Гидрология суши: подземные воды

В монографии даётся обзор природы подземных вод суши, рассматриваются подходы к определению, факторы и условия их существования, исследуются основные протекающие процессы и варианты целевого применения. Изложенный материал является продуктом систематизации опубликованных результатов исследований из... more
155
Views
Books > Science
Published on: 2016-10-01
Pages: 283

ё [Введите название документа] [Введите подзаголовок документа] Asus PC [Выберите дату] Пудовкин О.Л.


1

УДК 556.3 ББК 26.35 В 84 Пудовкин О.Л. Гидрология суши: подземные воды. – Открытая платформа электронных публикаций SPUBLER. Дата публикации: 2016-10-01. - 282 с. В монографии даётся обзор природы подземных вод суши, рассматриваются подхо- ды к определению, факторы и условия их существования, исследуются основные проте- кающие процессы и варианты целевого применения. Изложенный материал является продуктом систематизации опубликованных резуль- татов исследований известных советских и российских учёных в области подземных вод, и ориентирован на разработчиков космических систем дистанционного зондирования Земли (КС ДЗЗ). Структура тематических задач изучения и мониторинга подземных вод на основе применения КС ДЗЗ определяется «Классификатором тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материа- лов дистанционного зондирования Земли», раздел «Гидрогеология». Монография может быть использована в образовательном процессе, и возможно заин- тересует специалистов, изучающих подземные воды и связанные с ними системы планетар- ного масштаба. Пудовкин Олег Леонидович. Научные интересы в областях: системный ана- лиз, теория систем и управления, техногенное и кос- могенное засорение космоса, международное косми- ческое право, геофизика, глобальные космические системы связи и навигации, управление проектами. Более 100 научных публикаций и 15 моногра- фий. Доктор технических наук, член-корреспондент Академии космонавтики и Академии военных наук. В космической отрасли с 1968 года: ВИКА им. А.Ф. Можайского, Командно-измерительный ком- плекс МО РФ, Научно-технический комитет РВСН, Военно-научный комитет Космический войск; вице- президент, главный конструктор, советник в органи- зациях космической отрасли; эксперт космического кластера Фонда «Сколково». Доктор технических наук Пудовкин О.Л. e-mail: PudovkinOL@yandex.ru 2


Оглавление Стр. Введение 4 1. Подземные воды России 10 1.1. Запасы и ресурсы подземных вод 11 1.2. Подземные воды России 19 1.3. Бассейновые округа 27 2. Гидросфера подземных вод 41 2.1. Вода в горных породах 42 2.2. Виды воды в горных породах 55 3. Пространственные формы залегания подземных вод 64 3.1. Почвенная вода 66 3.2. Верховодка 76 3.3. Грунтовые воды 77 3.4. Межпластовые подземные воды 104 3.5. Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах 122 3.5.1. Подземные воды в трещиноватых породах 122 3.5.2. Подземные воды в закарстованных породах 133 3.6. Подземные воды в многолетнемёрзлых породах 145 3.7. Подземные воды вулканогенных массивов 158 4. Гидрогеологическое районирование 167 4.1. Тектоническое районирование 169 4.2. Гидрогеологическое районирование 177 5. Гидрохимия подземных вод 186 5.1. Состав подземных вод 186 5.2. Химическая классификация подземных вод 214 5.3. Загрязнение подземных вод 221 6. Гидрогеохимия подземных вод 234 6.1. Качество подземных вод 236 6.2. Вода питьевая 240 6.3. Вода минеральная 250 6.4. Вода промышленная 257 6.5. Вода техническая 267 6.6. Вода теплоэнергетическая 271 7. Классификатор тематических задач гидрогеологии подземных вод 276 Заключение 279 Список литературы 280 3

Введение Земля – третья от Солнца, пятая по размеру и един- ственная среди планет Солнечной системы, название ко- торой не было взято из греко-римской мифологии. В со- временном научном представлении Земля с атмосферой рассматривается как сфера радиуса около 100 тыс. км, со- ответствующего внешней части экзосферы, часто называ- емой короной Земли; структурируется концентрическими сплошными или прерывистыми оболочками – геосферами [от греч. γῆ - земля и σφαῖρα - шар]. Положение геосфер в пространстве характеризуется величиной радиуса от цен- тра Земли или высотой над поверхностью сфероида Зем- ли, средний радиус которого около 6371 км [59]. Геосферы определяются пространствами, в которых заключены выделенные по некото- рому принципу естественные системы планеты. Обычно их образование связывают с введе- нием некоторых геофизических факторов, или фактора «жизни» – активная форма существо- вания материи, в некотором смысле высшая по сравнению с её физическими и химическими формами существования; совокупность физических и химических процессов, протекающих в клетке, позволяющих осуществлять обмен веществ и деление – биосфера. Особым видом геосферы является гидросфера [от греч. ὕδωρ - вода и σφαῖρα - шар], определение понятия которой связано с наличием молекул воды Н2О и неопределённостью представления о границах, объясняемое двумя основными фактами: наличие воды в различ- ных агрегатных состояниях практически во всех геосферах Земли (мантия, земная кора, ат- мосфера, биосфера), принципиальная возможностью постоянного обмена водой (водообмен) между ними. На этих фактах основано базовое научное положение о единстве природных вод Земли, сформулированное выдающимся советским биогеохимиком и философом Вер- надским Владимиром Ивановичем [1863-1945], в соответствии с которым гидросфера плане- ты должна рассматриваться как единая динамическая система, открытая в сторону космоса и внутренних областей Земли (мантия, ядро). Гидросфера играла и играет основополагающую роль в геологической истории Земли – в формировании физической, химической, геологиче- ской среды, климата, возникновении жизни на Земле и её развитии. Условие существования на Земле молекул воды определяется границами процессов диссоциации – химические реакция обратимого разложения 2Н2О ↔ 2Н2 + О2, которые начинают активно протекать в верхней части тропосферы Земли под воздействием корпус- кулярного и жёсткого электромагнитного излучения Солнца и высоких температур в мантии планеты. Таким образом, условно верхняя граница области определения гидросферы относи- тельно поверхности сфероида Земли по высоте в полярных областях составляет около 8-10 км, в умеренных широтах – 10-12 км, на экваторе – 16-18 км, а нижняя по глубине – опреде- ляется нижней границей мантии Земли и составляющей около 2900 км. В последнем случае определить границу повсеместной диссоциации молекул воды можно только на основе кос- венных измерений и теоретических выводов. Выделенный по признаку условий диссоциации воды радиальный планетный слой для определения гидросферы неоднороден по своим геофизическим свойствам и может быть в свою очередь разделён на ряд системно взаимосвязанных геосфер. Атмосферная гидросфера – совпадает с тропосферой, которая содержит 80% суммар- ной массы воздуха Земли и практически всю массу водяных паров атмосферы – около 1,27×1013 т. С высотой температура понижается в среднем на 0,65 0К через каждые 100 м и достигает 180÷220 0К в верхней части тропосферы. Выше тропосферы значительная часть 4

молекул воды под воздействием корпускулярного и жёсткого электромагнитного излучения Солнца разлагается на кислород и водород (процессы фото и корпускулярной диссоциации воды). В атмосферной гидросфере вода присутствует в виде агрегатных состояний: водяного пара – основное состояние; жидкости – капли дождя, облака и туман; твёрдой воды – кри- сталлы льда в облаках, снег, град и лёд. Гидросфера поверхностных вод – включает воды Мирового океана и водные объекты суши. Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн. км2, из которой воды Мирово- го океана покрывают 361 млн. км2, а площадь суши – 149 млн. км2. В северном полушарии соотношение воды и суши 61/39, в южном – 81/19. Таким образом, более 2/3 поверхности нашей планеты покрыто водной оболочкой, состоящей из океанов и морей, причём особенно существенно вода преобладает над сушей в южном полушарии. Общая площадь водных объ- ектов на поверхности суши (ледники, озёра, водохранилища, реки, болота) составляет 21,5 млн. км2, или 14,4% площади суши. Если не учитывать ледники, то на остальные водные объекты суши остаётся всего 5,2 млн. км2 (3,5% площади суши). Таким образом, общая пло- щадь водных объектов на поверхности Земли включает океаны и моря – 361 млн. км2, вод- ные объекты суши, включая ледники, – 21,5 млн. км2 и суммарно составляет 382,5 млн. км2, т.е. 75%, или 3/4 поверхности планеты. Общий объём воды в водных объектах на земном шаре около 1390 млн. км3, при этом на долю Мирового океана приходится 96,4%. Среди водных объектов суши наибольшее ко- личество воды содержат ледники – 25,8 млн. км3. Из этого количества воды на долю ледни- ков Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно 89.8; 9.7 и 0.3%. На горные ледники остается всего 0,2%. Суммарные объёмы воды озёр составляют 176 тыс. км3, болот – 11 тыс. км3, водохранилищ – 6 тыс. км3, рек – 2 тыс. км3. На долю воды в организмах приходится всего 1 тыс. км3. В гидросфере поверхностных вод основными агрегатными состояниями являются: жидкая вода (пресная и солёная), твёрдая вода – лёд и снег, а также водяной пар. Гидросфера подземных вод – включает во- ды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газооб- разном агрегатном состояниях. Под горной породой понимается любая масса или агрегат одного или нескольких минераль- ных видов или органического вещества, являю- щихся продуктами природных процессов; мо- жет быть твёрдой, консолидированной или мяг- кой, рыхлой. Подземные воды характеризуются следующими свойствами: являются объектами глобального гидрологического цикла Земли: жидкая агрегатная составляющая определяется объёмом 23400 тыс. км3 и средней активностью водообмена 1400 лет; твёрдая – подземными льдами объёмом 300 тыс. км3 и средней активностью водо- обмена 10000 лет [59]; включают свободную и связанную химически или физически подземную воду. Сво- бодная вода находится под воздействием гравитационных и капиллярных сил, отличается наибольшей подвижностью. Химически связанная вода входит в состав кристаллических решёток минералов; физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами при- тяжения с твердыми частицами породы – для них характерны неподвижность или слабая по- движность. Интенсивность водообмена различна и зависит от глубины залегания горизонтов [48]:  зона интенсивного водообмена (воды преимущественно пресные) расположены в самой верхней части земной коры до глубины 300-400 м, реже более. Активность водообмена – от десятков до тысяч лет; 5

 зона замедленного водообмена (воды солоноватые и солёные), занимает промежуточ- ное положение и располагается до глубины 600-2000 м. Активность водообмена – сот- ни тысяч лет;  зона весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов) приурочена к глубоким зо- нам земной коры и практически изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков. Активность водообмена – сотни миллионов лет. Наибольшее значение для водоснабжения имеют подземные воды, циркулирующие в зоне интенсивного водообмена. Постоянно пополняясь атмосферными осадками и водами поверхностных водоёмов, они, как правило, отличаются значительными запасами и высоким качеством. Воды двух нижних зон, расположенных до глубины 10-15 км, практически в про- цессе глобального гидрологического цикла Земли не возобновляются, запасы их не попол- няются. Температура в земной коре с глубиной возрастает согласно геотермическому градиенту со скоростью примерно 300С на 1 км, поэтому ниже глубины 10-15 км вода предположитель- но находится в парообразном и надкритическом состоянии. Гидросфера глубинных вод – включает воду земной коры и мантии, выделенные в структуре геосфер Земли по химическому свойству; по механическому свойству выделяют литосферу, астеносферу и мезосферу. Земная кора – внешняя твёрдая оболочка Земля. Ниже коры находится мантия, кото- рая отличается составом и физическими свойствами – она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию поверхность Мохоровичича. С внешней стороны большая часть коры покрыта гидросферой, а меньшая находится под воздействием атмосферы; её мощность колеблется от 0 на некоторых участках сре- динно-океанических хребтов и океанских разломов до 70-75 км под горными сооруже- ниями Анд, Гималаев и Тибета. Земная кора обладает латеральной неоднородностью, т.е. состав и строение различны под океанами и континентами, поэтому выделяются два главных типа коры – океаническая и континентальная, а также тип промежуточной коры. Масса земной коры оценивается в 2,8×1019 тонн, что составляет лишь около 0,47% общей массы планеты Земля. Мантия – самая мощная из геосфер Земли. Залегает от поверхности на глубине от 25-65 км до 2900 км, занимает 83% объёма и включает 67% массы планеты. Выделяют верхнюю и нижнюю части мантии. Между ними находится слой Голицына, или средняя мантия – пере- ходная зона между верхней и нижней мантией; простирается с глубины 410 км, где отмеча- ется резкое возрастание скоростей продольных волн, до глубины 670 км. Возрастание скоро- стей объясняется увеличением плотности вещества мантии и переходом минеральных видов в другие виды с более плотной упаковкой. Верхняя мантии залегает от поверхности на глу- бине от 35-60 км до 410 км, нижняя мантия начинается с глубины около 670 км и простира- ется до глубины 2900 км, т.е. до ядра Земли. Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно по механическому принципу выделяют как литосферу, представляющую собой верхнюю твёрдую оболочку Земли и полу- чившую данное название благодаря теории тектоники литосферных плит. Под литосферой располагается астеносфера, составляющая верхнюю часть мантии, которая ведёт себя как перегретая и чрезвычайно вязкая жидкость; наблюдается как слой пониженной скорости сей- смических волн (слой Гутенберга) и повышенной электропроводности. Установлено практи- чески непрерывное планетарное распространение астеносферы на глубинах 100-350 км 6

(среднее 100-200 км) под континентами и на глубинах 30-50 км – под срединно- океаническими хребтами. По существующим оценкам количество всех типов природных вод, содержащихся в земной коре составляет 7,3×1017 тонн [27], около 50% массы поверхностных вод; в мантии – до 3×1019 тонн воды, что почти в 23 раза превосходит массу поверхностных вод. Причём с верхней 400-километровой частью мантии связано столько же воды, сколько её содержится в остальной толще [35]. Условия существования глубинных вод со значительным повышением температуры и давления определило наличие природного сверхкритического реактора – земные недра, в ко- торых на глубине более 50 км вода находится в сверхкритических условиях. Вода – основа «гидротермального флюида» (геологический термин), то есть горячего, сильно сжатого вод- ного раствора, содержащего много компонентов. Перенося на огромные расстояния раство- рённые вещества, сверхкритическая вода (флюид) принимает непременное участие в важ- нейших геологических процессах: формирование земной коры и концентрирование в её структурах минеральных веществ, вулканическая деятельность. Можно сказать, что во мно- гом благодаря сверхкритической воде сформировался геологический облик нашей планеты. В мантии протекают также ядерные реакции, приводящие к образованию свободной воды. Гидросфера относится к классу больших систем – по географическим размерам, супер- сложных – по онтологическому и гносеологическому признаку. Как и все естественные си- стемы она является динамической – система, состояние которой изменяется во времени под воздействием определённых причинно-следственных связей; для неё характерным является реакция системы на различные входные воздействия и направленности возникающих при этом причинно-следственных связей во времени, определяемых принципом причинности. Гидросферу образует уникальное и представленное практически всеми агрегатными состояниями природное вещество – вода, которая обеспечивает устойчивость термодинами- ческого равновесия планеты; гидросфера является центральной подсистемой и находится в среде открытой системы Земли, подвержена основным воздействиям: экзогенным – энерге- тические потоки Солнца, зависящие от его активности, суточного и сезонного движения Земли и эндогенным – внутренняя энергия ядра и нижней мантии планеты. Для парирования экзогенных воздействий со стороны Солнца гидросфера входит в со- став гидрометеорологической системы Земли, определённой тропосферой и деятельными слоями Мирового океана и суши [59]. Толщина деятельного слоя океана составляет около 80-150 м в умеренных широтах и увеличивается до 300-400 м в полярных и тропических ши- ротах; глубина деятельного слоя суши определяется суточным колебанием температуры, ко- торая обычно проявляются на глубине до 1-1,5 м и сезонными (годовыми) – до 20-40 м. Несмотря на сверхтонкую структуру приповерхностной гидрометеосферной оболочки Земли, именно в ней происходит усвоение около 70% приходящей радиации от Солнца, из которой примерно 26% поглощается непосредственно нижней атмосферой, а остальные 44% – деятельными слоями континентальной коры и океана. Величина солнечная радиация коли- чественно характеризуется солнечной постоянной S0 – количество солнечной энергии, при- ходящей за единицу времени на перпендикулярную солнечным лучам единичную площадку на среднем расстоянии от Земли до Солнца. По последним данным значение солнечной по- стоянной Земли составляет около 1366 ± 1 Вт×м-2. В поддержании радиационного баланса Земли в основном участвуют свободные (гра- витационные) воды самой верхней части земной коры, движение которых определяется еди- ным понятием «подземный сток», образующие «местные» потоки подземных вод и являю- щиеся важнейшим элементом гидрогеологического круговорота воды в земной коре. Данные воды определяют современный облик биосферы Земли и структурируются, как и все воды земной коры, водоразделами – границы между смежными водосборами, представляющие со- бой условную топографическую линию на земной поверхности, разделяющую водосборы двух или нескольких рек, озёр, морей и океанов, направляющие сток атмосферных осадков по двум противоположным склонам. 7

