13.2. Основные типы подземных вод

13.2.1. Подземные воды хозяйственно-питьевого назначения

В качестве подземных вод хозяйственно-питьевого назначения могут рассматриваться пресные (с минерализацией менее 1,0 г/л) и в определенных случаях слабоминерализованные (до 2,0 – 3,0 г/л и более) подземные воды, используемые для питьевого и коммунального водоснабжения населенных пунктов, промышленных предприятий и сельскохозяйственных объектов, а также для орошения (питьевые, технические и оросительные воды).

В качестве основных предпосылок существования месторождения подземных вод хозяйственно-питьевого назначения обычно рассматривается наличие:

1. пресных или слабосолоноватых подземных вод, соответствующих по качеству ГОСТам на питьевые воды или конкретным нормативам для вод хозяйственного назначения;

2. водоносных (водовмещающих) пород с относительно (по сравнению с соседними участками) высокими значениями емкостных и фильтрационных свойств, что обеспечивает формирование определенного объема запасов подземных вод и возможности их отбора рациональными в технико-экономическом отношении водозаборными сооружениями (разного типа) в количествах, достаточных для удовлетворения существующей потребности;

3. благоприятных условий формирования инфильтрационного питания подземных вод продуктивного водоносного горизонта, возможного притока из смежных пластов или участков территорий, фильтрации из рек и других факторов, что определяет благоприятные условия формирования восполнения запасов в естественных условиях и в условиях эксплуатации;

4. потребителя (заявленной потребности) на расстоянии, обеспечивающем экономически рациональную эксплуатацию месторождения.

Разработка «Учения о типах месторождений подземных вод» выполнена ведущими российскими гидрогеологами Б.В. Боревским, Н.И. Плотниковым, Л.С. Язвиным и другими. В качестве основных типов месторождений подземных вод хозяйственно-питьевого назначения в настоящее время обычно рассматриваются месторождения:

1) подземных вод в речных долинах;

2) артезианских бассейнов платформенного типа;

3) артезианских бассейнов межгорных впадин и конусов выноса;

4) ограниченных по площади структур и массивов трещиноватых или закарстованных пород и потоков трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений;

5) грунтовых вод песчаных массивов;

6) межморенных отложений;

7) подземных вод области распространения многолетнемерзлых пород.

Месторождения подземных вод в речных долинах могут быть связаны как с рыхлыми аллювиальными отложениями, так и с коренными породами разного состава, непосредственно вскрываемыми руслом реки (рис. 32). Во втором случае подземные воды месторождения (продуктивный горизонт) могут быть изолированы от русла реки и верхнего аллювиального горизонта относительно выдержанными слоями слабопроницаемых пород. В качестве самостоятельного подтипа месторождений обычно рассматриваются месторождения древних погребенных долин, не связанные непосредственно с современной гидрографической сетью.

В крупных речных долинах с постоянным речным стоком, расходы которого даже в маловодные периоды значительно превышают производительность водоотбора, структура эксплуатационных запасов месторождения формируется главным образом за счет привлечения поверхностного стока и «перехвата» (инверсии) естественной разгрузки подземных вод (привлекаемые и естественные ресурсы). В связи с этим при поисках таких месторождений важнейшими задачами являются выявление участков с минимальными значениями русловых сопротивлений или участков со значительными расходами русловой или родниковой разгрузки подземных вод в естественных условиях (рис. 32).

В других случаях (реки с периодическим стоком, малыми расходами и др.) в маловодные годы или в межень формирование эксплуатационных запасов месторождений происходит в основном за счет сработки естественных запасов (осушение аллювиального горизонта), а восполнение запасов осуществляется в многоводные годы и периоды речных паводков.

В зависимости от фильтрационных свойств и мощности водовмещающих пород, условий связи с руслами рек, удельных (м³/сут • км) величин разгрузки естественного потока и некоторых других факторов эксплуатационные запасы месторождений этого типа изменяются в широких пределах, достигая 100–150 тыс. м³/сут и более (Гидрогеология СССР. Свод. т. Вып. 3. 1977).

Рис. 32. Месторождение подземных вод в речной долине: а – гидрогеологический разрез месторождения: 1 – рыхлые аллювиальные отложения; 2 – коренные породы; 3 – уровень грунтовых вод в естественных условиях; 4 – то же при эксплуатации; 5 – источники; 6 – естественный поток подземных вод, «инверсируемый» водозаборным сооружением; 7 – приток из реки; 8 – разгрузка грунтовых вод в реку, сохраняющаяся и при эксплуатации водозабора; 9 – водозаборные скважины; б – типовая структура эксплуатационного водозабора: 1 – естественные запасы; 2 – инверсия естественной разгрузки (естественные ресурсы); 3 – привлекаемые ресурсы

