Шебеста_вода / Л_7-Ресурсы_Запасы

Лекция 7 РИОПВ

ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД КАК ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО

Подземные воды как один из видов природных ресурсов и элементов природной среды, используемых в народном хозяйстве, характеризу­ются двойственной природой. С одной стороны, это подвижное полез­ное ископаемое, находящееся в земных недрах и извлекаемое из них, с другой — часть общих водных ресурсов суши.

Как полезное ископаемое подземные воды являются непосредствен­ной частью земных недр, и их запасы определяются геолого-гидрогео­логическими условиями изучаемого объекта. Как часть общих водных ресурсов суши они находятся в тесной связи между собой, с поверх­ностными водами и атмосферой. В связи с этим величина запасов под­земных вод зависит не только от геолого-гидрогеологических, но и от физико-географических факторов, а также антропогенных, связан­ных с изменением водохозяйственной обстановки и определяющих из­менение условий питания, качества и отбора подземных вод.

Двойственная природа подземных вод определила целый ряд их специфических особенностей, которые коренным образом отличают подземные воды от других видов не только твердых, но и подвижных (нефти, газа) полезных ископаемых и которые необходимо учитывать при оценке их запасов:

1. Полная или частичная возобновляемость подземных вод является их главной особенностью, принци­пиально несвойственной ни одному другому виду полезных ископае­мых.

Эта особенность связана с постоянным или периодическим совре­менным питанием подземных вод, обусловленным их тесной связью с поверхностными и атмос­ферными водами.

2. Формирование баланса водоотбора за счет различных источников формирования: поверхностные воды, подземные воды смежных водоносных горизонтов. Изменение величины источников и соотношения во времени.

Эти две особенности приводят к целому ряду следствий, обуслов­ливающих возможность увеличения запасов подземных вод в процессе эксплуатации.

3. Тесная взаимосвязь подземных вод с внешней средой и, как следствие, зависимость величины их запасов от климатических, гидрографических и других внешних по от­ношению к водоносной системе естественных и антропогенных факто­ров. Эта взаимосвязь проявляется, прежде всего, в граничных условиях, т. е. в условиях на границах пласта в плане и разрезе. Гра­ничные условия (условия взаимосвязи подземных вод с поверхност­ными, условия питания и разгрузки подземных вод и т. д.) проявля­ются в процессе эксплуатации водозаборов и во многом предопреде­ляют возможность использования подземных вод.

Подземные воды — единственное полезное ископаемое, в процессе эксплуатации которого происходит не только расходование, но и до­полнительное их формирование, вызванное усилением питания подземных вод при отборе.

Эксплуатация подземных вод может привести к ко­ренным изменениям условий их питания и разгрузки. Так, при отборе подземных вод из водоносных горизонтов, гидравлически связанных с поверхностными водотоками (водоемами), последние из областей раз­грузки в естественных условиях превращаются в области питания (рис. 1, а).

В слоистых толщах, которые состоят из ряда водоносных го­ризонтов, разделенных слабопроницаемыми отложениями, при эксп­луатации одного из горизонтов происходит либо усиление питания из смежного горизонта, либо прекращение разгрузки подземных вод экс­плуатируемого горизонта и начинается их перетекание из смежного горизонта в эксплуатируемый.

На рис. 1, б, представлена водоносная система, состоящая из двух водоносных горизонтов. Уровень нижнего в естественных условиях находится выше уровня верхнего, благода­ря чему происходит разгрузка подземных вод нижнего горизонта в верхний через слабопроницаемый слой под действием разницы напо­ров между этими горизонтами. При эксплуатации нижнего водоносно­го горизонта в нем формируется воронка депрессии, и его уровень ус­танавливается ниже, чем уровень вышележащего (рис. 1, в). Разгруз­ка подземных вод снизу вверх прекращается, и в эксплуатируемый горизонт начинает поступать вода из верхнего горизонта. Увеличе­ние питания может происходить также и при прове­дении различных водохозяйственных мероприятий (гидротехниче­ское и ирригационное строительство, орошение земель и т. п.).

4. Возможность повторного участия уже использованных (возвратных) вод в питании водо­носных горизонтов и формировании водоотбора за счет сброса сточных вод, потерь из водопроводных коммуникаций, инфильтрации на оро­шаемых массивах. Возможность повторного многократного использо­вания подземных вод не свойственна ни одному другому полезному ископаемому.

