Занимательная гидрогеология


Какой же выход из этого положения?



страница10/11
Дата28.11.2017
Размер1.85 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

Какой же выход из этого положения?

 

Как видно, необходимо организовать регулирование содержания влаги в почвах. Достигается это в районах с недостаточным увлажнением путем орошения, а там, где влаги много, - комбинированного осушения и орошения. Все мероприятия, повышающие плодородие почв, получили название мелиорации. В настоящее время на Земле мелиоративные территории занимают только 15% пахотной земли, но это оказывается достаточным, чтобы кормить более половины населения планеты.



В Советском Союзе в соответствии с решениями партии и правительства проводятся широкие мероприятия по расширению мелиорируемых земель. Создаются такие гигантские оросительные системы, как Каховская (УССР), которая должна оросить 1 260 тыс. га, Поволжская (500 тыс. га), Каршинская (900 тыс. га), и многие другие (рис. 50).

Согласно решениям XXV съезда КПСС, в десятой пятилетке предусматривается оросить и осушить весьма значительные территории. За все прошлое время на Украине и в Молдавии (до 1 сентября 1975 г.) было орошено 1 639 тыс. га, а в течение одной только десятой пятилетки должно прибавиться 745 тыс. га новых мелиорированных земель. В Средней Азии, где за всю историю была создана ирригация (орошение) на площади 6950 тыс. га (до сентября 1975 г.), за десятую пятилетку будет добавлено 1112 тыс. га. В Поволжье до 1875 г. было орошено 346 тыс. га, а в новой пятилетке будут созданы мелиоративные системы на площади 847 тыс. га.

Особое внимание уделяется Нечерноземью. Здесь на 1 ноября 1975 г. было осушено 2260 тыс. га, а в десятой пятилетке намечено дополнительно провести осушение на площади 1781 тыс. га. В Прибалтике, Белоруссии и Западной Украине за всю историю (до 1 ноября 1975 г.) осушено 750 тыс. га, а за одну десятую пятилетку намечено осушить 2422 тыс. га.

 

грандиозная каховская оросительная система

Рис. 50. Грандиозная Каховская оросительная система: а - Каховское море, б - территория орошения - 1 млн га, в - главный Каховский канал длиной 130 км

 

Чтобы подать воду к высохшим землям, создаются уникальные каналы, такие, как Каракумский протяженностью 1400 км, Иртыш - Караганда - 450 км, Северо-Крымский - 405 км, Днепр - Донбасс - 262 км, Волго-Урал и многие другие.



Приходится исправлять несправедливость природного распределения воды. Много воды на севере и мало на юге. Поэтому решено ряд северных рек повернуть вспять. Для этого предполагается переброска части стока северных рек Печоры и Вычегды в реку Каму (до 40 км3 воды в год), Иртыша, Тобола, Оби в бассейн Аральского моря (до 35 км3 воды) (рис. 51).

Вот таковы грандиозные планы, намеченные XXV съездом КПСС. В решениях съезда с особой силой подчеркивается необходимость строгого осуществления намеченной партией программы мелиорации земель. Советский Союз в настоящее время занимает третье место в мире по площади орошаемых земель (15 млн. га). Первое место прочно удерживает Индия, имеющая 39 млн. га, а на втором месте стоят США, обладающие площадью орошения в 21,5 млн. га, четвертое место принадлежит Индонезии с площадью орошения 6,8 млн. га.

Мелиоративное строительство теснейшим образом связано с гидрогеологическими особенностями орошаемых и осушаемых территорий. Львиная доля работы падает на плечи гидрогеологов. Они должны рассчитать, сколько воды на пути к полям потеряют каналы за счет ее инфильтрации в горные породы, слагающие стенки и дно. Такие потери могут составить 50-60%, поэтому крайне важно знать их величину. Ведь чем они больше, тем больше воды должно поступать в канал, чтобы обеспечить для полива необходимые количества. А от этого зависят размеры каналов и потребность в воде. Другая задача гидрогеологов - это изучение подземных вод орошаемой территории. Они должны установить, какая система водоупоров имеется в массиве, сколько водоносных горизонтов, уровень грунтовых вод и их химический состав. Сложной задачей, решаемой гидрогеологами, является изучение изменения уровня грунтовых вод по временам года.

