ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Эколого-гидрогеологические проблемы использования подземных вод для водоснабжения Г. Москвы

В качестве примера предполагаемого крупного отбора под­земных вод и связанных с этим природоохранных ограничений рассмотрим проблемы водоснабжения г. Москвы.

Как отмечалось выше, пресные подземные воды широко ис­пользуются для водоснабжения городского населения России. Питьевое водоснабжение большинства небольших городов с населением менее 100 тыс. человек в каждом поч"гй полностью основано на подземных водах. Третья часть крупных городов с населением свыше 250 тыс. человек, использует для питьевого водоснабжения исключительно подземные воды, и еще треть - подземные и поверхностные воды совместно. Однако водоснаб­жение крупнейших городов России и прежде всего таких мно­гомиллионных городов как Москва и Санкт-Петербург основа­но почти полностью на поверхностных водах.

До настоящего времени Москва остается одним из немно­гих крупных городов России, практически не использующих для питьевого водоснабжения подземные воды. Выход из строя во­дозаборов в связи с возможными аварийными ситуациями при­водит к загрязнению поверхностных вод. Поэтому использова­ние защищенных от загрязнения пресных подземных вод напор­ных водоносных горизонтов должно повысить надежность системы хозяйственно-питьевого водоснабжения города.

Следует отметить, что в последние годы различными прави­тельственными, водохозяйственными и природоохранными орга­низациями России, и в первую очередь Москвы и Московской области, а также ведущими проектными и научными организа­циями широко обсуждается вопрос о повышении водообеспе - ченности столицы как в настоящее время, так и на перспективу. Ухудшение качества поверхностных вод, используемых в насто­ящее время для питьевого водоснабжения, делает эту проблему особенно актуальной. При этом большое внимание уделяется оценке и обоснованию возможностей более широкого привле­чения пресных подземных вод Московского региона для обес­печения потребностей населения в воде питьевого качества.

Рассмотрим более подробно ситуацию, связанную с исполь­зованием подземных вод для водоснабжения г. Москвы, тем бо - лее, что экологические аспекты в интенсификации отбора под­земных вод в этом районе вызывают тревогу его жителей.

Состав и свойства подземных вод изучены в пределах Мос­ковского региона до глубин, составляющих примерно 1500 м. Пресные подземные воды с минерализацией до 1 г/л распрост­ранены до глубин в среднем 250-300 м, в отдельных районах до глубин всего 80-100 м. Широкое использование подземных вод в этом регионе началось во второй половине XIX столетия. Сна­чала скважины бурились только на первый и второй от поверх­ности водоносные горизонты каменноугольных отложений, а к началу XX века стали эксплуатироваться все основные напор­ные водоносные горизонты карбона. В связи с ростом отбора подземных вод в области создана специальная наблюдательная сеть скважин на напорные и безнапорные водоносные горизон­ты. В настоящее время эта сеть включает около 1100 наблюда­тельных скважин.

Геолого-гидрогеологический разрез территории Москов­ской области представлен двумя гидрогеологическими эта­жами: нижним, сложенным преимущественно известняками ка­менноугольного возраста, и вышележащими рыхлыми песчано - глинистыми отложениями мелового и четвертичного возраста. Эти водоносные толщи разделены регионально выдержанным водоупором юрских глин мощностью от 8-10 до 30-40 м, кото­рые в долинах рек часто размыты.

Добыча подземных вод на территории г. Москвы и Московс­кой области началась почти 300 лет назад. Она значительно ин­тенсифицировалась к концу XIX века, когда начали эксплуати­роваться пресные подземные воды напорных водоносных гори­зонтов каменноугольных отложений. В настоящее время в пределах Московского региона и близлежащих территорий на учете находятся более 10000 водозаборных скважин. Для всей территории Московского региона еще в середине 80-х годов была создана постоянная компьютерная геоинформационная модель, являющаяся прототипом современных геоинформационных си­стем (ГИС), и позволяющая оценивать взаимодействие водоза­боров и региональные изменения гидрологической и гидрогео­логической ситуации при изменении величины и режима водо­отбора (Н. С. Пашковский, Д. И. Ефремов, Ю. О. Зеешфер). Ее применение позволяет прогнозировать возможные изменения речного стока при увеличении (или уменьшении) отбора под­земных вод водозаборами подземных вод приречного типа.

