Содержание к диссертации
Введение
1. Методология исследований природной защищенности подземных вод от загрязнения 9
1.1. Анализ методологических подходов решения геоэкологических проблем 9
1.2. Обзор основных методик исследования защищенности подземных вод 15
1.3. Исследования защищенности подземных вод Калининградской области 28
1.4. Взаимосвязь защищенности и устойчивости подземных вод 32
2. Методика изучения природной защищенности московско валдайского водоносного горизонта от загрязнения 39
2.1. Основные рабочие гипотезы и расчетные формулы 40
2.2. Структура данных и визуализация результатов исследования . 53
3. Гидрогеоэкологическая характеристика региона 57
3.1. Общая характеристика водоносных горизонтов, используемых для водоснабжения 57
3.2. Особенности строения гидрогеоэкологической системы верхнего межморенного водоносного горизонта
3.2.1. Особенности строения московско-валдайского водоносного горизонта 68
3.2.2. Характеристика отложений, перекрывающих московско-валдайский водоносный горизонт 76
3.2.3. Характеристика грунтовых вод региона
3.3. Источники загрязнения и состояние подземных вод региона 89
3.4. Медико-экологическое значение подземных вод 118
4. Оценка природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта 128
4.1. Классификация условий защищенности первого от поверхности межморенного водоносного горизонта 128
4.2. Анализ условий защищенности водоносного горизонта 145
4.2.1. Особенности распределения значений приведенной мощности верхнего водоупора 145
4.2.2. Анализ соотношения уровней грунтовых и межпласто вых вод 149
4.3. Оценка защищенности водоносного горизонта 155
4.4. Степень потенциальной опасности загрязнения подземных вод при разработке месторождений полезных ископаемых 161
4.5. Степень потенциальной опасности загрязнения подземных вод на участках складирования твердых бытовых отходов и минеральных удобрений 168
4.6. Возможные мероприятия по охране подземных вод от загрязнения 171
Заключение 177
Список литературы
- Исследования защищенности подземных вод Калининградской области
- Структура данных и визуализация результатов исследования
- Характеристика отложений, перекрывающих московско-валдайский водоносный горизонт
- Анализ соотношения уровней грунтовых и межпласто вых вод
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Подземные воды в Калининградской области широко используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Наибольшее эксплуатационное значение имеют четвертичные межморенные водоносные горизонты (московско-валдайский и окско-днепровский), на долю которых приходится более 63% водоотбора (Карпов, 2005). В то же время высокий уровень промышленной и сельскохозяйственной освоенности территории приводит к загрязнению не только грунтовых, но и напорных межпластовых вод (Инф. бюллетень…, 2006-2010; Рег. инф. бюлл. …, 2009,2010). Геологическая среда во множестве случаев препятствует проникновению загрязняющих веществ с поверхности, что и определяет природную защищенность подземных вод. Под защищенностью подземных вод принято понимать способность верхней части геологической среды к сохранению состояния подземной гидросферы, определяемую, в первую очередь, перекрытостью водоносного горизонта слабопроницаемыми отложениями, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды (Гольдберг, 1984, 1987). Изучение защищенности подземных вод от загрязнения и устойчивости к антропогенному воздействию служит одним из инструментов регулирования отношений между компонентами геоэкосистем, важным звеном в разработке основ рационального использования и охраны водных ресурсов и необходимым элементом геоэкологического анализа региональных проблем. Для поддержания устойчивого равновесия региональной геоэкосистемы и обоснования системы принятия административно-управленческих решений по развитию территории области актуально исследование защищенности от загрязнения верхнего межморенного (московско-валдайского) водоносного горизонта.
Цель работы - изучение защищенности подземных вод московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения, как важного условия геоэкологического равновесия в Калининградской области.
Основные задачи:
анализ методологических подходов исследования защищенности геосистем от загрязнения в контексте геоэкологических проблем региона;
комплексная характеристика гидрогеоэкологической системы верхнего межморенного водоносного горизонта;
выбор методики для оценки природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта;
геоэкологическая оценка защищенности водоносного горизонта от загрязнения в соответствии с выбранной методикой;
выявление территорий с различной степенью защищенности и вероятности проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт.
Объект исследования – гидрогеоэкологическая система верхнего межморенного водоносного горизонта Калининградской области.
Предмет исследования – пространственная дифференциация гидрогеоэкологических условий защищенности московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения.
