Гигиеническая характеристика источников водоснабжения

Различают атмосферные, подземные и поверхностные воды.

Атмосферные воды

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения атмосферные осадки, т. е. дождевая вода и снег, используются только в маловодных районах - на юге и в Заполярье.

Атмосферные воды весьма слабо минерализованы, очень мягкие, содержат мало органических веществ и свободны от патогенных бактерий. В дальнейшем на качество воды влияет способ сбора и хранения.

Проводимые в СССР работы по обводнению засушливых районов и изысканию подземных источников водоснабжения избавили население многих мест от необходимости пользоваться маломинерализованной, невкусной дождевой водой.

В некоторых местностях (Заполярье, Северо-Восточная Сибирь, высокогорные районы Кавказа) для водоснабжения используют снег, запасы которого собирают в так называемые снежники, где снег утрамбовывают и покрывают теплоизолирующим материалом. Участок для заготовки снега отводят не ближе 200 м от жилых домов, свалок мусоря, уборных, проезжих дорог и т. д. и огораживают. Талую воду перед употреблением для питьевых целей следует кипятить или хлорировать.

Подземные воды

Грунтовые воды. Падая на землю, осадки частично вновь испаряются, частично стекают по поверхности земли, образуя ручьи и пополняя реки, озера, частично впитываются в землю, очень медленно продвигаясь в глубь ее через поры водопроницаемых пород.

Скапливаясь над первым от поверхности земли пластом водонепроницаемых пород (глина, гранит, сплошные известняки), вода образует первый водоносный горизонт, который называют горизонтом грунтовых вод (рис. 18).

Рис. 18. Общая схема залегания подземных вод: 1 - водоупорные слои; 2 - водоносный горизонт грунтовых вод; 3 - водоносный горизонт меж - пластовых безнапорных вод; 4 - водоносный горизонт межпластовых напорных вод (артезианских); 5 - колодец, питающийся грунтовой водой; 6 - колодец, питающийся межпластовой безнапорной водой; 7 - колодец, питающийся артезианской водой

В зависимости от местных условий глубина залегания грунтовых вод колеблется от 1-2 до нескольких десятков метров. По уклону водоупорного слоя грунтовые воды продвигаются из повышенных мест к пониженным.

Грунтовые воды часто используются для водоснабжения, так как отличаются прозрачностью и незначительной цветностью. Количество растворенных солей возрастает с глубиной залегания, но в большинстве случаев невелико. При мелкозернистых породах начиная с глубины 5-6 м грунтовые воды свободны от бактериального загрязнения.

При загрязнении почвы отбросами и нечистотами существует опасность заражения грунтовых вод патогенными микроорганизмами. Эта опасность тем больше, чем интенсивнее загрязнение и чем глубже оно внесено в почву (чем крупнее зерна породы и чем выше залегание грунтовых вод).

Грунтовые воды широко используют в сельских местностях путем устройства шахтных и трубчатых колодцев. Обычно из шахтного колодца, питающегося грунтовой водой, можно получить от 1 до 10 м³ воды в сутки.

В отдельных случаях грунтовые воды могут быть использованы для устройства небольших сельских водопроводов.

Межпластовые воды. В своем движении вдоль уклона водонепроницаемого пласта грунтовая вода может проникнуть в область, где над ней окажется слой водоупорной породы. В этом случае она станет межпластовой, располагаясь между водоупорным ложем и водоупорной кровлей. В зависимости от местных геологических условий межпластовые воды могут образовать второй, третий и т. д. водоносные горизонты. Как правило, межпластовая вода заполняет все пространство между водоупорными слоями, и если прорезать ее водоупорную кровлю трубчатым колодцем, то она в нем поднимается, а в некоторых случаях может даже излиться в виде фонтана на поверхность земли. Такая межпластовая вода, которая поднимается выше той глубины, на которой она была найдена при рытье колодца, называется напорной, или артезианской. Глубина залегания межпластовых вод колеблется от десятков до тысячи и более метров (см. рис. 18).