 

так собираются забрать воду у иртыша и оби и направить часть ее в среднюю азию

Рис. 51. Так собираются забрать воду у Иртыша и Оби и направить часть ее в Среднюю Азию

 

Если не знать всего этого, могут возникнуть серьезные неприятности, ведь поливные воды, подаваемые на поля в больших количествах, начнут взаимодействовать с подземными водами. Это легко понять, если учесть, что в среднем на орошение одного гектара посева в течение года подается от 11 до 15 тыс. м3 воды. При чрезмерном поливе в грунтовые воды начинает поступать много дополнительной поливной воды. В результате изменяется их режим. Предусмотреть последствия крайне важно.



Особой заботой является выяснение путей отвода использованных при поливе вод или вод, оказавшихся излишними. Необходимо искать лучшие трассы для устройства дренажей и помогать гидротехникам в их расчетах. Много других задач приходится решать гидрогеологу. Отсюда следует вывод - без гидрогеологии создание мелиоративных систем невозможно.

 

Печальный опыт

 

Создание орошения началось еще в глубокой древности. Ирригационные системы воздвигались в Древнем Египте, Древнем Китае, в древних странах Средней Азии, в Месопотамии.



Болеслав Прус в своем романе «Фараон» писал: «Чтобы сохранить воду круглый год, египтяне создали целую сеть каналов длиной в несколько тысяч миль, а чтобы предотвратить наводнение, воздвигали мощные плотины и строили водохранилища. Одно из них - искусственное Меридово озеро (XIX век до н. э.) занимало площадь в триста квадратных километров при глубине в двенадцать ярусов...»

Человечество накопило за прошлые десятилетия богатый опыт подобных работ. Но были не только успехи, но и неудачи и разочарования. Оказалось, что орошение во многих случаях ведет к подтоплению территорий и заболачиванию. Другой страшный бич мелиорации - засоление почв. Там, где были цветущие нивы, иногда после начала поливов неорошаемых участков начинает расти содержание солей в почвах (главным образом, хлористого натрия, сульфатов и карбонатов). Через 5-10 лет на этом месте образуется пустыня, покрытая солонцами, на которой ничего не растет.

Получается, что природа как бы мстит человеку за те временные успехи, которых он достигает в результате орошения.

Многие ученые занимались этой загадкой. В конце концов удалось ее разгадать.

Итак, почему происходит заболачивание и подтопление территорий? Почему в одних случаях, этот процесс развивается в течение нескольких лет эксплуатации оросительной системы, а в других он не возникает даже в течение многих лет?

Разгадка оказалась простой. Все определяется особым геологическим строением участков. В большинстве случаев заболачивание и подтопление возникают тогда, когда на сравнительно небольшой глубине встречаются породы, обладающие малой водопроницаемостью. В этом случае поливные воды и воды из каналов, инфильтруясь внутрь, постепенно накапливаются. Если здесь до этого не было горизонта грунтовой воды, то он образуется. По мере поступления новых партий воды ее уровень неуклонно растет, достигая даже поверхности земли. Примером могут служить орошаемые массивы Волго-Дона, где подъем уровня грунтовых вод за четыре первых года полива составил от 0,5 до 5 м. В результате первого этапа орошения территорий Северного Крыма резко изменился характер грунтовых вод. Там, где их не было, они появились, а где были - резко поднялся их уровень.

Борьба с утечкой воды из каналов ведется путем создания экрана из полиэтиленовых пленок толщиной 0,2-0,4 мм, уплотнением, трамбованием, устройством бетонных покрытий и т. д. Это благоприятно сказывается на снижении утечек воды до минимума.

