Подземные воды

2.3 Подземные воды

Существенным резервом в водном балансе могут служить возвратные воды, сбрасываемые в реки после использования подземных вод на водосборе [ 11, с. 118 ].

Значительная часть атмосферных осадков, выпадающих на земную поверхность, частично стекает по поверхности или внутрипочвенным путем в речную сеть, частично испаряется, а частично фильтруется в подземные водоносные горизонты, пополняя запасы подземных вод. Однако большая часть воды, поступившей в подземные горизонты, в конечном итоге возвращается в реки, моря, океаны.

Очень пестрой является картина залегания подземных вод в полосе гор и предгорий, отражающая сложное строение Уральского хребта. Горные районы довольно богаты выходами небольших по мощности родников. Особен- но значительны запасы подземных вод на Среднем Урале.

Грунтовые воды обильны в песчаных и галечных наносах речных долин. В кристаллических породах горных и предгорных районов подземные воды циркулируют по трещинам [ 24, с. 92 ]. В растворимых же породах (известняках, гипсах и др.) – по многочисленным пустотам, образуя местами обильные источники.

Проходя через толщи горных пород, подземные воды минерализуются. приобретают целебные свойства. На Среднем Урале чаще всего встречаются холодные известковые воды, содержащие иногда натрий. Есть и солоноватые воды. В старейшем на Урале курорте Нижние Серги (на р. Серге) выходят минеральные воды со слабым содержанием сероводорода. В Зауралье для курорта Курьи (близ г. Сухой Лог) используются слабожелезистые воды. Вблизи деревни Липовка есть источники с выходами радоновых вод.

Главнейшие скопления глубоких подземных вод Среднего Урала и прилегающих территорий приурочены к зонам тектонических разломов. Наи-большее значение имеют молодые движения, имевшие место не только по окраинам горной полосы, но и ближе к осевой части. Именно для зон позднейших движений земной коры характерна большая водоносность глубоких трещин в толщах горных пород (гранитов, кварцитов, мраморизованных известняков, кремнистых сланцев и др.) [ 24, с. 96 ]. Своеобразными местами накопления вод служат кварцевые, порфиритовые и гранитные жилы. Крупные скопления глубоких подземных вод встречаются в местах развития карста среди известняков западных и отчасти восточных предгорий хребта.

Обычно безвозвратные потери при хозяйственно – бытовом водоснабжении не превышают 15 – 20 %. Поэтому возвратные воды могут быть учтены дополнительно в водохозяйственном балансе. Возможный путь решения проблемы водохозяйственного баланса – комбинированное использование поверхностных и подземных вод.

Итак, можно сделать выводы:

-   При анализе многолетних колебаний водности рек следует различать естественную и антропогенную изменчивость. Первая из них обусловлена лишь метеорологическими факторами, вторая — искусственным изменением стока (забором вод на хозяйственные нужды, безвозвратными потерями стока, сопутствующими преобразованию режима рек, например, созданию водохранилищ).

-   У рек Среднего Урала четко прослеживается систематическое уменьшение водности, обусловленное антропогенными факторами.

-   Сооружение водохранилищ имеет главной целью в большинстве случаев перераспределение стока во времени (регулирование стока), которое пресследует различные хозяйственные цели.

3.1 Общие факторы влияния

Реки широко используются многочисленными и разнородными водопотребителями и водопользователями. Во многих районах — это главные источники используемых в хозяйстве вод.

Основные потребители и пользователи речных вод: промышленность, тепловая и атомная энергетика, коммунальное озяйство, орошаемое земледелие (водопотребители), гидроэнергетика, речной транспорт, рыбное хозяйство (водопользователи).

Все хозяйственные мероприятия, оказывающие влияние на речной сток, можно подразделить на две большие группы. К первой группе относятся те виды хозяйственной деятельности, которые не связаны непосредственно с забором воды из рек и преобразованием режима самих рек. Эти мероприятия влияют на сток рек косвенно — через изменение элементов водного баланса в речных бассейнах (главным образом испарения) и через изменение условий стекания талых и дождевых вод со склонов, сопутствующее преобразованию поверхности речного бассейна [ 7, с. 146 ]. Это вырубка леса и его восстановление, осушение болот и заболоченных земель, агротехнические мероприятия, урбанизация территории.

