Запасы и ресурсы подземных вод. Источники воды. Распределение воды

     СОДЕРЖАНИЕ 

     ВВЕДЕНИЕ----------------------------------------------------------------------3.

     РАСПРАСТРАНЕНИЕ ВОДЫ В ПРИРОДЕ-------------------------4.

     ЗАПАСЫ  И РЕСУРСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД------------------------4.

     ИСТОЧНИКИ ВОДЫ--------------------------------------------------------6.

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ-----------------9. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Воды  в жидком, твердом и газообразном состоянии находится в естественных водоемах на поверхности (в океанах, реках, озерах и болотах); в недрах (подземные воды); во всех растениях  и животных; а также в искусственных  водоемах (водохранилищах, каналах  и пр.). 

     Вода  – единственное вещество, которое  в природе присутствует в жидком, твердом и газообразном состояниях. Значение жидкой воды существенно меняется в зависимости от местонахождения  и возможностей применения. Пресная  вода шире используется, чем соленая. Свыше 97% всей воды сосредоточено в  океанах и внутренних морях. Еще  около 2% приходится на долю пресных  вод, заключенных в покровных  и горных ледниках, и лишь менее 1% – на долю пресных вод озер и  рек, подземных и грунтовых. Вода -  самое распространенное соединение на Земле, обладает уникальными химическими  и физическими свойствами. Поскольку  она легко растворяет минеральные  соли, живые организмы вместе с  ней поглощают питательные вещества без каких-либо существенных изменений  собственного химического состава. Таким образом, вода необходима для  нормальной жизнедеятельности всех живых организмов. Молекула воды состоит  из двух атомов водорода и одного атома  кислорода. Ее молекулярный вес всего 18, а точка кипения достигает 100°С при атмосферном давлении 760 мм ртутного столба. На больших высотах, где давление ниже, чем на уровне моря, вода закипает при более низких температурах. Когда вода замерзает, ее объем увеличивается более чем на 11%, и расширяющийся лед может разрывать водопроводные трубы и мостовые, разрушать скальные породы, превращая их в рыхлый грунт. По плотности лед уступает жидкой воде, что и объясняет его плавучесть.

     Вода  также обладает уникальными термическими свойствами. Когда ее температура  понижается до 0°C и она замерзает, то из каждого грамма воды высвобождается 79 кал. При ночных заморозках фермеры иногда опрыскивают сады водой для защиты бутонов от повреждения морозом. При конденсации водяного пара каждый его грамм отдает 540 кал. Эта теплота может быть использована в отопительных системах. Благодаря высокой теплоемкости вода поглощает большое количество теплоты без изменения температуры. Молекулы воды сцепляются посредством «водородных или межмолекулярных связей», когда кислород одной молекулы воды соединяется с водородом другой молекулы. Вода также притягивается к другим водородосодержащим и кислородсодержащим соединениям (т.н. молекулярное притяжение). Уникальные свойства воды определяются прочностью водородных связей. Силы сцепления и молекулярного притяжения позволяют ей преодолевать силу тяжести и вследствие капиллярности подниматься вверх по мелким порам (например, в сухой почве).  
 

     РАСПРАСТРАНЕНИЕ ВОДЫ В ПРИРОДЕ 

     При изменении температуры воды изменяются и водородные связи между ее молекулами, что в свою очередь приводит к  изменению ее состояния – от жидкого  до твердого и газообразного. Поскольку жидкая вода является прекрасным растворителем, она редко бывает абсолютно чистой и содержит минеральные вещества в растворенном или взвешенном состоянии. Лишь 2,8% из 1,36 млрд. км³ всей имеющейся на Земле воды приходится на долю пресной, причем большая ее часть (около 2,2%) находится в твердом состоянии в горных и покровных ледниках (преимущественно в Антарктиде) и только 0,6% – в жидком. Примерно 98% жидкой пресной воды сосредоточено под землей. Соленые воды океанов и внутренних морей, занимающих более 70% земной поверхности, составляют 97,2% всех вод Земли. 

     Хотя  общие запасы воды в мире неизменны, постоянно происходит ее перераспределение, и, таким образом, она является возобновимым ресурсом. 