5. Возможность формирования новых запа­сов подземных вод, а также увеличения их величины за счет водохозяйственного строительства или специальных инженерных ме­роприятий по искусственному подпитыванию подземных вод. Образо­вание искусственных линз пресных подземных вод. Магазинирование.

6. Возможность изменения качества под­земных вод в процессе эксплуатации под влиянием естественных и антропогенных факторов, которое может происходить в направлении как его ухудшения (подсос более минерализованных или загрязненных под­земных или поверхностных вод), так и улучшения (формирование линз пресных вод при подтягивании поверхностных, перетекание более пресных вод из смежных водоносных горизонтов).

7. Значительное превышение области фор­мирования запасов над площадью участка, где осуществляется их водоотбор.

8. Зависимость величины водоотбора и по­ложения динамических уровней подземных вод на одном из участков эксплуатируемого водоносного горизонта от условий и масштабов эксплуата­ции на других участках и, как следствие, невозмож­ность механически суммировать запасы воды, подсчитанные на раз­личных участках одного и того же водоносного горизонта, как это обычно делается для твердых полезных ископаемых.

9. Зависимость величины отбора подземных вод от схемы эксплуатации. Это связано с тем, что возможность рационального отбора определяется не столько ко­личеством воды, находящейся в пласте, и количеством воды, поступа­ющей в пласт, сколько от фильтрационных свойств водовмещающих пород, определяющих сопротивление движению подземных вод к водозаборным сооружени­ям. Иными словами, определяя возможность отбора подземных вод, всегда нужно учитывать два аспекта — балансовый и гидродинамиче­ский.

Первый определяет обеспеченность отбора водными ресурсами, второй — техническую возможность добычи воды водозаборными со­оружениями, от которой и зависит возможность создания рациональной схемы эксплуатации.

• Так, в водоносном горизонте может содер­жаться очень большое количество воды, но если водовмещающие по­роды характеризуются очень малыми Кф и скважины, оборудованные на эти породы, не могут дать высокого де­бита, то эксплуатация этого горизонта может быть нерентабельной с технико-экономической точки зрения. В других случаях производи­тельность водозаборных скважин может достигать значительных ве­личин ввиду высокой водопроводимости водовмещающих пород. Но в связи со слабой обеспеченностью источниками питания имеющихся запасов воды может хватить на довольно ограниченное время.

Таким образом, общее количество воды, находящейся в пласте и поступающей в пласт, еще не определяет возможности ее рациональ­ного отбора для дальнейшего использования в народном хозяйстве.

ВИДЫ ЗАПАСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Перечисленные основные особенности подземных вод, отличающие их от других полезных ископаемых, предопределили необходимость выделения нескольких понятий, характеризующих: а) количество во­ды, находящейся в водоносном пласте; б) количество воды, поступаю­щей в водоносный пласт за определенный промежуток времени (суммарное питание подземных вод); в) количество воды, которое может быть отобрано водозаборными сооружениями.

Иными словами, если при оценке перспектив использования твер­дых полезных ископаемых, нефти и газа достаточно одного понятия «запасы полезного ископаемого», характеризующего их суммарное ве­совое (или объемное) содержание в недрах, то для подземных вод одно это понятие не может полностью охарактеризовать возможность их рациональной эксплуатации.

Подвижность подземных вод и их возобновляемость обусловлива­ют необходимость учета не только их объемного содержания в недрах, но и питания в естественных и техногенных условиях.

Поэтому правильнее говорить не о «запасах» подземных вод, а о «ресурсах» подземных вод, понимая под этим термином обеспечение в водном балансе данного района по­ступление подземных вод и оставляя за термином «запасы» лишь оп­ределение тех количеств воды, которые находятся в данном бассейне или слое, в зависимости от его емкости.

Естественные запасы — это масса (объем) гравитаци­онной воды в пласте в естественных условиях.

Естественные ресурсы — величина питания под­земных вод в естественных условиях. Она во многих случаях на­ходит свое выражение в расходе подземного потока. Естественные ре­сурсы равны сумме всех природных элементов баланса данного гори­зонта (перетекание из смежных горизонтов, инфильтрация атмосфер­ных осадков, фильтрация из рек и водоемов).

