В течение тысячелетий у людей складывалось представление о питьевой воде как о веществе жизненно необходимом, но никогда не иссякающем, вечном. Однако с ростом народонаселения нашей планеты, с развитием промышленности и сельского хозяйства потребность в пресной воде резко возросла, и сейчас нехватка воды ощущается во многих районах.
Прежде всего напомним, что подземные воды находятся в основном в толще горных пород верхней части земной коры. В зависимости от характера пустот вмещающих пород подземные воды делятся на поровые - в песках, галечниках и других осадочных и обломочных породах, трещинные - в скальных и плотносцементированных породах (гранитах, песчаниках), разбитых трещинами, и карстовые - в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.). Слои горных пород, насыщенные водой, образуют водоносные горизонты. Несколько этажно расположенных и тесно взаимосвязанных между собой водоносных горизонтов называют водоносным комплексом. Относительно водонепроницаемые слои (глины, плотные суглинки, нетрещиноватые сцементированные породы) получили названия водоупоров.
В настоящее время пресные подземные воды играют значительную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения многих стран. При этом отмечается тенденция к все большему использованию подземных вод для водоснабжения. Это объясняется тем общеизвестным фактом, что подземные воды, как источник водоснабжения, имеют ряд преимуществ по сравнению с поверхностными водами. Прежде всего подземные воды, как правило, обладают лучшим качеством, более надежно защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям и в большинстве случаев их использование не требует дорогостоящих мероприятий по водоочистке.
В короткий срок была выполнена региональная количественная оценка естественных ресурсов пресных подземных вод территории страны, завершившаяся изданием комплекса карт подземного стока и соответствующей монографии.
Как отмечалось выше, в последние десятилетия в ряде стран были выполнены значительные исследования по региональной оценке и картированию естественных ресурсов подземных вод и подземного стока отдельных крупных регионов. В результате этих исследований были составлены и опубликованы карты подземного стока различного масштаба, среди которых в первую очередь следует назвать карты подземного стока территории СССР масштаба 1:5000000 (1964 г.) и масштаба 1:2500000 (1977), карту подземного стока Центральной и Восточной Европы масштаба 1:1500000 (1982), карту гидрогеологических условий и подземного стока суши Земного шара масштаба 1:10000000 (1999). По некоторым артезианским бассейнам и гидрогеологическим структурам составлены карты более крупного масштаба. Анализ имеющихся карт разного масштаба по территории бывшего Советского Союза и некоторых сопредельных стран, позволяет установить основные закономерности формирования и распределения естественных ресурсов подземных вод (подземного стока) в разнообразных природно-климатических и геолого-гидрогеологических условиях (Куделин, 1960; Зекцер, 1977; Всеволожский, 1983; Подземный сток на территории СССР, 1982; Джамалов, 1973; Лебедева, 1972 и др.).
Рассмотрим наиболее подробно современное состояние и перспективы использования ресурсов подземных вод в России.По территории Российской Федерации (ранее по территории бывшего СССР), начиная с 1979 г. ежегодно в рамках работ по ведению Государственного водного кадастра осуществляется обобщение информации об эксплуатационных запасах подземных вод, их качестве и использовании. Эти работы входят в состав государственного мониторинга состояния недр России, а их результаты представляются в виде ежегодных информационных бюллетеней. Приводимые далее сведения по эксплуатационным запасам и использованию подземных вод заимствованы из информационного бюллетеня за 2000 г., составленного Гос-центром “Геомониторинг”.
В качестве примера предполагаемого крупного отбора подземных вод и связанных с этим природоохранных ограничений рассмотрим проблемы водоснабжения г. Москвы.Как отмечалось выше, пресные подземные воды широко используются для водоснабжения городского населения России. Питьевое водоснабжение большинства небольших городов с населением менее 100 тыс. человек в каждом почТй полностью основано на подземных водах. Третья часть крупных городов с населением свыше 250 тыс. человек, использует для питьевого водоснабжения исключительно подземные воды, и еще треть -подземные и поверхностные воды совместно. Однако водоснабжение крупнейших городов России и прежде всего таких многомиллионных городов как Москва и Санкт-Петербург основано почти полностью на поверхностных водах.
