Состояние и перспективы использования водных ресурсов, их состав и классификация.

Поверхностные и подземные воды образуют водную оболочку планеты, или гидросферу. Поверхностные воды представлены океанами, морями, озерами, реками и прочими водоемами и водотоками. К подземным относятся воды различного типа, залегающие в верхних слоях литосферы.

Из общей поверхности Земли, равной 510 млн. км , 70,8 % составляют океаны и моря, 29,2 % - суша. Около 3% поверхности суши занимают внутриматериковые воды- озера, реки и пр., около 11 % поверхности покрыто ледни­ками.

В настоящее время масса воды составляет около0,02% массы земного шара, объем ее равен 1,45x10⁹ км³ .

По запасам свободной воды Земля занимает первое место среди планет Солнечной системы. Распределение объемов воды, тыс.км³, в различных частях гидросферы представлено следующим образом:

Мировой океан 137323

Подземные воды 60000

В том числе зоны активного водообмена 4000

Ледники 24000

Озера 280

Почвенная влага 85

Пары атмосферы 14

Речные воды 1,2

Воды в океанах и морях минерализованы (среднее со­держание солей 3,5 г в 1 л воды); значительное колличество подземных вод также минерализовано, причем содержание солей в 1 л воды может достигать 200-250 г.

Запасы пресных вод по последним данным составля­ют 35 млн. км³, т е. всего 2% общих запасов, а с учетом недоступной для использования некоторой части пресных вод, законсервированных в виде льдов в полярных ледни­ках, 0,3% объема гидросферы.

Распределение ресурсов пресных вод, км³ (%).

Ледники 24 000000 (85)

Подземные воды 4 000000 (14)

Озера и водохранилища 155 000(0,6)

Почвенная влага 83 000(0,3)

Пары атмосферы 14 000 (0,05)

Речные воды 12 000(0,04)

Для возобновления ресурсов пресных вод опреде­ляющее значение имеет круговорот воды, связывающий воедино все части гидросферы.

В круговороте воды выделяют такие основные эле­менты, как атмосферный, океанический и материковый.

Схема глобального водообмена показана на рис. 7.

Продолжительность гипотетической смены всего объ­ема данной части гидросферы в процессе круговорота ха­рактеризуется активностью водообмена. Например, при общем объеме рек 1200 км по ним за год стекает в океаны и моря 32 ООО км³ воды, а это значит, что сток воды в реках обновляется 26,6 раза в год, т.е. почти каждые 13 суток.

По степени связи подземных вод с поверхностью зем­ли и поверхностными водами выделяют три гидродинами­ческие зоны.

Первая, самая верхняя, зона характеризуется активной формой взаимосвязи с поверхностью, интенсивным и ус­тойчивым стоком подземных вод в сторону крупной речной сети. В этой зоне формируются пресные воды, отличаю­щиеся высокой способностью к возобновлению.

Вторая, средняя, зона замедленного водообмена при­урочена к глубинам ниже активного дренирования подзем­ных вод гидрографической сетью. Питание подземных вод ухудшается из-за инфильтрации атмосферных осадков. На­правление стока подземных вод определяется положением регионального дренирующего базиса. Сток замедленный, возобновление ресурсов вод затруднено. В этой зоне пре­обладают подземные воды повышенной минерализации (до 10-20 г/л) сульфатно-гидрокарбонатного состава.

Третья, нижняя, зона приурочена к большим глубинам (более 800-1000 м). Она характеризуется замедленным сто­ком (0,05-0,1, реже 0,2 м в год) в направлении глубоко за­легающего регионального базиса разгрузки (море, океан, тектонические разломы) или застойным режимом. Воды высокоминерализованы (более 50 г/л), преимущественно хлоридно-кальциевого состава. Возобновление запасов происходит в течение длительного, возможно геологиче­ского, времени.

Ценными и легко доступными для использования яв­ляются подземные воды первой верхней гидродинамиче­ской зоны, находящиеся под дренирующим влиянием реч­ных долин и образующие подземный сток в реках. Ресурсы этих пресных вод наиболее устойчивы.

Вода является элементом биосферы, обеспечивающим существование и развитие всего живого на планете и преж­де всего человека. Великому ученому эпохи Возрождения Леонардо да Винчи принадлежит высказывание о том, что воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле.

Акад. А.Е. Ферсман назвал воду самым важным мине­ралом на Земле, без которого нет жизни. Гидрологические условия играют одну из важнейших ролей в формировании природной среды. Там, где воды в достаточном количестве, наблюдается многообразие живых организмов. Там, где ее мало или она отсутствует, жизнь замирает. Вода оказала на развитие общества значительно большее влияние, ,чем дру­гие природные ресурсы. Только при наличии воды человек осваивал, создавал культурные ландшафты, развивал про­изводство. Уходила вода, и плодородные земли превраща­лись в пустыню, оставались покинутыми города и селения.

