Состояние грунтовых вод в Англии и Уэльсе: доклад Агентства по охране окружающей среды Великобритании (часть первая)
На большей части Великобритании – в Англии и Уэльсе - подземные водоисточники являются исключительно важным природным ресурсом: они обеспечивают потребности населения в воде примерно на одну треть и питают большое количество рек, ручьев, заболоченных и сильно увлажненных территорий. Засушливые годы (2004-2006 гг.) наглядно продемонстрировали, в какой степени мы зависим от подземных источников воды и каким угрозам они подвергаются. В данном обзоре, первом из подобного рода официальных публикаций, посвященных положению в стране с грунтовыми водами, мы кратко расскажем об особенностях водоносных горизонтов в Англии и Уэльсе, об отборе воды и основных потребителях, а также о том, какие виды загрязнений представляют наибольшую опасность и к чему может привести чрезмерная эксплуатации водоносных слоев.
В наше время, когда отмечается значительный рост влияния негативных факторов на состояние окружающей среды, обеспечение защиты грунтовых водоисточников в долговременной перспективе представляется делом особой важности. Это необходимо делать с двоякой целью: для обеспечения населения доступным источником высококачественной воды и для поддержания в нормальном состоянии поверхностных водоемов, увлажненных территорий, ареалов обитания животных и птиц и т.д. При этом все действия по сохранению и оздоровлению грунтовых водоисточников нужно всегда рассматривать в контексте комплексного управления всеми пресноводными ресурсами, как подземными, так и поверхностными.
Грунтовые воды являются национальным достоянием, поэтому поддержание их в хорошем состоянии - не только наша обязанность, но и долг перед будущими поколениями. Трудно себе представить, но большая часть пресноводных запасов в Англии существует в виде подземных вод. Главные опасности, которые реально угрожают качеству грунтовых водоисточников, связаны с уровнем потребления и загрязнением. Если забор воды из подземных водоносных горизонтов для разных целей становится чересчур интенсивным, то уровни грунтовых вод понижаются и качество воды ухудшается, а ее количества становится недостаточно для удовлетворения обычных потребностей населения и/или промышленности. В таких случаях приходится изыскивать иные источники водоснабжения, что сопряжено с дополнительными расходами и техническими сложностями. Параллельно обычно отмечается обмеление рек, снижение уровня воды в озерах и других поверхностных водоемах, в которых высока доля грунтового питания. Это, в свою очередь, часто негативно отражается на состоянии влаголюбивой растительности, на жизнедеятельности водных видов фауны и т.д. Грунтовые воды очень уязвимы для различного рода загрязнений. В случае попадания в них вредных веществ процесс очистки занимает очень много времени и требует значительных затрат. Так как по своей природе грунтовые воды постоянно взаимодействуют как с поверхностными водами, так и почвами, то в них могут попасть загрязнители из любой из этих сред.
В Англии около 30% всей пресной воды, необходимой для удовлетворения хозяйственно-питьевых потребностей населения, поступает из грунтовых источников. Несмотря на то, что в Уэльсе доля грунтовых водоис-очников значительно ниже и составляет всего 3% [1], их роль очень высока в снабжении чистой водой населения, проживающего в холмистых и горных районах на западе и севере страны. Наиболее широко использует грунтовые вод население, проживающее в сельской местности в центральных графствах на востоке и юге Англии. В деревнях, населенных пунктах и на фермах, которые не подключены к системе централизованного водоснабжения, вода забирается из общественных и частных родников, колодцев и скважин. Как правило, такая вода не подвергается очистке, поэтому местные санитарные органы периодически осуществляют проверки качества воды. Качество грунтовой воды, поступающей в сельские и городские сети, в обязательном порядке контролируется водопроводными компаниями, и вода обязательно предварительно обрабатывается. Степень и особенности обработки воды варьируют в зависимости от ее состояния в конкретном подземном водоисточнике и технического оснащения компаний, но, как правило, процесс водоподготовки обязательно включает такие стадии, как фильтрование, осаждение, а зачастую и умягчение. Большие объемы грунтовой воды идут на нужды промышленности и сельского хозяйства.
Запасы грунтовых вод, предназначенные для использования в экономике страны, оцениваются более чем в 8 млрд. фунтов стерлингов. В последние годы в Англии наблюдается быстрый рост рынка бутилированной воды, который превышает 1,7 млрд. фунтов в год. Каждый житель страны в среднем потребляет более 30 л бутилированной воды в год [2]. В Англии насчитывается около 100 хорошо известных источников минеральной воды, которая поступает из недр земли [3].
