Водоснабжение Крыма можно организовать под землей

«Ъ-Наука» продолжает рассказывать об эффективных и наименее затратных вариантах решения проблемы пресной воды в Крыму.

На сегодня единственным источником пресной воды в Крыму остались атмосферные осадки, которые пополняют водохранилища, и незначительный на общем фоне забор воды из артезианских скважин. Между тем с подземными водами в Черное море стекает с полуострова не меньше пресной воды, чем поступало сюда из Днепра по Северо-Крымскому каналу. Устройством подземных плотин часть этой воды можно сохранить и использовать на нужды жителей Крыма и тем самым если не окончательно решить, то заметно сгладить проблему нехватки пресной воды на полуострове в засушливые годы.

Потерянные кубокилометры пресной воды

Огромный объем пресных подземных вод в Крыму безвозвратно теряется в результате их субмариной разгрузки, то есть выхода подземных пресных вод под поверхностью моря. До перекрытия Украиной в 2015 году Северо-Крымского канала на полуостров поставлялось в год порядка 1,6 млрд куб. м днепровской воды. При этом общие транспортные потери на испарение и фильтрацию в подземные водоносные горизонты за год составляли 0,7 млрд куб. м. Таким образом, для удовлетворения своих нужд Крыму оставалось 0,9 млрд куб. м днепровской воды в год. Объем же субмариной разгрузки пресных вод в Крыму, по оценкам гидрогеологов, ежегодно измеряется кубокилометрами (1 куб. км = 1 млрд куб. м). Понятно, что даже частичное вовлечение их в хозяйственный оборот может значимо восполнить дефицит пресной поды на полуострове, который сложился здесь в результате перекрытия Украиной Северо-Крымского канала.

Субмаринная разгрузка пресных вод имеет весьма широкое географическое распространение, и с античных времен люди ими пользуются, но даже самые современные технологии их использования работают по принципу перехвата субмаринной разгрузки на уровне моря или на метровых глубинах, обычно в береговых гротах. На сегодня в Крыму известно всего два таких места, удобных для перехвата сравнительно небольших объемов пресной воды,— у мыса Айя близ Балаклавы и на Карадаге. Субмаринные разгрузки пресных вод глубже и дальше от берегов остаются недосягаемыми, не говоря уже про так называемую рассредоточенную разгрузку, когда пресная вода просачивается через донные осадки на огромных площадях морского дна.

Принципиальным решением проблемы субмаринных вод может стать фактическое сокращение их объема за счет перевода из категории «субмаринных» в категорию «подземных» в результате перекрытия путей разгрузки в акваторию моря. Для этого, по аналогии с поверхностными водами, в управлении которыми используются плотины и дамбы, нужно применять подземные водозадерживающие сооружения (ПВС) — такое название используют специалисты, мы для удобства условимся называть их подземными плотинами (ПП).

Строительство ПП на пути движения подземных вод позволит накапливать их в естественных пустотах горного массива и откачивать на поверхность для удовлетворения жизненных потребностей. Проще говоря, речь идет о создании в дополнение к традиционным водохранилищам, питающимся реками, подземных водохранилищ, пополняющихся подземными водами.

Сложности управления подземными водными ресурсами

За время многовекового использования плотин и дамб был накоплен огромный опыт их строительства. Созданы различные конструкции этих гидротехнических сооружений, подобраны оптимальные строительные материалы, разработаны научные основы расчета устойчивости и обеспечения долговременной надёжной эксплуатации. Словом, наземными водными ресурсами человек научился довольно неплохо управлять.

С подземными водами ситуация иная, хотя и тут накоплен некоторый опыт, правда, он касается не столько собственно подземных вод, полезных для нужд человека, сколько вод «вредных», осложняющих горные и строительные работы, и подземных жидких техногенных объектов. К последним относятся подземные хранилища различных жидких материалов, а также месторождения твердых полезных ископаемых, эксплуатируемые с применением гидрометаллургических технологий (с закачкой в недра больших объемов воды, химических и бактериальных растворов).

Управление же ресурсами пресных подземных вод, идущих на нужды человека, пока в основном пассивное. При этом принимается во внимание, что принципиальной разницы между обычным деревенским колодцем и современными глубокими артезианскими скважинами нет. При увеличении дебита как колодца, так и скважин до определенного предела эксплуатация водозабора из них не вызывает серьезных проблем. Происходит естественное восполнение извлеченных запасов. Превышение же этого предела приводит к техническим осложнениям: падает водоотдача, происходит подсос некондиционной воды из соседних объектов, например, соленой воды из близко находящегося моря. Такие факты зафиксированы в Израиле на участке побережья протяженностью более 30 км между городами Ашдод и Сдерот, в Крыму в районе города Саки.

В практике горных и строительных работ на данный момент применяются два типа водозадерживающих конструкций: противофильтрационная завеса (ПФЗ) инъекционного типа и барражная завеса. Оба имеют свои плюсы и минусы. Для создания инъекционной ПФЗ бурится цепочка скважин с определенным шагом. В скважины под давлением подается песчано-цементный раствор, который через отверстия в обсадных колоннах поступает в водоносные породы и закрепляет их, образовывая цилиндрические зоны, непроницаемые для воды.

Закрепленные зоны должны замыкаться на такие же от смежных скважин, образуя при этом сплошную водонепроницаемую завесу. На практике достичь этого сложно, а зачастую невозможно. Из-за искривления при бурении вертикальных скважин, а также анизотропии проницаемости пород водоносного комплекса в завесе остаются незатампонированные «окна», через которые вода будет уходить за пределы завесы.