Естественные ресурсы пресных подземных вод основных водоносных горизонтов каменноугольных отложений, характе­ризующие среднемноголетнюю величину их восполнения, со­ставляют около 100 м3/с при среднегодовом модуле подземного стока примерно 2 л/с км2. Учтенный водоотбор подземных вод в среднем составляет примерно 50 м3/с.

В результате длительной интенсивной эксплуатации уровни подземных вод в водоносных горизонтах карбона снижены на десятки метров (до 80-100 м в городах Загорск, Балашиха, Лю­берцы, Подольск, Химки и др.). Следует подчеркнуть, что ин­тенсивный отбор подземных вод пока не привел к заметным последствиям в ландшафтах и растительности, а также к умень­шению местного речного стока.

По данным Ю. О. Зеегофера с соавторами (1991), примерно 80% водоотбора подземных вод осуществляется городскими водозаборами, в зонах расположения которых в последние го­ды ухудшилась экологическая обстановка. Эти водозаборы, особенно расположенные в г. Москве и ближайших его окрест­ностях, работают в условиях постоянного риска загрязнения. Ухудшение качества подземных вод этих водозаборов, особен­но в районах, находящихся вблизи г. Москвы, а также высказан­ные выше соображения о водообеспеченности столицы, вызва­ло необходимость разработки специальной "Генеральной схе­мы объединенной системы водоснабжения г. Москвы и Москов­ской области с использованием подземных источников".

Для решения проблемы более широкого использования пре­сных подземных вод хорошего качества в течение нескольких лет были разведаны 4 крупных месторождения подземных вод, находящихся в радиусе примерно 100—120 км от города. Общий отбор подземных вод в объединенной системе водоснабжения из новых четырех крупных водозаборов предусмотрен в количе­стве 2,7 млн. м3/сут. При этом общий отбор подземных вод на территории Московского региона не должен превышать вели­чины их естественных ресурсов (питания), которые оценены в 8,7 млн. м3/сут.

При распределении эксплуатационных запасов подземных вод между Москвой и Московской областью приоритет отдан городам Московской области. Потребность области в воде со­ставляет 5 млн. м3/сут. Ее планируется удовлетворить как за счет подземных вод месторождений, не включенных в объединен­ную систему (3,8 млн. м3/сут), так и месторождений, входящих в эту систему (1,1 млн. м3/сут). Предусматривается, что только после удовлетворения перспективной потребности в подземной воде питьевого качества городов Московской области возмож­но их использование для водоснабжения самого г. Москвы.

Известно, что требованиями Государственного стандарта России "Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Защита си­стемы хозяйственно-питьевого водоснабжения", установлено, что водоснабжение средних и крупных городов должно быть основано на не менее, чем двух независимых источниках во­доснабжения.

Одним из таких источников должны быть подземные воды, минимальная доля которых в водоснабжении города должна быть достаточной, чтобы иметь возможность обеспечивать беспере­бойную подачу питьевой воды населению при отключении по­верхностных водоисточников в период их аварийного загрязне­ния. "Генеральной схемой..." предусматривалось комплексное решение двух важных проблем: водообеспечение подземной во­дой питьевого качества ряда городов и населенных пунктов Мос­ковской области и создание автономного источника резервного водоснабжения столицы на случай непредвиденных природно - техногенных катастроф, исключающих возможность использо­вания подземных вод.

