Составитель: Н.В. Осинцева

Источники:Всеволжский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во МГУ, 2007.- 448 с.Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. – 423 с.Леонова А.В. Основы гидрогеологии и инженерной геологии. Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- 147 с.

Использование и охрана подземных вод

конспект лекций

Месторождения подземных вод

O Месторождение подземных вод - балансово-гидродинамический элемент подземной гидросферы, в пределах которого возможно получение (отбор) подземных вод определенного состава и качества в количестве, достаточном для их экономически целесообразного использования.

O Границы месторождения : естественные, условные (расчетные) балансово-гидродинамические границы.

O Запасы подземных вод в месторождении определяются не объемом воды в элементе подземной гидросферы, а тем количеством подземных вод, которое может быть получено в результате эксплуатации месторождения. Они могут быть как меньше, так и больше объема воды, который содержится в элементе подземной гидросферы.

O Запасы подземных вод являются неисчерпаемыми в пределах их возобновления.

Запасы подземных вод – количество воды (объем, масса), содержащееся в рассматриваемом элементе гидросферы (водоносный горизонт, месторождение и т.д.).Ресурсы подземных вод – величина их возобновления (восполнения) в естественных условиях или в условиях эксплуатации за определенный период времени.

O Естественные запасы/ресурсы – формируются в естественных природных условиях

O Искусственные запасы/ресурсы – формируются за счет искусственного обводнения – «магазинирования» горных пород

Эксплуатационные запасы/ресурсы – это количество воды (расход, м3/сут.), которое может быть получено на месторождении с помощью рационального в технико-экономическом отношении водозаборного сооружения при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям целевого использования в течение расчетного срока водопотребления при условии отсутствия экологически негативных последствий эксплуатации (ущерб речному стоку, аридизация ландшафтов и т.д.).

Ресурсы подземных вод территории России

Федеральный округПлощадь, тыс.км2

Прогнозные ресурсы,

млн.м3/сут.

Модуль прогнозны

х ресурсов,

л/с·км2

Эксплуатационные запасы на 01.01.2002 г.,

тыс. м3/сут.

Северо-Западный 1678,2 111,8 0,77 4521,0

Центральный 652,8 67,9 1,026 26123,9

Приволжский 1037,8 97,1 1,08 15902,6

Северо-Кавказский

589,2 38,9 0,76 15445,6

Уральский 1788,9 175,4 1,14 5521,4

Сибирский 5114,8 357,7 0,81 14896,4

Дальневосточный 6215,9 249,0 0,46 6967,7

Россия в целом 17077,5 1098 0,74 89378,8

O Естественные ресурсы –787,5 км3 в годO Разведанные запасы – 29 км3 в годO Запасы, подготовленные к освоению — более 20 км3в год

Виды месторождений подземных вод

1. Пресные – используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения и сельскохозяйственного орошения (питьевые, технические, оросительные).

2. Минеральные лечебные – применяются в санаторном лечении и в качестве питьевых столовых вод

3. Минеральные промышленные – являются сырьем для получения промышленно ценных компонентов (гидроминеральное сырье)

4. Термальные (теплоэнергетические) – используются в качестве получения тепловой энергии.

Пресные воды хозяйственно-питьевого назначения - пресные (с минерализацией менее 1 г/л) и иногда слабоминерлизованные (до 3 г/л) воды.

Показатели качества воды Норматив, ПДК, не более, мг/лГруппа Наименование

Микробиологические

Число микроорганизмов в 1 мл

100

Число бактерий кишечной палочки в 1 мл (колииндекс)

3

Токсикологические Алюминий остаточный 0,5

Бериллий 0,0002

Молибден 0,25

Мышьяк 0,05

Нитраты (по NO3) 45,0

Свинец 0,03

Селен 0,001

Стронций 7,0

Фтор 1,2–1,5

Полиакриламид 2,0

Кадмий 0,001

Никель 0,1

Нормативы качества питьевых вод (СанПин 2.1.4.559–96), с сокращением

Показатели качества воды Норматив, ПДК, не более, мг/лГруппа Наименование

Химические, влияющие на органолептические свойства

рН 6,0–9,0Железо 0,3(1,0)Жесткость общая 7(10) мг-эквМарганец 0,1 (0,5)Медь 1,0Цинк 5,0Полифосфаты 3,5Сульфаты 500Хлориды 350Сухой остаток 1000 (1500)Запах при 20°С и при нагревании до 60°С

2 балла

Вкус и привкус при 20°С

2 балла

Цветность 20 градусовМутность 1,5

1.Величины, указанные в скобках, устанавливаются по согласованию с санитарно-эпидемиологическими органами

2.Сумма концентраций хлоридов и сульфатов, выраженных в долях ПДК, не должна быть более 1.

