молодежная школа негативные последствия интенсивного

МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА
801
НЕГАТИВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ИНТЕНСИВНОГО ВОДООТБОРА
ПОДЗЕМНЫХ ВОД И СПОСОБЫ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
А.В. Четверикова, К.В. Сучкова
Институт водных проблем РАН, Москва, Россия, E-mail [email protected],
E-mail [email protected]
Аннотация. Изменение окружающей среды является одной из основных проблем, которые
могут возникнуть при водопользовании. В данном исследовании рассматривается негативное
влияние на окружающую среду вследствие интенсивного отбора подземных вод. Одним из
способов минимизации и предотвращения негативных последствий для окружающей среды
является метод искусственного восполнения подземных вод. Для определения возможности
использования данного метода рассмотрены различные критерии целесообразности его
применения.
Abstract. Environmental changes are one of the main problems that can occur during water use.
Negative impacts of large groundwater withdrawal on the environmental are considered in this study.
One of the ways of minimization and prevention of negative consequences is the method of managed
aquifer recharge (MAR) of groundwater. To determine the possibility of using MAR different criteria of
its feasibility are determined.
Как известно, интенсивный отбор подземных вод оказывает негативное
воздействие на прилегающие территории. Вследствие интенсивного водоотбора
происходит снижение уровня водоносного горизонта, изменение химического состава
подземных вод и сокращение речного стока, что в дальнейшем может привести к
деградации, а также полной или частичной гибели растительности, истощению
подземных вод, привлечению сильноминерализованных вод в эксплуатируемый
водоносный горизонт, оседанию земной поверхности, осушению целевых водоносных
горизонтов, развитию карстово-суффозионных процессов, подтоплению и
заболачиванию территорий и т.д. Каждое из этих последствий не только представляет
серьезную угрозу для окружающей среды, но также может причинить значительный
экономический ущерб предприятию или государству.
Одним из многочисленных проявлений влияния крупного отбора подземных вод
на окружающую среду является развитие депрессионных воронок в эксплуатируемом
водоносном горизонте. Площадь таких воронок, обусловленных значительным
снижением уровня подземных вод при их откачке, иногда достигает сотен и даже тысяч
квадратных километров. Так, например, площадь депрессионной воронки в
каменноугольном водоносном горизонте Московского артезианского бассейна
составляет 39 тыс. км2, а глубина воронки в центре (снижение уровня подземных вод за
период эксплуатации) достигает100 м [4].
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
может сказаться на состоянии ландшафтов. Самым чувствительным элементом
ландшафтов, реагирующих на изменение уровенной поверхности грунтовых вод,
является растительность [2].
Помимо этого, значительное влияние снижения уровня грунтовых вод
прослеживается на заболоченных территориях. Как известно, осушение заболоченного
участка вызывает понижение уровня грунтовых вод. При этом если уровень грунтовых
вод падает так, что происходит разрыв капиллярного сообщения между ними и
МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА
802
поверхностным слоем почвы, это оказывает крайне негативное воздействие на
окрестные леса: ухудшается их обеспеченность влагой, высыхает подлесок,
усиливается горимость [1].
Одним из проявлений негативного воздействия интенсивной эксплуатации
подземных вод на окружающую среду является проседание земной поверхности,
вызванное интенсивным отбором подземных вод. Понижение пьезометрических
уровней подземных вод и изменения пластовых давлений вызывают изменения
напряжений в горных породах, скоростей, а иногда и направлений движения
подземных вод, что увеличивает интенсивность суффозионных и карстовых процессов.
В одних условиях понижения уровней приводят к оседанию земной поверхности, а в
других - к образованию провалов. При откачке снижается напор подземных вод, что
увеличивает эффективное давление на скелет грунта и приводит к уплотнению
сжимаемых отложений, и, как следствие - к оседанию земной поверхности [3].
Оседание земной поверхности, связанное с интенсивным водоотбором, широко
развито во многих странах - США, Мексика, Индонезия, Тайланд, Япония и др. Так, в
Калифорнии (США) в долине Сан-Хоакин наблюдается одно из самых значительных
проседаний земной поверхности: за период с 1925 до 1977 оно достигло 9 м [10]. В
настоящее время оседание земной поверхности в долине Сан Хоакин является не
только историческим событием, но и текущей проблемой. В некоторых районах
скорости оседания достигают 0,3 м/год. Стоимость работ по предотвращению
последствий оседания в течение 1955-1972 гг. оценено свыше 1,3 $ млрд. в 2013 не
включая значительные повреждения речных долин и затопления каналов [9]. Такое
значительное проседание земной поверхности объясняется тем, что подземные воды в
Калифорнии составляют около 40 % потребляемой воды в среднем за год, а в период
засух, когда запасы воды на поверхности ограничены, водоснабжение практически
полностью переводится на подземные воды. В 2014 году использование подземных вод
в Калифорнии превысило 65% из-за экстремально засушливого периода этого года [11].
Основными мероприятиями, позволяющими предотвратить или минимизировать
негативное влияние отбора подземных вод, являются управление режимом отбора
подземных вод на крупных водозаборах (в большинстве случаев - уменьшение отбора)
и искусственное восполнение запасов подземных вод.