В "Схеме..." обосновывается возможность использования подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения на­селения Московского региона. "Схемой..." предусматривается создание объединенной системы водоснабжения, состоящей из четырех систем водозаборов подземных вод (Северной, Юж­ной, Восточной и Западной) с общим отбором подземных вод 2,7 млн. м3/сут (соответственно 860,1200,500 и 140 тыс. м3/сут). При разработке "Схемы..." авторы исходили из следующих ос­новных принципиальных соображений:

- интенсификация использования подземных вод в Москов­ском регионе является единственным, практически не имеющим альтернатив способом повышения надежности водоснабжения столицы России и близлежащих районов;

- общий отбор подземных вод на территории Московского региона не должен превышать величину их естественных ресур­сов, иными словами, не должен быть больше величины их ежегод­ного естественного восполнения (за многолетний период):

- в первую очередь должна быть удовлетворена потребность в воде питьевого качества городов Московской области (около 5 млн. м3/сут). Ее планируется удовлетворить как за счет уже существующих разведанных и эксплуатируемых месторождений подземных вод области, не включенных в объединенную систе­му (3,8 Млн. м3/сут), так и новых месторождений на указанных 4-х участках, включенных в эту систему (1,1 млн. м3/сут);

- на водоснабжение самого города Москвы будет использо­ваться только часть запасов подземных вод, которая остается после удовлетворения потребностей в воде Московской обла­сти (1,6 млн. м3/сут).

В процессе оценки перспективных возможностей интенси­фикации использования подземных вод с помощью математи­ческих моделей изучалось взаимодействие между существую­щими и проектными водозаборами.

Предлагаемые к использованию 2,7 млн. м3/сут подземных вод рекомендовалось распределить между отдельными систем­ами следующим образом: Северная система - 0,8, Южная си­стема - 1,2, Восточная система - 0,56 и Западная система - 0,14 млн. м3/сут.

Как указывалось выше, первоначально предполагалось, что производительность водозаборов, входящих в объединенную систему водоснабжения, составит около 2,7 млн. м3/сут, из ко­торых 1,6 млн. м3/сут планировалось подавать в Москву. Одна­ко, в последнее время установлено, что дополнительная вода городу не нужна, что вызвано прежде всего осуществляемыми и планируемыми мероприятиями по экономии воды и уменьше­нию общей потребности в воде в силу ряда причин экономичес­кого характера. Поэтому подача подземных вод в Москву в пе­риоды интенсивного загрязнения поверхностных вод может быть ограничена 1,0 млн. м3/сут (исходя из нормы 100-200 л/сут на 1 человека при численности населения г. Москвы в 8,5 млн. че­ловек).

В настоящее время в качестве первоочередного освоения выбрана южная группа месторождений, основанная на исполь­зовании подземных вод каменноугольных водоносных горизон­тов в долине р. Оки (район г. Серпухова).

Качество подземных вод на участках, включенных в объеди­ненную систему, в целом соответствует нормам для питьевых вод, установленным в России, за исключением повышенного содержания железа и марганца. Кроме того, на Южной системе отмечается пониженное содержание фтора. Месторождения Северной и Восточной систем надежно защищены от возмож­ного загрязнения, а месторождения Южной и Западной систем являются слабо защищенными. Выполненные специальные гид­родинамические расчеты показывают, что качество подземных вод при эксплуатации изменится незначительно и это не приве­дет к невозможности их использования для питьевого водоснаб­жения.

При разработке "Генеральной схемы объединенной системы водоснабжения г. Москвы й Московской области с использова­нием подземных источников" значительное внимание уделялось прогнозу возможных экологических последствий интенсифика­ции использования подземных вод. В частности, анализирова­лось влияние снижения уровня в верхнем водоносном горизон­те на состояние растительности, ландшафтов, прогнозировалось возможное изменение речного стока (особенно стока малых рек), опасность загрязнения эксплуатируемых водоносных горизон­тов за счет миграции загрязнителей при изменении гидродина­мических условий взаимодействия подземных и поверхностных вод и отдельных водоносных горизонтов между собой. При этом авторы "Схемы..." правильно подчеркивают, что при прогнозе возможного влияния отбора подземных вод на окружающую сре­ду первостепенное значение имеет анализ опыта эксплуатации действующих водозаборов подземных вод. Как уже отмечалось, многолетняя эксплуатация подземных вод, вызывающая сниже­ние уровней подземных вод в каменноугольных водоносных горизонтах на многие десятки метров, не привела к заметным и опасным негативным экологическим последствиям, за ис­ключением уменьшения меженного стока рек на отдельных уча­стках.

