Часть 3 Экология подземной гидросферы

В настоящее время идет активная экологизация многих наук, в том числе и гидрогеологии. Гидрогеологическая наука всегда в той или иной мере изучала и оценивала воздействие инженерных и других технических объектов на подземные воды. Важной составной частью гидрогеологии, значение которой в последнее время стремительно возрастает, является охрана и защита подземных вод от истощения и загрязнения. Актуальность этой проблемы, ее научное и практическое значение обусловлены тем, что подземные воды, с одной стороны, являются важнейшим компонентом природных ресурсов планеты, использование которого растет чрезвычайно быстрыми темпами, а с другой – компонентом природной среды, антропогенные изменения которого (истощение, загрязнение) оказывают определенное (часто негативное) воздействие на ряд других компонентов природной среды, таких, как поверхностные воды, почва, верхняя часть разреза горных пород и через них – на растительность, животный мир и человека (Белоусова и др., 2006).

Наличие таких связей определяет необходимость рассматривать подземные воды в качестве одного из важнейших элементов природных экосистем, антропогенные нарушения которого могут иметь далеко идущие последствия.

15. Охрана подземных вод

15.1. Охрана запасов подземных вод от истощения

Трактовка и содержание проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов существенно различны в зависимости от вида ресурсов. Само понятие «охрана от истощения» неприменимо к месторождениям минерального сырья (железа, нефти и др.). Объемы этих минеральных ресурсов неизбежно являются конечными и речь может идти только об их экономии и рациональном использовании. Термин «охрана от истощения» используется только применительно к возобновляемым природным ресурсам, в качестве которого в экономическом и экологическом аспектах обычно рассматриваются природные ресурсы растительного и животного мира планеты. Как мы видели раньше, запасы подземных вод также обладают этим уникальным свойством – возобновляемостью. Однако сейчас мы достаточно четко представляем, что они, как и другие возобновляемые природные ресурсы планеты, не являются неисчерпаемыми. Во всех случаях использование (эксплуатация) запасов подземных вод должно соотноситься с величинами их возобновления в естественных и нарушенных условиях. При отборе воды в объеме, превышающем величины возобновления, происходит невосполнимая сработка запасов подземных вод, что с течением времени неизбежно приводит к их истощению.

В результате истощения запасов подземных вод происходит снижение их уровней до глубин, превышающих расчетные значения «допустимых понижений» (в случае глубоких напорных горизонтов – до глубин, при которых современная эксплуатация становится экономически невыгодной). С «истощением» может быть связано осушение грунтового водоносного горизонта, а относительно реже – и верхних горизонтов напорных подземных вод. Это в определенных случаях приводит к сокращению поверхностного (речного) стока, изменению водного режима и баланса природных ландшафтов и, как следствие, к изменению водного режима почвенного слоя, гибели или угнетению растительности и т.д.

Истощение запасов подземных вод со снижением их уровней и осушением водоносных горизонтов может быть связано с эксплуатацией различных видов подземных вод; с осушением верхней части разреза в районах горнодобывающей промышленности (шахтный или карьерный водоотлив); с изменением естественных условий питания и разгрузки подземных вод в результате крупного городского или промышленного строительства, вырубки леса, снижения уровня поверхностных вод в реках или озерах и т.д.

При оценке запасов месторождений подземных вод рассчитываются и обосновываются величины так называемых «допустимых понижений уровня». Формирование этих понижений на крупных водозаборах, конечно, может привести к негативным последствиям (см. ниже), однако, исходя из современных требований эти последствия должны оцениваться при прогнозе водоотбора. Само понятие «эксплуатационные запасы подземных вод» исключает опасность истощения месторождения в течение всего расчетного срока его эксплуатации. Однако в реальных условиях опасность истощения запасов подземных вод при их интенсивной эксплуатации все-таки существует. Она может быть связана с увеличением водоотбора сверх утвержденного объема эксплуатационных запасов без доразведки месторождения и переутверждения запасов; с наличием неучтенных потребителей, эксплуатирующих подземные воды без специальной разведки и утверждения запасов; с ошибками в оценке эксплуатационных запасов и прогнозе водоотбора, которые, к сожалению, еще нередки при разведке месторождений подземных вод в сложных гидрогеологических условиях, особенно при оценках взаимодействия системы крупных водозаборных сооружений, эксплуатирующих один и тот же водоносный горизонт.

