Подземные водоносные горизонты

Общие сведения. Идет дождь. Низвергающаяся из туч вода частично испаряется в наиболее теплом приземном слое атмосферы, частично стекает по поверхности земли, пополняя ручьи и реки, частично просачивается (инфильтруется) под землю. Вот эта последняя часть и образует подземную гидросферу (подземные воды). Распространены эти воды повсеместно, заполняя пустоты пород до глубины в несколько десятков километров. Находятся они в пустотах в виде жидкой, парообразной и твердой (лед) фаз. От мест питания (участков поступления просочившихся вод) подземные воды двигаются (фильтруются) к местам разгрузки. В зависимости от проницаемости пород (их способности пропускать через себя то или иное количество воды под действием движущей силы – так называемого гидростатического напора) и длины пути время между инфильтрацией и разгрузкой может меняться в очень широком диапазоне. Обычно подземные воды разгружаются в реки, озера, моря и океаны. Частично влага испаряется непосредственно с поверхности подземных вод, частично – посредством «выкачивания» воды растениями. Последний процесс называют транспирацией. Отметим также, что каких-либо подземных вод, совершенно изолированных от остальной гидросферы, в природе не существует.

Как использует человек подземные воды? Некоторые их виды (минеральные) имеют бальнеологическое (лечебное) значение и могут употребляться для питьевых целей или лечебных процедур. Из высокоминерализованных подземных вод добывают йод, бром, рубидий и ряд иных элементов. В основном же подземные воды используются для всех видов водоснабжения, и прежде всего для удовлетворения питьевых нужд. В этом смысле подземные воды являются наиболее ценной (лучшей) частью гидросферы, что обусловлено главным образом двумя группами факторов: защищенностью подземных вод и теми свойствами, которые приобретает вода, просачиваясь сквозь горные породы.

Что такое «защищенность», можно показать на примере сооружения колодца или скважины. До какой-то глубины ниже поверхности земли вода не встречается, а появляется, заполняя выработку, только на определенном уровне. Ниже этого уровня все пустоты заполнены водой. Это так называемый водоносный горизонт. Горизонтов может быть несколько. Тогда верхний из них называют грунтовым. Выше грунтовых вод до поверхности земли находится толща так называемых покровных отложений (другое распространенное название – зона аэрации). Это довольно сложный элемент природы. Как правило, слагающие данную зону твердые частицы весьма разнородны и по величине, и по другим показателям. Но более существенным является характер заполнения имеющихся здесь пустот: в них есть и атмосферные газы, и водяные пары, и капельки воды, стекающие вниз под действием силы тяжести, и целый ряд иных видов воды (пленочной, стыковой, капиллярной), двигающейся под действием различных сил. Из всех элементов природы, встречающихся ниже поверхности земли, покровные отложения, особенно их самая верхняя (почвенная) часть, в наибольшей степени обогащены микроорганизмами. Если на поверхность земли попадает какое-либо загрязняющее вещество, то после растворения атмосферными осадками оно начинает двигаться вниз. В зоне аэрации оно подвергается воздействию микроорганизмов и частиц грунта, с которыми вступает в химические (например, ионный обмен) и физико-химические (например, сорбция – как бы прилипание веществ к грунту, обусловленное электростатическим взаимодействием) реакции.

В результате, если количество загрязняющего вещества невелико, оно может полностью обезвредиться в зоне аэрации – трансформироваться в безвредное вещество. Поэтому наибольшая ценность подземных вод по сравнению с другими частями гидросферы в первую очередь определяется их относительным благополучием в санитарно-гигиеническом отношении. Последнее обусловлено способностью покрывающих водоносные горизонты рыхлых пород перерабатывать отдельные загрязняющие вещества в безвредные или минерализовывать их. В соответствии с этим под защищенностью понимается свойство пород, перекрывающих водоносный горизонт, предотвращать (или снижать) поступление вредных веществ в водоносные горизонты. Не следует, однако, забывать, что защищенность далеко не безгранична, и, если нагрузка (количество поступающих на поверхность земли веществ) велика, грунтовые воды будут загрязняться.

Теперь рассмотрим те свойства, которые приобретает вода, просачиваясь через покровные отложения и двигаясь дальше по водоносному горизонту. Прежде всего нужно остановиться на структуре воды, ее магнитных свойствах, изотопном и химическом составе. Такой набор характеристик связан с тем, что жидкая вода, в отличие от других жидкостей, не является полностью аморфным веществом. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. В центре находится атом кислорода, а на некотором расстоянии от него два атома водорода. Вокруг ядер атомов кислорода и водорода, заряженных положительно, вращаются электроны, заряженные отрицательно. В связи с тем, что расположение ядер атомов водорода и кислорода асимметрично, создаются два полюса зарядов: положительный и отрицательный. Таким образом, молекула воды становится полярной. Полярность молекул объясняет их способность притягиваться друг к другу. Молекулы-шары способны образовывать сложные группировки. При этом связи между молекулами могут усиливаться или ослабляться, в силу чего группа молекул может образовывать сгустки, цепочки или располагаться слоями, покрывающими друг друга. Расстояние между молекулами может увеличиваться или сокращаться, т. е. между молекулами воды могут быть пустые пространства. Все зависит от температуры и давления среды, в которой находится вода. В результате йода не только в твердом, но и в жидком состоянии приобретает определенную структуру, отличающуюся ажурностью, т. е. наличием между молекулами пустот. Ионы, заряженные положительно (катионы) или отрицательно (анионы), создают переориентировку электрических центров между молекулами воды. Сами молекулы являются диполями, т. е. одна сторона их имеет положительный электрический заряд, а другая – отрицательный. Это приводит к перегруппировке молекул воды, они приобретают большую подвижность.