При искусственном восполнении подземных вод (ИВПВ) дополнительное
количество воды постоянно подается непосредственно в эксплуатируемый водоносный
горизонт с помощью инфильтрационных устройств, или же происходит разовое
кратковременное создание дополнительных запасов воды на некоторой площади
распространения водоносного горизонта. Специально создаются инфильтрационные
сооружения – инфильтрационные бассейны, каналы, площадки и др. или поглощающие
и нагнетательные скважины (рис. 1, 2).
Преимущества метода ИВПВ – увеличение водоотбора без коренного
переустройства
водозаборных
сооружений,
сокращение
потерь
ценных
сельскохозяйственных угодий, улучшение физических и санитарных характеристик
воды [5]. Также сооружение систем ИВПВ на уже существующих водозаборах часто
оказывается дешевле поиска и строительства новых источников водоснабжения [6, 7].
Метод ИВПВ нашел широкое применение за рубежом - в Индии, Нидерландах,
Германии, Голландии, Новой Зеландии, Аргентине, Китае и др. В настоящее время в
России этот метод практически не используется, так как наша страна является одной из
стран, наиболее обеспеченных поверхностными водами. Однако в условиях
возрастания антропогенной нагрузки на поверхностные воды и напряженной
экологической обстановки метод ИВПВ становится все более актуальным.
МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА
803
Рис. 1. Схема ИВПВ с использованием инфильтрационного бассейна
Рис. 2. Схема ИВПВ с использованием нагнетательной скважины
Развитие систем ИВПВ в первую очередь зависит от возможности и
целесообразности их применения. В 1970-х гг. институтом ВСЕГИНГЕО была
разработана система критериев оценки возможности применения искусственного
восполнения, а также проведено районирование территории СССР по условиям ИВПВ
К указанным критериям относились наличие потребности в искусственном
восполнении подземных вод, наличие емкости водоносного горизонта для «принятия»
дополнительного количества воды и наличие возможного источника восполнения
подземных вод определенного качества [8]. С нашей точки зрения в настоящее время
МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА
804
для определения возможности и целесообразности применения искусственного
восполнения, помимо указанных критериев, необходимо отдельно выделять критерии
экономической и экологической целесообразности.
Таким образом, при районировании по условиям ИВПВ следует выделять шесть
типов районов: 1) – районы перспективные для искусственного восполнения при
наличии актуальной потребности, экономической и экологической целесообразности;
2) – районы перспективные для искусственного восполнения при отсутствии
современной потребности, но при наличии всех возможностей; 3) – районы
перспективные для искусственного восполнения с точки зрения наличия потребности,
емкости и источника восполнения, но с отсутствием экономической и экологической
целесообразности; 4) – районы перспективные для искусственного восполнения с точки
зрения наличия потребности, емкости и источника восполнения и экономической
целесообразности, но с отсутствием экологической целесообразности; 5) – районы
перспективные для искусственного восполнения с точки зрения экологической
целесообразности, потребности, емкости и источника восполнения, но с отсутствием
экономической целесообразности; 6) – районы не перспективные для искусственного
восполнения, в которых отсутствует возможность проведения мероприятий по
искусственному восполнению.
Важно отметить, что помимо определения района, к которому относится
исследуемый водозабор, для применения метода ИВПВ необходимо проводить
дополнительные исследования, включающие опытно-фильтрационные работы,
геофизические исследования, химико-аналитические исследования качества подземных
и поверхностных вод, оценку санитарно-экологического состояния территории и др.
Таким образом, искусственное восполнение подземных вод является надежным
способом предотвращения негативных экологических последствий при интенсивном
отборе подземных вод, а также важным способом увеличения эксплуатационных
запасов подземных вод в условиях возрастающей антропогенной нагрузки на
поверхностные воды.
Литература
Данилов-Данильян В.И., Хранович И.Л. Управление водными ресурсами. Согласование стратегий
водопользования. М.: Научный мир, 2012. 232 с.
2. Жоров А.А. Подземные воды и окружающая среда М.: Геоцентр-Москва, 1995. 136 c.
3. Зекцер И.С. Подземный сток и ресурсы пресных подземных вод. Современное состояние и
перспективы использования в России. М.: Научный мир, 2012. 428 с
4. Информационный бюллетень Федерального агентства по недропользованию о состоянии недр на
территории Российской Федерации в 2012 г, выпуск 36, М. 2013
5. Орадовская А. Е., Лапшин Н. Н. Санитарная охрана водозаборов подземных вод. — М.: Недра, 1987.
– 167 с.
6. Плотников Н.И., Плотников Н.А., Сычев К.И. Гидрогеологические основы искусственного
восполнения запасов подземных вод. М.: Недра, 1978. 301 c.
7. Смольянинов В.М. Водозаборы с искусственным пополнением подземных вод для орошения земель
– Воронеж: изд.-во Воронежского Госагроуниверситета, 2001. 152 c.
8. Хордикайнен М.А. Методика районирования территории СССР с целью магазинирования
подземных вод. «Разведка и охрана недр», 1974, № 1, С. 38-48.
9. James W. Borchers, Michael Carpenter. Land Subsidence from Groundwater Use in California. Full Report
of Findings, Luhdorff & Scalminini Consulting engineers, 2014.
10. Zektser I.S., Loaiciga H, Wolf J.T. Environmental impact of groundwater overdraft: Selected case studies in
the Southwestern United States // Environ. Geol. Vol. 47. 2005. P. 396-404
11. http://drought.unl.edu/NewsOutreach/MonthlySummary/May2015DroughtandImpactSummary.aspx
1.