3.Если в воде содержится несколько токсических веществ, то сумма, выраженная в долях ПДК каждого из них, не должна превышать 1.

4.ПДК специфических химических веществ-поллютантов (загрязнителей), связанных с промышленными и сельскохозяйственными стоками, также жестко нормируется.

Нормативы качества питьевых вод (СанПин 2.1.4.559–96), с сокращением (продолжение)

Основные типы месторождений пресных вод

O подземные воды в речных долинах

O артезианские бассейны платформенного типа

O артезианские бассейны межгорных впадин и конусов выноса

O ограниченные по площади структуры и массивы трещиноватых или закарстованных пород и потоков трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений

O грунтовые воды песчаных массивов

O межморенные отложения

O подземные воды в области распространения многолетнемерзлых пород

Ресурсы пресных подземных вод

России

O для территории южных районов России, среднеазиатских государств СНГ, Азербайджана и других стран использование подземных вод достигает 50% и более от общих величин водопотребления

O Примерно в 50% городов России хозяйственно-питьевое водоснабжение основано на использовании подземных вод, 25% используют совместно поверхностные и подземные воды

Суммарные прогнозные ресурсы пресных подземных вод территории России составляют 1098 млн. м3/сут.

Используетсяоколо 170 млн. м3/сут., что составляет в среднем по стране около 10% суммарного водопотребления

Минеральные воды

O Основные компоненты лечебных минеральных вод – С02св , H2S, Fe, As, Br, I, H4Si04, Rn, органические вещества

O Учитываются: щелочно-кислотное состояние, температура, общее содержание растворенных компонентов

Лечебные минеральные воды - воды, обладающие бальнеологическими свойствами благодаря наличию в их составе различных минеральных, органических или радиоактивных веществ, в том числе газов, в терапевтически активных концентрациях

Воды, свойства которых позволяют использовать их в качестве лечебных или промышленных.

Формула М. Г. Курлова(предложена М. Г. Курловым и Э. Э. Карстенсом

в 1921 г.)

𝑪𝑶𝟐 𝟐 ,𝟎 𝑩𝒓 𝟎 ,𝟎𝟔 𝑴 𝟐 ,𝟑𝑯𝑪𝑶𝟑𝟔𝟎 ,𝑺𝑶𝟒 𝟐𝟗 ,𝑪𝒍𝟏𝟏

𝑪𝒂𝟔𝟎 ,𝑴𝒈𝟐𝟑 ,𝑵𝒂𝟏𝟕𝒑𝑯 𝟔 ,𝟑𝒕𝟏𝟑

CO2 2,0 – вид растворенного в воде газа и «газовый фактор» (соотношение дебита газа и воды).Br 0,06 – сведения о специфических компонентах в составе водыM2,3 – общая минерализация — содержание солей в граммах на литрдробь — ионный состав. В числителе – анионы (отрицательно заряженные ионы), в знаменателе — катионы (положительно заряжённые ионы), в процент-эквивалентах, в убывающем порядке. Сумма тех и других порознь составляет 100. pH — водородный показатель активной реакции (щелочности-кислотности) воды,t — температура в градусах по Цельсию,D — суточный дебит воды в м³.

Основные бальнеологические группы лечебных минеральных вод

O УглекислыеO СульфидныеO Железистые, мышьяковистые и др.O Бромные, йодобромные и йодныеO С повышенным содержанием

органических веществO РадоновыеO Кремнистые термальныеO Без специфических компонентов и

свойств (лечебные свойства определяются составом макрокомпонентов и величиной минерализации)

Углекислые воды – содержат растворенный углекислый газ

Формирование углекислоты в подземных водах связано с современным термометаморфизмом, вулканизмом, биохимическими процессами

Установлено около 30 типов углекислых вод – от пресных гидрокарбонатных и сульфатно-гидрокарбонатных до хлоридных с минерализацией до 90 г/дм3. Наиболее распространенными являются нарзаны, боржоми и ессентуки

Районы распространения:1) горно-складчатые области Kz возраста (или активизированные в Kz) – Северный Кавказ2) области современного вулканизма – Камчатка, Курильские острова

Характеризуются максимальной для подземных вод газонасыщенностью. Соотношение дебитов газа и воды («газовый фактор») обычно составляет 1,5–5,0, но может достигать 15–20, как правило, он возрастает с глубиной.

