Формирование химического состава подземных вод

Формирование химического состава грунтовых вод аридных территорий связано с проявлением всей фуппы процессов, рас­смотренных выше (см. гл. 4). Однако в связи с характером при­родных, прежде всего климатических, условий и связанными с этим закономерностями формирования режима и баланса грунто­вых вод проявление этих процессов в пределах аридных территорий характеризуется рядом специфических особенностей.

Роль процесса выщелачивания определяется широким и в це­лом неравномерным распространением в ионно-солевом комп­лексе почв и пород зоны аэрации аридных территорий легкораст­воримых соединений типа NaCl, Na₂S0₄, NaC0₃, CaS0₄ и др. Повышенные в сравнении с гумидной зоной содержания легко­растворимых соединений определяются, с одной стороны, широ­ким развитием здесь процессов испарения и континентального засоления почв и пород зоны аэрации, а с другой — медленными скоростями их растворения и выноса (так же как из первично за-

Глубина уровня подземных вод, м

О г а

Глубина уровня подземных вод, м

О

-I 2

3

4

XI

VI X

VI X

1972

1973

1974

Рис. 13.7. Графики режима уровней подземных вод Богаевско-Садковской оросительной системы (по Д.М. Кацу и В.М. Шестакову)', а — зона влияния магистрального оросительного канала; в — орошаемые земли; в — естествен­ные условия (неорошаемые земли); г — орошаемые земли в зоне влияния кол­лекторно-дренажной сети

гипсованных или засоленных пород) в связи с малыми (мм/год, в редких случаях десятки мм/год) величинами инфильтрационно- конденсационного питания. Изменение (от участка к участку) степени засоленности верхней части разреза, состава ионно-соле­вого комплекса горных пород, а также величин и скоростей ин­фильтрации приводит к тому, что уже в процессе “инфильтраци­онного выщелачивания” возможно формирование грунтовых вод существенно различного химического состава и минерализации. При этом пресные подземные воды с минерализацией менее 1,0 г/л (НС0₃—Ca(Na); HC0₃(S0₄)—Ca(Na) и другого состава) формиру­ются главным образом на участках интенсивного питания грунто­вых вод (зоны поглощения руслового стока рек и каналов, участки

с интенсивным увлажнением за счет большого количества осадков, таяния снега, поверхностного склонового стока и др.) или на участках, где верхняя часть разреза представлена незаселенными, преимущественно высокопроницаемыми породами (галечники, гравийно-песчаные образования, интенсивно-трещиноватые или закарстованные породы и т.д.). При среднем уровне засоленности разреза и малых величинах инфильтрационно-конденсационного питания формируются грунтовые воды относительно повышен­ной минерализации (до 1,5—3,0 г/л и более) S0₄(HC0₃)—Na(Ca); S0₄—Na(Ca) и другого состава (Маринов и др., 1978). На участ­ках распространения интенсивно засоленных почв и пород зоны аэрации (солончаки, солонцы, погребенные засоленные почвы, террасы соленых озер, современные морские отложения и др.) непосредственно в процессе инфильтрационно-конденсационно- го питания формируются преимущественно хлоридные (Cl—Na; Cl(S0₄)—Na и др.) воды в основном повышенной и высокой (10—50 г/л и более) минерализации.

Различные сочетания перечисленных выше факторов приводят к тому, что на обширных площадях аридных территорий с естест­венными условиями и относительно большими (10—15 м и более) глубинами залегания уровня фунтовых вод (что исключает замет­ное влияние испарения) непосредственно в процессе инфильфа- ционно-конденсационного питания формируются преимуществен­но воды “пестрого” химического состава с минерализацией от менее 1,0 до 3—4 г/л и более. При этом широкое распространение грунтовых вод с минерализацией менее 1,0 г/л характерно глав­ным образом для полуаридных районов с коэффициентами ув­лажнения 0,5—0,6 и более, для межгорных впадин и предгорных равнин, относительно приподнятых участков, сложенных интен­сивно-трещиноватыми и закарстованными породами, и др. На обширных равнинных территориях аридной зоны (пустыни, полу­пустыни) грунтовые воды с минерализацией менее 1,0 г/л нередко распространены только в виде горизонтов верховодки, на локальных участках интенсивного питания, в виде линз вблизи русел рек и каналов и др. (рис. 13.8).

