Пресные подземные воды

Зона пресных вод, как уже указывалось, располагается в верхней части гидрогеологического разреза. Ее мощность в среднем 200-300 м, в отдельных районах она достигает 1000 м и более, а в аридных областях может сокращаться до нескольких десятков мет­ров и даже вообще исчезать. В условиях многолетней мерзлоты эта зона может быть проморожена частично или полностью. Прогноз­ные запасы пресных питьевых вод России оценены Л.С. Язвиным в размере 340 км³/год. Средняя величина модуля про­гнозных запасов 0,74 л/(с-км²) при диапазоне колебаний от 0,46 до 1,3 л/(с-км²). На территории страны разведаны 4300 месторождений пресных питьевых вод с общими ресурсами 34,6 км³/год. Эксплуа­тируется меньше половины разведанных месторождений (1900). Общий отбор подземных вод в 2001 г. составил 12,4 км³/год, из них для городского и сельскохозяйственного водоснабжения использо­валось 7,8 км³/год.

На ряде месторождений наблюдается загрязнение подзем­ных вод железом, фтором, стронцием, а также марганцем, мышья­ком и бериллием. Кроме того, в отдельных случаях встречены по­вышенные концентрации бария, бора, лития, превышение ПДК по сульфатам, хлоридам, общей жесткости.

В России функционирует более 500 водозаборов, в которых содержание отдельных компо­нентов превышает ПДК действующего СанПиНа. Для улучше­ния качества используемых вод применяют различные технологии водоподготовки. Во избежание техногенного загрязнения подзем­ных вод вокруг водозаборов создаются санитарные и водоохран­ные зоны. Соблюдение этих требований особенно актуально, потому что только 40 % водозаборов имеют природную защиту в ви­де водоупорного покрова, препятствующего поступлению загряз­нений с поверхности земли.

Пресные воды могут использоваться не только для питьевого водоснабжения, но и для водохозяйственных, хозяйственно-технических, оросительных, сельскохозяйственных и других целей.

Разведка и эксплуатация месторождений пресных подзем­ных вод представляет собой весьма сложную и очень интересную задачу. Для ее решения необходимо выбрать участок с наиболее благоприятными условиями формирования подземных вод, про­вести разведку месторождения, определить его контуры и пара­метры, обосновать оптимальные технические средства и режим эксплуатации подземных вод. В процессе разведки и эксплуата­ции месторождения приходится решать многочисленные и разно­образные вопросы техники и методики ведения работ, их эконо­мики, возможных экологических последствий, обрабатывать по­мученные материалы, проводить соответствующие расчеты и моделировать гидрогеологические процессы, прогнозировать изменения гидрогеологической обстановки при эксплуатации месторождения. Все сказанное может быть достигнуто только при комплексном изучении объекта (ландшафтно-климатическом, геолого-геохимическом, гидролого-гидрогеологическом), использовании разнообразных современных методов, исследовании гидрогеологических тел и слагающих их компонентов: вод, пород, газов и живых организмов.

Чтобы доказать, что эксплуатационные запасы разведаны в нужном количестве и при хорошем качестве, обеспечат водопотребление на запланированный срок, гидрогеологу необходимо об­ладать высокой эрудицией, разнообразными специальными знания­ми, большим опытом и интуицией. Особенно важна интуиция, которая приобретается в процессе становления специали­ста, формирует его умение правильно расставлять приоритеты сво­ей деятельности, находить оптимальные решения для достижения поставленной цели.

Месторождение пресных вод образуется в разных структур­ных геологических условиях. Преобладающее большинство из них разведано в пределах артезианских бассейнов. Они приурочены к верхней части разреза этих структур (рис.21). В средней части раз­реза обнаруживаются минеральные воды различного типа. На глу­бине более 3 км вскрываются месторождения термальных вод. Та­ким образом, на территории артезианских бассейнов можно встре­тить основные типы месторождений пресных и минеральных вод.

Многие месторождения пресных вод расположены в долинах рек (рис.22). Это объясняется тем, что, во-первых, аллювиальные отложения, выполняющие эти долины, часто обладают хорошими фильтрационными свойствами и сложены песками и гравийно-галечными отложениями мощностью несколько десятков, а в крупных долинах и в несколько сотен метров.

Во-вторых, в долинах рек возможно устройство инфильтрационных водозаборов, которые при эксплуатации будут отбирать не только естественные ресурсы и запасы подземных вод, но также и привлекаемые ресурсы, поступающие из реки.

