Подземные воды и методы их анализа

       Верховодка  относится к первому от поверхности  земли водоупорному пласту. В тех  случаях, когда водоупорный пласт  залегает вблизи поверхности или  выходит на поверхность, в дождливые  сезоны развивается заболачивание. К верховодке нередко относят почвенные воды, или воды почвенного слоя.

       Грунтовыми  называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более  или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться  как в рыхлых пористых породах, так  и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше. Грунтовые воды перемещаются в сторону понижения рельефа. Уровень грунтовых вод подвержен постоянным колебаниям - на него влияют различные факторы: количество и качество выпадающих осадков, климат, рельеф, наличие растительного покрова, хозяйственная деятельность человека и многое другое.

       Напорными называют такие воды, которые находятся  в водоносном слое, заключенном между  водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное  разностью уровней в месте  питания и выхода воды на поверхность. Область питания у артезианских вод обычно лежит выше области  стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность Земли. Размеры  артезианских бассейнов бывают весьма значительными – до сотен и  даже тысячи километров. Области питания  таких бассейнов зачастую значительно  удалены от мест извлечения воды. Так, воду, выпавшую в виде осадков на территории Германии и Польши, получают в артезианских скважинах, пробуренных  в Москве; в некоторых оазисах  Сахары получают воду, выпавшую в виде осадков над Европой. Артезианские воды характеризуются постоянством воды и хорошим качеством, что немаловажно для её практического использования.

       Инфильтрационные  воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных - хлоридно-натриевые воды. 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. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях.Воды, образующиеся из магмы при её кристаллизации и вулканическом метаморфизме горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса).

1.3.основные проблемы использования подземных вод

       В силу своего местонахождения подземные  воды лучше защищены от внешних воздействий, чем поверхностные, однако имеются  серьёзные симптомы неблагоприятного изменения режима подземных вод  на больших площадях и в широком  диапазоне глубин. К ним относятся: истощение и понижение уровня подземных вод из-за чрезмерного  отбора; внедрение на побережье морских  солёных вод; образование депрессионных  воронок и другие. Большую опасность представляет загрязнение подземных вод.. При создании водохранилищ в результате подпора происходит повышение уровня грунтовых вод. Положительным следствием такого изменения режима является увеличение их ресурсов в прибрежной зоне водохранилища; отрицательными – подтопление прибрежной зоны, что вызывает заболачивание территории, а так же засоление почв и грунтовых вод вследствие повышенного их испарения при неглубоком залегании. Ввиду небольших паводковых явлений (или вообще их отсутствия) на зарегулированных реках поводочное питание подземных вод значительно уменьшено. Скорости течения на таких реках снижаются, что способствует заилению русла; поэтому взаимосвязь речных и подземных вод затруднена. В определённых условиях отбор подземных вод может оказать существенное влияние на качество поверхностных вод. В первую очередь это относится к промышленной эксплуатации и сбросу минерализованных вод, сбросу шахтных и попутных нефтяных вод. Поэтому должно предусматриваться комплексное использование и регулирование ресурсов поверхностных и подземных вод. Примерами такого подхода могут служить использование подземных вод для орошения в маловодные годы, а так же искусственное восполнение запасов подземных вод и сооружение подземных водохранилищ.

       Общими  причинами слабого освоения  ресурсов являются:

• отсутствие единой программы научно-исследовательских, опытно-конструкторских и экспериментальных работ, направленных на разработку высокоэффективных методов, технологий и технических средств эксплуатации месторождений подземных вод и их эффективного практического использования. Анализ состояния их ресурсной базы как источника питьевого водоснабжения населения и технологического обеспечения водой объектов промышленности позволяет сделать следующие выводы.
• Созданная ранее ресурсная база подземных вод в связи с изменившейся политической и экономической обстановкой в стране не отражает реальных возможностей перевода водоснабжения населенных пунктов и городов и, в первую очередь, крупных городов на защищенные подземные источники.
• В связи с этим в ряде регионов необходима переоценка общего ресурсного потенциала подземных вод и их прогнозных ресурсов. При этом требует решения вопрос об апробации и официальном учете прогнозных ресурсов.
• Одновременно необходимо выполнить работы по оценке состояния и возможности освоения месторождений нераспределенного фонда, переоценке запасов месторождений и снятию с государственного баланса запасов месторождений, освоение которых по каким-либо причинам будет признано невозможным. Результаты таких работ послужат основанием для обоснования и корректировки стратегических и ежегодных программ геологоразведочных работ на подземные воды и прогноза развития минерально-сырьевой базы подземных вод страны.
• Необходима разработка и реализация мер по приведению в соответствие с действующим законодательством Российской Федерации отбора подземных вод на участках недр, не имеющих запасов, прошедших государственную экспертизу и включенных в государственный учет (в количестве 15 млн куб.м/сут).
• Для реализации закона «О недрах» необходима разработка нормативно-правовых документов, обеспечивающих резервирование источников питьевого водоснабжения, в том числе земель, на которых расположены резервные месторождения подземных вод, и выделение участков недр местного значения для геологического изучения методов анализа и добычи подземных вод.
• Несмотря на неполное освоение разведанных ранее запасов подземных вод, для реального обеспечения водой населения и объектов промышленности требуется планомерное проведение геологоразведочных работ для создания ресурсной базы защищенных подземных источников крупных городов и других населенных пунктов.

