Подземная вода

RAH 0450
Охрана окружающей среды в
горной промышленности
Mining Environmental Protection
Защита воды в горной
промышленности
Лекция 4
Анна Голубцова
anna.golubtsova86@gmail.com
Вирумааский колледж ТТУ
Kohtla-Järve 2011
1
Фалес греческий философ из Милета
(около 600 г. до Р.Х.), учивший, что вся
вселенная была сотворена из воды.
Традиционно считается основоположником
греческой философии (и науки)
Фалес первый старался объяснить
физический мир и его явления
рационально, не мифически, не используя
в помощь богов.
В число наиболее важных современных
проблем человечества входит сохранение
состояния окружающей среды, пригодной
для жизни и природных ресурсов, в том
числе чистая вода
2
Вода
• Покрывает свыше 70% земной поверхности
• От всех водных мировых запасов пресная вода образует
2,5% и большинство из этих процентов находятся в виде
льда на границе полюсов и на высокогорьях
• Основным источником питьевой воды являются реки и
озера. Они содержат менее, чем 0,01% от глобальных
запасов воды
• В нескольких странах, например в Дании, Австрии и
Италии в основном используют грунтовые воды в
качестве питьевой воды
• В США грунтовую воду широко используют для
орошения в сельском хозяйстве
• В Эстонии как питьевую воду используют грунтовую
воду, поверхностные воды только в Таллинне и Нарве.
3
Распределение воды на Земле
4
Запасы воды в Эстонии
Erinevate piirkondade mageveega kindlustatus Eestis
Места управления
водными ресурсами
Водные ресурсы: % от запасов Эстонии
Грунтовая вода
Поверхностная вода
Таллинн
14
10
Сланцевый бассейн
11
6
Тарту
38
64
Пярну
20
13
Западная Эстония,
острова
17
7
5
Подземная вода
• Подземная вода – это вода, которая находится в недрах земли в
газообразном, жидком и твердом состоянии
• Циркулирующая по горным породам подземная вода называется
свободной. Свободно может передвигаться по порам и водяной пар.
• Вода, удерживаемая разными силами вокруг частиц горной породы и
неспособная к независимому течению по порам и трещинам внутри неё
- связанная вода. Особенно много её бывает в глинах и торфах.
6
Грунтовая вода
• Подземная вода образуется главным образом за счёт
инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и
вод рек, озёр, водохранилищ, оросительных каналов и
шахтных водоотводных канав.
• Все виды грунтовых вод связаны между собой и при
определенных условиях переходят из одного вида в
другой, образуя этим динамическое равновесие единой
системы
• Степень влияния подземных горных работ на режим и
ресурсы грунтовых вод зависит от соотношения
глубины разработки и высоты развития
водопроводящих трещин зоны над добычными
выработками при выемке полезных ископаемых с
обрушением пород кровли.
7
Происхождение грунтовых вод
По происхождению выделяется несколько типов подземных
вод
– Инфильтрационные воды, образуются благодаря
просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и
речных вод. По составу они преимущественно
гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые
– Конденсационные подземные воды образуются в результате
конденсации водяных паров в порах или трещинах пород
– Седиментационные воды формируются в процессе
геологического осадкообразования и обычно представляют
собой измененные захороненные воды морского
происхождения
– Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и при
метаморфизме горных пород, называются магматогенными,
или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).
8
Питание грунтовых вод
• На территорию Эстонии для питания грунтовых вод
приходится в среднем 70 мм или 10% от падающих
осадков
• Самое интенсивное питание грунтовой воды на
возвышенности Пандивере, 200-300 мм в год, меньше
всего питание грунтовой воды на Западной Эстонии и в
низких областях Выртсярв и Чудского озера, водноболотных территориях, 0-50 мм в год
• На лугах и особенно в лесных угодьях испарение
больше, чем испарение с полей. Поэтому при питании
грунтовых вод большая важная часть приходится на
поля и на качество образованных там грунтовых вод
9
Водные свойства горных пород
• Количество подземных вод, скорость движения,
качество зависят от определенных свойств горных
пород , которые называют физическомеханическим и водными свойствами.