Хуже обстоит дело с засолением почв. Оно вызывается многими причинами: присутствием солей в поливных водах, переносом солей, содержащихся в почвах, выносом солей капиллярным током воды к поверхности и др.

Если уровень подземных вод стоит достаточно высоко, то грунтовые воды и содержащиеся в них соли поднимаются по капиллярам на поверхность. Здесь вода испаряется, а выпадающие из нее соли остаются в почве. Все новые порции капиллярной воды поднимаются вверх, оставляя свои следы.

Этот процесс может идти в обратном направлении, если в почву поступает вода с поверхности из каналов, водохранилищ или поливных участков. Тогда имеющиеся в почве соли растворяются и переносятся в глубину пород. В качестве примера влияния орошения можно привести Северный Крым, где минерализация грунтовых вод до орошения составляла 1-10 мг/л, а после орошения в течение ряда лет поднялась до 30 мг/л. Это привело к повышению засоленности почв на участках, грунтовые воды залегают высоко. В Голодной степи большинство земель в результате орошения в той или иной степени засолено - это значительно снижает урожаи сельскохозяйственных культур.

Советский ученый Л.И. Прасолов подсчитал, что площадь засоленных земель в СССР достигает 50 млн. га. Больше всего от естественных процессов засоления страдают почвы пустынь и полупустынь. Правда, среди этих масс засоленной земли только 2% вызваны мелиорацией.

Наиболее простой путь борьбы с засолением орошаемых территорий - это правильный выбор поливных норм. Воды на участки должно подаваться столько, сколько требует данная культура. Другой путь - это устройство дренажа, который помогает понизить уровень грунтовых вод как природный, так и возникающий после эксплуатации оросительных систем до величины, исключающей капиллярный привнос солей в почвы.

Можно бороться с естественным и искусственным засолением почв путем их промывки пресными водами для удаления солей. Люди должны помнить, что когда мы что-нибудь получаем от природы, всегда нужно быть готовым к различным изменениям в ней. Часто эти изменения бывают неблагоприятными.

Примером может служить Каракумский канал, позволивший оросить обширные территории Туркмении. Но вместе с тем его воды подтопили г. Ашхабад, ухудшив этим сейсмическую устойчивость города.

Поворот сибирских рек на юг, несомненно, благоприятно отразится на климате и условиях мелиорации Средней Азии, спасет Аральское море от высыхания.

 

Можно ли орошать подземными водами?

 

А почему нельзя? Даже более того - нужно. Представьте себе, что в Узбекистане площадь, пригодная для орошения, составляет около 11 млн. га, а речная вода может обеспечить орошение только 4,5 млн. га. Чтобы освоить еще 6,5 млн. га, необходима добавочная вода. Откуда ее взять? В первую очередь из подземных океанов и морей.



В Северной Америке более четверти всех поливных территорий орошается подземными водами. Здесь 20% общей массы воды, затрачиваемой на орошение, поступает из подземных источников. В Индии они обеспечивают ирригацию более 5 млн. га. Грунтовые воды в СССР пока мало используются для орошения. Главными потребителями грунтовых вод являются некоторые совхозы Украины, Средней Азии, Северного Кавказа. Этого, конечно, недостаточно. Специалист в этой области А.Г. Владимиров считает, что подземные воды для полей орошения нужно шире использовать в Голодной степи, в верховьях Амударьи, Азербайджане и в других районах. При откачке воды для орошения, с одной стороны, мы получаем необходимую для полива воду, а с другой - понижаем уровень грунтовых вод. Последнее позволяет уменьшать опасность засоления почв.

Использование грунтовых вод для орошения в районах новых водохранилищ, где их уровень быстро повышается, было бы очень полезным. Еще одно преимущество подземных вод - они не содержат мути и семян сорных растений, зато часто обогащены минеральными веществами, которые могут служить удобрением для почв.

