Ресурсы пресных подземных вод и их использование для водоснабжения населения (И.С. Зекцер)

Ресурсы пресных подземных вод и их использование для водоснабжения населения

Проф. И.С. Зекцер, д.г.-м.н.Проф. И.С. Зекцер, д.г.-м.н. Институт водных проблем РАНИнститут водных проблем РАН

Москва, 2014 г.Москва, 2014 г.

Преимущества подземных вод, как Преимущества подземных вод, как источника питьевого водоснабженияисточника питьевого водоснабжения

Более высокое качество; Лучше защищены от загрязнения и заражения; Менее подвержены многолетним и сезонным

колебаниям, связанным с климатической цикличностью и водностью отдельных лет;

Более широко распространены; Экономический аспект: ввод в эксплуатацию

водозаборов подземных вод может осуществляться постепенно по мере роста потребностей населения и не требует крупных единовременных затрат

В настоящее время подземные воды В настоящее время подземные воды являются основным источником являются основным источником

водоснабжения во многих странах Европыводоснабжения во многих странах Европы

В Австрии, Бельгии, Венгрии, Германии, Дании, Румынии, Швейцарии и бывшей Югославии доля подземных вод в хозяйственно-питьевом водоснабжении составляют более 70%, а в Болгарии, Италии, Нидерландах, Португалии, Франции, Чехии и Словакии доля подземных вод варьирует от 50 до 70 %. В США 75% городских систем водоснабжения населения питьевой водой используют подземные воды.

ГородГород Поверхностные воды (%)Поверхностные воды (%) Подземные воды (%)Подземные воды (%)

Амстердам 52 48

Антверпен 82 18

Барселона 83 17

Берлин 58 42

Брюссель 35 65

Вена 5 95

Вильнюс - 100

Гамбург - 100

Глазго 63 37

Копенгаген 16 84

Лиссабон 45 55

Лондон 86 14

Москва 98 2

Минск - 100

Мюнхен - 100

Париж 60 40

Роттердам 90 10

Цюрих 70 30

Токио 25 75

Чикаго 88 12

Водоснабжение крупных городов Мира

Хозяйственно-питьевое Хозяйственно-питьевое водоснабжение средних и крупных водоснабжение средних и крупных городов должно базироваться не городов должно базироваться не менее, чем на двух независимых менее, чем на двух независимых источниках; для этих целей должны источниках; для этих целей должны быть привлечены все имеющиеся быть привлечены все имеющиеся ресурсы пресных подземных вод. ресурсы пресных подземных вод.

Естественные ресурсыЕстественные ресурсы (синоним - динамические запасы) характеризуют величину питания подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков, поглощения речного стока и перетекания из других водоносных горизонтов, суммарно выраженную величиной расхода потока или толщиной слоя воды, поступающего на уровень подземных вод.В среднемноголетнем разрезе естественные ресурсы эквивалентны подземному стоку зоны интенсивного водообмена и характеризуют верхний предел возможного использования подземных вод без их истощения.

Под прогнозными ресурсами прогнозными ресурсами подземных водподземных вод понимается количество подземной воды определенного качества, которое может быть получено в пределах гидрогеологического района, бассейна реки или административного района. Прогнозные ресурсы, таким образом, отражают потенциальные возможности использования подземных вод.

Необходимость экстраполяции данных по отдельным скважинам.

Возможность, применения в основном в условиях естественного режима уровня подземных вод.

Возможность оценки естественных ресурсов отдельных водоносных горизонтов

Оценка инфильтрационного питания подземных вод по режиму их уровня.

Необходимость оценки основных компонентов водного баланса независимыми методами

Оцениваемая величина подземного стока должно превышать погрешность определения основных компонентов водного баланса

Возможность расчета не дренируемого подземного стока

Среднемноголетний водный баланс областей питания или разгрузки подземных вод

Необходимость многолетних наблюдений за речным стоком в ненарушенных условиях.

Применимость только для зоны дренирования подземных вод

Возможность оценки естественных ресурсов отдельных водоносных горизонтов

Гидродинамический метод расчет расхода подземного потока (включая моделирование)

Различия в величинах медленного стока должны превышать точность их измерений

Возможность получения многолетних характеристик

Возможность оценки годовой и сезонной изменчивости

Оценка изменений меженного стока реки между двумя гидрометрическими створами

Необходимость многолетних наблюдений за речным стоком в ненарушенных условниях.

