Экспертные оценки ресурсного потенциала подземных вод при разработке схем комплексного использования и охраны водных ресурсов

Автор: Боревский Б.В., Язвин А.Л., Черепанский М.М.

Рассматриваются результаты работ по региональной оценке ресурсного потенциала подземных вод РФ, выполненной на рубеже XX и XXI вв. геологической службой МПР России под научно-методическим руководством компании ГИДЭК. Показана возможность использования информационных систем, включающих фактографические и картографические базы данных, для экспертных оценок возможной величины отбора подземных вод и их качества. Приведены принципы расчета региональных коэффициентов сокращения поверхностного стока в связи с отбором подземных вод для обоснования совместного использования подземных и поверхностных водных источников.

Ключевые слова: ресурсный потенциал подземных вод, схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов, хозяйственно-питьевое водоснабжение, информационные системы.

Источниками хозяйственно-питьевого водоснабжения населения являются как поверхностные, так и подземные воды. В России, по официальным статистическим данным, доля последних в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения составляет 53–55 %.

В XXI в. использование подземных вод для питьевых целей приобретает особое значение. В первую очередь, это обусловлено высокой степенью загрязнения поверхностных вод, особенно в густонаселенных и промышленно развитых районах, и их практической незащищенностью (в отличие от подземных вод) в чрезвычайных ситуациях.

Кроме того, водоносные системы, в которых заключены подземные воды, обладают возможностью годового и многолетнего регулирования водоотбора за счет большой емкости водовмещающих пород, что делает их малозависимыми от капризов погоды и существенного дефицита поверхностных вод в экстремально маловодные годы.

В связи с этим пресные подземные воды, несомненно, относятся к стратегическим видам полезных ископаемых, а возможность их использования существенным образом влияет на национальную безопасность государств.

Хотя подземные воды во многих случаях содержат природные минеральные примеси и не отвечают питьевым стандартам, бурный прогресс систем водоподготовки, в т.ч. с применением обратного осмоса, поставил на повестку дня вопрос о расширении их использования для питьевых целей в районах, где пресные питьевые воды отсутствуют, либо их освоение требует строительства водозаборов, значительно удаленных от потребителя.

В связи с этим оценка ресурсного потенциала пресных подземных вод страны в целом, ее отдельных регионов и речных бассейнов имеет особое значение, прежде всего для разработки комплексных схем использования и охраны водных ресурсов, оценки возможностей совместного использования подземных и поверхностных вод, планирования поисково-разведочных работ на подземные воды и управления их эксплуатацией.

Под ресурсным потенциалом территории [1, 2] понимается максимальная возможная величина отбора подземных вод при условии их освоения по всей площади распространения продуктивных водоносных горизонтов (см. далее).

Естественно, что оцененная величина ресурсного потенциала соответствует современному состоянию изученности ресурсообразующих факторов и параметров рассматриваемой территории.

На рубеже XX и XXI вв. геологической службой МПР России под научно-методическим руководством компании ГИДЭК для всей территории страны была выполнена работа по оценке современного состояния ресурсов, использования подземных вод и обеспеченности потребностей населения в воде питьевого качества [3, 7]. Исследования были продолжены ЗАО «ГИДЭК» в первом десятилетии XXI в. и завершились созданием в 2012 г. карты ресурсного потенциала подземных вод России [4] масштаба 1:2 500 000 и ее последующим изданием в 2013 г. в масштабе 1:5 000 000 [6].

Основными результатами проведенных исследований являются:

• оценка ресурсного потенциала подземных вод для питьевого водоснабжения населения и обеспечения водой объектов промышленности по всей территории РФ с распределением их величин по субъектам федерации и гидрогеологическим структурам;
• подразделение подсчитанных величин ресурсного потенциала на эксплуатационные запасы и прогнозные ресурсы с подготовкой последних к апробации и включению в систему государственного учета и баланса подземных вод. Подсчитанные величины прогнозных ресурсов квалифицируются по кат. Р₃, соответствующей мелкомасштабным гидрогеологическим исследованиям;
• создание фактографических и картографических баз данных, упрощающих процедуры подсчета ресурсного потенциала и прогнозных ресурсов, позволяющие проводить корректирование исходных данных и оперативно вносить изменения в результаты оценок на основе вновь полученных материалов региональных исследований и геологоразведочных работ;
• создание цифровой кондиционной карты ресурсного потенциала территории РФ масштаба 1:2 500 000, топологически увязанной и адаптированной к топографической основе, административным границам отдельных субъектов РФ, гидрогеологическому районированию.