При значительных глубинах залегания и малых значениях ин- фильтрационно-конденсационного питания (вне участков интен­сивного поглощения поверхностных вод и орошения) для грунто­вых вод аридной зоны, как правило, не характерны существен­ные изменения (сезонные, годовые и др.) их минерализации и химического состава (Ковалевский, 1983).

Ур. воды

CISO.

K+NaCa

CISO4. -С1НС0з§04 VlONa T

1,2 K+NaMg ■' .' ■' •' . ‘ ■ ‘ • СДДдД:

.K+NaCaMg

K+Na

.-clsojs,?

CISO4.

K+Na-

CISO4'

K+NaCa

K+NaMg

K+Na

Puc. 13.8. Разрез через линзу пресных под песков Черксзли, Туркмения (по Н.Г. Шев­ченко, 1963): / — пески; 2 — глины; 3 — прослои глин, суглинков и супесей; 4 — химический состав подземных вол; 5 — изолинии минерализации, цифры — ми­нерализация подземных вод. г/л

Другие условия формирования химического состава, величины минерализации и типы подземных вод характерны для участков и площадей аридной зоны с неглубоким (до 1,0—5,0 м) залеганием уровня фунтовых вод. На таких участках разгрузка осуществляется в основном путем испарения и транспирации растительностью. Интенсивная разгрузка грунтовых вод испарением приводит к за­солению верхней части разреза, с чем связано образование и на­копление на поверхности земли, в почвенном слое и в породах зоны аэрации различных минеральных соединений, в том числе легкорастворимых (NaCl, Na₇S0₄, Na^CO,, MgCl, и др.). Типич­ным примером площадей с интенсивной засоленностью являются солончаки, широко распространенные на пониженных участках аридной зоны. Особенно интенсивно накопление солей происхо­дит на участках, где в грунтовый водоносный горизонт и через него на поверхность земли разгружаются воды более глубоких го­ризонтов с относительно повышенной минерализацией. Как было сказано выше (см. гл. 7), сам по себе процесс разгрузки грунтовых вод испарением не должен приводить к заметному увеличению их минерализации, так как накопление солей в этом случае происхо-

дит главным образом на границе капиллярной каймы; в породах зоны аэрации, в почвенном слое, на поверхности земли. Однако в периоды формирования на этих участках инфильтрационно- конденсационного питания (фильтрационных потерь при ороше­нии и т.д.) происходит “вторичное” выщелачивание легкораство­римых минеральных соединений, которые с инфильтруюшимися водами поступают в грунтовый водоносный горизонт. Длительное протекание процессов испарения и вторичного выщелачивания легкорастворимых соединений неизбежно приводит к засолению фунтового водоносного горизонта под солончаковыми понижения­ми нередко до концентрации рассолов (50—100 г/л). В котловинах соленых озер на поверхности современных и верхнечетвертичных морских террас (Западная Туркмения) минерализация грунтовых вод в ряде случаев достигает 150—200 г/л и более. Химический состав грунтовых вод может быть различным; НС0₃—Na(Mg); S0₄(C1)—Na(Mg); Cl—Na, однако при минерализации более 5,0 г/л дальнейшее концентрирование связано главным образом с на­коплением хлоридов и сульфатов натрия и магния (Основы гид­рогеологии, 1980).

Гидрогеохимический режим фунтовых вод на участках с естествен­ным засолением связан с периодами формирования инфильтра- ционно-конденсационного питания и с сезонными изменениями положения уровня грунтовых вод. Поступление легкорастворимых соединений с инфильтрационными водами приводит к увеличе­нию минерализации и изменению химического состава фунтовых вод в верхней части водоносного горизонта, которые в зависимости от структуры потока грунтовых вод на данном участке в той или иной мере могут распространяться на всю мощность водоносного горизонта и даже на нижележащие горизонты разреза (см. гл. 7).