Ко второй группе относятся такие виды хозяйственной деятельности, которые связаны с изъятием, территориальным перераспределением и регулированием самого речного стока: забор вод на орошение земель, промышленное и коммунальное водоснабжение, «переброска вод» из других бассейнов, регулирование стока с помощью водохранилищ и т. д. В результате этих водохозяйственных мероприятий может измениться как величина стока, так и его внутригодовое определение.

Вырубка и восстановление леса. Вырубка лесов была исторически первым крупным проявлением деятельности человека, оказавшим влияние на сток рек.

Главная причина возможного изменения годового стока рек заключается в изменении суммарного испарения в результате вырубки или восстановления леса. Испарение же зависит от характера подстилающей поверхности, в частности от потребления воды лесом, которое различается у лесов разного возраста и состава.

Доказательства изменения испарения и стока привел О. И. Крестовский на примере вырубки и восстановления елового леса (рис. 7) [ 22, с. 194 ]. В первое десятилетие после вырубки леса испарение резко снижается (на 20—35%), так как надпочвенная растительность, оставшаяся после вырубки спелого елового леса, не требует большого количества влаги.

Рис. 7. Изменение стока в зависимости от вырубки леса (по данным Шахова) 1 – испарение 2 - сток

Снижение испарения может привести к переувлажнению почвы, повышению уровня грунтовых вод. В это время сток с лесосеки возрастает и превышает норму в 1,4 – 1,9 раз. Особенно существенно возрастает поверхностный сток. Это, в свою очередь, приводит к усилению эрозии и увеличению стока наносов.

В последующие годы по мере восстановления древостоя испарение быстро увеличивается, а сток уменьшается. И лишь после полного восстановления видового состава леса сток возвращается к норме. Этот период продолжается 110 – 130 лет. При этом наиболее сильные изменения претерпевает поверхностная составляющая стока.

Когда на лесосеке проводят искусственную посадку хвойного леса, вос-становление и леса и стока происходит на 25—50 лет быстрее. Если же на месте лесосеки создают сельскохозяйственные угодья, то изменение величины стока будет зависеть от вида сельскохозяйственных культур и от того, больше или меньше воды потребляют они по сравнению с водопотреблением леса. Во многих случаях годовой сток с сельхозугодий приблизительно такой же, как и с леса.

Поскольку на больших речных бассейнах лес не бывает однородным по составу и возрасту (вследствие, например, разновременности вырубок), суммарное влияние леса на годовой сток на больших площадях нивелируется.

Что касается оценки влияния леса на подземную составляющую стока и на питание рек в меженный период, то роль леса в этом безусловно положительная. По П. Ф. Идзону, например, подземное питание рек в пределах лесной зоны на 30—70%, а сток в летне-осенний период на 20—50% больше на залесенных водосборах, чем на малооблесенных [ 7, с. 149 ]. В этом проявляется водоохранная и регулирующая роль леса. Восстановление лесов увеличивает ресурсы пресных подземных вод и подземное питание рек.

 Осушение болот и заболоченных земель. К настоящему времени считается доказанным, что болота благодаря особым водно-физическим свойствам торфа активно поглощают воду, сильно ее испаряют и отдают рекам. Поэтому сток рек с заболоченных водосборов, как правило, меньше, чем сток рек с рядом расположенных незаболоченных водосборов.

Непосредственным последствием осушения болот становится увеличение стока в результате уменьшения испарения, а также понижение уровня грунтовых вод и сработки вековых запасов вод в болотах [ 7, с. 151 ]. В последующем величина стока будет зависеть от вида сельскохозяйственных культур, произрастающих на месте осушенных болот. Общая водоносность рек в результате осушения болот изменяется мало, так как испарение с сельхозугодий близко по величине к испарению с болот. Внутригодовое распределение стока после осушения болот становится более равномерным, так как возрастает меженный сток вследствие снижения испарения.

Урбанизация. Непосредственное влияние городских территорий на сток (без учета водопотребления на промышленные и коммунальные нужды) связано с изменением составляющих водного баланса. Над крупным городом благодаря увеличению запыленности атмосферы и повышенной «шероховатости» подстилающей поверхности атмосферные осадки возрастают приблизительно на 10% по сравнению с осадками в естественных условиях.