Привлекаемые ресурсы — дополнительное питание подземных вод, формирующееся при образовании депрессионных во­ронок в районах водозаборов за счет возникновения или усиления фильтрации из рек, увеличения питания атмосферными осадками вследствие уменьшения испарения с поверхности грунтовых вод при росте глубины их зеркала, усиления или возникновения процессов перетекания.

Естественные запасы выражаются в единицах объ­ема (м³, км³), а естественные и привлекаемые ресур­сы — в единицах расхода (л/с, м³/сут).

Кроме того, в самостоятельный вид выде­ляются эксплуатационные запасы подземных вод (ЭЗПВ). Это количество подземных вод, которое может быть получе­но рациональными в технико-экономическом отношении водозабор­ными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качест­ве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчетного срока водопотребления.

Как следует из определения понятия «эксплуатационные запасы», эта величина представляет собой производительность водозаборного сооружения и выражается в единицах расхода (обычно в м³/сут).

Подземные воды — единственный вид полезного ископаемого, фор­мирование которого происходит в процессе их эксплуатации, что оп­ределяется тесной связью условий формирования с внешней средой. Поэтому антропогенные факторы наряду с естественными оказывают существенное влияние на формирование запасов подземных вод. К важнейшим из этих факторов, определяющих их количество и качест­во, относятся изменения условий питания и разгрузки подземных вод, водоотбор и другие гео­лого-технические условия эксплуатации, в том числе сброс уже ис­пользованных вод, загрязнение подземных вод. По сравнению с естест­венными, антропогенные факторы часто более изменчивы и подвижны.

За последние 25 — 30 лет удельный вес и роль антропогенных фак­торов в формировании ЭЗПВ существенно возросли, что связано с рез­ким усилением нарушенности естественных условий питания и режима подземных вод в пределах как отдельных эксплуатируемых мес­торождений и участков, так и целых крупных регионов. Такая об­становка сложилась, например, в Средней Азии, где в силу интенсив­ного орошения с применением химических удобрений питьевые под­земные воды оказались подвержены региональному загрязнению.

Таким образом, согласно предлагаемой классификации общие при­родные ресурсы подземных вод подразделяются по их генезису на ес­тественные, антропогенные и естественно-антропогенные. По услови­ям нахождения подземных вод в водоносной системе их запасы (ре­сурсы) подразделяются на емкостные и динамические (см. рис. 2).

• Емкостные запасы характеризуют объем (или массу) подземных вод, содержащихся в водоносной системе (пласте), которые могут быть извлечены из него при снижении напора.

Та часть емкостных запасов, которая может быть получена при сни­жении напора за счет упругих свойств воды и пород, называется уп­ругими запасами. Та часть запасов, которая может быть получена за счет осушения пород, называется гравитационными запасами.

• Динамические ресурсы — это суммарное питание подземных вод за счет комплекса естественных и антропогенных факторов (инфиль­трация атмосферных осадков, фильтрация из рек, каналов, водохра­нилищ, поступление воды из смежных водоносных систем, дополни­тельное питание подземных вод при хозяйственной деятельности, в том числе на массивах орошения..

Эксплуатационные запасы (ресурсы) возникают только в связи с эксплуатацией и не могут существовать вне ее.

• Под эксплуатационными запасами (ресурсами) предлагается по­нимать средний за расчетный период расход подземных вод, который может быть получен на месторождении с помощью геолого-экономически обоснованных водозаборных сооружений при заданных режиме, условиях эксплуатации и качестве, удовлетворяющем требо­вания целевого использования подземных вод в народном хозяйстве с учетом природоохранных ограничений.

Как видно из рис. 3, естественные и антропогенные ресурсы со­ставляют лишь одну из групп источников формирования эксплуата­ционных запасов. Кроме того, источниками формирования ЭЗПВ яв­ляются искусственные (емкостные и динамические) и привлекаемые ресурсы.

• К искусственным ресурсам предлагается относить лишь то коли­чество воды, которое поступает в водоносный пласт в результате це­ленаправленных мероприятий по подпитыванию подземных вод на водозаборах, что отличает их от других источников антропогенного характера.

• Привлекаемые ресурсы. В них включаются только те источники дополнительного питания, ко­торые не поступали в рассматриваемую водоносную систему до начала эксплуатации. Поэтому по определению привлекаемые ресурсы могут быть только динамическими.