В периоды подъема уровня грунтовых вод изменение их состава и минерализации в верхней части водоносного горизонта связано с выщелачиванием легкорастворимых соединений, накапливаю­щихся при низком положении уровня выше фаницы капиллярной каймы, и процессами ионного обмена между грунтовыми водами и породами зоны аэрации.

На орошаемых площадях аридной зоны в первый период после начала орошения и связанного с этим общего подъема уровня грунтовых вод формирование химического состава и минерализа­ции подземных вод определяется процессами растворения солей, содержащихся в породах зоны аэрации (обводнение пород зоны аэрации при фильтрации оросительных вод и подъеме уровня грунтовых вод), а также процессами ионного обмена. Это, как правило, приводит к относительному увеличению минерализации грунтовых вод. Анионный состав грунтовых вод в зависимости от ионно-солевого комплекса пород зоны аэрации может быть раз­личным, а изменение их катионного состава в этом случае связа­но преимущественно с увеличением относительного содержания иона натрия (см. гл. 4). В дальнейшем при эксплуатации ороси­тельных систем процессы формирования химического состава и минерализации грунтовых вод определяются глубиной залегания их уровня. При значительных (5,0—6,0 м и более) глубинах зале­гания уровня солевой баланс грунтового водоносного горизонта определяется только составом и минерализацией оросительных вод, процессами выщелачивания и обмена в породах зоны аэра­ции (роль этих процессов постепенно уменьшается при эксплуа­тации оросительной системы) и выносом растворенных веществ грунтовым потоком. При использовании для орошения относи­тельно маломинерализованных вод в общем случае происходят постепенное уменьшение минерализации и соответствующие из­менения химического состава грунтовых вод. При неглубоком (менее 5,0 м) залегании уровня грунтовых вод формирование их химического состава и минерализации определяется соотношени­ем величин питания и разгрузки путем испарения. На слабодре- нируемых орошаемых массивах с глубинами залегания уровня грунтовых вод I—2 м интенсивная разгрузка грунтовых вод испа­рением с течением времени (в отдельных случаях достаточно быстро) приводит к развитию процессов вторичного засоления почвенного слоя и формированию минерализованных вод суль­фатного, хлоридно-сульфатного, преимущественно натриевого и магниево-натриевого состава. Рассоление почвенного слоя, с чем связана возможность дальнейшего сельскохозяйственного исполь­зования вторично засоляющихся земель, происходит в процессе орошения, в частности при проведении специальных, так назы­ваемых “промывных”, поливов, расходы которых при промывах сильнозасоленных земель достигают 10—20 тыс. м³/ч и более на 1 га площади (Кац, Шестаков, 1981). Основной расходной статьей солевого баланса грунтовых вод в этих условиях является вынос солей с дренажным стоком. Сброс дренажных вод, имеющих отно­сительно повышенную минерализацию, как правило, более 1,0 г/л, содержащих компоненты минеральных удобрений, химические ве­щества, используемые для борьбы с сорняками и сельскохозяйст­венными вредителями, в реки, озера, бессточные впадины и др. (см. рис. 13.5) обычно приводит к прогрессирующему загрязнению поверхностных и грунтовых вод.

Рассмотренные выше общие закономерности формирования подземных вод аридных территорий характерны главным образом для грунтового водоносного горизонта, залегающего первым от поверхности земли. Более глубоко залегающие подземные воды относительно меньше зависят от комплекса ландшафтно-клима­тических условий аридных территорий, и в общем случае такая зависимость резко уменьшается с увеличением глубины залегания подземных вод. Однако для межпластовых водоносных горизон­тов первого гидрогеологического этажа артезианских бассейнов платформенного типа, межгорных бассейнов, а также трещинно­жильных и пластово-трещинных вод верхней части разреза склад­чатых областей аридной зоны с равнинным или низкогорным ре­льефом условия формирования и распределения величин совре­менного питания, структура потоков подземных вод, условия их разгрузки, гидрогеохимическая зональность разреза (см. гл. 7—9) в той или иной мере всегда связаны с рассмотренными выше об­щими закономерностями формирования грунтовых вод этой зоны.