В настоящее время количественные и качественные данные в основном собраны по мощным водоносным слоям, откуда производится отбор воды для питьевых целей и которые расположены преимущественно на территории центральной Англии. Здесь осуществляется мониторинг качества воды, исследуется геология почв, пути переноса различных загрязнителей, методы очистки и т. д. Что же касается состояния многих сравнительно небольших грунтовых водоисточников, в частности в Уэльсе, то об их состоянии имеется гораздо меньше информации. Более того, часть водоносных горизонтов еще вообще очень слабо изучена, и мы ничего не можем сказать ни о перспективах их использования в качестве источников питьевой воды, ни о том, каким угрозам они могут быть подвержены в будущем.
Грунтовые воды образуются в результате просачивания воды (дождя, снега и проч.) через почвенные слои и накапливаются в осадочных горных породах, которые называются водоносными горизонтами или аквиферами (от английского слова aquifer). Сами породы (гравий, доломит, извесняк, песок) могут иметь различную степень водопроницаемости и рыхлости. С обеих сторон горизонта, как правило, располагаются водоупорные пласты, чаще всего глины. В водоносные горизонты поступает различное количество воды в зависимости от времени года. Этот процесс носит название подпитывания или пополнения запасов подземных вод. В Англии и других западноевропейских странах самые низкие уровни пополнения запасов вод бывают обычно летом и в начале осени, когда осадков меньше, а температура воздуха выше. В таких условиях основная масса воды испаряется с поверхности земли. Кроме того, растениям приходится забирать влагу из земли, что также влияет на уровни пополнения грунтовых вод. Высокие уровни характерны для периода поздней осени и зимы, но пиковые значения отмечаются ранней весной.
Изменение уровня подземных вод происходит с существенной задержкой по времени, поэтому природные источники и те реки, которые имеют преимущественно грунтовое или смешанное питание, продолжают получать воду из подземных горизонтов на протяжении всего летнего периода, что, в свою очередь, ведет к снижению в них уровня воды (рис. 1).
Недостаточное количество осадков, выпадающих в течение одного или нескольких зимних периодов, может привести к заметному сокращению запа- согрунтовых вод. В Англии большинство крупных рек имеет смешанное питание (дождевое и грунтовое), лишь на севере в гористой местности у некоторых рек преобладает снеговое и дождевое питание. В то же время есть реки и иные поверхностные водоемы, питание которых почти полностью осуществляется за счет грунтовых вод.
Грунтовая составляющая (или базисный сток) подвержена меньшим колебаниям, чем поверхностный сток, поэтому большинство английских рек и их экосистемы демонстрируют относительную стабильность расхода воды и других параметров в летнее время. В связи с этим можно сказать, что хотя забор воды для различных целей в меженный период производится из рек, на самом деле в значительной степени используются грунтовые воды. Выход грунтовых вод на поверхность в ряде мест приводит к образованию заболоченных и сильно увлажненных территорий, на которых возникают уникальные экосистемы, населяемые водолюбивыми растениями, водоплавающими птицами и другими видами флоры и фауны, прекрасно адаптировавшимися к этим условиям. Такие территории играют очень большую роль в региональном водном балансе, так как они естественным образом регулируют уровень воды. Например, во время паводков, когда поступает избыточное количество воды, они способны накапливать ее в больших объемах, а затем на протяжении длительного времени возвращать. Помимо этого здесь происходит эффективная фильтрация различных питательных, осадочных, а также токсичных веществ, что предотвращает загрязнение ручьев и рек ниже по течению. В то же время это делает такие территории весьма уязвимыми по отношению к разным загрязнениям.
Основные водоносные горизонты в Англии и Уэльсе состоят из меловых пластов на юге и востоке страны, из песчаника на западе и в Уэльсе, а также из известняка (рис. 2).