Местность вокруг линии водораздела называется водораздельной территорией. В гори- стых областях водоразделы обычно проходят по гребням гор, на равнинах – по холмистым высотам или даже низменностям. На равнинах водораздел обычно выражен в рельефе нечёт- ко и превращается в плоское водораздельное пространство (или водораздельную террито- рию), на котором направление стока может быть переменным. Атмосферная гидросфера, а также гидросфера наземных и поверхностных вод являются основой гидрометеорологиче- ских процессов в системе радиационного баланса Земли. На глубинах в несколько километров водные потоки подземных вод приобретают реги- ональный характер, их направление движения связано главным образом с основными эле- ментами современного регионального рельефа суши, а также составом и свойствами во- довмещающих пород. Данные воды ещё находятся в жидком, газообразном и твёрдом (мерз- лота) состоянии и участвуют в формировании земной коры. Глубокие горизонты вод земной коры находятся в движении, при этом выделяют три основных типа массопереноса подземных вод [27]: гидрогеологический – реализуется свободными потоками; литогенетический – определяется физически связанной водой; геологический – обусловлен переносом и выделением воды, входящей в кристалличе- скую решётку минералов. Гидрогеологический цикл круговорота представляет собой передвижение свободных вод от области питания к местам их разгрузки на земной поверхности. В нём выделяются по- токи зоны активного водообмена, связанные с верхними частями земной коры и дренируе- мые местной эрозионной сетью, и потоки глубокого замедленного водообмена, разгрузка ко- торых осуществляется в наиболее врезанных долинах крупных рек, котловинах озёр или в прибрежных частях морских бассейнов. Масса вод, участвующих в гидрогеологическом цикле, подсчитана с хорошей точностью и составляет для верхней зоны 9,6×1012 тонн/год, и нижней – 0,6×1012 тонн/год. Литогенетический цикл круговорота подземных вод заключается в физическом связы- вании воды в ходе седиментации (осаждение), последующем переносе её вместе с породами в более глубокие части осадочных бассейнов, где она при достижении определенных темпе- ратур и давлений постепенно переходит частично в свободное, а частично в химически свя- занное состояние. Существуют две основные ветви литогенетических массопотоков: конти- нентальная и океаническая. При погружении и уплотнении пород в осадочных бассейнах континентов физически связанная вода переходит в свободное состояние. Интенсивность этого процесса оценивается в 4,4×109 тонн/год. Большая часть вод поступает в водоносные горизонты и в конечном итоге попадает на земную поверхность. Превращение связанных вод в свободные обусловливает возникновение зон аномально высоких пластовых давлений, в которых часто формируются нефтяные залежи. В случае превышения гидростатического давления над литостатическим (т.е. прочностью) горные породы трескаются и воды внедря- ются в вышележащие толщи. В дальнейшем происходит их разгрузка на земной поверхности или в морских акваториях – в виде грязевого вулканизма. В пределах океанического блока земной коры физически связанные воды осадочных пород в процессе дрейфа литосферных плит и последующей субдукции опускаются с вме- щающими их породами под континентальную кору. Образуются островные дуги и активные окраины континентов, где в конечном итоге вода также переходит в свободное состояние, принимая участие в формировании гидросферы этих активных структур. Интенсивность вы- деления свободных вод оценена (исходя из содержания в породах связанной воды и макси- мального времени их существования ~200 млн. лет) в 0,4×109 тонн/год. Геологический цикл массопереноса подземных вод характеризуется последовательны- ми процессами гидратации минералов и по мере погружения горных пород последующей их дегидратацией в ходе регионального метаморфизма. Метаморфизм – преобразование горных пород под действием эндогенных процессов, вызывающих изменение физико-химических условий в земной коре. 8

На континентах вода связана с гранитно-метаморфической оболочкой. Направленные вниз физически связанные воды, выделяющиеся в осадочных бассейнах, – основной источ- ник гидратации пород на ранних этапах метаморфизма. Более глубокие горизонты характе- ризуются ростом давления и температуры и соответственно более высокими стадиями мета- морфизма. В этих условиях химически связанные воды переходят в свободное состояние. Интенсивность этого процесса невелика и составляет примерно 0,04×109 тонн/год. Формиро- вание зон обводненных разуплотнённых пород, вскрытых Кольской сверхглубокой скважи- ной на глубине 6-8 км в пределах Балтийского щита, по-видимому, связано с подобными процессами. Более динамичен геологический цикл массопереноса подземных вод с вулкано- генно-осадочными и базальтовыми породами океанической коры. Он характеризуется про- цессами гидратации основных пород в ходе рифтогенеза, переносом гидратированных пород в результате дрейфа литосферных плит и последующей дегидратацией при региональном ме- таморфизме в зонах погружения под континентальную кору. В мантии Земли преобладают природные флюиды – это существенно гидротермаль- ная фаза низкой плотности и вязкости, сложенная в разных пропорциях летучими компонен- тами (Н2О, СО2, СО, N2, H2, СН4 и другие углеводороды), которая способна влиять на про- цессы природного минералообразования, либо непосредственно в них участвовать. Роль флюидов в формировании горных пород и руд, в транспорте химических элементов огромна, особенно в закритической области. Они создают условия равномерного нагрева и плавления горных пород литосферы и астеносферы, сохраняя тем самым геосферную структуру и це- лостность очень тонкой, жёсткой и хрупкой земной коры. Пока удалось найти лишь три главных механизма транспорта флюидов в глубинах Земли: свободная фильтрация флюидов по трещинам, каналам и порам в горных породах; растворение в магматических расплавах; высокотемпературное растворение и последующая кристаллизация минералов на фронте движения ненасыщенного компонентами породы флюида. Гидросфера подземных вод находится в центре термодинамических процессов Земли и определяет совместно с другими природными объектами облик биосферы – [от др.- греч. βιος - жизнь и σφαῖρα - сфера, шар] – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности. По Вернад- скому, биосфера это не только оболочка где живут организмы, а оболочка где происходит взаимоотношение живой и неживой природы. Подземные воды являются одним из источников водоснабжения и важнейшим полез- ным ископаемым. Пресные подземные воды, наряду с поверхностными водами, являются основой водного фонда России и служат, главным образом, для питьевых и промышленных целей. В условиях нарастающего ухудшения качества поверхностных вод пресные подзем- ные воды являются нередко единственным источником обеспечения населения питьевой во- дой высокого качества, защищённым от загрязнения. Удовлетворение текущих и перспек- тивных потребностей населения России в качественной питьевой воде приобретает все большее социально-экономическое значение. В монографии излагаются основные результаты исследования гидросферы подземных вод, включающей воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном агрегатном состояниях, необходимые для специалистов в области дистанционного зондирования Земли из космоса при проведении научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ. Материалы излагаются с системных позиций и могут быть использованы также в учебных процессах при подготовке специали- стов по отдельным космическим специальностям. При написании монографии в основу по- ложены известные и доступные труды ведущих специалистов-гидрологов, однако при раз- личных трактовках ими некоторых положений автор оставил за собой выбор варианта изло- жения материала. 9

1. Подземные воды России Подземные воды – воды, находящиеся в тол- ще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном агрегатном со- стояниях, являются объектами глобального гид- рологического цикла Земли. Жидкая агрегатная составляющая определяется общим объёмом вод около 23400 тыс. км3 и средней активностью водообмена около 1400 лет; твёрдая – подзем- ными льдами объёмом 300 тыс. км3 и средней активностью водообмена 10000 лет. По глубине залегания водных подземных горизонтов различают зоны: интенсивного водообмена – находятся в самой верхней части земной коры до глубины 300-400 м, реже бо- лее; замедленного водообмена – расположены до глубины 600-2000 м; весьма замедленного водообмена – приурочены к глубоким зонам земной коры и практически изолированы от по- верхностных вод и атмосферных осадков. Часто границу глубины залегания подземных вод определяют зоной замедленного водообмена – около 2000 м. Подземные воды являются объектами гидросферы и изучаются в рамках гидрологии суши, среди разделов которой: гидрогеология – изучает происхождение, условия залегания, состав и закономерности движения подземных вод; гидрометеорология – изучает обменные процессы между поверхностью воды и нижними слоями атмосферы; гидрология почв – изу- чает, как раздел почвоведения, водный режим почв и другие разделы. Распределение подземных вод по континентам Земли весьма неравномерное, что на ка- чественном уровне иллюстрирует карта, опубликованная ЮНЕСКО. Рисунок 1 – Распределение подземных вод по континентам Земли Синие области на карте – территории крупных бассейнов подземных вод: чем более тёмный оттенок синего цвета, тем больше водных запасов. Коричневые пространства – зоны, где ощущается нехватка подземных пресных вод. 10

К странам с большими запасами грунтовых вод можно отнести Россию, ряд стран Цен- тральной Европы, Южной Америки и экваториальной Африки. По существующим оценкам сейчас почти треть крупнейших подземных водосборов теряет воду, среди которых Араб- ский водосборный бассейн, обеспечивающий питьевой водой около 60 млн. человек, Северо- западный водосбор Сахары. В России наиболее быстро теряют грунтовые воды Северо- Кавказский и Западно-Сибирский подземные водосборный бассейн, а также подземный во- досбор Русской плиты. Нехватка чистой пресной поверхностной воды заставляет многие страны активнее ис- пользовать подземные воды, так в Евросоюзе уже 70% всей воды, используемой водопотре- бителями, берётся из подземных водоносных слоёв. В засушливых странах вода практически полностью берётся из подземных источников: Марокко – 75%, Тунис – 95%, Саудовская Аравия и Мальта – 100%. Подземные водоносные слои залегают повсюду, но не везде они возобновимы. Так, например, в Северной Африке и на Аравийском полуострове они запол- нились водой около 10000 лет назад, когда климат здесь был более влажным. В Экватори- альной и Южной Африке дела с поземными водами обстоят значительно лучше: проливные тропические дожди способствуют быстрому восстановлению запасов подземных вод. Подземные воды России являются одним из источников водоснабжения и важнейшим полезным ископаемым; в условиях нарастающего ухудшения качества поверхностных вод они являются нередко единственным источником обеспечения населения питьевой водой высокого качества, защищённым от загрязнения. Удовлетворение текущих и перспективных потребностей населения России в качественной питьевой воде приобретает всё большее со- циально-экономическое значение. 1.1. Запасы и ресурсы подземных вод Подземные воды являются полезным ископаемым, запасы которого в отличие от других видов полезных ископаемых возобновимы в процессе эксплуатации. Площади водоносных горизонтов и их комплексов, в пределах которых имеются условия для отбора под- земных вод определённого состава, отвечающего установленным кондициям, в количестве, достаточ- ном для экономически целесообразного их использо- вания, называются месторождениями подземных вод. Понятие «месторождение подземных вод» введено по аналогии с другими видами по- лезных ископаемых и определяет балансово-гидродинамический элемент подземной гидро- сферы, в пределах которого возможно получение (отбор) подземных вод определенного со- става и качества в количестве, достаточном для их экономически целесообразного использо- вания. В качестве балансово-гидродинамического элемента в этом случае рассматривается любым образом ограниченный элемент подземной гидросферы, т.е. границами месторожде- ния в отличие от гидрогеологического района могут являться не только естественные грани- цы того или иного вида, но и условные (расчётные) балансово-гидродинамические границы. Полезные ископаемые – минеральные и органические образования земной коры, химиче- ский состав и физические свойства которых позволяют эффективно использовать их в сфере ма- териального производства. Различают твёрдые, жидкие и газообразные полезные ископаемые. Полезные ископаемые находятся в земной коре в виде скоплений различного характера (гори- зонтов, жил, штоков, пластов, гнёзд, россыпей и др.) Скопления полезных ископаемых образу- ют месторождения, а при больших площадях распространения – районы, провинции и бассейны. По назначению выделяют следующие виды полезных ископаемых: горючие, гидроминераль- 11

ные, нерудные полезные ископаемые; руды, камнесамоцветное сырьё и драгоценные камни, горнохимическое сырьё. Объективности ради следует отметить, что понятие «месторождение подземных вод» для пресных подземных вод почти лишено абсолютного смысла, поскольку они распростра- нены практически повсеместно; используется довольно произвольно – главным образом, в учётных целях, для географической привязки участков оценки или эксплуатации подземных вод. Поэтому можно упрощённо определить месторождение подземных вод (МПВ) как уча- сток, в пределах которого по совокупности ряда причин предпочтительнее построить водо- забор. Большинство из них имеет «гидрогеологический» характер: более высокие фильтра- ционные свойства водовмещающих пород по сравнению с окружающими площадями, опти- мальное положение по отношению к гидрогеодинамическим границам, наиболее благопри- ятные условия для сохранения качества воды при длительной работе водозабора и т.д. По характеру использования подземные воды можно подразделить на виды: питьевые и технические – применяются для хозяйственно-питьевого и производствен- но-технического водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ; лечебные минеральные воды – используются в бальнеологических целях и в качестве столовых напитков; теплоэнергетические, включая пароводяные смеси – применяются для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и гражданских объектов, а в отдельных случаях для выработки электроэнергии; промышленные воды – используются для извлечения из них ценных компонентов. Подземные воды, которые соответствуют сразу нескольким видам, рассматриваются как комплексное полезное ископаемое. При оценке и характеристике количества подземных вод в гидрогеологической литературе используются термины «за- пасы» и «ресурсы», которые иногда рассматриваются как си- нонимы, однако это неверно. Термин ресурсы подземных вод был введён в 30-х годах прошлого века русским гидрогеологом, академиком Фёдором Петровичем Саваренским [1881-1946] специально, чтобы подчеркнуть уникальные свойства полезного ископаемого «подземные воды» – их возобновляемость. В соответствии с представлениями Ф.П. Саваренского и других ученых, под термином запасы подземных вод следует понимать количе- ство воды (объём, массу), содержащееся в рассматриваемом элементе гидросферы (водоносный горизонт, участок гори- зонта, месторождение и т.д.). Термином «запасы» обычно обозначают объём (массу) подземных вод в водоносном гори- зонте, термином «ресурсы» – расход подземных вод в едини- цу времени. Запасы подземных вод бывают естественными, искусственными и эксплуатационными, ресурсы – естественными, привлекаемыми, искусственными и эксплуатационными. Естественные запасы представляют собой массу (объём) подземных вод, содержащихся в рассматриваемом элементе подземной гидросферы (пласте, участке пласта, системе пла- стов и др.) В свою очередь они подразделяются на так называемые емкостные запасы, опре- деляемые тем количеством воды, которое извлекается при осушении пласта, и упругие – формируются при снижении пьезометрического уровня (пластового давления) напорных подземных вод за счет расширения воды и уплотнения минерального скелета пласта. Естественные ресурсы представляют собой обеспеченный питанием приток (восполне- ние) подземных вод рассматриваемого элемента, равный количеству воды, поступающему в него в единицу времени (расход) в естественных условиях за счет инфильтрации атмосфер- 12

ных осадков, фильтрации из рек и озер, перетекания из выше и нижележащих горизонтов, притока со смежных участков. Таким образом, они могут быть определены как сумма при- ходных элементов водного баланса водоносного горизонта (месторождения) в естественных условиях. На практике гидрогеологических исследований кроме оценки естественных ресурсов проводят также оценку эксплуатационных ресурсов подземных вод: термины «эксплуатаци- онные запасы» и «эксплуатационные ресурсы» часто рассматривают как синонимы. Эксплуатационные запасы подземных вод (ресурсы) – количество воды, которое может добываться в единицу времени из водоносного горизонта рациональным в технико- экономическом отношении водозабором при заданном режиме эксплуатации и при качестве воды, удовлетворяющем требованиям в течение всего расчётного периода эксплуатации. Эксплуатационные запасы (ресурсы) являются одним из основных критериев возможности и целесообразности использования подземных вод для различных целей. При этом, по сло- жившейся традиции, при региональных оценках обычно пользуется термином «эксплуатаци- онные ресурсы», а при оценках для водоснабжения конкретных объектов – «эксплуатацион- ные запасы». При оценке эксплуатационных запасов (ресурсов) учитывается возможность использования естественных (в том числе упругих) запасов, естественных ресурсов, а также привлекаемых (дополнительных) ресурсов, образующихся непосредственно вследствие экс- плуатации водозаборов (привлечение поверхностных вод, подземных вод «непродуктивных» горизонтов и т.п.) Важным источником формирования эксплуатационных запасов могут служить искус- ственные запасы и ресурсы, создаваемые за счёт закачивания поверхностных вод в природ- ные подземные ёмкости с помощью специальных сооружений, фильтрационных потерь из водохранилищ и каналов, инфильтрации поливных вод на орошаемых массивах и т.п. Запасы и прогнозные ресурсы подземных вод на территории Российской Федерации оценива- ются в соответствии с Методическими рекомен- дациями по применению Классификации запасов и прогнозных ресурсов питьевых, технических и минеральных подземных вод» (утверждена при- казом Министерства природных ресурсов (МПР) Российской Федерации от 30 июля 2007 года № 195), введёнными распоряжением МПР РФ от 27 декабря 2007 г. № 69-p. Запасы подземных вод подсчитываются по результатам геологоразведочных работ, вы- полненных в процессе геологического изучения и оценки предоставленных в пользование участков недр, а также по данным разведки таких участков недр или эксплуатации действу- ющих водозаборных сооружений для добычи подземных вод. Прогнозные ресурсы оценива- ются по водоносным горизонтам (комплексам) в пределах артезианских гидрогеологических структур различных порядков (или их частей), речных бассейнов и водоносным горизонтам (комплексам) или водоносным зонам в пределах гидрогеологических складчатых областей. Запасы подземных вод классифицируются по группам и категориям. 1. По условиям возможности использования запасов подземных вод по заданному це- левому назначению в течение расчётного срока эксплуатации и подлежащих государствен- ному учёту, запасы подразделяются на две основные группы, подлежащие раздельному под- счету и учету: балансовые и забалансовые. К балансовым запасам питьевых и минеральных подземных вод относятся запасы под- земных вод, которые по своему химическому составу соответствуют требованиям, установ- ленным законодательством Российской Федерации в области обеспечения санитарно- эпидемиологического благополучия населения и о природных лечебных ресурсах, лечебно- оздоровительных местностях и курортах, а также имеется возможность организации зон и 13

