Введение к работе
Актуальность исследований. Вертикальная гидрогеодинамическая зональность подземных вод, впервые обоснованная академиком В.И.Вернадским (1933 – 1936 г.г.), относится к основным закономерностям существования подземных вод и имеет глобальный характер. Несмотря на многочисленные классификации этой зональности, автор отдает предпочтение предложениям проф. Игнатовича И.К. (1948 г.) о существовании зон: активного водообмена, затрудненной циркуляции и застойного водного режима подземных вод. Зона активного водообмена - это верхняя часть гидрогеологического разреза, включающая грунтовые воды и горизонты межпластовых вод, участвующих в водообмене с атмосферой и поверхностными водами. В структурном отношении она является составной частью зоны гипергенеза.
Современные представления о зоне активного водоообмена недостаточно ясны (Куренной В.В., 2010 г.). Всеволожский В.А. (2009 г.) отмечает, что методы определения границ этой зоны еще не- совершенны. Количество обобщенных работ по теме небольшое, хотя значение подземных вод этой зоны огромное. Практически в этой зоне сконцентрированы основные запасы и ресурсы хозяйственно-питьевых подземных вод, в ней имеют место миграция, концентрирование и преобразование химического вещества, процессы термо-газообмена и возобновляемости естественных ресурсов подземных вод. В свою очередь гидрогеохимия зоны активного водообмена в целом и, в частности юго-запада Причерноморского артезианского бассейна, изучена недостаточно.
Актуальность работы в теоретическом отношении: 1) имеет непосредственное отношение к изучению фундаментальной проблемы формирования подземных вод в зоне активного водообмена с неравновесными термодинамическими условиями и низкими температурами воды; 2) прирост новых знаний для научного направления, связанного с гидрогеохимией зоны гипергенеза.
Актуальность исследований в практическом отношении: 1) развитие экономики и существование социальной среды исследуемой территории функционально связаны с использованием подземных вод. В этой связи полученные результаты позволяют целенаправленно, системно и обоснованно эксплуатировать ресурсы зоны активного водообмена, которая по сути и является главным резервуаром кондиционной подземной воды; 2) результаты исследований используются (и будут применены) в различных составляющих инженерной гидрогеологии и геоэкологии (моделирование подземного стока в нарушенных условиях, разработка сценариев изменения в системе «климат – подземные воды», картографирование качества воды и гидродинамических параметров в техногенных условиях и др.).
Цель исследований: Разработка теоретических и методологических основ изучения, анализа, оценки состояния и использования подземных вод зоны активного водообмена на примере юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (включая репрезентативную территорию Республики Молдова).
Задачи исследования:
1.Изучить и выделить основные природные и техногенные условия, влияющие на формирование вертикальной гидродинамической зональности и на гидрогеохимию юго-запада Причерноморского артезианского бассейна.
2.Разработка и обоснование комплекса методов пространственного (3D) оконтуривания зоны активного водообмена подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна с учетом их перспективного применения для других территорий с аналогичными гидрогеологическими условиями.
3.Теоретическое обоснование и разработка методических принципов оценки и определения верхней и нижней границ зоны активного водообмена.
4.Разработка методологического подхода к районированию подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна по условиям вертикальной гидродинамической взаимосвязи водоносных горизонтов.
5.Выявить и количественно проанализировать закономерности формирования гидрогеохимии грунтовых и межпластовых вод как самостоятельные геоэкологические системы в пределах зоны активного водообмена.
6. Апробация основных положений, закономерностей формирования качества и существования хозяйственно-питьевых вод зоны активного водообмена под влиянием репрезентативных техногенных факторов на конкретных обьектах.
Исходные материалы. Цель и задачи исследований реализованы на основе объемного фактического материала, который был собран, систематизирован, обработан лично автором или при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя. Диссертационная работа обобщает результаты автора более чем двадцатилетнего периода изучения гидрогеохимии зоны активного водообмена. Исследования были выполнены в рамках хоздоговорных и госбюджетных тематик (по заданиям Академии Наук Молдовы), международных проектов Всемирного банка, ТАСИС (1995 - 1996 гг. и 1999 -2000 гг. - с голландскими геологами, 2001 г. - с ирландскими гидрогеологами). Частично обработка данных была осуществлена в различные периоды времени в двух университетах США (г. Мемфис, 2003 – 2005 гг. и г. Жонесборо, 2006 – 2007 гг.), в одном университете Германии (г. Карлсруе, 2005 г.). Работа закончена в рамках государственной программы Академии Наук Молдовы «Научные исследования и управление качеством воды» (руководитель акад. Дука Г.Н.) в лаборатории гидрогеологии и инженерной геологии Института геологии и сейсмологии.
