ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ПРИНЦИПЫ РЕГИОНАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ И КАРТИРОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Под естественными ресурсами подземных вод понимается обеспеченный питанием расход подземных вод, т. е. та их часть, которая непрерывно возобновляется в процессе общего круго­ворота воды на Земле. Естественные ресурсы характеризуют величину питания подземных вод за счет инфильтрации атмос­ферных осадков, поглощения речного стока и перетекания из других водоносных горизонтов, суммарно выраженную величи­ной расхода потока. Естественные ресурсы подземных вод яв­ляются, таким образом, показателем восполнения подземных вод, отражающим их основную особенность как возобновляе­мого полезного ископаемого, и характеризуют верхний предел возможного отбора подземных вод за многолетний период без их истощения. В среднемноголетнем значении величина пита­ния подземных вод за вычетом испарения равна величине под­земного стока. Поэтому в практике гидрогеологических иссле­дований естественные ресурсы подземных вод обычно выража­ются среднегодовыми или минимальными значениями модулей подземного стока (л/с км2) или величиной слоя воды (мм/год), поступающей в водоносный горизонт в области его питания.

Для подземных вод зоны интенсивного водообмена, находящихся в сфере дренирующего воздействия речной сети и питающихся главным образом за счет инфильтрации атмосферных осадков, важными характеристиками являются коэффициенты подземного стока и коэффициенты подземного питания рек. Коэффициенты подземного стока показывают отношение подземного стока к выпадающим атмосферным осадкам, т. е. какая часть атмосфер­ных осадков расходуется на питание подземных вод за тот или иной период времени. Коэффициенты подземного питания рек (отношение дренируемого подземного стока к общему речному стоку) показывают, какая часть расхода рек обеспечена за счет их питания подземными водами.

Следует отметить, что тезис "питание подземных вод экви­валентно подземному стоку" (при этом имеется в виду инфиль* трационное питание), широко используемый при региональных оценках естественных ресурсов подземных вод, требует поясне­ния. Во-первых, он справедлив только для среднемноголетних данных при изучении крупных территорий (например, крупных речных бассейнов, артезианских бассейнов или их частей, всей площади распространения водоносного горизонта и т. п.) и их картировании в мелком и среднем масштабе. При детальных исследованиях отдельных участков могут быть выделены слу­чаи, когда подземный сток существует, а инфильтрационное питание подземных вод на данном участке практически отсут­ствует (например, так называемый транзитный подземный сток в районах развития с поверхности мощных водоупорных толщ). Во-вторых, и это важно подчеркнуть, в ряде регионов, особен­но в полуаридных и аридных районах с неглубоким залеганием грунтовых вод важной расходной статьей баланса грунтовых вод является величина испарения с их уровня в естественных усло­виях. При снижении уровня воды при эксплуатации водоносно­го горизонта в пределах депрессионной воронки за счет прекра­щения испарения проявляется как бы "дополнительное" пита­ние. По сути и физическому смыслу понятия "естественные ре­сурсы" величина испарения с уровня подземных вод является их составной частью. Поэтому естественные ресурсы равны подземному стоку именно за вычетом испарения с поверхности подземных вод или когда этой величиной можно пренебречь.

Соотношение понятий "естественные ресурсы подземных вод", "подземный сток", "подземный сток в реки" и их величин в различных ландшафтно-климатических и гидрогеологических условиях подробно рассмотрено в работах В. М. Шестопалова (Водообмен..., 1988).

В качестве наиболее крупных районов формирования под­земного стока могут быть приняты такие подземные водные системы, как артезианские бассейны, горно-складчатые облас­ти, щиты. Балансовыми районами следующего порядка могут являться площади распространения того или иного рассматри­ваемого водоносного горизонта, включающие его области пи­тания, стока и разгрузки. При более детальных исследованиях выделяются районы более низких порядков, например речные бассейны или их части, участки развития подземных вод раз­личных типов (воды карстовых массивов, аллювиальных отло­жений и флювиогляциальных равнин) и т. д. Принципы райони­рования территории по условиям формирования естественных ресурсов подземных вод рассмотрены в работах В. А. Всеволож­ского и И. Ф. Фиделли (Vsevolozhsky, Fidelly, 1977).

