Исследование гидрогеологических условий в районе дома Севастьянова в г. Екатеринбург

Ведение

Дом Севастьянова является одним из самых красивых сооружений г. Екатеринбурга. Он построен в 19 веке под руководством архитектора А.И. Падучева. В дальнейшем дом многократно менял своих хозяев и свое назначение. В 2008-2009 г.г. была проведена реконструкция здания под резиденцию президента России на саммите ШОС. В настоящее время является домом приема почетных гостей Свердловской области.

Реконструкция старинного здания ухудшила условия дренирования участка размещения этого здания, т. к. после ее проведения стало происходить переувлажнение и подтопление его подвальной части.

Дом Севастьянова внесён в перечень объектов культурного наследия федерального значения.

Анализ состояния вопроса

Подземные воды на Урале приурочены исключительно к зонам трещиноватости, поэтому водообильность водоносных горизонтов определяется степенью трещиноватости водовмещающих пород. Район исследований расположен на площади развития водоносного комплекса зон трещиноватости вулканогенно-осадочных образований силура, девона и карбона, выделяющегося в бассейне грунтовых вод зон трещиноватости в породах среднего и нижнего палеозоя восточного склона Урала. Глубина распространения трещинной зоны выветривания вулканогенно-осадочных пород равна 30–100 м при преобладающих значениях до 40-50 м. Повышенной глубиной распространения характеризуются трещинные зоны на площади тектонически ослабленных участков и придолинных территориях рек, минимальной – на водоразделах. Уровень подземных вод залегает на глубине 0–35 м, реже 50–60 м от дневной поверхности, в общих чертах он повторяет рельеф дневной поверхности. Водообильность комплекса неравномерная, но в целом низкая. Дебиты родников, приуроченных к комплексу, изменяются от 0,02 до 25 л/с, дебиты скважин – от 0,05 до 80 л/с. Наиболее характерные дебиты родников и скважин составляют соответственно 0,1–0,5 и 0,2–1 л/с, удельные дебиты скважин равны 0,01– 0,5 л/с [1].

Подземные воды зон трещиноватости обычно гидравлически взаимосвязаны и имеют безнапорный характер, по геоморфологическим и структурно-фациальным условиям они образуют небольшие бассейны с интенсивным водообменом, что предопределяет развитие ультрапресных и пресных вод. Вертикальная гидрохимическая зональность на Урале отсутствует, по площади она проявляется в соответствии со сменой климатических и ландшафтных зон, а также литологического состава водовмещающих пород. Рассматриваемый водоносный комплекс на Среднем

Урале содержит преимущественно гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с минерализацией до 0,5 г/дм3, характерный химический состав этих

НСО 88

Са 60 Мд 32

вод представлен следующей формулой солевого состава: M _o,₃

По данным инженерных изысканий[2], выполненных в рамках реконструкции здания в июне 2008 г., уровень вскрытых скважинами вод комплекса установился на глубинах 3,2–3,5 м или соответственно на абсолютных отметках 245,78–245,33 м.Подземные воды на рассматриваемом участке имели сульфатно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав. Минерализация составляла 837-1047 мг/дм3, величина pH была равна 6,26,5, общая жесткость - 5,2-6,3 мг-экв/дм3.

Для изучения уровенного режима и химического состава подземных вод в 2012 г. Была пробурена наблюдательная скважина 1-н глубиной 6,2 м. В целях предотвращения подтопления исторического здания в его подвале пройдены два зумпфа, уровень воды в которых регулируется насосами путем откачки в щадящем режиме.

Местоположение дома Севастьянова и указанных скважин отмечено на рисунке 1.

Рисунок 1 - План расположения Дома приема почетных гостей в г. Екатеринбурге со схемой гидроизогипс грунтовых вод на 11-17 июня 2014 г.

Результаты исследований и их рассмотрение

В соответствии с данными годового цикла наблюдений (2013 г.) глубина уровня подземных вод от поверхности менялась от 1,9 до 6,2 м и больше и зависела в основном от условий их питания атмосферными осадками (рисунок 2). По данным метеостанции г. Екатеринбурга среднее многолетнее количество осадков для территории города равно 497 мм, из которых 3 83 мм или 77% приходятся на апрель-октябрь. В 2011-2013 гг. количество осадков изменялось от 420 до 490 мм и было несколько меньше их средней величины по данным многолетних наблюдений. В апреле–ноябре 2013 г., когда происходило пополнение запасов грунтовых вод за счет атмосферных осадков, средняя глубина уровня этих вод была равна 3,3 м и соответствовала абсолютной отметке 245,5 м.

Рисунок 2 - Изменения среднемесячных уровней подземных вод по скважине 1-н в 2013 г.

