ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Влияние на речной сток

Наиболее значительными экологическими последствиями отбора подземных вод помимо истощения их запасов, сниже­ния их уровня и образования депрессионных воронок является изменение взаимосвязи между подземными водами и поверх­ностным стоком. Последнее особенно важно учитывать при оценке запасов и экологических последствий работы береговых водозаборов так называемого "инфильтрационного типа". Та­кие водозаборы располагаются вдоль рек и их эксплуатацион­ные запасы почти полностью формируются за счет фильтрации из реки. Очевидно, что работа таких водозаборов оказывает не­посредственное влияние на речной сток. Поэтому естественно, что вопросами изучения взаимодействия поверхностных и под­земных вод в условиях эксплуатации последних посвящены мно­гочисленные научные исследования, международные конферен­ции и симпозиумы.

Впервые изменения поверхностного стока под влиянием от­бора подземных вод рассматривались в работах С. Тейса (Theis, 1935). С. Тейс анализировал эксплуатацию одиночной скважи­ны с постоянным дебитом вблизи совершенной реки в предпо­ложении однородности пласта и бесконечности его простира-

Ния в направлении от реки. Многие вопросы взаимодействия поверхностных и подземных вод были впервые теоретически обоснованы М. С. Хантушем (1964), который показал, что при расчетах производительности водозаборов необходимо учиты­вать влияние границ водоносных пластов, перетекания из со­седних водоносных горизонтов и несовершенство гидравличес­кой связи водоносных горизонтах с реками. Позже в работах E. JI. Минкина (1973) и других авторов было показано, что без надежной оценки изменения поверхностного стока, вызванно­го эксплуатацией подземных вод, нельзя достоверно обосновать перспективную производительность береговых водозаборов.

Возможное изменение речного стока, вызванное эксплуата­цией подземных вод, определяется целым рядом естественных и антропогенных факторов. Среди этих факторов важнейшими являются:

- характер гидравлической связи оцениваемого водонос­ного горизонта с рекой в разные сезоны года, определяющий режим и динамику подземного стока в реку. Характер этой гид­равлической связи зависит прежде всего от соотношения уров­ней водоносного горизонта и реки как в естественных услови­ях, так и в период эксплуатации подземных вод, совершенства (полноты) вреза реки в водоносный горизонт, а уакже от пропу­скной способности ложа реки, определяемой степенью заилис - тости и кальматации русловых отложений;

- сезонная изменчивость речного стока в годовом и много­летнем разрезе;

- характер и величина питания и разгрузки водоносного го­ризонта, включая возможное изменение испарения с поверхно­сти фунтовых вод в результате снижения их уровня под влияни­ем эксплуатации;

- дебит водозабора и расстояние водозаборных скважин от русла реки;

- продолжительность и режим эксплуатации водозаборов;

- фильтрационные свойства эксплуатируемого водоносного горизонта.

Учет этих факторов необходим при количественной оценке перспективной производительности береговых водозаборов, а также при определении возможных изменений речного стока при эксплуатации подземных вод.

В большинстве случаев при эксплуатации подземных вод, гидравлически связанных с реками, происходят изменения реч­ного стока. Однако характер, направленность и масштабы таких изменений могут варьировать в очень широких пределах на раз­ных стадиях работы водозаборов. Благодаря инерционности водоносных систем изменение речного стока проявляется дале­ко не сразу; оно значительно сглаживается и "запаздывает" во времени. Более того, в ряде случаев речной сток может даже увеличиваться за счет сброса в реки использованных подзем­ных вод, которые отбираются из более глубоких водоносных горизонтов, не дренированных рекой на исследуемой террито­рии, т. е. гидравлически не связанных с рекой. Эти обстоятель­ства, а именно инерционность подземных водоносных систем и возможный сброс в реку использованных подземных вод, необ­ходимо учитывать при разработке водохозяйственных балансов отдельных регионов на конкретный период времени. Разра­ботанные в настоящее время методические приемы и модели позволяют прогнозировать возможные изменения речного сто­ка, вызванные эксплуатацией подземных вод, с достаточно вы­сокой для практики точностью. Это, в свою очередь, дает воз­можность обосновать систему управления производительнос­тью береговых водозаборов, не допускающую катастрофического или неприемлемого для различных отраслей хозяйственной де­ятельности (рыболовства, судоходства, рекреационных целей) снижения расхода рек. В ряде случаев при прогнозном значи­тельном сокращении меженного речного стока под влиянием эксплуатации подземных вод приходится предусматривать спе­циальные компенсационные мероприятия, например, сооруже­ние регулирующих плотин и др.

В зависимости от соотношения различных источников фор­мирования эксплуатационных запасов подземных вод эксплуа­тируемого горизонта, величина возможного сокращения расхо­да реки сильно меняется во времени. Даже в случае, когда отби­раемые подземные воды в естественных условиях разгружаются только в реки, поверхностный сток длительный период време­ни может практически не изменяться.

