В долинах рек рассматривается так называемая <зона гипорейка> - переходная зона между поверхностными речными водами в русле рек и собственно подземными водами в водоносных горизонтах, окружающих реку. В ней происходит внедрение речных вод в водоносные горизонты с последующей разгрузкой потоков снова в реку ниже по течению. В гидрологических исследованиях [1, 2] и многих других, рассмотрены факторы, влияющие на формирование гипореических потоков. Это - формы топографии ложа рек, в том числе чередование плесов и перекатов, излучины меандр рек и стесненные участки русла рек; уровни воды в реках и их колебания, уклон дна реки и его рельеф, уровни водоносных горизонтов на окружающих реки территориях, состав аллювия и его коэффициенты фильтрации. На размер зоны гипорейка влияют также биологические процессы - источники пищи и биотические взаимодействия.

Дело в том, что зона гипорейка первоначально была выделена по наличию разнообразных сообществ беспозвоночных, содержащих элементы, поступающие как из бентоса, живущего на поверхности донных отложений, так и фауну, характерную для подземных вод [2]. Гипореическая фауна беспозвоночных разделяется на три широких группы, основанных на их близости к среде обитания: stygoxen, существование которых в значительной степени ограниченно поверхностной водой; stygophile, способные провести часть жизни в зоне гипорейка, но без адаптации к подземной жизни, и stygobite, адаптированные к условиям подземных вод. Гипореическая фауна попадает в зону гипорейка с речной водой, которая несет вместе с микроорганизмами еще растворенный кислород, органическое вещество, соединения азота, другие химические компоненты, в том числе загрязнители.

Микроорганизмы существуют на зернах отложений водоносного горизонта в виде биопленки, в ней протекают биогеохимические процессы. Метаболизм здесь активный, скорости окисления и нитрификации высоки. По мере удаления потока воды от реки, увеличения времени присутствия речных вод в водоносном горизонте, смешивания поверхностных вод с подземными водами их химический состав изменяется, уменьшается концентрация растворенного кислорода, в гипореической фауне начинают преобладать stygobites, поскольку кислород как источник питания исчерпывается, микроорганизмы в пленке меняются от аэробных к анаэробным. Нитрат преобразуется через денитрификацию, и азот используется микробами для дыхания. Поскольку окислительно-восстановительный потенциал понижается и дальше, метаногенезис в конечном счете происходит в бескислородных отложениях. Таким образом, в различных пунктах потока в зоне гипорейка становятся преобладающими другие химические процессы, и они имеют прямые последствия для местных микробов и stygofauna. Особая роль зоны гипорейка состоит в процессах, происходящих с попадающим сюда из реки контаминантом. Главный из них - процесс биологического распада (биодеградация).

В процессе эксплуатации береговых водозаборов подземных вод при определенных гидрогеологических и гидрологических условиях возникает, и многие годы существует постоянный приток речных вод в эксплуатируемый водоносный горизонт (береговая фильтрация). В течение одного года и в разные годы этот поток в зависимости от производительности водозабора может изменяться по объему и составу воды, а в зависимости от гидрологического режима реки и состояния ее русла может даже менять направление движения. При этом идет постоянный процесс смешивания поверхностных вод с подземными водами горизонта.

Можно предположить, что при эксплуатации береговых водозаборов вместе с потоком поверхностных вод в водоносные горизонты проникают все группы гипореических беспозвоночных, а также все специфические контаминанты, существующие в реке на участке поступления воды к водозаборным скважинам. Вместе с поступлением поверхностных вод в водоносном горизонте должны меняться насыщенность кислородом, амплитуда колебания температуры воды, биогеохимические градиенты в потоке питательных веществ (типа азота) и т.д. Поэтому в определенном смысле зону береговой фильтрации поверхностных вод к водозабору можно считать своего рода разновидностью зоны гипорейка.

Происходящие в зоне береговой фильтрации процессы, аналогичные процессам зоны гипорейка, могут существенно определять качество воды в береговом водозаборе. Более детальный, по сравнению с традиционными моделями массопереноса, масштаб рассмотрения путей фильтрации в совокупности с учетом гипореических процессов, должен привести к более точной оценке переноса растворенных в воде химических веществ из речных вод в подземные и обратно. В такой постановке задача прогноза качества воды должна опираться на определение конкретных путей движения грунтовых вод к эксплуатационным скважинам, выявление процессов взаимосвязи водоносных горизонтов с рекой на участке водозабора, состоящее из изучения пространственных (элементы русла, площадь дна реки и водосбор) и временных (суточные, сезонные, ежегодные) изменений в этих процессах. Наличие такой специфической зоны должно учитываться при организации мониторинга качества воды в водозаборе.

На примере водозабора в долине р. Усмань в системе действующих водозаборов г. Воронежа рассмотрено формирование потока речных и подземных вод к береговому водозабору. На реке задавался уровень воды с учетом уклона дна, конфигурация речного русла задавалась с учетом существующей меандры и притока. Была создана региональная модель водосбора реки на участке расположения берегового водозабора, затем сделана детальная модель-врезка. Уровень водоносного горизонта под влиянием водоотбора на большей части реки напротив скважин оказался оторванным от ее дна. Линии тока к разным скважинам водозабора различны по конфигурации и длине.

Как показало моделирование, на разных участках реки при отрыве уровня воды интенсивность поступления речной воды в горизонт меняется от 240 м³/сут до 0,01 м³/сут на каждый блок сетки, что определяется расстоянием до водозаборных скважин, наличие меандры и притока и уклоном уровня воды в реке. Надо отметить, что другие геоморфологические черты строения русла реки, примеры которых рассматривались в иностранных публикациях, в модели-врезке не заданы.

Для иллюстрации зависимости состава контаминантов в водозаборных скважинах от конфигурации линии тока проведен прогноз миграции показательного патогенного микроорганизма E. coli на двух профильных моделях: без отрыва уровня воды от дна реки и с отрывом уровня.

Расчет по профилю, на котором нет отрыва уровня воды от дна реки, показал, что при учете инактивации и неравновесной сорбции граница концентрации E. coli ниже ПДК (0,002 м.т./л) за 400 суток устанавливается под рекой на глубине 28 м, распространяется на 275 м от реки, не доходя до скважин 105 м. Иная картина продвижения контаминанта в профиле с отрывом уровня от дна реки. При учете инактивации и неравновесной сорбции за тот же период времени концентрация E. coli ниже ПДК наблюдается по всей толще водоносного горизонта под рекой и распространяется на 275 м от реки, не доходя 25 м до скважины. Очевидно, прогноз бактериального загрязнения водозабора следует проводить с учетом особенности движения поверхностной воды от реки к скважинам и с учетом процессов, проходящих в зоне смешения поверхностных и подземных вод.

Литература
1. Fraser B. G., D.D. Williams, K.W.F. Howard Monitoring biotic and abiotic processes across the hyporheic/groundwater interface / Hydrogeology Journal, v.4, no 2, 1996. P. 36-50.
2. Gounot A. M. Microbial Ecology of Groundwaters / Groundwater Ecology, Edited by Janine Gibert, 7. ACADEMIC PRESS, 1994. P. 187-215.