Материалы и методы. В работе использованы опубликованные и архивные материалы, в том числе отчеты о проведенных в середине 80-х - начале 90-х гг. сотрудниками географического факультета Калининградского государственного университета исследованиях защищенности подземных вод некоторых административных районов области и г. Калининграда. Особое значение имеют фондовые отчеты Калининградской гидрогеологической экспедиции (КГЭ), ОАО «Запводпроект», проектного бюро «Нимб»: описания около 2000 буровых скважин, результаты детальной разведки подземных вод в различных районах области, рабочие проекты разведывательно-эксплуатационных скважин для водоснабжения, строительства, реконструкции и расширения объектов водоснабжения населенных пунктов Калининградской области, информационные бюллетени о состоянии недр на территории Калининградской области, Государственные доклады и бюллетени о санитарно-эпидемиологической обстановке. Для решения поставленных задач привлекались положения из работ И.С. Зекцера (2001, 2007), А.П. Белоусовой (1994, 2001, 2005), А.В. Сидоренко (1970), В.М. Гольдберга (1984, 1986, 1987), Г.Н. Ельциной (1985, 1994), А.П. Хаустова (2007, 2009), А.М. Трофимова (2009) и др. В ходе работы применялись следующие методы исследования: описательный, исторический, сравнительно-географический, картографический, интерполяции, математико-статистический, эколого-географический.
Научная новизна.
Модифицирована методика оценки защищенности подземных вод от загрязнения В.М. Гольдберга (1979, 1984) и Г.Н. Ельциной (1985, 1994, 2005).
Впервые по совокупности литологических и гидродинамических характеристик выявлена пространственная дифференциация устойчивости к загрязнению верхнего межморенного (московско-валдайского) водоносного горизонта.
Определено условное время проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт - от одного года до 200 и более лет, что может быть использовано при определении реальных и прогнозе потенциальных конфликтов водопользования.
Впервые дана количественная оценка и составлена карта природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения. Определено соотношение площадей с различным уровнем защищенности подземных вод от загрязнения: незащищенные - 18%, условно-защищенные - 38%, защищенные - 44%. Выявлены участки возникновения конфликтов водопользования на месторождениях полезных ископаемых, участках складирования твердых бытовых отходов и минеральных удобрений.
Защищаемые положения:
Методика оценки защищенности гидрогеоэкологической системы межморенного водоносного горизонта от загрязнения.
Качественная и количественная оценки защищенности подземных вод, опирающиеся на особенности региональной гидрогеоэкологической системы (литологический состав и мощность водоупоров, наличие грунтовых вод и соотношение уровней напорных и грунтовых вод) и классификация условий защищенности верхнего межморенного водоносного горизонта.
Пространственная дифференциация территории Калининградской области по степени защищенности московско-валдайского водоносного горизонта, определяющая его устойчивость к антропогенному воздействию и величину экологического потенциала (категории защищенности).
Закономерности распределения и количественное соотношение территорий с разной степенью защищенности от загрязнения: участки с незащищенными подземными водами располагаются в зоне развития конечно-моренных и флювиогляциальных отложений, в долинах рек (Преголи, Немана, Лавы и др.), по берегам морей и заливов, часто включая устьевые участки рек – Деймы, Мамоновки, Нельмы, Приморской. Не защищены подземные воды на 18% территории распространения московско-валдайского горизонта.
Апробация работы. Основные положения и выводы изложены в 12 публикациях, в том числе в двух рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Результаты обсуждались на научно-практических семинарах факультета географии и геоэкологии РГУ имени И. Канта (2004-2010); доложены и опубликованы в материалах: 4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)» (Москва, 2004), Международной научной конференции, посвященной 10-летию КГТУ «Инновации в науке и образовании – 2004» (Калининград, 2004), XII съезда Русского географического съезда (Москва, 2005), Международной конференции LXIV Герценовские чтения «География: проблемы науки и образования» (Санкт-Петербург, 2011).
