ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Эксплуатационные ресурсы подземных вод
Рассмотрим наиболее подробно современное состояние и перспективы использования ресурсов подземных вод в России.
По территории Российской Федерации (ранее по территории бывшего СССР), начиная с 1979 г. ежегодно в рамках работ по ведению Государственного водного кадастра осуществляется обобщение информации об эксплуатационных запасах подземных вод, их качестве и использовании. Эти работы входят в состав государственного мониторинга состояния недр России, а их результаты представляются в виде ежегодных информационных бюллетеней. Приводимые далее сведения по эксплуатационным запасам и использованию подземных вод заимствованы из информационного бюллетеня за 2000 г., составленного Госцентром "Геомониторинг".
Прогнозные ресурсы пресных и слабосолоноватых (до 3 г/л) подземных вод России составляют 867,8 млн. м3/сут. Около 72% этих ресурсов сосредоточены в Западно-Сибирском, Восточно - Сибирском, Дальневосточном и Северном экономических районах. Разведанные и утвержденные эксплуатационные запасы подземных вод на 01.01.2001 г. составляют 86 млн. м3/сут, т. е. в среднем по стране около 10% от прогнозных ресурсов. Наиболее высокая степень разведанности прогнозных ресурсов наблюдается в Калининградской области, Северо-Кавказском и Центральном экономических районах, наименьшая - на севере и на северо-западе страны, а также в Сибири и на Дальнем Востоке. Степень использования прогнозных ресурсов подземных вод в целом по стране составляет около 3%, достигая 26% в Калининградской области.
В настоящее время на территории Российской Федерации разведаны 4002 месторождения подземных вод, из которых 1792 находятся в эксплуатации. Распределение разведанных и утвержденных запасов подземных вод по территории России в сопоставлении с существующим их отбором показано в таблице 2.4.3.1. Отбор подземных вод в 1999 г. составил 33,9 млн. м3/сут, в том числе на участках с утвержденными запасами - 14,9 млн. м3/сут. Использование подземных вод составляет 83% от общего отбора, т. е. примерно 28,1 млн. м3/сут; остальная часть отбираемой воды (главным образом шахтный и карьерный водоотлив) практически полностью сбрасываются без использования.
Из общего количества откачиваемой и используемой подземной воды (28,1 млн. м3/сут) около 76% расходуется на хозяйственно-питьевое водоснабжение, 22% - на производственно-техническое водоснабжение и 2% - на орошение земель и обводнение пастбищ (рис. 2.4.3.1).
Как видно из приведенных данных, отбор подземных вод более чем в 2 раза меньше, чем запасы, подготовленные для ис-
Рис. 2.4.3.1. Использование подземных вод в 1999 г. (по данным Государственного водного кадастра, 2000 г.) I - хозяйственно-питьевое водоснабжение; 2 - производственно-техническое водоснабжение; 3 - орошение земель и обводнение пастбищ |
76% |
2 |
3 |
Таблица 2.4.3.1 Отбор подземных вод н их использование, тыс. м3/сут, на 01.01.2001 г.
|
ХПВ - хозяйственно-питьевое водоснабжение, ПТВ - производственно-техническое водоснабжение, ОРЗ и ОГТ - орошение земель и обводнение пастбищ). По данным Государственного водного кадастра.
Пользования, что свидетельствует о значительных перспективах увеличения отбора подземных вод для различных целей.
В настоящее время необходимость интенсификации использования подземных вод для повышения надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения населения России является общепризнанной. В Федеральной целевой программе "Обеспечение населения России питьевой водой" предусмотрено значительное увеличение отбора и использования подземных вод.
Анализ использования подземных вод на территории бывшего СССР позволяет сделать вывод, что в последние несколько десятилетий произошло существенное увеличение их отбора для коммунальных нужд. Если в начале 50-х годов отбор подземных вод для этих целей составлял около 10-15% общего потребления поверхностных и подземных вод, то к середине 60-х он увеличился до 44, а в начале 90-х годов составлял около 53%. В период с 1980 по 1989 г. на территории России использование подземных вод для коммунального, сельскохозяйственного и технического водоснабжения увеличилось в 1,5 раза.