Радикальное изменение характера поверхности (увеличение площадей крыш и территорий, покрытых асфальтом) приводит к резкому сокращению инфильтрации, ускорению стекания талых и дождевых вод. В результате величина стока с городских территорий возрастает на 10—15%, причем особенно заметно увеличиваются поверхностная составляющая стока и в 2—3 раза максимальные величины паводочного стока [ 21, с. 76 ]. Подземная со-ставляющая стока заметно уменьшается. Несмотря на такие большие изменения стока в пределах городских территорий, суммарное влияние урбанизации на сток рек невелико, что объясняется небольшой долей городских территорий в общей площади бассейна реки (не более 1—2%). Значительно существеннее отрицательное влияние урбанизации на качество речных вод. Во многих городах мира ухудшение качества воды протекающих здесь рек превращается в серьезную проблему.

Промышленное и коммунальное водопотребление. Этот вид водопотребления постоянно увеличивается. Источником воды для нужд промышленности, тепловой энергетики и коммунального хозяйства служат как реки, так и подземные воды. В результате значительного увеличения водозабора из этих источников речной сток сокращается, а истощение вековых запасов подземных вод часто сопровождается понижением их уровня и образованием депрессионной воронки. Это нередко также способствует уменьшению речного стока, идущего на пополнение запасов подземных вод.

В целом водопотребление на промышленные и коммунальные нужды слабо влияет на количественные характеристики речного стока, но часто существенно ухудшает качество вод.

Агротехнические мероприятия. К агротехническим и агромелиоративным мероприятиям относятся зяблевая вспашка, распашка целинных и залежных земель, создание полезащитных лесных полос, мероприятия по снегозадержанию и т. д. Цель этих мероприятий - повышение урожайности сельскохозяйственных культур. В зоне недостаточного увлажнения это достигается, в частности, задержкой влаги на полях, уменьшением склонового стока, увеличением доли воды, идущей на продуктивное испарение.

Гидрологические последствия таких мероприятий зависят от площади водосбора. На малых водосборах благодаря улучшению в результате распашки инфильтрационных свойств почв и задержанию воды на полях существенно сокращается поверхностный сток [ 21, с. 73 ]. Уменьшается и величина годового стока, причем степень этого уменьшения растет с севера на юг, достигая 5—10% в лесостепи, 20—50% в степной зоне. С увеличением размеров речного бассейна влияние агротехнических мероприятий на сток быстро падает. Объясняется это тем, что на больших бассейнах менее заметное влияние на сток оказывает перераспределение поверхностного и подземного стока. Влага, удержанная на полях и перешедшая в подземный сток, возвращается в русла больших рек в виде увеличивающегося подземного питания.

Суммарное влияние агротехнических мероприятий на большие территориях проявляется в сокращении стока половодья, некотором увеличении меженного стока и, как правило, небольшом уменьшении годового стока. Последнее — это следствие не столько самих агротехнических мероприятий, сколько более продуктивного использования вод на сельскохозяйственных угодьях.

Орошение. Этот вид водопотребления приводит к наибольшим безвозвратным потерям воды. Главным источником вод для орошения и обводнения служат реки. Водозабор из рек на орошение может быть самотечным, плотинным, машинным (с применением насосов). Поступающие на поля речные воды идут частично на продуктивное испарение (используются сельскохозяйственными культурами), частично — на непродуктивное испарение с поверхности водохранилищ, каналов, подтопленных земель и т. д. и инфильтрацию, частично возвращаются в реки через коллекторно-дренажную сеть в виде возвратных вод [ 29, с. 112 ]. Возвратные воды нередко имеют повышенную минерализацию, содержат вымытые из почвы соли и растворенные химикаты (удобрения, пестициды, гербициды) и непригодны для повторного использования. Избыточная подача воды на орошение (явление, к сожалению, нередкое) ведет не только к нерациональному использованию вод, их потере, но и может вызвать повышение уровня грунтовых вод, заболачивание и засоление земель.

В результате забора речных вод на орошение и сброса в эти же реки возвратных вод годовой сток рек уменьшается, но внутригодовое распределение стока несколько выравнивается.