Главным элементом этой карты является величина площадного модуля ресурсного потенциала подземных вод (л/с•км²), отражающая возможную предельную величину водоотбора с 1 км² картируемой площади. Картирование таких модулей позволяет эффективно выполнить оценку ресурсного потенциала подземных вод для любой рассматриваемой площади, например, для природно-географических зон страны, речных бассейнов разного порядка или водохозяйственных участков.

Результаты работ могут использоваться для:

• определения обеспеченности населения и объектов промышленности подземными водами для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения;
• составления схем комплексного использования и охраны водных ресурсов;
• принятия управленческих решений по выбору стратегии использования подземных вод: строительство групповых водопроводов с подачей воды в малообеспеченные районы, водоподготовка «на месте», соотношение использования подземных и поверхностных вод и т.д.;
• эффективного функционирования системы государственного управления недропользованием в области изучения, добычи и использования подземных вод;
• ведения учета и баланса прогнозных ресурсов и запасов подземных вод;
• постановки поисково-оценочных работ.

На основе полученных материалов были оценены закономерности распространения ресурсного потенциала подземных вод и его величина по гидрогеологическим структурам, федеральным округам и субъектам федерации.

При этом в качестве основных гидрогеологических регионов приняты соответствующие таксоны 1-го и 2-го порядков гидрогеологического районирования территории РФ, а также наиболее крупные и значимые структуры 3-го порядка, размеры которых соответствовали масштабу карт 1:2 500 000.

Как следует из результатов подсчета, РФ обладает весьма существенным ресурсным потенциалом подземных вод, составляющим 1000 млн. м³/сут или более 365 м³/г. Немногим более 60 млн. м³/сут из них, т.е. порядка 5 %, приходится на участки возможного размещения береговых водозаборов, в том числе 20 млн. м³/сут — на месторождения и участки месторождений с подсчитанными запасами.

При этом величина запасов подземных вод, т.е. наиболее изученная часть ресурсного потенциала вод по состоянию на 01.01.2012 г., составляет 94.1 млн. м³/сут [5], или около 10 %.

Средний площадной модуль ресурсного потенциала по территории России (без учета участков береговых водозаборов) составляет 0.7 л/с·км². Такая низкая величина этого параметра связана с тем, что 2/3 территории России относятся к зоне распространения многолетнемерзлых пород, где величина питания подземных вод характеризуется крайне незначительными показателями.

Средние значения модуля ресурсного потенциала подземных вод для любой оцениваемой площади получены как частное от деления суммарного ресурсного потенциала (без учета дебитов инфильтрационных водозаборов) на площадь соответствующего субъекта РФ или гидрогеологической структуры, и, таким образом, характеризуют среднюю величину модуля ресурсного потенциала рассматриваемой территории.

По федеральным округам он меняется от 0.4 (Дальневосточный ФО) до 1.3 (Приволжский и Уральский ФО) л/с·км². Более существенные изменения отмечаются по субъектам РФ, где диапазон изменения модулей составляет от 0.04 (Таймыр) и 0.1 (Республика Карелия, Эвенкия, Чукотка) до 3.6 л/с·км² (Республика Кабардино-Балкария).

По абсолютной величине ресурсный потенциал также меняется в значительных пределах. Наибольшими величинами характеризуются Ханты-Мансийский автономный округ (более 100 млн. м³/сут) и Красноярский край (около 60 млн. м³/сут), что, в первую очередь, связано с их огромными площадями. В то же время, порядка 10 субъектов РФ имеют ресурсный потенциал 1–2 млн. м³/сут и менее.

Подсчитанный ресурсный потенциал на территориях распространения солоноватых подземных вод составляет менее 35 млн. м³/сут, т.е. порядка 3 % от общей величины. Наибольшую роль воды с минерализацией более 1г/л могут играть при водоснабжении таких субъектов РФ, как Республика Калмыкия, Курганская, Астраханская, Ростовская области, а также районы Заволжья в Самарской, Саратовской, Волгоградской областях и др.

