ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Влияние на проседание земной поверхности

В результате движения подземных вод происходит массопе - ренос и перераспределение веществ непосредственно в толще земной коры. Вынос растворенных веществ с подземным сто­ком представляет собой один из наиболее важных процессов миграции химических элементов, определяя масштабы подзем­ной денудации. Количественная оценка подземной химической денудации осуществляется путем расчета количества выноси­мых подземными водами растворенных веществ или времени снижения поверхности земли на определенную величину (на­пример, на 1 метр) под влиянием выноса растворенных веществ подземными водами. В естественных условиях этот процесс проявляется не очень наглядно. Так, например, на территории Прибалтийского артезианского бассейна подземными водами в естественных условиях выносится ежегодно с 1 км2 площади примерно 30 т растворенных веществ, что вызывает снижение земной поверхности на 0,008 мм/год. В целом, снижение зем­ной поверхности в естественных условиях в результате подзем­ного стока происходит медленно (менее, чем на 1 метр на 100 тыс. лет) постепенно и незаметно для человека, и при всей важности этого процесса для геологического развития Земли, никаких практически значимых негативных последствий для повседневной жизни не наблюдается.

Другое дело - проседание земной поверхности в результате откачки подземных вод, нефти или газа. Ниже рассматривается более подробно проседание земной поверхности, вызванное интенсивным отбором подземных вод, что является, как уже отмечалось, одним из проявлений негативного влияния интен­сивной эксплуатации подземных вод на окружающую среду.

Как известно, в районах крупных откачек подземных вод формируются обширные понижения пьезометрических уровней (депрессионные воронки), охватывающие часто площади в де­сятки и сотни квадратных километров.

Понижение пьезометрических уровней подземных вод и из­менения пластовых давлений вызывают изменения напряжений в горных породах, скоростей, а иногда и направлений движения подземных вод, что увеличивает интенсивность суффозионных и карстовых процессов. В одних условиях понижения уровней приводят к оседанию поверхности земли, а других - к образова­нию провалов. Наиболее широко распространены оседания на тех территориях, где подземные воды заключены в хорошо про­ницаемых песчано-гравелистых породах с небольшой сжимае­мостью, которые переслаиваются с глинистыми слабопрони­цаемыми, но хорошо сжимаемыми отложениями. При откачке снижается напор подземных вод, что увеличивает эффективное давление на скелет грунта и приводит к уплотнению сжи­маемых отложений, а как следствие - к оседанию земной по­верхности.

В зависимости от характера отложений уплотнение пород может быть или преимущественно упругим, восстанавливаю­щимся при подъеме уровня, или преимущественно пласти­ческим, приводящим к необратимой перестройке зернистой структуры отложений. Водоносные горизонты, сложенные скаль­ными отложениями, практически несжимаемы. Галечники, гра - велистые и песчаные породы сжимаются мало, но уплотнение их происходит быстро и имеет упругий характер, т. е. при повы­шении уровня подземных вод породы в значительной мере ра­зуплотняются. Основная часть оседания поверхности связана с уплотнением слабопроницаемых глинистых отложений.

Уменьшение напора в водоносных горизонтах создает гид­равлический градиент от перекрывающих глин и других слабо­проницаемых пород внутри водоносного горизонта к хорошо проницаемым породам.

Увеличение давления в слабопроницаемом пласте проис­ходит сначала в поровой воде и только по мере удаления воды постепенно передается скелету слабопроницаемых пород. Вслед­ствие малой гидравлической проводимости этих пород верти­кальное перемещение воды и последующее уменьшение поро - вого давления происходит медленно.

Нередки случаи, когда в карбонатных породах, содержащих пресные подземные воды хорошего качества, развиваются кар- стово-суффозионные процессы. Механизм этих процессов в уп­рощенном виде можно представить следующим образом. Кар­бонатные породы в результате перерывов в осадконакоплении и под воздействием физического и химического выветривания обычно пронизаны на значительную глубину многочисленны­ми полостями и кавернами различных размеров и конфигура­ций, заполненными в основном рыхлыми отложениями. При про­должительной и интенсивной откачке напорных вод карбонат­ных Отложений происходит значительное увеличение скоростей фильтрации (в десятки и сотни раз). Это приводит сначала к пе­рераспределению рыхлого заполнителя, а затем к его полному выносу. Кровля образовавшихся пустот уже не может выдержать нагрузки вышележащих водонасыщенных песчано-глинистых от­ложений, что приводит к медленному оседанию земной поверх­ности.

Оседания земной поверхности и провалы часто приводят к опасным последствиям. Так, оседания земной поверхности мо­гут вызвать подтопление и заболачивание территорий, дефор­мацию автотрасс, железнодорожного полотна, водопроводных труб и других коммуникаций, изменение уклонов русел рек, де­формацию промышленных и гражданских сооружений.

А. А. Коноплянцев и Е. Н.Ярцева (1983) описывают много­численные случаи оседания и провалов поверхности, вызван­ных интенсивной эксплуатацией подземных вод.