Следует отметить, что в последние несколько лет отбор подземных вод, прежде всего на участках с утвержденными запасами, несколько сократился, что связано в основном с причинами экономического характера-закрытие или сокращение промышленных и сельскохозяйственных производств, эксплуатирующих подземные воды, и недостаточность ассигнований на водохозяйственные нужды. В ряде регионов освоение подземных вод сдерживается неправильной стратегией водохозяйственных организаций, предпочитающих использовать для хозяйственно-питьевого водоснабжения поверхностные воды даже в районах с утвержденными эксплуатационными запасами защищенных от загрязнения подземных вод. Уменьшилось и использование подземных вод (в 1999 г. почти на 6% по сравнению с 1998 г.), в том числе на хозяйственно-питьевое водоснабжение, что обусловлено также принимаемыми мерами по экономии воды. Однако, общая структура целевого использования подземных вод осталась практически без изменений (см. рис. 2.4.3.1).
На территории Российской Федерации подземные воды эксплуатируются достаточно неравномерно. Наиболее широко они используются в Брянской, Владимирской, Тверской, Калужской, Орловской, Смоленской, Тульской областях, республиках Марий - Эл и Мордовия, Белгородской, Воронежской, Курской, Липецкой, Тамбовской областях, Краснодарском крае, Кабардино-Балкарской, Чеченской, Ингушской и Северо-Осетинской республиках, Оренбургской области, Башкортостане, Алтайском крае и республике Горный Алтай, Томской, Читинской областях, Красноярском крае, республике Бурятия, Амурской, Камчатской и Сахалинской областях. Во всех этих регионах доля подземных вод составляет от 70 до 100% общего использования водных ресурсов. Слабо используются подземные воды в Новгородской, Архангельской, Мурманской, Костромской, Ярославской, Астраханской, Омской областях, в республике Карелия, где их удельный^ вес составляет от 3 до 20%.
В настоящее время более 60% городов Российской Федерации имеют централизованные подземные источники водоснабжения (табл. 2.4.3.2). Рассмотрим подробнее структуру хозяйственно-питьевого водоснабжения наиболее крупных городов России (с населением больше 250 тыс. человек). Водоснабжение 34 из этих 77 городов (44%) осуществляется преимущественно за счет поверхностных вод (больше 90%), 24 города (31%) удовлетворяют потребности в питьевой воде в основном (>90%) подземными водами. Остальные 19 городов (25%) имеют смешанные источники водоснабжения.
Неравномерное использование пресных подземных вод на территории Российской Федерации связано прежде всего с особенностями гидролого-гидрогеологических условий, определяющих величину прогнозных эксплуатационных запасов подзем-
Таблица 2.4.3.2 Структура водоснабжения (%) городов с различной численностью населения (Язвнн, Зекцер, 1996)
|
Ных вод и возможности их восполнения как в естественных, так в нарушенных условиях.
Ранее выполненные региональные оценки показывают, что на территории бывшего Советского Союза наиболее значительные эксплуатационные ресурсы подземных вод сосредоточены в артезианских бассейнах платформенного типа и складчатых областях. Значительные месторождения подземных вод характерны для межгорных впадин и предгорных прогибов, отличающихся благоприятными условиями накопления подземных вод. Модули эксплуатационных ресурсов в этих районах достигают 10 л/с км2 и более, а дебиты отдельных водозаборов превышают несколько кубических метров в секунду (Араратский, Чуйский, Иссык-Кульский бассейны, Ферганская долина, межгорные впадины Тянь-Шаня и др.). Потребности городского и сельского населения в этих районах полностью обеспечиваются подземными водами, которые в значительной степени используются и могут быть использованы в будущем для орошения.
Благоприятные природные условия формирования подземных вод отмечаются в таких артезианских бассейнах платформ, как Московский, Днепрово-Донецкий, Западно-Сибирский и др., где модули эксплуатационных ресурсов составляют от 1-2 до 3- 5 л/с-км2, а дебиты групповых водозаборов измеряются сотнями литров в секунду, в долинах рек - до 1 м3/с. Большая часть городов и поселков удовлетворяет потребность в хозяйственно - питьевой воде за счет подземных вод.