В пределах аридных территорий подземные воды часто явля­ются единственным источником хозяйственно-питьевого водо­снабжения. Однако в пустынных и полупустынных районах от­носительно повышенная в целом минерализация грунтовых вод делает их непригодными для использования в питьевых и хо­зяйственных целях. Во многих случаях в аллювиально-озерных и эоловых отложениях этих районов маломинерализованные (до 1—2 г/л) грунтовые воды, пригодные для использования, рас­пространены преимущественно в виде линз, залегающих в верхней части водоносного горизонта на соленых водах, или на подстила­ющих слабопроницаемых породах. Наиболее широко распростра­нены линзы пресных вод прируслового (долины рек) и прика­нального типа, формирующиеся за счет питания поверхностными водами. Благоприятные условия формирования “пресных" линз характерны также для участков, прилегающих к сухим руслам, где возможно формирование периодического поверхностного стока в годы (сезоны) повышенной водности; под понижениями, заняты­ми такырами и др. Формирование относительно некрупных линз маломинерализованных вод возможно также на локальных участ­ках, где по различным причинам существуют более благоприят­ные условия инфильтрационного и конденсационного питания (распространение с поверхности высокопроницаемых пород, по­нижения, в которых в зимний период накапливается более мощ­ный снежный покров и др.). В ряде случаев линзы маломинера­лизованных вод в эоловых отложениях пустынь рассматриваются как реликтовые образования предыдущих более влажных этапов четвертичного периода.

Размеры линз маломинерализованных вод в плане изменяются от нескольких до 200—400 км², в исключительных случаях до 1000—2000 км² и более. Площадь Ясханской линзы (Централь­ные Каракумы) в пределах контура распространения грунтовых вод с минерализацией менее 1,0 г/л составляет 1770 км², площадь Джилликумской линзы — около 3000 км² (Гидрогеология СССР. Т. XXXVIII. 1971). Мощность слоя "пресных” вод в линзах изме­няется от 1—2 м у линз ограниченных размеров до 30—40 м в центральных частях крупных линз, в исключительных случаях, с учетом постилающих рыхлых озерно-аллювиальных отложений, до 100 м и более. Возможности эксплуатации линз пресных вод во многих случаях резко ограниченны в связи с относительно ма­лой мощностью слоя пресных вод, незначительными ресурсами и близким залеганием подземных вод с повышенной минерализа­цией. Однако на крупных линзах со значительной мощностью пресных вод и относительно высокой (до 10 м/сут и более) про­ницаемостью водовмещающих пород возможна эксплуатация водозаборов с производительностью до 10 тыс. м³/сут и более.

При определенном строении гидрогеологического разреза особен­но в краевых частях артезианских бассейнов (Западно-Сибирская область, Сырдарьинский бассейн и др.) маломинерализованные подземные воды могут быть широко распространены в залегаю­щих ниже межпластовых водоносных горизонтах, изолированных от засоленных фунтовых вод выдержанными слоями слабопрони­цаемых пород (см. гл. 10).

Вопросы к главе 13

1. Основные особенности формирования подземных вод аридных территорий.

2. Взаимодействие поверхностных и подземных вод.

3. Причины, определяющие изменение минерализации грунтовых вод в диапазоне от менее 1,0 до 100 г/л и более.

4. Роль процессов испарения в формировании минерализации и хи­мического состава грунтовых вод.

5. Режим грунтовых вод на орошаемых территориях.

6. Линзы "пресных" подземных вод. Условия формирования.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

История жизни и развития человеческого общества в опреде­ленной мере может рассматриваться как история интенсивно раз­вивающегося хозяйственного использования (потребления) при­родных ресурсов Земли. Важнейшим видом природных ресурсов, без которых невозможны не только жизнь человеческого общества, но и существование жизни на планете, являются природные воды. Оценивая существующую и перспективную потребность тех или иных регионов планеты в водных ресурсах, обычно имеют в виду использование их для организации различных видов водо­снабжения. Однако значение подземных вод в жизни человеческого общества не ограничивается только нуждами водоснабжения, по­скольку они используются как комплексное полезное ископаемое: в лечебных целях, в качестве сырьевых и термоэнергетических ресурсов. Исключительную роль подземных вод в жизни челове­ческого общества четко сформулировал академик А.П. Карпин­ский (1931): “...нет более драгоценного ископаемого, как вода”.