Оседание земной поверхности широко развито в США. Дж. Ф. Поланд (1981) отмечает, что величины оседаний изменя­ются от 0,3 м в районе г. Саванна (штат Джорджия) до 9 м в западной части долины Сан-Хоакин (Калифорния). В штате Ка­лифорния общая площадь оседания земной поверхности дости­гает 18 тыс. км2. В долине Сан-Хоакин наблюдается одно из са­мых значительных изменений окружающей среды, вызванное откачкой подземных вод. Здесь имеется почти 1,5 млн. га оро­шаемых земель, половина которых охвачена оседанием. В этом районе снижение уровней подземных вод в результате интен­сивной их эксплуатации достигло нескольких десятков метров, что вызвало просадки грунтов на отдельных участках до 9 м. В Калифорнии зафиксированы трещины проседания протяжен­ностью до 3,0-3,5 км. В результате неравномерных просадок в отдельных местах нарушается эксплуатация каналов, водопро­водов, водозаборных скважин, что требует значительных финан­совых расходов.

В Сан-Франциско поверхность земли понизилась на 2,4 м, что привело к необходимости сооружения и систематического наращивания специальных дамб, чтобы сдержать наступление вод залива на сушу. В приморской равнине Лос-Анжелеса уже в течение нескольких десятилетий фиксируются проседания зем­ной поверхности со скоростью 0,7 см/год. Это вызвано комп­лексным воздействием ряда как антропогенных факторов, та­ких как откачка нефти, газа и подземных вод, нагнетание пре­сных вод в районах интрузии морских вод, так и влиянием современной неотектоники.

В Мехико оседание земной поверхности в пределах го­рода за последние 70 лет достигло 10,7 м. В результате были повреждены здания, мостовые, водопроводная и канализацион­ная сети. Дворец изящных искусств, расположенный в центре города, опустился более чем на 3 м ниже уровня окружающих улиц. Для того чтобы прекратить оседание, к городу подвели поверхностную воду и сократили откачку подземных вод. В на­стоящее время разрабатываются специальные меры по управ­лению отбором подземных вод и использованием водных ре­сурсов.

Г. Линд в своей блестящей книге "Вода и город", изданной ЮНЕСКО еще в 1983 г., приводит яркие примеры тесного взаи­модействия всех компонентов окружающей среды, включая об­щие водные ресурсы, подземные воды, поверхность земли и др. В частности им подробно описаны геолого-гидрогеологиче­ские условия Венеции, где наблюдается медленное и катастро­фическое погружение города в море, вызванное чрезмерным изъятием подземных вод из водоносных пластов в сочетании с влиянием приливов Адриатического моря. Принятые меры были направлены на значительное сокращение откачки подземных вод в районе г. Венеции и использование поверхностных вод р. Си­ле. И если в период 1952-1968 гг. средняя скорость проседания поверхности земли составляла 5-6 мм в год, то в результате уменьшения откачек (число действующих водозаборных сква­жин было сокращено на 60%) уровень поверхности земли в Ве­неции к 1975 г. поднялся на 2 см (Линд, 1984).

Аналогичные проблемы характерны для многих крупных приморских городов, интенсивно эксплуатирующих подземные воды.

Можно привести и другие примеры влияния интенсивного отбора подземных вод на снижение земной поверхности. Так, по данным Технологического института Индонезии, начиная с 1994 г. в результате интенсивной эксплуатации подземных вод почва в г. Джакарта просела местами до 0,5 м. Это привело к подтягиванию соленых морских вод, что вызывает подтопление, а местами и разрушение оснований зданий.

В настоящее время в Мексике, Японии и США известно бо­лее 150 районов, где просадки земной поверхности, вызванные интенсивной откачкой подземных вод и разработкой месторож­дений полезных ископаемых, достигли 10 м.

Даже интенсификация отбора подземных вод в отдельные сезоны года, например, летом для орошения, может вызывать просадки рыхлых грунтов.

Оседание земной поверхности на территории Аллювиальной равнины (Япония) было обнаружено в 1973 г. В восьмидесятые и начале 90-х годов прошедшего столетия скорость проседания, вызванного снижением напора подземных вод в результате их откачки, достигала в этом районе 2 см в год.

В Японии общая площадь территории, опустившейся под влиянием отбора подземных вод ниже уровня моря, достигает 1200 км2. В г. Токио в период с 1900 по 1975 гг. оседание земной поверхности достигло 4,7 м.

Принятый в Японии закон о воде имеет целью сократить от­бор подземных вод и увеличить использование поверхностных вод. В настоящее время в ряде районов Японии проседание зем­ной поверхности уменьшилось благодаря более рациональному отбору подземных вод и увеличению потребления вод из водо­хранилищ.

В г. Бангкоке (Таиланд) значительное снижение поверх­ности земли, обусловленное эксплуатацией подземных вод, отмечается с 1960 г. В настоящее время здесь работают около 15000 водозаборных скважин, отбирающих воду из напорного песчано-гравийного водоносного горизонта, перекрытого гли­нами.