В пределах территории самыми неблагоприятными гидрогеологическими условиями характеризуются Балтийский, Украинский и Донецкий кристаллические щиты, некоторые районы Северного и Южного Урала, Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока, Центрального Казахстана и некоторые другие. Здесь модули эксплуатационных ресурсов обычно не превышают 0,1- 0,2 л/с, лишь на отдельных более обводненных участках они могут достигать 1-2 л/с. Подземные воды используются здесь в основном для водоснабжения сельского населения и небольших городов.
В целом перспективы использования подземных вод в Российской Федерации в первую очередь для хозяйственно-питьевого водоснабжения населения, можно рассматривать весьма оптимистично. Как показали проведенные оценки, Россия обладает значительными прогнозными ресурсами подземных вод, общая величина которых составляют около 300 км3/год. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют порядка 30 км3/год, из которых около 20 км3/год подготовлено для промышленного освоения. В то же время общий отбор подземных вод не превышает 14 км3/год, в том числе около 2 км3/год приходится на шахтный и карьерный водоотлив. На хозяйственно-питьевое водоснабжение расходуется около 8,9 км3/год, на производственно-техническое водоснабжение - 2,2 км3/год и на орошение земель - 0,4 км3/год.
Из приведенных цифр видно, что отбор подземных вод может быть существенно увеличен, что и предусмотрено Федеральной целевой программой "Обеспечение населения России питьевой водой".
Следует подчеркнуть, что отбор подземных вод на участках с утвержденными запасами составляет менее половины общего отбора этих вод в связи с тем, что эксплуатация подземных вод одиночными скважинами и небольшими водозаборами не требует утверждения запасов. Кроме того, ряд водозаборов вопреки существующим требованиям работает на неутвержденных запасах подземных вод (табл. 2.4.3.3).
Характеризуя современную ситуацию с отбором подземных вод, следует отметить, что в России могут быть выделены две группы систем водозаборов подземных вод для коммунального водоснабжения: непосредственно в пределах городских территорий (во многих случаях рассредоточенные) и вынесенные за пределы городов централизованные водозаборы (Кочетков, Язвин, 1992; Зекцер и др., 1993).
Таблица 2.4.3.3 Эксплуатационные запасы и отбор подземных вод по экономическим районам на 01.01.2000 г., млн. м3/суг
|
Первая группа включает в себя в основном неупорядоченные системы одиночных и небольших концентрированных водозаборов из нескольких эксплуатационных скважин, стихийно развивающихся на городских территориях одновременно с развитием городов. Частично эти системы бывают закольцованы, частично решают проблему водоснабжения промышленных предприятий или отдельных жилых районов. В большинстве случаев эти водозаборы сооружены без специального гидрогеологического обоснования. Основные проблемы эксплуатации водозаборов этой группы связаны иногда с практической невозможностью создания вокруг них зон санитарной охраны и с загрязнением из-за этого подземных вод. Вторая группа в зависимости от особенностей гидрогеологических условий и масштаба водопотребления включает в себя как крупные централизованные водозаборы производительностью в десятки тысяч кубометров в сутки, на базе которых могут быть комплексно решены вопросы водоснабжения крупных городов или нескольких небольших городов, так и системы относительно небольших водозаборов. Эти водозаборы обычно удалены от водо - потребителя на значительные расстояния, достигающие в настоящее время 150-200 км и более. Такие водозаборы проектировались и сооружались на базе специализированных поисково - разведочных работ, подсчитанные во время их проведения эксплуатационные запасы подземных вод были утверждены в Государственной комиссии по запасам полезных ископаемых. Эти водозаборы часто имеют существенные преимущества в технико-экономическом отношении и характеризуются более высоким качеством подземных вод, а главное, лучшими условиями защищенности от загрязнения. Будущее несомненно за водозаборами этой группы.
При оценке перспектив использования подземных вод следует учитывать, что их эксплуатационные ресурсы распределены по площади крайне неравномерно. Так, в Северном экономическом районе весьма слабо обеспечены подземными водами Мурманская область и Республика Карелия, расположенные на территории Балтийского бассейна трещинных вод. Несмотря на благоприятные условия питания подземных вод прогнозные эксплуатационные ресурсы невелики, что связано с весьма слабыми фильтрационными свойствами водовмещающих кристаллических пород. Невысокими фильтрационными свойствами характеризуется и Вологодская область, а в западной и юго-западной частях Архангельской области для подземных вод характерна повышенная минерализация. Наиболее благоприятные условия типичны для центральной части Архангельской области, где в междуречье Онеги и Северной Двины развиты водо - обильные трещиноватые известняки и доломиты каменноугольного возраста, а также для территории Республики Коми.