     ЗАПАСЫ  И РЕСУРСЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД 

     Запасы  подземных вод — количество воды, содержащееся в водоносном горизонте в естественных условиях или поступающее в него в результате проведения водохозяйственных мероприятий. Под термином "запасы подземных вод" часто понимают так же то количество воды, которое может быть использовано. Существует ряд классификаций запасов подземных вод для оценки количества подземных вод. В большинстве из них различают понятия "ресурсы" и "запасы". Термином "запасы" обычно обозначают объём (массу) подземных вод в водоносном горизонте, термином "ресурсы" — расход подземных вод в единицу времени. Выделяют естественные и упругие запасы. Естественные (называемые также статическими, геологическими, вековыми или ёмкостными) запасы подземных вод характеризуют в объёмных единицах общее количество воды в водоносном пласте. Упругие запасы — количество воды, высвобождающееся при вскрытии водоносного пласта и снижении пластового давления в нём при откачке или самоизливе за счёт объёмного расширения воды и уменьшения порового пространства самого пласта.

     В практике гидрогеологических исследований обычно производят оценку естественных и эксплуатационных ресурсов подземных  вод. Естественные ресурсы (или динамические запасы) характеризуют величину питания  подземных вод за счёт инфильтрации атмосферных осадков, поглощения речного стока и перетекания из других водоносных горизонтов, суммарно выраженную величиной расхода потока или толщиной слоя воды, поступающего в подземные воды. Среднемноголетняя величина питания подземных вод, за вычетом испарения, равна величине подземного стока, поэтому при региональных оценках естественные ресурсы подземных вод часто выражаются cpеднегодовыми и минимальными значениями модулей подземного стока. Эксплуатационные запасы подземных вод (ресурсы) — количество воды, которое может добываться в единицу времени из водоносного горизонта рациональным в технико-экономическом отношении водозабором при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчётного периода эксплуатации. Эксплуатационные запасы (ресурсы) являются одним из основных критериев возможности и целесообразности использования подземных вод для различных целей. При этом, по сложившейся традиции, при региональных оценках обычно пользуются термином "эксплуатационные ресурсы", а при оценках для водоснабжения конкретных объектов — "эксплуатационных запасы". При оценке эксплуатационных запасов (ресурсов) учитывается возможность использования естественных (в том числе упругих) запасов, естественных ресурсов, а также привлекаемых (дополнительных) ресурсов, образующихся непосредственно вследствие эксплуатации водозаборов (привлечение поверхностных вод, подземных вод "непродуктивных" горизонтов и т.п.).

     Важным  источником формирования эксплуатационных запасов могут служить искусственные  запасы и ресурсы, создаваемые за счёт закачивания поверхностных  вод в природные подземные  ёмкости с помощью специальных  сооружений, фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов, инфильтрации поливных вод на орошаемых массивах и т.п. Ресурсы (запасы) пресных подземных  вод определяют на локальных участках с целью водоснабжения конкретных объектов (городов, предприятий) и больших территорий, для которых даётся региональная оценка естественных и эксплуатационных ресурсов с целью перспективного планирования возможностей использования подземных вод. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод на локальных участках проводится на основании специальных разведочных гидрогеологических работ или данных эксплуатации действующих водозаборов применительно к выделенным месторождениям подземных вод или их отдельным участкам. 

     Эксплуатационные  запасы подземных вод в зависимости  от степени разведанности месторождений, изученности качества вод и условий эксплуатации подразделяются на 4 категории — А, В, С1 и С2. К категории А относятся запасы, разведанные и изученные с детальностью, обеспечивающей полное выяснение условий залегания, строения, величин напора и фильтрационных свойств водоносных горизонтов, условий их питания, возможностей восполнения эксплуатационных запасов, установление связи водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами, изучение качества подземных вод с достоверностью, подтверждающей возможность их использования по заданному назначению на расчётный срок водопотребления. Эксплуатационные запасы подземных вод категории А определяются по данным эксплуатации, опытно-эксплуатационных или опытных откачек применительно к намеченной схеме расположения каптажных сооружений. В современной практике при определении запасов категории А допускается расчётная экстраполяция результатов эксплуатации и опытных данных. 

