ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2012, том 39, № 6, с. 624-638
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ, ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ПРАВОВЫЕ АСПЕКТЫ
УДК 551.49
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСКУССТВЕННОГО ВОСПОЛНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЮГА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
© 2012 г. И. С. Зекцер*, Е. Ю. Потапова**, А. В. Четверикова*, Р. С. Штенгелов**
*Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: yew-tree@mail.ru **Московский Государственный Университет им. Ломоносова 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы Поступила в редакцию 09.06.2011 г.
Проанализировано современное состояние проблемы искусственного восполнения подземных вод в России и за рубежом. Рассмотрены факторы, определяющие районирование по условиям искусственного восполнения подземных вод. Проведено районирование юга Европейской части России по условиям искусственного восполнения подземных вод, на основании которого составлены карты перспективности искусственного восполнения подземных вод на юге Европейской территории России.
Ключевые слова: искусственное восполнение, районирование, потребность в искусственном восполнении, емкость водоносного горизонта, возможный источник восполнения подземных вод.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ВОСПОЛНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
В последнее время при повышении эффективности использования подземных вод в различных областях хозяйства применяются методы искусственного восполнения (магазинирования) подземных вод.
Значительный опыт таких работ накоплен в европейских странах, прежде всего в Германии и Голландии. В России и на территории бывшего СССР искусственное восполнение подземных вод практически не используется. Можно привести лишь единичные примеры по территории бывшего СССР, где восполнение запасов подземных вод осуществлялось за счет магазинирования атмосферных осадков и речного стока. Это водозаборы Балтезерс (Латвия), города Клайпеда (Литва) и Туапсе.
Ниже приводится краткая характеристика зарубежного опыта искусственного восполнения запасов подземных вод.
Следует отметить, что искусственное восполнение принципиально возможно двумя путями:
— разовое кратковременное (условно-едино -временное) создание дополнительных запасов воды на некоторой площади распространения водоносного горизонта; при этом время расходования сформированного объема воды значительно превышает время его создания;
— постоянная подача некоторого искусственного расхода воды непосредственно в эксплуатируемый водоносный горизонт с помощью инфиль-трационных устройств, таких как поглощающие и нагнетательные скважины или специально созданные поверхностные водоемы капитального типа (инфильтрационные бассейны); в ряде случаев возможно использование естественных понижений рельефа для заполнения их водой в целях магазинирования поверхностного стока.
Впервые методы искусственного пополнения запасов подземных вод были применены в Центральной Азии, где с помощью простых устройств задерживали дождевую воду в руслах временных водотоков. В начале XIX в. появились первые капитальные сооружения для пополнения запасов подземных вод (специальная инфильтрационная галерея на приречном водозаборе в долине р. Клайд для водоснабжения г. Глазго (Шотландия); затопление участка поймы в долине р. Гаронны вблизи приречного водозабора для водоснабжения г. Тулузы (Франция)).
Увеличение водопотребления в ХХ в. вызвало противоречие между ограниченностью естественного водоресурсного потенциала и необходимостью создания высокопроизводительных водозаборов, особенно для густонаселенных территорий западноевропейских государств (Германия, Нидерланды, Швеция и др.). Именно здесь широкое распространение получила технология пополнения запасов подземных вод через специально сооружаемые открытые инфильтрационные
бассейны, наполняемые "свежей" водой из крупных рек (Майн, Рейн, Эльба, Рур и др.) и озер.
В районе Фурбергского поля (земля Нижняя Саксония, Германия) производительность подземных водозаборов из флювиогляциальных песков (для водоснабжения г. Ганновера) с 1910 к 1960-м гг. возросла почти на порядок — до 160 тыс. м3/сут. Связанное с этим понижение уровней грунтовых вод привело к нарушению водного режима корне-обитаемого слоя и почв, проседанию поверхности торфяных болот, трансформации и деградации естественных лесных и луговых фитоценозов. В 1960—1980 гг. были предприняты системные эко-лого-гидрогеологические научные исследования с использованием моделирования, по результатам которых суммарный водоотбор был сокращен до 11—115 тыс. м3/сут и разработан проект (реализованный в 1990 г.) искусственного пополнения запасов эксплуатируемых водоносных горизонтов поверхностными водами р. Ортце в количестве ~70 тыс. м3/сут через 14 инфильтрационных скважин [3].
Примерно в то же время близкие проблемы возникли и на территории Гессенских плавней в долине р. Рейн (земля Гессен, Германия). Здесь в зоне влияния крупных подземных водозаборов, обеспечивающих водоснабжение Франкфурта-на-Майне, Дармштадта и других городов, с суммарной производительностью до 450 тыс. м3/сут наблюдались просадки земной поверхности с многочисленными повреждениями зданий. В 1990-х гг. для предотвращения подобных явлений и дальнейшего понижения уровней была разработана и осуществлена программа искусственного пополнения запасов подземных вод из р. Рейн в количестве >100 тыс. м3/сут.