Месторождения артезианских бассейнов платформенного типа всегда связаны с водоносными горизонтами напорных межпластовых подземных вод. Водовмещающими являются рыхлые или литифицированные трещиноватые, а также закарстованные осадочные породы (рис. 33). Структура эксплуатационных запасов в зависимости от условий залегания продуктивного горизонта и строения гидрогеологического разреза определяется главным образом упругими запасами межпластовых вод и перетеканием (привлекаемые ресурсы) из смежных, преимущественно вышележащих, водоносных горизонтов (рис. 33, б). Наличие в условиях эксплуатации значительного притока из нижележащих водоносных горизонтов нередко приводит к нежелательным изменениям минерализации и химического состава подземных вод продуктивного горизонта. В пределах участков интенсивной естественной разгрузки напорных вод (речные долины, глубокие озерные котловины и др.) значительная часть эксплуатационного водоотбора может формироваться за счет инверсии расхода естественного потока (естественные ресурсы).

Рис. 33. Месторождение подземных вод в артезианском бассейне платформенного типа (по Р.С. Штенгелову): а – гидрогеологический разрез месторождения: 1 – аллювиальные отложения; 2 – диатомиты (диатомовые глины); 3 – трещиноватые опоки (продуктивный горизонт); 4 – глины; 5 – мергели; 6 – песчаники, алевролиты; б – прогнозная балансовая структура эксплуатационного водоотбора: 1 – естественные (упругие) запасы нижнеэоценового горизонта; 2 – естественные запасы аллювиального горизонта; 3 – приток из реки через аллювиальный водоносный горизонт (привлекаемые ресурсы).

В зависимости от фильтрационных свойств отложений и условий формирования ресурсов, привлекаемых из вышележащих горизонтов, эксплуатационные запасы месторождений этого типа достигают 10–50 тыс. м³/сут, для особо крупных месторождений – 100 тыс. м³/сут и более (Гидрогеология СССР. Свод. т. Вып. 3. 1977).

Месторождения подземных вод артезианских бассейнов межгорных впадин и конусов выноса связаны обычно с рыхлыми, слабо отсортированными аллювиально-пролювиальными толщами четвертичного и неоген-четвертичного возраста. Значительные удельные расходы естественных потоков и наличие участков интенсивной разгрузки родниковым стоком или испарением определяют формирование структуры эксплуатационных запасов подземных вод главным образом за счет естественных ресурсов (рис. 34). В некоторых случаях значительная часть эксплуатационного водоотбора может формироваться также за счет естественных запасов подземных вод или за счет естественно-антропогенных ресурсов (орошение). Производительность водозаборов в целом достаточно высокая. Так, для крупных месторождений с хорошими фильтрационными свойствами водовмещающих пород и интенсивной естественной разгрузкой подземных вод они достигают 150–200 тыс. м³/сут и более.

В центральных частях артезианских бассейнов крупных межгорных впадин условия формирования месторождений подземных вод в целом аналогичны бассейнам платформенного типа.

Месторождения ограниченных по площади структур и массивов трещиноватых и закарстованных пород и потоков трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений как самостоятельный тип месторождений характерны главным образом для территории складчатых областей (Урал, Алтае-Саянская область и др.). Водовмещающими могут быть трещиноватые породы любого состава, однако практически всегда наиболее перспективными являются участки (структуры), сложенные интенсивно закарстованными породами. В связи с относительно невысокими емкостными свойствами трешиноватых пород и ограниченными размерами структур и трещинных зон формирование эксплуатационных запасов в месторождениях этого типа связано с использованием естественных или привлекаемых ресурсов. Эксплуатационные запасы месторождений, как правило, не превышают 10–20 тыс. м³/сут. Для крупных структур, сложенных интенсивно закарстованными породами или высокопроницаемыми породами другого типа (интенсивно-трещиноватые песчаники, неоген-четвертичные вулканогенные или вулканогенно-осадочные породы и др.), при благоприятных условиях формирования естественных или привлекаемых ресурсов эксплуатационные запасы месторождений могут достигать здесь 100 тыс. м³/сут и более.

Рис. 34. Месторождение подземных вод во внутридолинном конусе выноса (по P.M. Никитину, 1988): а – гидрогеологический разрез месторождения: 1 – дочетвертичные отложения; 2 – суглинки; 3 – пески с валунно-галечниковыми образованиями; 4 – пески; 5–7 – уровни подземных вод (5 – свободный, 6 – напорный в верхнем пласте, 7 – напорный в среднем пласте); 8 – напор в скважине; 9 – родники и разгрузка в русло; 10 – направления движения подземных вод; б – прогнозная балансовая структура эксплуатационного водоотбора: 1 – естественные ресурсы, 2–3 – запасы соответственно верхнего и нижнего водоносных пластов

Месторождения грунтовых вод песчаных массивов подразделяются на два существенно различных подтипа: 1) месторождения песчаных массивов пустынь и полупустынь и 2) месторождения песчаных массивов зандровых равнин. Первый подтип месторождений является специфическим, связанным в основном с линзами и ограниченными участками распространения пресных вод среди вод с относительно повышенной минерализацией. Месторождения этого типа характеризуются, как правило, малыми величинами естественных ресурсов и при отсутствии естественно-антропогенных источников восполнения (орошение, фильтрация из каналов и др.) или привлекаемых ресурсов структура эксплуатационного водоотбора формируется здесь за счет сработки естественных запасов пресных вод. Эксплуатационные запасы месторождений обычно не превышает 10 тыс. м³/год, в условиях интенсивного естественно-антропогенного восполнения (крупные прирусловые и приканальные линзы пресных вод) – до 50 тыс. м³/сут.

