Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и геоэкологической изученности территории 11
1.1. Современные представления о геологической среде 11
1.2. Геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая изученность 14
1.3. Геоэкологическая изученность 24
1.4. Эколого-геологические проблемы 25
Глава 2. Основные сведения о районе исследований 29
2.1. Местоположение 29
2.2. Общая характеристика инфраструктуры Волгодонского промышленного узла 29
2.3. Климат 30
2.4. Орогидрография 33
2.5. Геоморфология 36
2.6. Геологическое строение 41
2.6.1. Геоструктурные особенности 41
2.6.2. Литолого-стратиграфическая характеристика 44
2.7. Гидрогеологические условия 53
2.8. Природные и техноприродные геологические процессы территории 71
Глава 3. Изменение гидрогеологических условий г. Волгодонска под влиянием техногенеза 75
3.1. Геоморфологические условия территории города и литолого-стратиграфическая характеристика лёссовых пород, слагающих его геологическую среду 75
3.2. Воздействие техногенного фактора на формирование и химический состав горизонта грунтовых вод 78
3.3. Динамика изменения агрессивности грунтовых вод 93
Глава 4. Изменение инженерно-геологических условий на территории г. Волгодонска при техногенном подтоплении 99
4.1. Инженерно-геологическая характеристика лёссовой толщи до строительного освоения территории 99
4.2. Оценка устойчивости компонентов лёссовой геологической среды к техногенным воздействиям 105
Глава 5. Природно-техногенные процессы загрязнения компонентов лёссовой геологической среды на территории Волгодонского промышленного узла 122
5.1. Природно-техногенные процессы загрязнения почвенного покрова территории 123
5.1.1. Почвенный покров и ландшафты территории 123
5.1.2. Загрязнение почв тяжёлыми металлами 129
5.2. Природно-техногенное загрязнение зоны аэрации и грунтовых вод 137
5.2.1. Засоление пород зоны аэрации 137
5.2.2. Динамика загрязнения техногенными компонентами зоны аэрации и грунтовых вод вне пределов г. Волгодонска 148
Заключение 158
Список использованной литературы 161
- Геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая изученность
- Литолого-стратиграфическая характеристика
- Воздействие техногенного фактора на формирование и химический состав горизонта грунтовых вод
- Инженерно-геологическая характеристика лёссовой толщи до строительного освоения территории
Введение к работе
Актуальность темы. Специфические свойства лёссовых пород, такие как просадочность, анизотропия фильтрационных свойств, в условиях техно-генеза приводят к негативным экологическим последствиям, обусловленным обводнением лёссовой толщи при подъёме уровня грунтовых вод. Однако проблемы оценки и прогнозирования экологических последствий, обусловленных этими факторами при промышленном освоении территорий, ещё недостаточно изучены.
Природная среда в пределах населённых пунктов испытывает мощное техногенное воздействие. При этом относительно устойчивый компонент природной среды - геологическая среда - подвержен существенным изменениям, теряет способность к самовосстановлению и требует очень больших капиталовложений на реабилитацию её состояния. Кризисное состояние экологического качества геологической среды, сложенной лёссовыми грунтами, в большинстве крупных населённых пунктов Ростовской области и юга России играет существенную роль в балансе экологического состояния природной среды в целом. Наибольшее распространение получили такие негативные последствия, как подъём уровня грунтовых вод и широкомасштабное техногенное подтопление территорий подземными водами; снижение показателей деформационных и прочностных свойств грунтов, приводящих к деформации зданий, сооружений и коммуникаций; интенсивное загрязнение почв, подстилающих их горных пород и подземных вод.
Анализируя значение экологической составляющей в существующей технологии проектно-изыскательских работ, принятой в Российской Федерации с 1997 года (СНиП 11-02-96; СП 11-102-97), А.Л. Ревзон, АЛ. Камышев (2001) отмечают, что исследования состояния природно-технической системы (ПТС) - совокупность состояний взаимодействия инженерных сооружений и компонентов природной среды - осуществляют на всех стадиях
и этапах создания и функционирования сооружения, начиная от стадий предпроектных разработок до его строительства и эксплуатации, чего ранее, то есть до 1997 года, не осуществляли. Именно с этим и были связаны многие ошибки в размещении и проектировании ряда крупных инженерных сооружений, которые в совокупности с неправильной эксплуатацией застроенных территорий приводили к изменению гидрогеологических и инженерно-геологических условий. Одна из причин этого - отсутствие или недостаток оценочной информации.