Разнообразными и в целом недостаточно благоприятными условиями использования подземных вод для питьевого водоснабжения характеризуется и Северо-Западный экономический район, особенно территория Новгородской и большей части Ленинградской областей. Однако и в этом районе имеются значительные площади, где отмечаются весьма благоприятные гидрогеологические условия (район Силурийского плато в Ленинградской области, где водовмещающими породами являются за - карстованные и трещиноватые известняки).
Центральный экономический район характеризуется значительными прогнозными эксплуатационными ресурсами подземных вод. На его территории в карбонатных отложениях каменноугольного и девонского возраста формируются крупные месторождения подземных вод, на базе которых организовано водоснабжение многих городов и населенных пунктов (Брянская, Владимирская, Тверская, Калужская, Московская, Орловская, Рязанская, Смоленская и Тульская области). В менее благоприятных условиях находятся северная и восточная части Центрального экономического района (Ярославская, ряд районов
Тверской, Ивановская и Костромская области). Так, прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод в Ярославской и Костромской областях составляют всего по 0,35 км3/год, поэтому организация крупного централизованного водоснабжения за счет их использования крайне затруднительна.
Сравнительно небольшие прогнозные эксплуатационные ресурсы пресных подземных вод формируются в Волго-Вятском экономическом районе. Большая часть района расположена в пределах Восточно-Русского артезианского бассейна, где основные водоносные горизонты часто характеризуются незначительной водообильностью или повышенной минерализацией подземных вод. Вместе с тем, отдельные районы рассматриваемой территории весьма перспективны для поиска даже крупных месторождений подземных вод (междуречье Теши и Мокши в Нижегородской области, Мордовский артезианский бассейн, Кировское месторождение в долине р. Быстрицы и др.).
Для Центрально-Черноземного экономического района характерны благоприятные условия по обеспечению подземными водами потребностей хозяйственно-питьевого водоснабжения. В этом районе практически все водоснабжение городского и сельского населения базируется на использовании подземных вод.
Разнообразными гидрогеологическими условиями характеризуется территория Северо-Кавказского экономического района. Наряду с районами, обладающими значительными запасами подземных вод и расположенными на территории Азово-Кубан - ского, Восточно-Предкавказского артезианского бассейнов, в предгорных долинах Большого Кавказа (Краснодарский край, восточная часть Ставропольского края, западная часть Республики Дагестан, Чеченская республика, Ингушетия, Кабардино - Балкария, Северная Осетия), отмечаются районы, характеризующиеся неблагоприятными условиями обеспечения подземными водами (большая часть Ростовской области, западная и центральная части Ставропольского края, восток Дагестана).
Однако и в этих районах могут быть выявлены отдельные участки, перспективные для централизованного водоснабжения с использованием подземных вод.
Сложными и в целом недостаточно благоприятными условиями характеризуется Поволжский экономический район, расположенный в пределах Восточно-Русского и Каспийского артезианского бассейнов. Здесь наиболее крупные месторождения подземных вод формируются в береговых зонах рек и водохранилищ, что позволяет создавать достаточно мощные водозаборы, но эксплуатируемые водоносные горизонты слабо защищены от загрязнения. В наиболее тяжелых условиях находится территория Астраханской области и Калмыкии, где крупное централизованное водоснабжение за счет пресных подземных вод по существу невозможно. Эти области отличаются и наименьшими прогнозными эксплуатационными ресурсами подземных вод, и незначительной долей подземных вод в современном хозяйственно-питьевом водоснабжении.