Применимость только для зоны дренирования подземных вод

Возможность получения многолетних характеристик

Возможность оценки годовой и сезонной изменчивости

Расчленение гидрографов рек

ОграниченияПреимуществаМетод

M = Qgw/F л/с·км2

K1 = Qgw/P %

K2 = Qgw/Qr %

Количественные характеристики Количественные характеристики естественных ресурсов подземных водестественных ресурсов подземных вод

Баланс ресурсов подземных вод Баланс ресурсов подземных вод водозабораводозабора

QЭ – дебит эксплуатационного водозабора

Qе – естественные ресурсы

подземных вод (поток подземных вод) W – запас воды в водоносном

пласте, срабатываемый при эксплуатации

Δt – расчетный срок

эксплуатации водозабора ΔQ – суммарные

дополнительные ресурсы, привлекаемые в процессе эксплуатации

Qt

WQQ еЭ

Ресурсный потенциал подземных вод (РППВ) –Ресурсный потенциал подземных вод (РППВ) – часть естественных ресурсов, представляющая собой максимальную возможную величину отбора подземных вод определенного качества и целевого назначения, которая может быть получена в пределах гидрогеологических районов, речных бассейнов или административных территорий при условии их освоения по всей площади распространения продуктивных водоносных горизонтов с учетом заданных ограничений.

Основными количественными характеристиками ресурсного потенциала

являются величины ресурсного потенциала и площадной и линейный модули

Площадной модульПлощадной модуль - - расход подземных вод в л/с, который может быть получен из оцениваемых водоносных горизонтов водозаборными сооружениями с 1 км2 оцениваемой площади скважинами и каптажами родников.Линейный модульЛинейный модуль - - расход подземных вод в л/с, который может быть получен с 1 км длины линейного берегового (инфильтрационного) водозабора.

Карта естественных ресурсов подземных вод Центральной части Московского региона.

Масштаб 1:1 500 000

Легенда к карте подземного стока Центральной и Восточной Европы (фрагмент)

Карты естественных ресурсов подземных вод ТайваняМасштаб 1 : 250 000

THE WORLD MAP OF HYDROGEOLOGICAL CONDITIONS AND GROUNDWATER FLOW

Scale 1:10,000,000

Compiled by the Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences

under UNESCO Supervision

Editors-in-Chief:R.G. Dzhamalov and I.S. Zektser

Editorial Board:

A.Aureli (Italy), H.Bitesnik (Argentina), N.da Franca (Brazil), I.V. Diordiev (Russia), L.G. Everett (USA), V. Gilbrich (UNESCO), J. Jacobson (Australia), R.A. Kanivetsky (USA), M.G. Khublaryan (Russia), V.A. Kiryukhin (Russia), J. Margat (France), N.A.

Marinov (Russia), A.Menta (Brazil), L.P. Novoselova (Russia), V. Ramnarong (Thailand), T.I. Safronova (Russia), B.B.S. Sinhal (India), S. Soekiban (Indonesia), V.

Struckmeier (Germany), A Valdes (Cuba), V.A. Vsevolozhsky (Russia), S. Wongsawat (Thailand)

Authors:

R.G. Dzhamalov, I.V. Diordiev, I.S. Zekster, V.A. Ivanov, N.A. Lebedeva, V.I.

Nikonova, Yu.I. Obyedkov, T.I. Safronova, T.N. Sorokina

Groundwater Discharge Values and Types (subtypes) of Groundwater Flow Media

Использование ресурсов Использование ресурсов подземных водподземных вод

Использование пресных подземных вод в России (2011 г.) и США (2005 г.)

Соотношение ресурсов и использования Соотношение ресурсов и использования пресных подземных вод на территории России*пресных подземных вод на территории России*

*по данным ФГУГП «Гидроспецгеология» на 2013 г.

Доля подземных вод в ХПВ для городов с различной численностью населения

Из 76 городов России с населением Из 76 городов России с населением более 250 тысяч в каждом:более 250 тысяч в каждом:

2323 – используют в основном подземные воды (вклад подземных вод в хозяйственно-

питьевое водоснабжение более 90%)

2727 – используют подземные и поверхностные воды

26 26 – используют в основном поверхностные воды (вклад подземных вод менее 10%)

Уменьшение удельного веса использования подземных вод происходит с увеличением населения городов. Так, преимущественно подземными водами обеспечивается

79 % городов с населением до 50 тыс. чел.,

55 % с населением от 50 до 100 тыс. чел.,

32 % с населением больше 100 тыс. чел.

Города, где поверхностные воды являются практически единственным и не защищенным от загрязнения источником хозяйственно-питьевого водоснабжения: Москва, Санкт-Петербург, Нижний Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Омск, Волгоград, Новгород, Екатеринбург, Омск, Волгоград, Челябинск, Ростов.Челябинск, Ростов.Указанные крупные города живут в условиях угрозы выхода из строя или разрушения системы хозяйственно-питьевого водоснабжения населения (аварии, наводнения, землетрясения, теракты и др. причины).