Степень оструктуренности (упорядоченности, ажурности) зависит не только от агрегатного состояния (пар, жидкость или лед), но и от предшествующего взаимодействия воды с другими элементами природы, главным образом с твердыми частицами почв и грунтов. Иными словами, ледниковая, дождевая, морская, речная, подземная воды занимают различные положения в цепочке между аморфным (жидким) и твердым (кристаллическим) веществом. А разная оструктуренность сказывается на течении (прежде всего, на скорости) целого ряда процессов взаимодействия воды с грунтом (например, растворение) и биохимических процессов, протекающих в растениях, животных, человеке – почти все эти процессы идут в водных растворах.

Эти же причины (динольное строение и полярность молекул) лежат в основе другого свойства воды – магнитности. Правда, здесь основным является не взаиморасположение молекул, а упорядоченность их ориентировки. В естественных условиях (без вмешательства человека) из всех видов вод наиболее намагничены подземные. Определенные выгоды использования воды с повышенной намагниченностью были подмечены еще несколько десятков лет тому назад. В ряде видов деятельности даже нашло применение искусственно намагниченной воды. Особенно выгодным это оказалось для борьбы с накипеобразованием в паровых котлах. Достоверно установлено, что орошение искусственно намагниченной водой ведет к росту урожайности примерно на 20 %, но, поскольку затраты на омагничивание слишком велики по сравнению с ростом урожая, широкого распространения этот прием не получил. Хорошо известно о влиянии рассматриваемых свойств воды на человека. Достаточно достоверно установлено благоприятное воздействие воды с естественной (невысокой) намагничиваемостью на медицинские показатели (снижение заболеваемости и увеличение продолжительности жизни). Что касается искусственной (сильной) намагниченности питьевой воды, то каких-либо сведений о вреде ее использования в литературе не встречается, однако утверждения о ее пользе основываются на данных косвенного характера.

Следующее свойство воды – ее изотопный состав. В воде всегда, кроме изотопа водорода с атомным весом 1 (прогий), есть водород с атомным весом 2, так называемый дейтерий. Помимо дейтерия имеется еще тритий – с атомным весом 3. Существуют три изотопа кислорода с атомными весами 16, 17 и 18. Это значит, что может быть несколько соединений кислорода и водорода, образующих воду, – до 42, из которых 9 устойчивых. Соединения с кислородом протия называют легкой водой, дейтерия тяжелой, трития – сверхтяжелой. Трехатомные соединения – водород, дейтерий, кислород – называют полутяжелой водой. Чистая вода всегда является смесью легкой воды и очень малых количеств тяжелой и полутяжелой воды. Тяжелая вода носит еще название мертвой, гак как, в отличие от легкой (живой), является ядом для растений и животных. Физиологически она инертна: в ней не прорастают семена растений, погибают водные организмы. В природных водах доля тяжелой воды мала, но различна для морских, речных, дождевых, подземных и других видов вод.

Из всех свойств воды изотопный состав в наибольшей мере согласуется с данными геронтологии (науки о долголетии). С некоторой долей приближения можно утверждать: чем меньше в питьевой воде доля мертвой воды, тем больше на этой территории долгожителей. В двух основных районах России, где живет много долгожителей, употребляется либо вода высокогорных родников (Кавказ), либо талая (Якутия). В обоих районах количество дейтерия в воде минимально. Высказываются мнения, что дейтерий, поступая в организм, не выводится из него и процесс накопления дейтерия является отражением процесса старения. Хотя очевидно, что, исследуя влияние воды на биологический объект, целесообразнее оценивать воздействие не магнитных или изотопных, а всего комплекса свойств, в том числе и химического состава. В качестве подтверждения приведем следующий пример. Общеизвестна такая разновидность подземных вод, как минеральные. Их немало: нарзан, ессентуки, боржоми, арзни и многие другие. Использование этих вод для питьевых целей или лечебных процедур (ванны) стимулирует в организме определенные биохимические процессы, приводящие к улучшению здоровья. Состав многих минеральных вод изучен настолько, что приготовить искусственную минеральную воду не проблема. Она будет полностью аналогична естественной, но не будет иметь лечебных свойств. Иными словами биологическое воздействие, кроме одинакового содержания растворенных твердых и газообразных веществ, зависит от структурной, магнитной, изотопной и, возможно, еще какой-то, пока неизвестной, характеристики воды.

Природные воды представляют собой не простое соединение водорода с кислородом, а сложные растворы, в которых содержится множество различных веществ. Существует очень много классификаций этих веществ. Нам удобно подразделить их на следующие группы: макрокомпоненты; микрокомпоненты; органические соединения и радиоактивные вещества; микроорганизмы; газы. Макрокомпоненты представляют собой минеральные соли магния, кальция, натрия-сульфаты, хлориды и др. Их по видам немного, но обычно они составляют не менее 99 % общего количества растворенных в воде веществ. Солевой состав подземных вод зависит от условий их формирования. Просачиваясь в почву, вода растворяет вещества горных пород, в том числе соли магния, кальция и железа. Артезианские воды имеют, как правило, значительный минеральный состав. В засушливых районах, где испарение происходит интенсивнее, воды также сильно минерализованы. Жесткость природных вод обусловлена присутствием в них ионов кальция и магния. Первые поступают в воду при растворении известняков под действием содержащейся в воде углекислоты, а также при выщелачивании водой гипса. При растворении водой доломитов образуются ионы магния. Какое значение имеет жесткость воды для повседневной бытовой жизни человека? Чем больше жесткость, тем больше расход мыла, поскольку пена образуется лишь после того, как весь кальций и магний воды будут связаны жирными кислотами мыла. Ткани после стирки в жесткой воде становятся хрупкими, легко рвутся в местах сгибов. Таким же образом действует она и на волосы, в ней не заваривается чай и не развариваются овощи, она способствует образованию накипи в чайниках, самоварах и котлах.

