Лекция И.С. Зекцера для аспирантов ИВП РАН

1. Ресурсы пресных подземных
вод и их использование для
водоснабжения населения
Проф. И.С. Зекцер, д.г.-м.н.Проф. И.С. Зекцер, д.г.-м.н.
Институт водных проблем РАНИнститут водных проблем РАН
Москва, 2014 г.Москва, 2014 г.

2. Преимущества подземных вод, какПреимущества подземных вод, как
источника питьевого водоснабженияисточника питьевого водоснабжения
 Более высокое качество;
 Лучше защищены от загрязнения и
заражения;
 Менее подвержены многолетним и сезонным
колебаниям, связанным с климатической
цикличностью и водностью отдельных лет;
 Более широко распространены;
 Экономический аспект: ввод в эксплуатацию
водозаборов подземных вод может
осуществляться постепенно по мере роста
потребностей населения и не требует
крупных единовременных затрат

3. В настоящее время подземные водыВ настоящее время подземные воды
являются основным источникомявляются основным источником
водоснабжения во многих странах Европыводоснабжения во многих странах Европы
В Австрии, Бельгии, Венгрии, Германии,
Дании, Румынии, Швейцарии и бывшей
Югославии доля подземных вод в
хозяйственно-питьевом водоснабжении
составляют более 70%, а в Болгарии, Италии,
Нидерландах, Португалии, Франции, Чехии и
Словакии доля подземных вод варьирует от
50 до 70 %. В США 75% городских систем
водоснабжения населения питьевой водой
используют подземные воды.

4. ГородГород Поверхностные воды (%)Поверхностные воды (%) Подземные воды (%)Подземные воды (%)
Амстердам 52 48
Антверпен 82 18
Барселона 83 17
Берлин 58 42
Брюссель 35 65
Вена 5 95
Вильнюс - 100
Гамбург - 100
Глазго 63 37
Копенгаген 16 84
Лиссабон 45 55
Лондон 86 14
Москва 98 2
Минск - 100
Мюнхен - 100
Париж 60 40
Роттердам 90 10
Цюрих 70 30
Токио 25 75
Чикаго 88 12
Водоснабжение крупных городов Мира

5. Хозяйственно-питьевоеХозяйственно-питьевое
водоснабжение средних и крупныхводоснабжение средних и крупных
городов должно базироваться негородов должно базироваться не
менее, чем на двух независимыхменее, чем на двух независимых
источниках; для этих целей должныисточниках; для этих целей должны
быть привлечены все имеющиесябыть привлечены все имеющиеся
ресурсы пресных подземных вод.ресурсы пресных подземных вод.

6. Естественные ресурсыЕстественные ресурсы (синоним -
динамические запасы) характеризуют величину
питания подземных вод за счет инфильтрации
атмосферных осадков, поглощения речного
стока и перетекания из других водоносных
горизонтов, суммарно выраженную величиной
расхода потока или толщиной слоя воды,
поступающего на уровень подземных вод.
В среднемноголетнем разрезе естественные
ресурсы эквивалентны подземному стоку зоны
интенсивного водообмена и характеризуют
верхний предел возможного использования
подземных вод без их истощения.

7. Под прогнозными ресурсамипрогнозными ресурсами
подземных водподземных вод понимается количество
подземной воды определенного
качества, которое может быть
получено в пределах
гидрогеологического района, бассейна
реки или административного района.
Прогнозные ресурсы, таким образом,
отражают потенциальные
возможности использования
подземных вод.