Период чрезвычайных ситуаций - время, когда в результате разрушения гидротехнических сооружений, водопроводов, технических средств водоснабжения или последствий террористических актов, катастрофического загрязнения существующих источников водоснабжения (рек, каналов) а также в результате природно-климатических катастроф, включая землетрясения, обвалы, разрушительные наводнения, сели, катастрофические паводки и т.д., использование поверхностных вод становится невозможным.

Период чрезвычайных ситуаций - время, когда в результате разрушения гидротехнических сооружений, водопроводов, технических средств водоснабжения или последствий террористических актов, катастрофического загрязнения существующих источников водоснабжения (рек, каналов) а также в результате природно-климатических катастроф, включая землетрясения, обвалы, разрушительные наводнения, сели, катастрофические паводки и т.д., использование поверхностных вод становится невозможным.

Сравнение потребности населения в хозяйственно-питьевом водоснабжении при чрезвычайных ситуациях с утвержденными запасами пресных подземных вод (на 01.01.2014)

Сравнение потребности населения в хозяйственно-питьевом водоснабжении при чрезвычайных ситуациях с утвержденными запасами пресных подземных вод (на 01.01.2031 г.)

Город

Численность населения, тыс. чел.

Потребность при ЧС, тыс. м3/сут.

Утвержденные запасы, тыс. м3/сут

Обеспеченность утвержденными запасами

подземных вод

2014 г. 2030 г. 2014 г. 2030 г. 2014 г. 2030 г.

Москва 12108,3 14612,3 375,4 453,0 1720,4надежно

обеспеченнадежно

обеспечен

Рязань 530,4 527,5 16,4 16,4 254,7надежно


обеспечен

Санкт-Петербург 5131,9 5480,4 159,1 169,9 177,6достаточно обеспечен

достаточно обеспечен

Астрахань 530,8 571,7 21 23,0 50,0достаточно обеспечен


Ростов-на-Дону 1109,8 1199,6 44,7 48,3 60,0достаточно обеспечен


Махачкала 578,3 819,4 23,3 33,0 240,0надежно


обеспечен

Набережные Челны 522,0 523,9 25,9 26,0 0,7 не обеспечен не обеспечен

Ижевск 637,3 620,1 31,6 30,8 3,3 не обеспечен не обеспечен

Пермь 1026,5 1031,3 50,9 51,2 36,7 не обеспечен не обеспечен

Екатеринбург 1412,3 1550,4 70,0 76,9 36,7 не обеспечен не обеспечен

Тюмень 679,9 858,4 33,7 42,6 189,3надежно


обеспечен

Челябинск 1170,0 1254,2 58,0 62,2 41,3 не обеспечен не обеспечен

Новосибирск 1547,9 1696,4 76,8 84,1 385,9надежно


обеспечен

Красноярск 1035,5 1195,7 51,4 59,3 764,4надежно


обеспечен

Омск 1166,1 1173,2 57,8 58,2 250,0надежно


обеспечен

Хабаровск 601,0 587,2 29,8 29,1 767,4надежно


обеспечен

ГородЧисленность

населения, тыс. чел. Потребность при ЧС, тыс. м3 Обеспеченность утвержденными запасами подземных вод

2014 г. 10 суток 30 суток 100 суток 10 суток 30 суток 100 суток

Москва 12108,3 3753,6 11260,7 37535,6 надежно обеспеченнадежно

обеспечен надежно обеспечен

Рязань 530,4 164,4 493,3 1644,2 надежно обеспеченнадежно


Санкт-Петербург 5131,9 1590,9 4772,7 15909,0достаточно обеспечен



Астрахань 530,8 214,0 642,0 2140,0достаточно обеспечен



Ростов-на-Дону 1109,8 447,0 1341,0 4470,0достаточно обеспечен



Махачкала 578,3 233,0 699,0 2330,0 надежно обеспеченнадежно


Набережные Челны 522,0 259,0 777,0 2590,0 не обеспечен не обеспечен не обеспеченИжевск 637,3 316,0 948,0 3160,0 не обеспечен не обеспечен не обеспеченПермь 1026,5 509,0 1527,0 5090,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Екатеринбург 1412,3 700,0 2100,0 7000,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Тюмень 679,9 337,0 1011,0 3370,0 надежно обеспеченнадежно

обеспечен надежно обеспеченЧелябинск 1170,0 580,0 1740,0 5800,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Красноярск 1035,5 514,0 1542,0 5140,0 надежно обеспеченнадежно


