ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

РОЛЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ВОДОСНАБЖЕНИИ НАСЕЛЕНИЯ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ И СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Прежде всего напомним, что подземные воды находятся в основном в толще горных пород верхней части земной коры. В зависимости от характера пустот вмещающих пород подзем­ные воды делятся на поровые - в песках, галечниках и других осадочных и обломочных породах, трещинные - в скальных и плотносцементированных породах (гранитах, песчаниках), раз­битых трещинами, и карстовые - в растворимых породах (изве­стняках, доломитах, гипсах и др.). Слои горных пород, насы­щенные водой, образуют водоносные горизонты. Несколько этажно расположенных и тесно взаимосвязанных между собой водоносных горизонтов называют водоносным комплексом. От­носительно водонепроницаемые слои (глины, плотные суглин­ки, нетрещиноватые сцементированные породы) получили на­звания водоупоров.

Здесь уместно остановиться на понятиях и терминах в обла­сти изучения и использования подземных вод, принятых в Рос­сии, а также в странах бывшего Советского Союза и некоторых

Странах Центральной и Восточной Европы. Эти понятия, отра­женные в специальных документах и требованиях по оценке за­пасов полезных ископаемых, во многом определяют принципы оценки запасов и перспектив использования пресных подзем­ных вод.

Для обозначения количества подземной воды существует ряд классификаций, в большинстве из них различают понятия "за­пасы" и "ресурсы". Понятие "ресурсы" было введено в гидроге­ологию академиком Ф. П. Саваренским.

Необходимость введения этого понятия для подземных вод он обосновал тем, что подземные воды не обладают постоян­ными запасами как прочие полезные ископаемые, так как они непрерывно возобновляются в процессе общего круговорота воды. При использовании подземных вод часто приходится ори­ентироваться не только и не столько на тот объем, который за­нимают подземные воды в данном бассейне или водоносном слое, а на приток подземных вод. Поэтому Ф. П. Саваренский считал, что правильнее говорить не о "запасах" подземных вод, а об их "ресурсах", понимая под этим термином их поступление (питание) и расходование и оставляя за термином "запасы" лишь то количество воды, которое находится в данном бассейне (или водоносном слое) вне зависимости от его емкости. Емкость во­доносного горизонта и запасы подземных вод в нем могут быть невелики, но производительность данного горизонта может быть значительной, если он обеспечен в своем питании. И наоборот, бассейн подземных вод может обладать значительными разме­рами, но ежегодное поступление воды в него может оказаться небольшим.

Отметим одну важную особенность подземных вод, связан­ную с оценкой перспектив их использования. Она заключается в том, что возможность отбора подземных вод зависит не толь­ко от количества воды, находящейся в пласте и поступающей в пласт в естественных условиях, но и от фильтрационных свойств водовмещающих пород, определяющих сопротивление движе­нию подземных вод к водозаборным сооружениям.

Указанные особенности подземных вод, принципиально от­личающие их от других полезных ископаемых, определили не­обходимость выделения нескольких понятий, характеризующих:

- количество воды, находящейся в водоносном горизонте;

- количество воды, поступающей в водоносный горизонт в естественных и нарушенных условиях;

- количество воды, которое может быть отобрано из водо­носного горизонта рациональными водозаборными сооруже­ниями.

Таким образом, если при оценке перспектив использования твердых полезных ископаемых, нефти и газа достаточно знать только их запасы, то для определения возможности рациональ­ной эксплуатации подземных вод этого недостаточно.

Обычно выделяют естественные (синонимы - статические, вековые, геологические или емкостные) запасы подземных вод, характеризующие в объемных единицах общее количество воды в водоносном пласте. При оценке запасов подземных вод на­порных водоносных горизонтов выделяют "упругие запасы" - количество воды, высвобождающееся при вскрытии водонос­ного пласта и снижении пластового давления в нем при откачке или самоизливе за счет объемного расширения воды и умень­шения порового пространства самого пласта. Эти запасы про­являются с момента вскрытия водоносного пласта до стабили­зации воронки депрессии и перехода на стационарный режим эксплуатации.

В практике гидрогеологических исследований производят оценку естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод. Естественные ресурсы (синоним - динамические запасы) характеризуют величину питания подземных вод за счет инфиль­трации атмосферных осадков, поглощения речного стока и пе­ретекания из других водоносных горизонтов, суммарно выра­женную величиной расхода потока или толщиной слоя воды, поступающего на уровень подземных вод. Таким образом, есте­ственные ресурсы являются показателем восполнения подзем­ных вод, отражая их основную особенность как возобновляе­мого полезного ископаемого.