Практическая значимость. Составленная карта защищенности подземных вод от загрязнения может стать основой для административно-управленческой деятельности, в т.ч. планирования работ по развитию территорий. Результаты исследования используются в деятельности Управления по недропользованию по Калининградской области. Они могут найти применение при разработке стратегии эксплуатации и защиты подземных вод в районах с различной природной защищенностью и прогноза изменения качества подземных вод; для обоснования различных водозащитных предприятий и выбора мест для аккумулирования и хранения отходов. Результаты работы также внедрены в учебный процесс факультета географии и геоэкологии БФУ им. И. Канта при чтении курсов «Гидрогеология», «Гидрогеология Калининградской области», «Экологическая гидрогеология», «Охрана и рациональное использование недр».
Теоретическая значимость. Показана возможность полуэмпирического моделирования защищенности гидрогеоэкологических систем от загрязнения. Результаты работы могут стать основой для создания крупномасштабной региональной эволюционной модели состояния подземных вод.
Личный вклад автора заключается в сборе и обработке фактического материала, анализе и обобщении результатов, разработке методики оценки защищенности подземных вод, апробации методики, построении карт. Основные научные выводы и рекомендации принадлежат автору.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю дфмн., проф. В.А. Гриценко, декану факультета географии и геоэкологии БФУ им. И. Канта, дгмн., проф. В.В. Орленку, сотрудникам Института «Запводпроект» Н.А. Полищук, Э.И. Марущак, О.Е. Черемисиновой, Н.Д. Хуршудовой, Л.Н. Московцевой, проектного бюро «Нимб» кгмн. Л.И. Цыгановой, начальнику Отдела мониторинга подземных вод КГЭ Л.С. Поляковой, начальнику Управления недропользования по Калининградской области В.Д. Панову, зам. начальника Управления недропользования Г.В. Малафееву за предоставленные материалы, ценные советы и консультации.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 203 наименований, в том числе 29 зарубежных. Работа изложена на 212 страницах, включает 55 схем и рисунков, 12 таблиц и 7 приложений.
Исследования защищенности подземных вод Калининградской области
Существует предположение, что геологическая среда может обеспечить определенную степень защиты от природного и антропогенного загрязнения. Па этом предположении основана концепция уязвимости подземных вод, впервые сформулированная и опробованная на практике во Франции в конце 60-х - начале 70-х гг. Термин «уязвимость подземных вод по отношению к загрязнению» был введен французским гидрогеологом Ж. Марга в 1968 г. [154], а первая карта уязвимости водоносного горизонта по отношению к загрязнению (масштаб 1: 1000000) была опубликована М. Альбине во Франции в 1970 г. [146]. Несмотря на значительный возраст концепции, единого мнения о том, что же называть уязвимостью подземных вод до сих пор не существует. Часто под уязвимостью понимают «природные свойства системы подземных вод, которые зависят от способности или чувствительности этой системы справляться с природными и антропогенными воздействиями» [158]. Комитет по Технологии для оценки уязвимости подземных вод при Национальном Исследовательском Комитете США определил уязвимость подземных вод как тенденцию или вероятность достижения загрязнителями определенной концентрации в подземных водах после попадания в зону над верхним водоносным горизонтом. Затем Комитет выделил два основных типа уязвимости: специфическая уязвимость (имеется в виду какой-либо загрязнитель или несколько загрязнителей) и присущая уязвимость которая не зависит от свойств и поведения специфических загрязнителей [159].
Термину «уязвимость» по смыслу противоположен термин «защищенность»: чем меньше уязвимость, тем больше защищенность и обратно. Исходя из этого положения, можно сказать, что защищенность подземных вод - это свойство природной системы, позволяющее сохранить на прогнозируемый период состав и ка-чество подземных вод соответствующими требованиям их практического исполь-зования [44]. На настоящий момент большинство развитых стран проводит оценку защищенности в качестве обоснования профилактических мер по защите подземных вод от различных видов загрязнения. Различие в природных условиях, в качс 16 стве и количестве информации, возможности проведения мониторинга состояния подземных вод дало основание для создания большого количества основных и модифицированных методик оценки защищенности. В итоге все методики можно разделить на две большие группы: - методики, дающие качественную оценку территории и картирование защитных свойств или уязвимости подземных вод какого-либо региона без учета характеристик и свойств конкретных загрязнителей и заключающиеся в определении степени влияния различных факторов на уязвимость водоносных горизонтов, что позволяет сравнивать территории по уровню защищенности подземных вод от загрязнения [11, 13, 44]; - методики, дающие количественную оценку и картирование защитных свойств природной системы, основанные на расчете времени проникновения конкретного загрязнителя в водоносный горизонт с учетом природных свойств водо-вмещающих и перекрывающих пород и миграционных свойств загрязнителя.
