Автор: Зекцер И.С.

стр. 4

Доктор геолого-минералогических наук И.С. Зекцер,

Институт водных проблем РАН

стр. 5

Слова, вынесенные в заголовок, принадлежат выдающемуся русскому ученому академику А. П. Карпинскому. Он произнес их в 1931 г., но и спустя десятилетия они не потеряли значения. Скорее наоборот - приобрели особую актуальность. Геологи сегодня все чаще говорят о том, что подземные воды - полезное ископаемое номер один.

РЕЗЕРВУАР В НЕДРАХ - НАДЕЖНЫЙ ИСТОЧНИК

Тысячелетиями у людей складывалось представление о питьевой воде как о веществе никогда не иссякающем. Однако с ростом народонаселения потребность в ней росла, и сейчас ее нехватка ощущается на огромной территории - около 60% всей суши. Более того, во многих регионах водный фактор начинает сдерживать экономическое развитие. В одних местах это объясняется природно-климатическими условиями - засухой, редким выпадением осадков, отсутствием крупных источников воды, в других - интенсивным, а часто и нерациональным ее использованием в промышленных целях и, что особенно опасно, прогрессирующим загрязнением бассейнов отходами производства.

В рамках Международной гидрологической программы, принятой ЮНЕСКО в 1965 г., специалисты более 100 стран мира объединяют усилия в изучении водных ресурсов, разработке научных рекомендаций по их рациональному использованию. Мировое сообщество все больше внимания уделяет пресным подземным бассейнам как надежному источнику снабжения населения питьевой водой. Дело в том, что у них есть преимущества по сравнению с поверхностными, поскольку они чище и качественнее по составу, лучше защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям.

Главная специфическая особенность подземных вод, в отличие от прочих ископаемых, - их возобновление в процессе общего круговорота влаги. Более того, при эксплуатации они не только расходуются, но часто и дополнительно формируются - этот кажущийся парадокс вызван усилением питания их на поверхности и уменьшением испарения фунтовых вод. Еще одна характерная черта подземных вод - подвижность и тесная взаимосвязь с окружающей средой, ибо, с одной стороны, они находятся в постоянном взаимодействии с вмещающими их горными породами, а с другой - связаны с реками, морями, ландшафтами, растительностью.

ЗАПАСЫ И РЕСУРСЫ

В большинстве классификаций для обозначения количества подземной воды эти понятия разнятся. Термин "ресурсы" ввел в гидрогеологию академик Ф.П. Саваренский (1881-1946), обосновав его тем, что подземные воды, в отличие от других полезных ископаемых, не обладают постоянными запасами, так как в процессе общего круговорота непрерывно возобновляются. Иными словами, при подсчете их объема часто приходится ориентироваться не только и даже не столько на то, какой объем они занимают в данном бассейне или водоносном слое, а на приток влаги. Поэтому Ф.П. Саваренский считал: правильнее говорить не о запасах подземных вод, а о ресурсах, понимая под этим их подпитку и расходование. А термин "запасы" обозначал лишь то количество воды, которое находится в бассейне вне зависимости от его питания. Стало быть, емкость соответствующего горизонта и запасы влаги в нем могут быть и невелики, но производительность бассейна значительна, если он обеспечен постоянной подпиткой.

Отмечу одно важное обстоятельство, связанное с оценкой перспектив использования подземных вод: возможность их отбора зависит не только от количества воды, находящейся в пласте и поступающей в него в естественных условиях, но и от фильтрационных свойств окружающих пород. И получается, что если при оценке перспектив использования твердых полезных ископаемых, а также нефти и газа, нужно знать лишь величину их запасов, то в случае с подземными водами этого явно недостаточно.

Обычно выделяют естественные (синонимы - статические, вековые, геологические или емкостные) накопления воды, характеризующие в объемных единицах ее общее содержание в пласте. А для напорных горизонтов определяют "упругие запасы" - количество влаги, высвобождающейся при его вскрытии и снижении в нем давления во время откачки или самоизлива.