Месторождения песчаных массивов зандровых равнин и месторождения подземных вод межморенных отложений наряду с месторождениями речных долин являются основными типами месторождений четвертичных отложений области ледниковой аккумуляции. В зависимости от мощности и фильтрационных свойств водовмещающих пород, условий залегания водоносных горизонтов, связи с поверхностными водами и других факторов структура и величины (до 10–50 тыс. м³/сут, в переуглубленных ледниковых долинах – до 100 тыс. м³/сут и более) эксплуатационных запасов подземных вод месторождений этих типов могут быть различными.

Месторождения подземных вод областей распространения многолетнемерзлых пород до настоящего времени изучены относительно слабо. В принципе они могут быть связаны с наличием пресных подмерзлотных, межмерзлотных и надмерзлотных подземных вод и примерно соответствовать любому из рассмотренных выше типов месторождений (вероятно, кроме месторождений в песчаных массивах пустынь). Однако во всех случаях наличие многолетнемерзлых, практически водоупорных пород и длительное сезонное промерзание поверхностных вод и вод СТС резко уменьшают возможности формирования естественных и привлекаемых ресурсов, что определяет особенности формирования структуры эксплуатационных запасов и их величину. В то же время в условиях сплошного глубокого промерзания гидрогеологических структур собственно месторождения пресных подземных вод могут практически отсутствовать.

На территории Беларуси пресные подземные воды связаны с тремя повсеместно выдержанными водоносными комплексами (верхнепротерозойских отложений и верхней трещиноватой зоны кристаллического фундамента, девонских отложений, отложений четвертичной системы), а также водоносными комплексами кембро-силурийских, силурийско-ордовикских, каменноугольных, пермско-триасовых, юрско-меловых и палеоген-неогеновых образований фрагментарного распространения. Из названных только водоносный комплекс четвертичных отложений нацело представлен пресными водами питьевого регистра, в разрезе более древних отложений пресные воды приурочены к верхним, хорошо промытым частям водоносных комплексов и с глубиной сменяются минерализованными водами и рассолами.

Впервые вопрос о глубинной позиции границы раздела пресных (менее 1 г/дм³) и более минерализованных (более 1 г/дм³) подземных вод обсуждался (Богомолов, Козлов, 1969) в связи с проблемой гидрогеологической зональности территории Беларуси. Было установлено, что мощность зоны активного водообмена варьирует в зависимости от геолого-структурных и гидродинамических условий недр от 50 до 400 м, а наименьшей мощности зоны (50–150 м) связаны с долинами Западной Двины (участок Новополоцк–Верхнедвинск) и Березины (Березино–Паричи).

Современная структура слоя пресных подземных вод Беларуси представлена картой-схемой (рис. 35), составленной (Кудельский и др., 1995; Кудельский и др., 2000) на основе материалов гидрогеохимического опробования и геофизических исследований скважин.

Рис. 35. Карта-схема мощности слоя пресных подземных вод на территории Беларуси:

1 – изолинии глубин залегания подошвы слоя пресных подземных вод, м. Области развития слоя пресных вод мощностью более: 2 – 450 м, 3 – 1000 м; 4 – разнопорядковые разломы; 5 – Северо-Припятский разлом; 6 – характерные гидрогеохимические аномалии; 7 – зона выклинивания сульфатно-доломитово-мергельной гипсоносной пачки наровского горизонта; 8 – наиболее крупные зоны разгрузки глубинных минерализованных вод: I – Северо-Припятская, II – Березинская, III – Уборть-Птичская, IV – Западно-Двинская (Подземные воды Беларуси, 1998)

В соответствии с картой-схемой, максимальные мощности слоя пресных вод (более 450 м) свойственны наиболее поднятым участкам Белорусской антеклизы (преимущественно Гродненская область), менее значительные мощности (300–400 м) тяготеют к метастабильным тектоническим элементам Московской синеклизы, Брестской впадины, северной периферии Украинского кристаллического щита и Брагинско-Лоевского выступа. Минимальные мощности (менее 150 м) пресных подземных вод зафиксированы в зонах дизъюнктивных нарушений районов Микашевичского выступа, восточной периферии Белорусской антеклизы и ряда геологических структур на севере и северо-западе республики.

Общий объем пресных вод питьевого регистра варьирует в пределах 7852,9–10470,5 км³, площадь зон с их минимальной мощностью (менее 150 м) превышает 12% от общей площади Беларуси (табл. 17).

Таблица 17