Введение к работе
Актуальность темы. Охрана водных ресурсов как одна из важнейших экологических проблем стала привлекать пристальное внимание мирового сообщества с конца 60-х годов, когда проблема обеспечения чистой питьевой водой населения возникла не только в странах с дефицитом водных ресурсов, но и богатыми ими. Дальнейшее устойчивое развитие (УР) многих стран, п в первую очередь государств с переходной экономикой, стало определяться наличием природно-ресурсного потенциала и надвигающейся опасностью необратимых негативных изменений в окружающей среде. Экологический аспект УР любого государства предполагает значительные капитальные вложения в охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов, применение экологически безопасных технологий.
Основываясь на рекомендациях и принципах документов, принятых в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде, в Республике Беларусь была разработана Национальная стратегия устойчивого развития (НСУР), одобренная 25 марта 1997 г. Президиумом Совета Министров и Международной Конференцией по устойчивому развитию стран с переходной экономикой (Минск, 16-18 апреля 1997 г.). В соответствии с НУРС должны быть, в частности, предусмотрены комплексные меры по охране и рациональному использованию земельных, лесных, минерально-сырьевых и водных ресурсов.
Успешное решение задач экологически обоснованного использования водных ресурсов невозможно без изучения роли подземных вод, которую они играют в обеспечении устойчивого развития территории. Важнейшими условиями экологически обоснованного использования подземных вод являются: выяснения их геологической, экологической и водохозяйственной роли на конкретной территории, естественных и эксплуатационных ресурсов, особенностей взаимосвязи подземных и поверхностных вод (ВППВ), условий их эксплуатации и охраны от загрязнения и истощения. Несмотря на многочисленные исследования, выполненные в этом направлении, до сих пор недостаточно изученными оставались вопросы: выбора стратегии нормированного использования располагаемых водных ресурсов на территориях с различной степенью изученности и обеспеченности водными ресурсами с целью УР, количественного взаимообмена между поверхностными и подземными водами в зависимости от гидрологических и гидрогеологических факторов, создания подземных водохранилищ (ПВ), одного из перспективных методов комплексного использования и управления водными ресурсами, оценки экологического состояния подземных вод н ряд других. В мире имеется весьма ограниченный опыт создании ПВ для решения водохозяйственных задач, несмотря на широкий географический охват (Северная и Южная Африка. Северная и Южная Америка, Индия, Малай-
зия, Аравийский полуостров, Дальний Восток, Северная и Южная часть Европейского континента). Слабо разработанными вопросами являются: теоретические вопросы водохозяйственного, природного и экономического обоснования по созданию ПВ; способы регулирования поверхностного и подземного стоков в ПВ; оценка влияния ПВ на изменение гидрогеологических условий.
Диссертационная работа посвящена совершенствованию методов и способов рационального использования водных ресурсов (в первую очередь подземной их составляющей) с учетом количественной и качественной характеристики, их роли в рамках территориальной экосистемы, особенностей ВППВ, экологического состояния, возможностей регулирования стока в ПВ, направленных на обеспечение УР территорий, расположенных в гу-мидной и аридной зонах. Она выполнялась в рамках научно-исследовательских работ как составная часть пяти госбюджетных, четырех международных и более 10 договорных тем. Исходными данными служили материалы собственных натурных, лабораторных, модельных и теоретических исследований автора с использованием большого объема проработанных им фондовых и литературных материалов. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту проф., д.т.н. B.C. Усенко за неоценимую помощь в исследованиях, связанных с работой над диссертацией.
В диссертации изложены новые научно обоснованные теоретические, экспериментальные, технические и экономические решения крупной научной проблемы по оптимизации использования подземных вод, на территориях с различными гидрогеологическими характеристиками на основе новых методов оценки экологического состояния и прогнозирования изменения природных систем, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие гидрогеологии и охраны окружающей среды.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ ЦНИИКИВР и БелНИЦ "Экология" как составная часть тем:
"Гидрогеологическое и технико-экономическое обоснование создания искусственных запасов подземных вод в условиях Полесья" по Постановлению СМ БССР № 9 от 3.01.1974 г.