Под использованием водных ресурсов подразумева­ются водопотребление и водопользование. Водопотребле-ние связано с изъятием воды из водоемов, водотоков, под­земных водоносных пластов. При этом часть воды после использования, пройдя соответствующую очистку, возвра­щается в гидрографическую сеть или водоносные горизон­ты, а часть воды сельскохозяйственной продукции испаря­ется, инфильтруется в грунты и не попадает в места водоза­боров. При водопользовании вода является операционным базисом и средством производства и не изымается из ис­точников. К системе водопользования относятся гидро­энергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, водный туризм и др.

2. Влияние горных и строительных работ на режим подземных вод и гидрологическую сеть района разработки.Воздействие промышленного производства на гидро­сферу, приводящее к количественному и качественному истощению водных ресурсов, наиболее ярко прослеживает­ся на примере энергетики. Оно выражается в следующем.

• в водопотреблении и водоиспользовании, обуслов­ливающих изменение естественного материального баланса водной среды;

• в осаждении на поверхности воды твердых выбро­сов продуктов сгорания органического топлива из атмосферы, изменяющих свойства воды, ее цвет, альбедо и т. д;

• в выпадении на поверхность воды в виде твердых частиц и жидких растворов продуктов выбросов в атмосферу, в том числе кислот и кислотных остат­ков, металлов и их соединений, канцерогенных ве­ществ;

• в осаждении на поверхности воды продуктов сжи­гания твердых топлив, продувок и очистки поверх­ностей нагрева;

в выпадении на поверхность воды жидкого и твер­доготоплива при транспортировании, переработке, перегрузке;

• в сбрасывании твердых и жидких радиоактивных отходов;

• в изменении температурного режима вследствие сброса теплых вод;

• в создании водохранилищ.

Следует особо отметить два вида влияния, сброс теп­лых вод и создание водохранилищ.

Так как температура стоков электростанций достигает 30° С, сброс их в водоем повышает температуру воды, уменьшает содержание в ней растворенного кислорода, вносит изменения в процессы внутреннего обмена, наруша­ет экологическое равновесие в условиях жизни водных ор­ганизмов.

Строительство крупных гидротехнических сооруже­ний и прежде всего водохранилищ, выполнение крупно­масштабных мелиоративных мероприятий значительно из­меняют природные условия; ландшафтные, микроклимати­ческие, гидрологические, гидрогеологические и инженер­но- геологические. Возникают новые и активизируются замедленно протекающие в естественных условиях процес­сы, воздействие которых проявляется на значительных тер­риториях, прилегающих к месту выполнения водохозяйст­венных мероприятий и даже удаленных от него.

При заполнении емкости водохранилища затопляются территории, ранее занятые продуктивными сельскохозяйст­венными угодьями, лесом, селениями; нарушаются комму­никации; создаются новые ландшафтные комплексны, зачас­тую нехарактерные для окружающей местности.

Изменяются условия формирования поверхностного и подземного стоков, гидрологический режим поверхност­ных водоемов и водотоков. Под влиянием водохранилищ происходит подпор грунтовых вод, что вызывает заболо­ченность земель в радиусе, достигающем нескольких кило­метров. В засушливых зонах это приводит к вторичному засолению почв вследствие интенсивного испарения влаги.

Мелководья характеризуются застойным режимом Это снижает способность вод к самоочистке, приводит к "цветению" воды, зарастанию прибрежной полосы осокой и другой сорной растительностью.

Берега водохранилищ подвергаются интенсивному разрушению вследствие абразии, оползневых деформаций и просадочных процессов.

Так, на Куйбышевском и Каховском водохранилищах в результате разрушения береговая линия переместилась на 100-200 м в глубь суши. На Каховском водохранилище про­тяженность участка, охваченного переформированием бе­регов, составила более 450 км.

При выполнении мелиоративных мероприятий изме­нение водного баланса осушаемых земель и прилегающих к ним территорий может значительно снизить объем годово­го стока.

В районе крупных водохранилищ и крупных иррига­ционных каналов формируется более мягкий микроклимат В то же время данные метеорологических станций в районе днепровских водохранилищ свидетельствуют об уменьше­нии количества осадков на побережье искусственных водо­емов в летний период.

Воздействие горного производства на водный бассейн проявляется в изменении водного режима, загрязнении и засорении вод.