8. Необходимость экстраполяции данных по
отдельным скважинам.
Возможность, применения в основном в условиях
естественного режима уровня подземных вод.
Возможность оценки
естественных ресурсов
отдельных водоносных
горизонтов
Оценка инфильтрационного
питания подземных вод по
режиму их уровня.
Необходимость оценки основных компонентов водного
баланса независимыми методами
Оцениваемая величина подземного стока должно
превышать погрешность определения основных
компонентов водного баланса
Возможность расчета не
дренируемого подземного стока
Среднемноголетний водный
баланс областей питания
или разгрузки подземных
вод
Необходимость многолетних наблюдений за речным
стоком в ненарушенных условиях.
Применимость только для зоны дренирования
подземных вод
Возможность оценки
естественных ресурсов
отдельных водоносных
горизонтов
Гидродинамический метод
расчет расхода подземного
потока (включая
моделирование)
Различия в величинах медленного стока должны
превышать точность их измерений
Возможность получения
многолетних характеристик
Возможность оценки годовой и
сезонной изменчивости
Оценка изменений
меженного стока реки между
двумя гидрометрическими
створами
Необходимость многолетних наблюдений за речным
стоком в ненарушенных условниях.
Применимость только для зоны дренирования
подземных вод
Возможность получения
многолетних характеристик
Возможность оценки годовой и
сезонной изменчивости
Расчленение гидрографов
рек
ОграниченияПреимуществаМетод

9. M = Qgw/F л/с·км2
K1 = Qgw/P %
K2 = Qgw/Qr %
Количественные характеристикиКоличественные характеристики
естественных ресурсов подземных водестественных ресурсов подземных вод

10. Баланс ресурсов подземных водБаланс ресурсов подземных вод
водозабораводозабора
QЭ – дебит эксплуатационного
водозабора
Qе – естественные ресурсы
подземных вод
(поток подземных вод)
W – запас воды в водоносном
пласте, срабатываемый при
эксплуатации
Δt – расчетный срок
эксплуатации водозабора
ΔQ – суммарные
дополнительные ресурсы,
привлекаемые в процессе
Q
t
W
QQ еЭ ∆+
∆
+=

11. Ресурсный потенциал подземных вод (РППВ)Ресурсный потенциал подземных вод (РППВ)
–– часть естественных ресурсов,
представляющая собой максимальную
возможную величину отбора подземных
вод определенного качества и целевого
назначения, которая может быть
получена в пределах гидрогеологических
районов, речных бассейнов или
административных территорий при
условии их освоения по всей площади
распространения продуктивных
водоносных горизонтов с учетом
заданных ограничений.

12. Основными количественными
характеристиками ресурсного потенциала
являются величины ресурсного потенциала
и площадной и линейный модули
Площадной модульПлощадной модуль -- расход подземных вод
в л/с, который может быть получен из
оцениваемых водоносных горизонтов
водозаборными сооружениями с 1 км2
оцениваемой площади скважинами и
каптажами родников.
Линейный модульЛинейный модуль -- расход подземных вод в
л/с, который может быть получен с 1 км
длины линейного берегового
(инфильтрационного) водозабора.

13. Карта естественных ресурсов подземных вод
Центральной части Московского региона.
Масштаб 1:1 500 000

14. Легенда к карте подземного стока
Центральной и Восточной Европы (фрагмент)

16. Карты естественных ресурсов подземных вод Тайваня
Масштаб 1 : 250 000

17. THE WORLD MAP OF HYDROGEOLOGICAL CONDITIONS
AND GROUNDWATER FLOW
Scale 1:10,000,000
Compiled by the Water Problems Institute of the Russian Academy of Sciences
under UNESCO Supervision
Editors-in-Chief:
R.G. Dzhamalov and I.S. Zektser
Editorial Board:
A.Aureli (Italy), H.Bitesnik (Argentina), N.da Franca (Brazil), I.V. Diordiev (Russia),
L.G. Everett (USA), V. Gilbrich (UNESCO), J. Jacobson (Australia), R.A. Kanivetsky
(USA), M.G. Khublaryan (Russia), V.A. Kiryukhin (Russia), J. Margat (France), N.A.
Marinov (Russia), A.Menta (Brazil), L.P. Novoselova (Russia), V. Ramnarong
(Thailand), T.I. Safronova (Russia), B.B.S. Sinhal (India), S. Soekiban (Indonesia), V.
Struckmeier (Germany), A Valdes (Cuba), V.A. Vsevolozhsky (Russia),
S. Wongsawat (Thailand)
Authors:
R.G. Dzhamalov, I.V. Diordiev, I.S. Zekster, V.A. Ivanov, N.A. Lebedeva, V.I.
Nikonova, Yu.I. Obyedkov, T.I. Safronova, T.N. Sorokina