Современные подходы к оценке и картированию естественной защищенности подземных вод. Первые попытки оценки уязвимости подземных вод были предприняты в конце 60-х гг. Большинство методологий основывается либо на качественном, либо на количественном анализе влияния различных факторов на уязвимость подземных вод. Обычно оценивается степень защиты безнапорных подземных вод или вод верхнего напорного горизонта [11-14, 26, 34-35, 44-46, 87, 89, 141, 150, 190, 193, 203 и др.]. Большая часть исследований посвящена анализу защищенности грунтовых вод. Условия из залегания таковы, что даже точная количественная оценка защищенности и крупномасштабное картирование достаточно просты, поскольку передвижение воды в зоне аэрации происходит в одном направлении - от земной поверхности к уровню грунтовых вод. Защищенность межпла-стовых вод оценивается намного реже. Полная количественная оценка их защищенности в силу сложности математических моделей описывающих процесс продвижения воды или влаги от поверхности через перекрывающие водоносный гори I I
зонт отложения затруднительна и возможна только для точечных объектов [11, 13]. При оценке степени защищенности безнапорных грунтовых вод изучается влияние мощности и литологического состава пород зоны аэрации, а также (в ряде методик) и фильтрационные свойства водоносного горизонта, данные о литологическом составе водовмещающих пород. В процессе оценки защищенности напорных вод по-мимо экранирующих свойств верхнего водоупора оцениваются соотношение уровней напорных и грунтовых вод.
В СССР первые оценки защищенности подземных вод появились в конце 70-х - начале 80-х гг. прошлого века. В.М. Гольдберг является автором одной из самых известных и применяемых в России методик оценки защищенности подземных вод, основанной на балльной оценке влияния различных природных факторов на уязвимость грунтовых вод [26]. Каждому из анализируемых факторов присваивается определенный балл в зависимости от степени его воздействия в конкретных природных условиях. Сумма баллов характеризует определенную категорию защищенности подземных вод: чем больше сумма, тем лучше защищены подземные воды. Подробно методика будет описана в разделе 1.3. Балльной является и методика расчета защищенности грунтовых и напорных вод, предложенная в Методических рекомендациях по составлению эколого-геологических карт, выпущенных ВСЕГИНГЕО (1998) [88]. Методика В.М. Гольдберга имеет множество модификаций, в зависимости от местных гидрогеологических условий и массивов данных. Так, для определения защищенности подземных вод Калининградской области в середине 80-х гг. Г.Н. Ельциной была предложена специальная методика, ориентированная на мощность и литологический состав зоны аэрации [9, 36, 39, 155].
Выбор показателей для оценки защищенности и экологического потенциала подземной гидросферы зависит от состояния изученности региона, поэтому возможны различные адаптации классических методик. Одной из таких адаптации является прием, разработанный И.К. Гавич для Кабардинского артезианского бассейна [124]. Реализация этого подхода состоит из следующих этапов.
Построение карты защищенности зоны аэрации. На карте представлено районирование по следующим таксономическим единицам: область — район — зона. Области выделены по мощности зоны аэрации: I 5 м, II - 5-10 м, III 10 м. Районы выделены по условиям залегания водоупора в подошве исследуемого горизонта: 1 - водоупор развит, 2- водоупор отсутствует. В последнем случае образуется гидрогеологическое окно, и возникают предпосылки проникновения загрязнителей в нижележащий водоносный горизонт. Зоны выделены по преобладающему литологическому составу пород: песчаный, суглинистый, глинистый.
Анализ территории по степени защищенности зоны аэрации с применение системы балльных оценок используемых факторов.
Оценка категории защищенности зоны аэрации и картографирование территории. Проводится на основе матрицы экспертной оценки. Выделяются по количеству баллов категории незащищенных, слабозащищенных и защищенных грунтовых вод. Картографирование защищенности зоны аэрации дает возможность оконтуривать наиболее уязвимые площади возможных проникновений загрязнителей, рассчитать время их возможного проникновения, вывести эти участки из хозяйственного оборота в целях реабилитации качества подземных вод, организовать сеть мониторинга за состоянием подземных вод и вмещающих отложений [124].
Авторы некоторых методик учитывают также сорбционные свойства пород зоны аэрации и водоносных пород изучаемого водоносного горизонта. Так, К.Е. Питьева (1984, 1999) определяет категории защищенности подземных вод, используя специальную схему, учитывающую способность пород удалять физико-химические загрязнители из подземных вод в результате адсорбции, ионного обмена, осаждения и разложения органического вещества кислородом и микроорганизмами. Автор выделяет восемь категорий защищенности, включающие характеристики состава, водопроницаемости и мощности пород зоны аэрации. Кроме того, К.Е. Питьева предлагает ввести понятие «геохимическая защищенность подземных вод от загрязнения», под которой понимаются физико-химические процессы, на-правленные на удаление компонентов загрязнителей из источников загрязнения и подземных вод [107, 108]. По сути это совокупность процессов сорбции, а не только возможность достижения загрязнителями потоков подземных вод.
Структура данных и визуализация результатов исследования
Примеры расчетов значения приведенной мощности верхнего водоупора. Значения приведенной мощности менее 10 метров могут быть присущи территориям с незначительной мощностью слабопроницаемых перекрывающих отложений. Примером данной ситуации может служить скв. 1117 (пос. Лазовское) (рисунок 3). Перекрывают московско-валдайский водоносный горизонт суглинки средние валунные мощностью 7 метров. Происхождение суглинков моренное. Средние суглинки характеризуются значениями к около 10" м/сутки, однако с некоторых случаях они могут быть практически не фильтрующими или иметь к-10"1 м/сут. Таким образом, суглинки относятся к литологической группе «в». Значение приведенной мощности, рассчитанное по формуле 2.5, составит: Мс =0,5 7 м=3,5 м.
Небольшие значения Мс" могут быть получены для разрезов, где водоносный горизонт перекрыт более значительными по мощности, но более проницаемыми отложениями, например, если перекрывающие отложения сложены илистыми супесями, как в скв. П-33227 (г. Светлый) (рисунок 4). Супеси илистые имеют к в диапазоне от 10" до 1 м/сут, при наиболее характерном значении -10" м/сут. Супеси можно отнести к литологической группе «а», их мощность составляет 10 м, тогда Мсл=0,1 10 м=1 м. Происхождение супесей озерно-морское. В целом значения Мс" характерны для территорий, где валдайские отложения представлены одной мореной, как1 правило более поздней по возрасту (скв. 1117, пос. Лазовское), или где моренные или озерно-ледниковые отложения претерпели сильное эрозионное воздействие талых ледниковых, речных или морских вод, вплоть до полного их уничтожения (скв. П-33227, г. Светлый) и замены на голоценовые образования [93, 97, 98, 175].
В некоторых случаях московско-валдайский горизонт перекрывается только хорошо фильтрующими отложениями (песками, глинистыми песками, супесями морского, аллювиального, флговиогляциального происхождения) или вовсе не имеет перекрывающих отложений (рисунок 5). В этих случаях формируются гидрогеологические окна, горизонт теряет напор. Значение приведенной мощности может быть близким или равным 0, например, в районе скв. 1448, пос. Суворовка (Мсл=:0).
Значения Мсл в диапазоне 10-20 метров присущи территориям, где московско-валдайский горизонт перекрыт относительно мощными глинистыми водоупорами. Это области распространения отложений донной морены, озерно-ледниковых отложений. Примерами могут служить разрезы скв. 645 (пос. Светлое) и скв. 911 (пос. Дальнее) (рисунок 6). В скв. 645 водоносный горизонт перекрыт 13-метровым водоупором, состоящим из тяжелых валунных глин, относящихся к группе пород «с» (рисунок 6а). Коэффициент фильтрации тяжелых глин имеет значения менее 10 2, вплоть до обозначения как нефильтрующие. В общем можно принять к менее 10 м/сутки. Значение Мс" составит 13 м. В скв. 911 (пос. Дальнее) московско-валдайский горизонт перекрыт 32 метрами средних суглинков, относящихся к ли-тологической группе «в» (к=10" - 10" м/сутки): Мс"=0,5 32=16 м (рисунок 66).
Значительные величины Мсл (и высокий уровень защищенности подземных вод) характерны районам распространения конечно-моренных отложений, отложений основной морены, накапливавшимся в понижениях дочетвертичного рельефа. Водоупорные отложения могут быть очень мощными, монолитными, выдержанными по площади распространения, сложенными слабо- или практически нефильт-рующими породами. Так, в разрезе скв. 2237 (пос. Знаменка) водоупорный горизонт образован валунными глинами мощностью 46 м (рисунок 7а). Глины имеют к 10" м/сут, могут быть отнесены к группе «с», следовательно значение Мс,=46 м.
Присутствие в разрезе перекрывающих отложений пород, обладающих лучшей фильтрацией уменьшает значение приведенной мощности. Например, в скважине 631 (пос. Ломово) водоносный горизонт перекрывают породы общей мощностью 40 метров, 30 из них представлены глинами (группа «с», к 10"3 м/сут и менее) и 10 супесями (группа «а», к 10" м/сут) (рисунок 76). Суммарное значение Мс" составит: 0,1 10 м + 30 м = 31 м. Наглядно различие в величинах мощности перекрывающих водоносный горизонт отложений и приведенной мощности будет представлено на соответствующих картах.
Поскольку природная защищенность имеет многокомпонентный характер, необходимо произвести сравнительный анализ уровней грунтовых вод и вод московско-валдайского водоносного горизонта. При более низком уровне напорных вод по сравнению с уровнем грунтовых вод будет наблюдаться интенсификация проникновения ЗВ в водоносный горизонт, срок проникновения загрязняющих веществ будет сокращаться, т.е. степень защищенности подземных вод — уменьшаться. В противоположном случае напор межпластовых вод будет «выталкивать» загрязненные грунтовые воды и способствовать лучшей защищенности [44, 89, 142].
Характеристика отложений, перекрывающих московско-валдайский водоносный горизонт
Под водоносным горизонтом принято понимать относительно выдержанную по площади и в разрезе насыщенную свободной гравитационной водой одно- или разновозрастную толщу горных пород, представляющую собой в гидродинамическом отношении единое целое [70]. Водоносный горизонт может быть представлен как одним, так и несколькими слоями водонасыщенных пород, отличающихся или сходных по геологическому возрасту, литологическим особенностям и фильтрационным свойствам. Как следует из определения, водоносный горизонт не обязательно должен быть связан с какой-либо определенной возрастной единицей стратиграфической шкалы. Однако каждый водоносный горизонт в гидродинамическом отношении представляет единое целое и имеет свободную или пьезометрическую поверхность. Это не исключает на отдельных участках возможности гидравлической связи между смежными водоносными горизонтами [70].
Несмотря на то, что в конце 90-х гг. прошлого века была разработана местная стратиграфическая схема (см. приложение Б), среди специалистов, изучающих подземные воды Калининградской области, верхний межморенный водоносный горизонт именуется как московско-валдайский (ранее среднерусско-валдайский). Данное наименование характеризует положение горизонта в вертикальном разрезе четвертичных отложений. Водоносный горизонт в большинстве случаев залегает на водоупорных моренных отложениях московского возраста, перекрывается водоупорными валдайскими отложениями. В водоносный горизонт включаются водо-вмещающие надморенные флювиогляциальные и лимногляциальные отложения московского возраста, микулинские межледниковые отложения и, возможно, флювиогляциальные и лимногляциальные отложения подпорожского возраста (приложение Б).
С системных позиций верхний (московско-валдайский) межморенный гори-зонт можно рассматривать как эколого-гидрогеологическую систему (гидрогеоэкологическую систему, природно-техническую гидрогеологическую систему) (рисунок 12). Понятие «система» должно быть сформулировано применительно к решению конкретной задачи, поскольку на этом определении строится методология ее моделирования. Системная модель обладает следующими признаками:
1. Каждый объект характеризуется бесконечным числом дискретных характеристик, взаимодействующих между собой. Системная модель формируется исследователем, который имеет дело не с естественными обьеісгами как таковыми, а с моделями, которые лишь по каким-либо параметрам соответствуют этому объекту.
2. Все свойства изучаемого объекта равноценны, в связи с этим познавательная функция системной модели зависит от целевой установки исследования.
3. Системная модель структурирована и состоит из совокупности элементов разного ранга, при этом процессы самоорганизации вещества, моделируемые на определенном уровне, взаимосвязаны между собой и представляют сложную интерференционную систему.
4. При изучении системной модели в качестве определяющего принципа выступает требование целостности. Целостные системы представляют собой динамические системы с обратными связями между элементами. Целосіность системной модели проявляется в возникновении нового интегрального качества так называемых эмерджентных (внезапно возникающих) свойств на каждом уровне организации вещества (Хаин, Рябухин, 1997).
В состав гидрогеоэкологической системы входит целостная совокупность гидрогеологических элементов (тел), образующих водоносный горизонт, определенным образом взаимодействующих между собой и с внешней по отношению к ним окружающей средой. Такими элементами для межморенного горизонта являются верхний и нижний водоупорные горизонты, напорный водоносный горизонт и горизонт грунтовых вод (представленный спорадически) (рисунок 12). Данная система находится под активным влиянием техногенных процессов, приводящих к существенному изменению природных объектов, выражающемуся в загрязнении или истощении подземных вод, или к появлению инженерных сооружений (рисунок 12). По сути, в состав гидрогеоэкологической системы, кроме гидрогеологической, входит и техногенная подсистема. Особенное значение в составе гидрогеоэкологической системы имеет некоторая совокупность внешних природных условий, выражающихся в особенностях ландшафта, климата, формирующегося на территории распространения водоносного горизонта, поверхностных вод, образующих с подземными звенья единого процесса водообмена. Подсистему, образуемую данными компонентами А.П. Белоусова (2006) называет ландшафтно-климатической.
Гидрогеоэкологическая система обладает множеством связей, формирующих целостное образование (рисунок 12). Она направленно развивается под действием природных и техногенных изменений, преобразуется сама и меняет определенным образом окружающую среду. Так прямое, техногенное воздействие на системы, выражающееся в загрязнении подземных вод ведет к обратным реакциям в социальной системе (в первую очередь, здоровье населения). Увеличение отбора вод на береговых водозаборах в качестве обратной связи выразится в усилении процесса проникновения соленых морских вод в водозабор. Процесс проникновения соленых некондиционных морских вод в горизонт может быть усложнен процессом сброса в морской бассейн с подземными водами загрязняющих веществ и т.п.
Анализ соотношения уровней грунтовых и межпласто вых вод
В районах «гидрогеологических окон» возможна непосредственная фильтрация загрязненных вод в водоносный горизонт. Срок проникновения загрязняющих веществ может составить от нескольких дней до нескольких месяцев. Площадь территории, для которой рассчитан срок проникновения загрязняющих веществ менее одного года, составляет всего 0,05% площади распространения исследуемого горизонта (4,4 км ). Наибольшую опасность представляют участки площадью около 60 км2 (0,64% площади распространения горизонта) с определенным сроком проникновения загрязняющих веществ до 5 лет: гг. Светлый, Светлогорск, Черня-ховск, пос. Приморск, Прибрежный, Нивенское, Переславское, Озерки (рисунок 51). Однако, быстрые темпы миграции с поверхности позволяют восполнять запасы подземных вод и организовывать на этих территориях водозаборы, снабжающие питьевой водой многотысячные населенные пункты, поэтому выделенные районы должны находится под постоянным наблюдением ученых.
Важным показателем защищенности напорных вод является соотношение уровней напорных и вышележащих грунтовых вод. Если уровни напорных вод значительно выше уровней грунтовых вод, то при наличии выдержанного по площади и достаточно мощного водоупора, обеспечивающего сохранение этого перепада уровней, рассматриваемая площадь может считаться защищенной с высокой степенью вероятности для любых видов загрязняющих веществ. Действительно, независимо от того, стойкими или нестойкими являются загрязняющие вещества, их проникновение из грунтовых вод в горизонт напорных вод при указанных выше гидродинамических условиях невозможно. Если же уровни напорных вод близки к уровням грунтовых вод или меньше их, то в этом случае возможно вертикальное движение загрязняющих веществ из горизонта грунтовых вод в горизонт напорных вод. Скорость, а, следовательно, и время вертикального перетока будут зависеть от величины направленного вниз вертикального градиента, мощности и проницаемости водоупора [44, 89, 142].
Уровни безнапорных грунтовых вод Калининградской области расположены на глубине в пределах первых метров от поверхности Земли. Более глубокое залегание уровня грунтовых вод возможно лишь для вод эоловых отложений и вод отложений донной морены. Московско-валдайский межморенный водоносный горизонт характеризуется слабым напором, а в местах питания горизонта и его отсутствием. Пьезометрические уровни московско-валдайского горизонта в сглаженном виде повторяют рельеф местности, имея наибольшие абс. отметки на возвышенно 1 , і стях (до 140-160 м). Глубина нахождения пьезометрического уровня может составлять в среднем от -30 до первых метров от поверхности земли (рисунки 14-16). В редких случаях возможен самоизлив скважин (рисунок 16).