И суммарное содержание макрокомпонентов, и концентрации отдельных из них определяют пригодность воды для удовлетворения тех или иных нужд. Так, для питьевых целей используются пресные воды, в них общее количество солей не превышает 1000 мг/л. Если солей больше, то вода становится солоноватой на вкус.

Макрокомионенты и другие вещества попадают в воду главным образом при движении подземных вод в горных породах за счет растворения последних, в меньшей степени – за счет захвата атмосферной пыли, поступления в водоемы остатков жизнедеятельности растений и водных организмов. Процессы обогащения растворенными веществами различных видов вод (подземных, речных, озерных) в различных районах весьма многообразны.

Число встречаемых в природных водах микроэлементов многократно больше, чем макрокомнонентов. Они, хотя и находятся в ничтожно малых количествах, играют большую роль в биологических процессах. Присутствие микроэлементов в организме колеблется от сотых до тысячных долей процента. Наиболее известными являются фтор, йод, молибден, бор, медь, мышьяк, никель и другие. Они поступают в организм с водой и пищей, а такие, как фтор, – только с водой. В последние годы доказано участие микроэлементов в построении многих ферментов организма, установлена связь между микрокомпонентами, гормонами и витаминами, определено значение микроэлементов для ряда физиологических функций: кроветворения, размножения, тканевого дыхания, обмена и других. Согласно исследованиям в области медицинской географии, науки, изучающей влияние различных природных факторов на распространение болезней, многие заболевания, называемые геохимическими эндемиями, зависят от избытка или недостатка отдельных элементов, растворенных в природных водах того или иного района

В качестве примера рассмотрим, как влияет на организм человека фтор. В районах, где в воде содержится более 1,5 мг/л фтора, широко распространено такое заболевание, как эндемический флюороз, который начинается с пятнистости или крапчатости зубов, а заканчивается их разрушением. Если же фтора в воде менее 0,5 мг/л, то развивается кариес, ведущий к весьма болезненному разрушению зубов и последующим заболеваниям желудочно-кишечного тракта. Для многих встречающихся в воде элементов известен только верхний предел концентраций. Возможно, современные методы анализов просто не позволяют определить те количества, ниже которых содержание этих веществ в воде начинает неблагоприятно сказываться на человеке. Влияние ряда растворенных веществ еще вообще не изучено. Но, наверное, не будет большой ошибкой утверждать, что в процессе развития жизни на Земле человеческий организм приспособился получать многие необходимые ему элементы с питьевой водой и все попавшие в воду естественным путем вещества в определенных концентрациях полезны для человека, но когда этих веществ становится много, то они становятся вредными.

В отношении влияния микроэлементов на растения ограничимся таким примером. Для повышения урожайности и сохранения плодородия земель вносят удобрения. Различают минеральные (азот, фосфор, калий), органические (навоз, торф и т. п.) и микроудобрения. Последние и есть микроэлементы (молибден, медь, никель и др.), которые в очень малых концентрациях поставляются в почву. Правда, этот вид удобрений не получил широкого распространения на Урале, поскольку, в отличие от других регионов России, почвы здесь сравнительно богаты микроэлементами. Однако если этих вещества вносятся в больших дозах, они угнетают и даже уничтожают растения

Вода также содержит органические вещества природного происхождения, которые присутствуют в ней в растворенном и взвешенном состоянии. Некоторые из них входят в состав живых организмов, населяющих воду, некоторые являются продуктами их распада. В настоящее время установлено наличие в природных водах гуминовых и дубильных веществ, белково- и углеводоподобных соединений, жиров, витаминов и органических кислот. Но в основном в воде присутствуют гуминовые вещества, образующиеся от разложения нестойких органических соединений. Много таких веществ в результате разложения водорослей содержится в водохранилищах и озерах (характерный пример – Волчихинское водохранилище и другие питьевые водоемы г. Екатеринбурга). От наличия гуминовых веществ зависит цвет воды, правда, он может измениться и за счет попадания гуминовых веществ со сточными водами. Поэтому только по одному цвету нельзя судить о доброкачественности воды, необходимо сопоставление всех показателей в комплексе.

Выделение в отдельную группу органических веществ и объединение их с радиоактивными веществами связано с особенностями загрязнения подземных вод этими соединениями. Распространение на территории России таких соединений, как полиароматические углеводороды, диоксины, ксенобиотики и т. п., наиболее детально изучено в Кузбассе, где выявлены весьма странные закономерности, которые удалось объяснить только с привлечением данных по изучению движения радионуклидов. Такие данные были получены в 50-е гг. XX в., когда проводились испытания ядерного оружия в атмосфере. Образующиеся после ядерных взрывов радиоактивные частицы (радионуклиды) попадают в высокие слои атмосферы и переносятся на значительные расстояния. В силу особенностей атмосферной циркуляции основная часть нуклидов выпадает в виде пятен в привершинных частях горных сооружений. Судя по имеющимся данным о содержании в подземных водах сложных органических соединений, они также отрываются от источников загрязнения, переносятся на значительные расстояния и выпадают в приводораздельных частях возвышений рельефа. Дальше начинаются различия: радионуклиды задерживаются (сорбируются) в верхних горизонтах почв, а органические соединения проникают вглубь и образуют ореолы загрязненных подземных вод.