По генезису привлекаемые ресурсы формируются за счет:

а) привлечения поверхностных вод;

б) усиления естественного питания при сокращении испарения на участках неглубокого залегания уровня грунтовых вод;

в) усиления (или возникновения притока) из смежных водоносных систем;

г) возвратных вод, повторно участвующих в питании подземных после их отбора водозаборными сооружениями и использования по целевому назначению.

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ Ленинградской области

Недра Ленинградской области богаты пресной водой, но ее запасы все же исчерпаемы.

Нахождение воды в недрах, особенности ее состава и распределения подчинено геологическому строению территории. В гидрогеологическом отношении Ленинградская область расположена в пределах трех гидро­геологических структур: - КАРТА -

1) Балтийского бассейна трещинных и трещинно-жильных вод, охватывающего северную часть Карельского перешей­ка и небольшой участок на севере Подпорожского района;

2) Московского бассейна пластовых напорных вод, расположенного в восточных частях Тихвинского и Бокситогорского районов;

3) Ленинградского бассейна пластовых напорных вод, занимающего всю остальную часть области.

Нижняя граница распространения пресных подземных вод в Ленинг­радской области находится на глубинах 100-200 м, увеличиваясь до 300 и более метров на участках развития хорошо проницаемых пород (возвы­шенные участки на Карельском перешейке, юго-западная часть области) и сокращаясь до 0-50 м в долине реки Волхов, на Предглинтовой и Приневской низменностях. С глубиной минерализация подземных вод воз­растает, пресные воды сменяются солоноватыми и глубже солеными во­дами и рассолами.

Максимальные величины минерализации подземных вод отмечены в поселке Песочное, где в скважине на глубине 735 метров в кристалличес­ких породах фундамента она составила 138 г/л, и в "Тепловой" скважине на глубине 450-950 м, пробуренной в южной части Санкт-Петербурга - 42-93 г/л. Рассолы всегда обогащены бромом (до 784 мг/л - пос. Песочное), серебром, йодом и другими элементами.

ПРЕСНЫЕ ВОДЫ

Пресные воды распространены в верхней части геологического разре­за и содержатся во всех выделяемых горизонтах - от пород кристалличес­кого фундамента до четвертичных отложений.

Близ поверхности широко развиты грунтовые безнапорные воды. Они приурочены к различным типам горных пород преимущественно четвер­тичного возраста. Наиболее водообильными среди них являются песчаные и песчано-гравийные отложения. Уровень грунтовых вод располага­ется на глубинах 2-3 м, редко - до 10 м. На отдельных участках Карельс­кого перешейка, Предглинтовой низменности и Валдайской возвышен­ности водоносные горизонты четвертичных отложений содержат напорные воды, которые фонтанируют с превышением над поверхнос­тью земли на 3-10 м. Это так называемые межморенные водоносные го­ризонты. Они приурочены к песчаным и супесчаным отложениям, зале­гающим между моренными горизонтами различного возраста. Выделяются два межморенных горизонта: верхний - московско-валдайс­кий и нижний - днепровско-московский. В районе Санкт-Петербурга верхний горизонт носит местное название - "полюстровский" - с ним связано известное месторождение железистых вод "Полюстрово".

Воды межморенных горизонтов обычно питьевого качества и имеют минерализацию 0,1-0,8 г/л; лишь на отдельных участках у них отмечает­ся минерализация от 1,0 до 3,0 г/л. Нередко подземные воды содержат повышенные концентрации железа до 3-10 мг/л, а в районе Полюстрово - 20-45 (70) мг/л. Эти водоносные горизонты довольно водообильные и ис­пользуются для водоснабжения. Например, в Курортной зоне Санкт-Пе­тербурга разведаны и частично используются несколько месторождений межморенных вод (Молодежное, Зеленогорское, Дюны, Солнечное и др.).

В дочетвертичном разрезе выделяется целый ряд водоносных горизон­тов. Наиболее выдержанные и водообильные связаны с карбонатными и терригенными образованиями Русской плиты с трещиноватыми докембрийскими породами на севере Карельского перешейка. Характерной осо­бенностью дочетвертичных водоносных горизонтов является их общее по­гружение в юго-восточном направлении.

РАЗРЕЗ. Севернее Невской низины первым от дочетвертичной поверхности является вендский во­доносный комплекс, на глубине 70-100 м, но уже в рай­оне г. Луги он залегает на глубине более 600 м.