Изменение водного режима. При строительстве и эксплуатации карьеров и разрезов, рудников и угольных шахт, подземных транспортных и коммунальных туннелей и других сооружений существенные осложнения возникают из-за наличия подземных и поверхностных вод; происходят деформации горных выработок, снижается производитель­ность оборудования, усложняется производство буро­взрывных работ.

Поэтому отличительной особенностью горного про­изводства является необходимость осушения месторожде­ний полезных ископаемых. С этой целью с территорий на­мечаемых к разработке месторождений или их участков переносятся поверхностные водоемы и водотоки и выпол­няются мероприятия по защите горных выработок от об­воднения их подземными водами. Основным способом осушения зоны горных работ является водопонижение пу­тем проведения различных горных выработок, откачки или отвода самотеком, а затем сброса значительных объемов подземных вод в гидрографическую сеть за пределы разра­батываемого участка.

Современный уровень развития техники и технологии водопонижения позволяет успешно решать эту проблему при освоении месторождений со сложными гидрогеологи­ческими условиями.

В практике обычно используют три способа водопо­нижения - с поверхности, подземный и комбинированный. Первый способ предусматривает сооружение дренажных устройств (скважин, канав, иглофильтров) непосредственно на земной поверхности. При подземном способе средства водопонижения располагают в горных выработках. В по­следние годы при проходке подземных выработок в обвод­ненных и неустойчивых породах плывунного типа с низким коэффициентом фильтрации используют забойное водопо- нижение, заключающееся в том, что в забое выработки в горную породу на различную глубину погружают игло­фильтры. С помощью рукавов иглофильтры подключают к водосборному коллектору, в котором поддерживают доста­точно глубокий вакуум, позволяющий всасывать через иг­лофильтры воду из обводненного грунта (рис. 9).

Рис. 9. Общий вид установки забойного водопонижения УЗВМ-Зу: 1-иглофилътр; 2-водосборный коллектор; 3-всасывающий ру­кав; 4-водоструйный насос; 5-центробежный насос с элек­тродвигателем; 6-открытый циркуляционный бак.

Комбинированный способ является сочетанием спо­соба водопонижения с поверхности и подземного и реали­зуется, как правило, в два этапа. Вначале с поверхности производится предварительное снижение уровня грунтовых вод, а затем вводится в эксплуатацию система подземного водопонижения.

Естественный режим подземных вод нарушается с момента вскрытия технологическими горными или дре­нажными выработками первого от поверхности водоносно

го горизонта и после откачки из него воды. При этом запа­сы подземных вод сокращаются, а состояние и качество по­верхностных вод существенно ухудшается. На значитель­ной площади месторождения образуется депрессионная воронка, размеры которой зависят как от геологических и гидрогеологических условий района месторождения, так и от продолжительности его разработки.

При водоотливе наиболее низкий уровень подземных вод в зоне горных работ приходится на забой проходимой выработки. С углублением выработки понижается и уро­вень подземных вод. В результате водопонижения уровень подземных вод снижается на площади, превышающей площадь разработки месторождения иногда в десятки и сотни раз.

На некоторых месторождениях в пределах воронки депрессии создается гидравлическая связь нескольких на­порных водоносных горизонтов, что приводит к переливу вод из вышерасположенных горизонтов в нижние. Как пра­вило, воронка депрессии при этом захватывает водоносные горизонты со свободной поверхностью (безнапорные гори­зонты) и грунтовые воды различного типа, которые имеют гидравлическую связь с поверхностными водами. Это при­водит к подпитке подземных водоносных горизонтов по­верхностными водами. Поэтому размеры депрессионной воронки зависят от наличия и расположения поверхност­ных водоемов и водотоков: чем ближе поверхностные воды к зоне разработки, тем меньше радиус депрессионной во­ронки.

Осушение месторождения приводит к резкому изме­нению естественного режима подземных и поверхностных вод. На поверхности земли нарушения состояния подзем­ных и поверхностных вод проявляются в полном осушении заболоченных участков, уменьшении запасов вод в по­верхностных водоемах и водотоках, осушении колодцев и неглубоких водозаборных скважин, иссякании источников, небольших ручьев и речек. При прекращении откачки в связи с завершением горных работ со временем депресси- онные воронки исчезают и режим подземных вод восста­навливается. Восстанавливается также уровень вод в ко­лодцах и водозаборных скважинах, В большинстве случаев возрождаются поверхностные водоемы и водотоки. Однако восстановление режима и состояния подземных и поверх­ностных вод зависит от масштабов нарушений. При под­земном способе разработки восстановительные процессы протекают относительно быстро, при открытой разработке скорость их протекания зависит от глубины и состояния карьеров, заполнения выработанного пространства вскрышными породами, направления рекультивации.