Весьма сложные и недостаточно благоприятные условия обеспечения потребностей хозяйственно-питьевого водоснабжения подземными водами отмечаются также в Уральском экономическом районе, хотя здесь их удельный вес сравнительно высок. Наиболее интенсивно используются подземные воды в Пре - дуральс (Оренбургская область, Башкортостан), где в долинах рек Урала, Самары, Белой, Уфы эксплуатируются водоносные горизонты четвертичных отложений. Эксплуатационные запасы подземных вод в этих условиях формируются главным образом путем привлечения поверхностного стока, в связи с чем эксплуатируемые водоносные горизонты очень слабо защищены от загрязнения (в качестве примера можно указать на Южный водозабор г. Уфы, где неоднократно отмечались случаи загрязнения подземных вод фенолом). В пределах Уральской гидрогеологической зоны (Свердловская и Челябинская области) наибольшее значение имеют подземные воды ограниченных структур в межгорных депрессиях, представленных трещиноватыми и закарстованными известняками, особенно при наличии в пределах этих структур поверхностного стока. Наиболее тяжелые условия обеспечения подземными водами отмечаются в Курганской области, где в основном развиты минерализованные воды.
Западно-Сибирский экономический район расположен в пределах крупного одноименного артезианского бассейна, на территории которого формируются значительные запасы подземных вод. Однако по территории района эти запасы распределены неравномерно. В наименее благоприятных условиях находятся Омская и южная часть Тюменской областей, где развиты главным образом минерализованные воды.
Восточно-Сибирский экономический район в основном находится в зоне развития многолетнемерзлых пород, мощность которых на севере достигает >600 м. В связи с этим наиболее благоприятные условия использования подземных вод в этом районе отмечаются в долинах рек и озер, в таликовмх зонах. В целом на территории Восточно-Сибирского экономического района подземные воды - основной источник хозяйственно-питьевого водоснабжения (Красноярский край, Читинская область, Республики Тува и Бурятия) и только в Иркутской области доминируют поверхностные воды.
Разной обеспеченностью подземными водами характеризуется территория Дальневосточного экономического района. Относительно богаты ими Камчатская и Сахалинская области, Хабаровский край, Амурская область. Наиболее благоприятны в этом отношении сложенная аллювиальными отложениями долина р. Амур, а также межгорные артезианские бассейны в Амурско-Зейской и Сихотэ-Алинской гидрогеологических областях.
Неблагоприятными условиями использования подземных вод характеризуются территории Республики Якутия-Саха, Магадан - ской области и Чукотского автономного округа, расположенные в зоне развития многолетнемерзлых пород.
Сравнительно бедна подземными водами Калининградская область, где прогнозные эксплуатационные ресурсы составляют всего 0,21 км3/год.
Анализируя перспективы использования пресных подземных вод на территории России, необходимо хотя бы в общих чертах коснуться важнейшей проблемы водоснабжения населения - прогноза использования ресурсов пресных подземных вод на весьма отдаленную перспективу. Проблема эта очень сложная и до настоящего времени находится практически на начальной стадии исследования. Сложность ее решения связана прежде всего с неразработанностью методических основ сверхдолгосрочного прогнозирования в этой области, отсутствием данных о тенденциях развития отдельных отраслей промышленности, сельского хозяйства, новых крупных промышленных комплексов, городов и других объектов водоснабжения, отсутствием научно обоснованных норм потребления и требований к качеству экологически чистых и биологически полноценных вод.
К середине XXI столетия на изменение эксплуатационных ресурсов подземных вод будет оказывать влияние множество различных факторов, связанных прежде всего с хозяйственной деятельностью человека. Рассмотрим кратко основные факторы, которые приводят как к уменьшению, так и к увеличению эксплуатационных ресурсов подземных вод. Среди них наиболее существенны интенсивный отбор подземных вод, гидротехническое строительство, разработка месторождений полезных ископаемых, загрязнение подземных вод, искусственное восполнение их запасов, природоохранные ограничения и др.
Как было уже сказано, примерно половину оцененных прогнозных ресурсов подземных вод России составляют невоспол - няемые запасы, срабатываемые в течение 50 лет. Таким образом, если допустить, что в течение последующих 50 лет общий отбор подземных вод увеличится в полтора-два раза (что на современном этапе развития страны представляется малореальным) и составит -25-30 км3/год, то можно предположить, что общие эксплуатационные ресурсы подземных вод России в результате отбора невосполняемых запасов уменьшатся примерно на 12-15 км3/год.