В настоящее время в России, США, Японии, ФРГ, Мексике и других странах в результате интенсивной эксплуатации запасов пресных вод в районах крупных городов (Москвы, С.-Петербурга и др.) сформированы обширные области понижений уровней (депрессионные воронки), площади которых составляют десятки тысяч квадратных километров. Величины понижения уровней в центральных частях таких региональных воронок достигают 50–80 м и более и в ряде случаев уже превышают величины допустимых понижений. Дальнейшая интенсификация водоотбора в этих условиях неизбежно приведет к истощению запасов подземных вод эксплуатируемых водоносных горизонтов.

На территории Беларуси основными причинами истощения и недостатка водных ресурсов являются:

- интенсивная эксплуатация водных ресурсов (чрезмерный водоотбор);

- разработка месторождений полезных ископаемых;

- потери воды при транспортировке;

- мелиоративные мероприятия.

Наиболее распространенными последствиями истощения ресурсов подземных вод являются осушение колодцев, прекращение работы скважин, исчезновение родников, а при наличии гидравлической связи подземных вод эксплуатируемого горизонта с поверхностными водами изменение гидродинамических характеристик последних.

Интенсивная эксплуатация водных ресурсов, в частности подземных вод, связана с воздействием сосредоточенного водоотбора, особенность которого заключается в мощном локальном возмущении водоносного горизонта. Это возмущение, непрерывно развиваясь в пространстве, постепенно вовлекает в свою сферу выше- и нижележащие водоносные горизонты, поверхностные водоемы и водотоки. В результате длительного водоотбора формируются глубокие депрессионные воронки, представляющие собой трехмерный перевернутый конус вокруг скважины, характеризующий объем воды извлеченной в результате водоотбора, в эксплуатируемом и смежных с ним водоносных горизонтах. Происходит сокращение или полное прекращение подземного стока и фильтрации поверхностных вод.

В случае эксплуатации неглубоко залегающих водоносных горизонтов (например, водозаборы гг. Минск, Борисов, Калинковичи и др.) решающим фактором формирования режима подземных вод является перетекание. Радиус влияния этих водозаборов обычно распространяется на 2–6 км.

При эксплуатации глубоко залегающих пластов характерен неустановившийся режим фильтрации. Так, на водозаборах гг. Молодечно, Минск, Гродно и других, радиус депрессии пьезометрической поверхности горизонта составил 10–15 км.

В крупных промышленных районах депрессионные воронки отдельных водозаборов могут сливаться, образуя обширные понижения уровней подземных вод. Например, в районе г. Минск в водоносном поозерском комплексе депрессионные воронки водозаборов слились в единую региональную депрессию, размеры которой в субширотном направлении составили 40 км, в субмеридианальном – 30 км, а общая площадь оценивается в 750 км². В водоносном днепровском-сожском водно-ледниковом комплексе также сформировалась единая депрессионная воронка, размеры которой с востока на запад составили 2 км, а с севера на юг – 42 км.

Аналогичное влияние на гидрогеологическую обстановку оказывает сосредоточенный водоотбор, сопровождающий открытую разработку месторождений полезных ископаемых. Водоотливы из карьеров создают общее снижение уровней взаимосвязанных водоносных горизонтов, образующих в районе карьеров депрессионные воронки с радиусами, исчисляемыми километрами. В результате иссякают источники, колодцы и скважины, пересыхают пруды и заболоченные участки. В настоящее время на территории республики крупные карьеры действуют в Витебской области (месторождение «Руба»), где разрабатываются доломиты, и Брестской области (месторождение «Микашевичи»), где добываются граниты. Так, снижение уровней подземных вод от карьера «Гралево», имеющего водоотбор порядка 370 тыс. м³/сут, отмечено на расстоянии более 10–12 км, а общая воронка депрессии от работы трех карьеров месторождения «Руба» и трех водозаборов имеет радиус около 25 км. За 7 лет разработки карьера строительного камня «Микашевичи» радиус влияния составил 1,3–1,5 км.

Серьезное влияние сосредоточенный водоотбор оказывает на инженерно-геологические условия. Снижение уровней подземных вод, уменьшение пластового давления в результате интенсивного отбора воды вызывают просадки поверхности земли. Особенно заметно это проявилось в районе г. Минска, на который приходится максимальный в республике водоотбор, где на водозаборе «Новинки» снижение поверхности земли составило 0,5–0,6 м.