В наиболее благоприятный для питания подземных вод период, приходящийся на апрель-май, средняя глубина их залегания уменьшалась до 2,5-2,6 м. Во время отсутствия питания рассматриваемых вод в январе-марте и декабре уровень подземных вод находился в основном ниже забоя скважины, имеющего абсолютную отметку 242,61 м. Нормальный уровень воды в городском пруду, расположенном в 50 м к западу от объекта, имеет абсолютную отметку 242,5 м, уровень воды в р. Исеть в нижнем бъефе пруда находится на абсолютной отметке 235 м. Следовательно, уровень грунтовых вод на участке расположения исторического здания в период зимне-весенней межени опускается до отметки городского пруда. Возможно, он опускается даже несколько ниже уровня воды в пруду под дренирующим влиянием р. Исеть, вытекающей из пруда в 230 м к юго-западу от объекта (см. рисунок 1).

По результатам наблюдений, проведенных с июня по декабрь 2013г. включительно, уровень воды в зумпфе 1 с абсолютной отметкой устья 246,48 м поддерживался на уровне 246,24-246,45 м. Весьма вероятно, что при отсутствии периодической откачки вода поднялась бы выше устья зумпфа и подтопила подвал. За весь 2013 г. уровень вод водоносного комплекса зон трещиноватости в отложениях силура поднимался по наблюдательной скважине 1 -н до отметки пола подвала и выше в течение 65 дней, из которых 44 приходилось на апрель и май. В остальное время года уровень подземных вод в скальных грунтах находился ниже пола подвала и, следовательно, ниже уровня подземных вод, поступавших в водосборные зумпфы весь период наблюдения. Приведенные данные позволяют говорить о том, что водопроявления в подвале связаны преимущественно с локальными водоносными зонами. Образование этих зон носит, вероятно, техногенный характер за счет утечек из водонесущих коммуникаций, т.к. поступление воды в зумпфы носит относительно стабильный характер, менее зависящий от сезона года, чем уровень грунтовых вод.

Для исследования химического состава и агрессивности подземных вод в 2013 г. отбирались две пробы воды из наблюдательной скважины 1 -н и по одной пробе из приямков. По результатам лабораторных работ значительных изменений в составе и свойствах подземных вод не выявлено [3].

В 2014 г. Были проведены новые исследования гидрогеологических условий участка расположения объекта в целях разработки проекта водопонижения. В феврале-марте были пробурены три инженерногеологические скважины:1, 2, 3 и гидрогеологическая наблюдательная скважина 4 глубиной по 6 м. Скважины 1 и 3 после выполнения инженерно -геологических работ оборудованы в качестве наблюдательных за режимом подземных вод. Кроме этого продолжались наблюдения по скважине 1-н, о которой уже говорилось ранее. Таким образом, в 2014 г. наблюдения за уровенным режимом подземных вод велись по сети из 4 скважин, размещенных по углам участка расположения Дома почетных гостей.

Данные гидрогеологических наблюдений выполненных в 2014 г. подтверждают в целом результаты мониторинга, проводившегося в 2013 г. по скважине 1-н. Как и в 2013 г. уровень подземных вод до начала снеготаяния находился ниже забоев скважин, а в апреле отмечалось наиболее значительное повышение зеркала этих вод. Создание сети скважин позволило на основании полученных по ним данных установить наличие значительного гидравлического уклона потока подземных вод с востока на запад. По результатам наблюдений за 2014 г. установлено, что абсолютная отметка уровня подземных вод в скважине 4 в среднем на 2,70 м меньше чем в скважине 1, соответствующее снижение уровня этих вод в скважине 3 относительно скважины 1-н равно 1,92 м. Согласно схемы гидроизогипс на период максимальных уровней подземных вод в 2014 г. основной поток грунтовых вод с рассматриваемого участка в период с апреля по ноябрь движется в сторону городского пруда, при понижении уровня подземных вод ниже поверхности данного водного объекта их движение очевидно переориентируется на р. Исеть (см. рисунок 1).

Несмотря на влияние антропогенных факторов, определяющую роль в формировании уровенного режима подземных вод играют атмосферные осадки. Вследствие прекращения питания рассматриваемого водоносного комплекса за счет поступления с поверхности атмосферных осадков в условиях отрицательных температур, уровень подземных вод в январе-марте и декабре 2014 г., как и в соответствующий период 2013 г., опускался ниже забоев скважин, т.е ниже 6 м от поверхности. В период с апреля по октябрь 2014 г. уровень подземных вод находился в зависимости от количества выпавших атмосферных осадков.

Отличительной особенностью 2014 г. является повышенное количество осадков, которое даже без учета декабря составило 600 мм и более чем на 100 мм превысило количество осадков в 2013 г. и среднее количество осадков за весь период многолетних наблюдений. Большое количество осадков в июне 2014 г., почти вдвое превысившее их количество в июне 2013 г., обусловило то, что максимальные уровни подземных вод по всем скважинам, кроме скважины 4, наблюдались в июне, а не в апреле как в 2013 г. Аналогичная ситуация с осадками сохранилась и в июле 2014 г., поэтому в этом месяце также сохранились повышенные относительно 2013 г. уровни подземных вод. Количество осадков в ноябре 2014 г. было небольшим, однако таяние снега, в большом количестве выпавшего в октябре, повлекло повышение уровня подземных вод по большинству скважин.