Полученные значения ресурсного потенциала оцениваемых гидрогеологических структур и субъектов РФ даны в виде таблиц в пределах карты и, как уже указывалось, характеризуют обобщенные для каждого субъекта РФ значения ресурсного потенциала подземных вод.

Однако приведенные цифры не могут полностью охарактеризовать обеспеченность населения ресурсами подземных вод ввиду: неравномерности распределения ресурсного потенциала как по территории страны в целом, так и в пределах отдельных субъектов РФ; отсутствия на ряде территорий пресных подземных вод и распространения на обширных площадях вод, содержащих микрокомпоненты в превышающих ПДК количествах; развития многолетнемерзлых пород и других факторов. Поэтому для получения более полной и объективной картины следует создавать более детальные карты масштаба 1:500 000 — 1:200 000 и даже крупнее.

Предложенная методика может использоваться для построения мелко- и среднемасштабных карт любых оцениваемых территорий. Такие карты совместно с созданием информационных систем, включающих фактографические и картографические базы данных, позволяют выполнить экспертную оценку потенциальных возможностей использования подземных водных источников любой интересующей площади или района.

В зависимости от набора информации по рассматриваемому району в атрибутивной базе данных может быть дана экспертная оценка не только возможной величины водоотбора, но и качества подземных вод. При этом надо иметь в виду, что картографическая база должна включать в себя карты распространения мощности литологического состава, водопроводимости, напора над кровлей, различных компонентов химического состава подземных вод и т.п. Карта модулей ресурсного потенциала является результирующей, интегрирующей и осредняющей данные, содержащиеся в базе данных.

Таким образом, карта ресурсного потенциала и сопровождающая ее база данных опорной гидрогеологической информации может рассматриваться как незаменимый инструмент экспертных оценок возможности использования подземных вод.

Оценка величины потенциального водоотбора с рассматриваемой площади и качества подземных вод предоставляет возможности для использования таких карт при составлении схем комплексного использования и охраны водных объектов с учетом оценки взаимовлияния подземных и поверхностных вод при их совместном использовании.

Включение в расчеты водохозяйственных балансов коэффициентов сокращения поверхностного стока за счет эксплуатации подземных вод позволяет избежать двойного учета в водохозяйственных балансах той части водоотбора, которая соответствует сокращению поверхностного стока рек.

Прежде чем перейти к принципам расчета региональных коэффициентов сокращения поверхностного стока в связи с отбором подземных вод, сформируем основные понятия, связанные с оценкой запасов подземных вод и той их части, которая может быть реализована в процессе централизованного и рассредоточенного водоотбора.

При характеристике этих понятий в настоящее время выделяют:

• естественные ресурсы подземных вод или общую величину подземного стока;
• ресурсный потенциал подземных вод (или потенциальные ресурсы подземных вод);
• эксплуатационные запасы подземных вод;
• прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод.

Их определения представлены в таблице. Для оценки эксплуатационных возможностей той или иной территории, в т.ч. речного бассейна или водохозяйственного участка, должна быть определена возможная доля изъятия естественных ресурсов подземных вод, которая характеризуется коэффициентом использования, получившим буквенное обозначение α.

Емкостные запасы при этом должны рассматриваться как регулирующая емкость, позволяющая стабилизировать водоотбор и уменьшить сокращение поверхностного стока в критические по водности периоды.

Для того чтобы понять, как возможное или фактическое использование подземных вод повлияет на изменение поверхностного стока рек, необходимо, прежде всего, оценить долю подземного стока в реки от его суммарной величины.

Расходование подземных вод в естественных условиях происходит как путем его дренирования в русла рек, так и путем эвапотранспирации, высачивания на поверхность с последующим испарением. Суммарную величину подземного стока, не дренируемую реками, условно назовем «скрытой разгрузкой».

При фактическом или планируемом использовании подземных вод возникает дополнительный вид их расходования — водоотбор. Естественно, водоотбор приводит к уменьшению одной или обоих этих составляющих. Соотношение подземного стока в реки и величины «скрытой разгрузки» определяется степенью дренирования водоносных горизонтов и может колебаться от 0 до 1 при полном (100 %-ном) дренировании подземного стока. Соответственно коэффициент сокращения подземного стока за счет водоотбора может меняться от 1 в районах полного дренирования до близкого к 0 в районах слабого дренирования или его практического отсутствия. Кроме того, надо учитывать, что при эксплуатации водоносных горизонтов, не дренируемых местной речной сетью, коэффициенты сокращения подземного стока будут близки к нулю.