Наконец, может быть значительно упрощено строительство самих оросительных систем за счет уменьшения или даже полного исключения из системы: магистральных каналов, насосных установок и других атрибутов современной мелиорации. Однако применение грунтовых вод должно быть осторожным, чтобы избежать их быстрого истощения. Оно возникает тогда, когда отбираемое для орошения количество воды будет превосходить естественное пополнение подземных горизонтов. Здесь слово за специалистами по мелиоративной гидрогеологии.

Подземные воды используются для орошения во многих странах мира.

 

Затопленная земля

 

Обширные территории нашей страны заняты болотами или имеют грунтовые воды, поднявшиеся близко к поверхности земли. А тут еще малое испарение, обилие снега, дождей - вот вам и пересыщенная водой затопленная земля на суше. А ведь эти затопленные земли часто плодородны, на них можно выращивать рожь, овес, разнообразные овощи. Как сделать эти земли пригодными для сельского хозяйства?



Первое, что приходит на ум, это понизить уровень грунтовых вод и этим осушить почвы. Решение правильное. Осушение является старейшим методом превращения переувлажненных почв в пригодные для сельскохозяйственного использования земли.

Ликвидация болот может дать возможность использовать имеющийся на них слой торфа для сельскохозяйственных целей и отопления. Так называемые низинные болота, существование которых в первую очередь связано с высоким стоянием грунтовых вод, после осушения могут использоваться под различные сельскохозяйственные культуры: овощные, технические, а также для посева различных трав и т. д.

В Нечерноземье более 19% всех земель требует осушения. Партия и правительство приняли решение до 1990 года провести осушительные работы на значительной площади.

Как же осуществляется осушение? Наиболее старой является система открытого дренажа. Это сеть открытых канав и каналов, перехватывающих как грунтовые, так и поверхностные воды и отводящих их сначала в центральный - магистральный канал, а затем в реку, озеро или какое-либо понижение местности. Но такие открытые системы требуют постоянного ухода и ремонта, а срок их службы не превышает 10 лет.

Более современным и совершенным является так называемый закрытый дренаж. Он отличается тем, что в вскрываемых траншеях на дне укладывают специальные асбоцементные, гончарные или даже деревянные трубы небольшого диаметра. Глубина укладки их для обеспечения достаточного снижения уровня грунтовых вод колеблется в пределах 0,8-1,5 м. Система таких дренажных труб соединяется с центральной большего диаметра - коллектором, по которому вода и отводится в ближайшую реку, ручей, озеро.

Преимущество этой системы дренажа очевидно - более длинный срок работы (до 50 лет и более), вся поверхность земли используется для посевов.

Кажется, что проблема решена. Но это не совсем так. В природе бывает так, что и в Прибалтике, и в районах Нечерноземья время от времени выпадают засушливые месяцы и даже годы. Тогда почва иссушается, ее естественная структура распадается. В результате она теряет свою способность к плодородию, такая почва легко разрушается ветром. А это уже на грани бедствия.

В начале этой главы мы уже говорили о необходимости осуществления в прибалтийских республиках и Нечерноземье не просто осушения, а регулирования влажности почвы. Это обозначает, что время от времени почвы должны увлажняться. Как же это осуществить?

Как видно, нужно воспользоваться той же закрытой дренажной системой. Если при осушении вода самотеком поступает в трубы, то при необходимости увлажнения почв можно через эту же систему труб нагнетать воду под давлением. Это вполне достаточно для быстрого повышения влажности почвенных горизонтов.

Конечно, количество подаваемой при этом воды должно быть строго определенным, превышение установленной нормы может привести к вторичному заболачиванию и затоплению почв.

Роль гидрогеолога при проектировании осушения весьма значительна. Он должен выявить водопроницаемость почв и пород, установить требуемую величину снижения уровня грунтовых вод, ожидаемое поступление грунтовых вод к дренажным трубкам и, наконец, предсказать понижение уровня грунтовых вод после устройства водорегулирующей системы и его изменения в течение года.

Как видите, работы здесь много. Там, где проводится регулирование водного режима почв, создаются новые совхозы, расширяются сельскохозяйственные угодья колхозов. Население получает дополнительно огурцы, капусту, картофель и другие овощи, расширяются животноводческие базы.