Что же касается ресурсов подземных вод, то в практике гидрогеологических исследований различают естественные и эксплуатационные. Первые (их также называют динамическими) отражают величину питания подземных вод за счет атмосферных осадков, поглощения речного стока и перетекания из других горизонтов. Суммарно это выражается расходом потока или толщиной слоя влаги, поступающей в подземные воды, т.е. в конечном счете показателем их восполнения.

Эксплуатационные ресурсы - это количество жидкости, добываемое в единицу времени из водоносного горизонта рациональным в технико-экономическом отношении забором при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем требованиям на весь расчетный период. По сложившейся традиции при региональных оценках употребляют термин "эксплуатационные ресурсы",

стр. 6

а при оценках водоснабжения конкретных объектов - "эксплуатационные запасы".

Сегодня все острее встает вопрос о допустимых пределах откачки из водоносного горизонта, чтобы не допустить его истощения. Причем часто ошибочно считают: истощение - это любое падение уровня подземных вод при их отборе. Но ведь эксплуатация практически невозможна без снижения напора. Другой вопрос - как определить его величину после которой могут начаться необратимые изменения в ресурсах и качестве влаги? Принято считать: тот или иной водоносный горизонт истощается лишь в том случае, если отбор из него превышает определенную, официально утвержденную величину эксплуатационных запасов или снижение напора больше допустимого предела.

О ЧЕМ РАССКАЗЫВАЮТ КАРТЫ?

Исследования с целью оценки естественных и прогнозных эксплуатационных ресурсов подземных вод начались в бывшем СССР в конце 50-х годов XX в. для определения в этом смысле перспектив отдельных регионов и страны в целом. Работу выполнили в короткие сроки и завершили изданием соответствующих карт и монографии. Тогда впервые не только стали известны величины естественных ресурсов, но были выявлены и закономерности их формирования в разных физико-географических и геолого- гидрогеологических условиях, установлены пространственно- временные изменения различных характеристик, определяющих подземный сток. Специальная методика региональной оценки позволила путем анализа и обработки уже имеющихся материалов, т.е. без дополнительных разведочных работ, объективно и экономически эффективно провести расчеты ресурсов.

На упомянутых картах отражены среднемноголетние модули подземного стока (расход потока с площади 1 км ² ), коэффициенты, показывающие отношение величин питания к атмосферным осадкам, а также показатели грунтового питания рек, отражающие роль подземных вод в общем речном стоке. Кроме того, карты отражают природные условия и факторы, определяющие закономерности формирования естественных ресурсов (состав и стратиграфическая принадлежность водовмещающих пород, районы развития карста, распространение линз пресных вод, участки поглощения поверхностной влаги и др.).

Опыт картирования водных ресурсов, накопленный в бывшем СССР, получил признание за рубежом. Используя его, специалисты ряда европейских стран в рамках Международной гидрологической программы ЮНЕСКО провели аналогичные работы. Итогом стали "Карта подземного стока Центральной и Восточной Европы" в масштабе 1:1 500 000 и соответствующая монография, опубликованные в 1982-1983 гг.

Недавно завершены крупные международные исследования по региональной оценке и картированию естественных ресурсов подземных вод всей суши Земли. В них принимали участие специалисты многих стран, и в результате в 1999 г. вышла в свет "Карта гидрогеологических условий и подземного стока суши мира" в масштабе 1:10 000 000 (главные редакторы - Р. Г. Джамалов и И.С. Зекцер), удостоенная в 2001 г. награды РАН - премии имени академика Ф.П. Саваренского.

В последние годы в России выполнены важные работы по региональной оценке эксплуатационных ресурсов подземных вод всех артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов страны. Были составлены карты различного масштаба, отражающие модули эксплуатационных ресурсов (средний расход воды с 1 км ² площади соответствующего горизонта). При этом в отдельных перспективных районах были учтены потребности в воде конкретных потребителей и вероятное расположение будущих сооружений для ее забора. В итоге выяснилось: в большинстве районов страны есть принципиальная возможность использовать подземные воды, и была создана основа для планирования поисково-разведочных работ. Кстати, изыскания, выполненные недавно под руководством сотрудников Гидрогеологической научно-производственной фирмы Л.С. Язвина и Б. В. Боревского, позволили усовершенствовать их методику, получить обоснованную классификацию эксплуатационных запасов, а также создать

стр. 7

Схема связи подземного стока с природно- климатическими зонами:

1 - избыточно-влажная;

2 - влажная;

3 - недостаточно-влажная;

4 - сухая; 5 - < 1 %; 6 - 1-3%;

7 - 3-5%; 8 - 5-10%;

9-10 - 20%; 10 - 20-50%.