Представленная диссертационная работа основана на эколого-геологическом подходе к изучению функционирования ПТС и предлагает прогнозно-оценочные приёмы, которые позволяют определить устойчивость ПТС как раз на стадии строительства, эксплуатации и, при необходимости, реконструкции сооружений.
Цель работы. Оценка эколого-геологических условий лёссовых территорий и их изменений при промышленном освоении на примере г. Волгодонска и Волгодонского промышленного узла.
Основные задачи исследований:
- изучение в пределах зоны техногенеза геологического строения и литоге
неза лёссовых отложений, возникающих в них природных геологических
и техногенных процессов и явлений;
- изучение проблемы загрязнения геологической части природной среды,
. возникающего на территории в различных её функциональных зонах: жи
лой, промышленной, сельскохозяйственной и др.; выявление источников
» загрязнения геологической среды;
- оценка динамики изменения химического состава и минерализации грун
товых вод в связи с изменением их уровня и температуры и прогноз раз
вития таких негативных явлений, как засоление пород зоны аэрации, аг-
рессивность среды, а также их влияние в целом на экологическую обстановку в районе.
оценка устойчивости компонентов лёссовой геологической среды к техногенным воздействиям;
изучение основных закономерностей распространения легкорастворимых солей во вмещающих лёссовых породах, выявление генезиса засоленности; разработка представлений о возможной динамике процессов их природно-техногенного загрязнения.
Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые дана эколого-геологическая оценка состояния лёссовых территорий г. Волгодонска и Волгодонского промышленного узла на основе комплексного изучения динамики важнейших компонентов геологической среды - подземных вод и лёссовых пород.
Установлена связь динамики химического состава подземных вод с подъёмом их уровня, содержанием солей и литологическим строением вмещающих лёссовых пород, а также с геоморфологическими условиями территории.
Проанализированы изменения, произошедшие в составе, состоянии и свойствах лёссовых пород за 30-летний период активного строительного и промышленного освоения исследуемой территории. Предложены новые количественные критерии для прогнозирования устойчивости геологической среды по потенциальной просадочности лёссовых пород, а также методика районирования урбанизированных лёссовых территорий с использованием этих критериев.
Разработаны теоретические представления о возможных проявлениях динамики природно-техногенного загрязнения лёссовых пород зоны аэрации.
Практическая значимость работы. Разработанные подходы к оценке динамики агрессивности подземных вод, использование коэффициентов устойчивости лёссовой геологической среды по показателям потенциальной просадочности позволяют ранжировать инженерно-геологические элементы по степени их устойчивости при выборе типа фундаментов строительных объектов и глубин их заложения, а также при разработке экозащитных мероприятий. Предложенная методика районирования городских территорий по степени устойчивости геологической среды может быть использована при создании генеральных планов развития городов, расположенных на лёссовых толщах, а разработанные представления о динамике природно-техногенного загрязнения зоны аэрации позволяют прогнозировать возможное загрязнение этой зоны в условиях поливного земледелия. Полученные результаты исследований позволяют в целом оценить современное состояние геологической среды г. Волгодонска и Волгодонского промышленного узла, дать прогноз её дальнейших изменений под техногенным воздействием.
Основные защищаемые положения:
Основной тенденцией гидрохимической динамики при подъёме уровня грунтовых вод в лёссовых толщах урбанизированных территорий юга России является обогащение их сульфат-ионом и, как следствие, повышение сульфатной агрессивности по отношению к цементам и бетонам.
Техногенное повышение температуры основных компонентов (подземных вод, горных пород и др.) лёссовой геологической среды в условиях подтопления грунтовыми водами определяет динамику физико-химических процессов в этих компонентах.
Изменение эколого-геологических условий урбанизированных лёссовых территорий зависит, прежде всего, от потенциальной устойчивости геологической среды по просадочности.
4. В условиях орошаемого земледелия на территориях, прилегающих к мощным промышленным узлам, подобных Волгодонскому, в качестве техногенной нагрузки на почвы и лёссовые породы зоны аэрации следует рассматривать не только вторичное засоление, но и загрязнение их техногенными элементами.