В основном подземные воды медленно циркулируют в верхних слоях горизонта на глубине от 100 до 200 м от поверхности. В некоторых случаях вода может просачиваться значительно глубже - на несколько километров, однако на такой глубине она становится слишком соленой и не пригодной для использования в питьевых целях. Хотя в двух крупнейших в Англии водоносных горизонтах на глубине, не превышающей 20 м от поверхности, содержится не менее 40 млрд. м3 качественной воды, что в 16 раз превышает суммарный объем всех поверхностных водоемов страны, на практике можно использовать лишь очень небольшое количество этой воды [4]. Очень медленно перемещаясь по подземным горизонтам, воды поступают в реки, озера и моря. Уровень залегания подземных вод в толще земли обычно соответствует рельефу местности на поверхности, а под действием силы тяжести вода перемещается из менее мелких в более глубокие подземные пласты. Движение воды происходит через трещины, разломы и отверстия в твердых породах и скорость зависит от их геологического строения и глубины залегания. В пробах может содержаться смесь воды, проникшей под землю в разное время. Например, грунтовые воды, находящиеся в верхних горизонтах, могли попасть туда всего лишь месяц назад. Что же касается самых глубоких водоносных горизонтов, то, по мнению специалистов, возраст подземных вод может исчисляться миллионами лет. Так, возраст вод в меловых пластах в южной и юго-восточной части Англии может достигать 20 тыс. лет. Предполагается, что вода проникла под землю в конце ледникового периода, первоначально выпав на поверхность почвы в виде осадков [4].
Ненасыщенные грунты и плотные горные породы, расположенные в верхней части водоносного горизонта, защищают воду от загрязнения. Они часто играют роль природного фильтра, не пропуская вредные вещества и микроорганизмы. Однако во многих местах грунтовые воды расположены на небольшой глубине от поверхности земли, поэтому некоторые загрязнители все-таки проникают в водоносные пласты. Процессы естественного самоочищения, которые протекают в поверхностных водоемах - реках и озерах - в течение нескольких дней или недель, в подземных горизонтах могут занять десятилетия и даже века. Это происходит оттого, что скорость тока воды и загрязнителей очень мала, а, кроме того, процессы микробного разложения в таких условиях очень замедлены в связи с отсутствием кислорода и питательных веществ, а также из-за весьма низких температур [5].
При интенсивной эксплуатации водоносных пластов необходимо постоянно следить за скоростью пополнения подземных вод. В случае если интенсивность забора воды заметно превышает уровни пополнения, это чревато серьезными последствиями для данной местности. Пониженный уровень грунтовых вод обязательно скажется на состоянии всей водной экосистемы, но в первую очередь пострадают низменные сильно увлажненные болотистые и луговые территории, часто являющиеся уникальными природными объектами, на территории которых обитают многочисленные виды растений, птиц и зверей. Помимо этого истощенные подземные пласты уже не смогут обеспечивать потребность населения в воде, что приведет к необходимости поиска новых, как правило, значительно более дорогих источников воды. В ближайшие десятилетия в Англии ожидается увеличение спроса на воду, в частности, в связи с заметным ростом строительства жилых домов и коттеджей [6]. Еще одним фактором, способным усугубить проблему водоснабжения, являются глобальные процессы изменения климата.
Очень важный вопрос - поиск правильного соотношения между наличием ресурсов, в данном случае, подземных вод, и потребностью в них населения.
В некоторых графствах страны объемы забора грунтовых вод очень велики. В будущем они еще больше возрастут, так как все больше жилых домов будет строиться на территориях, где уже сейчас заметно ощущается нехватка воды. Казалось бы, для решения проблемы нехватки воды наиболее простым и привлекательным решением является сооружение новых искусственных водоемов и водохранилищ. Тем не менее этот с виду простой вариант, позволяющий снизить остроту дефицита воды в первое время, может в дальнейшем оказать серьезное негативное воздействие на экологическую систему всего региона. Более правильный путь - повсеместное внедрение водосберегающих технологий, сокращение утечек воды, ужесточение контроля за использованием воды в бытовом и аграрном секторах, обязательная установка индивидуальных водосчетчиков и т.п. Помимо создания больших искусственных водоемов имеются иные способы хранения и распределения больших объемов воды. Например, излишки воды можно транспортировать по водоводам в районы, испытывающие дефицит воды, ее также можно закачивать в незаполненные подземные горизонты, которые будут выполнять функцию природных подземных хранилищ. Этот перспективный метод управления водными ресурсами известен как магазинирование или искусственное создание запасов пресных подземных вод для дальнейшей их эксплуатации [7]. В настоящее время в Англии средний объем закачки воды в наиболее крупные водоносные горизонты достигает 7 млрд. м3 в год, причем порядка 30% этого количества воды в дальнейшем забирается (рис. 3), а уровень забора составляет около 7 млн. м3/сут. [8].
Наибольшее количество воды добывается на юго-востоке Англии, в то время как на Уэльс приходится не более 1% всей используемой в стране грунтовой воды [9] (рис. 4).