Как уже отмечалось, при региональной оценке определяют­ся средние характеристики естественных ресурсов подземных вод для достаточно крупных территорий, а не для отдельного локального участка. Поэтому методы расчета величины пита­ния подземных вод по опытным данным натурных и инструмен­тальных исследований (например, по данным лизиметрических наблюдений или путем расчета баланса грунтовых вод по опыт­ным наблюдениям) имеют ограниченное использование и часто оказываются практически неприемлемыми для региональных исследований ввиду малочисленности таких наблюдений для многих районов и сложности их экстраполяции на значитель­ные площади. Подобные методы могут использоваться лишь для контроля региональных величин питания подземных вод за ис­ключением, конечно, тех районов, где сеть таких наблюдений столь значительна, что может быть использована и для регио­нальной оценки естественных ресурсов подземных вод опреде­ленного балансового района.

Разработанные совместно Институтом водных проблем РАН, кафедрой гидрогеологии МГУ, Государственным гидрологиче­ским институтом и институтом ВСЕГИНГЕО научно-методиче­ские основы региональной оценки и картирования естествен­ных ресурсов подземных вод позволяют проводить их оценку в различных природно-климатических и гидролого-гидрогеоло­гических условиях. Такие оценки в разных масштабах и с раз­личной детальностью выполнены для многих регионов России и других стран.

В таблице 3.1 указаны основные методы, широко используе­мые в настоящее время для региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. Эти методы более подробно описаны в специальной литературе (Куделин, 1960; Подземный сток на территории СССР, 1966;Фиделли, 1980; Зекцер, Джамалов, 1982; Подземный сток Центральной и Восточной Европы, 1982).

Каждый из указанных методов имеет свои достоинства и ограничения в применимости. Выбор конкретного метода рас­чета естественных ресурсов зависит от целей, задач и масштаба исследований и от гидролого-гидрогеологических и антропо­генных условий оцениваемой территории. Однако, важно под­черкнуть два обстоятельства. Первое, указанные методы ре­гиональной оценки естественных ресурсов подземных вод не конкурируют, а дополняют друг друга. Поэтому наиболее досто­верный результат может быть получен при их совместном ис­пользовании. И второе, все указанные в таблице методы осно-

Ваны на анализе и обработке (путем аналитических расчетов или моделирования) уже имеющейся гидрологической и гидрогео­логической информации и не требуют проведения специальных дорогостоящих буровых и опытно-фильтрационных работ. Пос­леднее обстоятельство обуславливает весьма высокую экономи­ческую эффективность работ по региональной оценке естествен­ных ресурсов подземных вод.

Рассмотрим кратко наиболее распространенные методы ре­гиональной оценки естественных ресурсов подземных вод. Для гумидной зоны с хорошо развитой речной сетью широко исполь­зуется комплексный гидролого-гидрогеологический метод рас­членения гидрографов рек за многолетний период (Куделин, 1960; Попов, 1968; Зекцер, 1977). Сущность его состоит в учете конкретных гидрогеологических условий речных бассейнов и закономерностей подземного стока в реку из всех водоносных горизонтов зоны дренирования. Режим и динамика подземного стока в реки из отдельных водоносных горизонтов, дренируе­мых речной сетью, определяются условиями залегания и пита­ния грунтовых и артезианских вод в данном речном бассейне или его части и положением мест разгрузки по отношению к урезу реки. В тех случаях, когда дренируемые водоносные гори­зонты имеют гидравлическую связь с рекой и в период весенне­го половодья происходит подпор грунтовых вод, что характер­но для большинства равнинных рек, расчленение гидрографа речного стока на поверхностную и подземную составляющие производится с учетом процессов берегового регулирования подземного стока (Куделин, 1960).