Виды хозяйственного использования подземных вод в настоя­щее время определяются главным образом величиной их минера­лизации, компонентным (химическим) составом и температурой. В соответствии с видом хозяйственного использования все подзем­ные воды подразделяются на пресные (слабоминерализованные), используемые для организации хозяйственно-питьевого водо­снабжения и сельскохозяйственного орошения (питьевые, техни­ческие, оросительные); минерсиьные лечебные воды, применяемые для организации санаторно-курортного лечения или в качестве столовых и лечебных; минеральные промышленные, являющиеся сырьем для получения промышленно ценных компонентов (гид­роминеральное сырье); термальные, или теплоэнергетические, ис­пользуемые в качестве источника получения тепловой энергии.

По аналогии с другими видами полезных ископаемых в гидро­геологии широко используется понятие “месторождение подземных вод'\ под которым следует понимать балансово-гидродинамический элемент подземной гидросферы, в пределах которого возможно по­

лучение (отбор) подземных вод определенного состава и качества в количестве, достаточном для их экономически целесообразного ис­пользования.

В качестве балансово-гидродинамического элемента в этом случае рассматривается (см. гл. 6) любым образом ограниченный элемент подземной гидросферы, т.е. границами месторождения в отличие от гидрогеологического района могут являться не только естественные границы того или иного вида, но и условные (рас­четные) балансово-гидродинамические границы.

Содержание понятия “месторождение подземных вод” опре­деляется спецификой полезного ископаемого “подземные воды”. В соответствии с этим понятием запасы подземных вод (так на­зываемые эксплуатационные запасы, см. ниже) определяются не объемом воды, содержащимся в рассматриваемом элементе под­земной гидросферы, а тем количеством подземных вод, которое может быть получено при эксплуатации месторождения. В расче­те на период эксплуатации запасы подземных вод месторождения в зависимости от его типа могут быть как меньше, так и больше объема воды, содержащегося в данном элементе подземной гид­росферы. Это связано с тем, что в отличие от всех других видов полезных ископаемых подземные воды обладают уникальным свойством — возобновляемостью. Характеризуя эту особенность подземных вод, Ф.А. Макаренко и Ф.П. Саваренский сформули­ровали принципиально важное положение о том, что запасы под­земных вод являются неисчерпаемыми в пределах их возобновления. Понятие “воды различного состава и качества” определяется ве­личиной минерализации, составом и концентрацией тех или иных химических компонентов, температурой воды и другими характеристиками, что определяет различные виды воды по усло­виям их использования.

В определении месторождения подземных вод принципиально важными также являются понятия “экономическая целесообраз­ность" (А.М. Овчинников) и “техническая рациональность” их использования. Эти очень емкие по своему содержанию понятия определяют тот факт, что в качестве месторождения подземных вод не может рассматриваться любой элемент подземной гидро­сферы, содержащий подземные воды определенного состава и ка­чества. Подземные воды того или иного состава и качества рас­пространены практически повсеместно и могут встречаться в виде источников, при проходке глубоких скважин и других горных вы­работок практически в любой точке планеты. Однако в одних случаях состав и качество воды не будет соответствовать имею­щейся потребности; в других — количество воды (возможный от­бор) будет меньше объемов, необходимых для потребления; в третьих — эксплуатация подземных вод экономически нецелесо­образна в связи с современными техническими возможностями извлечения подземных вод или значительной удаленностью воз­можного участка эксплуатации от потребителя и т.д. Во всех слу­чаях такие скопления подземных вод по существующим требова­ниям не рассматриваются как месторождения. Отсюда становится ясным, что понятие “месторождение подземных вод” является в настоящее время в определенной мере условным. Помимо общих вопросов необходимо учитывать, что условия формирования и типы месторождений подземных вод, закономерности их распро­странения, запасы подземных вод и т.д. различны в зависимости от вида подземных вод по возможности их хозяйственного ис­пользования.