Под естественными ресурсами подземных вод понимается обеспеченный питанием расход подземных вод, т.е. та их часть, которая непрерывно возобновляется в процессе общего круговорота воды на Земле. Естественные ресурсы характеризуют величину питания подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков, поглощения речного стока и перетекания из других водоносных горизонтов, суммарно в раженную величиной расхода потока. Естественные ресурсы подземных вод являются, таким образом, показателем восполнения подземных вод, отражающим их основную особенность как возобновляемого полезного ископаемого, и характеризуют верхний предел возможного отбора подземных вод за многолетний период без их истощения. В среднемноголетнем значении величина питания подземных вод за вычетом испарения равна величине подземного стока. Поэтому в практике гидрогеологических исследований естественные ресурсы подземных вод обычно выражаются среднегодовыми или минимальными значениями модулей подземного стока (л/с км2) или величиной слоя воды (мм/год), поступающей в водоносный горизонт в области его питания.
Изучение подземного стока в моря и океаны является частью комплексной гидролого-гидрогеологической проблемы изучения подземного водообмена между сушей и морем. Подземный водообмен включает два противоположных и не эквивалентных процесса: подземный сток в море и интрузия морских вод в берега.
Динамика подземных вод артезианских структур, прилегающих к морям, свидетельствует о том, что подземный поток верхней гидродинамической зоны направлен обычно в сторону моря и формирует субмаринный подземный сток. Субмаринная разгрузка подземных вод происходит в виде концентрированных их выходов по тектоническим нарушениям и на участках развития трещиноватых и закарстованных пород, а также за счет процессов рассредоточенного перетекания через слабопроницаемые кровлю водоносных горизонтов и морские донные отложения. Разгрузка подземных вод перетеканием через слабопроницаемые отложения установлена для многих артезианских структур в пределах районов как с естественным, так и особенно с нарушенным гидрогеологическим режимом. При этом процессы перетекания нередко определяют динамику подземных вод артезианского бассейна в целом или крупных его частей и играют существенную или даже определяющую роль при субмаринной разгрузке подземных вод.
Отсутствие обоснованных количественных данных о подземном стоке в моря и океаны до последнего времени сдерживало изучение общего водного баланса и круговорота воды. Без сведений о подземном стоке Мировой водный баланс оставался незамкнутым.
Разгрузка подземных вод непосредственно в озера, минуя речную сеть, является компонентом водного баланса, который часто не учитывается, хотя и оказывает существенное воздействие на формирование водного и солевого режима озера. Количественная оценка притока подземных вод необходима прежде всего для обоснования мероприятий по управлению водными ресурсами, направленных на поддержание оптимального водного, солевого, теплового и гидробиологического режима в озерах.
В одной книге, а тем более в главе ограниченного объема, невозможно даже назвать основные примеры взаимосвязи загрязнения подземных вод и загрязнения окружающей среды. Некоторые конкретные примеры приведены в следующем разделе, в котором характеризуется современное положение с загрязнением подземных вод в России. Здесь же отметим, что содержание в подземных водах нефтепродуктов, фенолов, нитратов и других компонентов на отдельных участках превышает их предельно допустимые концентрации в десятки и даже сотни раз. Региональное загрязнение подземных вод часто обусловлено влиянием кислотных дождей и атомных станций.
Как уже отмечалось выше, серьезную опасность, как в высокоразвитых, так и в развивающихся странах представляет загрязнение воды. К сожалению, можно привести бесчисленное количество примеров, когда загрязнение водных объектов (рек, озер, водохранилищ, подземных водоносных горизонтов) не позволяет их использовать (прежде всего, для питьевых целей), приводит к различным негативным последствиям в окружающей среде, вызывает опасные инфекционные заболевания людей.