Фактический материал. В основу диссертационной работы положены:
материалы научно-исследовательских работ кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Ростовского государственного университета;
фондовые материалы АО "РостовДонТИСИз", ФГУГП "Южгео-логия" и публикации в научных изданиях. Автором изучены и систематизированы данные многолетних наблюдений за уровнем грунтовых вод в условиях техногенного режима;
фактический материал, собранный автором в период выполнения научно-исследовательских работ в отделе геохимии НИИ физической и органической химии РГУ и Северо-Кавказском научном центре высшей школы (1992-1993). В результате полевых работ участниками эколого-геохими-ческих исследований в районе Волгодонского промышленного узла отобрано 622 литохимические пробы. Спектральный анализ на 36 химических элементов проводился в Центральной химической лаборатории ПГО "Севкав-геология".
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на научно-практической конференции «Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов» (Курск, 1995), Международном симпозиуме «Тяжёлые металлы в окружающей среде» (Пущино, 1996), научной конференции аспирантов и соискателей Ростовского госуниверситета (Ростов-на-Дону, 1996), международной научной конференции «Проблемы геологии
и геоэкологии юга России и Кавказа» (Новочеркасск, 1997), Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологическое картографирование» (Москва, 1998), международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 1998, 2000), Юбилейной конференции геологов Ростовской области «Актуальные вопросы геологии, минерально-сырьевой базы и экологии Ростовской области» (Ростов-на-Дону, 2000), Южно-российской научно-практической конференции «Здоровье города - здоровье человека» (Ростов-на-Дону, 2001), Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001), годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002).
Научная работа «Ландшафтно-эколого-геохимическая оценка восточной части Доно-Сальского водораздела», представленная автором на третьем открытом конкурсе на лучшую научно-практическую работу студентов и аспирантов высших учебных заведений Ростовской области по проблемам экологии «Экология - безопасность - жизнь» в 1997 году, была награждена дипломом.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в которых изложены основные результаты выполненных исследований.
Исследования поддерживаются программой «Университеты России», проект № 015.09.01.022.
« Автор выражает глубокую признательность доктору геолого-
минералогических наук, профессору В.И. Коробкину и доктору геолого-
минералогических наук, доценту B.C. Назаренко за научное руководство и всестороннюю помощь в работе.
В процессе работы над диссертацией автор пользовалась поддержкой и консультациями кандидатов геолого-минералогических наук, доцентов
М.И. Черкасова , Н.М. Хансиваровой, С.Г. Парады, М.Г. Тарасова, а также докторов геолого-минералогических наук, профессоров В.Е. Закруткина и О.А. Бессонова, давших ценные замечания по диссертации, и выражает им искреннюю благодарность.
Геологическая, гидрогеологическая и инженерно-геологическая изученность
Обзор сведений о геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условиях территории г. Волгодонска и Волгодонского промышленного узла проведен на основе фондовых и опубликованных материалов.
Геологическое изучение исследуемой территории, как и в целом юга России, началось во второй половине XVIII века и связано с именами известных геологов Н.Н. Барбот-де-Марни, С.Г. Гмелина, М.П. Петницкого, Н.А. Соколова, И.В. Мушкетова, посвятивших свои исследования вопросам стратиграфии меловых, палеогеновых и неогеновых отложений, в том числе скифских глин. И.В. Мушкетовым (1895) впервые для Ергеней была составлена геологическая карта в масштабе 1:420 000. Им же впервые была высказана мысль об эоловом происхождении суглинков.
Далее, после Великой Октябрьской революции, исследования В.В. Бо-гачёва (1924), В.В. Полынова (1926, 1927), B.C. Соколовского (1927), М.В. Иванова (1927), А.П. Кипачёва (1938), Н.А. Григоровича-Березовского (1939), В.П. Воинова (1937,1939), Г.И. Попова (1939, 1940), опирающиеся на материалы геолого-съёмочных и геологоразведочных работ, позволили уточнить вопросы стратиграфии ергенинских песков, скифских глин и террасовых отложений. В ходе исследований более детально были разработаны вопросы геологии неогеновых, плиоценовых и четвертичных образований, стратиграфии и тектоники и построены геологические, гидрогеологические и геоморфологические карты масштаба 1:500 000 и 1:200 000.