Истощение подземных вод может быть связано не только с их извлечением в объемах, превышающих эксплуатационные запасы, но также и с изменением (ухудшением) их качества. Сама формулировка «эксплуатационные запасы» предусматривает сохранение требуемого качества воды на весь расчетный срок эксплуатации водозабора. Поэтому истощение запасов в связи с ухудшением качества воды (для подземных вод различного назначения) может наблюдаться или при эксплуатации подземных вод без необходимой разведки и оценки запасов, или при ошибках, допущенных в процессе разведки месторождения и подсчете его эксплуатационных запасов.

В случае эксплуатации подземных вод хозяйственно-питьевого назначения «истощение» запасов этого рода, как правило, бывает связано с увеличением общей минерализации или содержания одного (или нескольких) компонента химического состава в количествах, превышающих нормы, определенные ГОСТами или действующими нормативами. Чаще всего это связано с притоком в процессе эксплуатации подземных вод из нижележащих водоносных горизонтов или из определенных участков самого эксплуатируемого горизонта, содержащих в естественных условиях воды повышенной минерализации (например, эксплуатация «линз» пресных вод) или повышенные содержания тех или иных нормируемых химических компонентов, а также с привлечением минерализованных поверхностных вод к водозаборам, расположенным на морских побережьях и берегах соленых озер.

Показательным примером в этом отношении является практика интенсивного использования для хозяйственно-питьевых и промышленных целей подземных вод в г. Полоцк. В естественных условиях воды эксплуатируемого здесь межморенного сожского-днепровского водоносного горизонта характеризуются преимущественно хлоридно-гидрокарбонатным магниево-кальциевым составом с минерализацией до 0,5–0,6 г/дм³. Однако при эксплуатации произошло ухудшение качества воды данного водоносного горизонта за счет подтягивания минерализованных вод среднего девона. В результате этого минерализация вод увеличилась до 1 г/дм³, общая жесткость с 6,42–7,14 до 12,5 мг-экв/дм³, возросло содержание хлора (с 13–100 до 426 мг/дм³), сульфатов (с 10–15 до 70 мг/дм³) и других макрокомпонентов, что повлекло за собой изменение состава вод на гидрокарбонатно-хлоридный магниево-кальциево-натриевый. Вследствие такого засоления в 1949 г. была прекращена эксплуатация водозабора. Подобные изменения, связанные с подтоком минеральных вод наблюдаются и на некоторых других водозаборах, например в гг. Солигорск, Барановичи. На некоторых скважинах водозабора «Белевичи» (г. Солигорск) подземные воды, находящиеся на участке тектонического разлома, имеют высокие содержания Cl^- (до 400–500 мг/дм³), повышенную жесткость (до 8–10 ммоль/дм³) и сухой остаток (до 1,5–1,8 г/дм³).

При эксплуатации месторождений лечебных минеральных вод истощение запасов за счет изменения качества может быть связано с уменьшением (ниже допустимых пределов) содержания основных «бальнеологических» компонентов состава или увеличением (выше допустимых пределов) химических компонентов, опасных для здоровья человека.

При эксплуатации месторождений промышленных и термальных вод «истощение» будет определяться уменьшением содержания полезного компонента (группы компонентов) или температуры воды (количества получаемого тепла) ниже минимально допустимых значений, принятых при утверждении эксплуатационных запасов.

Во всех перечисленных случаях изменение качества подземных вод правильнее рассматривать не как «загрязнение», «естественное загрязнение» и т.д., а именно как истощение запасов подземных вод (необходимого состава и качества), поскольку величина эксплуатационных запасов подземных вод оценивается с учетом сохранения необходимого качества воды на весь расчетный срок эксплуатации (Минкин, 1972).

Одной из причин дефицита пресной воды является потеря ее при транспортировке. При этом на крупные города приходится до 66% (77 млн. м³) утечек воды при транспортировке от общего объема потерь воды в республике. Также наибольшее количество воды теряется в сфере жилищно-коммунального хозяйства крупных городов. За период с 2005 по 2008 гг. потери воды постоянно возрастали, и если в 2005 г. они составили 101 млн. м³, то в 2008 г. – 131 млн. м³ от общего водоотбора. Однако с учётом введенного с 2009 г раздельного представления в отчетности об использовании воды данных потерь при транспортировке и неучтенных расходов воды из систем коммунального водоснабжения, объём потерь воды при транспортировке в целом по республике уменьшился на 46,9 млн м³ и составил 83,9 млн м³. Объём неучтенных расходов воды из систем коммунального водоснабжения составил 55,9 млн м³ (Государственный водный кадастр, 2010).