Последнее весьма опасно по следующим причинам. Соединения типа диоксинов, полиароматических углеводородов, детергентов и т. п. в силу высокой стоимости анализов обычно не определяются, во всяком случае в достаточных масштабах. А в настоящее время много говорится о ценности так называемых экологически чистых вод. Не останавливаясь на неудач- ности этого термина (его можно перевести как «воды, лишенные всего живого»), отметим, что районы развития этих вод находятся на территориях, где есть все основания опасаться присутствия ореолов загрязнения сложными органическими соединениями

За время своего существования человечество пережило много эпидемий (чума, холера и др.). Почти все они связаны с употреблением для питьевых целей некачественной в микробиологическом отношении воды, которая может способствовать возникновению той или иной болезни, если в ней присутствует микроб – возбудитель данной конкретной инфекции.

Вода приобретает эпидемиологическую опасность тогда, когда в нее попадают выделения людей и животных. Болезнетворные микробы могут поступать в открытые водоемы при сбросе нечистот с судов или их смывании с поверхности почвы атмосферными осадками, при загрязнении берегов, устройстве переправ, водопое скота, стирке белья, купании и т. д.

Вода колодцев загрязняется при просачивании содержимого уборных, помойных ям и других приемников для нечистот через почву, затекании загрязненной воды с поверхности почвы. Водопроводная вода подвержена микробиологическому загрязнению при авариях на головных сооружениях, прорыве сточных вод, «подсосе» грунтовых вод в водопроводные трубы, затекании воды с поверхности почвы в смотровые колодцы. Загрязнение происходит также в процессе хранения и транспортировки воды.

Везде, где скапливаются органические отбросы (в почве, открытых водоемах, подземных водах), создаются условия для жизнедеятельности, а иногда и для быстрого развития бактерий. Многие из таких микроорганизмов безвредны, но некоторые обладают способностью вызывать определенные заразные болезни. Даже при наличии и безупречной эксплуатации хорошо устроенных и оборудованных фильтровальных станций, снабженных самой совершенной аппаратурой и приборами, все же в разных странах периодически происходят вспышки и эпидемии кишечных заболеваний водного происхождения. В воде случайно могут оказаться самые разнообразные микробы, однако, как показали многочисленные исследования, долго жить в ней могут только те, что вызывают холеру, брюшной тиф, дизентерию и прочие желудочно-кишечные инфекции. Длительность жизни таких микробов в воде различна: для возбудителей холеры – от нескольких дней до нескольких месяцев, для дизентерийных палочек – до 27 дней, возбудителей брюшного тифа – до трех месяцев. Особенно часто острые кишечные инфекции передаются, когда люди зараженную йоду пьют, но заражение может возникнуть и при употреблении воды для хозяйственных надобностей.

В результате всех этих заболеваниях поражается в основном кишечный тракт человека, и, как следствие, нарушается пищеварение, появляется расстройство стула (поносы), что ведет к выбрасыванию вместе с испражнениями миллионов микробов. Микроорганизмы, смываясь с почвы дождевыми водами, поступают в водоем, а при употреблении необезвреженной воды из такого водоема могут снова попасть в кишечник человека, вызывая патологические (болезненные) явления. То, что микробы способны долго сохранять в воде свою вирулентность (болезнетворность), может сыграть решающую роль при заражении населения, использующего воду из проточных водоемов.

Основное преимущество подземных вод над поверхностными состоит в том, что болезнетворные микробы в них относительно неустойчивы. Наиболее распространенные из них могут прожить в подземных условиях не более 300 – 400 суток. Поэтому в сельской местности наличие в одном дворе неблагоустроенного туалета и колодца довольно часто (в зависимости от направления и скорости движения подземных вод) чревато угрозой микробного загрязнения колодезных вод.

Итак, мы рассмотрели целый ряд показателей качества природных вод, все они действуют параллельно, и их эффект можно установить как суммарный. Наиболее достоверные сведения получены относительно последствий орошения разными видами вод. Согласно опытным данным, на участках с одинаковыми культурами, почвами, тепловыми условиями и т. д., находящихся рядом, но часть которых орошалась поверхностными (речными), а часть – подземными водами, на вторых урожайность была выше на 20 – 25 %. В литературе встречается немало утверждений, что подземные воды более благоприятны для здоровья человека, чем поверхностные (обратных утверждений нет). Вместе с тем следует отметить, что на медицинскую статистику влияет очень много факторов: нервные нагрузки, стрессы, особенности питания, чистота воздуха и т. п. Поэтому выделить роль собственно воды в увеличении продолжительности жизни, частоте того или иного заболевания или в каких-либо других медицинских показателях трудно. Во всяком случае для скептика преимущества подземных вод представляются небесспорными, хотя, по нашему мнению, чем в большей степени человек удовлетворяет свои питьевые нужды за счет подземных водоисточников, тем лучше.

Остановимся еще на одной особенности подземной гидросферы. Существуют следующие ориентировочные расчеты: если вдруг полностью прекратится поступление загрязняющих веществ в окружающую среду, то реки восстановят свой первоначальный облик в течение нескольких или первых десятков лет озера – порядка ста лет, примерно такое же время потребуется на восстановление леса, а вот в подземных водах самоочищение продлится значительно дольше – сотни тысяч и даже миллионы лет. Кроме того, ликвидация загрязнения подземных вод искусст венным путем намного сложнее и дороже, чем других элементов окружающей среды.