округов санитарной (горно-санитарной) охраны проектных водозаборных сооружений по добыче подземных вод. К забалансовым запасам относятся запасы питьевых и минеральных подземных вод, качество которых по ряду показателей не соответствует установленным требованиям и (или) на момент подсчёта запасов отсутствуют условия для создания зон и округов санитарной (горно-санитарной) охраны проектных водозаборных сооружений. Забалансовые запасы месторождений подсчитываются и учитываются в случаях нали- чия перспективы разработки методов водоподготовки для доведения качества воды до уста- новленных требований и возможности организации в дальнейшем зон и округов санитарной (горно-санитарной) охраны. Для технических подземных вод забалансовые запасы не выде- ляются и не учитываются. Оценка балансовой принадлежности питьевых и минеральных подземных вод произво- дится при проведении государственной экспертизы запасов, подсчитанных по результатам геологоразведочных работ, и с учётом соответствия химического состава подземных вод требованиям, устанавливаемым законодательством Российской Федерации в области обеспе- чения санитарно-эпидемиологического благополучия населения и о природных лечебных ресурсах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах. 2. По степени геолого-гидрогеологической изученности запасы подземных вод подраз- деляются на категории A, B, С1 и С2. Запасы категории А (освоенные) выделяются на месторождениях или участках недр, в пределах которых имеются действующие водозаборы по добыче подземных вод. Запасы ка- тегории А должны удовлетворять следующим основным требованиям:  величина запасов не превышает среднегодовую производительность водозаборных со- оружений (м3/сут) за последние три года и возможность сохранения которой на после- дующий период эксплуатации подтверждена соответствующими прогнозными расчё- тами;  качество подземных вод соответствует требованиям их целевого использования, опре- деленным и согласованным в установленном порядке, и обоснована возможность его сохранения на последующий срок эксплуатации водозабора;  организованы зоны и округа санитарной охраны (питьевые подземные воды) и округа горно-санитарной охраны (минеральные подземные воды) водозаборных сооружений в соответствии с законодательством Российской Федерации в области обеспечения сани- тарно-эпидемиологического благополучия населения и о природных лечебных ресур- сах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах. Запасы категории В (разведанные) выделяются на месторождениях и участках недр, в пределах которых имеются действующие водозаборные сооружения (переоценка запасов), а также на разведанных месторождениях или участках недр питьевых, технических и мине- ральных подземных вод 1-й и 2-й группы сложности по геолого-гидрогеологическим усло- виям (рассмотрены далее). Запасы категории должны удовлетворять следующим основным требованиям:  геолого-гидрогеологические, физико-географические, водохозяйственные, экологиче- ские и другие условия и показатели изучены с детальностью, обеспечивающей созда- ние природной гидрогеологической (при необходимости и математической) модели ме- сторождения или участка недр и примыкающей зоны влияния отбора подземных вод в процессе эксплуатации;  возможны достоверная оценка источников формирования эксплуатационных запасов и выполнение прогнозных расчётов изменения основных показателей при эксплуатации;  качество подземных вод изучено в необходимых объёмах с детальностью, позволяю- щей установить соответствие установленным требованиям в зависимости от целевого назначения воды, и выполнен прогноз сохранения необходимого качества воды в тече- ние расчётного срока эксплуатации водозаборного сооружения; 14

 определены необходимые исходные данные для обоснования размеров зон и округов санитарной (горно-санитарной) охраны водозаборных сооружений для добычи подсчи- танных запасов подземных вод;  оценено возможное влияние водозаборных сооружений на окружающую среду, на дей- ствующие водозаборные сооружения, а также на месторождения подземных вод нерас- пределенного фонда недр, учитываемые в государственном балансе;  параметры и показатели, на основе которых выполнен подсчёт запасов, определены по результатам бурения и опробования скважин (в т.ч. кустов скважин), геофизических, гидрометрических и других видов исследований. Запасы категории С1 (предварительно оцененные) выделяются на вновь выявленных и оцененных месторождениях питьевых, технических и минеральных подземных вод незави- симо от группы сложности месторождений по геолого-гидрогеологическим условиям. Запа- сы этой категории также могут выделяться в пределах ранее разведанных и учитываемых в государственном балансе месторождений нераспределённого и распределённого фондов недр (при переоценке их запасов), а также на участках недр с действующими водозаборными сооружениями по добыче подземных вод, не имеющих включенных в государственный ба- ланс запасов, при подсчете запасов на таких участках. Запасы категории должны удовлетво- рять следующим основным требованиям:  геолого-гидрогеологические, физико-географические, водохозяйственные, экологиче- ские и другие условия и показатели изучены с детальностью, обеспечивающей созда- ние природной гидрогеологической (при необходимости и математической) модели ме- сторождения или участка недр и примыкающей зоны влияния отбора подземных вод в процессе эксплуатации; возможны ориентировочная оценка источников формирования запасов и выполнение прогнозных расчетов изменения основных показателей при экс- плуатации;  качество подземных вод изучено в объёмах и детальностью, позволяющих с удовлетво- рительной достоверностью установить соответствие установленным требованиям в за- висимости от целевого назначения воды, и выполнить предварительные прогнозы со- хранения качества воды или пределы его изменений в течение расчетного срока экс- плуатации;  определены предварительные исходные данные для обоснования зон и округов сани- тарной (горно-санитарной) охраны водозаборных сооружений для добычи подсчитан- ных запасов подземных вод в установленном порядке;  предварительно оценено возможное влияние отбора подземных вод на окружающую среду, действующие в зоне влияния водозаборные сооружения, а также на месторожде- ния подземных вод нераспределённого фонда недр, учитываемые в государственном балансе;  параметры и показатели, на основе которых выполняется подсчёт запасов примени- тельно к предварительной схеме (схемам) проектных водозаборных сооружений, опре- делены по результатам бурения и опробования преимущественно одиночных гидрогео- логических скважин (в редких случаях – кустов скважин), геофизических, гидрометри- ческих и других видов исследований. Запасы категории С2 (выявленные) выделяются на вновь выявленных и оцененных ме- сторождениях питьевых, технических и минеральных подземных вод независимо от группы сложности месторождений по их геолого-гидрогеологическим условиям. Запасы этой кате- гории могут выделяться в пределах ранее разведанных и учитываемых в государственном балансе месторождений нераспределенного и распределенного фонда недр (при переоценке запасов), а также на участках недр с водозаборными сооружениями по добыче подземных вод, не имеющих включенных в государственный баланс запасов, при подсчете запасов на таких участках. Запасы категории должны удовлетворять следующим требованиям:  геолого-гидрогеологические, физико-географические, водохозяйственные, экологиче- ские и другие условия изучены с детальностью, позволяющей разработать приближен- 15

ную природную гидрогеологическую (в редких случаях – и математическую) модель месторождения или участка недр и прилегающей зоны влияния отбора подземных вод при эксплуатации, оценки воздействия на участок недр других водозаборных сооруже- ний и ранее разведанных месторождений, учитываемых в государственном балансе, а также предварительный подсчет запасов для обобщенных условных схем водозаборных сооружений;  качество подземных вод изучено в объёмах и с детальностью, обеспечивающей предва- рительное установление возможности использования запасов по соответствующему це- левому назначению;  предварительно оценено возможное влияние отбора подземных вод на окружающую среду, действующие водозаборные сооружения, а также на месторождения подземных вод, нераспределенного фонда недр, учитываемые в государственном балансе;  параметры и показатели, на основе которых выполняется подсчет запасов примени- тельно к условной схеме (схемам) водозаборных сооружений, определены по результа- там бурения и опробования поисковых гидрогеологических скважин, геофизических, гидрометрических и других исследований, по аналогии с разведанными и разрабатыва- емыми месторождениями подземных вод. При подсчёте запасов подземных вод и их классификации по категориям должны ис- пользоваться различные методы (гидродинамический, гидравлический, комбинированный, математического моделирования и др.) и оцениваться достоверность определения исходных параметров и результатов подсчета. Прогнозные ресурсы подземных вод водоносных горизонтов в пределах артезианских гидрогеологических структур различных порядков (или их частей), бассейнов речных долин, а также водоносных зон в пределах гидрогеологических складчатых областей по степени их обоснованности подразделяются на прогнозные ресурсы категории P1, P2 и P1. Прогнозные ресурсы категории P1 учитывают возможность увеличения запасов на раз- веданных или оцененных месторождениях подземных вод или перспективных для постанов- ки поисково-оценочных работ участках недр. Для количественной оценки ресурсов катего- рии P1 используются обоснованные гидрогеологические представления о геолого- гидрогеологических условиях, возможных величинах гидрогеологических параметров, обес- печенности источниками формирования запасов, о вероятном качестве подземных вод. Оценка прогнозных ресурсов категории P1 основывается на результатах геологических, гид- рогеологических, гидрохимических, гидрометрических работ и исследований в районах раз- веданных и оцененных месторождений, а также на перспективных для выявления месторож- дений участках недр. Подсчёт прогнозных ресурсов категории P1 производится гидродина- мическим методом применительно к обобщенным условным схемам водозаборов различной конструкции, балансовым и другими методами. Прогнозные ресурсы категории P2 учитывают возможность выявления в пределах арте- зианских гидрогеологических структур различных порядков, речных бассейнов и перспек- тивных участков недр месторождений подземных вод, возможное наличие которых основы- вается на результатах среднемасштабных гидрогеологических съёмок и другой информации, полученной при геофизических, гидрохимических и других исследованиях. Прогнозные ре- сурсы категории P2 подсчитываются гидродинамическим методом применительно к обоб- щенным схемам водозаборных сооружений или экспертным путем. Прогнозные ресурсы категории P3 учитывают потенциальную возможность территорий в пределах гидрогеологических структур различных порядков, территорий субъектов Рос- сийской Федерации наличия и выявления перспективных участков недр для постановки по- исковых и поисково-оценочных работ для выявления месторождений питьевых, технических и минеральных вод. Оценки прогнозных ресурсов питьевых, технических и минеральных вод категории P3 основываются на результатах мелкомасштабных гидрогеологических съёмок и других видах геологических, гидрогеологических, геофизических и иных работ и исследова- ний. Количественная оценка прогнозных ресурсов категории P3 проводится без привязки к 16

конкретным объектам. Прогнозные ресурсы категории P3 используются для оценки общей обеспеченности территорий водными ресурсами подземных вод, разработки схем комплекс- ного использования и охраны водных объектов. 3. По сложности геологического строения и гидрогеологических условий месторожде- ния подземных вод делятся на группы. Необходимая и достаточная степень разведанности запасов подземных вод определяется в зависимости от сложности геологического строения и гидрогеологических условий месторождений или участков недр, а также водохозяйственных, экологических, горно-геологических и других условий. По перечисленным условиям и признакам месторождения и участки недр подразделя- ются на четыре группы. 1-я группа. Месторождения или участки недр с простыми геологическим строением, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими и горно-геологическими усло- виями. Характеризуются ненарушенным залеганием и устойчивой мощностью водоносных горизонтов, однородными фильтрационными свойствами водовмещающих пород, выдер- жанными гидрохимическими закономерностями, возможностью количественной оценки ос- новных источников формирования эксплуатационных запасов по данным геологического изучения месторождений или участков недр. Особенности строения и гидрогеологических условий месторождений или участков недр 1-й группы определяют возможность выявления в процессе их геологического изучения запасов категорий В, С1 и С2. 2-я группа. Месторождения или участки недр со сложными геологическим строением, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими и горно-геологическими усло- виями. Характеризуются нарушенным залеганием, неустойчивой мощностью и осложнён- ным внутренним строением водоносных горизонтов, неоднородными фильтрационными свойствами водовмещающих пород, не выдержанными гидрохимическими закономерностя- ми. Источники формирования запасов и их возможные изменения в процессе эксплуатации месторождения надёжно могут быть определены лишь частично. Обоснованные количе- ственные прогнозы изменений расходов, уровней и качества подземных вод возможны в пределах надежно определённых источников формирования запасов, а сверх пределов – при- ближенно. Особенности строения и гидрогеологических условий месторождений или участ- ков недр 2-й группы определяют возможность выявления в процессе геологического изуче- ния запасов категорий С1 и С2 и по результатам разведки запасов – категории В. 3-я группа. Месторождения или участки недр с очень сложными геологическим строе- нием, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими и горно-геологическими условиями. Характеризуются ограниченными размерами, резко изменяющимися мощностью и фильтрационными свойствами водовмещающих в основном трещиноватых и закарстован- ных пород, сложными гидрохимическими закономерностями. Источники формирования экс- плуатационных запасов могут быть определены приближенно. Количественные прогнозы изменений расходов, уровней и качества подземных вод возможны на основе анализа общих гидрогеологических и водно-балансовых закономерностей и по аналогии с эксплуатируемы- ми месторождениями. Особенности строения и гидрогеологических условий месторождений или участков недр 3-й группы определяют возможность выявления в процессе геологическо- го изучения запасов категории С2 и по результатам разведки категории С1. 4-я группа. Месторождения или участки недр с исключительно сложными геологиче- ским строением, гидрогеологическими, газогидрохимическими и горно-геологическими условиями. Характеризуются резкой изменчивостью распространения в плане и разрезе кол- лекторов трещиноватых зон в породах различного генезиса. Источники формирования запа- сов не могут быть определены достоверно. Количественные прогнозы расходов, уровней, качества, температуры могут быть выполнены по данным длительных выпусков (откачек) или опытно-промышленной эксплуатации. 4-я группа выделяется для месторождений или участков недр минеральных подземных вод. Особенности строения месторождений или участков недр определяют возможность выявления по результатам разведки запасов катего- рий С2 и по данным опытно-промышленной эксплуатации запасов категории С1. 17

4. По степени изученности месторождения питьевых, технических и минеральных под- земных вод подразделяются на две группы – разведанные и оцененные. К разведанным относятся месторождения, эксплуатационные запасы которых по коли- честву и качеству подземных вод, а также водохозяйственным, экологическим и горно- геологическим условиям изучены по данным геологоразведочных и других видов работ с полнотой, достаточной для проектирования и строительства водозаборных сооружений по добыче подземных вод. Разведанные месторождения по степени изученности должны удовлетворять следую- щим требованиям:  обеспечивается возможность квалификации запасов по категориям, соответствующим группе сложности геолого-гидрогеологических условий месторождения или участка недр;  строение водоносных горизонтов, величины гидрогеологических параметров и законо- мерности их изменений, горно-геологические условия водовмещающих пород изучены с детальностью, обеспечивающей обоснование исходных данных, достаточных для вы- бора рациональной конструкции водозабора и водозаборных скважин, проектных нагрузок на скважины, размеров зон и округов санитарной (горно-санитарной)охраны;  качество подземных вод изучено с детальностью, обеспечивающей оценку возможно- сти использования подземных вод по соответствующему целевому назначению с уче- том требований, установленных законодательством Российской Федерации в области санитарно-эпидемиологического благополучия населения и о природных лечебных ре- сурсах, лечебно-оздоровительных местностях и курортах, а также выполнить прогноз возможных изменений качества в процессе эксплуатации подземных вод;  источники формирования запасов в процессе эксплуатации месторождения или участка недр установлены на основании комплекса параметров и показателей и методических приёмов, позволяющих определить их величину с необходимой достоверностью;  рассмотрено и оценено возможное влияние добычи подземных вод на окружающую среду и даны рекомендации по проведению наблюдений за воздействием водозаборных сооружений на компоненты природной среды и мероприятиям по снижению негатив- ных экологических последствий. К оцененным месторождениям относятся месторождения, запасы которых по степени изученности геолого-гидрогеологических условий, качества подземных вод, источников формирования запасов изучены в степени, позволяющей обосновать целесообразность предоставления в пользование участков недр для дальнейшей разведки и добычи подземных вод. Оцененные месторождения по степени изученности должны удовлетворять следующим требованиям:  обеспечивается возможность квалификации запасов по категории С1 и (или) С2;  строение водоносных горизонтов, величины гидрогеологических параметров и законо- мерности их изменений, горно-геологические условия водовмещающих пород изучены в степени, необходимой для обоснования принципиальной возможности строительства водозаборных сооружений по добыче подземных вод и организации зон и округов са- нитарной (горно-санитарной) охраны;  качество подземных вод изучено с детальностью, обеспечивающей принципиальную оценку возможности использования подземных вод по соответствующему целевому назначению;  источники формирования эксплуатационных запасов определены приближенно или по аналогии;  рассмотрено возможное влияние добычи подземных вод на окружающую среду. В отчётных материалах по подсчету запасов подземных вод должна содержаться реко- мендация по отнесению выявленных месторождений подземных вод и их запасов к оценен- ным или разведанным месторождениям (частям месторождений). 18

В соответствии с Положением о государственной экспертизе запасов полезных ископа- емых, геологической, экономической и экологической информации о предоставляемых в пользование участках недр, об определении размера и порядка взимания платы за её прове- дение, утверждённое постановлением Правительства РФ от 11 февраля 2005 года № 69 и в редакции постановления Правительства РФ от 18 февраля 2016 года № 116, введены катего- рии месторождений по величине (объёмам) запасов подземных вод. Таблица 1 – Категории месторождений подземных вод по величине (объёмам) запасов [54] Категории месторождений Подземные воды Единица измерения крупные средние мелкие Пресные воды для хозяйственно- 3 питьевого, технического тыс. м /сутки 200 200-30 30 водоснабжения и орошения земель 3 тыс. м /сутки Термальные воды для производства тепловой или электрической энергии (в виде пароводяной смеси, 30 30-15 15 тонн/сутки) Минеральные воды (лечебные и природные столовые): сероводородные, радоновые, 3 кремнистые, рассолы м /сутки 500 500-100 100 углекислые, железистые, содержащие органику, сульфидные, минерализо- 3 м /сутки 300 300-50 50 ванные различного состава, природ- ные столовые 3 азотистые термы м /сутки 1500 1500-300 300 Промышленные воды для извлечения 3 тыс. м /сутки 30 30-15 15 полезных ископаемых В таблице категории месторождений «крупные» определены по нижней границе значе- ний величин (объёмов) запасов, «мелкие» – по верхней границе значений величин (объёмов) запасов. 1.2. Подземные воды России Подземные воды являются подсистемой гидросферы Зем- ли, которая относится к классу больших систем – по геогра- фическим размерам, суперсложных – по онтологическому и гносеологическому признаку; как и все естественные систе- мы является динамической – система, состояние которой из- меняется во времени под воздействием определённых при- чинно-следственных связей; для неё характерным является реакция системы на различные входные воздействия и направленности возникающих при этом причинно- следственных связей во времени, определяемых принципом причинности. Выдающимся советским биогеохимиком и философом Вернадским Владимиром Ива- новичем [1863-1945] сформулировано основное базовое научное положение о единстве при- родных вод Земли, в соответствии с которым гидросфера планеты должна рассматриваться как единая динамическая система, открытая в сторону космоса и внутренних областей Земли (мантия, ядро). 19