При оценке изменений речного стока широко используются гидродинамические методы расчета, включающие аналитиче­ские, численные и аналоговые методы, подробно описанные в специальной литературе (Минкин, 1973;Лукнер, Шестаков, 1976; Черепанский, 1999). Поэтому в настоящем разделе приводятся только некоторые примеры и результаты отдельных оценок вли­яния интенсивного отбора подземных вод на речной сток.

Весьма подробный анализ влияния эксплуатации подземных вод на речной сток был выполнен Ю. О. Зеегофером с коллега­ми (1991) в связи с разработкой "Генеральной схемы объеди­ненной системы водоснабжения г. Москвы и Московской обла­сти с использованием подземных источников". Проведенные расчеты изменения отдельных составляющих водного баланса конкретных речных бассейнов региона показали, что в резуль­тате отбора подземных вод увеличился приток их к водозабо­рам из водоносных горизонтов, распространенных за предела­ми Московской области. При этом возможно сокращение под­земного стока в реки, которое за период эксплуатации может достичь 30% от естественного подземного питания рек. Однако реальный ущерб стоку рек 50-ти процентной обеспеченности, даже без учета сброса в реки возвратных вод, будет значительно меньше.

В большей степени ущерб сказывается на реках, дренирую­щих нижнюю толщу зоны пресных вод, сложенную карбонат­ными породами каменноугольного возраста, к которой приуро­чены основные эксплуатируемые водоносные горизонты. По расчетам Ю. О. Зеегофера с соавторами (1991), подземное пита­ние рек из этих горизонтов за период их интенсивной эксплуа­тации (60-80 лет) по сравнению с естественными условиями сократилось почти на 50%. Однако последнее утверждение от­носится к достаточно крупным рекам, таким как Клязьма, Мос­ква, Ока, где постоянно имеет место весьма значительный есте­ственный и транзитный сток, который по абсолютной величине во много раз превышает сокращение подземного притока в эти реки. Поэтому при сравнении величины сокращения подземно­го питания этих рек под влиянием эксплуатации подземных вод со среднегодовыми расходами рек ущерб речному стоку оказы­вается весьма незначительным. Подчеркнем, что этот оптимис­тический и важный в практическом отношении вывод относит­ся только к достаточно крупным рекам и к среднегодовым рас­ходам рек. Однако, в отдельные меженные периоды маловодных лет сокращение речного стока в результате интенсивной эксп­луатации дренируемых водоносных горизонтов может быть весь­ма существенным, что необходимо учитывать при проектирова­нии различных сооружений на реках (гидротехническое строи­тельство, рекреационные сооружения и др.).

Значительные работы по прогнозу возможного изменения стока малых рек методами моделирования выполнены в Бело­руссии (Черепанский, 1999а, 19996). Эти работы позволили вы­делить наиболее опасные с точки зрения сокращения стока уча­стки рек и обосновать мероприятия по предотвращению нега­тивного влияния отбора подземных вод на речной сток.

В отдельных случаях под влиянием водоотбора в резуль­тате существенного изменения взаимосвязи напорных и верх­них безнапорных горизонтов между собой и с рекой наблю­дается активизация геодинамических процессов в береговой зоне.

Все вышеизложенное относительно возможного ущерба реч­ному стоку от эксплуатации подземных вод справедливо без учета возвратного стока, то есть сброса в реку подземных вод после их использования. Если же учесть, что значительная часть ис­пользуемых пресных подземных вод затем снова сбрасывает­ся обычно в реку, то ущерб речному стоку будет практически ничтожным. Поскольку сброс использованной воды часто про­исходит не в том месте, где подземная вода разгружалась в реку, возможно перераспределение и изменение меженного режима стока на отдельных участках реки по сравнению с естествен­ным. Это явление осложняется сбросом в реку также использо­ванных поверхностных вод, что затрудняет анализ изменения речного стока под влиянием отбора подземных вод. На отдель­ных участках рек, особенно в верховьях малых рек и ручьев, наблюдается увеличение расхода, вызванное сбросом в них отработанных (использованных) подземных вод (Зеегофер и др., 1991).

Значительное снижение расходов рек на участках, где сосре­доточены крупные водозаборы подземных вод, зафиксированы английскими специалистами.

Польские ученые приводят интересные данные о влиянии многолетней эксплуатации подземных вод на водный режим бассейна р. Драмы (Ковальчик, Кропка, 1993). Здесь под влия­нием отбора подземных вод горными выработками значительно уменьшился расход одного из основных притоков, который ра­нее дренировал водоносный горизонт триаса, а в настоящее вре­мя питает грунтовые воды. В этом районе вследствие образова­ния глубокой и широкой депрессионной воронки в пределах эк­сплуатируемого водоносного горизонта произошли изменения как гидродинамических границ бассейна, так и общей структу­ры речного стока.

Отмечается значительное снижение расхода реки в районе г. Токио, вызванное сокращением дебита родников, или даже их исчезновением, под влиянием интенсификации отбора грунто­вых вод.

Интенсификация отбора подземных вод из верхних водонос­ных горизонтов в юго-восточной части Прибрежной равнины (США) привела к уменьшению подземного питания рек и озер этого района (Testa, 1991).