Как известно, подземные воды во многих регионах являются наиболее важным, экологически безопасным, а часто и единственным источником питьевого водоснабжения.Однако, значительное антропогенное воздействие на окружающую среду, включая подземные воды как ее компонент, послужило причиной того, что подземные воды в ряде регионов нельзя использовать для водоснабжения. Это особенно относится к неглубоким подземным водам верхней гидродинамической зоны.
Следует отметить, что природные факторы, определяющие уязвимость подземных вод к загрязнению, являются различными для безнапорных и напорных вод. Для безнапорных вод такими факторами, в первую очередь, являются: мощность зоны аэрации (или глубина до уровня безнапорных вод), литологический состав этой зоны, питание подземных вод (обычно используется среднегодовая величина питания за многолетний период), время водообмена подземных вод, водопроводимость безнапорных водоносных горизонтов. При этом степень влияния указанных факторов на защищенность подземных вод является различной и зависит от конкретных геолого-гидрогеологи-ческих условий исследуемых территорий.
Наиболее значительными экологическими последствиями отбора подземных вод помимо истощения их запасов, снижения их уровня и образования депрессионных воронок является изменение взаимосвязи между подземными водами и поверхностным стоком. Последнее особенно важно учитывать при оценке запасов и экологических последствий работы береговых водозаборов так называемого “инфильтрационного типа”. Такие водозаборы располагаются вдоль рек и их эксплуатационные запасы почти полностью формируются за счет фильтрации из реки. Очевидно, что работа таких водозаборов оказывает непосредственное влияние на речной сток. Поэтому естественно, что вопросами изучения взаимодействия поверхностных и подземных вод в условиях эксплуатации последних посвящены многочисленные научные исследования, международные конференции и симпозиумы.
Как отмечалось выше, в тех районах, где взаимосвязь подземных вод эксплуатируемых горизонтов и вышележащих безнапорных грунтовых вод достаточно тесная, под влиянием водоотбора происходит снижение уровня безнапорных грунтовых вод. Такое снижение уровней грунтовых вод может сказаться на состоянии ландшафтов. Самым чувствительным элементом ландшафтов, реагирующих на изменение уровенной поверхности грунтовых вод, является растительность.
Другое дело - проседание земной поверхности в результате откачки подземных вод, нефти или газа. Ниже рассматривается более подробно проседание земной поверхности, вызванное интенсивным отбором подземных вод, что является, как уже отмечалось, одним из проявлений негативного влияния интенсивной эксплуатации подземных вод на окружающую среду.
Медико-экологические аспекты проблемы использования подземных вод в настоящее время, в основном, связаны с обеспечением полноценного и безопасного для здоровья населения хозяйственно-питьевого водопользования.
Сложная экологическая ситуация, сложившаяся во многих развитых и развивающихся странах, особенно в государствах с переходной экономикой, определяет необходимость формирования стратегии и тактики деятельности по охране здоровья населения в конкретных гидрологических и гидрогеологических условиях.
Высокие темпы развития техногенеза, огромные масштабы освоения и усилившаяся интенсивность эксплуатации обширных территорий, расположенных в самых различных географических зонах, приводят к глубоким преобразованиям инженерно-гидрогеологических условий и геологической среды в целом. В результате под влиянием хозяйственной деятельности существенным образом изменяется структура водного баланса территории - появляются новые приходные и расходные статьи, меняются их соотношения по территории и во времени.
Влияние большинства из этих факторов приводит, с одной стороны, к увеличению питания подземных вод на орошаемых территориях, а с другой - к загрязнению подземных вод, которое в отличие от загрязнения, обусловленного промышленными предприятиями, распространяется на обширные площади. Основные загрязняющие компоненты — соединения азота, железа, а также пестициды.