В связи с рассмотрением гидросферы и подземных вод как динамических систем важ- ную роль играет понятие «состояние». Состоянием динамической системы называется сово- купность её свойств, знание которых в настоящий момент времени при известном входном воздействии однозначно определяет выход систем в настоящем и будущем. Таким образом, состояние динамической системы как бы «аккумулирует» всю информацию о прошлом и настоящем системы, необходимую при известном входном воздействии для точного пред- сказания выхода системы в будущем. Комментируя понятие состояния в известной книге «Очерки по математической теории систем», Р. Калман называет состояние системы такой «частью прошлого и настоящего» системы, знание которой оказывается необходимым для точного предсказания выхода системы в будущем при известном входном воздействии. Понятие «мониторинг» было впервые введено Р. Менном в 1972 году на Стокгольм- ской конференции ООН по проблемам окружающей среды и с тех пор постоянно развивается и обсуждается на различных международных конгрессах. Как и многие термины, которые пришли за последнее время в российскую науку из-за рубежа, понятие «мониторинг» носит междисциплинарный и неконкретный характер. Традиционными для мониторинга сегодня – это политические, экономические, социальные и научно-технические объекты. С одной сто- роны, понятием «мониторинг» определяются процессы регулярного наблюдения за развити- ем и изменением какого-либо процесса, состояния, явления, их оценки и прогнозирования, с другой – система организации, сбора, хранения, обработки и распространения информации об обследуемой системе или отдельных её элементах, ориентированная на информационное обеспечение процессов управления, которая позволяет судить о состоянии объектов монито- ринга в любой момент и может обеспечить прогноз их развития. Регулярные наблюдения, сбор, накопление, анализ и обобщение информации с целью оценки состояния подземных вод и прогноз их изменений под влиянием природных факто- ров и хозяйственной деятельности осуществляется в рамках Государственного мониторинга состояния недр (ГМСН). В соответствии с положением «О порядке осуществления государ- ственного мониторинга состояния недр», утверждённым МПР России (приказ № 433 от 21.05.2001 года), ведение ГМСН производится на федеральном уровне по территории Рос- сийской Федерации, на региональном – по территориях федеральных округов и на террито- риальном – на территориях субъектов РФ. Все три уровня информационно, методически и технологически представляют единую информационную систему. В организационном плане на каждом уровне созданы соответствующие центры ГМСН. Функции федерального центра осуществляет центр ГМСН, который входит в состав ФГУГП «Гидроспецгеология». Непосредственно полевые работы, сбор информации, ведение баз данных по количе- ственным и качественным показателям, ежегодный анализ и обобщение данных о состоянии недр, а также подготовку информационной продукции по территории субъектов РФ осу- ществляют территориальные центры ГМСН, которые представляют соответствующие дан- ные в региональные и федеральный центр ГМСН в соответствии с «Временным регламентом подготовки информационной продукции и информационного обмена в системе государ- ственного мониторинга состояния недр Федерального агентства по недропользованию», утверждённым Роснедра (приказ № 1197 от 24.11.2005 года с изменениями, внесёнными приказом № 666 от 01.08.2008 года). Согласно Временному регламенту мониторинг состояния недр Федерального агентства по недропользованию (Роснедра) включает подсистемы мониторинга подземных вод, опас- ных экзогенных геологических процессов и опасных эндогенных геологических процессов. Целью мониторинга подземных вод являются наблюдения за качеством подземных вод по физическим, химическим и гидробиологическим показателям, используемых для хозяй- ственно-питьевого водоснабжения, за ресурсами подземных вод и их изменениями в процес- се хозяйственной деятельности, за подтоплением территорий грунтовыми водами. Монито- ринг осуществляется в естественных и техногенно-нарушенных условиях, в том числе на эксплуатируемых месторождениях подземных вод, разрабатываемых месторождениях по- лезных ископаемых, на участках, испытывающих воздействие хозяйственной деятельности, а 20

также в пределах населенных пунктов. Информационные материалы мониторинга подзем- ных вод публикуются ежегодно в составе Государственных докладов о состоянии и исполь- зовании водных ресурсов и Информационных бюллетеней о состоянии недр на территории Российской Федерации. В настоящее время проводится подключение к деятельности Феде- рального агентства по недропользованию Республики Крым. А. Прогнозные ресурсы и запасы подземных вод Под прогнозными ресурсами понимается количество подземных вод определённого качества и целевого назна- чения, которое может быть получено в пределах гидрогео- логической структуры, бассейнов рек и административно- территориальной единицы и отражает потенциальные воз- можности использования подземных вод. Прогнозные ресурсы подземных вод Российской Феде- рации были оценены в 70-80-х годах прошлого столетия, прошли апробацию в ГКЗ СССР, ТКЗ и на НТС бывших производственных геологических управлений и объедине- ний. Более поздние работы по оценке прогнозных ресурсов не учитываются до их государственной апробации [29]. Общие прогнозные ресурсы подземных вод с минерализацией до 3 г/дм3 на территории Российской Федерации, по данным государственного мониторинга состояния недр (ГМСН) на 01.01.2014 год, составляют 869055 тыс. м3/сут (317 км3/ год) [22,29]. Таблица 2 – Прогнозные ресурсы и эксплуатационные запасы подземных вод по федеральным округам и субъектам Российской Федерации [22] Использование, прогнозных ресурсов, % Прогнозные ресурсы Добыча и извлечение, Степень изученности 3 тыс. м /сут Запасы, тыс. м /сут Степень освоения Степень освоения ресурсов, % 3 запасов, % тыс. м /сут в % от величины в целом по РФ в т.ч. для ХПВ Федеральный 3 3 м /сут. на км тыс. м /сут. округ средний модуль, всего, всего 3 3 Россия 869055 100,0 50,8 86931 100,0 25481 2,9 15,8 19294 13801 Центральный 74055 9,0 113,9 27349 31,5 7544 10,3 19,4 6878 5248 Северо- 117704 14,0 69,8 4230 4,9 1850 1,6 13,1 908 523 Западный Южный 16945 1,9 40,3 7361 8,5 2103 12,4 17,9 1531 1252 Северо- 22904 2,6 134,4 5842 6,7 1362 5,9 11,2 1044 870 Кавказский Приволжский 84738 9,8 81,7 16913 19,5 4616 5,4 13,8 3954 2577 Уральский 142575 16,4 78,4 5438 6,3 2255 1,6 22,8 1339 1029 Сибирский 250902 28,9 48,8 12945 14,9 4573 1,8 12,2 2747 1717 Дальнево- 159232 18,3 25,8 5748 6,6 1178 0,7 10,4 893 585 сточный Крымский 1105 1,3 300 Распределение прогнозных ресурсов подземных вод по территориям федеральных округов и субъектов Российской Федерации неравномерное. Основная их часть (77,6% от общей величины) сосредоточена в четырех федеральных округах: Северо-Западном – 14.0%, Уральском – 16.4%, Сибирском – 28.9% и Дальневосточном – 18.3%, причём преобладающее прогнозное количество подземных вод в Сибирском ФО – 250902 тыс. м3/сут. 21

Анализ распределения прогнозных ресурсов подземных вод показывает, что преобла- дающее их количество приурочено к бассейновым округам: Верхнеобский – 177375, Двин- ско-Печорский – 84482, Анадыро-Колымский – 65746, Амурский – 65092, Нижнеобский – 62414, Ленский – 59572 и Енисейский – 48273 тыс. м3/сут. Таблица 3 – Прогнозные ресурсы, запасы и добыча подземных вод по бассейновым округам территории Российской Федерации на 01.01.2015 года [22] Прогнозные Степень Добыча на Степень Код и наименование Запасы, ресурсы, 3 разведанности МПВ, освоения бассейнового округа 3 тыс.м /сут 3 тыс.м /сут ресурсов, % тыс.м /сут запасов, % 01 Балтийский 31333,2 1662,7 5,3 329,6 19,8 02 Баренцево- 428,7 408,8 95,4 56,9 13,9 Беломорский 03 Двинско-Печёрский 84481,9 2131,6 2,5 166,5 7,8 04 Днепровский 13374,9 2969,3 22,2 540,7 18,2 05 Донской 30972,7 8071,6 26,1 1557,9 19,3 06 Кубанский 7421,3 4784,8 56,8 1137,2 23,8 07 Западно-Каспийский 22096,9 5802,0 26,3 666,5 11,5 08 Верхневолжский 32246,1 8402,4 26,1 1041,0 12,4 09 Окский 32071,9 13926,4 43,4 2861,8 20,5 10 Камский 37554,0 5706,2 15,2 1072,7 18,8 11 Нижневолжский 15684,2 6511,8 41,5 500,9 7,7 12 Уральский 9301,5 2107,0 22,7 466,3 22,1 13 Верхнеобский 177375,0 7408,1 4,2 907,4 12,2 14 Иртышский 37285,6 2740,9 7,4 601,2 21,9 15 Нижнеобский 62413,7 1036,8 1,7 193,1 18,6 16 Ангаро-Байкальский 35330,6 2889,4 8,2 252,7 8,7 17 Енисейский 48273,2 1614,4 3,3 388,1 24,0 18 Ленский 59571,6 1368,6 2,3 125,8 9,2 19 Анадыро-Колымский 65746,0 1218,9 1,9 134,4 11,0 20 Амурский 65092,0 5064,3 7,8 574,7 11,3 Крымский 1104,6 Всего по России 869055,0 86930,6 9,9 13575,0 15,8 Средний модуль прогнозных ресурсов в целом по России составляет 50,8 м3/(сут×км2). Максимальное значение модуля прогнозных ресурсов приходится на Северо-Кавказский фе- деральный округ – 134,3 м3/(сут×км2), по отдельным субъектам РФ он изменяется от 0,6 до 681,5 м3/(сут×км2). Наибольшим средним модулем прогнозных ресурсов характеризуются Северная Осетия-Алания – 681.5, Кабардино-Балкарская – 572.1 и Чеченская республика – 443.0; Сахалинская область – 312.7, а наименьшим – Чукотский АО – 0.6, республики Каре- лия – 0.8 и Калмыкия – 1.5 м3/(сут×км2). Суммарные прогнозные запасы пресных подземных вод полуострова Крым составляют 1300,80 тыс. м3/сут. Среди регионов с наибольшими прогнозными запасами пресных под- земных вод в Крыму выделяются: Сакский – 204.9, Джанкойский – 144.7, Нижнегорский – 82.4, Бахчисарайский – 116.1 тыс. м3/сут., на долю которых приходится 46,7% всех прогноз- ных запасов пресных подземных вод Крыма пригодных для питьевого назначения. В целом по России обеспеченность прогнозными ресурсами подземных вод составляет около 6 м3/сут на человека. Ряд субъектов РФ испытывает значительный дефицит воды, что обусловлено неравномерностью распределения ресурсов подземных вод. Слабо обеспечен кондиционными пресными подземными водами целый ряд крупных административных ре- гионов России, среди которых: Республика Карелия, западная и юго-западная части Архан- гельской области, Новгородская и Ярославская области, большая часть Ростовской области, западная и центральная части Ставропольского края, республики Адыгея, Дагестан (горная часть) и Калмыкия, Астраханская, Волгоградская (Заволжье и юг), Курганская, Омская и южная часть Тюменской области, Республика Якутия (Саха), Магаданская область и другие регионы северо-востока России. 22

Прогнозные ресурсы подземных вод, Степень разведанности прогнозных ресурсов млн. м3/сут подземных вод, % Рисунок 2 – Карта прогнозных ресурсов подземных вод и степени их разведанности по бассейновым округам на территории Российской Федерации [29] На карте обозначены бассейновые округа, представленные в соответствии с приказом МПР России № 256 от 11.10.2007 года: 01 – Балтийский, 02 – Баренцево-Беломорский, 03 – Двинско-Печёрский, 04 – Днепровский, 05 – Донской, 06 – Кубанский, 07 – Западно-Каспийский, 08 – Верхневолжский, 09 – Окский, 10 – Камский, 11 – Нижневолжский, 12 – Уральский, 13 – Верхнеобский, 14 – Иртышский, 15 – Нижнеобский, 16 – Ангаро-Байкальский, 17 – Енисейский, 18 – Ленский, 19 – Анадыро-Колымский, 20 – Амурский. Слабая естественная обеспеченность отдельных территорий ресурсами питьевых под- земных вод объясняется целым рядом причин, основными из которых являются: отсутствие водоносных структур или низкая водообильность водоносных горизонтов из-за особенностей строения геологического разреза, как, например, в районах многолетней мерзлоты (большая часть Восточной Сибири и Дальнего Востока); отсутствие подземных вод, соответствующих нормативным требованиям к питьевым водам по качеству (минерализации или содержанию отдельных нормируемых компонентов), что обусловлено климатическими или геохимическими особенностями формирования под- земных вод (южные районы страны, районы с регионально развитыми зонами распростране- ния соленосных пород и др.) В таких районах проводится специальная водоподготовка перед подачей воды потребителям. 23

Запасы подземных вод представляют собой разведанную и изученную часть прогноз- ных ресурсов подземных вод, прошедшие государственную экспертизу. На территории Рос- сийской Федерации на 01.01.2015 год, по данным ГМСН, разведано 15054 месторождения (участка) подземных вод, из которых 10556 находятся в эксплуатации [22]. Общее количе- ство оцененных запасов подземных вод, пригодных для хозяйственно-питьевого, производ- ственно-технического водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ составляет 85826 тыс. м3/сут. В 2014 году на территории страны было разведано 2233 новых месторож- дения подземных вод, переоценены 1167 и сняты с учёта 427 месторождения. Преобладающая часть запасов приходится на Центральный – 27349, Приволжский – 16913 и Сибирский – 12945 тыс. м3/сут федеральные округа. Наибольшее количество место- рождений (участков) подземных вод по состоянию на 01.01.2015 года оценено в Централь- ном ФО – 4134 тыс. м3/сут, по другим федеральным округам количество разведанных место- рождений варьирует от 559 (Северо-Кавказский ФО) до 2942 тыс. м3/сут (Уральский ФО). Таблица 4 – Запасы подземных вод по федеральным округам Российской Федерации в целом на 01.01.2014 год [22] 3 Количество месторождений Запасы подземных вод, тыс. м /сут. (участков) подземных вод Федеральный округ по категориям в т.ч. эксплуа- всего всего А В С1 С2 тирующихся Центральный 7525,9 9239,4 7623,7 2959,7 27348,7 4134 3055 Северо-Западный 731,5 1134,7 1142,7 1221,7 4230,6 1252 870 Южный 2345,5 2172,4 1512,5 1330,3 7360,7 587 357 Северо-Кавказский 1636,3 1648,6 1708,5 849,1 5842,5 559 398 Приволжский 3110,8 4922,6 5703,3 3176,1 16912,8 2856 1963 Уральский 1210,7 2109,9 1196,3 920,8 5437,7 2942 2410 Сибирский 2343,9 3958,0 3818,1 2825,2 12945,2 1890 948 Дальневосточный 1308,3 1712,8 1573,5 1153,2 5747,8 834 555 Крымский 760,9 343,6 1104,6 Россия 20212,9 26898,4 24278,6 14436,1 85826,0 15054 10556 Разведанные и оцененные запасы подземных вод Крыма составляют (с минерализацией до 1,5 г/дм3) (в том числе по категории А+В) – 760,986 тыс. м3/сут; по категории С1+С2 – 343,634 тыс. м3/сут; всего – 1104,62 тыс. м3/сут. Несмотря на большое количество водозабо- ров, утверждённые запасы подземных вод на водозаборах Горно-Крымского бассейна неве- лики по сравнению с месторождениями Равнинно-Крымского артезианским бассейна и со- ставляет соответственно 36,8 тыс. м3/сут и 656,40 тыс. м3/сут. Максимальные величины запасов (более 2500 тыс. м3/сут) подземных вод оценены в Московской и Самарской областях, Краснодарском крае, Башкортостане. Наибольшим коли- чеством запасов характеризуются бассейновые округа: Окский – 13926, Верхневолжский – 8402, Донской – 8072; минимальным – Баренцево-Беломорский – 409 тыс. м3/сут. - Центральный ФО - Северо-Западный ФО - Южный ФО - Северо-Кавказский ФО - Приволжский ФО - Уральский ФО - Сибирский ФО - Дальневосточный ФО Рисунок 3 – Изменение за- пасов подземных вод за 2000-2014 годы по феде- ральным округам [29] 24

Б. Добыча, извлечение и использование подземных вод Добыча подземных вод – изъятие воды из недр для использования в заданных целях (для хозяйственно-питьевого и производственно- технического водоснабжения, орошения и др.) Извлечение подземных вод – изъятие воды из недр, осуществляемое попутно, в процессе дру- гих видов недропользования (шахтный, карьер- ный водоотлив и др.), а также в иных случаях отбора подземных вод без их последующего ис- пользования (защита территории от подтопле- ния, дренаж сельскохозяйственных земель и др.) Подземные воды на территории России эксплуатируются достаточно неравномерно: в 35 субъектах Российской Федерации доля подземных вод в хозяйственно-питьевом водо- снабжении составляет от 70 до 100%, а в 12 субъектах удельный вес использования подзем- ных вод не превышает 10-20%. В 2014 году на территории Российской Федерации общий водоотбор из подземных водных объектов составил 26586 тыс. м3/сут, соотношение между добычей и извлечением около 4,18. На месторождениях (участках) было добыто 13875 тыс. м3/сут (53%), остальная часть добычи осуществляется на участках недр не прошедших государственную экспертизу запасов. Извлечение подземных вод на объектах разработки месторождений твердых полез- ных ископаемых и попутно на нефтепромыслах составило 4943 тыс. м3/сут. Таблица 5 – Добыча, извлечение и использование подземных вод по федеральным округам Российской Федерации в год, тыс. м3/сут [22] Количество добытой Использование подземных вод Сброс и извлечённой воды вод без Федеральный округ в т.ч. во- В том числе по типам использо- всего доотлив, всего вания дренаж ХПВ ПТВ ОРЗ+ОП Центральный 7543,5 592,0 6878,2 5248,4 1516,5 113,3 665,3 Северо-Западный 1850,1 1072,8 907,9 523,4 376,1 27,9 922,7 Южный 2103,0 175,9 1530,8 1252,2 274,7 3,9 572,2 Северо-Кавказский 1362,2 9,6 1044,0 869,6 130,1 44,3 318,2 Крымский 1104,6 300 Приволжский 4615,7 208,4 3954,3 2576,5 1091,4 286,4 661,4 Уральский 2254,8 906,6 1338,6 1028,6 292,2 17,8 916,2 Сибирский 4573,2 1795,1 2747,1 1716,5 860,6 170,0 1826,1 Дальневосточный 1178,4 182,8 893,2 585,5 306,1 1,6 285,2 Россия 26585,5 4943,3 19594,1 13800,7 4847,7 665,2 6167,3 Примечание: хозяйственно-питьевое водоснабжение (ХВП), производственно-техническое водоснабжение (ПТВ), орошение земельных угодий (ОРЗ) и пастбищ (ОП). Наибольшее количество подземных вод в 2014 году было добыто и извлечено в преде- лах трёх федеральных округов: Центрального – 7543 (30%), Приволжского – 4616 (18%) и Сибирского – 4573 тыс. м3/сут (18%). Значительным количеством добываемых подземных вод на месторождениях (участках) характеризуются бассейновые округа: Окский, Донской, Верхневолжский, Кубанский и Камский, в каждом из которых этот показатель превышает 1 млн. м3/сут. Минимальное количество подземных вод добыто в Баренцово-Беломорском бассейновом округе – 57 тыс. м3/сут. В пределах Равнинного Крыма водоотбор из водоносного горизонта среднемиоценовых отложений в 2014 году уменьшился по сравнению с прошлым годом на 4,2 тыс. м3/сут и со- 25