Нарзаны – углекислые холодные или теплые пресные и слабосолоноватые воды гидрокарбонатного (реже сульфатного), кальциевого состава.

Свое название нарзаны получили от источника Нарзан в курорте Кисловодск (Северный Кавказ). Нарзаны также распространены в Забайкалье (курорт Аршан – Бурятия, Дарасун – Читинская обл.), и на Северном Кавказе (Пятигорск, Железноводск).

Химическая формула воды одного из источников нарзана

Курорт Кисловодск, источник Нарзан 

 CO2 2,0 – «газовый фактор» (соотношение дебитов газа и воды)М 2,3 – минерализацияHCO3 60, SO429,Cl11 – количество анионов в процент-эквивалентахCa60,Mg23,Na17 – количество катионов в процент-эквивалентахpH6,3 – величина водородного показателяt13 – температура в градусах Цельсия.

Боржоми – характерный «содовый» тип углекислых вод.

Получил свое название от одноименного курорта в Грузии. Аналогичный состав имеет вода Балейских источников в Забайкалье.

Химическая формула воды одного из источников боржоми

Боржоми, скв.1, глуб. 197 м 

Боржомское месторождение минеральных вод находится в центральной части Аджаро-Имеретинского хребта Кавказских гор на абсолютной высоте 760-920 м над уровнем моря. Боржоми добывают из 9 скважин, расположенных на территории Боржомского заповедника. Глубина скважин – от 1200 до 1500 м.

Долина Боржоми

Ессентуки – соляно-щелочной тип углекислых вод. Характеризуется примерно равным содержанием гидрокарбонат- и хлор- ионов.

Свое название ессентуки получили получили по имени курорта Ессентуки, Северный Кавказ.

Химическая формула воды одного из источников ессентукиКурорт Ессентуки, скв. 17 глуб. 124 м, мергели, песчаники

 

Сульфидные (сероводородные) воды – содержат растворенный сероводород H2S и

гидосульфид-ион Hs-1

Генезис сероводорода в подземных водах может быть: магматический, химический, биохимический. Большинство минеральных вод содержит сероводород биохимического происхождения – продукт жизнедеятельности бактерий

Cероводород активно взаимодействует с окисленными

формами белков в человеческом организме и способствует

восстановлению биоэнергетических ресурсов клеток, в том числе сердца.

Сульфидные воды применяются для лечения сердечно-сосудистых,

нервных, кожных заболеваний.

Максимальные концентрации сероводорода известны для нефтяных вод (до 20 г/дм3). Доля сероводорода в общем газовом составе сульфидных вод как правило менее 1%, в них преобладают метан, углекислота или азот.

Сероводород – бесцветный ядовитый газ с резким

запахом, ощущаемым уже при концентрации 1мг/дм3,

плотность его несколько выше плотности воздуха (1.539 г/дм3). Он хорошо

растворяется в воде.

Типы сульфидных вод по условиям формирования

Межпластовые воды в сульфатсодержащих, обогащенных органическим веществом породах:O артезианские бассейны

платформенного типа (Северо-Двинский, Волго-Камский),

O межгорного типа (в Средней Азии, на Кавказе),

O артезианские склоны (Сочи-Адлерский, Приазовский)

Месторождения, связанные с приповерхностной частью разреза. Формируются под

богатыми органикой торфяно-болотными отложениями, где

в восстановительной среде формируется благоприятная

для сульфатредуцирующих бактерий обстановка.

Генерация сероводорода не так интенсивна (обычно 10–30

мг/дм3), месторождения это типа менее распространены,

чем первого.Примеры месторождений –

Хилово (Псковская обл.), Белый Яр (Томская обл.)

Формула лечебной минеральной водыКурорта Новая Мацеста (Сочи-Адлерский артезианский

склон) 

O Мацеста - Источник сероводородных минеральных вод, расположен в районе курорта Сочи в пластах битуминозных известняков юры и мела, круто падающих к морю.