Межпластовые воды отличаются от грунтовых невысокой температурой (5-12°), постоянством уровня, состава. Обычно они прозрачны, бесцветны, лишены запаха и какого-либо привкуса. Количество растворенных в них минеральных солей зависит от состава пород, в которых они накапливаются и передвигаются.

В отдельных случаях межпластовые воды настолько минерализованы (очень жесткие, соленые, содержат много солей фтора, железа или сероводорода), что их нельзя использовать для хозяйственно-питьевого водоснабжения без обработки.

Благодаря длительной фильтрации и наличию водоупорной кровли, защищающей межпластовые воды от загрязнения, последние отличаются почти полным отсутствием микроорганизмов, тем более патогенных, и могут использоваться для питья в сыром виде. Эксплуатируются межпластовые воды путем устройства глубоких трубчатых и, реже, шахтных колодцев.

Постоянный и большой дебит (от 1 до 200 м³/час) и хорошие качества воды позволяют рассматривать межпластовые водоносные горизонты как лучший источник водоснабжения для небольших и средних водопроводов, большинство которых подает воду населению в натуральном виде, без какой-либо очистки.

Все же известны случаи эпидемических вспышек кишечных инфекций даже при пользовании межпластовыми водами. Загрязнение последних может произойти в результате поступления воды из вышележащего горизонта грунтовых вод при трещинах в водоупорной кровле, через заброшенные колодцы и карьеры, вследствие затекания воды вдоль обсадных труб скважины, через негерметически оборудованное устье скважины при затоплении места нахождения скважины во время паводка и т. д.

В последние годы описан ряд случаев, когда вследствие спуска сточных вод промышленных предприятий в карьеры или глубокие овраги загрязняющие вещества проникали в поток межпластовых вод. В этих случаях артезианские скважины, питающиеся водой загрязненного водоносного горизонта, выбывали из строя из-за резкого ухудшения органолептических качеств воды (вода приобретала запах нефти, ароматический запах, соленый вкус и т. п.).

Родники. Подземные воды могут самостоятельно выходить на поверхность земли. В таком случае они носят название родников, из которых образуются ключи или ручейки. Выходить на поверхность могут

как грунтовые, так и межпластовые воды, если соответствующий водоносный горизонт разрезается при падении рельефа, например на склоне горы, в глубоком овраге. Такие родники называются нисходящими (рис. 19).

Рис. 19. Простейший каптаж нисходящего родника: 1 - лоток для воды; 2 - глина; 3 - откидная крышка; 4 - крупный гравий, 5 - мелкий гравий; 6 - крупный песок; 7 - водоносный слой

Если же в овраге или речной долине прерывается первый водоупорный слой, то находящаяся под ним напорная межпластовая вода выходит на поверхность в виде восходящего, бьющего ключом родника. Качество родниковой воды зависит от питающего родник водоносного горизонта и от устройства каптажа, т. е. захватывающих воду сооружений.

При достаточном и постоянном дебите родники используются для устройства водопроводов в небольших населенных пунктах, например селах или рабочих поселках.

Изучение случаев загрязнения родниковых вод показывает, что чаще всего оно происходило вблизи места их выхода, где истончается перекрывающий слой пород.

В других случаях причиной загрязнения служило нерациональное устройство каптажных сооружений.

Гигиенические требования к устройству шахтных и трубчатых колодцев. Для того чтобы предупредить загрязнение подземных вод при эксплуатации водоисточников, необходимо соблюдать следующие основные правила при устройстве и оборудовании колодцев:

а) место устройства колодца должно располагаться выше по рельефу местности и возможно дальше от загрязняющих почву объектов. Это место не должно заболачиваться или затопляться. При эксплуатации необходимо охранять почву окружающей источник территории от загрязнения;

б) стенки колодца или каптажа родника должны быть водонепроницаемыми. Вокруг верхней части стен колодца должен устраиваться так называемый глиняный замок, чтобы поверхностные воды не могли просачиваться вблизи и вдоль стен сооружения к водоносному горизонту или в колодец.

Так как бактериальные загрязнения проникают в колодцы большей частью не с потоком подземных вод, а через "устье", то забор воды должен производиться таким образом, чтобы колодец был закрыт и в него не могли быть внесены загрязнения извне.