Возможность применения этого метода обусловлена тем, что подземный сток зоны интенсивного водообмена в районах с постоянной речной сетью формируется под дренирующим воз­действием речных систем. Следовательно, естественные ресур­сы пресных подземных вод для гумидной зоны могут быть оха­рактеризованы величиной подземного стока в реки, определяе­мой на основе генетического расчленения гидрографа (гидро­граммы) общего стока рек, и путем выделения на нем той части, которая формируется за счет дренирования водоносных гори­зонтов и комплексов.

В некоторых случаях величину подземного стока приближен­но можно определить путем расчета изменения меженного рас­хода реки на участке между двумя гидрометрическими створа­ми. Величина изменения расхода реки на бесприточном участке (или за вычетом суммы расхода притоков), определенная в пе­риод устойчивой межени, будет характеризовать подземный сток из дренируемых водоносных горизонтов или величину питания подземных вод за счет поглощения речного стока. Гидрометри­ческие створы должны быть выбраны таким образом, чтобы разность в расходах реки в первом и во втором створах превы­шала суммарную величину погрешности измерения расходов реки. В районах, где питание подземных вод осуществляется в основном за счет поглощения поверхностного стока, а также в районах широкого развития карста указанный метод позволяет рассчитывать годовые величины естественных ресурсов подзем­ных вод.

Важное преимущество указанных методов определения под­земного стока заключается в возможности получения их сред- немноголетних характеристик в результате использования уже имеющихся гидрометрических данных по расходам рек. Эти методы являются основными при оценке подземного стока и ес­тественных ресурсов подземных вод в областях с хорошо раз­витой речной сетью при наличии длительных наблюдений за расходом реки. Следует отметить, что величины подземного сто­ка, полученные указанными методами, характеризуют естествен­ные ресурсы подземных вод всей зоны дренирования, включаю­щей обычно несколько водоносных горизонтов и комплексов. Для того чтобы оценить естественные ресурсы каждого из ос­новных водоносных горизонтов зоны дренирования, необходи­мо проанализировать гидрогеологические условия рассматрива­емого района - распространение, мощность, литологический состав и проницаемость отдельных водоносных слоев - и оха­рактеризовать степень участия основных водоносных горизон­тов в подземном питании рек.

В ряде случаев применение рассматриваемых методов зат­руднено или невозможно ввиду специфических особенностей отдельных регионов - значительного развития искусственного орошения, искажающего естественные условия речного стока и питания подземных вод, зарегулированное™ речного стока, су­щественного несовпадения поверхностного и подземного во­досборов вследствие особенностей гидрогеологических усло­вий речных бассейнов и других причин. Особенно важно иметь в виду искусственное регулирование речного стока, практиче­ски исключающее возможность использовать гидролого-гид­рогеологический метод расчленения гидрографов рек для ре­гиональной оценки подземного стока и естественных ресурсов подземных вод. Поэтому метод расчленения гидрографов рек можно рекомендовать для небольших речных бассейнов, нахо­дящихся в естественных условиях. На зарегулированных реках при наличии длинных рядов наблюдений для расчленения гид­рографов следует использовать данные измерения расходов рек до начала регулирования стока. В отдельных случаях на незаре - гулированных участках реки может быть применен метод расче­та подземного стока по изменениям ее меженного расхода.