"Исследовать влияние водозаборов подземных вод на поверхностные водные источники и прилегающую территорию (зоны депрессионных воронок) с использованием математических моделей" по заданию 0.85.01.01. 01.Н2 Госкомитета СМ СССР по науке и технике на 1976-1980 гг.
"Разработка методов учета процесса кольматации водных объектов при решении задач с использованием электромоделирования" по заданию 4.2. научно-технического сотрудничества в области мелиорации и водного хозяйства между СССР и ЧССР на 1976-1980 гг.
"Разработать Схему использования водных и земельных ресурсов долины Хадрамаут в НДРИ" по международному контракту 7201261400 от
І піомя 1977 г. между ВО "Сельхозпромзкспорт" (СССР) її Министерством сельского хозяйства и аграрных реформ (НДРЙ).
"Разработать Схемы использования подземных вод в долинах Рабва и Ахвар в НДРЙ" по международному контракту 720 1241400 между ВО «Сельхозпромзкспорт» (СССР) и Министерством сельского хозяйства и аграрных реформ (НДРЙ).
"Исследование возможных технических решений и разработка рекомендаций по созданию, проектированию и эксплуатации локальных подземных водохранилищ малых объемов для сельскохозяйственного водоснабжения в аварийных ситуациях. Составление каталога и карт распространения водохранилищ (для территории БССР) по заданию Минводхоза СССР 1987-1988 гг.
"Разработать систему научно-технических мероприятий по созданию подземных водохранилищ для целей орошения и водоснабжения" по заданию 04.02 Д программы ГКНТ СССР 0.85.01 на 1986 - 1990 гг.
"Разработать территориальные комплексные схемы охраны окружающей среды основных городов и промышленных центров Республики Беларусь" республиканской комплексной программы "Экология" на 1991-1995 гг. и на перспективу до 2000 г., одобренной Президиумом Совета Министров Республики Беларусь, протокол 18 от 10.09.1990 г.
Цели и задачи исследований. Основной целью работы является совершенствование методов и способов рационального использования подземных вод па локальном и региональном уровнях, направленных на устойчивое развитие территорий, на основе учета: располагаемых водных ресурсов; их роли в функционировании территориальных экосистем; меняющихся во времени и пространстве условий взаимосвязи подземных и поверхностных вод; их экологического состояния.
Это потребовало решения следующих задач:
- определения понятия УРТ и разработки концептуальной модели (схемы) УРТ на различном уровне, степени освоенности и разнообразия биогеоценоза рассматриваемой территории;
разработки теоретических вопросов о роли водных ресурсов (и в частности подземных вод) при планировании УР различных по масштабам территорий, расположенных в гумидном и аридном климате с учетом экологических, экономических и социальных аспектов;
разработки теоретических основ и практических приемов создания ПВ при различной ВППВ, как одного из методов повышения устойчивого водообеспечения хозяйственной деятельности человека, изучения в натурных условиях мест для возможного погружения паводкового стока в ПВ;
совершенствования методики и технических средств математического моделирования для исследования вопросов влияния различных природных и антропогенных факторов на ВППВ, которые затруднено исследовать в натурных условиях;
оценки ресурсов подземных вод и их экологического состояния на территориях с различной степенью изученности и освоенности, отличающихся обеспеченностью водными ресурсами, условиями ВППВ и расположенных в различных природных условиях (в гумидной и аридной зоне) с целью разработки рекомендаций по рациональному их использованию, обеспечивающему УРТ;
оценки на математических моделях запасов подземных вод, конкретных объектов, изучения условий формирования этих запасов, разработки рекомендаций по рациональному использованию имеющихся водных ресурсов, в том числе с учетом создания ПВ и систем искусственного пополнения запасов подземных вод (ИППВ).
Объект и предмет исследования. Объектом исследований являлись природно-территориальные комплексы, расположенные в различных природно-климатических условиях (гумидной и аридной зонах), испытывающие различную степень антропогенного воздействия и имеющие различную степень изученности. Предметом исследований явились теоретические методологические и практические проблемы экологически обоснованногс использования подземных вод с целью обеспечения УРТ.