Ресурсы и запасы подземных вод Урала. Для разных целей используется целый ряд количественных характеристик подземных вод (статистические, динамические, вековые, регулировочные запасы, перспективные, потенциальные, прогнозные ресурсы и т. д.). В водохозяйственном аспекте интерес представляют три из них: естественные и эксплуатационные ресурсы и эксплуатационные запасы.

Естественные ресурсы представляют собой естественную производительность водоносных горизонтов, обеспеченную питанием и количественно выраженную расходом подземного потока, т. е. это то количество воды, которое стекает с какой-либо территории в естественных условиях за единицу времени. Это количественная характеристика природных условий территории, важная для оценки естественного водного баланса, решения ряда задач мелиоративной, рудничной гидрогеологии, охраны подземных вод и т. п. Поскольку экономически приемлемых технических решений для полного перехвата потока подземных вод не существует, ни для каких водохозяйственных расчетов этот показатель не применяется.

Величина естественных ресурсов подземных вод Свердловской области составляет 25,4 млн м³/сут (9,27 км³/год).

В водном хозяйстве довольно часто ориентируются на эксплуатационные ресурсы. Это количество подземных вод, обеспеченное всеми видами питания и принципиально определяющее возможный объем их использования на длительный срок. Иными словами, это та часть подземного стока, которую можно отобрать, применяя для этого современные технические средства. Поскольку рациональное в экономическом отношении использование технических средств – вопрос небесспорный, существует ряд методик подсчета эксплуатационных ресурсов. В соответствии с этим они носят название потенциальных, перспективных, прогнозных ресурсов. Наиболее распространенный показатель – потенциальные ресурсы. В Свердловской области они составляют 7848 тыс. м³/сут (2,85 км³/год). Величина прогнозных ресурсов оценивается в 19604 тыс. м³/сут (7,16 км³/год), распределение этой категории подземных вод с минерализацией до 1 г/л.

Ресурсы подземных вод являются характеристикой, определяемой исключительно естественными условиями территории. Изменения в их величине происходили лишь в масштабах геологического времени. В настоящее время большое влияние на ресурсы подземных вод оказывает хозяйственная деятельность. Это воздействие выражается либо в их уменьшении вследствие количественного или качественного истощения (загрязнения), либо в увеличении вследствие целенаправленного воспроизводства (например, искусственного пополнения запасов подземных вод за счет поверхностных, ведущего к снижению безвозвратных потерь на испарение). На отдельных локальных участках деятельность человека в корне изменила условия водообеспеченности, но масштабы этих изменений в общем балансе больших территорий оценить трудно. Поэтому ресурсы следует считать величиной постоянной, не зависящей от технического уровня использования подземных вод и обусловленной максимально возможной степенью водоотбора в перспективе.

В отличие от ресурсов запасы являются величиной переменной, определяемой для конкретных потребителей на месторождениях подземных вод (на участках с повышенной водообильностью) и зависящей от уровня технического прогресса. Эксплуатационные запасы – это количество подземных вод, которое может быть получено из водоносного горизонта рациональным в технико-экономическом отношении способом при заданном режиме водоотбора и качестве воды, удовлетворяющем требования на весь расчетный срок водопотребления.

Рациональность в технико-экономическом отношении определяется в основном двумя условиями:

1) отбор воды целесообразнее производить там, где ее больше, т. е. крупные месторождения эксплуатировать выгоднее, чем мелкие;

2) технические средства отбора воды выбираются в зависимости от геолого- гидрогеологических условий месторождений.

Оценка эксплуатационных запасов подразделяется на ряд стадий: поиск месторождений, их разведка (предварительная и детальная), подсчет запасов и их утверждение государственной или территориальной комиссией по запасам полезных ископаемых. На Урале запасы стали утверждаться с 1951 г. Первое месторождение подземных вод, по которому были утверждены запасы, это Рефтинское для водоснабжения г. Асбеста. По состоянию на 01.01.03 на территории Свердловской области для конкретных потребителей разведано и находится на государственном учете 254 месторождения подземных вод, из которых 230 предназначены для хозяйственно-питьевых нужд.

Эксплуатационные запасы в целом по всем месторождениям подземных вод (МПВ) составляют 1386,48 тыс. м³/сут, в том числе 1059,41 тыс. м³/сут подготовлены для промышленного освоения. Общее количество разведанных эксплуатационных запасов подземных вод, пригодных для хозяйственно-питьевого водоснабжения (ХПВ), на 01.01.03 составило 1282,75 тыс. м³/сут, в том числе подготовленных для промышленного освоения – 964,558 тыс. м³/ сут.

Качество воды. Природное качество подземных вод на территории Свердловской области характеризуется, как правило, бедным микрокомпонентным составом. Содержание большинства металлов, галлоидов, радиоактивных элементов обычно не превышает предельно допустимых концентраций для воды питьевого назначения. Подземные воды умеренно жесткие, с недостаточным содержанием фтора и очень часто обогащены соединениями кремния, железа и марганца. Последние в определенных ландшафтно-гидрохимических зонах обнаруживаются в количествах, существенно (до 5 – 10 раз) превышающих ПДК. Наиболее ярко выраженные примеры таких условий известны, в частности, в долине р. Уфы восточнее г. Красноуфимска, в зоне крупного Турьинского тектонического нарушения (район г. Красноуральска, Верхней и Нижней Туры), на площади развития четвертичных аллювиальных отложений Зауралья (районы Таборы, Туринской Слободы, Талицы и др.). Железо и марганец находятся в подземных водах в формах, легко удаляемых стандартными способами водоподготовки.