представление о месторождении подземных вод (под ним понимают ту часть площади распространения водоносных горизонтов или комплексов, где условия для отбора влаги в количестве, достаточном для целесообразного ее использования, наиболее благоприятны по сравнению с окружающей территорией). К настоящему времени в России разведано несколько тысяч месторождений пресных и солоноватых подземных вод. Их эксплуатационные запасы утверждены государственными или территориальными комиссиями по полезным ископаемым.

В России (ранее - на территории СССР) с 1979 г. в рамках работ по ведению Государственного водного кадастра ежегодно обобщается информация об эксплуатационных запасах подземных вод, их использовании и качестве (это составная часть Государственного мониторинга состояния недр нашей страны). Полученные данные публикуются в ежегодных информационных бюллетенях. Приведенные ниже сведения взяты из такого издания за 2000 г., составленного Госцентром "Геомониторинг".

Прогнозные ресурсы пресных и слабосолоноватых (до 3 г/л) подземных вод России составляют 867,8 млн. м ³ /сут. Около 72% из них сосредоточены в Западно-Сибирском, Восточно-Сибирском, Дальневосточном и Северном экономических районах, но на долю разведанных и официально утвержденных эксплуатационных запасов на 1 января 2001 г. приходится лишь 86 млн. м^сут, причем степень использования прогнозных ресурсов в целом по стране составляет около 3%, достигая 26% в Калининградской области.

Отбор подземных вод в 1999 г. составил 33,9 млн. м ³ /сут, однако использовали примерно 28,1 млн. м ³ /сут; остальные почти полностью сбрасывали.

В соответствии с довольно строгим водным законодательством, по которому высококачественные пресные подземные воды должны в первую очередь идти на хозяйственно-питьевое снабжение, в нашей стране в целом 76% их расходуют именно на эти цели, 22 - на производственно-техническое водоснабжение и лишь около 2% - на орошение земель и обводнение пастбищ. Такой подход, по моему убеждению, принципиально правильный: для заводов, фабрик, полива сельскохозяйственных угодий лучше направлять поверхностные воды. И хотя иногда это стоит значительно дороже, для будущих поколений людей сохраняются пресные подземные запасы влаги высокого качества.

ОЧАГОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ - БОЛЕЕ ТРЕХ ТЫСЯЧ

В последние десятилетия в формировании состава и качества подземных вод, прежде всего пресных, чрезвычайно возросла роль антропогенных факторов, так что представление о них как об экологически чистых требует в некоторых районах существенной корректировки. Именно поэтому большое внимание сейчас уделяют не только предотвращению истощения запасов влаги, но и наблюдению за ее качеством в эксплуатируемых горизонтах. Чаще всего отмечаются повышенные концентрации азотных соединений, железа, марганца, стронция, селена, мышьяка, фтора, бериллия, органических веществ, из-за чего без специальной обработки вода непригодна для питья.

По данным различных геологических организаций Министерства природных ресурсов РФ, в нашей стране (по состоянию на 1 января 1999 г.) существует свыше 3 тыс. очагов загрязнения подземных вод, причем около 75% из них находятся в европейской части. Там сосредоточены отходы и сточные воды промышленных предприятий, нефтепромыслов, складов горюче-смазочных материалов (это касается примерно 36% от общего числа упомянутых очагов), загрязняющие вещества, поступающие с орошаемых полей и из накопителей отходов животноводческих комплексов, птицефабрик (примерно 15% очагов). Остальное связано главным образом с отходами коммунального хозяйства, прежде всего различными свалками.

Самые распространенные загрязнители - сульфаты, хлориды, соединения азота (нитраты аммиак, аммонит), нефтепродукты, фенолы, соединения железа, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий). К счастью, по данным Государственного водного кадастра за 2000 г., сильно зараженные водоносные пласты редко превышают по площади 100 км и отмечены только на 24 из 2776 подобных участков. Обычно же они занимают не более сотен квадратных метров, в крайнем случае составляют несколько квадратных километров. Впрочем, эти обстоятельства не мо-

стр. 8

гут служить показателем благополучного состояния подземных вод.