• Количество воды и скорость движения зависит:
– От пористости поверхности, что выражает наличие
пор и пустот в почве
– От водовместимость, т.е. способность почвы
вмещать в себя определенное количество воды.
– Водопроницаемость, что является свойством почвы
пропускать через себя воду. Например воду хорошо
пропускают грубые отложения, а также монолитные
горные породы
10
Расположение грунтовых вод
• На основе содержания
воды верхняя часть земной
коры подразделяется на
зону аэрации и зону
насыщения:
– Зона аэрации частично
заполняет поры
поверхности водой. В
свободных от воды порах
циркулирует воздух
– Зоной насыщения является
частью земной коры, где
все поры и пустоты
полностью заполнены
водой
11
Водоносные горизонты и водоупоры
• Пласты горных пород находящиеся внутри земли
подразделяются по водопроницаемости:
– Водопроницаемыми и в большинстве случаев также
водоносными являются горные породы, хорошо пропускающие
(фильтрующие) воду: крупнозернистые пески, гравий, галечники,
щебень, валуны, сильно трещиноватые скальные породы и т. п., т.
е. породы, в которых имеется достаточное количество крупных
пустот для проникновения и передвижения воды.
– Водоупорными горными породами являются плотные тяжелые
глины, плотные суглинки, а также сланцы, плотные песчаники и
различные кристаллические породы при отсутствии у них
трещиноватости.
• При наличии трещиноватости сланцы и другие перечисленные
породы становятся водопроницаемыми, так как создается
возможность циркуляции воды по трещинам.
• Пласты и слои водопроницаемых и водоупорных горных пород
обычно чередуются.
12
Сбор грунтовых и поверхностных вод
13
Водоносные горизонты
• Водоносный горизонт осадочная горная порода,
представленная одним или
несколькими
переслаивающимися
подземными слоями горных
пород с различной степенью
водопроницаемости. Из
подземной прослойки
водонапорной проницаемой
горной породы или
неконсолидированных
материалов (гравий, песок,
ил, глина) могут быть
извлечены подземные воды
с помощью скважины.
14
Эстонское гидрологическое
строение
15
Виды эстонских водоносных
горизонтов
•
•
•
•
•
•
•
•
четвертичный (мощность от 1-5 до 40-150 м),
верхнедевонский (до 25 м),
верхнесреднедевонский (до 250 м),
средненижнедевонский (до 80 м),
силурийско-ордовикский (до 200 м),
ордовикско-кембрийский (до 80 м) и
кембрийско-вендский (до 100 м),
водный горизонт нижнего протерозоя.
16
Вода поверхностного слоя
Четвертичный водоносный горизонт
• Распространяются в отложениях болот, ветров, рек,
морей, озер, ледниковых рек с различным
происхождением.
• Большая часть грунтовых вод, используемых
четвертичный водоносный горизонт, получают в местах
распространения песка и гравия.
• Вода четвертичных отложений образована
непосредственно осадками и поэтому является
чувствительной к загрязнению.
• Четвертичный водоносный горизонт используют по
всей Эстонии, главным образом, в сельских районах и
небольших городах.
17
Водоносные горизонты
Верхнедевонские (D3) водоносный горизонт
• Верхнедевонские водоносные горизонты образуют в крайней ЮгоВосточной части Эстонии закарстованные и трещиноватые
доломиты и доломитизированные известняки.
• Из-за карстовых трещин талые и дождевые воды попадают быстро
в глубокие слои коренных пород.
• Вода является очень чувствительной к загрязнению.
Верхнесреднедевонские (D2) аодоносные горизонты
• в значительной степени состоят из песчаников и алевритов, в
которых встречаются глины и доломитные линзы
• Толщина водного горизонта растет с северной границы в сторону
юго-востока до 250 метров на возвышенности Ханья
• Вода движется по порам и трещинам водоносного слоя горных
пород, чаще всего является напорной.
18
Водоносные горизонты
Средненижнедевонские (D2-1) водоносные
горизонты
• Состоят из слабоцементированных
песчаников, доломитов и алевритов, чья
общая толщина простирается до 100 метров
• Вода движется по порам и трещинам, чаще
всего является напорной и вызывает
переполнение скважин в низинных
территориях.