Рис.21. Месторождения подземных вод на крыле артезианского бассейна

1 - метаморфические и изверженные породы кристаллического фундамента; 2 - эффузивные породы; 3 - песчаники, пески; 4 - глины, аргиллиты; 5 - карбонатные породы; 6 - карбонатно-глинистые породы; 7 - рыхлые песчано-глинистые четвертичные отложения; 8 - четвертичные галечники, пески; 9 - разломы; 10 - границы гидрохимических зон; 11-14- месторождения пре­сных питьевых (11), лечебных (12), промышленных (13) и термальных (14) вод; 15 - изотермы. °С; А-В - гидрохимические зоны пресных (А), соленых (Б) вод и рассолов (В).

Это обеспечивает значительные (десятки тысяч кубических метров в сутки) и стабильные водопритоки. В-третьих, долины рек являются базисом дренирования водоносных горизонтов, залегающих как по их бортам, так и под аллювием. Если боковая разгрузка обычно не ухудшает качества подземных вод, то воды, приходящие из глубины в результате восходящей разгрузки, могут быть сильно минерализованными. Они образуют под руслом реки своеобразные купола разгрузки, а на дне - выходы соленых источников. Крупные месторождения подземных вод долинного типа эксплуатируются в бассейнах рек Амур, Амударья, Обь, Енисей, Волга и др.

Рис.22. Схема месторождения пресных подземных вод в речной долине

1 - граниты; 2 - известняки; 3 - пески, песчаники; 4 - глины, алевролиты; 5 - делювиальные супеси; 6 - аллювиальные гравийно-галечные отложения; 7 - уровень подземных вод

Особо следует отметить погребенные долины, которые образовались в прошлые геологические эпохи: карбон, олигоцен, неоген и четвертичное время. Русла рек у них уже нет, и они исполняют роль «гидрогеологических окон». Через них осуществляется гидравлическая связь между выше- и нижележащими водоносными горизонтами. В ряде районов в них аккумулируются значительные эксплуатационные запасы подземных вод (олигоценовые и четвертичные долины в Западной Сибири).

Если в речных долинах формируются потоки, то на междуречных пространствах - бассейны грунтовых вод. Бассейны грунтовых вод занимают площади уже несколько десятков тысяч квадратных километров. По генезису эти отложения могут быть флювиогляциальными, озерными, морскими, эоловыми, а по вещественному составу-песчано-глинистыми и карбонатными. Мощность водовмещающих пород обычно не превышает нескольких десятков метров. Они занимают высокие гипсометрические отметки и потому подземный сток с них направлен в сторону главных дрен - речных долин. Питание подземных вод происходит за счет атмосферных осадков. Поэтому эксплуатационные запасы подземных вод в этих местах невелики (не превышают нескольких сотен кубических метров в сутки). Они заметно возрастают на площадях распространения закарстованных карбонатных пород (Ижорское плато, юг Сибирской платформы). Здесь модуль подземного стока достигает 3-4,7 л/(с•км²). В районах распространения песчано-глинистых отложений он обычно не превышает 1 л/(с•км²). В качестве примера разрезе бассейна грунтовых вод приведен разрез Шимановского месторождения, расположенного на Зейско-Амурского междуречье (рис.23).

Своеобразные условия формирования грунтовых вод наблюдаются в пустыне Кара-Кум. «Линзы-бассейны» в пустыне Кара-Кум были заложены несколько тысяч лет тому назад в период влажного межледниковья. В настоящее время приходная часть водного баланса этих «линз» обеспечивается конденсационными водами, образующимися из паров воздуха. На первом этапе эксплуатации месторождений подземных вод бассейнового типа срабатываются емкостные запасы, затем эксплуатационные водозаборы переходят на использование динамических ресурсов подземных вод.

Рис.23. Гидрогеологический разрез Шимановского месторождения

пресных подземных вод [23]

1 - водоносный горизонт в четвертичных аллювиальных отложениях; 2 - водоносный горизонт в миоценовых аллювиальных и озерно-аллювиальных отложениях сазанковской свиты и плиоцен-нижнечетвертичных отложениях

белогорской свиты; 3 - подземные воды зоны трещиноватости палеозойских интрузивных и силурийских (?) вулканогенно-осадочных пород; 4 и 5 - тектонические нарушения; 6 - уровень подземных вод; 7 - граница литологических разностей пород; 8 - скважина (сверху - номер, слева - дебит, л/с, и понижение уровня, м, справа - минерализация воды, г/л); 9 - песчано-гравийно-галечные отложения; 10 - песок крупнозернистый с гравием и галькой; 11 - песок разнозернистый с гравием и галькой; 12 - глина; 13 - каолинсодержащие отложения; 14 - кора выветривания коренных пород; 15 - граниты, гранодиориты, диориты; 16-сланцы.