В 2004 - 2005 гг. в Англии и Уэльсе средний уровень потребления воды на одного человека составлял более 150 л/сут. [10]. Спрос на воду будет возрастать до тех пор, пока не будут широко внедряться экологически рациональные способы водопользования. Водопроводные компании обязаны более эффективно бороться с утечками воды и осуществлять жесткий контроль за ее расходом, используя современные инструментальные методы. Наибольшее беспокойство вызывает ситуация с водой на юго- востоке Англии. Это густонаселенная территория, где отмечается довольно низкий среднегодовой уровень выпадения осадков. В некоторых местах пригодной для использования воды так мало, что ее количество сопоставимо с доступным количеством воды в таких странах, как Сирия [11]. Несмотря на трудности с водой, в этом регионе предполагается масштабное строительство новых домов, что еще больше ухудшит положение дел. Как уже было сказано, грунтовые воды составляют существенную долю в общем объеме водопотребления в ряде графств страны, хотя, если посмотреть на всю территорию страны, цифры заметно разнятся (рис. 5).
В наибольшей степени население зависит от грунтовых водоисточников на юге страны, где их доля в коммунальном водоснабжении превышает 70% [8]. Менее всего грунтовой воды потребляют жители Уэльса (3%). В водоносных горизонтах Уэльса уровни пополнения подземных вод обычно намного превышают объемы забора воды, однако имеется ряд районов (например, песчаники в графстве Клвид), где уровень грунтовых вод находится почти на критической отметке [13]. Наибольшее количество воды из подземных источников расходуется на хозяйственно-бытовые цели (78%), затем идет промышленность (12%) и аграрный сектор, включая рыбное хозяйство (10%).
Но далеко не везде качество грунтовых вод позволяет использовать их в системах коммунального водоснабжения. Согласно оценке специалистов Агентства по охране окружающей среды Великобритании, существует серьезная угроза того, что в будущем подземные воды в 25% водоносных пластов в Англии и 4% в Уэльсе не будут соответствовать ныне существующим нормативам [14].
В последнее время внимание специалистов привлекают два неоднозначных крупных проекта, которые могут оказать существенное влияние на состояние местных запасов подземных вод.
Первый проект - развитие зоны Гейтвэй реки Темзы. В рамках этого проекта предполагается строительство почти 120 тыс. жилых домов на обоих берегах в устье Темзы к востоку от Лондона [15]. Неоднозначность проекта состоит в том, что уже сейчас на этой территории нет достаточных запасов подземных вод. Если же строительство будет выполнено в заявленных объемах, то жители нового огромного района сразу же столкнутся с серьезной проблемой дефицита воды. Вместе с тем до сих пор не начата разработка альтернативных вариантов водоснабжения, и совершенно непонятно, откуда будет поступать вода в дома. Если же власти примут решение о прокладке водоводов большого диаметра, то стоимость воды может быть очень высокой, учитывая затраты на строительство водовода, его оснащение и эксплуатацию.
В этой непростой ситуации острота проблемы может быть несколько снижена за счет оснащения всех домов системами экономии воды и ее повторного использования в бытовых целях, например, для мойки машин, полива газонов и садов и проч. Не нужно также забывать о том, что в этом районе ожидается многократный рост объемов бытовых стоков и твердого мусора, что существенно увеличит риск загрязнения подземных вод. Высока вероятность того, что имеющихся и сооружаемых канализационных коллекторов и очистных сооружений будет недостаточно для того, чтобы транспортировать и качественно обработать все стоки. Под застройку отводится очень большая территория, на которой почти вся почва будет закрыта зданиями, дорогами, спортивными площадками, стоянками машин и т.д. Все это значительно сократит инфильтрацию поверхностного стока, нарушив тем самым процесс пополнения подземных вод. Наконец, снижение уровня грунтовых вод в этом районе вызовет ухудшение состояния низменных переувлажненных территорий, играющих важную роль в местном экобалансе.