С возобновлением геолого-съёмочных работ в 1945-1946 гг. В.И. Под-городниченко проводит расчленение ранее описанных палеогеновых пород, устанавливает строение толщи скифских глин и приводит их новую генетическую и возрастную характеристику. В 1947 году К.Л. Вицман и В.И. Под-городниченко на основе обобщения геологических материалов прошлых лет и проведения дополнительных исследований составляют геологическую, геоморфологическую, гидрогеологическую карты и карту четвертичных отложений масштаба 1:200 000. При этом по многим отложениям дается новая стратиграфическая интерпретация без подтверждения фаунистическим или другим материалом.
Стратиграфию разрезов Ергеней и Приманычья изучили в связи с проектированием Волго-Донского канала Е.В. Милановский (1930), К.И. Лисицын (1931), Ф.Ф. Голынец (1932), П.А. Православлев (1932), М.М. Жуков (1935) и др. Стратиграфия палеозойских и мезозойских отложений территории была выяснена в результате бурения (1953-1957 гг.) структурно-поисковых скважин с целью выявления угленосных и нефтегазовых площадей. Одновременно выполнялись тематические исследования по обобщению геологического материала. В сборниках публикуются работы Г.А. Масляева (1960) о геоморфологических уровнях и покровных образованиях, Д.Г. Панова (1965) - о неотектонике Волго-Донских равнин.
Результаты многочисленных исследований коллектива геологов «Гидропроекта», работавших на трассе Волго-Донского канала и его многочисленных сооружений, отражены в монографии «Геология района сооружения Волго-Дона», опубликованной под редакцией В.Д. Галактионова (1960). В работе освещен разрез пород от каменноугольных до четверичных включительно. Палеогеновые осадки расчленены на свиты, в неогеновых отложениях описаны ергенинская и андреевская свиты, а четвертичные образования представлены аллювиальными, делювиальными и эоловыми отложениями.
Все геологические материалы по состоянию на конец 1965 года обобщены в 46 томе «Геологии СССР» (1970). В 1972 году В.Р. Лозовский и В.А. Двуреченский уточнили тектоническое строение и положение основных структур Нижне-Донского региона и составили тектоническую карту в масштабе 1:500 000.
Гидрогеологическое изучение исследуемой территории началось с 1927 года Н.А. Корженевским, B.C. Соколовским, B.C. Щепкиным с целью решения вопросов водоснабжения сельскохозяйственных регионов. В период 1938-1940 гг. Г.И. Поповым, М.В. Усковым, П.О. Гончаровым составлялись схематические гидрогеологические карты, в основном по обследованным колодцам. В 1940-1941 гг. Г.Н. Родзянко и Н.И. Кононовым был выявлен ер-генинский водоносный горизонт. Как уже отмечалось, в результате проведения комплексной геологической и гидрогеологической съемки масштаба 1:200 000 К.Л. Вицманом и В.И. Подгородниченко была составлена гидрогеологическая карта территории, признанная позже некондиционной из-за подтверждения незначительным количеством фактического материала.
После создания в 1952 году Цимлянского водохранилища начался новый этап гидрогеологического исследования территории. По материалам ранее проведенных работ В.И. Подгородниченко и В.Б. Иваницкой (1956) проводится обобщение гидрогеологического материала. С целью освещения условий сельскохозяйственного водоснабжения Е.Н. Липацкова и В.И. Подгородниченко (1959) составили каталог подземных вод по материалам разве-дочно-эксплуатационного бурения. В 1961 году Е.Д. Воробьёва и Н.К. Козя-кина охарактеризовали промышленные воды Волго-Донского региона. Позже, в 1966 году, П.Г. Германов и Е.Д. Демьяненко впервые описали минеральные воды, приуроченные к отложениям меловой, палеогеновой и неогеновой систем и представленные Цимлянским, Добровольским и Сухосоля-ным месторождениями. В 1970 году вышла в свет монография «Гидрогеология СССР», в 28 томе которой обобщён обширный материал, накопленный при изучении подземных вод и гидрогеологических условий территории Ростовской области, охарактеризованы главнейшие факторы формирования и распределения под земных вод, приведены режим и баланс, а также естественные ресурсы подземных вод. Водоносные горизонты от четвертичных до палеозойских охарактеризованы Н.Н. Булатниковым, Б.П. Соловьевым и др. (1974), по водоносным горизонтам аллювиальных четвертичных и неогеновых отложений подсчитаны запасы. С 1974 по 1980 гг. коллективом Ростовской геологоразведочной экспедиции проведён ряд тематических работ, охватывающих территорию Ростовской области. Г.В. Дейнеко, Е.Н. Липацкова (1978) провели гидрогеологическое районирование Ростовской области с целью возможного использования подземных вод для орошения земель и обводнения пастбищ. Гидрогеологические условия водоснабжения Волгодонской АЭС, прогнозные эксплуатационные запасы подземных вод рассмотрены Б.А. Рудневым (1979). В результате сбора, обобщения и систематизации гидрогеологической информации по разделу «Подземные воды на территории Ростовской области» В.И. Чухлебовой и З.М. Забалуевой в 1983 году составлен государственный водный кадастр, а гидрогеологическая информация отображена на карте распространения основных водоносных горизонтов (комплексов). Инженерно-геологические исследования проводились для решения во просов, возникших в связи с проектированием и строительством Цимлянско го водохранилища, судоходного и оросительных каналов, а также заводов, , АЭС и других промышленных объектов.