       1.4.Состояние подземные воды на территории России и странах зарубежья.

        Подземные воды по их качеству и назначению подразделяются на питьевые и технические (пресные и слабосолоноватые), минеральные (лечебные), промышленные (содержащие извлекаемые  концентрации полезных компонентов) и  теплоэнергетические. В федеральных интересах находятся в основном питьевые и минеральные воды; удовлетворение текущих и перспективных потребностей населения России их качественными запасами имеет огромное значение, как для социальной стабильности, так и для поддержания здоровья нации.

       Основная  ресурсная база всех типов подземных  вод (пресных питьевых и технических, минеральных, теплоэнергетических  и промышленных) была создана благодаря  широкомасштабным геологоразведочным работам, выполненным за счёт госбюджетных средств до начала 1990-х годов.

       Государственным Центром “Геомониторинг” в России на 1.01.2009 г. учтены прогнозные ресурсы подземных вод в количестве 769,1 млн куб.м/сут (387,2 куб.км/год). Основная часть ресурсов (77,2%) сосредоточена в четырёх федеральных округах: Северо-Западном, Уральском, Сибирском и Дальневосточном, причём наибольшее количество – в Сибирском (28,9%).

       Большая часть Восточной Сибири и Дальнего Востока находится в зоне практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород, мощность которых достигает нескольких сотен метров. В этих районах прогнозные ресурсы пресных и слабосолоноватых подземных вод могут концентрироваться только в таликовых зонах современных и погребенных долин, в которых в меженные периоды происходит сработка емкостных запасов подземных вод с последующим их восполнением в паводок. При этом могут формироваться достаточно крупные месторождения, такие, например, как Талнахское и Егорлахское, используемые для водоснабжения г. Норильск. В ряде субъектов Российской Федерации существенную часть прогнозных ресурсов представляют береговые (инфильтрационные) воды. Например, в Астраханской области на береговые водозаборы приходится 80%, а в Карачаево-Черкесии – 98% прогнозных ресурсов. Подавляющая часть (более 95%) запасов подземных вод – это воды для питьевого водоснабжения населения. Около 5% приходится на запасы, предназначенные для технологического обеспечения объектов промышленности или орошения земель. Преобладающая часть запасов подземных вод разведана в Центральном, Приволжском и Сибирском федеральном округах, на долю которых приходится более 65% суммарных эксплуатационных запасов. Максимальным количеством запасов подземных вод располагают такие субъекты Российской Федерации, как г. Москва и Московская область, Краснодарский край, Самарская и Нижегородская области, Республика Башкортостан, Красноярский край, Иркутская, Оренбургская области, Тюменская область, Владимирская область, Ставропольский край, Читинская, Кемеровская, Новосибирская и Воронежская области, Республика Северная Осетия-Алания, Волгоградская область. Суммарные запасы перечисленных субъектов федерации составляют более 50% российских. Реальный годовой прирост вновь разведанных запасов оценивается в 1-1,2 млн куб.м/сут. Однако в связи со списанием с баланса части ранее разведанных запасов фактический прирост запасов подземных вод оказывается несколько меньше. В 2007 г. геологоразведочные работы (ГРР) на подземные воды выполнялись за счет средств федерального бюджета на 117 объектах, на 47 из них работы были завершены, в том числе ГРР для обеспечения водоснабжения городов Тула, Петрозаводск, Вологда, Великий Новгород, Астрахань, Ставрополь, Дербент, Избербаш (Республика Дагестан) и др., а также ряда населенных пунктов районного масштаба.

       Рис.1 Динамика запасов, добычи и использования подземных вод в 1997-2007 гг., млн куб.м/сут

         За последнее десятилетие тенденция  к уменьшению добычи подземных  вод сохраняется во всех федеральных  округах. Степень освоения запасов  (отношение добычи подземных вод  к запасам) в России остаётся  на уровне 33%. Из общего количества добываемых подземных вод потребляется в среднем 82%; без использования сбрасывается 18% добытой воды. За последние десять лет это соотношение практически не изменилось. Общее количество использованной воды продолжает уменьшаться в среднем на 1-1,2 млн куб.м/сут ежегодно.