ставил 21,6 тыс. м3/сут. Добыча подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения составляла до 2014 года около 300 тыс. м3/сут. По данным отчётности по форме 7-ГР в 2014 году отобрано около 48604,321 тыс. м3/г. При этом величина отбора подземных вод в 2014 году, в связи с рядом объективных и субъективных причин, является заниженной. Следует отметить недостаточное освоение запасов подземных вод по стране. Степень их освоения (отношение добычи подземных вод к запасам) изменяется по федеральным округам от 10,4% (Дальневосточный) до 22,8% (Уральский), по субъектам Российской Феде- рации – от 0,2% (Омская область) до 38,6% (Белгородская область) и в целом по России со- ставляет 15,8%. Добыча и извлечение Модуль добычи и извлечение Границы подземных вод, млн. м3/сут. подземных вод, м3/(сут×км2) Рисунок 4 – Карта добычи и извлечения подземных вод на территории Российской Федерации За период 2000-2014 года в целом по России наблюдается постепенное сокращение об- щей величины добычи и извлечения подземных вод. В сравнении с 2000 годом изменение этого показателя достигло 7,8 млн. м3/сут (23%), при этом снижается добыча как на место- рождениях (участках), так и на участках недр с неоцененными запасами. В 2014 году в экономике и социальной сфере было использовано 19594,1 тыс. м3/сут подземных вод, из них 13800,7 тыс. м3/сут на хозяйственно-питьевые цели, 4847,7 тыс. м3/сут на технические нужды и 665,2 тыс. м3/сут на сельскохозяйственные нужды, в т.ч. на ороше- ние земель и обводнение пастбищ. Большие объёмы потребления подземных вод отмечены в Московской области – 2428 тыс. м3/сут и Краснодарском крае – 1087 тыс. м3/сут. От 500 до 1000 тыс. м3/сут используется в республиках Башкортостан и Татарстан, Красноярском крае, Белгородской, Воронежской и Нижегородской областях. 26

В системах хозяйственно-питьевого водоснабжения (ХПО) степень использования под- земных вод, добываемых на участках с оцененными запасами, сравнительно низкая. Дли- тельное время средний показатель использования подземных вод в общем балансе хозяй- ственно-питьевого водоснабжения составляет 45%: для городского населения – 40%, а для сельского – 83%. Слабое освоение разведанных запасов подземных вод определяется рядом причин, ос- новными из них являются: отсутствие современной нормативной базы с регламентами пользования подземных водных объектов, учитывающей кардинальные изменения правовой и экономической ситуа- ции в стране, неопределенность границ и статуса месторождений подземных вод; изменение юридического статуса территорий месторождений; удалённое расположение месторождений от потребителей; изменение (ужесточение) требований к качеству питьевых вод; изменение водохозяйственной и экологической обстановки, в том числе застройка площади месторождений, их техногенное загрязнение; закрытие предприятий-водопотребителей и др. Коммунальные службы традиционно отдают предпочтение поверхностным источникам водоснабжения. Как следствие, около половины месторождений разведанных в 50-80-е годы прошлого столетия в настоящее время не используются, хотя учитываются в государствен- ном балансе. 1.3. Бассейновые округа Понятие «бассейновый округ» определено в статье 28 «Бассейновые округа» Водного кодек- са Российской Федерации, который вступил в силу 01.01.2007 года, согласно Федеральному закону от 03.06.2006 года № 73-ФЗ «О введении в действие Водного кодекса Российской Феде- рации», с изменениями от 28.11.2015 года. Бассейновые округа являются основной единицей управления в области использования и охраны водных объектов и состоят из речных бассейнов и связанных с ними подземных вод- ных объектов и морей. Бассейновый принцип управления водными ресурсами не является новым для дей- ствующего в Российской Федерации водного законодательства; он был закреплен ещё Осно- вами водного законодательства СССР, которые устанавливали, что государственное управ- ление в области использования и охраны вод осуществляется через бассейновые (территори- альные) управления специально уполномоченных государственных органов в данной сфере. Водным кодексом РСФСР 1972 года указанный бассейновый принцип был упрочнён и конкретизирован. Реформирование системы государственного управления в России в связи с распадом СССР существенно не повлияло на применение бассейнового принципа, так в ста- тье 69 Водного кодекса РФ 1995 года в качестве одного из принципов государственного управления в области использования и охраны водных объектов был провозглашён принцип сочетания рационального использования и охраны всего бассейна водного объекта и его ча- сти в границах территорий отдельных субъектов РФ. Иными словами, в системе государ- ственного управления применялось сочетание бассейнового и административно- территориального принципов управления. 27

В соответствии с бассейновым делением территории РФ, отражённым в комментируе- мой статье Водного кодекса, было установлено 20 бассейновых округов (по бассейнам круп- нейших водных объектов и их систем), границы которых были утверждены Приказом МПР РФ от 11 октября 2007 года № 265 «Об утверждении границ бассейновых округов». При этом необходимо отметить, что закрепление их названий в Водном кодексе РФ является для рос- сийского водного законодательства новым решением. Важно заметить, что в тексте законодательного акта впервые дано определение бассей- нового округа, который понимается как совокупность речных бассейнов и связанных с ними подземных водных объектов и морей. Между тем более дальновидным решением, позволив- шим избежать некоторых противоречий, было бы определение его как совокупности поверх- ностных, а также связанных с ними подземных водоёмов, водотоков и морей [60]. В опреде- лении на первом месте находится понятие речной бассейн – территория, поверхностный сток вод с которой через связанные водоёмы и водотоки осуществляется в море или озеро. А. Речные бассейны. Реки являются важнейшим элементом большого (мирового) кру- говорота воды в природе. Водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, перено- сится ветрами на материки, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении солёная вода превра- щается в пресную воду, а загрязнённая – очищается. Из почти 1,4 млрд. км3 общего объёма вод гидросферы доля рек составляет всего 0,0002 %, а доля в них запасов пресной воды – 0,005 %. Морфологию речного стока определяют водоразделы. Водораздел – граница между смежными водосборами; представляет собой условную топографическую линию на земной поверхности, разделяющую водосборы двух или не- скольких рек, озёр, морей и океанов, направляя сток атмосферных осадков по двум противо- положным склонам. Местность вокруг линии водораздела называется водораздельной терри- торией. В гористых областях водоразделы обычно проходят по гребням гор, на равнинах – по холмистым высотам или даже низменностям. На равнинах водораздел обычно выражен в рельефе нечётко и превращается в плоское водораздельное пространство (или водораздель- ную территорию), на котором направление стока может быть переменным. Рисунок 5 – Карта водосборных бассейнов Мирового океана 28

Водосбор (водосборный бассейн, водосборная площадь) – часть земной поверхности, толща почв и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту; включает поверх- ностный и подземный водосборы, которые в общем случае географически не совпадают. Определить границу подземного водосбора практически очень сложно, поэтому за неё обыч- но принимается граница поверхностного водосбора [59]. Часть суши, с которой реки несут воды в океаны и соединённые с ними моря, называ- ется областью внешнего стока, а часть суши, с которой вода поступает в замкнутые водоемы, не имеющие связи с океаном – областью внутреннего стока. По площади область внешнего стока занимает 78% материков, а область внутреннего стока – 22%, что представлено на кар- те водосборных бассейнов Мирового океана. Главный водораздел делит сушу на две покатости: первая – со стоком рек в Атлантиче- ский и Северный Ледовитый океаны (60%); вторая – со стоком рек в Тихий и Индийский океаны (40%). Главный водораздел земного шара проходит по Южной и Северной Америке, Азии и Африке; он тянется от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжает- ся вдоль восточной окраины Африки к её южной оконечности. Второстепенные водоразделы – это водоразделы бассейнов Тихого, Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого и Южного океанов, а также областей с внутренним сто- ком или бессточных областей. Водоразделы бассейнов океанов по отдельным материкам расположены следующим образом. В Европе водораздел рек, принадлежащих к бассейну Северного Ледовитого океана, проходит от юго-западного побережья Норвегии по Скандинавскому нагорью, возвышенно- сти Манселькя, между озерами Сегозеро и Онежским, Белым и Кубенским, далее по Север- ным Увалам, Уральскому хребту, хребту Пай-Хой. Водораздел бассейнов рек Атлантического океана проходит от юго-западного побере- жья Норвегии до озер Сегозеро и Онежского, совпадает с водоразделом бассейнов рек Се- верного Ледовитого океана. Далее линия водораздела проходит между озерами Онежским и Белым, по Валдайской, Среднерусской и Приволжской возвышенностям, Ергеням и Главно- му Кавказскому хребту. В Азии водораздел бассейнов рек, впадающих в Тихий океан, проходит от мыса Деж- нева по хребтам Чукотскому, Колымскому, Джугджур, Становому, Яблоновому, Хэнтэй, по возвышенностям северной части пустыни Гоби и далее по хребтам Большой Хинган, Ины- пань, Наныиань, Кукушили, Тангла, Хэндуаныпань, Билау (п-ов Малакка). Водораздел бассейнов рек, текущих в Индийский океан, в Азии проходит от южной ча- сти Суэцкого канала к истоку реки Евфрат, по горам Загрос, плоскогорью Серхед, Гиндукуш, южной части Тибета до хребта Кукушили и далее по водоразделу Тихого океана. Водораздел Северного Ледовитого океана в Азии проходит от северной оконечности суши в проливе Маточкин Шар, по хребтам Пай-Хой и Уральскому, междуречью рек Тобо- ла, Тургая, Ишима, Казахскому мелкосопочнику, хребтам Тарбагатай, Монгольскому Алтаю, Танну-Ола, Хангай, Хэнтей и далее совпадает с водоразделом Тихого океана. В Африке водораздел между бассейнами рек Индийского и Атлантического океанов проходит от Суэцкого канала по вершинам гор, расположенным вдоль Красного моря, по во- сточной части Абиссинского нагорья, далее к востоку от озера Виктория, между озёрами Танганьика и Ньяса, по горам Мучинга, между реками Конго и Замбези, Кубанго и Кунене, западнее и южнее озера Этоша, по хребту Дамараленд, возвышенностям юго-западной и южной окраин пустыни Калахари, Драконовым горам до мыса Игольного. В Северной Америке водораздел между Северным Ледовитым, Тихим и Атлантиче- ским океанами проходит от мыса Принца Уэльского (Аляска) по горным хребтам Брукс, Ричардсон, Селуин, Скалистым горам, по возвышенностям между реками Миссисипи и Нельсон, севернее озёр Верхнего и Гурон, по полуострову Лабрадор. Водораздел между Ти- хим и Атлантическим океанами проходит по Скалистым горам, верховьям рек Миссисипи и Саут-Саскачеван, по перешейку Теуантепек и далее до Панамского канала. 29

В Южной Америке водораздел Тихого и Атлантического океанов проходит от Панам- ского канала по Андам, через Магелланов пролив по острову Огненная Земля. В Австралии водораздел между бассейнами рек Тихого и Индийского океанов прохо- дит от мыса Йорк по Большому Водораздельному хребту до мыса Юго-Восточного. Водоразделы бассейнов океанов делят Атлантико-Ледовитую и Тихоокеанско- Индийскую покатости на более мелкие части, выделяя площади водосборов океанов и обла- стей внутреннего стока. К Северному Ледовитому океану относится 15% всей площади суши земного шара, к Атлантическому – 34%, к Тихому – 17%, к Индийскому – 14% и к областям внутреннего сто- ка – 20%. Такое неравномерное распределение площадей водосборов океанов обусловлено тем, что большая часть поверхности суши имеет склон к Атлантическому и Северному Ле- довитому океанам. В Европе, на территории России, имеется огромная область внутреннего стока – водо- сборный бассейн Каспийского моря, ограниченный с запада водоразделом Атлантического океана, с севера водоразделом Северного Ледовитого океана, с востока Уральским хребтом и Мугоджарами (южный отрог Уральских гор в Казахстане) и с юга водоразделом Индийского океана. В Средней Азии к бессточным территориям относится обширная Туранская низмен- ность, включающая огромные пустыни Каракумы, Кызылкум, Бетпак-Дала, Муюнкум, плато Устюрт и др. В центральной Азии большая территория, заключённая между водоразделами Тихого, Индийского и Северного Ледовитого океанов, также является областью внутреннего стока. В эту область входят широко известные пустыни Алашань, Гоби, Такла-Макан и др. Области внутреннего стока имеются на полуострове Малая Азия. Преобладающая часть Аравийского полуострова относится к бессточной области. Бессточные области находятся также в между- речье Инда и Ганга. В Африке к областям внутреннего стока и бессточным относятся пустыни Сахара, Ли- вийская, Нубийская, Калахари и Намиб, водосборы озёр Чад, Руква, Рудольф и др. Реки России принадлежат к бассейнам Северного Ледовитого, Тихого и Атлантическо- го океанов. Кроме того, часть рек впадает во внутренние, не связанные с Мировым океаном, моря и озера. Водосборные бассейны крупнейших рек России представлены на рисунке. К бассейну Северного Ледовитого океана, его окраинным морям (Баренцеву, Белому, Карскому, Лаптевых, Восточно-Сибирскому и Чукотскому), относится более половины тер- ритории России (65%). Основную, центральную часть этого бассейна занимают главнейшие водные артерии страны – реки Обь, Енисей и Лена. Между ними расположены бассейны рек Таза, Пура, Пясины, Хатанги и др. К западной части бассейна Северного Ледовитого океана относятся бассейны рек Печоры, Северной Двины и Онеги, к восточной – Яны, Индигирки, Колымы и других рек. К бассейну Тихого океана принадлежит около 19% территории России. Речной сток по- ступает в окраинные моря Тихого океана – Берингово, Охотское и Японское. В северной ча- сти бассейна протекают реки Анадырь и Камчатка, в южной – Амур. Реки средней части бас- сейна Тихого океана представляют собой короткие водотоки с небольшими площадями бас- сейнов. К бассейну Атлантического океана относится около 5% площади территории Россий- ской Федерации; сюда входит речная сеть, принадлежащая бассейнам Балтийского, Черного и Азовского морей. Наиболее крупными реками бассейна Балтийского моря являются Нева, Нарва, Западная Двина, Неман; бассейна Черного моря – Днепр; бассейна Азовского моря – Дон и Кубань. Площадь Каспийской бессточной области составляет 11% территории России. К ней относятся такие крупные реки, как Волга, Урал, Терек и др. 30

Рисунок 6 – Водосборные бассейны крупнейших рек России Водораздел между бассейнами Северного Ледовитого и Тихого океанов проходит по Чукотскому хребту, Анадырскому плоскогорью, горным хребтам Колымскому, Джугджур, Становому и Яблонову. Водораздел бессточного Каспийского бассейна образуют: Саяны и Алтай, а Атлантического океана – Урал, Северные Увалы и возвышенность Манселькя. Во- дораздел между бассейном Атлантического океана и Каспийским бассейном проходит по Валдайской, Среднерусской, Приволжской и Ставропольской возвышенностям и Главному Кавказскому хребту. Б. Бассейновые округа выделяются в соответствии с Методикой гидрографического районирования территории Российской Федерации, утверждённой приказом Министерства природных ресурсов РФ от 25 апреля 2007 года № 112. Методика гидрографического районирования устанавливает: принципы и критерии деления территории Россий- ской Федерации на гидрографические единицы; порядок определения и описания границ гидро- графических единиц; правила кодирования (нумерации) гидрографиче- ских единиц; состав документов для утверждения количества гидрографических единиц и их границ. В Методике используются следующие основные термины и определения: речной бассейн – территория, поверхностный сток вод с которой через связанные водо- ёмы и водотоки осуществляется в море или озеро; гидрографическая единица – речной бассейн или подбассейн реки, впадающей в глав- ную реку речного бассейна; бассейновый округ – основная единица управления в области использования и охраны водных объектов, состоящая из речных бассейнов и связанных с ними подземных водных объектов и морей; отдельные части морей – проливы, заливы, бухты, лиманы и другие. 31