Специфические воды с высоким содержанием органоминеральных железистых и марганцевистых комплексных образований, обогащенные также гуминовыми и фульвокислотами, развиты в пластовых водоносных горизонтах к востоку от г. Серова. За счет указанных соединений они имеют здесь повышенную цветность (до нескольких сотен градусов) и характерный «чайный» облик (села Филькино, Андриановичи).

Типичной чертой природного облика подземных вод в области развития кислых интрузий с пегматитовыми жильными образованиями является повышенное содержание радона за счет эманирующих свойств трещиноватых и трещинно-жильных коллекторов с рассеянной и гнездообразной минерализацией радиоактивных элементов (д. Кодинка под г. Каменском-Уральским, район г. Режа и Асбеста, пос. Белоярский и др.).

В подземных водах межпластовых систем Зауралья (примерно восточное линии городов Камышлов – Ирбит – Гари), водовмещаюшие породы которых сформировались в морских условиях и частично сохранили морской комплекс солей, заметно присутствие солей бора, брома и при минерализации 0,6 – 1,0 г/л и более – в количествах существенно выше ПДК. Кроме того, для них же является типичным почти повсеместно высокое, но в пределах допустимых норм, содержание азотных соединений (аммонийная форма), обязанных своему образованию процессам анаэробного разложения некогда погребенного органического вещества.

Своеобразная природная гидрогеохимическая провинция мышьяксодержащих подземных вод установлена на площади, примыкающей к полосе вдоль меридиана оз. Молтаево – г. Алапаевск – пос. Верхняя Синячиха, где концентрации этого элемента в пресных трещинных и трещинно-карстовых водах составляет 0,2 – 0,4 г/л (в 5 – 8 раз выше ПДК), что связано с проявлением здесь в палеозойских породах уранового рудопроявления гидротермального генезиса.

В целом же в естественных условиях подземные воды на территории Свердловской области характеризуются преимущественно гидрокарбонатным (водоносная зона архейско-палеозойских гранитоидов), сульфатно-гидрокарбонатным (водоносные зоны рифейско-палеозойских основных и средних интрузий и архейско-нижнекаменноугольных метаморфических пород) магниево-кальциевым составом с минерализацией 172 – 278 мг/л.

Качество подземных вод на многочисленных природно-техногенных объектах в системах централизованного водоснабжения городов и райцентров области в основном стабильное.

Случаи направленного изменения качества в процессе эксплуатации являются локальными и происходят из-за прогрессирующих неблагоприятных природных особенностей формирования химического состава или из-за несоблюдения на водозаборных участках регламентов землепользования и условий охраны подземных вод от загрязнения при разведке месторождений и утверждении запасов.

Типичным примером прогрессирующего проявления неблагоприятных природных особенностей формирования химического состава подземных вод могут служить водозаборы, каптирующие подземные воды карбонатных пород (Полдневской в Богдановичском районе, Северо-Мазулинский в Каменском районе и др.). В процессе длительной эксплуатации (более 30 лет) выявлены общие закономерности изменения химического состава подземных вод: увеличение минерализации и жесткости, содержания сульфатов, железа, марганца, а в ряде случаев и изменение типа подземных вод с гидрокарбонатного магниево-кальциевого на сульфатно-гидрокарбонатный магни- ево-кальциевый. Причина изменения качества воды на отмеченных водозаборах – активизация процессов сернокислотного выщелачивания сульфидных минералов в осушенной части как водоносного горизонта, так и перекрывающих его мезо-кайнозойских отложений.

Нередко в пределах зоны санитарной охраны действующих питьевых водозаборов расположены объекты, являющиеся потенциальными источниками загрязнения подземных вод. Это, как правило, неблагоустроенная жилая застройка, коллективные сады, сельхозугодья, свалки бытовых и промышленных отходов, канализационные коллекторы, промплощадки, автозаправочные станции и т. п.

Несоответствие качества подземных вод требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по тем или иным показателям химического состава обнаружено на 16 водозаборах. На остальных наблюдаются отклонения от природного фона по отдельным компонентам (жесткости, железу, марганцу, кремнию). Причина – нарушение режима землепользования в зонах санитарной охраны водозаборов. Например, в подземных водах Грязнушенского месторождения, эксплуатируемого для питьевого водоснабжения г. Асбеста, зафиксировано содержание кадмия, в 1 – 3,9 раз превышающее ПДК по СанПиН 2.1.4.1074-01, что явилось следствием размещения в пределах III пояса ЗСО свалки бытовых отходов.

Влияние золоотвалов (за счет фильтрации осветленных вод через основания дамб в водоносные горизонты и дренажные водотоки) проявляется в изменении химического состава подземных вод с природного гидрокарбонатного на гидрокарбонатно-сульфатный, хлоридно-сульфатный и сульфатный, в увеличении минерализации (до 1030 г/л), жесткости (до 1,8 ПДК), повышенном содержании таких микрокомпонентов, как фтор, алюминий, литий. Комплексное воздействие естественных и техногенных факторов приводит на этих участках к росту концентраций железа (до 70 ПДК) и марганца (до 56 ПДК). Ареал загрязнения обычно распространяется узкой полосой, ориентировочно на 150 – 200 м вниз по потоку от дамбы золоогвала.