     К категории В относятся запасы, разведанные и изученные с  детальностью, обеспечивающей выяснение  основных особенностей условий залегания, строения и питания водоносных горизонтов, установление связи подземных вод (запасы которых оцениваются) с другими  водоносными горизонтами и с  поверхностными водами, определение  приблизительного количества естественных водных ресурсов как возможных источников восполнения эксплуатационных запасов подземных вод. Качество подземных вод должно быть изучено с такой же детальностью, как и для запасов категории А. Эксплуатационные запасы категории В определяют в пределах детально изученного участка по данным опытных откачек или по расчётной экстраполяции применительно к намеченной схеме водозабора. 

     Запасы  категории С1 изучаются с детальностью, обеспечивающей выяснение в общих  чертах строения, условий залегания  и распространения водоносных горизонтов. Качество подземных вод изучается  в той мере, чтобы можно было предварительно решить вопрос о возможности  их использования по заданному назначению. Запасы оцениваются по данным пробных  откачек из единичных скважин, а  также по аналогии со сходными районами. 

     К категории С2 относятся запасы, установленные  на основании общих гидрогеологических данных, подтверждённых опробованием водоносного горизонта в отдельных точках, или по аналогии. Качество подземных вод также определяется по пробам, взятым в отдельных точках водоносного горизонта, или по аналогии. Эксплуатационные запасы категории С2 оцениваются в пределах водоносных комплексов и выявленных благоприятных структур. Региональная оценка естественных и эксплуатационных ресурсов подземных вод выполнена в CCCP впервые в мировой практике. Результаты оценки показывают, что наибольшими ресурсами характеризуются межгорные впадины и предгорные прогибы в горноскладчатых областях страны, которые отличаются благоприятными условиями формирования подземных вод. Модули эксплуатационных ресурсов в этих районах достигают 10 л/с•км² и более, а дебиты отдельных групповых водозаборов превышают несколько м³/с.  

     ИСТОЧНИКИ ВОДЫ  

     Основным  источником пресной воды являются атмосферные  осадки, но для потребительских нужд могут также использоваться и  два других источника: подземные  и поверхностные воды. 37,5 млн. км³, или 98% всей пресной воды в жидком состоянии приходится на подземные воды, причем около 50% из них залегает на глубинах не более 800 м. Однако объем доступных подземных вод определяется свойствами водоносных горизонтов и мощностью откачивающих воду насосов. Запасы подземных вод в Сахаре оцениваются примерно в 625 тыс. км³. В современных условиях они не пополняются за счет поверхностных пресных вод, а при откачке истощаются. Некоторые наиболее глубоко залегающие подземные воды вообще никогда не включаются в общий круговорот воды, и только в районах активного вулканизма такие воды извергаются в форме пара. Однако значительная масса подземных вод все же проникает на земную поверхность: под действием силы тяжести эти воды, двигаясь вдоль водонепроницаемых наклоннозалегающих пластов горных пород, выходят у подножий склонов в виде источников и ручьев. Кроме того, они откачиваются насосами, а также извлекаются корнями растений и затем в процессе транспирации поступают в атмосферу. 

     Зеркало грунтовых вод представляет собой  верхний предел доступных подземных  вод. При наличии уклонов зеркало  грунтовых вод пересекается с  земной поверхностью, и образуется источник. Если подземные воды находятся  под большим гидростатическим давлением, то в местах их выхода на поверхность  формируются артезианские источники. С появлением мощных насосов и  развитием современной буровой  техники извлечение подземных вод  облегчилось. Для обеспечения подачи воды в мелкие колодцы, установленные  на водоносных горизонтах, применяются  насосы. Однако в скважинах, пробуренных  на большую глубину, до уровня напорных артезианских вод, последние поднимаются и насыщают вышележащие грунтовые воды, а иногда выходят на поверхность. Подземные воды перемещаются медленно, со скоростью нескольких метров за сутки или даже за год. Ими обычно насыщены пористые галечные или песчаные горизонты или относительно водонепроницаемые пласты глинистых сланцев, и лишь изредка они сосредоточены в подземных полостях или в подземных потоках. Для правильного выбора места бурения колодца обычно требуются сведения о геологическом строении территории. 