19
Водоносные горизонты
Силурийско-ордовикский (S–O) водоносный горизонт
• Водоносный слой силурийско-ордовикского водоносного горизонта
образуют залежи известняка и доломита силура и ордовика, где
также встречаются промежуточные слои глины
• Верхняя часть карбонатных горных пород толщиной 30 метров
является трещиноватой и закарстованной
• Грунтовая вода движется через трещины горных пород и карстовых
пустотах относительно быстро и водопроводимость ордовикских
слоев является меньше, чем в слоях силура. Поскольку
трещиноватость и карстовость быстро уменьшается с увеличением
глубины, уменьшает в том же направлении водоотдачу слоев,
эффективной толщиной водного горизонта считается до 100 метров.
• Ордовика-силурийские обнаженные водоносные горизонты при
тонком четвертичном отложении питаются осадками, поэтому
грунтовые воды могут легко загрязняться.
20
Водоносные горизонты
Ордовикско-кембрийские (O–Cm)
водоносные горизонты
• Образуют песчаники и алевриты, где грунтовая
вода движется по трещинам и порам
• Грунтовая вода данного водоносного горизонта
от загрязнений исходящих из почвы хорошо
защищена
• Толщина водоносного горизонта 10-100 метров
• Основной областью питания водоносных
горизонтов является возвышенность Пандивере
• В данном водоносном горизонте в Вярске
протекает минеральная вода Вярска.
21
Водоносные горизонты
Кембрийско-вендские (Cm–V)
водоносные горизонты
• Образуют песчаники и алевриты
воронковского, гдовского и лонтовского
водоносных горизонтов
• Грунтовая вода движется по порам и
трещинам, она хорошо защищена от
загрязнений
22
Водоносные горизонты
Водный горизонт нижнего протерозоя (PR1)
• Является верхней частью кристаллического
фундамента толщиной несколько десятков
метров, где в трещинах магматических и
метаморфических горных пород и на горных
породах коры выветривания в небольших
количествах находится соленая вода, чья
распространенность является неоднородной
• Такую воду не используют
• Более глубокая часть кристаллического
фундамента образует водонепроницаемый
слой.
23
Эстонские запасы грунтовых вод
• Рамочная директива Европейского союза дает для
понятия ресурсов грунтовых вод среднюю
долгосрочную меру питания грунтового горизонта, из
которого вычитают необходимый для сохранения
хорошего состояния поверхностных вод расход воды
• Под ресурсами грунтовых вод подразумевают
количество воды, которое разрешают использовать
при помощи водозаборов
• Утвержденные запас грунтовых вод в Эстонии в
среднем 360 литров в сутки на человека
• Чаще всего для использования как питьевую воду
грунтовые воды необходимо обрабатывать
24
•
Эстонские запасы грунтовых вод
• Нехватка качественных запасов грунтовых вод
наблюдается на Севере-Востоке Эстонии, где грунтовая
вода, находящаяся недалеко от почвы повреждена
сланцевой промышленностью, а также в КембрийскомВендском водоносном горизонте распространяется
соленая вода, которая часто содержит превышенные
нормы бария и эффективных доз
• В Таллинне и в других частях северного побережья, где
Кембрийско-Вендский водоносный горизонт является
основным и чаще всего единственным источником
снабжения общественной водой, проблемой является
превышение нормы эффективной дозы, что ставит под
вопрос варианты дальнейшего использования этих
водоносных горизонтов
25
Заполнение шахт водой
• После окончания выкачивания воды и шахтных
работ гидрологический режим на добытых
территориях значительно меняется.