ГЛАВНОЕ - РЕГУЛИРОВАТЬ ВОДООТБОР

Как часть окружающей среды, подземные воды находятся в сложных и разноплановых "взаимоотношениях" с другими ее компонентами. От уровня их залегания зависит характер растительности, урожайность сельскохозяйственных культур, а годовые и многолетние колебания нередко вызывают подтопление городских строений и угодий, способствуют развитию оползней. Иногда интенсивный отбор воды приводит к снижению земной поверхности, что активизирует карстово- суффозионные процессы, влияет на глубину рек, вызывает осушение территорий.

Вместе с тем подземные воды и сами подвержены влиянию окружающей среды. Так, разливы во время половодий усиливают питание рек и, следовательно, увеличивают их естественные ресурсы. Однако водохранилища, регулирующие поверхностный сток, сокращают продолжительность и интенсивность паводков, что изменяет режим питания водоносных горизонтов и в конечном счете ведет к сокращению их запасов. А интенсивное орошение и связанные с ним ирригационные и обводнительные каналы увеличивают влажность на прилегающих территориях.

стр. 9

Рассмотрим подробнее, как влияет интенсивная откачка подземных вод на речной сток, растительность, земную поверхность. Сразу оговорюсь: самые неприятные экологические последствия такого подхода (помимо истощения запасов влаги, понижения уровня ее залегания и образования депрессионных воронок) - резкое изменение взаимосвязи между подземной и поверхностной влагой. Особенно важно это учитывать при оценке последствий работы береговых водозаборов так называемого "инфильтрационного типа". Они располагаются вдоль рек, за счет которых почти полностью формируют свои эксплуатационные запасы, и значит, прямо влияют на речной сток. Последний меняется при откачке воды, что определяется такими естественными и антропогенными факторами, как гидравлическая связь оцениваемого водоносного горизонта с рекой в разные сезоны, изменчивость речного стока в течение года и за многолетний период, характер и объем питания и разгрузки горизонта и др.

Все эти факторы надо учитывать, если требуется оценить производительность береговых водозаборов и определить возможные изменения речного стока, которые по характеру, направленности и масштабам варьируют в очень широких пределах. Причем из-за инерционности водоносных систем они проявляются не сразу - сглаживаются и "запаздывают" во времени. Более того, сток может даже увеличиваться, когда в реки сбрасывают использованные подземные воды из более глубоких горизонтов.

С помощью современных теоретических моделей и соответствующих методических приемов прогнозируют, и с достаточно высокой точностью, возможные изменения речного стока. А это, в свою очередь, позволяет создать эффективную систему управления производительностью берегового водозабора с тем, чтобы не допускать катастрофического или просто неприемлемого для тех или иных отраслей хозяйства (рыболовства, судоходства, рекреации) уменьшения расхода речной влаги.

Как уже отмечалось, снижение уровня подземных (грунтовых) вод влияет на растительность; это определяется режимом ее питания - автоморфным или гидроморфным. В первом случае корни растений, не достигая уровня грунтовых вод или капиллярной каймы (слоя, где влага удерживается в порах горных пород), питаются исключительно за счет атмосферных осадков. Глубину проникновения корней, суммированную с высотой грунтовых вод, часто называют критической. Если грунтовые воды залегают выше нее, то режим питания растений влагой - гидроморфный, ибо грунтовые воды участвуют в их развитии.

У подавляющего большинства представителей флоры корни проникают в почву сравнительно неглубоко. Например, в районе Приокского заповедника ^* (Московская область) у сосны они уходят не более чемна 3 м, у дуба - 5,1,улипы - 2,5, у березы - 3,4, у осины - 4,4 м, т.е. основная их масса находится в зоне интенсивной инфильтрации атмосферных осадков.

Высота же капиллярной каймы, расположенной над грунтовыми водами, определяется составом местных горных пород вблизи земной поверхности. В песках разного гранулометрического состава она изменяется от 0,1 до 0,5 м, в легких суглинках и торфяниках составляет до 2-2,5 м, в тяжелых суглинках - 3-4 м.