       Современное состояние использования подземных вод свидете-льствует о необходимости усилить контроль работ в геологическом масштабе над в данной области, на основе обязательного мониторинга, исследования динамики на всех объектах, где возможно негативное воздействие на подземные воды.

       Следует отметить, что в  2008 году были учтены запасы только по 41 месторождению, так как по ряду месторождений государственная экспертиза еще не проводилась.

       В то же время на территории некоторых  субъектов РФ нет участков недр, содержащих минеральные воды, степень  подготовленности которых была бы достаточна для привлечения инвесторов для  их геологического изучения и добычи. В условиях ограниченного финансирования работ по воспроизводству ресурсной базы минеральных вод основной задачей следует считать повышение эффективности государственного управления в области использования и охраны этой базы, особенно в регионах интенсивной добычи подземных вод.

       Рис. 2.Соотношение различных типов минеральных подземных вод России, %

       Ресурсная база теплоэнергетических подземных  вод в основном была создана до начала 90-х годов за счет средств  федерального бюджета. В 1999-2005 гг. работы, финансируемые из федерального бюджета, проводились только на Камчатке и  на островах Кунашир и Парамушир; кроме того, осуществлялись ремонт и ликвидация ранее пробуренных  разведочных геотермальных скважин  на о. Итуруп и на Камчатке. На территории России термальные воды, пригодные для выработки тепловой и электрической энергии, имеются преимущественно на Северном Кавказе, в Западной Сибири и в Дальневосточном федеральном округе. Общие прогнозные ресурсы термальных вод и парогидротерм (с температурой от 40° до 200° С) по перспективным регионам их распространения при фонтанном способе эксплуатации оценены в 1,16 млн куб.м/сут (теплоэнергетический потенциал – 23,3 млн Гкал/год), при насосном – 19,0 млн куб.м/сут (229,8 млн Гкал/год), а также в 1000 МВт установленной мощности ГеоЭс. В настоящее время разведана незначительная часть прогнозных ресурсов термальных вод и парогидротерм. В Государственном балансе полезных ископаемых по состоянию на 1.01.2009 г. учитывается 63 месторождения термальных вод с запасами категорий АВС₁, составляющими 303,768 тыс.куб.м/сут. Низкий уровень использования разведанных запасов термальных вод обусловлен невысокими тарифами на природный газ. Невостребованность месторождений теплоэнергетических вод, находящихся в нераспределенном фонде недр, частично связана с нестабильной политической обстановкой; в Чеченской республике часть месторождений выведена из строя военными действиями.

       Рис. 3 Количество месторождений и эксплуатационных запасов термальных вод в федеральных округах России 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Практическая  часть

       2.1. Движение воды в зонах аэрации и насыщения

       В зоне аэрации, т. е. в толще пород, расположенной между дневной  поверхностью и зеркалом грунтовых  вод, находятся: водяной пар, заполняющий  поры породы; гигроскопическая влага, обусловливающая гигроскопическую влажность пород; пленочная вода, обволакивающая зерна пород в  виде пленок различной толщины, и  капиллярная вода, располагающаяся  в виде капиллярной каймы над  зеркалом грунтовых вод.

       Движение  подземных вод в зоне аэрации  может происходить в виде передвижения пара, в виде пленочного движения, свободного просачивания и капиллярного движения.

       Движение  парообразной и гигроскопической влаги. А. Ф. Лебедевым было экспериментально доказано, что влага в парообразном состоянии передвигается от участка  с большей упругостью водяного пара к участку с меньшей его  упругостью. Упругость же зависит  от температуры и влажности пород. Таким образом, если между различными участками горных пород появляется разница в температуре или  влажности, возникает движение водяных  паров. При одинаковой температуре  движение направлено от более влажных  частиц к менее влажным; при одинаковой влажности — от более к менее  нагретым. Поэтому летом парообразная влага движется сверху вниз, а зимой  — снизу вверх. Гигроскопическая влага также передвигается в порах пород в виде водяного пара.

       Движение  воды в пленочном состоянии. По А. Ф. Лебедеву, движение воды в пленочном  состоянии происходит под действием  молекулярных сил и не подчиняется  влиянию силы тяжести.

       Рассмотрим  движение пленочной воды на примере. Допустим, что мы имеем две одинаковые по диаметру частицы породы, соприкасающиеся  между собой. Частица с центром  О₁ покрыта пленкой воды толщиной Р₁, а вторая частица — более тонкой пленкой, толщиной Р₂. Рассмотрим влияние частиц породы на частицу воды, расположенную в точке С. Легко убедиться, что расстояние О₁С=R+P₁ и оно больше, чем О₂С=R+P₂ т. е. частица 2 будет оказывать большее притяжение на частицу воды в точке С, чем частица породы с центром О₁, В результате частица воды С перейдет на пленку, обволакивающую частицу породы 2. Движение частиц воды происходит до тех пор, пока толщина пленок на обеих частицах породы станет одинаковой.