в карьер поступает в среднем по 1500 м3/ч.

На северо-востоке расход потока формируется за счёт поглощения поверхностных вод из р. Билимбаевки, инфильтрации атмосферных осадков, а также поглощения вод р. Чусовой. Доля вод р. Чусовой составляет не более 20% от общего водоотлива, и, соответственно, не более 40% (600 м3/ч) от общего притока с северной стороны. Такое положение связано с высоким фильтрационным сопротивлением ложа реки и её «подвешенным» характером, т.е. фактическим развитием депрессии под русловыми отложениями. Таким образом, вопреки общепринятому мнению, поступление загрязненных речных вод не является ключевым источником формирования водопритоков в Галкинский карьер.

Расход подземного потока, поступающего в карьер с юго-западной стороны (1500 м3/ч), формируется за счёт поглощения поверхностного стока малых рек, протекающих в пределах зоны развития депрессионной воронки, и инфильтрации атмосферных осадков на водосборной площади.

Значительная часть потока (не менее 400 м3/ч), формируется за счёт полного поглощения р. Битимки в районе Битимского пруда (в настоящее время осушенного). Примерно 100 м3/ч поглощается из р. Макаровки. Таким образом, за счёт поглощения поверхностного стока формируется примерно 500 м3/ч, причём основная часть привлекаемых ресурсов формируется в районе Битимского пруда.

Однако, основная часть ресурсов подземных вод от 600 до 800 м3/ч формируется за счёт инфильтрации атмосферных осадков на водосборной площади. Если принимать, что подземный сток формируется, в основном, на площади распространения карбонатных пород, модуль подземного стока составляет примерно 5,1 л/с.км2.

Был сделан вывод, что основная часть ресурсов чистых питьевых подземных вод (более 1000 м3/ч), формируется к юго-западу от карьера в бассейнах рек Черемша, Битимка, Макаровка и Петрушиха. С северо-западного направления этот участок отделен от р. Чусовой водоупорными сланцами. Поэтому воды р. Чусовой не пополняют ресурсы подземных вод в юго-западной части депрессионной воронки. С северо-восточного направления перспективный участок защищен от проникновения вод р. Чусовой дренажными сооружениями Галкинского карьера, которые являются основным базисом дренажа подземных вод. Весь поток загрязненных вод перехватывается карьерным водоотливом, поэтому к юго-западу от карьера создается весьма благоприятная ситуация для организации питьевого подземного водозабора.

В подземных водах, поступающих в карьер по юго-западной водоносной зоне, отсутствуют признаки загрязнения. Можно предполагать, что процессы смешивания и очистки подземных вод, происходящие в водоносном горизонте, достаточно эффективны. Степень загрязнения питающих поверхностных вод также не является чрезмерной. Основные ресурсы подземных вод юго-западной водоносной зоны наиболее удобно перехватить этот поток в долине р. Макаровки. Результаты опробования поисковой скважины показали, что качество подземных вод на этом участке соответствует требованиям к питьевым водам.

Таким образом, особенности геологического строения территории, связанные со сложным характером залегания и распространения карбонатных пород, а также сложившаяся техногенная обстановка обеспечивают формирование значительных ресурсов пресных подземных вод, защищенных от загрязнения поверхностными водами. В процессе выполненных работ доказано, что вопреки общепринятому мнению основные запасы подземных вод сформированы за счет подземного стока, а не за счет поверхностных вод р. Чусовая. Это позволило выявить перспективные участки для разведки будущего питьевого водозабора. Оценка ресурсов подземных вод позволяет рассчитывать на дебит водозабора не менее 1000 м3/ч (24000 м3/сут). Главным объектом будущих работ является участок территории между реками Битимка и Петрушиха, в центре которой, в долине р. Макаровки, предполагается разместить основные водозаборные скважины.