Новосибирск 1547,9 768,0 2304,0 7680,0 надежно обеспеченнадежно


Омск 1166,1 578,0 1734,0 5780,0 надежно обеспеченнадежно


Хабаровск 601,0 298,0 894,0 2980,0 надежно обеспеченнадежно


ГородЧисленность

населения, тыс. чел. Потребность при ЧС, тыс. м3 Обеспеченность утвержденными запасами подземных вод

2030 г. 10 суток 30 суток 100 суток 10 суток 30 суток 100 суток

Москва 14612,3 4529,8 13589,4 45298,1надежно



обеспечен

Рязань 527,5 163,5 490,6 1635,3надежно



обеспечен

Санкт-Петербург 5480,4 1698,9 5096,8 16989,2




Астрахань 571,7 230,4 691,2 2304,0достаточно обеспечен



Ростов-на-Дону 1199,6 483,4 1450,3 4834,4достаточно обеспечен



Махачкала 819,4 330,2 990,7 3302,2надежно



обеспечен

Набережные Челны 523,9 259,9 779,6 2598,5 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Ижевск 620,1 307,6 922,7 3075,7 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Пермь 1031,3 511,5 1534,6 5115,2 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Екатеринбург 1550,4 769,0 2307,0 7690,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Тюмень 858,4 425,8 1277,3 4257,7надежно



обеспечен

Челябинск 1254,2 622,1 1866,2 6220,8 не обеспечен не обеспечен не обеспечен

Красноярск 1195,7 593,1 1779,2 5930,7надежно



обеспечен

Новосибирск 1696,4 841,4 2524,2 8414,1надежно



обеспечен

Омск 1173,2 581,9 1745,7 5819,1надежно



обеспечен

Хабаровск 587,2 291,3 873,8 2912,5надежно



обеспечен

Водным Кодексом Российской Федерации предусматривается создание резервных источников водоснабжения на базе защищенных от загрязнения месторождений подземных вод, для которых должен быть установлен специальный режим охраны и контроля за их состоянием.

Защищенность подземных водЗащищенность подземных вод – это свойство природной системы, позволяющее сохранить на прогнозируемый период состав и качеств подземных вод соответствующими требованиями их практического использования.

Противоположный термин – уязвимость уязвимость подземных вод.подземных вод. Чем больше защищенность подземных вод, тем меньше их уязвимость к загрязнению.

Подземный сток в моряПодземный сток в моря

Subsurface water exchange between land and sea

Groundwater discharge from land directly to sea

Intrusion of seawater into the coast

Main problems and tasks

Hydrological Aspects:Hydrological Aspects:

What is the volume of submarine discharge?

Does it considerable affect the water and salt balance of the water body?

In what way will groundwater inflow change in the future under possible changes of climate and technological development in the coastal zone?

To what degree should the underground component be considered in studying the salt and heat balance in seas and oceans?

Main problems and tasks

Hydrogeological Aspects:Hydrogeological Aspects:

SGD is an important part of groundwater resources of the coast zone, which at present “uselessly” outflow into the sea

It is necessary to know determine the interface between fresh groundwater and saline seawater, and hence to predict water quality in the seacoast groundwater well fields

Principles of study and quantitative assessment of groundwater discharge into seas

Methods of study and quantitative assessment of groundwater discharge

Methods based on quantitative analysis of conditions for forming groundwater discharge into the sea within a catchment and primarily coastal areas

of the land

Methods of marine hydrogeological investigations based on the direct study of the freshwater area

of the sea

Hydrodynamic method for calculating flow discharge (analytically and by modeling)

Complex hydrologic and

hydrogeologic method

Method of mean perennial water balance of groundwater

recharge areas

Hydrogeological study of aquatoriesHydrogeological study of aquatories

Remote sensing Remote sensing methodsmethods

Methods of direct survey of Methods of direct survey of submarine sourcessubmarine sources

Methods of studying Methods of studying bottom waterbottom water

Visual investigations

Space survey Diving work Tracing methods

Determination of chemical

composition

Determination of gas

composition

Aerial survey Apparatus for submarine

investigations

Methods of fluid-velocity

logging

Measurements of electric

conductivity and temperature

Determination of isotope

composition

Methods of bed-Methods of bed-loaded sediments loaded sediments

studyingstudying

Temperature measurements along

bottom sediments profile

Thermo- and electrical profiling at the bottom-

seawater boundary

Determination of chemical composition

Isotope investigations

Dissolved gases measurements

Pore water studying in

bottom sediments

Determination of filtration properties

of bottom sediments

Seismic and acoustic profiling

Heat flow measurement

Quantitative characteristics

Module of groundwater flowModule of groundwater flow – specific groundwater discharge to sea from 1 km2 of the catchment area of the coastal zone (l/(skm2))