Гипотеза. Водные ресурсы рассматриваются как неотъемлемая часть природных экосистем, определяющих их разнообразие и устойчивость, а также определяющих УР отдельных территорий.
Методология и методы проведенного исследования. В основу положен диалектический подход к развитию природы, идеи В.И. Вернадского о биосфере, решения Конференции ООН по окружающей среде и развитию е Рио-де-Жанейро (1992 г.). Автор в аридной территории: участвовал в ком-пчексной геолого-гидрогеологической съемке территории на площади 3600 км2 в масштабе 1: 200 000, лично в натурных условиях изучил вади аналоги на площади 110 км2 в масштабе 1: 25 000, провел гидрогеологическое обследование около 350 колодцев и скважин, отобрал 250 проб подземных во; на химический анализ, выполнил режимные наблюдения по 83 точкам в те чении года, осуществил математическое моделирование трех крупных во доносных систем (вади Хадрамаут, Рабва, Ахвар), выполнил оценку анали тическими методами региональных потенциальных и прогнозных эксплуа тационных ресурсов подземных вод, провел районирование территории пс обеспеченности подземными водами. Провел усовершенствование epedemt электроаналогового моделирования, выполнил более 600 экспериментов не моделях по изучению мало исследованных вопросов ВППВ, провел теоре тические исследования по вопросам обоснования создания ПВ. Для иссле дований объектов, расположенных на гумидной территории автор выпол и ил анализ литературных и фондовых материалов, натурное обследоваши территории, колодцев и скважин, потенциальных источников загрязнени! подземных и поверхностных вод, радонометрические исследования, связан ные с выходом из недр радона и др.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующих разработках теоретического, методического и регионально-прикладного характера:
получили дальнейшее развитие теоретические основы экологически обоснованного использования подземных вод с целью УРТ, расположенных в различных климатических зонах с различной степенью изученности и освоенности водных ресурсов;
установлены новые количественные закономерности, характеризующие ВППВ в естественных и нарушенных условиях: влияние различной степени кольматации и декольматацин русла в целом и его отдельных элементов (дна и бортов) на разгрузку подземных вод и на гидродинамический параметр A L; влияние ширины реки, конфигурации излучины, формы поперечного сечения русла, различной степени несовершенства по вскрытию водоносного пласта, а также линейных размеров водозабора и его удаления от реки на формирование фильтрационных потерь из нее и на производительность водозабора; получены новые эмпирические зависимости для определения Д L и составных частей фильтрационного потока в зоне контакта подземных и поверхностных вод;
разработаны классификация и основные принципы обоснования создания ПВ, даны определения водно-физических характеристик и геометрических параметров ПВ; выявлены закономерности влияния длины и конфигурации противофильтрационных завес в ПВ на изменение потока подземных вод (в водоносном горизонте типа пласт-полоса); предложен способ получения электрической энергии из нетрадиционных и возобновляемых источников с использованием ПВ плотинного типа; разработаны 11 принципиальных схем создания ПВ и систем ИППВ, четыре из которых защищены авторскими свидетельствами;
усовершенствованы методика и средства моделирования задач, связанных с изучением и учетом ВППВ, а также с созданием и эксплуатацией ПВ. Пять новых устройств для моделирования защищены авторскими свидетельствами;
показана роль водных ресурсов и возможность управления их использованием при планировании УР различных по своим масштабам территориальных экосистем (охватывающих область, район, город), расположенных в гумидной зоне Республики Беларусь, для которых выполнен анализ располагаемых и необходимых водных ресурсов, проведено исследование использования подземных вод за последние 20 лет и дана оценка экологического их состояния, разработаны рекомендации по их рациональному использованию и охране;
для крупной региональной территориальной экосистемы, расположенной в аридной зоне и охватывающей южные и восточные провинции Йеменской Республики (ЙР) на основе структурно-геоморфологического районирования определены располагаемые естественные и прогнозные
эксплуатационные ресурсы подземных вод в масштабе 1 : 500 000, показана их роль в обеспечении УРТ, построены соответствующие тематические карты, установлены наиболее перспективные участки для разведки подземных вод и строительства ПВ;
показана роль водных ресурсов и возможность управления их использованием при планировании устойчивого развития средних региональных территорий ЙР, входящих в средне- и высокогорные экосистемы (районы традиционного выращивания кофе), где на основе выполненных комплексной геолого-гидрогеологической съемки и структурно-геоморфологического районирования в масштабе 1:100 000 оценены перспективные эксплуатационные запасы подземных вод и подсчитаны потребности в воде с целью УР этих районов, разработаны рекомендации по рациональному использованию подземных вод с учетом создания систем ИППВ и ПВ;
с целью установления возможностей УР важнейших для ЙР экосистем: вади Хадрамаут (мелко региональная экосистема), Рабва (среднегор-ная локальная экосистема) и Ахвар (приморская локальная экосистема) проведена оценка естественных ресурсов подземных вод, оценены их эксплуатационные запасы, дан прогноз изменения качества и количества подземных вод с учетом особенностей ВППВ и перспективами создания ПВ при различных сценариях освоения территории.