     В некоторых частях земного шара растущее потребление подземных вод имеет  серьезные последствия. Откачка  большого объема подземных вод, несопоставимо  превышающего их естественное пополнение, приводит к нехватке влаги, а понижение  уровня этих вод требует бульших  затрат на дорогостоящую электроэнергию, используемую для их извлечения. В  местах истощения водоносного горизонта  земная поверхность начинает проседать, и там осложняется восстановление водных ресурсов естественным путем. 

     В прибрежных районах чрезмерный забор  подземных вод приводит к замещению  пресной воды в водоносном горизонте  морской, соленой, и таким образом  происходит деградация местных источников пресной воды.  
Постепенное ухудшение качества подземных вод в результате накопления солей может иметь еще более опасные последствия. Источники солей бывают как природными (например, растворение и вынос минералов из грунтов), так и антропогенными (внесение удобрений или чрезмерный полив водой с высоким содержанием солей). Реки, питающиеся от горных ледников, обычно содержат менее 1 г/л растворенных солей, но минерализация воды в иных реках достигает 9 г/л вследствие того, что они на большом протяжении дренируют территории, сложенные соленосными породами. 

     В результате беспорядочного сброса или  захоронения токсичных химических веществ происходит их просачивание в водоносные горизонты, являющиеся источниками питьевой или ирригационной  воды. В ряде случаев достаточно всего нескольких лет или десятилетий, чтобы вредные химические вещества попали в подземные воды и накопились там в ощутимых количествах. Однако, если водоносный горизонт был однажды  загрязнен, для его естественного  самоочищения потребуется от 200 до 10 000 лет. 

     Поверхностные источники. Лишь 0,01% от общего объема пресной  воды в жидком состоянии сосредоточена  в реках и ручьях и 1,47% – в  озерах. Для накопления воды и постоянного  обеспечения ею потребителей, а также  для предотвращения нежелательных  паводков и производства электроэнергии на многих реках сооружены плотины. Наибольшие средние расходы воды, а следовательно, и наибольший энергетический потенциал имеют Амазонка в Южной  Америке, Конго (Заир) в Африке, Ганг с Брахмапутрой в южной Азии, Янцзы  в Китае, Енисей в России и Миссисипи  с Миссури в США. 

     Естественные  пресноводные озера, вмещающие около 125 тыс. км³ воды, наряду с реками и искусственными водохранилищами являются важным источником питьевой воды для людей и животных. Они также используются и для орошения сельскохозяйственных земель, навигации, рекреации, рыболовства и, к сожалению, для сброса бытовых и промышленных стоков. Иногда вследствие постепенного заполнения наносами или засоления озера пересыхают, однако в процессе эволюции гидросферы в некоторых местах образуются новые озера. 

     Уровень воды даже в «здоровых» озерах может  понижаться в течение года в результате стока воды через вытекающие из них  реки и ручьи, из-за просачивания воды в грунт и ее испарения. Восстановление их уровня обычно происходит за счет осадков  и притока пресной воды впадающих  в них рек и ручьев, а также  из родников. Однако в результате испарения  накапливаются соли, поступающие  с речным стоком. Поэтому спустя тысячелетия некоторые озера  могут стать очень солеными и  непригодными для обитания многих живых  организмов. 
 
 
 
 

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 

1.   Киссин И.Г. Вода под землёй. – М.: Наука, 1976. – 224 с.  
2.  Бондарев В.П. Геология. Курс лекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Форум: Инфра М., 2002. – 224 с.  
3.  Горошков И.Ф. Гидрологические расчёты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 432 с.  
4.   Черданцев В.А., Пивон Ю.И. Методические указания по дисциплине: «Гидрология». – Новосибирск: НГАЭиУ, 2004, 112 с.  
5.   Справочное руководство гидрогеолога. В 2 томах. Под ред. В.П. Якуцени. – Л.: Недра, 1967. – Т.1. – 592с.