При достаточно длительных наблюдениях за режимом уров­ней подземных вод в естественных условиях величина питания подземных вод может быть определена путем обработки и ана­лиза данных этих наблюдений. Она рассчитывается по отдель­ным скважинам по среднегодовой амплитуде колебания уровня (за многолетний период) с учетом вида режима подземных вод и значения величины недостатка насыщения или водоотдачи (Ковалевский, 1970). Величина водоотдачи или недостатка на­сыщения рассчитывается по результатам опытных работ или определяется по литературным данным с корректировкой их применительно к конкретным гидрогеологическим условиям. Последнее значительно снижает точность определения величи­ны инфильтрационного питания подземных вод и делает его весьма условным. Применение указанного метода для региональ­ной оценки инфильтрационного питания сложно, а часто и не­возможно из-за необходимости экстраполяции величины пита­ния, полученной в точке (скважине), на значительную площадь.

Для оценки подземного стока также используется гидроди­намический метод расчета расхода подземного потока по извес­тным аналитическим зависимостям или путем моделирования. Работа заключается в сборе и обработке имеющихся данных по гидрогеологическим параметрам. Гидродинамический метод расчета потока широко применяется в практике гидрогеологи­ческих исследований. Однако его использование для региональ­ной оценки подземного стока определяется степенью гидрогео­логической изученности исследуемых территорий (наличием и количеством скважин, по которым рассчитываются гидрогео­логические параметры). Точность расчета подземного стока этим методом зависит от количества и представительности информа­ции о значениях водопроводимости водоносных пластов и гид­равлических градиентов потоков подземных вод.

Недостатком гидродинамического метода расчета расхода потока является необходимость во многих случаях осреднения единичных значений гидрогеологических параметров, вычислен­ных по результатам опытно-фильтрационных работ, а также не­возможность получения представления об изменчивости харак­теристики подземного стока в многолетнем разрезе.

Вместе с тем значение гидродинамического метода в даль­нейшем будет возрастать ввиду сокращения территорий с есте­ственным режимом поверхностных и подземных вод и совер­шенствованием методологии гидродинамического анализа тер-

Рис. 3.1. Карта подземного стока Центральной и Восточной Европы (фрагмент)

1-3 - средние годовые значения модуля подземного стока, л/с-км2: 1 - 0,5-1, 2 - 1-2, 3 - 2-3; 4 - изолинии коэффициента подземного стока, % от осадков. 5-8 - водовмешаюшие породы: 5 - преимущественно песчаные (пески, песчаники), 6 - песчано-глинистые (глинистые пески, супеси, алевриты), 7 - песчано-глинистые с крупнообломочными, Я - преимущественно карбонатные (известняки, доломиты); 9 - участие водоносных горизонтов (комплексов) в формировании подземного стока: а - основное (более 50%), б - подчиненное; 10- региональные области питания глубоких подземных вод; 11 - области (участки) восходящей разгрузки глубоких подземных вод; 12 - границы основных водоносных комплексов; 13- границы расчетных участков (оценка величин питания и разгрузки глубоких подземных вод); 14 - границы региональных областей питания подземных вод зоны глубокого стока

Ритории, в частности, с использованием современных компью­терных программ и геоинформационных технологий.

Среди выполненных опубликованных работ по региональ­ной оценке и картированию естественных ресурсов подземных вод следует в первую очередь назвать карты подземного стока территории бывшего Советского Союза в масштабах 1:5 ООО ООО и 1:2 500 ООО, карту подземного стока Центральной и Восточной Европы масштаба 1:1500000 и недавно вышедшую из печати карту гидрогеологических условий и подземного стока Земного шара в масштабе 1:10000000. Последние две карты составлены и отредактированы международной группой экспертов под ру­ководством и при непосредственном активном участии россий­ских специалистов в соответствии с проектами Международ­ной гидрологической программы ЮНЕСКО. На рисунке 3.1 (вклейка) в качестве примера приведен фрагмент карты Цент­ральной и Восточной Европы в масштабе 1:1 500000 и легенда карты. В начале 90-х годов автором настоящей монографии совместно с учеными Калифорнийского университета США (JI. Эверетт, С. Коллин и др.) была составлена и опубликова­на Карта подземного стока Калифорнии в масштабе 1:2000000 (рис. 3.2, вклейка).