 

БЕРЕЧЬ БЕСЦЕННЫЙ ДАР ПРИРОДЫ

 

Человек истощает подземные воды

 

Уже много веков и даже тысячелетья человек использует подземные воды для своих нужд. На первых порах это были источники, бьющие из-под земли, на которых устраивали свои термы римляне, а затем колодцы для получения питьевой воды.



В XVIII веке человек стал все глубже проникать в земные недра для извлечения воды. Подошел XX век - добыча полезных ископаемых выросла до грандиозных размеров. Она сопровождается откачкой воды для того, чтобы обеспечить горные работы. Осваиваются все новые подземные горизонты для обеспечения населения питьевой водой.

В ходе извлечения воды из скважин или любых выработок (шахт, колодцев, тоннелей метро и т. д.) вокруг них возникает понижение уровня подземных вод. Так, при длительной откачке воды из скважины вокруг нее происходит понижение уровня по своеобразному кольцу. Гидрогеологи называют такое понижение депрессионной воронкой (рис. 52). Чем больше скорость откачки, тем больше это понижение. Вода в скважинах притекает с боков, а иногда со стороны дна. Вот и( получается, что вокруг скважины в зоне ее влияния возникает уменьшение содержания подземных вод, и их уровень падает. Зона влияния скважины зависит от количества откачиваемой воды, строения толщи, водопроницаемости пород, величины понижения уровня и других факторов. В песках она колеблется от 25 до 1000 м и более. Еще больше радиус депрессии или зона влияния устанавливается в гравии. В этих породах, состоящих из крупных частиц, радиус депрессии может достигать 1500-3000 м.

 

образование депрессионной воронки вокруг скважины при откачке воды

Рис. 52. Образование депрессионной воронки вокруг скважины при откачке воды: Д1 - депрессия при уровне воды в скважине h1, Д2 - то же, при уровне h2

 

А теперь представим, что на каком-то участке существует группа скважин, дающих воду в течение многих лет, да еще зоны влияния их накладываются. Тогда на этих местах скорость падения уровня возрастает. Если приток новых порций воды к такому участку будет меньше, чем количество откачиваемой воды, то возникнет явление истощения горизонта. Скважины дают все меньше и меньше воды. Бурят новые, но они оказываются лишь в первый период эксплуатации как будто водообильными. Но проходит небольшое время, и здесь резко падает количество питьевой воды.



И вот результат - многолетние откачки воды из скважины привели к понижению уровня в Москве до 50-95 м, а в Ленинграде до 50 м. Еще больший ущерб артезианским горизонтам был нанесен в Париже, где уровень их снизился на 125 м, а в Лондоне на 100 м.

Особенно пострадали подземные воды в США, где чрезмерная их откачка привела к резкому падению уровня. В Калифорнии снижение уровня артезианских вод достигло 170-220 м.

В некоторых случаях может возникнуть другая неприятность - образующийся вакуум может вызвать приток воды из вышерасположенного горизонта, часто загрязненного, или нижерасположенного - засоленного. Тогда не только сокращается количество подземных вод, но и ухудшается их качество. Они становятся солоноватыми или даже опасными распространителями желудочных заболеваний. Примером может служить подсос (проникновение под влиянием вакуума) в некоторые горизонты подземных вод в Калифорнии морских вод, вызывавших их осолонение.

 

Промышленность угрожает воде

 

Перед нами химический комбинат. На его территории громоздятся отвалы пятидесятиметровой высоты. Это отходы производства. Самое интересное, что эти нагромождения состоят из поваренной соли, содержащей ряд ядовитых веществ. В таких отвалах конденсируется вода. Выпадающие дожди и талые воды струйками просачиваются в соляные массивы. В результате под ними в углублении, которое выдавила своей массой соль, скапливается ядовитый рассол. Он медленно фильтруется через толщу суглинка и попадает в поток подземных вод. Интересно, что вследствие различия плотностей чистой воды и рассола обнаружить последний оказывается трудно. Он движется в общей массе воды отдельным компактным слоем. В конечном счете эти рассолы с потоком подземной воды попадают в реки (рис. 53). Под их действием гибнет рыба и пропадает планктон.