Масштабные работы по поддержанию уровней подземных вод предпринимаются в Нижнерейнском буроугольном бассейне (земля Северный Рейн — Вестфалия, Германия), где общий водоот-бор за счет шахтного и карьерного водоотлива и хозяйственно-питьевых потребностей превышал 1 млрд м3/год. Системы искусственного пополнения действуют на водозаборах, расположенных вдоль Рейна.
В большом объеме искусственное пополнение запасов подземных вод производится в Нидерландах [4]. По данным на 1990 г., общий отбор подземных вод по стране составлял 575 тыс. м3/сут, а на искусственное восполнение запасов подземных вод через открытые инфильтрационные устройства и скважины направляется 500 тыс. м3/сут, причем 90% этого количества подается с расстояния более 50 км. Площадь зеркала открытых инфильтрационных резервуаров превышает 3 км2.
В Новой Зеландии существует схема, сооруженная для искусственного питания подземных
вод в водоносном горизонте, подстилающем равнины Геретаунга, зал. Хорхес. Она предусматривает отвод речной воды в инфильтрационные пруды непосредственно в том месте, где речной сток естественно питает водоносный горизонт через гравийные русла.
В провинции Лимбург (Южная Голландия), наиболее подверженной иссушению, принят специальный план водопользования. В числе мероприятий, предотвращающих дальнейшее развитие иссушения, решено уменьшить общий районный водоотбор с 270 тыс. до 220 тыс. м3/сут и взамен рассредоточенной системы мелких водозаборов построить в пойме р. Маас мощный "концентрированный" водозабор с искусственным пополнением запасов подземных вод и соответствующей перепланировкой разводящей сети по всей провинции.
В Китае сооружаются подземные водохранилища поверхностных вод. В результате сброса воды из водохранилища Миюнь в канал р. Чаобай в конце сезона дождей в 1994 г. и последующей инфильтрации в водоносный горизонт запасы подземных вод быстро восстановились [5].
На территории западных штатов США (Калифорния, Техас, Нью-Мексико, Айдахо, Аризона, Юта, Невада и др.) интенсивный отбор подземных вод для сельскохозяйственного орошения обусловил прогрессирующее истощение их запасов со значительным снижением уровней, а в ряде районов (например, в штате Техас) — с весьма ощутимым проседанием земной поверхности. Для предотвращения подобных явлений и частичной компенсации используемых запасов подземных вод, кроме упорядочения и регулирования водоотбора, стало широко применяться искусственное пополнение: в больших масштабах выполнено строительство разветвленных систем инфильтрационных траншей, бурение поглощающих скважин, устройство каскадов небольших водохранилищ; проводится регулярное затопление паводковыми водами значительных площадей террас в долинах малых рек и др.
В полуаридных районах Индии, сложенных скальными породами, эффективным для увеличения величины восполнения является сооружение перколяционных коллекторов. Перколяцио-ный коллектор представляет собой перекрытый земляной насыпью (дамбой) водовод. Накапливаемая во время дождливого сезона сточная вода постепенно просачивается в сухой период в водоносный горизонт, пополняя в нем запасы подземных вод. Типичный перколяционный коллектор имеет насыпь высотой 10 м и водосборную площадь примерно от 20 до 50 км2. На подверженных засухе территориях создание перколяционных коллекторов является мерой, предпринимаемой правительственными органами, по борьбе с засу-
хой, — в засушливый год в течение 3—4 мес. около 200 тыс. людей обеспечиваются работой [5].
В целом в зарубежных работах следует подчеркнуть системный характер подхода к проблеме восполнения запасов подземных вод с постановкой научных исследований различной направленности, организацией обширной сети режимных наблюдений и планомерным выполнением комплексных водохозяйственных мероприятий на значительных площадях. Нужно отметить, что бремя финансирования таких затратных работ частично возлагается на водопользователей.
В большинстве случаев возможность искусственного восполнения подземных вод определяется наличием источника пополнения и качеством воды, гидрогеологическими и климатическими условиями, особенностями строительства и эксплуатации инфильтрационных сооружений [10].
Важность изучения гидрогеологических условий определяется тем, что целевой водоносный горизонт является емкостью для искусственных запасов, соответственно от его фильтрационно-емкостных свойств напрямую зависит эффективность искусственного восполнения.
При искусственном восполнении возможно изменение качества подземных вод. Ухудшение качества происходит за счет использования неочищенных поверхностных вод, а улучшение — за счет различных физико-химических процессов, возникающих при смешении поверхностных и подземных вод различного состава, а также при взаимодействии инфильтрующейся воды с водо-вме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.