Шахтные колодцы. В сельских условиях часто устраивают шахтные колодцы (рис. 20 и 21). В настоящее время для механизированного рытья колодцев применяется машина КШК-30. Средняя скорость рытья шахты колодца с помощью машины 1,5 м/час. Машина отрывает колодеи диаметром 1,2 м и глубиной до 30 м.

Рис. 20. Шахтный срубовой колодец с деревянным насосом: 1 - замок из утрамбованной глины; 2 - суглинок; 3 - песок; 4 - вода 1-го слоя; 5 - водоносный слой песка; 6 - вода 2-го слоя; 7 - глина

Место для колодца выбирают на возвышенности, не ближе 25-30 м от возможных источников загрязнения, например уборной, компоста и т. д. Если уборная расположена выше колодца по рельефу местности, то расстояние между ними при рыхлом мелкозернистом грунте должно быть не менее 80-100 м. При рытье колодца желательно дойти до второго водоносного горизонта, если он залегает не глубже 30 м. Дно шахты колодца остается открытым, а боковые стенки закрепляются материалом, обеспечивающим водонепроницаемость, т. е. железобетонными кольцами (с заделкой стыков между ними цементом), кирпичом или деревянным срубом без щелей. Стенки колодца должны возвышаться над поверхностью земли не менее чем на 0,8 м. Для устройства глиняного замка вокруг колодца выкапывают яму глубиной до 1 м и шириной 1 м и наполняют ее хорошо утрамбованной жирной (пластичной) глиной. Вокруг наземной части колодца поверх глиняного замка в радиусе 2 м делают подсыпку песком и замощение камнем или кирпичом с уклоном для стока случайно пролитой воды и атмосферных осадков в сторону от колодца к ближайшему кювету.

Рис. 21. Шахтный колодец из бетонных колец с насосом: а - насос; б - слой гравия на дне колодца

Существенное значение имеет техника водоразбора из шахтного колодца, так как большой опыт говорит о том, что в значительном числе случаев загрязнение воды происходит через открытое устье колодца при заборе воды загрязненными ведрами, принесенными из дома.

Лучшим средством подъема воды из колодца нужно признать ручные или механические насосы с электроприводом. Колодцы, оборудованные насосами, наглухо закрыты и не подвергаются загрязнению извне, подъем воды из них облегчен. В том случае, если забор воды осуществляется ведром, также можно устроить закрытый колодец (рис. 22). Для того чтобы свести к минимуму загрязнение воды при подъеме ее с помощью ворота или "журавля", следует устье колодца плотно закрывать крышкой, снимаемой только во время подъема воды. При отсутствии насоса следует пользоваться только общественным ведром, которое рекомендуют делать с полукруглым или коническим дном, чтобы нельзя было поставить его на скамейку или на землю.

Рис. 22. Колодец закрытого типа (поднятое ведро с водой, зацепившись за крючок, опрокидывается и вода выливается в лоток)

Вокруг колодца в радиусе 5 м должно быть устроено ограждение. Корыто для водопоя животных устанавливают ниже колодца по рельефу местности, за оградой.

Трубчатые колодцы. Если грунтовые воды расположены не глубже 7-8 м, то для получения их можно использовать так называемые мелкотрубчатые колодцы (рис. 23). Мелкотрубчатый колодец бурят вручную и оборудуют ручным насосом, производительность которого 0,5-1 м³ в час.

Рис. 23. Мелкотрубчатый колодец

Из более глубоких водоносных горизонтов воду получают посредством глубокотрубчатых колодцев, которые часто используют на коммунальных водопроводах городов, а также для водоснабжения совхозов, колхозов, РТС, МТФ и отдельных предприятий.

Для устройства глубокотрубчатого колодца с помощью специальных Дуровых станков в земле бурят скважину, представляющую собой вертикальную цилиндрическую шахту диаметром от 50 до 600 мм и глубиной от 10-15 до 1000 м и больше. Для того чтобы предотвратить обрушивание стенок, в буровую скважину забивают металлические трубы, называемые обсадными (рис. 24). Подъем воды из скважины осуществляется различными видами насосов, производительность которых достигает 100 м³/час и более.