Практическая значимость полученных результатов и их внедрение. Научные результаты выполненных исследований имеют важное практическое значение, позволяющее проводить экологически обоснованную эффективную водохозяйственную политику на территориях имеющих различную: изученность, освоенность и обеспеченность водными ресурсами.
Предложенные теоретические подходы по исследованию территорий различного масштаба и различной степень изученности, установление особенностей ВППВ, а также применение разработанной автором методики и новых устройств позволили провести моделирование конкретных водохозяйственных объектов, имеющих большое практическое значение и разработать для них рекомендации по рациональному использованию водных ресурсов и устойчивому развитию территорий.
Предложенный автором подход к изучению сезонных закономерностей ВППВ, методика использования результатов кратковременных опытов по искусственному восполнению для расчета прогнозов работы ин-фильтрационных сооружений, новые эмпирические зависимости для определения ВППВ, полученные расчетные графики влияния кольматации нг условия ВППВ можно использовать при определении фильтрационных по терь из каналов, рек, водохранилищ и при подсчете эксплуатационных за пасов подземных вод в речных долинах.
Разработанные теоретические вопросы водохозяйственного, природ ного и экономического обоснования создания ПВ, а также предложенньн способы их создания позволят повысить водообеспеченность территорий, с
следовательно и дальнейшее их УР. Результаты проведенных исследовании легли в основу проектов конкретных водохозяйственных мероприятий, на которые имеются акты внедрения:
новая технология исследования режима подземных вод с помощью моделирования в условиях нестационарной фильтрации внедрена Казги-проводхозом (Алма-Ата) при проектировании следующих объектов: Центральное Илнйское месторождение, орошение земель на р. Баскан, Кулан-басское водохранилище, рисосовхоз "Акдалинский", госплемзавод "Кас-текский", пос. Актюбе, совхоз "Бельтасар", село Чилик, совхоз "Октябрьский", пос. Новотроицкий и др.;
использованы НПО "Югмелиорация" при разработке технического задания на проектирование опытно-производственного участка при отработке технологии повышения эффективности использования подземных вод с искусственным регулированием их запасов;
положены в основу четырех схем комплексного использования водных и земельных ресурсов долин вади Хадрамаут, Ахвар, Рабва, южных провинций ЙР для Министерства сельского хозяйства и аграрных реформ Йеменской Республики в 1982, 1988 и 1990 гг.;
использованы Союзгипроводхозом (Москва) в качестве информационной базы для разработки спецраздела Схемы КИОВР р. Днепр (предложения по созданию искусственных подземных водохранилищ);
- использованы Украинским филиалом ЦНИИКИВР Минводхоза
СССР при разработке рекомендаций по созданию, проектированию и экс
плуатации локальных подземных водохранилищ малых объемов для сель
скохозяйственного водоснабжения в аварийных ситуациях;
приняты Главводресурсами и проектными организациями Минводхоза СССР для гидрогеологического, водохозяйственного и экономического обоснования создания ПВ при составлении Схем и ТЭО комплексного использования водных ресурсов для целей орошения, обводнения земель и водоснабжения в условиях дефицита поверхностных вод;
использованы городскими и районными исполкомами, а также гор-райинспекциями природных ресурсов и охраны окружающей среды (Гомеля, Речицы, Могилева, Мозыря, Жлобина, Слуцка, Калинковичей, Барано-вичей) для реализации эколого-ориентированных мероприятий.