Принципы установления гидрографических единиц. Гидрографическое районирование (выделение гидрографических единиц) осуществляется для целей разработки схем ком- плексного использования и охраны водных объектов и основано на гидрографо- географическом подходе к районированию территорий. При гидрографическом районировании выделению подлежат гидрографические едини- цы бассейнового уровня и подбассейнового уровня. Главной рекой речного бассейна (гидрографической единицей бассейнового уровня) может быть: большая река, впадающая в море или бессточное озеро (озеро-водохранилище); большая река, впадающая в другую большую реку (или часть большой реки до некото- рого замыкающего створа), давшая название бассейновому округу. К категории больших рек – рек, бассейны которых располагаются в нескольких геогра- фических зонах, а гидрологический режим не свойственен для рек каждой географической зоны в отдельности – относятся равнинные реки, имеющие бассейн площадью более 50000 км2, а также реки, преимущественно горные, с площадью водосбора более 30000 км2. Если главная река образуется от места слияния двух рек с другими географическими названиями, то они считаются притоками главной реки, а точка их слияния – началом глав- ной реки. Вся территория РФ делится на гидрографические единицы бассейнового уровня. Уча- сток территории РФ может относиться (принадлежать) только к одной гидрографической единице бассейнового уровня. Каждая гидрографическая единица бассейнового уровня мо- жет быть поделена на гидрографические единицы подбассейнового уровня (бассейны рек, впадающих в главную реку гидрографической единицы бассейнового уровня). В случае деления гидрографическая единица бассейнового уровня должна включать в себя не менее двух гидрографических единиц подбассейнового уровня. При этом не должно оставаться никакой части территории делимого речного бассейна, не отнесенной ни к одно- му из составляющих его подбассейнов. Не допускается отнесение одного и того же участка территории к различным гидрографическим единицам подбассейнового уровня. Речные бассейны малых и средних рек, впадающих в море или бессточное озеро, не выделяются в самостоятельные гидрографические единицы бассейнового уровня. Они долж- ны быть включены в состав смежной гидрографической единицы бассейнового уровня или объединены в одну гидрографическую единицу бассейнового уровня. К категории средних рек отнесятся равнинные реки, бассейны которых располагаются в одной гидрографической зоне, имеющие площадь от 2000 до 50000 км2, а их гидрологиче- ский режим свойственен для рек этой зоны; к категории малых рек – реки, бассейны которых располагаются в одной гидрографической зоне, имеющие площадь не более 2000 км2 и гид- рологический режим которых под влиянием местных факторов может быть не свойственен для рек этой зоны. Границы гидрографических единиц проходят по водоразделам речных бассейнов и подбассейнов (географической границе между смежными водосборами); они не могут пере- секать границы водохранилищ, проточных озёр или озёр-водохранилищ, полностью распо- ложенных на территории Российской Федерации. Если часть речного бассейна находится вне территории РФ, часть границы соответствующей гидрографической единицы совмещается с Государственной границей Российской Федерации, а акватории водных объектов относятся к соответствующей гидрографической единице до линии Государственной границы РФ. Основные критерии, используемые при установлении гидрографических единиц. Глав- ным критерием при установлении гидрографических единиц является площадь водосборной территории. Минимальная площадь гидрографической единицы бассейнового уровня, как правило, не должна быть меньше площади бассейна большой реки. Отступление от данного критерия (но только до уровня бассейна средней реки) допус- кается в следующих случаях: 32

указанный критерий входит в противоречие с законодательно установленным делением территории Российской Федерации на бассейновые округа; рассматривается речной бассейн большой реки, лишь часть которого находится в пре- делах территории Российской Федерации; рассматривается бессточная область – участок земной поверхности без поверхностного или подземного стока в другой водосбор; решается задача объединения ряда бассейнов малых и средних рек и предпочтитель- ным является максимальная близость границ гидрографических единиц к границам соответ- ствующих субъектов Российской Федерации. Величина максимальной площади гидрографической единицы бассейнового уровня не устанавливается в случае, если имеет место бассейн одной большой реки. При включении групп речных бассейнов малых и средних рек, непосредственно впа- дающих в море или озеро, в состав гидрографической единицы бассейнового уровня, смеж- ной с этими бассейнами, суммарная площадь их водосборов не должна превышать 50000 км2 с каждой из сторон по отношению к главной реке. При формировании гидрографических единиц бассейнового уровня из группы бассейнов малых и средних рек, непосредственно впадающих в море или озеро, суммарная площадь их водосборов, как правило, не должна превышать 100000 км2. Гидрографические единицы бассейнового уровня могут формироваться только из групп смежных бассейнов рек, впадающих в одно и то же море, озеро или озеро-водохранилище. При формировании групп речных бассейнов малых и средних рек, включаемых в со- став гидрографической единицы бассейнового уровня, смежной с этой группой бассейнов, учитываются следующие критерии (в порядке приоритетности): впадение указанных малых и средних рек в ту же отдельную часть моря или в одно и то же озеро, что и главная река гидрографической единицы бассейнового уровня; максимальная близость границ указанных речных бассейнов малых и средних рек, непосредственно впадающих в море или озеро, к границам соответствующих субъектов Рос- сийской Федерации. Бассейны рек, расположенные на крупных островах (более 50000 км2) внутренних мор- ских вод и территориального моря Российской Федерации, объединяются в одну гидрогра- фическую единицу бассейнового уровня, включающую в себя и все острова меньшей площа- ди, расположенные в той же части внутренних морских вод и территориального моря Рос- сийской Федерации. Речные бассейны малых и средних рек, расположенные на островах од- ной и той же части внутренних морских вод и территориального моря Российской Федера- ции и имеющие суммарную площадь менее 50000 км2, присоединяются к ближайшей гидро- графической единице бассейнового уровня. Бассейны рек, впадающих в главную реку речного бассейна – гидрографической еди- ницы бассейнового уровня, подлежат обязательному выделению в отдельные гидрографиче- ские единицы подбассейнового уровня (подбассейн) в случаях: если площадь водосбора каждой такой реки превышает 50000 км2; если главная река образуется слиянием нескольких рек. Бассейны малых и средних рек, впадающих в главную реку гидрографической единицы бассейнового уровня, не выделяются в самостоятельные гидрографические единицы. Они либо включаются в состав гидрографической единицы подбассейна большой реки, смежного с этими бассейнами, либо объединяются в одну гидрографическую единицу подбассейнового уровня, если их реки впадают в главную реку на одном и том же участке главной реки. Суммарная площадь речных бассейнов малых и средних рек, впадающих в главную ре- ку и включаемых в состав гидрографической единицы подбассейна крупного притока глав- ной реки, смежного с этими бассейнами, не должна превышать 50000 км2. При группировании речных бассейнов малых и средних рек, впадающих в главную ре- ку, с целью их включения в состав гидрографической единицы подбассейна крупного прито- ка главной реки, смежного с этими бассейнами, либо в порядке формирования отдельной 33

гидрографической единицы подбассейнового уровня, руководствуются следующими крите- риями (в порядке приоритетности): наличие и расположение водоподпорных сооружений на главной реке; наличие и расположение гидрометрических створов (створов, в которых измеряются расходы воды и производятся другие виды гидрометрических работ) и гидрологических по- стов наблюдений (пунктов, оборудованных устройствами и приборами для проведения си- стематических гидрологических наблюдений) на главной реке; максимальная близость границ указанных бассейнов к границам соответствующих субъектов Российской Федерации. Порядок осуществления гидрографического районирования. Установление (выделение) гидрографических единиц и определение их границ проводится на основе государственных топографических карт и цифровых моделей рельефа с использованием геоинформационных технологий. В качестве топографической основы при установлении (выделении) границ гид- рографических единиц используются топографические основы масштаба 1:1000000. При необходимости допускается дополнительная детализация отдельных участков границ гидро- графических единиц на картах масштаба 1:200000. Выделение гидрографических единиц осуществляется поэтапно: 1. По картографическим материалам выделяются большие реки, непосредственно впа- дающие в моря или бессточные озёра и водосборы которых частично или полностью распо- ложены на территории РФ, а также определяются водоразделы соответствующих бассейнов. 2. Определяются главные реки для гидрографических единиц бассейнового уровня (речных бассейнов). Как правило, к ним причисляются большие реки, выделенные на первом этапе, за исключением больших рек бассейны которых в соответствии с действующим зако- нодательством должны быть поделены на несколько бассейновых округов. Для этих рек, ис- ходя из установленных в Методике принципов и критериев гидрографического районирова- ния устанавливаются замыкающие створы (створы, ограничивающие рассматриваемый бас- сейн) на главных реках соответствующих гидрографических единиц бассейнового уровня. 3. По картографическим материалам выделяются отдельные бассейны или группы бас- сейнов средних и малых рек, непосредственно впадающие в моря или бессточные озера и водосборы которых, частично или полностью расположены на территории Российской Фе- дерации, а также определяются водоразделы соответствующих бассейнов. 4. В соответствии с установленными критериями и на основании работ выполненных на втором и третьем этапах, территория Российской Федерации делится на гидрографиче- ские единицы бассейнового уровня. 5. По картографическим материалам на территории Российской Федерации внутри всех гидрографических единиц бассейнового уровня выделяются большие реки, впадающие в главные реки этих гидрографических единиц, а также устанавливаются водоразделы соот- ветствующих бассейнов. 6. В соответствии с установленными критериями и на основании работ, выполненных на пятом этапе, гидрографические единицы бассейнового уровня делятся на гидрографиче- ские единицы подбассейнового уровня. 7. Составляется систематизированный перечень гидрографических единиц с присвое- нием им кодов и определением их числа. Проводится описание и документирование границ установленных гидрографических единиц. Документы установления количества гидрогра- фических единиц и их границ составляются на бумажных и электронных носителях. Описание границ гидрографических единиц. Описание границ каждой гидрографиче- ской единицы включает в себя: физико-географическое описание прохождения линии границы гидрографической еди- ницы на местности во взаимосвязи с элементами ландшафта, гидрографической сети, других географических компонентов; 34

реестр опорных точек линии границы гидрографической единицы и их географических координат. Опорными точками линии границы гидрографических единиц являются точки: примыкания водоразделов к Государственной границе Российской Федерации; примыкания водораздела к береговой линии внутренних морских вод и территориаль- ного моря Российской Федерации; пересечения (примыкания) границ гидрографических единиц с границами субъектов Российской Федерации; схождения (стыка) общих участков границы трех и более гидрографических единиц одного уровня; определяющие места изменения географических компонентов на местности (схождение двух разнонаправленных в плане участков границы между сопредельными гидрографиче- скими единицами); приуроченные к характерным формам рельефа и т.п. Географические координаты, как правило, с высотными отметками земной поверхности приводятся в действующей единой государственной системе координат и высот. В качестве ориентиров для физико-географического описания прохождения линии гра- ницы гидрографических единиц выбираются характерные элементы местности (рельефа, гидрографии, дорожной сети, растительного покрова, ландшафтов и т.д.), расположенные в непосредственной близости от этой линии границы. Описание прохождения границы гидро- графической единицы составляется последовательно от одной опорной точки линии границы к другой в зависимости от положения характерных элементов местности по отношению к линии границы. В описании границ гидрографических единиц применяются географические наимено- вания объектов местности в соответствии с используемыми государственными топографиче- скими картами. В случае переименования географических объектов в описании приводятся как новые, так и старые названия объектов. Кодирование гидрографических единиц. Кодирование гидрографических единиц осу- ществляется путем присвоения им уникальных числовых кодов, позволяющих однозначно определить: бассейновый округ, в состав которого входит данная гидрографическая единица; гидрографическую единицу бассейнового уровня, в состав которой входит гидрографи- ческая единица подбассейнового уровня; собственно гидрографическую единицу подбассейнового уровня. Код любой гидрографической единицы состоит из трех групп цифр по две цифры в каждой, отделяемых друг от друга разделите- лем. Первая (слева направо) группа из двух цифр представляет собой номер бассейнового округа в соответствии с перечнем бассейно- вых округов, установленным законодательством Российской Феде- рации. Вторая (слева направо) группа из двух цифр представляет собой номер гидрографической единицы бассейнового уровня, входящей в состав бассейнового округа, определенного первой группой цифр. Рисунок 7 – Структура кода гидрографической единицы Нумерация гидрографических единиц бассейнового уровня для каждого бассейнового округа своя и начинается с единицы (01) последовательно возрастая с запада на восток и с севера на юг по отношению к замыкающим створам основных гидрографических единиц бассейнового уровня. 35

Третья (слева направо) группа из двух цифр представляет собой номер гидрографиче- ской единицы подбассейнового уровня, входящей в состав гидрографической единицы бас- сейнового уровня, определяемой первыми двумя группами цифр. Нумерация подбассейнов для каждого конкретного речного бассейна начинается с единицы (01) и осуществляется от истоков главной реки к замыкающему створу главной реки гидрографической единицы бас- сейнового уровня. Если в пределах гидрографической единицы бассейнового уровня гидрографические единицы подбассейнового уровня не выделяются, третья группа из двух цифр в коде такой гидрографической единицы записывается нулями (00). В качестве разделителя указанных выше групп цифр, последовательно определяющих номера бассейнового округа, гидрографической единицы бассейнового уровня и гидрогра- фической единицы подбассейнового уровня, рекомендуется принимать точку (.). В этом слу- чае код гидрографической единицы будет иметь формат: 00.00.00. Документирование границ гидрографических единиц. Границы гидрографических еди- ниц документируются путем нанесения их на картографическую основу, составления переч- ня гидрографических единиц, их кодирования, а также описания границ гидрографических единиц. Запасы подземных вод, Степень освоенности Границы млн. м3/сут. подземных вод, % Рисунок 8 – Карта бассейновых округов на территории Российской Федерации [29] При утверждении количества гидрографических единиц и их границ в состав утвер- ждаемых документов включаются: систематизированный перечень гидрографических единиц на территории Российской Федерации в табличной форме; альбом карт с нанесенными на них границами гидрографических единиц и опорными точками на этих границах; 36

описание границ гидрографических единиц; реестр опорных точек границ гидрографических единиц. Хранение указанных документов на бумажных и электронных носителях, краткой по- яснительной записки и иных материалов, использовавшихся при осуществлении гидрогра- фического районирования, обеспечивается Федеральным агентством водных ресурсов. В соответствии с постановления Правительства Российской Федерации от 30 ноября 2006 года № 728 «О гидрографическом и водохозяйственном районировании территории Российской Федерации и утверждении границ бассейновых округов», Приказом МПР РФ от 11 октября 2007 года № 265 «Об утверждении границ бассейновых округов» и в соответ- ствии в соответствии с требованиями «Методикой гидрографического районирования терри- тории Российской Федерации» определён состав и границы бассейновых округов. Таблица 6 – Состав бассейновых округов Наименование бассейнового округа (б/о) Код № б/о г/е Код и наименование гидрографической единицы (г/е) 01 Балтийский 1 01.01.00 Неман и реки бассейна Балтийского моря (российская часть в Калининградской обл.) 2 01.02.00 Западная Двина (российская часть бассейна) 3 01.03.00 Нарва (российская часть бассейна) 4 01.04.00 Нева (включая бассейны рек Онежского и Ладожского озера) 5 01.04.01 Свирь (включая реки бассейна Онежского озера) 6 01.04.02 Волхов (российская часть бассейна) 7 01.04.03 Нева и реки бассейна Ладожского озера (без 01.04.01 и 01.04.02, российская часть бассейнов) 8 01.05.00 Реки Карелии бассейна Балтийского моря (российская часть бассейнов) 02 Баренцево-Беломорский 1 02.01.00 Бассейны рек Кольского полуострова, впадающих в Баренцево море (российская часть бассейнов) 2 02.02.00 Бассейны рек Кольского полуострова и Карелии, впадающих в Белое море (российская часть бассейнов) 03 Двинско-Печорский 1 03.01.00 Онега 2 03.02.00 Северная Двина 3 03.02.01 Малая Северная Двина 4 03.02.02 Вычегда 5 03.02.03 Северная Двина ниже места слияния Вычегды и Малой Северной Двины 6 03.03.00 Мезень 7 03.04.00 Бассейны рек Баренцева моря междуречья Печоры и Мезени 8 03.05.00 Печора 9 03.05.01 Печора до впадения Усы 10 03.05.02 Уса 11 03.05.03 Печора ниже впадения Усы 12 03.06.00 Бассейны рек Баренцева моря междуречья Печоры и Оби 13 03.07.00 Бассейны рек о. Новая Земля 04 Днепровский 1 04.01.00 Днепр (российская часть бассейна) 05 Донской 1 05.01.00 Дон (российская часть бассейна) 2 05.01.01 Дон до впадения Хопра 3 05.01.02 Хопер 4 05.01.03 Дон между впадением Хопра и Северского Донца 5 05.01.04 Северский Донец (российская часть бассейна) 6 05.01.05 Дон ниже впадения Северского Донца 06 Кубанский 1 06.01.00 Реки бассейна Азовского моря междуречья Кубани и Дона 2 06.02.00 Кубань 3 06.03.00 Реки бассейна Черного моря 37