Более надежную преграду подземным водам способна обеспечить барражная завеса. Она сооружается проходкой вертикальной щели шириной 0,3–0,5 м специальными самоходными устройствами — барражными машинами и бурением сплошного ряда скважин. Образованную щель заполняют глиной или цементным раствором, то есть по сути получается подземная плотина. Недостатком тут является то, что применять ее можно только для неглубоко залегающих (до 30–40 м) водоносных пород, а затраты на ее сооружение значительно увеличиваются за счет подготовки технологической площадки и прокладывания дороги к ней. К тому же нарушается ландшафт, и возникают негативные последствия для экологии.

По всем этим причинам возникает насущная необходимость разработки простой, безопасной технологии строительства ПП на любой глубине без ограничения ее геометрических параметров, с минимальным воздействием на экологию. На данный момент нами разработаны и проходят процесс патентования новые технические решения сооружения подземных плотин. Такие ПП могут быть востребованы при водопользовании подземными источниками, в том числе для перекрытия стока субмаринных и поднятия подрусловых вод, а также в строительстве подземных хранилищ жидких продуктов, в технологиях подземного выщелачивания металлов, в том числе с использованием бактерий.

Попутно заметим, что подземное выщелачивание вообще может получить новое направление развития. С помощью ПП вполне реально отделить целое месторождение подземной плотиной от вмещающего горного массива, то есть огромный объем руды вместить в замкнутую емкость, что позволит производить выщелачивание металлов без извлечения руды из недр, предварительно разрушив ее целостность одним из известных способов — буро-взрывным, гидроразрывом и другими.

Подземные плотины обладают одним уникальным свойством, выгодно отличающим их от наземных гидротехнических сооружений. Увеличение размеров ПП как по длине, так и по высоте не требует их конструктивного усиления, так как все механические нагрузки принимает на себя массив горных пород, возможности которого по этому показателю практически безграничны. Иными словами, теоретически даже водонепроницаемая пленка сколь угодно больших размеров, внедренная в горный массив, способна надежно выполнять функцию подземной плотины. Единственным критерием, ограничивающим размеры строящейся ПП, будет экономика мероприятия.

Технология строительства подземных плотин

Заданные требования к ПП по надежности, геометрическим параметрам и глубине расположения могут быть достигнуты, если для выполнения строительных технологических операций обеспечить следующие условия:

1. Непосредственный доступ исполнителей и техники к месту производства работ;
2. Механизированная доставка строительных и конструкционных материалов;
3. Высокий уровень механизации всех переделов работ;
4. Прямой контроль за качеством сооружаемой конструкции;
5. Возможность закладки датчиков для организации долговременного дистанционного мониторинга за состоянием ПП.

Непосредственный доступ людей и техники к месту производства подземных работ и доставку материалов обеспечивает подходная выработка. В зависимости от конкретных условий эту роль могут выполнять горизонтальная штольня или наклонный ствол (наклонная штольня), встроенные в рельеф местности в максимально щадящем режиме.

При этом дневная поверхность, как говорят геологи, то есть поверхность земли, практически не нарушается, что особенно важно для уникальной природы горного Крыма.

Конструкция ПП, последовательность и детали ее строительства — на рисунке. Минимум механических нагрузок, воспринимаемых непосредственно подземной плотиной, позволяет применять в ее конструкции пластичные нетвердеющие материалы, например глину, а также использовать гибкие закладные элементы. В результате получается эластичная конструкция, способная сохранять гидроизоляционные свойства при деформациях горного массива, вызванных природными или техногенными сейсмическими процессами.

Очень важно отметить еще одно обстоятельство, увеличивающее темпы строительства. Технологически самый медленный — начальный этап. Он представляет собой проходку первичной подготовительной выработки. Как известно, проходка линейной выработки тормозится обязательной цикличностью производства работ, когда один цикл, включающий бурение и заряжание шпуров, взрывание, проветривание и отгрузку взорванной породы, занимает довольно много времени, а обеспечивает продвижение всего лишь на 2,0–2,5 м. В последующие этапы строительства сразу обуривается и отбивается от боковой стенки выработки секция протяженностью в десятки метров, то есть тормозящее влияние цикличности на темпы работ значительно снижается.

Описанный выше способ сооружения подземной плотины технологически прост и безопасен. Все операции стандартны для подземных горных работ.

Естественно, предварительно требуется провести гидрогеологические исследования, инженерные изыскания, экологические экспертизы, составление проекта и т. д. Но, как показывает практика, инновации в России зачастую нельзя просто «использовать», их нужно «внедрять». Термин говорит сам за себя, нужно преодолевать непонимание, нежелание и даже сопротивление людей, от которых зависит реализация новой технологии.

Хорошо, если это технические специалисты, есть шанс убедить их инженерным языком, но не они обладают правом принятия решений. К тому же, в данном случае масштаб проблемы превышает компетенции властей Крыма и Севастополя, критично нуждающихся в воде, во всяком случае именно это вытекает из их официальных ответов (имеются в редакции «Ъ-Наука».— Ред.).

Сейчас предложение о проведении экспертной оценки работоспособности способа управления подземными водами конкретно для гидрогеологических условий Крыма находится на рассмотрении в Министерстве природных ресурсов и экологии Российской Федерации.

Информационные источники:

1. Способы защиты горных выработок, 19.08.2016.

2. Желябовский Ю.Г. «Простая передвижная крепь — основа механизированной технологии добычи кимберлита системой подземной разработки с сыпучей закладкой» // «Горная промышленность», 2018, №5, c.70–71.

3. Желябовский Ю.Г. «Подземные плотины — новые возможности решения проблем горного производства и подземного выщелачивания» // «Горная промышленность», 2019, №5 (144), c.83–85.

Юрий Желябовский, кандидат технических наук, заместитель генерального директора ООО «Алмазинтех — консультации и инжиниринг»