Шлаковые отвалы и отстойники-шламонакопители, образующиеся в результате деятельности металлургической промышленности, воздействуют на подземные воды за счет фильтрации воды через их основания непосредственно в водоносный горизонт. Вблизи этих объектов формируются сульфатные, хлоридно-сульфатные, гидрокарбонатно-сульфатные воды с повышенной минерализацией (до 4,6 ПДК), жесткостью (до 2,7 ПДК), окисляемостью (до 2,7 ПДК), с высоким содержанием сульфатов (до 1,3 ПДК), хлоридов (до 4,2 ПДК). Подземные воды загрязнены нефтепродуктами (до 30 ПДК), железом (до 27,9 ПДК), марганцем (до 57,8 ПДК), аммиаком (до 11 ПДК), фтором (до 4,6 ПДК).

Для подземных вод в пределах воздействия свалок бытовых и промышленных отходов, так же как и вблизи других источников загрязнения, характерно увеличение минерализации, жесткости, содержания сульфатов, хлоридов и ряда микрокомпонентов (в зависимости от состава складируемых отходов).

На сельскохозяйственных объектах отмечается загрязнение подземных вод азотсодержащими соединениями (до 1,4 ПДК) и увеличение микробиологических показателей (до 16 ПДК).

Промышленные стоки, утечки реагентов и нефтепродуктов, складирование отходов производства на территориях предприятий в различных городах Свердловской области приводят к загрязнению подземных вод на этих участках, что проявляется в увеличении сухого остатка, жесткости, окисляемости, росте содержания сульфатов, хлоридов, тяжелых металлов, азотсодержащих соединений, появлении нефтепродуктов. Такая подземная вода используется только для технических целей.

Загрязнение подземной гидросферы урбанизированных территорий, например, таких крупных городских агломераций, как г. Екатеринбург, Нижний Тагил, Каменск-Уральский, выражается в изменении природного облика подземных вод, вплоть до изменения состава с гидрокарбонатного на хлоридный и даже нитратный. Общей чертой подземных вод урбанизированных территорий является их азональный тип, повышенная минерализация и жесткость, присутствие нефтепродуктов и соединений азота, неблагополучие в санитарно-экологическом отношении. Если в пределах условно чистых территорий качественный состав подземных вод относительно стабилен и меняется посезонно, то в границах города состав их находится под воздействием техногенных факторов без какой-либо надежно устанавливаемой временной закономерности.

Подземные воды являются попутно извлекаемым полезным ископаемым, и по ним утверждены запасы в количестве 50,0 тыс. м³/сут (Кальинское месторождение, Северо-Восточный дренажный узел). Подземные воды используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Североуральска (48,3 тыс. м³/сут). Качество воды, откачиваемой дренажными узлами, по определяемому перечню показателей отвечает требованиям санПиН 2.1.4.1074-01, величина сухого остатка (0,2 – 0,3 г/л) и содержание хлоридов (2 – 8 мг/л) соответствуют фоновым значениям. Содержание сульфатов на Черемшанском, Сосьвинском, Южном и Новом Южном дренажных узлах – 13 – 64 мг/л. Отмечается некоторый рост содержания сульфатов на Северо-Восточном дренажном узле – 84 – 112 мг/л, на Южном эпизодически фиксируется превышение ПДК по содержанию железа до 1,6 ПДК.

На горных предприятиях, разрабатывающих известняки, проявляются те же закономерности изменения химического состава подземных вод, что и на водозаборах, эксплуатирующих карбонатный водоносный горизонт: увеличение содержания сульфатов, железа, марганца, минерализации и жесткости. Причина – активизация процессов сернокислотного выщелачивания в осушаемой части как водоносного горизонта, так и перекрывающих его мезо-кайнозойских отложений.

Например, в дренажных водах Хвощевского карьера флюсовых известняков (ОАО «Сафьяновская медь») рН понижается до 3,25, величина сухого остатка достигает 3120 мг/л (3,1 ПДК), содержание сульфатов – 2069 мг/л (4,1 ПДК), кремния – 56,2 мг/л (5,6 ПДК); в количествах, превышающих ПДК, присутствуют такие металлы, как железо (до 16,7 ПДК), марганец (до 410 ПДК), медь (до 22 ПДК), цинк (до 1,86 ПДК), никель (до 7,8 ПДК), кадмий (до 19 ПДК), кобальт (до 4,1 ПДК), селен (до 2 ПДК). Вода загрязнена аммиаком (31,3 ПДК).

Радиационное состояние подземных вод по обшей α- и β-радиоактивности на территории Свердловской области определяется природными условиями и соответствует фоновому.

Освоение подземных вод. Данные по отбору подземных вод отличаются чрезвычайно низкой достоверностью. Оценка этой величины для любой территории в методическом отношении представляет собой суммирование производительности функционирующих водозахватных (каптажных) сооружений. Обычно из подсчетов выпадает какая-то часть работающих скважин. Причем, как правило, в разных подсчетах недоучитывается различное число водозаборов.

Вторая причина низкой достоверности – почти полное отсутствие инструментальных замеров количества отбираемой воды: в подавляющем большинстве случаев водоотдача скважин определяется косвенно, например, по времени работы насосов и их паспортной производительности.

По наиболее достоверным оценкам, суммарная добыча подземных вод на территории Свердловской области в 2002 г. составила около 1356,22 тыс. м³/сут. Она складывается из добычи подземных вод на месторождениях с утвержденными запасами, водозаборах без утвержденных запасов, автономных участках, эксплуатируемых одиночными скважинами, и водоотливов при проведении осушительных мероприятий на месторождениях твердых полезных ископаемых.