Рис. 24. Схема буровой скважины

При правильном устройстве глубокие трубчатые колодцы обеспечивают сохранение чистоты артезианской воды. Но вода в этих колодцах может загрязняться, если между загрязненной грунтовой водой и эксплуатируемым глубоким водоносным горизонтом имеется связь. Грунтовые воды могут проникнуть через проржавевшие обсадные трубы или через стыки между ними, если они плохо заделаны. Поэтому верхняя часть скважины должна закрепляться двумя колоннами обсадных труб, зазор между которыми заливают цементным раствором.

Загрязнения также могут поступать через устье скважины. Для того чтобы предупредить эту возможность, верхнюю колонну обсадных труб в месте вхождения всасывающей трубы насоса или других водоподъемных устройств нужно полностью герметизировать. Зазор между обсадными трубами и стенками скважины (затрубное пространство) заливают под давлением цементным раствором.

Открытые водоемы

Поверхностные воды стекают по естественным уклонам к более пониженным местам, образуя проточные и непроточные водоемы: ручьи, реки, проточные и непроточные озера. Открытые водоемы питаются не только атмосферными, но частично и подземными водами.

Открытые водоемы подвержены загрязнению извне, поэтому с эпидемиологической точки зрения все открытые водоемы в большей или меньшей степени потенциально опасны. Особенно сильно загрязняется вода в участках водоема, лежащих у населенных пунктов и в местах спуска сточных вод.

Органолептические свойства и химический состав воды открытых водоемов зависят от ряда условий. Высокая цветность воды бывает в тех случаях, когда реки или впадающие в них притоки протекают в болотистых местах. Если русло реки состоит из глинистых пород, то вымываемая тонкая взвесь при большой скорости течения воды придает ей мутность.

В водоемах со стоячей водой или с незначительным течением часто наблюдается цветение воды, т. е. массовое развитие планктона из зеленых водорослей. Вода окрашивается в зеленоватый или бурый цвет и вследствие массового отмирания водорослей приобретает неприятный запах и привкус. Имеются данные о том, что при цветении в воде образуются вещества, не безразличные для человеческого организма. Тот или иной, хотя бы незначительный, привкус или запах имеется в воде почти каждого открытого водоема вследствие разложения органических веществ в воде и в донных отложениях, а также из-за вымывания актиномицетов и продуктов их жизнедеятельности из почвы.

Поверхностные воды слабо минерализованы, мягкие, но в непроточных озерах и водохранилищах концентрация солей в них может быть значительно увеличена вследствие испарения воды, особенно в условиях жаркого климата. Для открытых водоемов характерно непостоянство качества воды, которое может изменяться в зависимости от сезона и даже погоды, например после выпадения осадков.

Самоочищение водоемов. Несмотря на почти непрерывное поступление разнообразных загрязнений в открытые водоемы, в большинстве из них прогрессирующего ухудшения качества воды не наблюдается. Это нужно отнести за счет тех многообразных физико-химических и биологических процессов, которые ведут к "самоочищению" водоема от взвешенных частиц, органических веществ, микроорганизмов и других видов загрязнений.

При поступлении сточных вод в водоем происходит перемешивание стоков с водой и снижение концентрации загрязнений. Затем взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы частично осаждаются, вода осветляется и становится прозрачной.

Попавшие в воду растворенные органические вещества минерализуются за счет жизнедеятельности населяющих водоем микроорганизмов наподобие того, как это происходит в почве. Процессы биохимического окисления заканчиваются нитрификацией с образованием конечных продуктов - нитратов, карбонатов, сульфатов и т. д. Для биохимического окисления органических веществ необходимо наличие в воде растворенного кислорода, запасы которого по мере расхода восстанавливаются за счет диффузии из атмосферы через водное зеркало водоема. В чистых водоемах насыщение воды кислородом превышает 50%^*. Ледяной покров, затрудняющий реаэрацию воды, отрицательно сказывается на самоочищении.