07 Западно-Каспийский 1 07.01.00 Реки бассейна Каспийского моря междуречья Терека и Волги 2 07.02.00 Терек (российская часть бассейна) 3 07.03.00 Реки бассейна Каспийского моря на юг от бассейна Терека до Государственной границы РФ (российская часть бассейнов) 4 07.04.00 Бессточные районы междуречья Терека, Дона и Волги 08 Верхневолжский 1 08.01.00 Волга до Куйбышевского водохранилища (без бассейна Оки) 2 08.01.01 Волга до Рыбинского водохранилища 3 08.01.02 Реки бассейна Рыбинского водохранилища 4 08.01.03 Волга ниже Рыбинского водохранилища до впадения Оки 5 08.01.04 Волга от впадения Оки до Куйбышевского водохранилища (без бассейна Суры) 6 08.01.05 Сура 09 Окский 1 09.01.00 Ока. 2 09.01.01 Ока до впадения р. Мокша 3 09.01.02 Мокша. 4 09.01.03 Ока ниже впадения р. Мокша 10 Камский 1 10.01.00 Кама 2 10.01.01 Кама до Куйбышевского водохранилища (без бассейнов рек Белой и Вятки) 3 10.01.02 Белая 4 10.01.03 Вятка 11 Нижневолжский 1 11.01.00 Волга от верховий Куйбышевского водохранилища до впадения в Каспийское море 12 Уральский 1 12.01.00 Урал (российская часть бассейна) 2 12.02.00 Большой и Малый Узень (российская часть бассейна) 13 Верхнеобский 1 13.01.00 (Верхняя) Обь до впадения Иртыша 2 13.01.01 Бия и Катунь 3 13.01.02 Обь до впадения Чулыма (без Томи) 4 13.01.03 Томь 5 13.01.04 Чулым 6 13.01.05 Обь на участке от Чулыма до Кети 7 13.01.06 Кеть 8 13.01.07 Обь на участке от Кети до Васюгана 9 13.01.08 Васюган 10 13.01.09 Обь на участке от Васюгана до Ваха 11 13.01.10 Вах 12 13.01.11 Обь ниже Ваха до впадения Иртыша 13 13.02.00 Бессточная область междуречья Оби и Иртыша 14 Иртышский 1 14.01.00 Иртыш (российская часть бассейна) 2 14.01.01 Иртыш до впадения Ишима (российская часть бассейна) 3 14.01.02 Омь 4 14.01.03 Ишим (российская часть бассейна) 5 14.01.04 Иртыш на участке от Ишима до Тобола 6 14.01.05 Тобол (российская часть бассейна) 7 14.01.06 Конда 8 14.01.07 Иртыш на участке от Тобола до Оби 15 Нижнеобский 1 15.01.00 Реки бассейна Карского моря междуречья Печоры и Оби 2 15.02.00 (Нижняя) Обь от впадения Иртыша 3 15.02.01 Обь от Иртыша до впадения Северной Сосьвы 4 15.02.02 Северная Сосьва 5 15.02.03 Обь ниже впадения Северной Сосьвы 6 15.03.00 Надым 7 15.04.00 Пур 8 15.05.00 Таз 38

16 Ангаро-Байкальский 1 16.01.00 Ангара 2 16.01.01 Ангара до створа гидроузла Братского водохранилища 3 16.01.02 Тасеева 4 16.01.03 Ангара от створа гидроузла Братского водохранилища до Енисея 5 16.02.00 Бассейны рек Южной части оз. Байкал 6 16.03.00 Селенга (российская часть бассейна) 7 16.04.00 Бассейны рек средней и северной части оз. Байкал 17 Енисейский 1 17.01.00 Енисей (российская часть бассейна) 2 17.01.01 Большой Енисей 3 17.01.02 Малый Енисей (российская часть бассейна) 4 17.01.03 Енисей между слиянием Большого и Малого Енисея и впадением Ангары 5 17.01.04 Енисей между впадением Ангары и Подкаменной Тунгуски 6 17.01.05 Подкаменная Тунгуска 7 17.01.06 Енисей между впадением Подкаменной Тунгуски и Нижней Тунгуски 8 17.01.07 Нижняя Тунгуска 9 17.01.08 Енисей ниже впадения Нижней Тунгуски 10 17.02.00 Пясина 11 17.03.00 Нижняя Таймыра 12 17.04.00 Хатанга 13 17.04.01 Хета 14 17.04.02 Котуй 15 17.04.03 Хатанга от слияния Хеты и Котуя до устья 16 17.05.00 Попигай 18 Ленский 1 18.01.00 Анабар 2 18.02.00 Оленек 3 18.03.00 Лена 4 18.03.01 Лена до впадения Витима 5 18.03.02 Витим 6 18.03.03 Лена между впадением Витима и Олекмы 7 18.03.04 Олекма 8 18.03.05 Лена между впадением Олекмы и Алдана 9 18.03.06 Алдан 10 18.03.07 Лена между впадением Алдана и Вилюя 11 18.03.08 Вилюй 12 18.03.09 Лена ниже впадения Вилюя до устья 13 18.04.00 Яна 14 18.04.01 Яна до впадения Адычи 15 18.04.02 Адыча 16 18.04.03 Яна ниже впадения Адычи 17 18.05.00 Индигирка 18 18.06.00 Алазея 19 Анадыро-Колымский 1 19.01.00 Колыма 2 19.01.01 Колыма до впадения Омолона 3 19.01.02 Омолон 4 19.01.03 Анюй 5 19.01.04 Колыма ниже Омолона (без Анюя) 6 19.02.00 Бассейны рек Восточно-Сибирского моря восточнее Колымы 7 19.03.00 Бассейны рек Чукотского моря 8 19.04.00 Бассейны рек Берингова моря (от Чукотки до Анадыря) 9 19.05.00 Анадырь 10 19.06.00 Бассейны рек Берингова моря (южнее Анадыря) 11 19.07.00 Камчатка 12 19.08.00 Реки Камчатки бассейна Охотского моря (до Пенжины) 13 19.09.00 Пенжина 14 19.10.00 Бассейны рек Охотского моря от Пенжины до хр. Сунтар-Хаята 39

20 Амурский 1 20.01.00 Бассейны рек Охотского моря от хр. Сунтар-Хаята до Уды 2 20.02.00 Уда 3 20.03.00 Амур (российская часть бассейна) 4 20.03.01 Шилка (российская часть бассейна) 5 20.03.02 Аргунь (российская часть бассейна) 6 20.03.03 Амур от слияния Шилки и Аргуни до впадения Зеи (российская часть бассейна) 7 20.03.04 Зея 8 20.03.05 Бурея 9 20.03.06 Амур между впадением Буреи и Уссури (российская часть бассейна) 10 20.03.07 Уссури (российская часть бассейна) 11 20.03.08 Амгунь 12 20.03.09 Амур от впадения Уссури до устья 13 20.04.00 Бассейны рек Японского моря 14 20.05.00 Бассейны рек о. Сахалин Бассейновые округа были образованы с принятием нового Водного кодекса Российской Федерации, а их границы утверждены в октябре 2007 года. Границы бассейновых округов определялись по границам гидрографических единиц, включённых в бассейновый округ, и по границам прилегающих к ним участков внутренних морских вод и территориального моря Российской Федерации. Гидрографическое районирование было проведено Росводоресур- сами по согласованию с Росгидрометом на основе методики гидрографического районирова- ния территории Российской Федерации, разработанной Минприроды России по согласова- нию с Росгидрометом. Сейчас рассматривается вопрос об образовании 21 бассейнового округа – Крымский бассейновый округ. 40

2. Гидросфера подземных вод Выдающимся советским биогеохимиком и философом Вернад- ским Владимиром Ивановичем [1863-1945] было сформулировано базовое научное положение о единстве природных вод Земли, в соответствии с которым гидросфера планеты должна рассматри- ваться как единая динамическая система, открытая в сторону кос- моса и внутренних областей Земли (мантия, ядро); она объединяет атмосферную гидросферу, а также гидросферы поверхностных, подземных и глубинных вод. Подземные воды находятся в толще горных пород верхней ча- сти земной коры, под которыми (горными породами) понимается любая масса или агрегат одного или нескольких минеральных ви- дов или органического вещества, являющихся продуктами при- родных процессов. Горные породы могут быть твёрдыми, консолидированными или мягкими, рыхлыми. Состав, строение и условия залегания горных пород находятся в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов, происходящих внутри земной коры или на её поверхности. С геохимической точки зрения горные породы – это естественные агрегаты минералов, состоящих преимущественно из петрогенных элементов (главных химических элементов породообразующих минералов). Среди них по массе доминируют: кислород – 48%, кремний – 28%, алюминий – 8%, железо – 5%, кальций – 3,6%, натрий – 2,8%, калий – 2,6%, магний – 2%. Органогенные горные породы образуются в результате накопления останков животных и растений; воду не считают минералом, но все полиморфные модифи- кации льда суть минералы. Системообразующим природным веществом гидросферы является вода во всех агре- гатных состояниях, а также свободных и связанных видах, свойственных среде её распро- странения. Свободная вода находится под воздействием гравитационных и капиллярных сил, отличается наибольшей подвижностью; химически связанная вода входит в состав кристал- лических решёток минералов, физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твердыми частицами породы – для них характерны неподвижность или слабая подвижность. В зависимости от глубины залегания обычно различают три горизонтов подземных вод гидросферы, которые по интенсивности водообмена определяют [48]: зону интенсивного водообмена (воды преимущественно пресные) расположены в самой верхней части земной коры до глубины 300-400 м, реже более; активность водообмена – от десятков до тысяч лет; зону замедленного водообмена (воды солоноватые и солёные), занимает промежуточ- ное положение и располагается до глубины 600-2000 м; активность водообмена – сотни ты- сяч лет; зону весьма замедленного водообмена (воды типа рассолов) приурочена к глубоким зо- нам земной коры и практически изолирована от поверхностных вод и атмосферных осадков; активность водообмена – сотни миллионов лет. Наибольшее значение для водоснабжения имеют подземные воды, циркулирующие в зоне интенсивного водообмена. Постоянно пополняясь атмосферными осадками и водами поверхностных водоёмов, они, как правило, отличаются значительными запасами и высоким качеством. Воды двух нижних зон, расположенных до глубины 10-15 км, практически в про- цессе круговорота не возобновляются, запасы их не пополняются. По существующим оцен- кам жидкая агрегатная составляющая определяется объёмом 23400 тыс. км3, твёрдая – под- земными льдами объёмом 300 тыс. км3. 41

2.1. Вода в горных породах До XIX века люди не знали, что вода – химическое соединение и считали её обычным химическим элементом. Лишь в 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей-Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один – кислорода. Вода (оксид водорода) Н20, молекулярная масса 18,016; простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом, жидкость без запаха, вкуса и цвета; одно из самых распространённых на Земле соединений. А. Свойства воды. Существование пяти водородных и девяти кислородных изотопов говорит о том, что изотопных разновидностей воды может быть 135, однако всего 9 из них являются устойчивыми соединениями: 1 Н216О – содержание в пресной воде в среднем составляет 99,73%; 1 Н218О – 0,2%; 1 Н217О – 0,04%; 1 2 16 Н Н О – 0,03% (2Н – изотоп водорода дейтерий 2D). Остальные пять из девяти изотопов воды присутствуют в ничтожных количествах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое количество ра- 3 3 3 диоактивной воды Н2О ( Н – изотоп водорода тритий Т). Вода, в молекуле которой место водорода занимает его изотоп дейтерий, называется тяжёлой водой. Статья об открытии дейтерия, впервые была напечатана весной 1932 года, а уже в июле были опубликованы резуль- таты по электролитическому разделению изотопов. В 1933 году Гильберт Льюис и Рональд Макдональд со- общили, что в результате длительного электролиза обычной воды им удалось получить не виданную никем до этого но- вую разновидность воды – тяжелую воду. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды располо- жены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи 0,0957 нм при валентном угле Н-О-Н равном 104,450. Рисунок 9 – Строение молекулы воды Тяжёлая вода на 10% плотнее обычной воды, кипит при температуре 101,42 0С и замер- зает при +3,8 0С. Изотопный состав природных вод не постоянен: в пресных водах отношение 1 2 Н/ Н в среднем равно 6900, в морских – 5500, для льдов – 5500-9000. В водных растворах подавляющее большинство солей существует в виде ионов. В при- родных водах преобладают три аниона: гидрокарбонат HCO3¯, хлорид Cl¯ и сульфат SO42¯ и четыре катиона: кальций Ca2+, магний Mg2+, натрий Na+ и калий K+. Их называют главными ионами. Ионы хлорида Cl¯ придают воде соленый вкус; сульфата SO42¯, кальция Ca2+ и магния 2+ Mg – горький; гидрокарбоната HCO3¯ – безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90-95%, а в высокоминерализованных – свыше 99 % всех растворённых веществ. Обычно нижним пределом концентрации для главных ионов считают 1 мг/л, поэтому в ряде случаев, например, для морских и некоторых подземных вод, к ним относят также Br ¯, B3+, Sr3+ и др. Отнесение ионов K+ к числу главных является спорным. В подземных и поверхностных во- дах эти ионы занимают второстепенное положение и только в атмосферных осадках ионы K + могут играть главную роль. Ионная форма главных компонентов свойственна в полной мере лишь маломинерализованным водам. При увеличении концентрации между ионами усилива- 42

ется взаимодействие, направленное на ассоциацию, т.е. процесс обратный диссоциации. При этом образуются ассоциированные ионные пары, например MgHCO3+ и CaHCO3+. Под влиянием климатических и других условий химический состав природных вод из- меняется и приобретает характерные черты, иногда специфические для различных видов природных вод (атмосферные осадки, реки, озера, подземные воды). Кроме природных фак- торов, на общую минерализацию воды большое влияние оказывают промышленные сточные воды, городские ливневые стоки (особенно когда соль используется для борьбы с обледене- нием дорог) и т.п. Суммарное количество растворённых в воде веществ определяется как показатель об- щей минерализации воды. Этот показатель также называют содержанием растворимых твер- дых веществ или общим солесодержанием, так как растворённые в воде вещества находятся именно в виде солей. Минерализация выражается в мг/л или г/л. В подавляющем большинстве случаев солевой состав природных вод определяется ка- тионами Са2+, Мg2+, Nа+, К+ и анионами НСO3¯, Сl¯ , SO42¯ – главные ионы воды (макроком- поненты); они определяют химический тип воды. Остальные ионы присутствуют в значи- тельно меньших количествах и называются микрокомпонентами; они не определяют хими- ческий тип воды. Природные воды представляют собой собственно воду (химическое соединение кисло- рода и водорода) и растворённые в ней вещества, обусловливающие её химический состав и свойства. В литературе можно встретить несколько классификаций природных вод по степени минерализации. Наиболее распространена среди них следующая классификация: пресные – до 1 г/л; слабосолоноватые – 1-3 г/л; солоноватые – 3-10 г/л; солёные – 10–50 г/; рассолы – более 50 г/л. Подземные воды в зависимости от двух физических характеристик – температура и давление – может находиться в трех агрегатных состояниях (фазах) – твердом (лёд), жидком (собственно вода) и газообразном (водяной пар). Изменения агрегатного состояния воды называются фазовыми переходами, что проиллюстрировано на рисунке. В качестве стандартных условий, принятых в 1982 году ИЮПАК (Международный со- юз теоретической и прикладной химии), определены давление газов 10 5 Па (750 мм рт. ст.) и температура 273,15 0К (00С). До 1982 года значением стандартного давления составляло 101325 Па = 760 мм рт. ст. Для стандартных условий при давлении 105 Па температура кипе- ния воды составляет ТК = 99,9740, температура плавления – ТП = 00С. Область стандартного атмосферного давления, температур плавления и кипе- ния выделены на диаграмме зелёным цветом. Данные значения температур были использованы при создании тем- пературной шкалы «по Цельсию» в си- стеме СИ. Рисунок 10 – Диаграмма состояния воды или фазовая диаграмма 43

При снижении давления температура плавления льда медленно растёт, а температура кипения воды – падает. При давлении РТР = 611,72 Па температура кипения и плавления сов- падают и становятся равной ТТР = 0,010C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температура- ми плавления выше комнатной. При температуре ТКР = 3740C и давлении РТР = 22,064 МПа вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и во- дяным паром. Такое агрегатное состояние называют сверхкритической жидкостью. Изучением веществ в сверхкритических состояниях (флюиды) первым начал занимать- ся Каньяр де ля Тур в 1822 году. Современные исследования флюидов показывают, что на их основе открываются уникальные перспективы в области энергетики, экологически чистой утилизации отходов, производства ценного сырья в виде наноструктурированных гидрокси- дов алюминия и т.д. Вода может находиться также в метастабильных состояниях – перегретый и пересы- щенный пар, перегретая и переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фа- зой происходит переход. Например, перегретый пар до температуры превышающей темпера- туру кипения используется в циклах различных тепловых машин с целью повышения их КПД. В современных паротурбинных установках используют перегретый пар с температу- рой значительно выше критической 3470С. Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами: при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет большую температуру и тепло- содержание; имеет больший удельный объём по сравнению с насыщенным паром, т.е. объём 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объёма 1 кг насыщенного пара. Поэтому в па- ровых машинах для получения необходимой мощности перегретого пара по массе требуется меньше, что даёт экономию в расходе воды и топлива; перегретый пар при охлаждении не конденсируется. Конденсация при охлаждении наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара станет ниже температуры насы- щенного пара при данном давлении. Линия АВ называется кривой испарения и выражает зависимость давления пара жид- кой воды от температуры (или, наоборот, представляет зависимость температуры кипения воды от давления). Эта линия отвечает двухфазному равновесию «жидкая вода - пар» и чис- лу степеней свободы – 1. Такое равновесие называют моновариантным. Это означает, что для полного описания системы достаточно определить только одну переменную – либо тем- пературу, либо давление, так как для данной температуры существует только одно равновес- ное давление и для данного давления – только одна равновесная температура. При давлениях и температурах, соответствующих точкам ниже линии АВ, жидкость будет полностью испаряться, и эта область является областью пара. Для описания системы в данной однофазной области необходимы две независимые переменные: температура и дав- ление. При давлениях и температурах, соответствующих точкам выше линии АВ, пар будет полностью сконденсирован в жидкость. Верхний предел кривой испарения AB находится в точке В и соответствует критической точке. Линия АС называется кривой возгонки льда (иногда ее называют линией сублимации) и отражает зависимость давления водяного пара надо льдом от температуры. Эта линия со- ответствует моновариантному равновесию «лёд - пар». Выше линии АС лежит область льда, ниже – область пара. Линия АD называется кривой плавления и выражает зависимость температуры плавле- ния льда от давления и соответствует моновариантному равновесию «лёд - жидкая вода». 44