19. Groundwater Discharge Values and Types
(subtypes) of Groundwater Flow Media

20. Использование ресурсовИспользование ресурсов
подземных водподземных вод

22. Использование пресных подземных вод в
России (2011 г.) и США (2005 г.)

23. Соотношение ресурсов и использованияСоотношение ресурсов и использования
пресных подземных вод на территории России*пресных подземных вод на территории России*
*по данным ФГУГП «Гидроспецгеология» на 2013 г.

24. Доля подземных вод в ХПВ для городов
с различной численностью населения

25. Из 76 городов России с населениемИз 76 городов России с населением
более 250 тысяч в каждом:более 250 тысяч в каждом:
2323 – используют в основном подземные воды
(вклад подземных вод в хозяйственно-
питьевое водоснабжение более 90%)
2727 – используют подземные и поверхностные
воды
2626 – используют в основном поверхностные
воды (вклад подземных вод менее 10%)

26. Уменьшение удельного веса использования
подземных вод происходит с увеличением
населения городов. Так, преимущественно
подземными водами обеспечивается
79 % городов с населением до 50 тыс. чел.,
55 % с населением от 50 до 100 тыс. чел.,
32 % с населением больше 100 тыс. чел.

27. Города, где поверхностные воды являются
практически единственным и не
защищенным от загрязнения источником
хозяйственно-питьевого водоснабжения:
Москва, Санкт-Петербург, НижнийМосква, Санкт-Петербург, Нижний
Новгород, Екатеринбург, Омск, Волгоград,Новгород, Екатеринбург, Омск, Волгоград,
Челябинск, Ростов.Челябинск, Ростов.
Указанные крупные города живут в
условиях угрозы выхода из строя или
разрушения системы хозяйственно-
питьевого водоснабжения населения
(аварии, наводнения, землетрясения,
теракты и др. причины).

28. Период чрезвычайных ситуаций - время, когда в результате
разрушения гидротехнических сооружений, водопроводов,
технических средств водоснабжения или последствий
террористических актов, катастрофического загрязнения
существующих источников водоснабжения (рек, каналов) а
также в результате природно-климатических катастроф,
включая землетрясения, обвалы, разрушительные наводнения,
сели, катастрофические паводки и т.д., использование
поверхностных вод становится невозможным.
Период чрезвычайных ситуаций - время, когда в результате
разрушения гидротехнических сооружений, водопроводов,
технических средств водоснабжения или последствий
террористических актов, катастрофического загрязнения
существующих источников водоснабжения (рек, каналов) а
также в результате природно-климатических катастроф,
включая землетрясения, обвалы, разрушительные наводнения,
сели, катастрофические паводки и т.д., использование
поверхностных вод становится невозможным.

29. Сравнение потребности населения в хозяйственно-
питьевом водоснабжении при чрезвычайных ситуациях
с утвержденными запасами пресных подземных вод (на
01.01.2014)

30. Сравнение потребности населения в хозяйственно-
питьевом водоснабжении при чрезвычайных ситуациях
с утвержденными запасами пресных подземных вод (на
01.01.2031 г.)