На 124 эксплуатируемых участках водозаборов с утвержденными запасами (месторождения питьевых и технических подземных вод) в 2002 г. извлечено 303,02 тыс. м³/сут подземных вод. Из всего количества добытой на этих месторождениях подземной воды использовано 97 % (294,99 тыс. м³/сут), в том числе на хозяйственно-питьевые нужды – 259,86 тыс. м³/сут, производственные – 34,69, сельскохозяйственные и другие нужды – 0,44 тыс. м³/сут.

Кроме того, в 2002 г. учтено 216 водозаборных участков, запасы по которым не проходили государственную геологическую экспертизу. Они обеспечивают хозяйственно-питьевые и технические нужды отдельных предприятий, жилых поселков и микрорайонов с суммарной фактической производительностью около 110,26 тыс. м³/сут, из них 79,31 тыс. м³/сут используется на хозяйственно-питьевые цели, что составляет 73 % от общего количества отбираемой на этих участках воды. В 2002 г. вновь учтено 103 водозаборных участка, водопользователями которых в течение года были получены лицензии на добычу подземных вод.

Кроме того, в Свердловской области учтено 13 месторождений подземных вод законтурных дренажных систем шахтных и карьерных водоотливов. На 10 из них в 2002 г. извлечено 277,21 тыс. м³/сут, из которых 54,96 тыс. м³/сут использовано на хозяйственно-питьевые нужды, 13,01 – на производственные, 209,24 тыс. м³/сут сброшено без использования. На 62 участках водоотливов без утвержденных запасов в 2002 г. извлечено 598,75 тыс. м³/сут подземных вод, из них 25,88 тыс. м³/сут использовано на различные нужды: 1,44 тыс. м³/сут – для хозяйственно-питьевого водоснабжения (0,24 % от общего количества извлеченной воды), 22,8 – для производственно-технического (4 %) и 1,64 м³/сут на орошение, 572,87 тыс. м³/сут (96 %) извлеченной водоотливами воды сбрасывается в поверхностные водотоки без использования.

Значительные ресурсы подземных вод добываются из недр области одиночными водозаборными скважинами, работающими, как правило, в автономном (децентрализованном) режиме, обеспечивая водой нужды мелких потребителей. В общей величине извлечения и использования подземных вод по Свердловской области в 2002 г. учтено порядка 3400 таких скважин, суммарная добыча подземных вод на них составила около 66,98 тыс. м³/сут. Для хозяйственно-питьевых целей использовано 49 % (32,60 тыс. м³/сут) добытой воды, для производственно-технических – 18 % (11,91 тыс. м³/сут), на орошение и сельскохозяйственные нужды 27 % (18,38 тыс. м³/сут).

Из всего количества извлеченной из недр воды для хозяйственно питьевых нужд в 2002 г. населением Свердловской области использовано 428,16 тыс. м³/сут, что составляет примерно 25 % по этому целевому назначению.

Одним из показателей уровня технического развития является удельный вес подземных вод в общем объеме свежей воды, используемой для коммунального водоснабжения. В Свердловской области удельный вес подземных вод в общем водоотборе крайне мал (12 – 13 %), хотя он и вырос за последние годы.

Охрана подземных вод. Из проводимых мероприятий по охране подземных вод для Свердловской области наиболее характерны следующие.

1. При любом подсчете запасов подземных вод, исходя из особенностей геологического строения района и гидрогеологических условий, обосновываются границы поясов зон санитарной охраны. При этом одновременно указывается и на необходимость проведения мероприятий по водоподготовке (обезжелезиванию, хлорированию и т. п.), а также дается краткая характеристика основных источников загрязнения.

2. При составлении проектов водоснабжения необходимое оборудование эксплуатационных выработок и организация зон санитарной охраны обеспечиваются соответствующим финансированием. Основные затраты при этом связаны с переносом источников загрязнения (главным образом сельскохозяйственных ферм) за пределы областей питания водоносных горизонтов.

3. В проектах на проведение геолого-разведочных и строительных работ предусматриваются ассигнования на ликвидацию горных выработок, не используемых в качестве эксплуатационных или режимных. Правда, в настоящее время имеется немало заброшенных шахт и карьеров, куда сбрасываются всевозможные отходы хозяйственной деятельности, а также неучтенных скважин, обусловливающих, кроме загрязнения с поверхности (через их устья), естественное загрязнение и истощение подземных вод.

4. При проектировании новых шламохранилищ, отстойников, накопителей хвостохранилищ и т. д. в этих гидротехнических со оружениях предусматриваются противофильтрационные экраны.

Перечисленные мероприятия нацелены на снижение нагрузки на окружающую среду. Такие мероприятия обычно называют пассивными. Но в Свердловской области проводятся и активные мероприятия – целенаправленно воздействующие на количественные и качественные характеристики подземной гидросферы: это уже описанное искусственное пополнение запасов подземных вод на Рефтинском водозаборе г. Асбеста, использование геохимических барьеров при утилизации сточных вод Кировградского завода твердых сплавов, перехват утечек из отстойников завода «Русский хром» в г. Первоуральске и ряд других. Но им пока недостает гидрогеологического обоснования, т. е. точных расчетов процессов гидродисперсии и трансформации загрязняющих веществ. Там же, где мероприятия удается обосновать, они, как правило, не реализуются.