Около половины крупных водозаборов подземных вод расположено в долинах рек, где запасы подземных вод обеспечиваются главным образом за счет фильтрации из рек. Регулирование поверхностного стока водохранилищами приводит к изменению режима речного стока, что в свою очередь изменяет режим питания водоносных горизонтов в речных долинах. Это приводит прежде всего к сокращению питания подземных вод береговых водозаборов за счет сокращения продолжительности и интенсивности паводков.
Вместе с тем строительство водохранилищ и ряд других водохозяйственных мероприятий (строительство каналов, интенсификация орошения) - положительный фактор, вызывающий увеличение эксплуатационных ресурсов подземных вод за счет увеличения мощности водоносных горизонтов и усиления их питания при фильтрации из каналов, подпоре и инфильтрации из водохранилищ (если при этом не происходит загрязнение подземных вод).
Как отмечалось выше, значительное количество подземной воды, откачиваемой при разработке месторождений полезных ископаемых и при защите подтопляемых территорий при ирригационном и гидротехническом строительстве, практически не используется и бесцельно сбрасывается в поверхностные водотоки. Эта вода безусловно может и должна быть использована в различных целях, если необходимо - после соответствующей очистки.
Уменьшение эксплуатационных запасов подземных вод может быть связано также с их прогрессирующим загрязнением.
Ограничения в использовании подземных вод будут связаны также с необходимостью соблюдения допустимых норм воздействия их отбора на другие компоненты природной среды.
Важный фактор увеличения эксплуатационных возможностей водоносных горизонтов - искусственное пополнение подземных вод, с помощью которого можно регулировать сработку их емкостных запасов. Мероприятия по искусственному пополнению в первую очередь должны быть проведены в районах действующих водозаборов, если для этого есть соответствующие условия. Сюда же следует отнести и искусственное создание линз пресных вод в пустынных районах.
Весьма важно совершенствовать способы и технические средства добычи подземных вод. Как известно, оценка эксплуатационных запасов подземных вод в настоящее время выполнена с учетом современных средств их добычи. Несомненно, будут разработаны новые виды насосного оборудования и конструкции скважин с повышенной производительностью, которые позволят дешево отбирать воду с глубин ->400-500 м. Это позволит эксплуатировать глубокие водоносные горизонты, ресурсы подземных вод которых в настоящее время не учитываются.
Существенный резерв водообеспечения - солоноватые и соленые подземные воды, которые могут использоваться а смеси с пресными водами или после их искусственного опреснения. В южных районах страны ресурсы таких вод часто сопоставимы с ресурсами пресных подземных вод. Можно считать, что при разработке более дешевых технологий опреснения подземных вод и совершенствовании методов их отбора доля таких вод в общем водопотреблении значительно возрастет.
В последние годы большинство климатологов достаточно уверено прогнозируют потепление климата в связи с увеличением концентрации С02 в атмосфере в результате интенсивной хозяйственной деятельности. Прогнозируемые антропогенные трансформации климата безусловно скажутся на подземных во - дах. Предварительные результаты исследований показывают, что изменения ресурсов подземных вод будут происходить по-разному в различных районах страны. Так, в южных частях европейской территории России возможно снижение питания подземных вод, и следовательно, величины их естественных ресурсов, а в северных - наоборот (Ковалевский, 1993). Однако, надо еще раз подчеркнуть, что методология прогноза изменений ресурсов подземных вод под влиянием возможных изменений климата, как и вообще методология долгосрочного прогнозирования изменений природных процессов, до настоящего времени находится на начальной стадии разработки. Разработка соответствующих методик прогноза - одна из важных задач гидрогеологической науки.
Как следует из вышеизложенного, воздействие различных антропогенных факторов на ресурсы подземных вод может быть как положительным, так и отрицательным. Вместе с тем с большой степенью уверенности можно предположить, что при научно обоснованном управлении использованием подземных вод, включая их искусственное восполнение, а также при осуществлении ряда мероприятий по борьбе с их загрязнением, общая величина прогнозных эксплуатационных ресурсов в целом по стране будет достаточной для удовлетворения потребностей в подземной воде хозяйственно-питьевого назначения даже на самую отдаленную перспективу.