O Минерализация сульфидных вод Мацесты изменяется от 6 до 47 г/дм3, содержание сероводорода достигает 0,65 г/дм3, состав хлоридно-натриевый

Железистые, мышьяковистые и др. минеральные воды с повышенным

содержанием металловПрименяются для лечения железодефицитных анемий и в ряде случаев более эффективны, чем химические препараты. Бальнеологическим компонентом является двухвалентное железо. Его миграции способствует кислая реакция воды. Минеральные воды этой группы разнообразны по химическому составу и условиям формирования.

Азотные слабожелезистые слабоминерализованные воды. Формируются в обогащенных железом рыхлых, часто моренных отложениях четвертичного возраста (скв. Полюстрово, С-Петербург) или на контакте с корой выветривания сульфидизированных пород (Марциальные воды, Карелия).

Скв. Полюстровская, С.-Петербург, глуб. 41 м, гравийные пески, Q

Железистые, мышьяковистые и др. минеральные воды с повышенным

содержанием металловВысокожелезистые кислые воды сульфатного состава в зоне окисления сульфидных руд, содержащие также алюминий и другие металлы (п. Гай, Оренбургская обл.). Обогащение железом происходит при активном участии различных тионовых и железобактерий

Курорт Гай, скв. 47, глуб. 50 м, кварцевые песчаники J2

Углекислые железистые воды – широко распространены в складчатых областях (Кавказ, Карпаты, Забайкалье и др.) и областях современного вулканизма. Они часто являются термальными. Обогащение железом происходит в процессе гидролитического и термохимического разложения его минералов, а удержанию железа в растворе способствует углекислота термометаморфического или магматического генезиса

Мышьяковистые и мышьяковые воды – содержат мышьяковистую (H3AsО4) или мышьяковую (H3AsO3) кислоту, углекислоту, бор, кремниевую кислоту, железо, бром, йод. Формируются в обогащенных мышьяком горных породах, при термометаморфических процессах на глубине, способствующих отгонке мышьяка.Наиболее известны месторождения – Синегорск (Сахалин), Чвижипси (Кавказ)

Бромные, йодобромные и йодные минеральные воды

Воды с минерализацией от 10 до 540 г/дм3 и содержанием брома не менее 25 мг/дм3 или йода не менее 5 мг/дм3, применяются для лечения сосудистой и нервной системы

Месторождения обычно приурочены к глубоким артезианским структурам. Их состав хлоридный натриевый или кальциевый, газовый состав обычно метановый.

Известные месторождения йодобромных вод: на Кавказе (Майкоп, Анапа, Сочи, Нальчик), в Пермском крае (Усть-Качка), Свердловской области (Тавда, Туринск, Талица)

 Курорт Усть-Качка, Пермский край

Минеральные воды с повышенным содержанием органических веществ

Применяются для лечения заболеваний желудка, печени, почек.

Самый известный курорт – Трускавец (Западная Украина)

Воды месторождения холодные (7°С) гидрокарбонатные магниево-кальциевые с различной минерализацией – от пресных (0,5–1,0 г/дм3) до рассольных (400 г/дм3).

По микрокомпонентному составу не отличаются от обычных грунтовых вод, но содержат высокие концентрации органических веществ(до 120 мг/дм3) – гуминовые вещества, жирные и нафтеновые кислоты, битумы, фенолы. Имеют запах керосина и нефти.

Воды вскрываются в сводах брахиантиклинали, где отмечены разнообразные нефте- и газопроявления. Водовмещающие породы представляют собой битуминозные песчаники миоценового возраста.

Радоновые минеральные воды

Широко развиты в пределах Балтийского щита, на Урале, Кавказе, Алтае-Саянской, Забайкальской складчатых областях.

Наиболее известны месторождения: Увельды (Челябинская обл.), Пятигорск (г. Машук, северный Кавказ), Белокуриха (Алтай).

Содержат радона не менее 5 нКи/дм3. Применяются при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Генезис радона связан с содержанием в водовмещающих породах минералов радия. Радоновые воды распространены в горно-складчатых областях в массивах кислых изверженных пород или интрузий.