По силе воздействия мелиоративных работ на истощение ресурсов подземных вод выделяют локальные и региональные изменения.

Локальные изменения отмечаются на интенсивно осушаемых землях и в полосе, непосредственно прилегающей к болоту. Это выражается в снижении уровней грунтовых вод и в перераспределении элементов их баланса, как на объектах осушения, так и на сопредельных с ними землях, в усадке торфа и др. Региональные изменения выражаются в снижении уровней поверхностных и грунтовых вод на значительной территории, сопровождающееся не только перераспределением баланса грунтовых вод, но и изменением соотношения уровней грунтовых и напорных вод. Степень изменения режима напорных вод зависит от характера гидравлической связи их с водами осушаемого массива, которая, в свою очередь, определяется разностью отметок уровней грунтовых и напорных вод и проницаемостью разделяющего водоупора. В случае тесной гидравлической связи грунтовых и напорных вод скорость распространения депрессии уровней на прилегающие территории уменьшается. Однако многолетний дренаж напорного водоносного горизонта крупными мелиоративными системами может вызывать региональное снижение пьезометрической поверхности.

Таким образом, существует ряд общих закономерностей обуславливающих изменение режима грунтовых вод под влиянием мелиораций с определенными типами территорий.

К первому типу территорий относятся конечно-моренные возвышенности, моренные и озерно-ледниковые равнины. Главным отличием этого типа является преобладающее развитие среди поверхностных отложений слабо проницаемых глинистых разностей. Это значительно затрудняет, а часто практически исключает связь подземных вод с болотными массивами. В таких условиях осушение болот не вызывает изменений в режиме подземных вод.

Второй тип территории включает области распространения водно-ледниковых и озерно-аллювиальных равнин. Болотные массивы данного типа территорий грунтово-атмосферного питания залегают на обводненной толще песков мощностью 5–20 м, подстилаемой достаточно выдержанным водоупором – поозерской, сожской и днепровской мореной. При осушении болот происходит снижение уровней только грунтовых вод. Скорость и величина снижения уровня зависит от водопроводимости горизонта.

К третьему типу относятся древнеаллювиальные равнины, которым присуща изменчивость и разнообразие характера взаимосвязи грунтовых и напорных вод в питании болот. Соответственно этому меняется и результат воздействия осушения на режим подземных вод. Величина изменения режима каждого водоносного горизонта зависит от степени гидравлической связи с водами осушаемого массива.

Отличительной особенностью четвертого типа, главным образом это – территория Белорусского Полесья, является отсутствие выдержанных водоупоров, в связи с чем, водоносные горизонты различного возраста образуют единый водоносный комплекс. Осушение болот приводит к снижению уровней подземных вод на значительных расстояниях от массива (до 6–7 км). Так, по результатам исследований мелиорированных территорий Полесья были выявлены изменения в уровенном режиме грунтовых вод, глубины залегания которых увеличились с 1 до 2–3 м. При этом они первоначально носили локальный, но со временем приобрели региональный характер. Подобные изменения отмечены на объекте «Верховье р. Щары», где осушение повлияло на уровень болотных вод неосушенных территорий, при этом зона влияния составила 1–2 и более километров.

Исследования послемелиоративных изменений уровенного режима подземных вод на осушенных землях и прилегающих к ним территориях, проводимые по ряду мелиоративных объектов, также выявили существенные отклонения некоторых параметров уровенного режима подземных вод от формирующихся в естественных условиях. Например, в пределах мелиоративной системы «Замошье» до осушения максимальные уровни болотных вод фиксировались практически на поверхности земли, минимальные на 0,12–0,25 м ниже; а после мелиорации их положение составило соответственно 0,63–0,77 и 1,15–1,27 м ниже поверхности земли.

В качестве основных мер, призванных в этом случае решать вопросы охраны подземных вод от истощения, обычно рекомендуются:

- организация строгого контроля за использованием подземных вод;

- сокращение отбора воды на участках с перепонижением уровня относительно расчетных значений;

- переоценка запасов подземных вод с учетом опыта эксплуатации;

- использование специальных инженерных мероприятий по созданию источников дополнительного искусственного восполнения запасов подземных вод (искусственные ресурсы). Это в определенном смысле является мероприятием по защите подземных вод от истощения.