Незначительная величина напора московско-валдайского водоносного горизонта и неглубокое расположение уровней грунтовых вод делают соотношение их уровней таковым, что зачастую будет наблюдаться перелив безнапорных вод в слабонапорный. В результате анализа уровней подземных вод (приложение Е), была составлена схема, представленная на рисунке 52. Как показано на рисунке 52 практически повсеместно будет развито вертикальное движение грунтовых вод в московско-валдайский водоносный горизонт. В тех районах, где на схеме показано превосходство уровня напорных вод московско-валдайского горизонта над уровнем грунтовых безнапорных, величина доминирования как правило составляет от 0,5 (скв. 37, Приморская низменность) до 7 м (скв. 669, Самбийское моренное плато). Данное соотношение в условиях активной эксплуатации московско-валдайского горизонта означает потенциальную возможность загрязнения напорного горизонта за счет перетока грунтовых вод. Отбор вод московско-валдайского горизонта вызовет понижение пьезометрического уровня, а как следствие спровоцирует процесс вертикального перемещения грунтовых вод. Повсеместно на участ-ках интенсивной и продолжительной эксплуатации подземных вод образуются де-прессионные воронки с глубиной понижения уровня от нескольких до 20 и более метров (рисунок 9) [59]. В ряде случаев на качество воды грунтовых и межпласто-вых вод может негативно повлиять паводок или половодье. Специалистами Кали 152 нинградского управления Роспотребнадзора отмечается ухудшение их качества, в особенности по микробиологическим и органолептическим показателям [164-168]. Резкое увеличение питания грунтовых вод за счет большого количества выпавших атмосферных осадков, быстрого снеготаяния, происходящее как напрямую, так и опосредованно, через связь с речными водами, приводит к значительному повышению уровня грунтовых вод. При близком расположении уровней грунтовых и меж-пластовых вод результирующее соотношение уровней в половодье или паводок может оказаться не в пользу межпластовых вод. Наличие активной связи напорных и грунтовых вод подтверждают сведения собранные Отрядом мониторинга подземных вод по Калининградской области [177-178].
Грунтовые воды четвертичных отложений. Среднегодовой уровень грунтовых вод в 2008 г. отмечался на глубине 0,2-3,9 м от поверхности. Годовая амплитуда изменения уровней грунтовых вод составила 0,3-1,6 м и преимущественно увеличилась в сравнении с прошлым годом на 0,1-1,0 м. Изменение запасов грунтовых вод было неоднозначным. Преимущественно происходило накопление запасов, уровни на конец 2008 года были выше, чем на его начало на 0,1-0,8 м, в ряде пунктов отмечалось расходование запасов грунтовых вод четвертичных отложении. На рисунке 53. 74 приведены многолетние графики изменения среднегодового уровня подземных вод в грунтовых и напорных водах Калининградской области по наиболее представительным скважинам. В многолетнем разрезе уровни грунтовых вод четвертичных отложений занимали самое низкое положение в 1972 г., наиболее высокое - в 1981 г. и в 1990 г. Далее происходил спад уровней, осложненный непродолжительными подъемами. В 2003 г. спад уровней завершился и сейчас отмечается его подъем [177]. Среднегодовой уровень грунтовых вод в 2009 г. отмечался на глубине 0,4-3,4 м от поверхности земли, был близок к значениям прошлого года с отклонением ±0,25 м и преимущественно выше своих среднемноголетних показателей на 0,1-0,8 метра [178].
Напорные воды межморенных водоносных горизонтов. Режим напорных вод четвертичных отложений, также как и грунтовых, связан с режимом поверхностных водотоков и метеорологическими факторами, влияние которых ослабевает с увеличением глубины залегания водоносного горизонта. Среднегодовые уровни подземных вод 2008 г. были близки либо выше показателей предыдущего года на 0,4-0,8 м [177]. Среднегодовые уровни подземных вод 2009 г. зафиксированы на глубинах были близки к показателям предыдущего года с отклонением ±0,3 м [178]. На рисунке 53 представлен график по скв. 17849016, характеризующей изменение среднегодового уровня верхнего межморенного горизонта.