Кремнистые термальные воды

Кремнистые термальные воды распространены в горно-складчатых областях.Генезис кремнекислоты связан с гидролизом силикатов щелочных металлов при высоких давлениях и температурах.Наиболее известные месторождения: Кульдур (Хабаровский край), Паратунские источники (Камчатка), Старые Термы (Кавказ, Тбилиси), Майкоп (Кавказ), Пятигорск, Железноводск (Северный Кавказ)

Обширная группа азотных, метановых и углекислых термальных вод, в которых основным бальнеологическим компонентом является кремнекислота (H2SiO3 > 50 мг/дм3). Применяется при лечении кожных, нервных, сосудистых заболеваний, болезней опорно-двигательного аппарата.

Термальный источникп. Кульдур Еврейской АО,

Буреинский хр.

Промышленные минеральные водыO Воды, содержащие полезные компоненты в количествах, обеспечивающих

их рентабельную добычу и переработку с использованием современных технологий в качестве сырья для химической промышленности.

O Могут содержать бром, йод, бор, литий, рубидий, цезий, калий, магний, поваренную соль, сульфат натрия, радий, стронций, гелий и др.

Бассейн промышленных йодобромных вод

Тип воды Минимальный дебит одной скважины, тыс. м3/сут.

Предельное понижение динамических уровней, м

Суммарный дебит одного водозабора, тыс. м3/сут.

Волго-Камский I-Br 0,47–1,00

490–620

10–22

То же Br 0,98 700 20Тимано-Печорский

I-Br 0,50 630 12

Московский Br 0,50 680 35То же I-Br 0,35–

1,00640–750

25–50

Ангаро-Ленский Br 0,065 600 2,0

Западно-Сибирский

I 1,00 750 30

Азово-Кубанский I-Br 1,00 750 18

Ориентировочные требования к промышленным йодобромным водам ряда районов России (Бондаренко, Куликов, 1984)

Промышленные минеральные воды

Минимально допустимы концентрации ценных компонентов в промышленных водах

(Методические рекомендации…, 1977)

Компонент Минимальная

концентрация, мг/дм3

Компонент

Минимальная концентрация,

мг/дм3

NaCl 5·104 Mg 1000–5000Na2SO4 5·104 K 350–1000

NaHCO3

+ Na2CO3

5·104 Li 10–20

Br 250–500 Rb 3I 18 Cs 0,5  200 Ra 10-5–10-6

I, B2O3 10–75 Sr 300

I и Br 10–200 Ge 0,5

Термальные воды

Термальные воды - воды, температура которых больше 20°С / воды с температурой больше средней годовой температуры воздуха данной местности.Абсолютные термы – воды с температурой >37°СТеплоэнергетические воды – воды с температурой выше 85°С

Температура воды Вид использования

100–180°С (парогидротермы)

Выработка электроэнергии

70–100°С (высокопотенциальные воды)

Теплофикация и горячее водоснабжение жилых и промышленных комплексов

менее 70°С (низко- и среднепотенциальные воды)

Теплично-парниковое хозяйство, животноводство, обработка шерсти, сушильни, рыборазведение, оттаивание многолетнемерзлых пород, бальнеология

Виды использования термальных подземных вод

Охрана подземных вод от истощенияПричины истощения • откачка воды из

водоносных горизонтов,

• осушение болот,• шахтный или

карьерный водоотлив,

• вырубка леса,• понижение

уровня поверхностных водотоков и водоемов и др.

Меры защиты от истощения• соблюдение норм

отбора воды• регулярная

переоценка запасов

• искусственное восполнение запасов

Охрана подземных вод от загрязненияЗагрязнение подземных вод – любое ухудшение их качества

Источники загрязнения: инфильтрация загрязненных атмосферных осадков, поглощение загрязненных поверхностных вод, инфильтрация осадков через загрязненные почвы, фильтрация жидких отходов производства, коммунально-бытовых стоков, захоронение жидких и твердых промышленных отходов

Пути загрязнения: заброшенные, но не закрытые колодцы, буровые скважины, шахты, скважины

Виды загрязнения: бактериальное, химическое, тепловоеСанитарно-защитные зоны водозаборов – охватывают территорию водозабора и площадь, с которой происходит приток подземных вод к водозабору. Зоны санитарной охраны:

O Зона строгого санитарного режимаO Зона санитарного контроляO Зона санитарной охраны