Дальнейшее практическое внедрение результатов исследований позволит повысить обоснованность и эффективность решений по использованию и охране подземных вод крупных регионов Беларуси и Йемена.
Результаты исследований могут иметь коммерческое значение для других государств, в т.ч. в первую очередь расположенных в аридном климате или имеющих дефицит пресных подземных вод: Казахстана, Киргизии, Таджикистана, России, Узбекистана, Украины, Молдавии, ЙР.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Теоретические основы и практические рекомендации экологического подхода по обеспечению УРТ отличающихся размерами, степенью изученности, обеспеченности и использования водных ресурсов, позволяющие в будущем перейти к новому взаимоотношению человека с природой и обеспечивающие удовлетворение разумных потребностей нынешних и будущих поколений в условиях сохранения природных ресурсов.
-
Теоретические закономерности, характеризующие водообмен водоносных горизонтов с водоемами и водотоками в разнообразных условиях ВППВ (естественный и нарушенный режим), различные схемы и степень кольматации русл, влияние геометрических характеристик водотоков и водоемов на формирование фильтрационного потока и производительность водозаборных сооружений, что делает проектирование береговых водозаборов подземных вод более надежным.
-
Усовершенствованная методика моделирования для исследования влия-
ния различных природных и антропогенных факторов (ранее не доступных для изучения) на ВППВ, основанная на использовании ряда новых моделирующих устройств, а также методика моделирования крупных территорий в условиях слабой ее природной изученности и периодическом восполнении подземной гидросферы за счет временных поверхностных водотоков и ливневых дождей, обеспечивающие более качественное гидрогеологическое прогнозирование.
4. Теоретические основы регулирования стока в ПВ, усовершенствованные
способы их создания с учетом многообразия природных условий, новые системы ИППВ и способ получения электрической энергии из нетради-ционнных возобновляемых источников, повышающих водообеспечен-ность конкретных территорий и делающих развитие общественного производства более устойчивым.
-
Научные рекомендации, направленные на экологически обоснованное использование и охрану подземных вод с целью обеспечения УР ряда городов, районов и областей Республики Беларусь, предложения по созданию ПВ и систем ИППВ.
-
Закономерности формирования естественных ресурсов и эксплуатацион-
ных запасов подземных вод ряда крупных территорий ЙР, прогнозы состояния подземной гидросферы при различных вариантах освоения территорий, рекомендации по сооружению ПВ, позволяющие правильно провести региональную планировку по размещению поселков, городов, объектов промышленного и сельскохозяйственного производства.
Личный вклад соискателя. Диссертация является результатом многолетних (1973-1998 гг.) исследовании соискателя по проблеме обеспечения рационального использования подземных вод и УРТ, выполненных лично в ходе полевых, лабораторных и теоретических работ в ЦНИИКИВР и БелНИЦ"Экология", а также в период его работы за рубежом.
Выполнена комплексная геолого-гидрогеологическая съемка территории южных провинций ЙР, методом опроса и натурного наблюдения изучены вопросы прохождения паводков в крупных вади Аравийского полуострова выявлены наиболее благоприятные места для создания ПВ и систем ИППВ.
Усовершенствованы средства аналогового электромоделирования, разработаны новые устройства для реализации границ и граничных условий, которые позволили учесть особенности ВППВ и выполнить моделирование ряда конкретных водохозяйственных объектов.
Совместно с Кульбедой И.П. и Барановым А.В. усовершенствована методика моделирования гидрогеологических задач методом математического моделирования на ЭВМ и проведена оценка запасов подземных вод ряда крупных долин ЙР (Хадрамаут, Рабва, Ахвар). Разработаны рекомендации по рациональному использованию подземных вод этих территорий.