Эксплуатационные запасы (ресурсы) обозначают количество воды, которое может добываться в единицу времени из водо­носного горизонта рациональным в технико-экономическом отношении водозабором при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного периода эксплуатации. Таким образом, эксп­луатационные запасы (ресурсы) являются одним из основных показателей возможности отбора подземных вод нужного коли­чества и качества для различных целей. При этом по сложив­шейся традиции при региональных оценках обычно пользуют­ся термином "эксплуатационные ресурсы", а при оценках для водоснабжения конкретных объектов - "эксплуатационные запасы". При оценке эксплуатационных запасов (ресурсов) учитывается возможность использования естественных, в том числе упругих запасов, естественных ресурсов, а также при­влекаемых (дополнительных) ресурсов, образующихся непо­средственно при эксплуатации водозаборов (привлечение по­верхностных вод, подземных вод "непродуктивных" горизонтов и т. п.). Важным источником формирования эксплуатационных запасов могут служить искусственные ресурсы, создаваемые путем инфильтрации (или нагнетения) поверхностных вод в природные подземные емкости с помощью специальных со­оружений или образующиеся в зоне влияния водохранилищ, на орошаемых массивах, вдоль каналов и т. п. за счет допол­нительного питания подземных вод из поверхностных водоис­точников.

Соотношение различных генетических составляющих эксп­луатационных ресурсов подземных вод видно из следующего наиболее общего уравнения баланса подземных вод эксплуата­ционного водозабора

W

= +AQ

At

Где Q3 - дебит эксплуатационного водозабора; Qe - естествен­ные ресурсы подземных вод; W - запас воды в водоносном пла­сте, срабатываемый при эксплуатации (т. е. сработка естествен­ных запасов - осушение пласта в пределах воронки депрессии в случае безнапорного потока или сработка упругих запасов в слу­чае напорного потока); At - расчетный срок эксплуатации водо­забора; AQ - суммарные дополнительные ресурсы, привлекае­мые в процессе эксплуатации.

При стабилизации воронки депрессии или неограниченном сроке эксплуатации (At—юо) второй член приведенного уравне­ния стремится к нулю. При этом дебит водозабора определяется расходом подземного потока, обеспеченного питанием и допол­нительным притоком воды AQ (если имеются соответствующие для этого условия).

В первый период работы водозабора эксплуатационные ре­сурсы будут больше естественных ресурсов за счет сработки ес­тественных запасов подземных вод, включающих емкостные и упругие запасы подземных вод. При неограниченном сроке экс­плуатации (At—»оо) эксплуатационные ресурсы по величине бу­дут приближаться к естественным ресурсам (при AQ=0).

Таким образом, естественные ресурсы подземных вод пред­ставляют собой тот верхний предел, который определяет пита­ние постоянно действующих водозаборов с неограниченным сроком эксплуатации (за исключением водозаборов, дебиты ко­торых формируются за счет дополнительных запасов, привле­каемых в процессе эксплуатации).

Следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации происхо­дит перестройка баланса водозабора, вызванная изменением ге­нетических составляющих эксплуатационных ресурсов. Разви­тие депрессии в водоносном пласте при откачке может вызвать приток воды из рек, уменьшить испарение с поверхности грун­товых вод, вызвать или усилить перетекание воды из выше - и нижерасположенных водоносных горизонтов. Поэтому роль естественных ресурсов подземных вод как одного из генетичес­ких компонентов эксплуатационных ресурсов является различ­ной на разных стадиях работы водозабора.

В России и ряде других стран ресурсы пресных подземных вод изучаются в двух основных направлениях:

1. производится разведка и оценка эксплуатационных запа­сов подземных вод для обеспечения водоснабжения конкретных объектов (городов, предприятий);

2. проводится региональная оценка естественных и эксплуа­тационных ресурсов для перспективного планирования возмож­ностей использования подземных вод.

Первая задача, благодаря работам прежде всего российских гидрогеологов (М. А. Альтовский, Н.Н. Биндеман, Ф. М. Бочевер, К. А. Плотников, Н. И. Плотников, Л. С. Язвин, Б. В. Боревский и др.) достаточно хорошо разработана в научно-методическом отношении. Исследования по второму направлению впервые за­родились и начали широко развиваться в республиках бывшего Советского Союза 30-35 лет назад. Их развитие было вызвано прежде всего необходимостью оценить перспективы отдельных крупных территорий и страны в целом с точки зрения обеспе­ченности ресурсами подземных вод.

Не имея возможности в настоящей книге даже кратко рас­смотреть опыт и результаты многолетних работ по региональ­ной оценке ресурсов подземных вод, отметим лишь, что многие из этих работ, и в первую очередь региональные исследования естественных ресурсов подземных вод и подземного стока по­лучили широкое международное звучание. Они были включены в Международную гидрологическую программу ЮНЕСКО, про­водились и проводятся рядом стран с различной детальностью и в разных масштабах по отдельным регионам и артезианским бассейнам, ориентировочно оценены для всей суши Земного шара.