31. Город
Численность
населения, тыс. чел.
Потребность при ЧС, тыс.
м3
/сут.
Утвержденные
запасы, тыс. м3
/сут
Обеспеченность
утвержденными запасами
подземных вод
2014 г. 2030 г. 2014 г. 2030 г. 2014 г. 2030 г.
Москва 12108,3 14612,3 375,4 453,0 1720,4
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Рязань 530,4 527,5 16,4 16,4 254,7
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Санкт-Петербург 5131,9 5480,4 159,1 169,9 177,6
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Астрахань 530,8 571,7 21 23,0 50,0
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Ростов-на-Дону 1109,8 1199,6 44,7 48,3 60,0
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Махачкала 578,3 819,4 23,3 33,0 240,0
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Набережные
Челны 522,0 523,9 25,9 26,0 0,7 не обеспечен не обеспечен
Ижевск 637,3 620,1 31,6 30,8 3,3 не обеспечен не обеспечен
Пермь 1026,5 1031,3 50,9 51,2 36,7 не обеспечен не обеспечен
Екатеринбург 1412,3 1550,4 70,0 76,9 36,7 не обеспечен не обеспечен
Тюмень 679,9 858,4 33,7 42,6 189,3
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Челябинск 1170,0 1254,2 58,0 62,2 41,3 не обеспечен не обеспечен
Новосибирск 1547,9 1696,4 76,8 84,1 385,9
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Красноярск 1035,5 1195,7 51,4 59,3 764,4
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Омск 1166,1 1173,2 57,8 58,2 250,0
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно надежно

32. Город
Численность
населения, тыс. чел.
Потребность при ЧС, тыс. м3 Обеспеченность утвержденными запасами подземных вод
2014 г. 10 суток 30 суток 100 суток 10 суток 30 суток 100 суток
Москва 12108,3 3753,6 11260,7 37535,6 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Рязань 530,4 164,4 493,3 1644,2 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Санкт-Петербург 5131,9 1590,9 4772,7 15909,0
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Астрахань 530,8 214,0 642,0 2140,0
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Ростов-на-Дону 1109,8 447,0 1341,0 4470,0
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Махачкала 578,3 233,0 699,0 2330,0 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Набережные
Челны 522,0 259,0 777,0 2590,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Ижевск 637,3 316,0 948,0 3160,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Пермь 1026,5 509,0 1527,0 5090,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Екатеринбург 1412,3 700,0 2100,0 7000,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Тюмень 679,9 337,0 1011,0 3370,0 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Челябинск 1170,0 580,0 1740,0 5800,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Красноярск 1035,5 514,0 1542,0 5140,0 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Новосибирск 1547,9 768,0 2304,0 7680,0 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Омск 1166,1 578,0 1734,0 5780,0 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен
Хабаровск 601,0 298,0 894,0 2980,0 надежно обеспечен
надежно
обеспечен надежно обеспечен

33. Город
Численность
населения, тыс. чел.
Потребность при ЧС, тыс. м3
Обеспеченность утвержденными запасами
подземных вод
2030 г. 10 суток 30 суток 100 суток 10 суток 30 суток 100 суток
Москва 14612,3 4529,8 13589,4 45298,1
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Рязань 527,5 163,5 490,6 1635,3
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Санкт-
Петербург 5480,4 1698,9 5096,8 16989,2
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Астрахань 571,7 230,4 691,2 2304,0
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Ростов-на-Дону 1199,6 483,4 1450,3 4834,4
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
достаточно
обеспечен
Махачкала 819,4 330,2 990,7 3302,2
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Набережные
Челны 523,9 259,9 779,6 2598,5 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Ижевск 620,1 307,6 922,7 3075,7 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Пермь 1031,3 511,5 1534,6 5115,2 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Екатеринбург 1550,4 769,0 2307,0 7690,0 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Тюмень 858,4 425,8 1277,3 4257,7
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Челябинск 1254,2 622,1 1866,2 6220,8 не обеспечен не обеспечен не обеспечен
Красноярск 1195,7 593,1 1779,2 5930,7
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Новосибирск 1696,4 841,4 2524,2 8414,1
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Омск 1173,2 581,9 1745,7 5819,1
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
надежно
обеспечен
Хабаровск 587,2 291,3 873,8 2912,5
надежно надежно надежно

34. Водным Кодексом Российской Федерации
предусматривается создание резервных
источников водоснабжения на базе
защищенных от загрязнения
месторождений подземных вод, для
которых должен быть установлен
специальный режим охраны и контроля за
их состоянием.