Месторождения подземных вод предгорных шлейфов (рис.24) расположены на окраинах горных сооружений Кавказа, Па­мира, Тянь-Шаня, Копетдага. Они приурочены к выходам горных рек на предгорные равнины и представляют собой обширные конуса выноса мощностью до нескольких сотен метров, сложенные валун­ными, галечниковыми, гравийными, песчаными и глинистыми от­ложениями аллювиального и пролювиального генезиса.

Рис.24. Схема месторождения пресных подземных вод в предгорном конусе выноса [4]

1 - коренные породы; 2 - гравийно-галечниковые отложения, водоносные;

3 - глины, суглинки; 4 - источники; 5 - направление стока; 6 - самоизливающая

скважина. МИ - зоны питания (I), погружения и частичной разгрузки (II)

и вторичного погружения (III)

Вниз по склону крупнообломочный материал сменяется средним и мелким, а при выходе на предгорную равнину преобладающими становятся песчаные и глинистые разности. В конусах выноса образуются два типа скоплений грунтовых вод: в бассейнах и потоках. Водное пита­ние этих структур осуществляется в верхней (горной) части конусов, а разгрузка - на предгорных равнинах. Увеличение глинистости раз­реза и образование глинистых прослоек в этих местах приводит к появлению напорных вод и восходящих источников. Ресурсы под­земных вод в предгорных шлейфах весьма велики, только в Средней Азии они оцениваются в 1000 м³/с. Производительность водозаборов достигает нескольких сотен тысяч кубических метров в сутки. Для областей аридного климата воды предгорных шлейфов являются важным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Месторождения межпластовых напорных вод занимают в пределах артезианских бассейнов главенствующее положение. Они приурочены к водоносным горизонтам различного возраста от вендского до четвертичного и сложены породами разнообраз­ного вещественного состава, генезиса и коллекторских свойств. В качестве примера назовем Томское месторождение подземных вод, расположенное в междуречье Оби и Томи (рис.25). Его экс­плуатация ведется десятки лет, обеспечивая питьевой водой Томск в количестве 300000 м³ в сутки. Роль составляющих балан­са эксплуатационных запасов этого и других месторождений на­порных вод меняется во времени. На первом этапе освоения место­рождения такого типа водоприток формируется за счет емкостных запасов, соответственно уровень подземных вод непрерывно по­нижается, а размеры депрессионной воронки увеличиваются. Это способствует началу перетекания вод из вышележащих водонос­ных горизонтов, в частности из горизонта грунтовых вод; особенно важно появление устойчивой инфильтрации из рек и водоемов. При наличии глинистых толщ в кровле эксплуатируемого водонос­ного горизонта понижение уровня подземных вод вызывает начало процесса отжатия связанных вод из глин, притока вод за счет упру­гих запасов.

Таким образом, эксплуатационные запасы месторождений напорных вод могут иметь различные комбинации генетических составляющих их баланса. Если водопритоки в скважины форми­руются преимущественно за счет емкостных запасов, то неизбеж­но образование депрессионных воронок, хотя и малозаметное осушение используемого водоносного горизонта. Эти процессы идут мягче, если в создании эксплуатационных запасов участвует не только емкостная, но и упругая составляющая. Более благо­приятная обстановка создается в тех случаях, когда отток вод компенсируется перетоком из верхних горизонтов просачиванием поверхностных вод. В такой обстановке депрессионные воронки стабилизируются, а самое главное - обеспечивается длительный отбор подземных вод в больших объемах (десятки и сотни тысяч кубических метров в сутки).

Рис.25. Схема питания и разгрузки подземных вод района Томского водозабора

(по Н.А. Ермашевой, 2006 г., с изменениями)

1 - песок; 2 - песок, гравий; 3 - суглинок; 4 - глина; 5 - супесь; 6 - глинистые сланцы; 7 - литологические окна; 8 - подземный водораздел;

9 - направление фильтрации; 10 - осадки; 11 и 12 - пьезометрическая поверхность соответственно неоген-четвертичного и палеогенового

комплексов; 13 - скважина и ее номер; I-IV - режимы питания, междуречный (I), склоновый (II), террасовый (Ш) и приречный (IV).