Linear module of groundwater dischargeLinear module of groundwater discharge – specific ground water flow from the land to sea from 1 km of the coast line (l/(skm))

Module of subsurface dissolved solid dischargeModule of subsurface dissolved solid discharge – dissolved solid discharge with groundwater to the sea from 1 km2 of the catchment area (t/yrkm2))

Groundwater discharge to oceans from continents and large islands

1302,51

2397,24

Total for the Globe

7,16 47,52 Total

7,16126,647,5217,85,6Europe Arctic

295,55 219,4 Totally

60,635,384,7115,5827,75,1Large island

119,257,197,265,3210,71,7Asia

48,954,138,722,145,10,6Africa

66,725,528,416,363,70,2Australia Indian

479,25 830,01 Total

2,271,234,95,78,12,8Large islands

27,423,2101,848,6515,65,7Europe

11,923,6110,38,3272,4Asia

9,852,224,45,083,10,4Africa Mediteranean

sea

42,882,47677,67124,4Large islands

77,664,340,2185,2928,23South America

112,22674,6219,431,94,6North America

25,84247,871,2215,44,2Europe

169,191299,9208,6840,43,9Africa Atlantic

520,55 1300,31

Total

278,157,3159,8714,725113Large islands

35,473,864,1199,5958,711,5South America

36,732,450,1124,5821,95,4North America

165,216,598,2254,2827,24,8Asia

4,991,224,97,144,61,1Australia Pacific

Total, mln.t/y

r

Linear values, ths.t/(yr×km)

Areal values, l/(sec×km2)

Total, km3/yr

Linear values, ths.m3/(day×km)

Areal values, l/(sec×km2)

Subsurface dissolved solids discharge

Groundwater dischargeContinent, islands

Ocean, sea

Schematic map of hydrogeological zoning of the Caspian Sea coastal zone

1 – boundaries of hydrogeological areas;2 – boundaries of hydrogeological

sections; 3 – area number; 4 – section number. Areas: I – Pricaspian artesian basin, II –

Tersko-Kumsky artesian basin, III – Dagestan artesian basin, IV – Kusaro-Divichensky piedmont plain, V – area of south-west submergence, VI – Kurinskaya depression, VII, - Lenkoranskaya lowland, VIII – Iran coastal zone, IX – West-Turkmensky artesian basin, X – east part of Middle-Caspian artesian basin, XI – Mangyshlaksky artesian basin

Groundwater discharge into the Caspian Sea

0,05 km3/yr

0,54 km3 /yr

0,87 km3 /yr

0,13 km3/yr

0,21 km3/yr

0,02 km3/yr

0,03 km 3/yr

0,2 km 3/yr

0,06 km3/yr

0,04 km3 /yr

Role of groundwater in salt-water balance of the coastal zones of the Caspian Sea

970 thous. t/yr

6450 thous. t/yr

1470 thous. t/yr

2920 thous. t/yr

2140 тыс. т/год

200 thous. t/yr66 thous. t/yr

1885 thous. t/yr

1640 thous. t/yr

322 thous. t/yr

5000 thous. t

/yr

Marine hydrogeologyMarine hydrogeology – – science of studying science of studying subsurface water exchange subsurface water exchange and submarine groundwater, and submarine groundwater, its properties, circulation and its properties, circulation and distributiondistribution

Основные задачи дальнейших научных Основные задачи дальнейших научных исследований по проблеме оценки и использования исследований по проблеме оценки и использования

пресных подземных вод в России:пресных подземных вод в России:

усовершенствовать методику количественной оценки естественных ресурсов подземных вод и ресурсного потенциала различных водоносных горизонтов речных бассейнов;

выполнить оценку ресурсного потенциала основных водоносных горизонтов речных бассейнов включая трансграничные подземные воды;

провести региональную оценку и картирование защищенности пресных подземных вод от загрязнения с поверхности земли по отдельным артезианским бассейнам;

выполнить оценку перспектив искусственного восполнения пресных подземных вод на действующих и проектируемых водозаборах;

выполнить гидрогеологическое обоснование мероприятий по созданию резервных источников питьевого водоснабжения городов, основанного на использовании экологически чистых защищенных от загрязнения пресных подземных вод;

выполнить гидрогеологическое обоснование региональных Схем комплексного использования и охраны водных ресурсов отдельных крупных речных бассейнов.

49

Education

Ресурсы пресных подземных вод и их использование для водоснабжения населения (И.С. Зекцер)