35. Защищенность подземных водЗащищенность подземных вод – это
свойство природной системы, позволяющее сохранить
на прогнозируемый период состав и качеств
подземных вод соответствующими требованиями их
практического использования.
Противоположный термин – уязвимостьуязвимость
подземных вод.подземных вод. Чем больше защищенность
подземных вод, тем меньше их уязвимость к
загрязнению.

36. Подземный сток в моряПодземный сток в моря

37. Subsurface water exchange
between land and sea
Groundwater discharge
from land directly to sea
Intrusion of seawater
into the coast

38. Main problems and tasks
Hydrological Aspects:Hydrological Aspects:
What is the volume of submarine discharge?
Does it considerable affect the water and salt
balance of the water body?
In what way will groundwater inflow change in
the future under possible changes of climate and
technological development in the coastal zone?
To what degree should the underground
component be considered in studying the salt and
heat balance in seas and oceans?

39. Main problems and tasks
Hydrogeological Aspects:Hydrogeological Aspects:
SGD is an important part of groundwater resources
of the coast zone, which at present “uselessly”
outflow into the sea
It is necessary to know determine the interface
between fresh groundwater and saline seawater, and
hence to predict water quality in the seacoast
groundwater well fields

40. Principles of study and quantitative assessment
of groundwater discharge into seas
Methods of study and quantitative assessment of groundwater discharge
Methods based on quantitative analysis of conditions
for forming groundwater discharge into the sea
within a catchment and primarily coastal areas
of the land
Methods of marine hydrogeological investigations
based on the direct study of the freshwater area
of the sea
Hydrodynamic method for calculating flow discharge
(analytically and by modeling)
Complex hydrologic and
hydrogeologic method
Method of mean perennial water
balance of groundwater
recharge areas

41. Hydrogeological study of aquatoriesHydrogeological study of aquatories
Remote sensingRemote sensing
methodsmethods
Methods of direct survey ofMethods of direct survey of
submarine sourcessubmarine sources
Methods of studyingMethods of studying
bottom waterbottom water
Visual
investigations
Space survey Diving work Tracing
methods
Determination of
chemical
composition
Determination
of gas
composition
Aerial survey Apparatus for
submarine
investigations
Methods of
fluid-velocity
logging
Measurements
of electric
conductivity and
temperature
Determination
of isotope
composition
Methods of bed-Methods of bed-
loaded sedimentsloaded sediments
studyingstudying
Temperature
measurements along
bottom sediments
profile
Thermo- and electrical
profiling at the bottom-
seawater boundary
Determination of
chemical composition
Isotope
investigations
Dissolved gases
measurements
Pore water
studying in
bottom
sediments
Determination of
filtration properties
of bottom
sediments
Seismic and acoustic
profiling
Heat flow
measurement

42. Quantitative characteristics
Module of groundwater flowModule of groundwater flow – specific groundwater
discharge to sea from 1 km2 of the catchment area of the
coastal zone (l/(s⋅km2
))
Linear module of groundwater dischargeLinear module of groundwater discharge – specific
ground water flow from the land to sea from 1 km of the coast
line (l/(s⋅km))
Module of subsurface dissolved solid dischargeModule of subsurface dissolved solid discharge –
dissolved solid discharge with groundwater to the sea from 1
km2
of the catchment area (t/yr⋅km2
))