Второй проект - программа использования грунтовых вод в графстве Шропшир, расположенном на западе страны. Речь идет о том, чтобы в сухие периоды использовать грунтовые воды для поддержания нормальных параметров стока рек. В настоящее время в Англии и Уэльсе успешно реализуется около 50 подобных проектов. С одной стороны, это способствует сохранению речных экосистем, с другой, дает возможность поддерживать постоянные уровни водозабора из рек. Одним из таких водоемов является река Северн в районе Вест Мидлэндз (West Midlands). Обычно в те годы, когда выпадает мало осадков, в реку направляют дополнительные количества воды из озер Вирнви (Vyrnwy) и Ллин-Кливедог (Llyn Clywedog). Однако в исключительно жаркие и сухие годы этого бывает недостаточно. В таких случаях воду выкачивают из имеющего значительную площадь водоносного слоя, состоящего из песчаника и расположенного под большей частью территории графства Северный Шропшир. Программа общей стоимостью 20 млн. фунтов стерлингов была запущена еще в 1982 году и ее реализация, разбитая на восемь стадий, продолжается. После завершения всех этапов из реки можно будет дополнительно забирать 225 тыс. м3 воды в день. Это позволит полностью обеспечить потребности в воде жителей, проживающих в 600 тыс. домов и коттеджей [17]. На основании анализа погодных условий за последние 50 лет можно предположить, что закачка воды из водоносных горизонтов в реку будет производиться примерно раз в два года. В остальное время для поддержания реки в нормальном состоянии будет достаточно воды, поступающей из озер Вирнви и Ллин-Кливедог.
При оценке состояния водоносных горизонтов нужно также учитывать глобальные климатические изменения. Обычно мы отмечаем естественные колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года и интенсивности осадков, которые в целом не влияют на состояние водоносных горизонтов. Совсем иначе обстоит дело, когда мы говорим о необратимых изменениях климата, которые нас ожидают в будущем. По прогнозам ученых, количество осадков на территории Англии будет увеличиваться, но выпадать они будут неравномерно: наиболее интенсивно в зимние месяцы и за более короткие сроки. Пополнение же запасов подземных вод наиболее эффективно происходит во время продолжительных дождей в весенне-осенне-зимний период. При общем сокращении периода осадков уровни подпитки водоносных горизонтов станут недостаточными, что может привести к необратимым изменениям в их состоянии. Ожидаемые более жаркие летние месяцы и засухи потребуют большего количества воды для полива, орошения и на хозяйственные нужды. Это в свою очередь вызовет необходимость более интенсивно использовать грунтовые воды. Таким образом, может возникнуть порочный круг, разорвать который будет очень непросто. Следует также учитывать то, что снижение уровня подземных вод напрямую затронет весьма чувствительные биоценозы, населяющие сильно увлажненные территории в верховьях рек и ручьев, болотисто-луговые угодья и проч. Подъем уровня воды в морях в результате таяния льдов также негативно повлияет на состояние подземных вод. Интрузия морской соленой воды в прибрежные пресноводные пласты неминуемо приведет к тому, что огромные запасы пресных подземных вод навсегда окажутся непригодными для использования. В таких районах также возможен подъем уровня грунтовых вод, которые будут вытесняться морской водой.
Однако и сейчас достаточно часто приходится сталкиваться со случаями временного подъема грунтовых вод. Как правило, это происходит в период продолжительных дождей в низко расположенной местности. Грунтовые воды выходят на поверхность почвы, и происходит затопление низменных территорий. В городах и деревнях это ведет к подтоплению подвалов, нижних этажей зданий в населенных пунктах, повреждению подземных сооружений и коммуникаций. Чаще всего такие явления отмечаются в районах, где под землей находятся обширные меловые пласты [16]. Хотя случаи затопления территорий из-за подъема уровня грунтовых вод отмечаются реже, чем наводнения из-за разлива рек, иногда они оказываются даже более разрушительными и приносящими больший ущерб. Это происходит оттого, что периоды подъема грунтовых вод бывают более продолжительными и уровень воды понижается очень медленно.
Еще более серьезная проблема возникает тогда, когда подъем грунтовых вод не связан с погодными явлениями. Это, например, происходит в тех случаях, когда интенсивность забора воды из подземных горизонтов для нужд промышленности или коммунального сектора сокращается или вовсе прекращается. Если это связано с упадком промышленного производства или переходом на другие источники водоснабжения, то снизившийся уровень подземных вод снова поднимается, достигая обычных значений. Так, в Лондоне уровень грунтовых вод к началу 1960-х гг. понизился до 90 м от поверхности [4]. После этого в течение почти полувека объемы забора подземных вод последовательно сокращались, что в итоге привело к их возвращению на прежний уровень. Поднявшиеся грунтовые воды стали представлять реальную угрозу многим компонентам городской инфраструктуры, находящимся под землей, в первую очередь лондонскому метрополитену. Единственный способ предотвратить дальнейший подъем грунтовых вод - снова увеличить объем их добычи.
Фото: Агентство по охране окружающей среды Великобритании
Журнал «Вода Magazine», №10 (38), 2010 г.
(Окончание следует)