Выполнена обработка данных, полученных в результате полевых изысканий, сбора фондовых материалов, построены многочисленные тематические карты по условиям формирования, использованию и экологическому состоянию подземных вод ряда районов Беларуси (Барановичский, Гомельский, Речицкий, Мозырьский, Калинковичский, Слуцкий, Жлобин-ский), а также Могилевской области. В диссертации рассмотрены только два последних объекта.
В отдельных работах принимали участие сотрудники ЦНИИКИВР: д.т.н. В.С.Усенко, к.г.-м.н. А.Х. Альтшуль, к.г.-м.н. А. Федяев, к.г.-м.н. Р.А.Станкевич., к.э.н. A.M. Романенко, Н.М. Томина, A.M. Багрицевич; сотрудники БелНИЦ "Экология": М.А. Писарик, О.В. Полторжицкая, которые являются соавторами соответствующих публикаций (см. список использованных источников).
Основная часть материала собрана и обработана лично автором.
Апробация результатов диссертации. Материалы и выводы диссертации докладывались или опубликованы на международных, всесоюзных и республиканских совещаниях, конференциях и семинарах: Всесоюзном научно-техническом совещании "Комплексное использование водных ресурсов" (Минск, 1975), Международном симпозиуме по гидрогеологическим характеристикам речных бассейнов и значению совершенствования управления водным хозяйством" (Токио, 1975), Республиканской конференции "Актуальные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов (Ташкент, 1977), "Всесоюзном семинаре по вопросам моделирования процессов переноса подземных вод" (Ленин-
град, 1978), Научно-практической конференции "Водные ресурсы Алтайского края, их рациональное использование и охрана"(Барнаул, 1978), Международном симпозиуме "Методы оценки ресурсов подземных вод" (Вильнюс, 1979), научно-практическом совещании "Влияние горнодобывающей промышленности на геологическую среду и ее охрана" (Пермь, 1981), I Всесоюзной гидрогеологической конференции "Формирование подземных вод как основа гидрогеологических прогнозов" (Москва, 1982), Международном симпозиуме "Методы оценки ресурсов подземных вод" (Варна, 1982), Всесоюзной конференции "Проблемы изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов" (Москва, 1983), научно-технической конференции "Рациональное использование и охрана малых рек" (Таллин, 1985), Всесоюзном научно-техническом совещании "Состояние и задачи комплексного использования водных ресурсов страны" (Минск, 1986), Зональной научной конференции "Повышение эффективности мелиорации на Дальнем Востоке" (Владивосток, 1987), III Всесоюзном совещании по рациональному использованию и охране подземных вод (Пермь, 1989), I Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов, геокриологов (Киев, 1989), Международном семинаре "Транспорт и экология" (Минск, 1995), Международной научно-практической конференции "Водные ресурсы и устойчивое развитие экономики Беларуси" (Минск, 1996), Республиканских научных конференциях и семинарах (Минск, 1979, 1986,1994, 1997, 1998 гг.).
Опубликованность результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 63 научных работах, в том числе 4 монографиях (три из которых написаны самостоятельно), 3 методических рекомендациях, 9 описаниях изобретений к авторским свидетельствам, 2 обзорах, 5 статьях в журналах "Водные ресурсы", "Водное хозяйство и гидротехническое строительство", "Гидротехника и мелиорация", "Известия АН УзССР", "Родная природа", в 20 научных статьях БелНИГРИ, ВНИИГиМ, ЦНИИКИВР, Белгосуниверситета, Европейского Банка Реконструкции и Развития, в материалах международных и республиканских конференций (21), общим объемом 1983 стр., из которых автору принадлежат 1143 стр. Всего автором опубликовано 110 научных работ, составлено 38 научных отчетов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Ее общий объем составляет 374 страницы, в том числе текста 216 страниц. Работа иллюстрирована 112 рисунками (карты, схемы, графики) и дополнена 46 таблицами. Библиография включает 475 наименований. Отдельную книгу составляют 60 приложений, приведенные на 127 страницах.