Техногенное воздействие на подземные воды

Реальные гидрогеологические системы чаще всего являются многопластовыми с чередованием водоносных отложений и выдержанных по площади водоупоров, либо их линз. Один из примеров показан ниже на рисунке.

Рис. 7. Гидрогеологический разрез на участке разведки подземных вод для во­доснабжения:

Q₂⁴ — среднечетвертичные флювиогляциальные отложения; Q_1—2 — нижнечетвертичные озерно-аллювиальные отложения; Рз — верхнепалеогеновые (олигоценовые) отложения; 1 — пески, супеси, алевриты; 2 — глины, суглинки; 3 — - уровень водоносного горизонта в отложениях Q_1—2; 4 — то же, в отложениях Р₃; 5 — граница стратиграфического несогласия; 6 — кровля многолетнемерзлых пород; 7 — скважина и напор воды; 8 — водоприемная часть скважины.

Воздействие хозяйственной деятельности человека на подземную гидросферу значительно. Выделяют два основных направления: 1) – связанное с закачкой техногенных вод в подземные горизонты, 2) – связанное с откачкой подземных вод.

Рис. - Поступление загрязненных грунтовых вод в водоносный горизонт через гидрогеологическое окно (по А. Адамчику, С. Хавински, 1982 г.):

1 — четвертичные отложения; 2 — проницаемые слои триасовых отложений; 3 — непроницаемые породы; 4 — уровень подземных вод; 5 — загрязненные грунтовые воды; 6 — горные выработки; 7 — тектонические нарушения; 8 — направление движения загрязненных подземных вод. I — гидрогеологическое окно; II — область распространения загрязненных грунтовых вод; III — область размещения отхоцов производства

Грунтовые воды, не перекрытые водоупорными породами, как правило, защищены значительно меньше, чем нижележащие горизонты напорных подземных вод, и обычно принимают основную часть инфильтрующихся с поверхности загрязнений. Из грунтовых вод загрязнения могут затем проникать в более глубокие напорные и безнапорные горизонты с пониженными (например, вследствие работы водозабора) напорами — через литологические окна в водоупорах, при перетоке через слабопроницаемые раздельные горизонты, по стволу дефектных скважин и т. д.

Степень естественной защищенности подземных вод от поверхностного загрязнения зависит от факторов, определяющих возможность, скорость и время инфильтрации загрязнений с поверхности в водоносный горизонт. К таким факторам можно отнести: 1) мощность, водопроницаемость и активную пористость перекрывающих пород; 2) величину перепада уровней (напоров) между загрязненными водами и подземными водами рассматриваемого водоносного горизонта с учетом понижения уровня воды при работе водозабора; 3) вид и химический состав загрязнений, интенсивность и характер их поступления в подземные воды; 4) физико-химические, в частности сорбционные, свойства перекрывающих пород и загрязняющих веществ, определяющие возможность полного или частичного поглощения загрязнений данного состава или их трансформацию в безвредное состояние. При оценке защитной способности глин и глинистых пород, залегающих над используемым водоносным горизонтом, следует учитывать, что в зоне аэрации глины часто обладают вертикальной макропористостью и повышенной водо­проницаемостью из-за развития корней растений, деятельности землероев, а также наличия трещин и макропор усыхания, вызванных усадкой при переменном увлажнении и осушении. По мере увеличения глубины залегания глинистых пород их пористость и во­допроницаемость уменьшаются. На большой глубине в спокойных тектонических условиях и при сохранении способности самозалечивания трещин пластическим материалом глинистые породы часто характеризуются очень малым коэффициентом фильтрации (k<l0^-8 м/сут) и таким образом практически водоупорны. Под влиянием тектонических напряжений, а также в зонах эрозионного вреза в современных и древних долинах рек при фациальных изменениях состава глинистых пород их водопроницаемость может увеличиваться и составлять 10^-4 — 10^-2 м/сут и более. При таких значениях коэффициента фильтрации, как показали изыскания при разведке на воду, через глинистые слои происходит переток подземных вод, что указывает на возможность загрязнения смежных водоносных горизонтов.

Техногенные подземные воды как геологический агент. Разные виды деятельности человека оказывают воздействие на гидросферу. Два основных направления этой деятельности связаны с закачкой техногенных вод в недра, а другое направление – связано с отбором подземных вод. В процессе длительной откачки формируются воронки депрессии.