 

отходы химической промышленности в отвале загрязняют подземные воды

Рис. 53. Отходы химической промышленности в отвале загрязняют подземные воды: 1 - масса солевых отходов, II - прогиб пород под тяжестью отвала и скопление рассола, III - горизонт подземной воды, IV - слой рассола, проникающий из прогиба, V - водоупор

 

Как бороться с этим несчастьем? Ученые и производственники работают прежде всего над решением задачи ликвидации этих соляных отвалов. Это может быть достигнуто и помещением отходов в выработанные пространстве соляных шахт под землей, и вторичным использованием отходов. Наконец, возможен путь более рационального устройства самих отвалов - уменьшение площади, которую они занимают, устройство основания с системой удаления образующихся под соляной массой рассолов (рис. 54).



Мы привели лишь один эпизод борьбы с влиянием промышленных отходов на подземные воды. Промышленность в ходе технологических процессов выбрасывает массу самых разнообразных сточных вод. В составе их содержатся такие ядовитые вещества, как ртуть, никель, медь, органические ядовитые соединения и многие другие. Особенно опасны стоки, содержащие радиоактивные вещества. Все эти воды способны загрязнить и испортить реки и озера и подземные горизонты.

Опасность представляют не только сточные воды, но и дымы (газы), выбрасываемые в воздух промышленными предприятиями. Чего только они ни содержат: и сульфиды и сульфаты, и ангидриты азотной кислоты и пары соляной кислоты и многое другое. В конечном счете большинство этих газов оседает на поверхность либо вместе с пылью, либо с атмосферными осадками. А уж отсюда они держат путь с просачивающимися водами в породы, а затем в грунтовые воды. Чтобы представить себе размах этого процесса, укажем, что в районах химических предприятий, тепловых электростанций и других производств с атмосферными осадками выпадает до 2-4 г различных веществ на квадратный метр поверхности в год.

Наконец, промышленные предприятия часто забирают из подземных горизонтов воды для технических целей, истощая их запасы. В районах нефтяных месторождений при откачке так называемых наднефтяных вод часто происходят проникновение нефти в горизонты подземных вод и их порча.

Большие количества подземных вод используются для охлаждения турбогенераторов, станков и других механизмов. Часть из них может попадать в земную кору. Их опасность заключается не только в загрязненности маслами и различными примесями, но и в повышенной температуре (так называемое термозагрязнение).

 

защита при помощи экрана от поступления из отвалов загрязненных вод

Рис. 54. Защита при помощи экрана (Э) от поступления из отвалов загрязненных вод Д в породы

 

Борьба с загрязнением поверхностных и подземных вод вполне возможна путем создания оборотного водоснабжения, когда вода, попав в производственный цикл, все время находится в его пределах. Хорошим методом является создание очистных сооружений, задача которых освободить воду от вредных растворенных и взвешенных примесей.



Примером современной очистительной системы является био-химочистка, созданная в Северодонецке. Здесь воды сначала очищаются от взвешенных механических примесей (ила, песка), а затем после усреднителей, понижающих концентрации химических веществ, направляются в специальные бассейны. Они достигают площади в тысячу квадратных метров. Здесь и происходит основная биологическая очистка. Микроорганизмы, привносимые с городскими отходами, должны перерабатывать все ядовитые органические примеси, превращая их в воду и углекислоту. Так же постепенно разрушаются различные загрязняющие неорганические соединения. После биологической очистки, пройдя отстойники, вода поступает в специальные пруды. Они служат для дополнительной очистки и озонирования. На этом все заканчивается. Получаемые воды могут смело сбрасываться в речную систему. Анализы показывают, что воды после этого оказываются очищенными на 98% от содержащихся в них примесей.

 




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница