ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Современное состояние и основные принципы рационального использования подземных вод

В настоящее время пресные подземные воды играют значи­тельную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населе­ния многих стран. При этом отмечается тенденция к все боль­шему использованию подземных вод для водоснабжения. Это объясняется тем общеизвестным фактом, что подземные воды, как источник водоснабжения, имеют ряд преимуществ по срав­нению с поверхностными водами. Прежде всего подземные воды, как правило, обладают лучшим качеством, более надежно защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям и в большинстве случаев их использование не требует дорогостоящих мероприятий по водоочистке.

Обычно подземные воды хорошего качества могут быть най­дены в непосредственной близости от водопотребителя. В ряде районов, где поверхностные воды отсутствуют, водоснабже­ние населения и промышленности полностью основано на ис­пользовании подземных вод. Важно иметь в виду и экономи­ческий аспект: строительство водозаборов подземных вод мо­жет осуществляться постепенно по мере роста потребности в воде, в то время как строительство крупных гидротехнических сооружений для отбора поверхностных вод требует обычно зна­чительных единовременных затрат. Эти преимущества и особенно меньшая уязвимость подземных вод к загрязнению предопределили широкое использование подземных вод для во­доснабжения.

Во многих европейских странах (Австрия, Бельгия, Герма­ния, Венгрия, Дания, Румыния, Швейцария) использование под­земных вод превышает 70% от общего водопотребления.

За последние 25-30 лет в мире было пробурено более 300 млн. скважин для отбора воды. Только в США ежегодно бурится око­ло миллиона скважин, воды которых используются для хозяй­ственно-бытовых нужд, орошения, технического водоснабжения. Глубина эксплуатационных скважин колеблется в значительных пределах и определяется конкретными гидрогеологическими условиями территорий. Обычно она составляет 100-200 м, ред­ко достигая 800-1000 и даже 2000 м.

Роль подземных вод в водоснабжении городов в различных странах и в различные периоды существенно изменялась. В це­лом на начальных этапах развития централизованного водоснаб­жения в качестве источника водоснабжения выступали, как пра­вило, родниковые воды (где это было возможно). В дальнейшем по мере роста потребностей в воде все больше стали использо­вать поверхностные воды. Прогрессирующее их загрязнение во второй половине XIX в. и возникшие в связи с этим серьезные заболевания населения вызвали необходимость реконструкции систем водоснабжения, которая проводилась двумя путями: улуч­шением качества водоочистки, либо полным или частичным переходом на подземные источники водоснабжения (в том чи­сле и на воду достаточно далеко расположенных родников). В качестве примера можно привести систему водоснабжения такого крупного города, как Париж, где в 1865-1900 гг. исполь­зовали родники на склонах возвышенностей, расположенные на расстоянии 80-150 км от города, а поверхностные воды стали использовать для технического водоснабжения (Шевелев, Ор­лов, 1987). Другим примером является Гамбург, где после вспыш­ки холеры в 90-х годах прошлого столетия поверхностный во­дозабор из Эльбы сменился эксплуатацией подземных вод. Од­нако в XX в. по мере роста потребностей и в связи с ограничен­ностью ресурсов подземных вод в ряде регионов для водоснаб­жения крупных городов существенно увеличилось использова­ние поверхностных вод. Но продолжающееся загрязнение последних, а также участившиеся случаи непредвиденных ава­рийных сбросов загрязняющих веществ снова поставили на по­вестку дня максимальное использование защищенных подзем­ных вод. И эта тенденция является сейчас определяющей в орга­низации хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Наглядным примером роста отбора подземных вод является московский регион (рис. 2.2.1). Из графика видно, что пример­но после 1985 г. наблюдается тенденция к снижению отбора

Подземных вод, что связано, прежде всего, с усилением требова­ний к охране окружающей среды, а также с рядом причин эконо­мического характера.

По данным Европейской экономической комиссии подзем­ные воды являются основным источником городского хозяй­ственно-питьевого водоснабжения в большинстве европейских стран. Полностью или почти полностью на подземных водах основано водоснабжение таких крупных городов Европы (с на­селением около миллиона человек и более), как Будапешт, Вена, Гамбург, Копенгаген, Мюнхен, Рим, а для таких городов, как Амстердам, Брюссель, Лиссабон, подземные воды покрывают более половины общей потребности в воде.

В таблице 2.2.1 приводятся сведения об использовании под­земных и поверхностных вод в водоснабжении ряда крупных го­родов мира.

Вместе с тем использование подземных вод в качестве ис­точника крупного централизованного водоснабжения имеет ряд существенных ограничений. Так во многих случаях обеспече­ние подземными водами потребностей крупных и крупнейших городов, составляющих сотни тысяч и даже миллионы кубиче­ских метров в сутки, - задача нереальная либо из-за ограничен­ных ресурсов подземных вод, либо в связи с необходимостью создания на значительной площади системы из сотен и даже тысяч водозаборных скважин, строительство и эксплуатация которых требуют огромных ассигнований.

Имеется еще один очень важный аспект, который всегда не­обходимо помнить при решении проблем использования под­земных вод, - они неразрывно связаны с другими компонента­ми окружающей среды. Любые изменения, например, количе­ства атмосферных осадков, неизбежно вызывают изменения режима, ресурсов и качества подземных вод. И наоборот, изме­нения в подземных водах приводят к изменениям в окружаю­щей среде. Так, интенсивная эксплуатация подземных вод кон­центрированными водозаборными системами может привести к недопустимому уменьшению поверхностного стока, оседанию земной поверхности, угнетению растительности, связанной с грунтовыми водами, активизации карстовых процессов. Отбор подземных вод может "подтягивать" минерализованные воды из глубоких водоносных горизонтов, малопригодные для питья, а в районах побережий - соленые морские воды. Все эти обсто­ятельства приходится учитывать при планировании использо­вания подземных вод.

Влияние интенсивного отбора подземных вод на другие ком­поненты окружающей среды подробно будут рассмотрены в последующих главах книги. Здесь же приведем лишь один при­мер. Интенсивный отбор подземных вод для водоснабжения в г. Хьюстоне (штат Техас) вызвал значительное проседание зем­ной поверхности. За 40 лет эксплуатации понижение земной по­верхности в отдельных районах достигло 4 м, что вызвало за­топление значительной территории морскими водами. После 1976 г. власти штата Техас приняли меры к сокращению откачки подземных вод в опасных районах (рис. 2.2.2) и осуществлению ряда мероприятий по искусственному восполнению подземных вод. После этого темпы проседания земной поверхности значи­тельно снизились. Здесь же отметим, что Техас является одним из немногих районов в мире, где проводятся планомерные ис­следования, (включая стационарные наблюдения, моделирова­ние и прогнозы) по оценке влияния интенсивного отбора под­земных вод на проседание земной поверхности.

Нужно отметить, что в странах с аридным и полуаридным климатом подземные воды широко используются для орошения. За счет подземных вод орошается примерно 1/3 всех земель. Из общей площади орошаемых земель в США за счет подземных вод орошается 45% земель, в Иране - 58%, в Алжире - 67%, а в

Ливии орошаемое земледелие целиком основано на подземных водах. Здесь же отметим, что в России на орошение земель и обводнение пастбищ расходуется лишь около 0,4 км3/год, что составляет порядка 2% от общего отбора подземных вод. Хоро­шо это или плохо? Дело в том, что в России (как и в бывшем Советском Союзе) также как и в ряде других стран, существует достаточно строгое водное законодательство. Согласно этому законодательству пресные подземные воды высокого качества в первую очередь должны использоваться для хозяйственно-пи­тьевого водоснабжения. И только в районах, где оцененные ре­сурсы подземных вод достаточны для удовлетворения существу­ющей и, главное, перспективной потребности в воде питьевого качества, возможно использование пресных подземных вод на другие цели (в том числе и на орошение), не связанные с питье­вым водоснабжением населения, по специальному разрешению природоохранных органов. Такое законодательство, по нашему убеждению, является принципиально правильным. Мы должны стремиться использовать поверхностные воды на нужды, не связанные с питьевым водоснабжением. Может быть, иногда это дороже, чем использование подземных вод, но мы должны делать это, прежде всего, чтобы сохранить пресные подземные воды высокого качества для наших детей и внуков. Этот прин­цип разделяется большинством специалистов, в том числе и за рубежом. Однако он далеко не всегда соблюдается. Приме­ром здесь может служить штат Калифорния. На орошение зе­мель в этом штате расходуется примерно 85% от общих ресур­сов подземных вод. По мнению автора этой книги, с которым согласны многие его американские коллеги, особенно гидроге­ологи и экологи, такое положение является неправильным сточ­ки зрения рационального использования подземных вод и его надо менять.

В настоящее время прогрессирующее загрязнение поверхно­стных водоисточников выдвинуло задачу повышения надежно­сти систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. В качестве одного из основных способов повышения надежности систем водоснабжения следует рассматривать более широкое исполь­зование пресных подземных вод. При этом в ряде случаев необ­ходимо оценить и перспективы совместного использования под­земных и поверхностных вод. При наличии соответствующих условий может быть рекомендовано сооружение двух водозабо­ров: одного, основанного на подземных водах для питьевого водоснабжения, и другого, основанного на поверхностных во­дах, для технического использования.

При планировании использования подземных вод необходи­мо учитывать, что защищенность различных водоносных гори­зонтов неодинакова.