Учитывая это, можно сделать принципиальный и важный для практики вывод: когда грунтовые воды залегают ниже критических глубин, то падение их уровня, вызванное отбором влаги, никак не сказывается на растительности. Иными словами, если данный уровень в песках глубже 5, а в суглинках - 7 м, то любая сколь угодно интенсивная эксплуатация подземных вод не влияет на растительные сообщества. Однако такой вывод справедлив лишь для гумидной (влажной) и умеренно увлажненной зон. Что же касается растений аридного (сухого) климата, скажем,

^* См.: М.А. Колотова. Лаборатория реанимации природы. - Наука в России, 2001, N 5 (прим. ред.).

стр. 10

Использование подземных вод в 1999г. (по данным Государственного водного кадастра России, 2000 г.):

1 - хозяйственно-питьевое водоснабжение;

2 - производственно-техническое водоснабжение;

3 - орошение земель и обводнение пастбищ.

эвкалиптов, то для них критические глубины, а следовательно, и влияние отбора воды будут совсем иными. При эксплуатации подземных горизонтов в долинах рек этой климатической зоны часто гибнут влаголюбивые растения - гидрофиты, а фреатофиты, чьи корни сравнительно глубоко проникают в грунт, испытывают угнетение. Так, серьезная откачка подземных вод (около 800 л/сек) в долине периодически пересыхающей реки Кара-кенгир в Центральном Казахстане принесла огромный ущерб местной флоре. Здесь, по данным сотрудника Всероссийского научно- исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии Министерства природных ресурсов РФ М.А. Хордикайнена, высохла и отмерла растительность, на прилегающих к водозабору участках долины погибли луговые травы, а сток реки резко сократился.

Известны случаи, когда откачка из недр приводит к осушению и даже исчезновению низинных болот, в результате чего отмирает их гидрофитная растительность или изменяются ее виды. Иногда это дает и хорошие результаты - приводит к дренированию переувлажненных земель и тем самым положительно влияет на урожайность и видовой состав трав на заливных лугах.

Бывает, что в районах интенсивной откачки подземных вод на обширных пространствах в десятки и даже сотни квадратных километров формируются понижения уровней - депрессионные воронки. Они изменяют состояние горных пород, скорости, а порой и направления подземных потоков, что заметно активизирует суффозионные и карстовые процессы. Понижение уровней в одних местах приводит к оседаниям земной поверхности, а в других - даже к образованию провалов. Первое больше всего распространено на территориях, где подземные воды заключены в проницаемые песчано-гравийные породы, переслаивающиеся глинистыми слабопроницаемыми отложениями. При откачке напор влаги здесь снижается, что чревато уплотнением отложений, и как следствие - образованием депрессионных воронок. Вот наиболее яркие примеры подобных ситуаций: из- за откачки подземной влаги оседание грунта в штате Калифорния (США) достигло 9 м (в приморской равнине вблизи Лос-Анджелеса оно идет со скоростью 0,5-0,7 см в год), в Мехико (Мексика) - 10,7 м. В настоящее время в более чем 150 районах Мексики, Японии и США просадки земной поверхности, вызванные откачкой подземных вод и разработкой месторождений полезных ископаемых, достигли 10 м.

Перечисленные процессы часто вызывают подтопление и заболачивание территорий, деформацию автотрасс, железнодорожного полотна, водопроводных труб, линий электропередачи, нефте- и газопроводов, изменение уклонов русел рек, повреждения промышленных и гражданских сооружений. Практически единственный способ борьбы со всеми этими бедами - сокращение откачки вод из эксплуатируемых горизонтов, ведение постоянного мониторинга за их уровнем и состоянием земной поверхности. Иными словами, основные мероприятия, позволяющие не допускать или хотя бы минимизировать негативное влияние эксплуатации подземных вод на эколандшафты и растительность - управление режимом их откачки крупными водозаборами (во многих случаях - ее уменьшение), искусственное восполнение запасов влаги и регулирование поверхностного стока с помощью специальных водохозяйственных мероприятий.

Постоянный адрес данной публикации: