Ресурсы и химический состав подземных вод Карелии: полный анализ

Традиционно Карелия использует поверхностные воды для водоснабжения, однако техногенное загрязнение водоемов создает серьезную проблему обеспечения населения качественной питьевой водой. Подземные воды имеют ряд преимуществ, таких как защищенность от загрязнений и отсутствие дорогостоящих мероприятий по водоподготовке.

В настоящее время во многих странах отмечается тенденция к увеличению степени использования подземных вод для водоснабжения населения.

Гидрогеологическая изученность и использование подземных вод

Гидрогеологическая изученность Карелии остается слабой и неравномерной, так как ранее подземные воды не привлекали внимания как источник водоснабжения. Доля подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения республики никогда не превышала 5%. Однако максимально возможное использование подземных вод должно стать определяющим принципом в общей стратегии повышения надежности системы хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Для сравнения: в соседней Финляндии, имеющей сходные природные условия, подземную воду используют 3,5 млн. человек.

Формирование подземных вод в Карелии

Подземные воды Карелии формируются в пределах восточного склона Фенноскандинавского щита, включающего часть Балтийского гидрогеологического массива и небольшие по площади участки Ленинградского артезианского бассейна. Эти структуры формировались в разной палеогеографической обстановке, в условиях активных неотектонических процессов, с участием различных по проницаемости разрывных нарушений, что определило неоднородность водовмещающей среды, локальное распространение подземных вод и обусловило сложности в решении водохозяйственных задач региона.

В пределах Балтийского бассейна основной водоносный горизонт, имеющий повсеместное распространение, залегает в верхней трещиноватой зоне кристаллических пород.

Водоносные горизонты и фильтрационные свойства

Практически на всей территории развиты поровые грунтовые воды рыхлых отложений четвертичного покрова. Наиболее интенсивная трещиноватость кристаллических пород отмечается до глубин 30-40 м, глубже породы становятся слаботрещиноватыми. В зонах тектонических нарушений глубина распространения трещиноватости увеличивается до 100-150 м.

Фильтрационные свойства трещиноватых пород изменчивы и, как правило, низкие. Водопроводимость архейских и нижнепротерозойский пород одного порядка (в среднем 2-5 м2/сут.). Повышенная водообильность характерна для зон тектонических нарушений.

Влияние четвертичных отложений

Высокие значения водопроводимости встречаются в пределах всех водоносных комплексов и объясняются характером перекрывающих четвертичных отложений, играющих ведущую роль в формировании подземного стока на кристаллическом массиве. Такие условия складываются на территориях, сложенных песчаными флювиогляциальными и озерно-ледниковыми отложениями мощностью 10 и более метров.

На участках, где кристаллические породы непосредственно перекрыты обводненными флювиогляциальными или озерно-ледниковыми отложениями даже небольшой мощности, водоприток в скважины из трещиноватых пород заметно увеличивается.

Ресурсы подземных вод по районам Карелии

Наиболее значительные естественные ресурсы подземных вод приурочены к водосборам рек Приладожья, верхнего и среднего течения р. Шуи (модуль стока 3-4 л/скм2). Участки с высоким модулем (2-3 л/скм2) встречаются на водосборах рек Олонки, Важинки, Суны, в верховьях рек Чирка-Кеми, Онды, Сумы.

Самый низкий модуль стока (до 1 л/скм2) отмечается на побережье Белого моря, на водосборах рек Верхний Выг и Водла.

Питание и движение подземных вод

Подземные воды кристаллических пород, как правило, безнапорные; лишь на отдельных локальных участках, где в покровных отложениях преобладают глинистые фракции, воды приобретают небольшой напор. Питание подземных вод осуществляется полностью за счет инфильтрации атмосферных осадков, составляющей обычно 70-100 мм/год.

Общие гидрогеологические условия открытого кристаллического массива, характеризующегося отсутствием региональных водоупоров, определяют довольно простую схему движения подземных вод для всех комплексов водовмещающих пород. Водосборы поверхностных и подземных вод совпадают, движение направлено от водоразделов к ближайшим поверхностным водотокам и водоемам, где происходит их разгрузка.

Воды осадочного комплекса Русской платформы

Повсеместно напорными являются воды осадочного комплекса Русской платформы, представленные в пределах административных границ Карелии каменноугольными, девонскими и верхнепротерозойскими (валдайская серия) отложениями. В среднем водопроводимость осадочных пород палеозоя составляет 10 м2/сут, максимальные величины (80 м2/сут средн.) характерны для водоносных горизонтов валдайской серии.

Водоносные горизонты валдайской серии

На юге Карелии отложения валдайской серии тянутся широкой полосой от Ладожского озера до западного склона Олонецкой возвышенности. Верхнекотлинский горизонт распространен на значительной площади Олонецкой равнины. Водоносной является пачка песчаников мощностью 20-30 м, перекрытая глинистой толщей. Вблизи северных границ песчаники залегают непосредственно под четвертичными отложениями.

В настоящее время воды горизонта используются для водоснабжения г. Олонца.

Нижнекотлинский горизонт распространен в пределах Олонецкого района и узкой полосой тянется на северо-восток до Онежского озера. По побережью Ладожского озера и в северной части своего распространения он залегает непосредственно под четвертичными отложениями, на остальной территории перекрыт верхнекотлинским горизонтом.

Перспективы использования нижнекотлинского горизонта

В пределах Олонецкого района нижнекотлинский горизонт не перспективен для водоснабжения. В северной части он резко отличается по параметрам; сложен слабосцементированными песчаниками мощностью 10-50 м, залегающими на кристаллических породах и перекрытых водоупорными глинами ледникового происхождения. Горизонт здесь характеризуется высокими фильтрационными параметрами, удельный дебит скважин колеблется от 0,5 до 2 л/с.

С 2012 г. горизонт эксплуатируется для водоснабжения микрорайона г. Петрозаводска.

Общие ресурсы и использование подземных вод в Карелии

В целом естественные ресурсы подземных вод региона, количественно равные подземному стоку в реки (с учетом озерности водосбора) оцениваются в 8,5 км3/год. Прогнозные ресурсы пресных подземных вод Карелии с учетом гидрогеологических условий и потребности населения оценены в 814,7 тыс. м3/сут.

Следует отметить весьма неравномерное распределение запасов подземных вод по площади; наибольшее эксплуатационное значение принадлежит верхнекотлинскому и нижнекотлинскому горизонтам, распространенным на небольшой территории Карелии.

Централизованное и нецентрализованное водоснабжение

Централизованное снабжение подземными водами организовано только в г. Олонец, посёлках Повенец, Новая Вилга, Пряжа. В остальных населенных пунктах эксплуатируются одиночные скважины, на них приходится около 80% подземного водоотбора.

Производительность скважин колеблется от 1 до 400 м3/сут, в основном составляет 30-50 м3/сут. Широко используются колодцы и родники. В республике насчитывается более 600 источников нецентрализованного водоснабжения. Не поддается учёту большое количество частных скважин.

Разведанность и освоенность запасов

Ресурсы подземных вод региона характеризуются низкой разведанностью (13%) и освоенностью разведанных запасов (12%). В Карелии разведано 29 месторождений пресных подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения, из них используются менее 10. Современная и перспективная потребность в воде обеспечена утвержденными запасами только в г. Олонце.

Месторождения флювиогляциальных отложений

Разведанные запасы подземных вод верхнечетвертичных флювиогляциальных отложений 9 месторождений составляют около 8% от общих запасов. Несмотря небольшую производительность их водозаборов (150-2000 м3/сут), они полностью обеспечивают водой небольшие поселки.

Для сравнения: в Финляндии подобного рода месторождения подземных вод широко эксплуатируются, только для рассредоточенных населенных пунктов построено более 1100 водозаборов.

Минерализация и химический состав подземных вод

Подземные воды в пределах кристаллического массива характеризуются в целом невысокой минерализацией (как правило, менее 1 г/л), более минерализованные воды приурочены к зонам замедленного водообмена или связаны с особенностями тектонического строения. Выявляется региональная вертикальная и горизонтальная зональность, определяющая увеличение минерализации подземных вод с глубиной и по мере уменьшения степени расчлененности рельефа.

Минимальные величины характерны для вод гранитогнейсовых полей Западно-Карельской возвышенности, где создаются наиболее промывные условия. Самые минерализованные и разнообразные по составу воды приурочены к породам Онежской структуры.