В Китае в результате интенсивной откачки подземных вод на поверхности земли образовались трещины шириной до 0,5 м.

Просадки земной поверхности, вызванные отбором подзем­ных вод, отмечены также в Малайзии.

В некоторых районах просадки земной поверхности охва­тывают значительные площади. Так, на Тайване проседание грунтов, вызванное неконтролируемым отбором подземных вод, охватывает территорию в 250 км2, а максимальное проседание достигает 2,5 м. Вдоль прибрежных равнин острова фиксиру­ются интрузии морских вод. Проводятся мероприятия по сокра­щению отбора подземных вод в отдельных районах.

В ряде районов проседание земной поверхности, вызванное интенсивным отбором подземных вод, приводит к разрушению существующих гражданских и промышленных сооружений. Та­кие случаи известны, например, в г. Калькута (Индия), где отме­чены повреждения зданий, вызванные проседанием поверхно­сти земли со скоростью 1,4 мм/год.

Опасность интрузии морских вод, наряду с оседанием зем­ной поверхности, во многих приморских районах приводит к необходимости ограничивать отбор подземных вод. Такая опас­ность отмечена в приморских районах Калифорнии, на остро­вах Зеленого мыса, на побережье Мексиканского залива в США, в ряде городов Италии и многих других районах. Интрузия мор­ских вод привела к негативным изменениям качества подзем­ных вод на побережье Израиля. Во многих прибрежных райо­нах Англии существует проблема вторжения соленых вод в во­доносные горизонты. Так, на восточном побережье Англии наблюдается вторжение морских вод в водоносный горизонт мела, интенсивно эксплуатируемый для питьевых и промышлен­ных нужд. Специалистами рекомендованы мероприятия по ста­билизации отбора воды с целью предотвращения дальнейшего вторжения морских вод.

Интенсивный подток соленых вод в эксплуатируемые водо­носные горизонты отмечен на побережье штата Каинсленд (Ав­стралия), где водоотбор почти вдвое превышает современное инфильтрационное питание.

Одним из основных и, вероятно, практически единственным способом борьбы с проседанием земной поверхности является сокращение отбора подземных вод из эксплуатируемых гори­зонтов и введение постоянного мониторинга за уровнем грун­товых вод и состоянием земной поверхности. Только разработ­ка строгих правил контролируемого отбора подземных вод по­зволяет предотвратить или снизить отрицательные последствия работы водозаборов там, где геолого-гидрогеологические усло­вия способствуют развитию процессов проседания земной по­верхности и (или) интрузии морских вод.

Наиболее наглядным примером борьбы с проседанием зем­ной поверхности и внедрением морских вод являются работы, проведенные в штате Техас (США). В г. Хьюстоне за 40 лет ин­тенсивной эксплуатации подземных вод проседание земной по­верхности в отдельных районах достигло 4 м, что вызвало за­топление значительной территории морскими водами. В 1976 г. власти штата Техас приняли меры к сокращению откачки под­земных вод в опасных районах и осуществлению ряда меропри­ятий по искусственному восполнению подземных вод. После этого темпы проседания земной поверхности значительно сни­зились. Следует подчеркнуть, что Техас является одним из немногих районов мира, где государством проводятся плано­мерные многолетние исследования (включая стационарные наблюдения, моделирование и прогнозы) по оценке влияния интенсивного отбора подземных вод на проседание земной по­верхности.

Образование обширных депрессионных воронок в районах эксплуатации водоносного горизонта Потомак-Маготи, штат Нью-Джерси, США вызвало интрузию морских вод в береговой зоне, что привело к необходимости сокращения вдвое отбора подземных вод крупными потребителями.

Проблема проседания земной поверхности под влиянием откачки подземных вод (аналогичные проседания развиваются и при откачке нефти и газа) привлекает внимание ученых мно­гих стран, которые направляют свои усилия на изучение осо­бенностей и закономерностей проявления проседаний. При этом главными задачами являются прогнозирование развития этого процесса в различных геолого-гидрогеологических условиях, обоснование рационального режима эксплуатации подземных вод, особенно в районах, подверженных проседанию и карсто - во-суффозионным процессам, а также разработка рекомендаций по предотвращению или сокращению негативных последствий крупного отбора подземных вод в таких районах.

Краткое рассмотрение возможного влияния интенсивного отбора подземных вод на основные компоненты окружающей среды (речной сток, растительность, эколандшафты) позволяет сделать следующий важный вывод.

Существующее практически повсеместно объективное про­тиворечие между желанием, а часто и необходимостью, отобрать из недр побольше подземной воды и возможным негативным влиянием такого водоотбора на различные компоненты окружа­ющей среды должно рассматриваться на основании данных на­блюдений комплексного экологического мониторинга, включая анализ многолетнего опыта эксплуатации подземных вод круп­ными водозаборами. Такое рассмотрение позволит обосновать масштабы и режим рационального водоотбора с учетом требо­ваний по охране окружающей среды.