Влияние эксплуатации подземных вод на сток малых рек про­является двояко: иногда на некоторых реках возникают участки, где поверхностный сток уменьшается (Москва в верховьях, Ис­тра в среднем течении, Пахра, Нерская, Нора и некоторые дру­гие) за счет питания рекой грунтовых водоносных горизонтов и сокращения подземного стока в реки. В других случаях за счет сброса в реки очищенных отработанных вод, различных стоков, речной сток по сравнению с естественным увеличивается (реки Воря, Торгоша, Пажа). Характерной в этом отношении являет­ся р. Клязьма, сток которой выше Ногинска уменьшился по срав­нению с естественным, а ниже Ногинска и Электростали - уве­личился.

Математическое моделирование, проведенное с учетом се­зонного регулирования питания грунтовых водоносных го­ризонтов, показало, что "ущерб" меженному стоку малых рек составит около 10% в год средней водности и 17-18% в год вод­ности 95% обеспеченности. На отдельных участках рек, где ме­женный сток рек 95% обеспеченности уменьшится более, чем на 25-30%, потребуется осуществление специальных меропри­ятий, таких как устройство русловых запруд, подпитывание ма­лых рек в экстремальных ситуациях подземными водами и др.

Следует отметить, что проблема интенсификации использо­вания подземных вод в Московском регионе вызвала небыва­лый интерес и прежде всего значительное беспокойство у насе­ления и ряда уЧеных, в частности Пущинского научного центра. Еще ни разу в бывшем Советском Союзе специалисты и просто жители какого-либо региона не обсуждали столь активно эколо­гические проблемы использования подземных вод. Можно на­звать две основные причины этого:

- впервые в России планируется столь крупный отбор под­земных вод для решения проблемы питьевого водоснабжения такого большого города, как Москва;

- в последние годы наблюдается повышенный интерес насе­ления к экологическим проблемам природопользования, в том числе к опасности крупномасштабного использования подзем­ных вод.

Предварительный вывод авторов проекта, основанный на анализе существующего опыта эксплуатации, о незначительном влиянии водоотбора на уровень подземных вод первого от по­верхности водоносного горизонта и, тем самым, на раститель­ный мир, в целом является достаточно обоснованным. Однако этот оптимистический вывод, имеющий важное практическое значение для экологии региона, должен быть подкреплен и бо­лее обоснован дальнейшими опытными и экспериментальными исследованиями. В связи с этим одним из важнейших направле­ний дальнейших работ по повышению эффективности исполь­зования подземных вод для водообеспечения Московского ре­гиона является создание комплексного мониторинга окружаю­щей среды, включающего подземные воды. Необходимо также провести специальные опытно-фильтрационные эксперимен­тальные работы на опытных полигонах, позволяющие в натур­ных условиях смоделировать возможное влияние отбора под­земных вод на экосистемы бассейнов малых рек. Проведение исследований в рамках такого мониторинга позволит опреде­лить необходимость, состав и содержание компенсационных мероприятий по минимизации возможного негативного влия­ния крупного отбора подземных вод на сток малых рек, состоя­ние растительности, возникновение или усиление карстово-суф- фозионных процессов, качество отбираемой подземной воды. Кроме того, результаты таких работ позволят разработать науч - но-обоснованные методические рекомендации по региональной оценке экологических последствий влияния отбора подземных вод на окружающую среду, которые можно будет использовать при решении аналогичных проблем в других регионах.