Для большинства веществ линия АD отклоняется от вертикали вправо, но поведение воды аномально: жидкая вода занимает меньший объем, чем лед. Проведённые исследования для определения хода кривой плавления льда при высоких давлениях, показали, что существует семь различных кристаллических модификаций льда, каждая из которых, за исключением первой (обычный лёд), плотнее воды. Верхний предел линии AD – точка D соответствует равновесию между льдом типа I (обычный лёд), льдом типа III и жидкой водой. Эта точка находится при -22 0С и 24,8 МПа. Фазовая диаграмма иллюстрирует две аномалии воды, оказывающие решающее влия- ние не только на поведение воды на Земле, но и на природные условия на планеты в целом. Если бы вода – гидрид кислорода, Н2О – была бы нормальным мономолекулярным со- единением, таким, например, как её аналоги по шестой группе Периодической системы эле- ментов Д.И. Менделеева – гидрид серы, Н2S, гидрид селена, Н2Se, гидрид теллура, Н2Те – то в жидком состоянии вода существовала бы в диапазоне от -900С до -700С. Однако вода обла- дает в стандартных условиях необычайно высокими температурами замерзания ТП = 00С и кипения ТК = 99,9740С, что предопределяет возможность существования её на Земле в твер- дом и жидком состояниях, возможность протекания основных гидрологических и других природных процессов. При стандартном давлении плотность во- ды в диапазоне от 0 до 40С ведёт себя ано- мально, увеличиваясь с возрастанием темпе- ратуры от 999,87 до 1000 кг/м3. Поэтому при охлаждении от 4 до 00С, то есть непо- средственно перед замерзанием, охлаждаю- щаяся вода не опускается вниз, что сохраня- ет на глубинах в пресноводных водоёмах положительную температуру и предохраня- ет воду от замерзания, а водные организмы от гибели. Рисунок 11 – Зависимость плотности ди- стиллированной воды от температуры При температуре меньшей 00С с уменьшением температуры плотность падает и состав- ляет 920 кг/м3 при температуре -20 0С. Это приводит к тому, что лед, как вещество более лёг- кое чем вода, всплывает и экранизирует водную толщу, защищая её от охлаждения. В природе вода может находиться в переохлаждённом состоянии, т.е. понижение её температуры замерзания по отношению к 0 0С, наблюдается очень часто. В речных условиях переохлаждение поверхностного слоя воды составляет даже -10С. Переохлажденная на по- верхности реки вода переносится в глубину турбулентным течением и в благоприятных условиях образует внутриводный (шуга) и донный лед. При этом степень переохлаждения глубинных вод значительно меньше, чем поверхностных. Переохлаждение наблюдается так- же в озёрах и морях, где оно впервые было обнаружено ещё в XVIII веке в виде так называе- мого «якорного льда» на опущенных на дно якорях. В лабораторных условиях в капилляр- ных трубках воду удалось переохладить до температуры -330С. Влияние солёности на плотность воды очень велико. Замерзает солёная вода не при 0 С, а в зависимости от концентрации растворённых в ней солей при минус 1,8-2,10С. При 0 этом максимальная плотность достигается не при +4°С, а при -3,50С. Солёная вода превра- щается в лёд, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в прес- ных водоёмах прекращается при охлаждении всей массы воды до +40С, то в морской воде вертикальная циркуляция происходит даже при температуре ниже 0 0С. Процесс обмена меж- ду верхними и нижними слоями идёт непрерывно, создавая благоприятные условия для раз- вития животных и растительных организмов. 45

Теплоёмкость воды – количество тепла, необходимое для повышения температуры на 0 1 С – в 5-30 раз выше, чем у других веществ и только водород и аммиак обладают большей, чем вода теплоёмкостью. Поэтому воду широко используют в отопительных системах и она является «центральным тепловым звеном» в гидродинамических системах Земли. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды, удельная теплоёмкость с повышением тем- пературы монотонно возрастает. У воды в интервале температур от 0 до 36,790С наблюдается падение, а затем начинается рост. Температура в 36,79 0С считается нор- мой у многих теплокровных живых орга- низмов, включая человека. При переходе во- ды в твёрдую фазу удельная теплоемкость льда становится в два раза меньше теплоём- кости воды, поэтому лёд будет нагреваться в два раза быстрее воды, а растопить лед про- ще, чем нагреть воду. Рисунок 12 – Зависимость удельной теплоёмкости воды от температуры Значительное превышение теплоёмкости природной воды над окружающими её объек- тами объясняет, почему при одинаковой окружающей температуре вода в водоёме прогрева- ется медленнее берега днём и медленнее остывает ночью. С увеличением минерализации теплоёмкость воды уменьшается. Для морской воды при малой солености теплоемкость уменьшается примерно на 0,006 кДж/(кг×0С) на 1‰. Переход воды из жидкого состояния в твердое (кристаллическое, лёд) сопровождается выделением теплоты кристаллизации, а обратный ему процесс – таяние льда – поглощением теплоты плавления. Эта способность воды определяется удельной теплотой кристаллизации (плавления), которая для дистиллированной воды равна 335·кДж/кг. Следует отметить, что по этому показателю вода уступает только алюминию, 390·кДж/кг. Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения. Источником её обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, по- этому при испарении она охлаждается. Обратный испарению процесс – конденсация пара – сопровождается выделением теплоты, равной теплоте испарения. Испарение – эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода – теплота испарения, затрачивае- мая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу рас- ширения при превращении жидкости в пар. Процесс испарения зависит от интенсивно- сти теплового движения молекул: чем быст- рее движутся молекулы, тем быстрее проис- ходит испарение. Кроме того, на испарение влияет скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойства само- го вещества. Рисунок 13 – Зависимость удельного парообразования воды от температуры 46

Например, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого стакана оно бу- дет происходить медленнее, чем с широкой поверхности блюдца. Кроме парообразования со свободной поверхности жидкой конденсированной фазы (обычная вода), парообразование может проходить с поверхности льда (сублимация, возгон- ка). Сублимация является достаточно энергоёмким процессом – удельная теплота сублима- ции льда при t=00С составляет 2,834 МДж/(кг×0С). Обратным процессу сублимации является процесс десублимация. Примером десублимации являются такие атмосферные явления, как иней на поверхности земли и изморозь на ветвях деревьев и проводах. Процессы испарения и конденсации, сублимации и десублимации имеют исключитель- ное значение: процессы циркуляции атмосферы и перенос тепловой энергии, образование облаков, осадки в виде дождя, снега и пр. Теплопроводность воды во всех агрегатных состояниях определяет процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами и т.п.) Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния веще- ства. В сравнении тепловых цепей с электрическими цепями это аналог проводимости. Спо- собность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельная теплопроводность). Численно эта характеристика равна количеству теплоты, про- ходящей через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, за единицу времени (секун- ду) при единичном температурном градиенте. Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием тепло- рода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты опровергли реальность суще- ствования теплорода как самостоятельного вида материи. В настоящее время принято, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близ- кое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры. Вода характеризуется коэффициентом удельной теплопроводности 0.6, воздух – 0.26, свежий снег – 0.1-0.15, лёд – 2.22-2.76 Вт/(м×0С). Для сравнения: древесина – 0.15, вата – 0.055, алюминий – 202-236, алмаз – 1001-2600 Вт/(м×0С). Теплопроводность воды выше, чем у других жидкостей, а льда – больше, чем у других неметаллических твердых веществ. Сле- дует также отметить, что теплопроводность льда при 00С приблизительно в четыре раза больше, чем воды при той же температуре. Лёд проводит тепло значительно быстрее, чем иммобилизованная (неподвижная) вода. Вода во всех агрегатных состояниях характеризуется как вещество с относительно низ- кой теплопроводностью. Температуропроводность – физический параметр вещества и, в частности, воды, спо- собствующий передаче тепла таким образом, что температура в каждой точке стремилась к соответствующему в данный момент установившемуся состоянию. Характеризуется коэф- фициентом температуропроводности, который численно равен отношению теплопроводно- сти вещества к произведению его удельной теплоёмкости (при постоянном давлении) на плотность, выражается в м2/сек. Для воды коэффициент температуропроводности слабо зависит от температуры: при температуре 0 и 300С соответственно равен 1,35×10-5 м2/сек и 1,53×10-5 м2/сек. Для льда зна- чение коэффициента равно 1,1×10-4 м2/сек, при этом зависимость от температуры ещё мень- ше, чем у воды. Для сравнения: серебро – 1,66×10-4, медь – 1,12×10-4, воздух (1 атм, 3000К) – 2,22×10-5, водяной пар (1 атм, 4000К) – 2,24×10-5, кирпич (обыкновенный) – 5,2×10-7, дерево (сосна) – 8,2×10-8 м2/сек. Из всех агрегатных состояний воды наибольшей температуропро- водимостью обладает лёд, значение которой на порядок выше, чем у воды и пара. Соизмери- мо с температуропроводимостью металлов. Вязкость воды достаточно мала, поэтому она является очень текучим веществом, спо- собным переносить различные объекты. Поверхностное натяжение воды достаточно велико, 47

поэтому образуется мениск – капиллярные силы, благодаря которым растения способны брать воду из почвы. Вторым следствием данного свойства является то, что капли воды об- ладают большой ударной силой, и являются одной из причин возникновения эрозии. Вязкость есть физическое свойство вещества (жидкости, газа, твердого тела) оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Вязкость является од- ним из главных свойств воды. Различают объёмную и тангенциальную вязкость. Под объемной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягиваю- щие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, например, при распространении в ней зву- ковых и особенно ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивле- ние сдвигающим усилиям. Исследования показывают, что сопротивление жидкости растягивающим и сдвигаю- щим усилиям проявляется лишь при различных скоростях движения одного слоя жидкости по другому, т. е. при возникновении угловых скоростей сдвига частиц. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наобо- рот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая, задерживающая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев. Поверхностное натяжение воды возникает на поверхности контакта её с воздухом, твердым телом или другой жидкостью. Обусловлено силами притяжения между молекулами. Внутри воды силы притяжения между молекулами взаимно компенсируются, а на молекулы, находящиеся вблизи поверхности, действует не скомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь от её поверхности. Поверхностное натяжение стремится уменьшить по- верхность жидкости до минимума. Поэтому капли жидкости имеют сферическую форму, а в невесомости – форму шариков (поверхность сферы является наименьшей из всех геометри- ческих фигур равного со сферой объема). При соприкосновении твердого тела с водой смачивание наблюдается в том случае, ко- гда взаимодействие между их молекулами сильнее взаимодействия между молекулами самой воды. В этом случае вода будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и рас- течётся по твердому телу. Когда же взаимодействие между молекулами твердого тела и мо- лекулами соприкасающейся с ним воды более слабое, чем между молекулами самой воды, вода будет стремиться сократить поверхность соприкосновения с твердым телом. По отно- шению к твердым телам вода обладает свойством полного и частичного смачивания и полно- го не смачивания. Явление смачивания имеет большое значение при изучении передвижения влаги по капиллярам в почве, грунте и в снеге. Поверхность смачивающей жидкости, нахо- дящейся в узких капиллярах, принимает вогнутую форму. Удельное электрическое сопротивление воды существенно зависит от температуры. Минерализация воды резко понижает её удельное электрическое сопротивление. Для дистиллированной воды при t = 20 0C значение удельного сопротивления равно 104 Ом×м, в то время как для морской воды – 0,3, грунтовой – 10-50 Ом×м. Для сравнения: удельное электрическое сопротивление алюминия – 2,7×10-8, влажной земли – 102, дерева сухого – 109-1013 Ом×м. Вода является хорошим растворителем. Характеристикой жидкости как растворителя является дипольный момент. У воды он весьма высокий (6,13·10-29 Кл·м), что обусловливает её свойства хорошего растворителя веществ, молекулы которых также полярны. Однако для сравнения способности одних веществ растворять в себе другие более удобным, чем диполь- ный момент, оказалось понятие диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проница- емость показывает, во сколько раз напряженность поля с данным веществом ниже, чем в ва- кууме. Диэлектрическая проницаемость воды зависит от температуры. При t = 00С её величи- на равна 88,3, при t = 200С – 81,0, при t = 1000С – 55,1. Для сравнения: диэлектрическая про- ницаемость льда при t = 00С равна 74,6, водяного пара при t = 1450С – 1,007. 48

Природная вода является уникальным веществом, а её свойства определяют как нали- чие на Земле циркуляционных процессов в атмосфере и гидросфере, так и особенности их протекания. Таблица 7 – Основные физические аномалии воды и их географическое значение Физическая характеристика воды Значение для гидросферы Земли 0 Существование снежного покров и ледников; Температура плавления (замерзания), 0 С терморегуляция и запасы воды в ледниках 0 Существование воды в жидком состоянии; Температура кипения, 99,974 С создание условий жизни на Земле 0 Циркуляция водных масс при образовании (таянии) Температура наибольшей плотности, 4 С льда; насыщение кислородом водоёмов 3 Лёд всплывает и теплоизолирует водоём; защита Плотность льда, 920 кг/м водоёмов и водотоков от промерзания Удельная теплота плавления (замерзания), Плавление льда - большая затрата теплоты; 335 кДж/кг замерзание воды – большая отдача теплоты Испарение - большая затрата теплоты; Удельная теплота испарения (конденсации), 6 0 6 0 конденсация - большая отдача теплоты; 2,5× 10 Дж/кг при 0 С, 2,26×10 Дж/кг при 100 С терморегуляция 0 0 Вода медленно нагревается и медленно Удельная теплоёмкость, 4190 Дж/(кг× С) при 15 С охлаждается; терморегуляции Коэффициент теплопроводности, Вода медленно нагревается и медленно охлажда- 0 0 0,57 Вт/(м× С) при 0 С ется; терморегуляция Коэффициент вязкости, Вода текуча и хорошо смачивает твердые тела; –6 2 0 1,14×10 м /с при 15 С обеспечение природных процессов В порах грунта и растениях действуют капиллярные Коэффициент поверхностного натяжения, –3 0 –3 0 силы, капли воды обладают ударной силой; 75,6×10 Н/м при 0 С и 60,8×10 Н/м при 90 С питание растений, дождевая эрозия Б. Коллекторные свойства горных пород – способность горных пород пропускать через себя жидкие и газообразные флюиды и аккумулировать их в пустом пространстве. Под «флюидом» [от лат. fluidus - текучий] в геологии понимается любое вещество, поведение ко- торого при деформации может быть описано законами механики жидкостей. Термин «флюид» был введён в науку в XVII веке для обозначения гипотетических жидкостей, с помощью которых объясняли некоторые физические явления и образование горных пород. Примеры таких флюидов: теплород Р. Бойля (1673), флогистон Г.Э. Шталя (1697), первичный раствор Т.У. Бергмана (1769) и др. С развитием науки содержание поня- тия «флюид» изменилось. Реологическими и геологическими исследованиями доказано, что все реальные тела, какими бы твёрдыми они не казались, под действием длительных танген- циальных нагрузок ведут себя как жидкости. В геологических процессах их длительность нередко измеряется миллионами лет. В качестве флюида могут выступать не только газы, водные растворы, нефть, илы, магма, но и глины, соли, гипс, ангидриды, известняки и другие «твёрдые» вещества. Из определения пород-коллекторов следует, что они должны обладать ёмкостью и про- ницаемость. Среди коллекторных свойств выделяют такие свойства горных пород как пори- стость, влажность, влагоёмкость, водоотдача, водопроницаемость. Показатели этих свойств используются при проведении различных гидрогеологических расчётов. Пористость [устар. скважность]. Горные породы по своему происхождению и вслед- ствие вторичных процессов (выветривания, выщелачивания, тектонических движений и др.) не являются абсолютно монолитными, а содержат в себе свободные пространства различной величины и формы. Происхождение и морфология указанных пустот различна, поэтому вы- деляют трещиноватость и пористость горных пород. Пористость в горных породах обусловлена мелкими промежутками, существующими между отдельными минералами и частицами горной породы. Она свойственна всем горным породам – магматическим, метаморфическим и осадочным, но происхождение пор в них различно. Поры в магматических горных породах возникают в следствие затвердевания маг- 49

мы, когда внутри отдельных кристаллов и между ними образуются пустоты, заполненные водяным паром или другими газами. Особенно много пустот образуется в верхней части лавовых потоков в результате вы- деления из лавы водяного пара и газов. Поры в метаморфических породах обязаны своим происхождением процессу перекристаллизации первичных осадочных горных пород в ре- зультате метаморфизма. Наконец, поры в осадочных породах, наиболее значительные по размеру, обусловлены происхождением этих пород на небольших глубинах и последующем их преобразованием в процессе диагенеза. Диагенез – совокупность процессов преобразова- ния рыхлых осадков в осадочные горные породы. Пористость горных пород зависит, та- ким образам, от условий их образования, формы и размеров слагающих их частиц, их плотности и типа цемента (для оса- дочных пород). Рисунок 14 – Основные типы пористости горных пород [67] Основные типы пористости, представленные на рисунке: 1 - с хорошо отсортированными зёрнами и высокой пористостью; 2 - с плохо отсортированными зёрнами и малой пористостью; 3 - состоящие из пористых галек и имеющие высокую пористость; 4 - со сниженной пористостью вследствие образования цемента; 5 - кавернозная порода, пористость которой увеличена вследствие выщелачивания; 6 – коренная порода, проницаемость которой обусловлена развитием трещин. Вещественный состав цемента может быть разным: чаще всего – глинистый, известко- вый, или известково-глинистый; реже – кремнистый, железистый, гипсовый, ангидритовый, баритовый, пиритовый и т.д. Благодаря пористости горные породы могут вмещать жидкости и газы, однако к ним не следует относить ёмкость каверн и трещин, характеризующих общую пустотность горных пород, ввиду влияния гравитационных сил. Различают три вида пористости: общая пористость – объём сообщающихся и изолированных пор – включает поры раз- личных радиусов, формы и степени сообщаемости; открытая пористость – объём сообщающихся между собой пор, которые заполняются жидким или газообразным флюидами при насыщении породы в вакууме; она меньше общей пористости на объём изолированных пор; эффективная пористость характеризует часть объёма, которая занята подвижным флю- идом при полном насыщении порового пространства этим флюидом; она меньше открытой пористости на объём связанных (остаточных) флюидов. Величина пористости тесно связана с вещественным составом горных пород: в илах и лёссах она достигает 80%; в осадочных горных породах (известняк, доломит, песчаники) из- меняется от единиц до 35%; в вулканогенно-осадочных породах (туфопесчаники, туффиты) – в пределах 5-20%; в магматических породах – не более 5%. Теоретическая величина пори- стости зависит от размера, формы и упаковки зёрен и изменяется от 26 до 44,6%. Пористость уменьшается с глубиной. Пористость или коэффициент пористости определяется общим объёмом пор в единице объёма породы и вычисляется по формуле

Chkmark
The end

do you like it?
Share with friends

Reviews