43. Groundwater discharge to oceans from continents and large islands
1302,51 2397,24 Total for the Globe
7,16 47,52 Total
7,16126,647,5217,85,6Europe
Arctic
295,55 219,4 Totally
60,635,384,7115,5827,75,1Large island
119,257,197,265,3210,71,7Asia
48,954,138,722,145,10,6Africa
66,725,528,416,363,70,2Australia
Indian
479,25 830,01 Total
2,271,234,95,78,12,8Large islands
27,423,2101,848,6515,65,7Europe
11,923,6110,38,3272,4Asia
9,852,224,45,083,10,4Africa
Meditera
nean
sea
42,882,47677,67124,4Large islands
77,664,340,2185,2928,23South America
112,22674,6219,431,94,6North America
25,84247,871,2215,44,2Europe
169,191299,9208,6840,43,9Africa
Atlantic
520,55 1300,31 Total
278,157,3159,8714,725113Large islands
35,473,864,1199,5958,711,5South America
36,732,450,1124,5821,95,4North America
165,216,598,2254,2827,24,8Asia
4,991,224,97,144,61,1Australia
Pacific
Total,
mln.t/yr
Linear
values, ths.t/
(yr×km)
Areal
values, l/
(sec×km2
)
Total,
km3
/yr
Linear values,
ths.m3
/(day×km)
Areal values,
l/(sec×km2
)
Subsurface dissolved solids dischargeGroundwater dischargeContinent,
islands
Ocean, sea

44. Schematic map of hydrogeological zoning
of the Caspian Sea coastal zone
1 – boundaries of hydrogeological
areas;
2 – boundaries of hydrogeological
sections;
3 – area number;
4 – section number.
Areas: I – Pricaspian artesian basin, II –
Tersko-Kumsky artesian basin, III –
Dagestan artesian basin, IV –
Kusaro-Divichensky piedmont plain,
V – area of south-west
submergence, VI – Kurinskaya
depression, VII, - Lenkoranskaya
lowland, VIII – Iran coastal zone,
IX – West-Turkmensky artesian
basin, X – east part of Middle-
Caspian artesian basin, XI –
Mangyshlaksky artesian basin

45. Groundwater discharge into the Caspian Sea
0,05km
3/yr
0,54 km
3 /yr
0,87 km
3 /yr
0,13 km3
/yr
0,21 km3/yr
0,02 km3
/yr
0,03 km3
/yr
0,2 km3
/yr
0,06 km3
/yr
0,04 km
3 /yr

46. Role of groundwater in salt-water balance of the
coastal zones of the Caspian Sea
970thous.t/yr
6450 thous. t/yr
1470 thous. t/yr
2920 thous. t/yr
2140 тыс. т/год
200 thous. t/yr
66 thous. t/yr
1885 thous. t/yr
1640 thous. t/yr
322 thous. t/yr
5000 thous. t/yr

47. Marine hydrogeologyMarine hydrogeology ––
science of studyingscience of studying
subsurface water exchangesubsurface water exchange
and submarine groundwater,and submarine groundwater,
its properties, circulation andits properties, circulation and
distributiondistribution

48. Основные задачи дальнейших научныхОсновные задачи дальнейших научных
исследований по проблеме оценки и использованияисследований по проблеме оценки и использования
пресных подземных вод в России:пресных подземных вод в России:
 усовершенствовать методику количественной оценки
естественных ресурсов подземных вод и ресурсного потенциала
различных водоносных горизонтов речных бассейнов;
 выполнить оценку ресурсного потенциала основных водоносных
горизонтов речных бассейнов включая трансграничные
подземные воды;
 провести региональную оценку и картирование защищенности
пресных подземных вод от загрязнения с поверхности земли по
отдельным артезианским бассейнам;
 выполнить оценку перспектив искусственного восполнения
пресных подземных вод на действующих и проектируемых
водозаборах;
 выполнить гидрогеологическое обоснование мероприятий по
созданию резервных источников питьевого водоснабжения
городов, основанного на использовании экологически чистых
защищенных от загрязнения пресных подземных вод;
 выполнить гидрогеологическое обоснование региональных Схем
комплексного использования и охраны водных ресурсов
отдельных крупных речных бассейнов.

49. 49