По мере погружения комплекса происходит увеличе­ние минерализации подземных вод. На Карельском перешейке минера­лизация воды вендского комплекса не превышает 1 г/л, на территории Санкт-Петербурга она увеличивается до 4-5 г/л, а в районе г. Луги состав­ляет 37,5 г/л.

В северной части области воды вендского комплекса широко исполь­зуются для хоз-питьев водоснабжения поселков Рощино, Солнечное, Репино и др. Осуществляется добыча подземных вод для раз­лива питьевой воды ("Росинка" и др.), на их основе производятся искус­ственные минеральные воды ("Боржоми", "Ессентуки") и различные напитки.

Южнее, на территории СПб и пригородной зоны, ми­нерализованная вода добывается для технического водоснабжения, а так­же используется в бальнеологических целях.

Подземные воды вендского комплекса защищены от поверхностного загрязнения слоем котлинских глин мощностью до 60 м и являются в связи с этим надежным источником питьевой воды. – КОЛОНКА -

Довольно водообильными и перспективными для использования яв­ляются горизонты, связанные с трещиноватыми карбонатными порода­ми (известняки, доломиты) ордовикского и каменноугольного возраста. Наибольший практический интерес представляет ордовикский водонос­ный комплекс, развитый к югу от Балтийско-Ладожского глинта - в пре­делах Ордовикского и Волховского плато. Мощность этого комплекса из­меняется от 20-30 м у глинта до 150-200 м южнее, на площадях глубокого залегания. Комплекс содержит как напорные, так и безнапорные под­земные воды. У основания Балтийско-Ладожского глинта, где ордовикс­кие отложения выклиниваются, наблюдаются многочисленные родники с дебитами, достигающими десятков литров в секунду. Эти родники дают начало многочисленным рекам и ручьям. В северной части территории воды комплекса пре­сные, с глубиной появляются солоноватые, а затем и соленые воды. На Ижорском плато подземные воды ордовикского комплекса являются ос­новным и практически единственным источником водоснабжения. Под­земные воды используются здесь не только непосредственно на террито­рии плато, но и транспортируются на значительные расстояния по водоводам в города Ломоносов, Петродворец, Кронштадт и др.

В пределах Ижорского месторождения разведаны и утверждены запа­сы пресных подземных вод по 9 участкам, в том числе по таким крупным, как Ижорский - 70 тыс. м³ в сутки и Таицкий - 60 тыс. м³ в сутки.

Подземные воды добываются с помощью более чем 3000 водозабор­ных скважин, каптажей родников и многочисленных колодцев, располо­женных практически повсеместно. Прогнозные ресурсы подземных вод составляют около 6 млн. м³/сутки, но они распределены очень нерав­номерно. Так, около 40% всех запасов связаны с ордовикским водонос­ным комплексом, площадь развития которого в масштабах области срав­нительно невелика.

В связи с таким характером распространения подземных вод в ряде мест существуют проблемы с обеспечением питье­вой водой, поскольку качество традиционно используемых речных вод неуклонно ухудшается и не соответствует существующим требованиям. Среди таких территорий можно отметить полосу вдоль южного побере­жья Финского залива, где пресные подземные воды практически отсут­ствуют, а также ряд таких крупных населенных пунктов, как Кингисепп, Ивангород, Волхов.

Всего на территории области и Санкт-Петербурга разведано до 40 ме­сторождений и участков пресных подземных вод, из них вовлечено в экс­плуатацию 21 месторождение с суммарным водоотбором около 200 000 м/с. Наряду с использованием подземных вод на разве­данных месторождениях в области есть многочисленные мелкие водопотребители, действующие на децентрализованных водозаборах за предела­ми изученных участков. Подземные воды обеспечивают также функционирование фонтанов Петродворца (до 40 тыс. м³ в сутки), зна­чительные их объемы вовлекаются в оборот при шахтном и карьерном водоотливах, при добыче твердых полезных ископаемых (горючие слан­цы в районе города Сланцы, фосфориты в районе Кингисеппа и др.).

Суммарный водоотбор подземных вод в Ленинградской области со­ставляет около 650 тыс. м³ в сутки (12% от прогнозных эксплуатацион­ных запасов), что свидетельствует о значительных потенциальных воз­можностях его увеличения. – ТАБЛИЦА -

9