Особенности вод Онежской структуры

В отличие от наиболее распространенных на массиве гидрокарбонатно-кальциевых вод в породах структуры преобладают гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-хлоридные натриевые воды. Нередко скважинами вскрываются хлоридно-натриевые воды с минерализацией более 1 г/л.

На участках развития пиритизированных шунгитовых пород в водах возрастает доля сульфатов и магния. В западной части Онежской структуры формируются минеральные железистые («Марциальные воды») уникального SO4-HCO3-Mg-Ca состава. Редкие HCO3-Mg-Ca щелочные воды встречаются в пределах ультраосновного массива.

Солоноватые воды и каменные соли

На Заонежском полуострове известен родник «Соляная яма»  единственный в Карелии естественный очаг разгрузки солоноватых (до 4 г/л) хлоридно-натриевых подземных вод, связанной, по-видимому, с зонами складчаторазрывных дислокаций.

Свидетельством в пользу существования таких вод служит новая информация о разрезе карельских образований Онежской структуры, включающих мощную толщу каменных солей ятулия.

Минерализация вод валдайской серии и палеозоя

Минерализация подземных вод пород валдайской серии и комплексов палеозоя в зависимости от условий залегания горизонтов изменяется от 0,2 г/л до 10-15 г/л. Так, нижнекотлинский горизонт в пределах г. Петрозаводска характеризуется минерализацией 0,2-0,4 г/л, а южнее в Олонецком районе уже не перспективен для водоснабжения (минерализация 2-8 г/л).

Наблюдается резкий переход пресных вод верхнекотлинского горизонта с минерализацией до 0,5 г/л к солоноватым (более 1 г/л) вдоль южной окраины г. Олонца. При эксплуатации верхнекотлинского горизонта происходит подтягивание солоноватых вод и увеличение минерализации в отдельных скважинах выше 1 г/л.

Микрокомпоненты в подземных водах

Содержания микрокомпонентов в подземных водах региона в целом сравнительно низкие. Их концентрации изменяются в широких пределах, но медианные величины только Sr, Ba, Al, Zn, Mn попадают в интервал 10-100 мкг/л, остальных элементов  ниже 10 мкг/л.

В Карелии очень низка доля большинства биологически важных микроэлементов (F, I, Cu, Cr, Zn, Co, Mo, Se, Ni, V), поступающих в организм человека с подземной водой; значительная часть ресурсов подземных вод представлена железосодержащими водами.

Железо и марганец в подземных водах

Концентрации железа в водах региона достигают десятков и даже сотен мг/л; его высокие концентрации наиболее характерны для районов с максимальными мощностями перекрывающих четвертичных отложений или наличием даже локальных водоупоров, что приводит к исчезновению в водах кислорода и установлению низких положительных значений Eh.

Бескислородные и бессульфидные воды являются, как правило, комплексными железо-марганцевыми.

Радиоактивные элементы: уран и радон

Особый интерес представляют радиоактивные элементы в подземных водах региона. Фоновая концентрация урана составляет 0,1 мкг/л, максимальные величины достигают 300 мкг/л. Максимальная концентрация радия установлена в хлориднонатриевых водах.

Одним из наиболее экологически важных показателей является радон. Его содержание в подземных водах Карелии изменяется в широких пределах – от единиц до тысяч Бк/л. Воды с высоким содержанием радона приурочены к системам разломов, контролирующих размещение основной массы радиоактивных пород; в их пределах зафиксированы максимальные концентрации радона в подземной воде.

Превышение радона и радоновые воды

В воде 50% обследованных в регионе скважин и 20% родников активность радона превышает 60 Бк/л. В 11 км к юго-востоку от г. Костомукша разведано Кондокское месторождение лечебных радоновых вод средней концентрации.

Антропогенное загрязнение: нитраты

Среди элементов антропогенного происхождения следует особо выделить нитраты, которые являются прямыми показателями хозяйственно-бытового загрязнения. Содержание нитратов в грунтовых водах часто достигает высоких значений, наблюдается отчетливая пространственная приуроченность нитратного загрязнения подземных вод к заселенным территориям.

Из общего количества опробованных родников и колодцев в поселках и городах только 12% имеют концентрацию нитратов менее 10 мг/л, в 20% – превышают 45 мг/л.