• Шахты и шахтные проходы заполняются водой и
депрессионная воронка (- пониженная
поверхность подземных вод, обусловленная
водосборам) подземных вод теряется
• Шахты, заполненные водой влияют в свою
очередь на работающие шахты (Эстония, Виру) и
карьер (Айду), куда просачивается вода и поэтому
растет количество выкачиваемой воды
26
• При закрытии шахт растет уровень воды. На
фото заполненная водой траншея на бывшей
территории карьера Кохтла после закрытия
шахты Кохтла в 2001 году
27
Проблемы грунтовых вод в Эстонии
В эстонской стратегии в области окружающей среды
приведены следующие проблемы, связанные с
грунтовыми водами:
• Важная часть территории Эстонии уже разработана,
загрязнена или покрыта отходами и пустыми породами –
это принесло с собой загрязнение подземных вод на
больших территориях
• Загрязненные участки все еще представляют угрозу для
здоровья человека и подземных вод
• Состояние подземных вод на Северо-востоке Эстонии
плохое в промышленных территориях, локально
подземные воды загрязнены соединениями азота
• Методы защиты воды являются недостаточными в водном
заповеднике Пандивере, где образуется большая часть
подземных вод Эстонии.
28
Проблемы подземных вод Эстонии
В эстонской стратегии в области окружающей среды
приведены следующие проблемы, связанные с
грунтовыми водами:
• Не ясно до сих пор используемая вода водоносных
горизонты как источник питьевой воды
• Опасность использования для здоровья,
осуществимость очистки воды и экономическая
целесообразность
• Продолжается загрязнение грунтовых вод из-за
небрежного хранения опасных веществ, из- за
недостаточной очистки сточных вод
• Не организована защита источников и карстовых
территорий
29
Сохранение количества грунтовых
вод
• Человек может локально изменить уровень
воды и баланс подземных вод с помощью
водозаборов, удалением воды с шахт и
карьеров, а также осушением земель
• После влияния человека, грунтовые воды
восстанавливаются в течение 2 лет
• Из-за интенсивной производственной
деятельности и урбанизации качество
грунтовых вод в Эстонии за последние 30 лет
серьезно ухудшилось
30
Скопление грунтовых вод сланцевого
Ордовикского Ида-Вирумааского бассейна
• При осушении сланцевых шахтных горных
пород в них попадает воздух, при действии
которого содержащийся в горных породах
пирит начинает окисляться и карбонатная
жесткость растет до 17-19 мг-экв/л (в
природных условиях соответственно 20
мг/л и 5-7 мг-экв/л).
31
Шахтная вода
• В шахтной воде встречается часто
бактериологическое и нефтяное
загрязнение. Поэтому ни действующая ни
закрытая вода сланцевых шахт не является
питьевой и без предварительной очистки
нельзя ее отправлять в водоемы рыбных
хозяйств и использовать для
технологических целей (Например в
центральной отопительной системе)
32
Шахтная вода
33
Влияние водоотлива
• Инфильтрационная вода компенсирует
связанные с водоотливом падение уровня
прежде всего в верхних водоносных
горизонтах
• В Набала-Ракверском водоносном
горизонте влияние горных работ
наблюдается в радиусе свыше 1-2 км, в
нижнем Кейла-Кукрузеском водоносном
горизонте до 6-7 км и в ЛаснамяэКундаском водоносном горизонте на
расстоянии более чем 25 км
34
Nabala–
Rakvere
35
KeilaKukruse
36
LasnamäeKunda
37
Будущее использования грунтовых
вод
• Использование запасов грунтовых вод самое
напряженное в Харьюмаа и Ида-Вирумаа
• У использовании грунтовых вод большие преимущества
в будущем, так как грунтовая вода доступна на
территории всей Эстонии и буровые скважины можно
строить вблизи водопотребителя
• Поверхностные воды могут конкурировать только в
больших городах, где хорошее качество грунтовых вод
отсутствует
• Использование поверхностных вод в Таллинне и на
Северо-Востоке Эстонии уменьшает загруженность
использования запасов грунтовых вод и дает
возможность более гибкого водоснабжения грунтовыми
водами небольших деревень и индивидуальных
хозяйств
38
Будущее использование грунтовых
вод
• При строительстве водозаборов необходимо
оставлять санитарные охраняемые территории с
достаточной протяженностью, а также
гарантировать безопасный для грунтовых вод
метод использования земли на территориях
водозабора
• Качественно построенные буровые скважины и
развитие канализационных услуг и управления
отходами, позволят без ущерба качеству грунтовых
вод использовать больше колодцев и местных
сетей, уменьшая необходимость периодического
пристраивания водных сетей в развивающихся
жилых территориях.
39