Принципиальным отличием указанных карт подземного сто­ка, а также аналогичных по содержанию карт подземного стока различного масштаба отдельных артезианских бассейнов Рос­сии, от всех ранее опубликованных гидрогеологических карт является то, что на них впервые показаны региональные коли­чественные характеристики естественных ресурсов подземных вод (в л/с-км2) и их роль в общем водном балансе и общих вод­ных ресурсах (в процентах от атмосферных осадков и в процен­тах от среднемноголетнего речного стока).

Карты подземного стока позволяют решать следующие важ­ные практические задачи, связанные с комплексным использо­ванием и охраной водных ресурсов:

- определять естественные ресурсы пресных подземных вод для оценки и прогноза перспектив их исследования в отдель­ных регионах;

- определять величину питания подземных вод при регио­нальных оценках их эксплуатационных ресурсов;

- определять величину подземной составляющей речного стока, как наиболее устойчивой части ресурсов поверхностных вод с целью прогноза возможных изменений речного стока под влиянием интенсификации отбора подземных вод;

- определять величину подземного стока как элемента вод­ного баланса при перспективном планировании комплексного использования и охраны водных ресурсов отдельных регионов.

Анализ результатов выполненных исследований (Подземный сток на территории СССР, 1966; Зекцер, 1977; Подземный сток Центральной и Восточной Европы, 1982) позволил вскрыть ос­новные закономерности формирования подземного стока, ко­торые, коротко, сводятся к следующему:

- распределение основных количественных характеристик подземного стока отличается резкой неоднородностью и четко выраженной дифференцированностью по основным ландшаф - тно-климатическим зонам и геолого-гидрогеологическим струк­турам;

- более 80% общего подземного стока приурочено к избы­точно увлажненной и влажной зонам, около 18% стока форми­руется в зоне недостаточного увлажнения и лишь около 2% - в засушливой зоне;

- на равнинных территориях (на территории континенталь­ных платформ) характерно закономерное распределение пара­метров подземного стока в соответствии с общеширотным воз­действием климатических факторов. На этом фоне наиболее рез­ко проявляются местные изменения подземного стока, обусловленные особенностями геофильтрационной среды зоны интенсивного водообмена;

- в горно-складчатых областях распределение величины подземного стока определяется резкими изменениями типа гео­фильтрационных сред и орографическим увеличением осадков с высотой местности;

- на распределение величин подземного стока значительное влияние оказывает карст, широкое развитие хорошо проницае­мых аллювиальных отложений, распространение многолетне - мерзлых пород.

Результаты выполненных исследований определяют необ­ходимость разработки научно-методических основ прогноза ресурсов подземных вод как компонента окружающей среды в различных природных и антропогенных условиях в качестве основной проблемы современных научных исследований в об­ласти гидрогеологии.

Эта проблема включает решение следующих теоретических и практических задач:

- разработать методы прогноза ресурсов и качества подзем­ных вод в условиях интенсификации хозяйственной деятельно­сти и возможных изменений климата;

- разработать теорию и методологию прогнозов негативных последствий в окружающей среде, вызванных техногенным воз­действием на подземные воды;

- разработать природоохранные ограничения интенсифика­ции отбора подземных вод;

- совершенствовать методы оценки защищенности подзем­ных вод от загрязнения;

- повысить степень использования подземных вод путем их искусственного восполнения за счет поверхностных вод;

- разработать и внедрить в практику природоохранные кри­терии, определяющие допустимое влияние отбора подземных вод на другие компоненты окружающей среды, а также допус­тимое влияние техногенной деятельности на ресурсы и качество подземных вод:

- разработать и внедрить принципы ведения мониторинга подземных вод в различных природно-климатических и антро­погенных условиях как составной части общего мониторинга водных ресурсов и окружающей среды.

Решение указанных задач будет безусловно способствовать дальнейшему развитию учения о ресурсах подземных вод и под­земном стоке.