Необходимо понимать, что при временном формировании величины водоотбора существенно возрастает роль регулирующей емкости. Это также уменьшает величину сокращения речного стока.

Таким образом, в различных гидрогеологических и водохозяйственных условиях нельзя формально суммировать величину поверхностных и подземных водных ресурсов без учета их взаимодействия. С другой стороны, суммарная величина ресурсного потенциала, эксплуатационных запасов подземных вод или фактический водоотбор неравнозначны размерам сокращения поверхностного стока.

Именно поэтому использование подземных вод позволяет существенно повысить водообеспеченность отдельных рассматриваемых районов и, прежде всего, в аридной и полуаридной зонах страны, а также в районах развития многолетнемерзлых пород.

Для правильного учета соотношения подземных и поверхностных вод при оценке располагаемых водных ресурсов того или иного речного бассейна или водохозяйственного участка необходимо в каждом конкретном случае определять региональные и локальные коэффициенты сокращения поверхностного стока.

Основные принципы их определения для каждой конкретной территории могут быть сформулированы следующим образом:

оцениваются: питание подземных вод или общая величина их естественных ресурсов;

подземное питание рек;

доля подземного питания рек по отношению к суммарному подземному стоку;

другие естественные и искусственные источники разгрузки подземных вод;

ресурсный потенциал подземных вод;

составляется уравнение баланса основных источников питания и разгрузки подземных вод;

разрабатывается природная гидрогеологическая модель оцениваемой территории с экспертной оценкой источников компенсации фактического или планируемого водоотбора;

рассчитывается баланс подземных вод в условиях планируемого водоотбора, сравнивается с естественным и на основе этого сравнения определяются изменения отдельных составляющих баланса;

определяется коэффициент сокращения поверхностного стока по отношению к водоотбору за счет сравнения его расчетных величин в естественных и нарушенных эксплуатацией условиях;

выполняется аналогичный расчет применительно к суммарному фактическому водоотбору на данной площади;

сравнивается расчетный коэффициент сокращения поверхностного стока с фактическими данными измерений расхода реки на входном или выходном створах. В случае больших расхождений выявляются их причины и расчеты повторяются.

Еще раз подчеркнем, что возможные изменения рассматриваемого коэффициента колеблются от 0 до 1. Если же построить карты коэффициента сокращения поверхностного стока в сочетании с картами ресурсного потенциала соответствующего масштаба, то можно перейти к использованию последних при экспертных оценках масштабов совместного использования поверхностных и подземных водных источников.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боревский Б.В., Боревский Л.В., Язвин Л.С. Основные принципы разработки новой «Классификации эксплуатационных запасов и прогнозных эксплуатационных ресурсов подземных вод» // Разведка и охрана недр. — 2005. — № 11. — С. 2–10.
2. Боревский Б.В., Язвин А.Л. Оценка ресурсного потенциала питьевых подземных вод. Современные проблемы изучения и использования / Ресурсы подземных вод: современные проблемы изучения и использования: матер. междунар. науч. конф. «К 100-летию со дня рождения Б.И. Куделина». — М.: МГУ, ИВП РАН, 2010.
3. Боревский Б.В., Язвин Л.С. Оценка обеспеченности населения Российской Федерации ресурсами подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения / Методические рекомендации по проведению второго этапа работ. — М.: ГИДЭК, 1995.
4. Боревский Б.В. и др. Результаты оценки ресурсного потенциала пресных подземных вод на территории Российской Федерации / Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии: матер. междунар. науч.-пр. конф. — Московская область, п. Зеленый. — 2011. — Ч. 2. — С. 39–49.
5. Информационный бюллетень о состоянии недр на территории Российской Федерации в 2011 г. Вып. 35. — М.: Геоинформмарк, 2012.
6. Карта ресурсного потенциала пресных подземных вод России. Масштаб 1:5 000 000. — М.: ГИДЭК, 2012.
7. Язвин Л.С. Оценка прогнозных ресурсов питьевых подземных вод и обеспеченность населения России подземными водами для хозяйственно-питьевого водоснабжения // Разведка и охрана недр. — 2003. — № 10. — С. 13–20.

• < Назад
• Вперёд >