Кроме личных данных, в работе использованы официально опубликованные материалы и архивные неопубликованные сведения Государственного агентства по геологии Молдовы. Во всех случаях автор приводит ссылки на источник использованной информации.
Методика исследований комплексная и состоит из следующих базовых составляющих:
1) экспедиционные исследования - полевые работы для получения в основном проб подземной воды, горных пород, измерения гидрогеологических, гидрогеохимических параметров и в ряде случаев - сбора экологической, метеорологической, технической и др. информации на территории Республики Молдова и иногда в пределах междуречья Прут – Днестр, а также территорий Украины и Румынии. Во время этих работ был применен единый подход к топографической привязке, отбору проб, их обработке и анализу, что позволило в конечном счете провести сопоставление результатов.
2) аналитические работы включают лабораторные и полевые (экспресс) определения химических элементов и физико-химических параметров. В лабораторных условиях определены макро- и микроэлементы (лаборатория атомной спектроскопии Института химии АН Молдовы), гелий (прибор ИНГЕМ-1, оператор – автор диссертации). Электрическая проводимость воды, величина pH, содержание О2 и температура воды определены в полевых условиях при помощи портативной лаборатории MultiLine F/Set (фирма WTW, Германия). Также в поле для выявления пределов содержания нитратов, нитритов, аммония, сульфатов, железа, общей жесткости, хлора и мышьяка использовались индикаторы фирмы Merck (Германия). Иногда непосредственно в полевых условиях проверялись аномалии содержания гелия. Данные о содержании трития в природных водах и температуре воды глубоких скважин позаимствованы из архивных материалов лаборатории гидрогеологии и инженерной геологии Института геологии и сейсмологии АН Молдовы.
Количество собственных химических анализов (элементоопределений) составляет около 2500 для подземных вод, более 3000 определений гелия в воде и природных газовых скоплениях. также Собраны и обобщены также геолого-гидрогеологические данные по более 1000 скважинам (стратиграфия, уровни воды, дебит и др.).
3) обработка данных проведена с использованием современных количественных методов обработки геологической информации, приемов физико-химического моделирования и картографирования. Были использованы пакеты компьютерных программ Microsoft 2003-07, SPSS10-14, AquaChem 4.0, Surfer 7.0-8.0-9.0-11.0, ModFlow (PMWin 4.1, Visual ModFlow), RockWorks 14.0, CorelDraw 12.0 и GWW.
Защищаемые положения:
1. Предлагается комплекс методов оценки и распространения зоны активного водообмена в условиях неопределенности гидрогеологической параметризации. В зависимости от степени гидрогеологической изученности обоснована следующая последовательность методов: (а) гидрогеологическая стратификация, (б) гидрогеохимический, (в) гидрогеотермический, (г) тритиевые исследования и (д) гелиевые исследования. Предложенные методы, при определенных допущениях, могут использоваться для аналогичных артезианских бассейнов платформенных областей.
2. Закономерности формирования и существования вертикальных границ зоны активного водообмена выявлены и обоснованы лабораторными и численными экспериментами, а также полевыми данными. В зоне аэрации (верхняя граница) миграция химических элементов является преимущественно квазиконечной или соответствует свойствам временных прерывистых конечных функций. Условия границы нижней части зоны активного водообмена определяются гидродинамическим влиянием разрывной тектоники. Здесь существуют геофильтрационные потоки, которые имеют восходящий пульсационный характер, сложный химический состав, вариабельность температуры воды и содержания гелия.
3. В пределах зоны активного водообмена грунтовые и межпластовые воды существуют как самостоятельные геоэкологические системы. При этом химический состав грунтовых вод преимущественно определяется влиянием верхней границы зоны и техногенными факторами. Геохимия межпластовых вод формируется в основном под влиянием природных факторов и нижней границы зоны активного водообмена; селективно и только в определенных гидрогеологических условий проявляется влияние верхней границы.
4. Методологические подходы к комплексной эколого-гидрогеохимической оценке территорий со сложным характером антропогенного воздействия на зону активного водообмена (на примере репрезентативных техногенных обьектов).
Научная новизна работы:
1. Впервые обоснована и разработана методология пространственного выделения и параметризации зоны активного водообмена подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна и проанализирована возможность использования данной методологии для аналогичных платформенных областей.
2. Разработан принципиально новый подход к оценке миграции неорганических загрязнителей, основанный на понятии о квазиконечной миграции загрязнителя за определенный период времени в пределах зоны аэрации (верхняя граница).
3. Вследствие анализа закономерностей распределения поля гелия обосновано и доказано существование разнообразных по химическому составу пульсирующих восходящих потоков подземных вод в основании зоны активного водообмена (нижняя граница).
4. В результате комплексных исследований выявлена роль граничных условий для процесса формирования химического состава подземных вод зоны активного водообмена для региона.
5. Впервые составлена картографическая модель взаимосвязи водоносных горизонтов юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (на примере территории Молдовы). Новизной также является применение коэффициента контрастности поля гелия (предложенного автором) в качестве количественного показателя гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов.
6. На основе причинно-следственных связей, с использованием приемов математической статистики и компьютерного моделирования исследовано формирование геохимии подземных вод зоны активного водообмена в репрезентативных техногенных условиях: применения пестицидов в сельском хозяйстве, мелиорации земель, влияния животноводческих комплексов, урбанизированных территорий и военного аэропорта.
Практическая значимость исследований и реализация результатов. В теоретическом плане результаты исследований позволяют: с новых позиций обосновать и оптимизировать эксплуатацию подземных водных ресурсов зоны активного водообмена региона; по-новому оценить и выделить преобладающие геохимические процессы формирования качества подземных вод; количественно моделировать эколого-гидрогеохимическое состояние водоносных горизонтов.
В практическом аспекте результаты исследований вошли в отчеты по госбюджетным, хоздоговорным и международным темам научно-исследовательских работ. Среди них наиболее значимыми являются проекты: Всемирного банка (1995 г.), Европейского сообщества ТАСИС (2000 г.), подготовки гидрогеологической карты Европы, лист Е-5 (Бухарест, 2003 г.), а также гранты: Фулбрайт (США, 2003 - 2004 г.г.), ДААД (Германия, 2004 г.), Арканзасского университета (США, 2006 - 2007 г.г.), Молдова – Россия (2008 - 2009 г.г.), Государственных программ Молдовы (2009 - 2010, 2011, 2012 гг.). Главные результаты исследований опубликованы в различных официально зарегистрированных научных изданиях.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научных конференциях и совещаниях, и среди них наиболее важными являются следующие: молдавские республиканские (1982, 1983, 1984, 1985, 1986, 1988, 1989, 1992, 1995, 1998, 2003, 2005); Всесоюзный симпозиум «Изотопы в гидросфере» (Каменец-Подольский, 1985); Всесоюзная конференция «Теория и практика геохимических исследований в современных условиях» (Ужгород, 1988); Первое Всесоюзное совещание инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); Украинская первая республиканская научная и практическая конференция (Киев, 1989); Пятая экологическая конференция (Румыния, Клуж-Напока, 1992); 18-й конгресс Румынской - Американской академии (Кишинев, 1993); 3-я международная научно-практическая конференция «Вода Молдавии» (1998); Вторая международная конференция по экологической химии (Кишинев, 2002); Третья международная конференция по экологической химии (Кишинев, 2005); Совещание НАТО «Прогноз, внимание и риск: подготовка к неожиданному» (Кишинев, 2005); Конгресс геологического общества Америки (Сан-Франциско, 2008); Международная конференция по геоэкологии и биологическим проблемам (Тирасполь, 2009, 2012); Международная конференция «Вода: история, ресурсы, перспективы» (Кишинев, 2010); Пятая международная конференция по экологической химии (Кишинев, 2012); Всеросийская научно-практическая конференция «Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии» (Грозный, 2013).
Личный вклад автора заключается в разработке системы методов исследования гидрогеохимии зоны активного водообмена, стратегии сбора данных и их конечной обработки. Приведенные в диссертации полевые материалы, результаты теоретических и прикладных исследований получены автором, либо при его непосредственном участии и руководстве. Ему принадлежит формулировка целей и задач исследования, определение путей их решения, обобщение результатов и концепция развития научных, экспериментальных и полевых работ. Результаты исследований, проведенных в соавторстве с другими исполнителями, включены в диссертацию только при наличии совместных публикаций или научных отчетов.
Публикации. Автором опубликовано около 120 научных работ; основное содержание диссертации отражено в 72 публикациях, включая 4 коллективные и 1 монографии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка использованной литературы из 242 цитируемых источников. Работа иллюстрирована 132 рисунками, 99 таблицами, содержит 406 страниц текста.