Следствием повышенного количества осадков явился и более высокий уровень подземных вод по скважине 1-н в 2014 г. относительно к их уровню в 2013 г. В апреле –октябре 2014 г. средний уровень этих вод по указанной скважине находился на глубине 2,5 м или на абсолютной отметке +246,31 м, в 2013 г. – на глубине 3,3 и или на абсолютной отметке +245,5 м. Вследствие хороших условий питания подземных вод за счет осадков, их уровень в 2014 г. в течении 4 месяцев превышал отметку пола подвала Дома почетных гостей в районе приямка (+246,48 м), что обусловило более значительное и длительное воздействие подземных вод на здание и его коммуникации. Данное обстоятельство подчеркивает необходимость выполнения мероприятий по ограничению уровня подземных вод на участке объекта в целях предотвращения отрицательного воздействия этих вод на данный объект.

Максимальные уровни подземных вод наблюдались в 2014 г.: в период весеннего паводка в апреле по скважине 1 и после выпадения большого количества осадков в июне, уровни подземных вод находились соответственно на глубине 2,66 м и 1,62 м от поверхности или на абсолютной отметке +247,19 м. При стечении неблагоприятных условий, например, при длительном выпадении большого количества дождей в период весеннего снеготаяния или сразу после него, максимальный уровень подземных вод, возможно, достигнет более высокого положения относительно наблюдавшегося. В то же время близость областей разгрузки подземных вод в виде городского пруда и самой р. Исеть ниже пруда служит ограничивающим фактором для подъема уровня этих вод на исследуемом участке. С учетом приведенных обстоятельств при сохранении существующих условий формирования подземных вод максимальный прогнозный уровень этих вод может достигнуть отметки +247,5 м.

Рассматриваемый водоносный комплекс в естественных условиях, как уже отмечалось ранее, заключает гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с характерной минерализацией 0,3 г/дм3. Подземные воды обладают хорошим качеством и широко используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Результаты гидрохимических исследований, выполненных в 2008 г. и 2013 г., свидетельствуют о весьма значительных изменениях химического состава подземных вод в районе объекта. Они стали сульфатно-гидрокарбонатными, натриево-кальциевыми, их минерализация достигала 1047 мг/дм3.

В 2014 г было провело исследование макро и микрокомпонентного состава подземных вод из скважин 1-4. Из микрокомпонентов определялось содержание 12 веществ: Cr, Mn, Co, Ni, Cu, ZnAs, Mo, Cd, Sb, Hd, Pb. Концентрация всех приведенных элементов оказалась значительно ниже ПДК для питьевых вод. В то же время результаты гидрохимических исследований макрокомпонентного состава этих же вод, подтверждают факт их загрязнения, выявленный при предыдущих исследованиях 2008 и 2013 годов. Более того по всем скважинам, кроме скважины 1-н, наблюдалось в целом более высокое содержание загрязняющих веществ в подземных водах. В соответствии с последними данными подземные воды по своему составу являются в основном сульфатно-гидрокарбонатными, натриево-кальциевыми, в них имеет место превышение ПДК для питьевых вод по минерализации, жесткости, окисляемости, нитратам, нитритам, аммонию и железу. Весьма значительное изменение химического состава подземных вод относительно естественного может быть объяснен лишь антропогенным загрязнением этих вод в условиях большого города. При этом на загрязнение подземных вод могли повлиять не только утечки из водонесущих коммуникаций, но и попадание загрязняющих веществ с поверхности, в частности за счет подкормки газонов и древеснокустарниковых насаждений. В современном составе подземных вод в больших количествах присутствуют вещества характерные для большинства минеральных удобрений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы исследования свидетельствуют о неудовлетворительных гидрогеологических условиях эксплуатации Дома почетных гостей в Екатеринбурге, обуславливающих подъем уровня грунтовых вод в течении значительной части года выше уровня пола подвальной части здания. Полученные данные позволяют также сделать вывод о том, что подъем уровня этих вод носит не разовый, а системный характер.

По результатам исследований рекомендовалось создание дренажа глубиной 4 м вдоль восточной границы дома Севастьянова, с целью перехватить находящуюся выше отметки дренажа часть потока грунтовых вод, движущегося с востока в направлении городского пруда. Этим же дренажем могут перехватываться подземные воды локальных обводненных зон техногенного характера, залегающие большую часть года выше горизонта грунтовых вод и являющиеся постоянным источником обводнения подвальной части исторического здания. Далее перехваченные воды по южной ветви дренажной системы отведутся за пределы участка расположения объекта. Уровень подземных вод на рассматриваемом участке будет круглый год находиться значительно ниже подвала исторического здания, что полностью исключит возможность его подтопления и повлечет уменьшение влажности в заглубленных частях здания. Отпадет также необходимость в поддержании действующего в настоящее время водоотлива из подвальной части здания.