Техногенные воды как геологический агент. Техногенная нагрузка на подземную гидросферу связана с деятельностью человека. Под термином техногенные подземные воды понимают воды, образованные в результате промышленной деятельности человека и попадающие в подземную гидросферу.

Техногенные воды делят на три группы:

Первая группа включает воды, инфильтрация или нагнетание которых в подземные коллектора производится для восполнения ресурсов подземных вод водозаборов, подземного выщелачивания рудных компонентов, или солей на месторождениях твердых полезныз ископаемых; для законтурного заводнения при разработке месторождений нефти и газа; промывания засоленных земель; поддержания оптимальной влажности корнеобитаемого слоя растений; захоронения в недрах сточных вод; создание подземных теплообменников для извлечения геотермальной энергии.

Вторая группа включает подземные воды, появившиеся при утечках из водопроводно-канализационных сетей, из коллекторов поверхностного стока; из-за утечек поверхностных вод через стенки и дно ирригационных каналов; воды попавшие из прудов-накопителей, шламоотвалов обогатительных фабрик, терриконов; воды инфильтровавшиеся при поливе растений, в том числе и с использованием сточных вод.

Третья группа включает по существу все добываемые человеком воды – питьевые воды, для мелиорации, при водоотливе из горных выработок для водопонижения, а также – использование минеральных вод.

Геохимическая деятельность техногенных подземных вод приводит к изменению геохимической обстановки и проявляется в выщелачивании одних компонент минерального состава пород; формирование новых минеральных образований; засоление почв; создание геохимических ореолов распространения загрязняющих веществ и т.п.

При промывке засоленных почв на мелиорируемых землях искусственно изменяется солевой баланс между почвой и более глубокими горизонтами.

Форма техногенных гидрогеохимических ореолов зависит как от природных гидродинамических условий водоносных горизонтов, так и от техногенных причин (точечная, площадная, линейная форма очага загрязнения), периодичностью поступления и концентрацией загрязнителей. Весьма ощутимы загрязнения, возникшие от пападания в подземные воды сельскохозяйственных химикатов, пестицидов.

Значительное попадание азота в подземные воды происходит при применении азотных удобрений, некоторых видов металлов, используемых в компонентах обработки семян, биологически активных веществ, при попадании на поля удобрений от животноводческих ферм.

Геодинамическая деятельность техногенных вод проявляется при изменении подвижности подземных вод и связанных геодинамических, а иногда и сейсмических событий.

Одним из проявлений геодинамической деятельности техногенных подземных вод является закачка больших объемов поверхностных вод при разработке нефтяных и газовых залежей.

Другим видом является закачка промышленных стоков в подземные горизонты, при этом возможен гидравлический разрыв пластов и загрязнение горизонтов пресных вод, проникновение газа в горизонты пресных вод при создании подземных хранилищ газа и т.п.

Геотермическая деятельность техногенных вод связана с изменением естественной температуры в недрах, вызванной закачкой техногенных вод с другой температурой.

Инженерно-геологическая деятельность техногенных вод связана с изменением прочностных (или других) свойств горных пород в основании инженерных сооружений, либо проявлении экзогенных геологических процессов, осложняющих инженерное освоение территории, или эксплуатацию зданий.

Отбор воды из недр и его геологические последствия. Они проявляются в опускании территории (реже подъеме). В районах интенсивного отбора воды (города, крупные промышленные объекты) иногда отбор подземных вод превышает их восполнение. При этом образуются глубокие воронки депрессии.

Например, глубина депрессионных воронок составляет в Лондоне – 100 м.; в Киеве – 65 м.; в Москве – около 60 м. Большие воронки образуются при осушении карьеров (Микашевичи).

Понижение уровня подземных вод приводит к уплотнению горных пород, появлению просадок земной поверхности, а в городах этому способствует и нагрузка о больших зданий. Такие осадки поверхности достигают нескольких метров в Мехико, Токио, Венеции, Таллинне. Иногда это приводит к сдвигу тюбингов метро. Угроза затопления существует в Венеции. При этом, следует учитывать, что за последние 65 лет уровень Мирового океана поднялся по разным оценкам на 12 – 15 см.

Годовое потребление воды в мире составляет 2600 км³, из которых 10% - это подземные воды. Примерно половина – 1300 км³/год поступает в океан, что составляет подъем океана 0.36 мм/год.

В итоге, воздействие человека на подземную гидросферу сопровождается многими геоэкологическими последствиями – от нарушения общей экологической ситуации до снижения биологической продуктивности и характера природных ландшафтов.

Лекция 7