Месторождения подземных вод в условиях многолетней мерзлоты имеют ограниченное распространение. Они приурочены преимущественно к долинам крупных рек, где образуются подрусловые талики-резервуары пресных вод. Выделяют два типа месторождения, залегающих в подрусловых таликах: с сохраняющимся в течение зимы речным потоком и промерзающим до дна. В первом случае эксплуатационные запасы формируются за счет емкостной их составляющей и питания инфильтрационными водами из реки в течение всего года. В этих условиях водозаборы характеризуются стабильными и значительными водопритоками (тысячи и десятки тысяч кубических метров в сутки). В качестве примера показан водозабор, расположенный в долине р.Лена вблизи г.Якутска (рис. 26). Подрусловые талики, в которых реки промерзают до дна, инфильтрационное питание за счет речных вод получают только в теплый период года. Поэтому отбор воды из подмерзлотных таликов в зимний период приводит к резкому падению уровней подземных вод и значительному сокращению их емкостных запасов. Возобновление последних возможно только в летний период. Поэтому эксплуатация месторождений подобного типа отличается неустойчивым режимом и относительно небольшими водопритоками (десятки и сотни кубических метров в сутки).

Рис.26. Схема Якутского водозабора (Гидрогеология СССР. Т.20. Якутская АССР. М.: Недра, 1970. С.263)

1-4 - четвертичные отложения: 1 - суглинки; 2 - песок мелкозернистый с прослойками ила; 3 - песок среднезернистый; 4 - песок крупнозернистый с гравием и галькой; 5-6 - юрские отложения: 5 - глины с прослойками тонкозернистого песка; 6 - граница многолетне-мерзлых пород; А - водоприемная шахта; Б - водовод; В - фильтр

Небольшие месторождения пресных подземных вод могут образовываться в надмерзлотных и подмерзлотных условиях. Надмерзлотные воды могут использоваться только в теплый период года, поскольку зимой они полностью промерзают. Эксплуатационные запасы пресных подмерзлотных вод также весьма невелики. Эти воды изолированы от поверхности и не получают инфильтрационного питания. Исключение представляют зоны сквозных таликов, где такая связь может осуществляться.

Гидрогеологические массивы сложены метаморфическими и изверженными породами, поэтому основными путями движения подземных вод в них являются трещины (рис. 27). Месторождения пресных вод в них приурочены к зонам выветривания, тектоническим нарушениям и блокам закарстованных пород. Зона выветривания пород складчатого фундамента распространена повсеместно и проникает на глубину нескольких десятков метров, реже больше.

Рис.27. Месторождения подземных вод в гидрогеологическом массиве

1 - граниты; 2 - четвертичные отложения; 3 - зеркало трещинных фунтовых вод;4 и 5 - нисходящий и восходящий источники соответственно; 6 и 7 - месторождения пресных трещинно-грунтовых вод и пресных трещинно-жильных вод соответственно;8 - тектонические нарушения; 9 - направление движения подземных вод

Бассейны и потоки трещинно-грунтовых вод, которые приурочены к выветрелой зоне обладают небольшими эксплуатационными запасами (десятки кубических метров в сутки). На порядок больше они на участках тектонических нарушений. Самые крупные месторождения трещинно-жильных вод наблюдаются в региональных разломах, которые вытянуты на сотни километров и имеют мощность до нескольких километров (Забайкалье). В этих структурах бассейна образуются самые крупные в мире источники с дебитами 10-20 м3/с и аккумулируются эксплуатационные запасы в сотни тысяч и миллионы кубических метров в сутки (рис.28). Использование таких месторождений позволяет решать задачи водоснабжения крупных населенных пунктов.

На территории гидрогеологических массивов могут быть обнаружены и другие типы месторождений пресных подземных вод. Это месторождения долинного типа, предгорных шлейфов, междуречных бассейнов грунтовых вод и межпластовых горизонтов напорных вод. Последние два типа встречаются в межгорных артезианских бассейнах молодых складчатых областей.

Рис. 28. Гидрогеологический разрез Сергиенского месторождения подземных вод Урала (по Б. В. Боревскому и др., 1976)

1 - аллювиальные отложения (пески, галечники, суглинки, глины); 2 -

известняки рифогенные; 3 и 4 - статический уровень в аллювиальных отложениях (3)

и в известняках (4)

Вулканогенные бассейны альпийского орогенеза богаты пресными подземными водами, их месторождения могут занимать различное геоморфологическое положение. Наиболее обводнены месторождения долинного и склонового типов (Быстринское на Камчатке, Совгаванское на Сихотэ-Алине, Араратское в Армении)-эксплуатационные запасы достигают нескольких сотен тысяч кубических метров в сутки. Основные ресурсы подземных вод сосредоточены в верхней части гидрогеологического разреза до глубины 200-250 м. Самый крупный вулканогенный бассейн мира - Колум­бийский - находится в центральной части Кордильер. Производи­тельность скважин в нем достигает 200-500 л/с, а производитель­ность источников - до нескольких кубических метров в секунду. Наибольшей обводненностью характеризуются пемзовые и шлако­вые разности вулканогенов.