Практически полностью защищены от проникновения за­грязняющих веществ с поверхности земли подземные воды на­порных водоносных горизонтов, перекрытые выдержанными слабопроницаемыми глинистыми слоями. В этих условиях заг­рязнение может быть связано только с неудовлетворительным техническим состоянием водозаборных и разведочных скважин. Надежно защищены от загрязнения и родниковые воды в пред­горных и горных районах в случаях, когда в областях их пита­ния не осуществляется хозяйственная деятельность. Значитель­но хуже защищены подземные воды первых от поверхности во­доносных горизонтов, особенно в речных долинах, где подземные воды тесно связаны с поверхностными, и при эксплуатации про­исходит подтягивание поверхностных загрязненных вод. Одна­ко, даже в этих условиях защищенность подземных вод значи­тельно выше речных, так как при движении за­грязненных вод по толще горных пород происходит их само­очищение. Тем не менее, во всех случаях, где это возможно, предпочтение следует отдавать надежно защищенным напорным водам более глубоких водоносных горизонтов и родниковым водам.

Тенденция максимально возможного использования подзем­ных вод для питьевого водоснабжения населения, особенно в связи с участившимися случаями непредвиденного (аварийно­го) загрязнения поверхностных водоисточников, должна стать в настоящее время определяющей в общей стратегии повыше­ния надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. Эта стратегия должна быть направлена на обязательное участие надежно защищенных подземных вод в системах водоснабже­ния. В связи с этим в тех случаях, когда города и поселки в на­стоящее время обеспечиваются поверхностными, либо недоста­точно защищенными от загрязнения подземными водами, не­обходимо направить усилия на полный перевод систем питьевого водоснабжения на надежно защищенные подземные воды, либо, когда это невозможно, - на обязательное наличие в системе во­доснабжения источника, базирующегося на надежно защищен­ных подземных водах и удовлетворяющего не менее 25-30% от потребности в воде питьевого качества, либо на создание авто­номного источника питьевого водоснабжения.

Наиболее сложной задачей в обеспечении населения эколо­гически чистой питьевой водой является организация водоснаб­жения крупных городов, потребности которых составляют сот­ни тысяч и даже миллионы кубических метров в сутки. Возмож­ность полного удовлетворения таких потребностей из подземных водоисточников во многих случаях представляется нереальной ввиду ограниченности ресурсов подземных вод и необходимо­сти сооружения сотен или даже тысяч водозаборных скважин на значительной территории, что требует больших финансовых затрат. В целом могут быть выделены три ситуации использова­ния подземных вод для удовлетворения потребностей хозяй­ственно-питьевого водоснабжения крупных городов:

- потребности городов в воде хозяйственно-питьевого на­значения могут быть полностью удовлетворены надежно защи­щенными подземными водами;

— потребности городов в такой воде могут быть частично удовлетворены надежно защищенными подземными водами;

- надежно защищенными подземными водами может быть удовлетворена только незначительная часть потребности. При этом целесообразно оценить возможность создания автономных источников питьевого водоснабжения на основе использования экологически чистых защищенных от загрязнения подземных вод.

В связи с весьма невысокими потребностями человека в воде для собственно питья и приготовления пищи, экологически чи­стые надежно защищенные подземные воды могут быть разве­даны практически повсеместно. Они могут служить базой для создания автономного источника питьевого водоснабжения. Наиболее простой способ организации автономного питьевого водоснабжения - это подача в жилые дома питьевой воды по отдельному водоводу. Однако, по понятным причинам, прежде всего, экономическим, этот способ может быть реализован толь­ко в очень отдаленной перспективе. В связи с этим в качестве основного вида автономного питьевого водоснабжения следует рассматривать строительство заводов розлива экологически чи­стых питьевых вод с последующей их реализацией населению (Язвин, Зекцер, 1996).

Неравномерность распределения ресурсов, различная степень защищенности отдельных водоносных горизонтов от загрязне­ния, наличие гидрогеохимических провинций с повышенным содержанием отдельных нормируемых компонентов в подзем­ных водах, возможное загрязнение и истощение эксплуатаци­онных запасов подземных вод в связи с хозяйственной деятель­ностью, возможное негативное влияние отбора подземных вод на другие компоненты природной среды - все это предопреде­ляет необходимость индивидуального подхода к решению воп­роса об использовании подземных вод в каждом конкретном случае. Задача гидрогеологов при решении проблем водоснаб­жения и состоит в том, чтобы правильно обосновать то количе­ство воды нужного качества, которое можно отбирать из водо­носного горизонта в течение расчетного периода без ущерба для окружающей среды (в том числе и для самих подземных вод) или же сводя этот ущерб к минимуму специальными природо­охранными мероприятиями.

Именно на сочетании разумного отбора подземных вод с со­блюдением норм их качества и основано понятие "рациональ­ное их использование". Под рациональным использованием подземных вод рекомендуется понимать экономически целесо­образную их эксплуатацию, обеспечивающую охрану от загряз­нения и истощения их эксплуатационных запасов и позволяю­щую сохранить на заданном уровне поверхностные водные ре­сурсы и экологические условия.