^* (Процент насыщения воды кислородом определяют по формуле: K=m/M•100%,.

где m - содержание кислорода в воде (в мг/л), а M - максимальное количество кислорода (в мг), которое может раствориться в 1 л воды при температуре воды в момент отбора пробы.)

В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают вследствие обеднения воды питательными веществами, бактерицидного действия солнечных лучей, бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами, и от других факторов.

В результате самоочищения загрязненная вода становится прозрачной, неприятный запах исчезает, органические вещества минерализуются, часть патогенных микробов погибает, и вода приобретает те качества, которые она имела до загрязнения. Скорость самоочищения зависит от мощности водоема и степени его загрязненности.

Ценным показателем степени загрязненности воды органическими веществами и интенсивности процессов самоочищения является биохимическое потребление кислорода (сокращенно ВПК). БПК - это количество кислорода, необходимое для полного биохимического окисления веществ, содержащихся в 1 л воды, при температуре 20°. Чем значительнее загрязнена вода, тем больше ее БПК. Так как определение БПК длительно - до 20 суток, то в санитарной практике часто ограничиваются определением БПК5, т. е. биохимического потребления кислорода 1 л воды в течение 5 суток. Для природных вод БПК5 составляет примерно 70% от полного БПК20. В чистых водоемах БПК5 меньше 2 мг, в относительно чистых водоемах БПК5 находится в пределах 2-4 мг 02 на 1 л (БПК20 3-6 мг 02 на 1 л).

Способность водоема самоочищаться имеет пределы. При сильном загрязнении органическими веществами возникает недостаток растворенного кислорода, отчего развивается анаэробная микрофлора. В результате гнилостных процессов вода и воздух над ней загрязняются зловонными газами, и водоем выбывает из строя не только как источник водоснабжения, но и как физкультурный, оздоровительный и хозяйственный объект. Снижение содержания кислорода в воде до 1,5-2 мг/л вызывает замор рыб, достигающий катастрофического характера при снижении до 1 мг/л. У небольших и особенно непроточных водоемов способность к самоочищению невелика.

При необходимости использовать открытый водоем для водоснабжения следует, во-первых, отдать предпочтение крупным и проточным неурегулированным водоемам, во-вторых, охранять водоем от загрязнения бытовыми и промышленными сточными водами и, в-третьих, надежно обеззараживать воду. Часто, кроме обеззараживания, приходится еще очищать воду от взвешенных веществ и цветности.

В последнее время открытые водоемы все чаще используются как источники водоснабжения для водопроводов. До 85% воды, подаваемой городскими водопроводами СССР, забирается из открытых водоемов. Это объясняется развитием и усовершенствованием техники очистки и обеззараживания воды, а также тем, что огромное водопотребление современных крупных городов не может быть обеспечено подземными водами. В местностях, где протекают лишь небольшие реки, дебит воды в них может оказаться недостаточным для водоснабжения крупных городов. Для того чтобы разрешить вопрос водоснабжения, в подобных условиях искусственно повышают полноводность реки путем устройства плотин и водохранилищ, в которых собираются большие запасы воды во время паводка. В последние годы исключительно широкое строительство прудов и водоемов развернулось в местностях, бедных поверхностными и пресными грунтовыми водами, например в районах освоения целинных земель. При устройстве искусственных водохранилищ необходимо проводить ряд специальных мероприятий, чтобы обеспечить хорошее качество воды и предупредить ее цветение. Эти мероприятия состоят в подготовке чаши будущего водохранилища, в частности освобождении ее территории от растительности, углублении берегов, устройстве вокруг водохранилищ не менее стометровой защитной зоны зеленых насаждений, запрещении вспахивания берегов и выпаса на них скота и т. д.

В связи с изложенным о гигиенической характеристике водоисточников разного происхождения ГОСТ 2761-57 предлагает при выборе источников водоснабжения в первую очередь ориентироваться на напорные, межпластовые - артезианские воды. При невозможности их использования изыскивают другие в следующем порядке: а) межпластовые безнапорные воды, в том числе родниковые; б) грунтовые воды; в) открытые водоемы.