Литолого-стратиграфическая характеристика
Большая часть среднечетверичной III надпойменной (Мариинской) террасы р. Дона (Q\i) размыта и перекрыта более молодыми образованиями. Террасовые отложения сохранили полный разрез вдоль Донского магистрального канала полосой от 0,6 до 2,5 км. Общая ширина до 20 км. Поверхность террасы покрыта сетью ирригационных каналов. Тыловой шов в рельефе не выражен, а сочленение с поверхностью II надпойменной верхнечетвертичной террасы р. Дона постепенное.
Верхнечетверичная II надпойменная (Солёновская) терраса рек Дон и Сал (Q\II) в долине Дона почти повсеместно затоплена водами Цимлянского водохранилища и сохранилась вдоль берега водохранилища в районе балки Харсеева и у ст. Жуковской - участок шириной до 2,5 км. Ниже плотины II надпойменная терраса р. Дона прослеживается по левобережью долины реки полосой от 0,7 до 3-4 км. Её поверхность осложнена промоинами и ложбинами, что придает террасе слабоволнистый облик. Сочленение с поверхностью I надпойменной террасы постепенное. Терраса является вложенной в III (Ма-риинскую) надпойменную террасу и только в районе ст. Жуковской, где Ма-риинская терраса отсутствует, она прорезает комплекс неоген-четвертичных отложений водораздельной равнины. Абсолютные отметки подошвы - не ниже 5 м на западе и 8 м на востоке.
II надпойменная терраса р. Сала развита на большей части территории (от балки Голая до её западной границы). Поверхность террасы имеет так же слабоволнистый облик за счёт развитой эрозионной сети оврагов. У тылового шва постепенно переходит в склон водораздела.
Верхнечетвертичная I надпойменная (Романовская) терраса р. Дона (Q ні) шириной 0,3-6,0 км прослеживается в рельефе от плотины Цимлянского водохранилища в виде разобщенных "останцов", образовавшихся вследствие сильной боковой эрозии Дона по пылеватым пескам русловой фации.
Верхнечетвертичная I надпойменная и современная пойменная терраса (Q III-IV) в долине р. Сала имеет ширину в пределах 0,1-5,0 км. Мощность её отложений увеличивается от 8-12 м у бровки до 18-20 м у тылового шва. Уступ высотой 1,5-5 м выражен в рельефе чётко, у тылового шва поверхность постепенно переходит в уступ II надпойменной террасы или в склон водораздела.
Современная терраса р. Сала выражена в виде небольших узких участков шириной до 12-15 м в отдельных местах 0,3-6,0 км. Превышение над урезом воды -от 0,1-0,3 до 1,5 м. Тыловой шов и уступ террасы выражен чётко, поверхность ровная и почти горизонтальная.
Современная пойменная терраса р. Дона (Qiv) представлена ниже плотины Цимлянского водохранилища. Её ширина в пределах исследуемой территории колеблется от 5 до 14 км. Высота над уровнем воды р. Дона у бровки - 1 м, у тылового шва - 5-8 м.
К эрозионно-аккумулятивному типу рельефа относятся сравнительно крупные балки, выработанные в период активизации новейших тектонических движений конца среднего и начала позднего плейстоцена. Глубина их эрозионного вреза достигла красно-бурых глин скифского горизонта, что превышает 45-50 м. В балках, которые прорезают как водораздельную равнину, так и террасы р. Дона, развито от одной до двух террас верхнечетвертичного и современного возраста.
I надпойменная терраса выделена по всем существующим на территории исследований балкам. Она осложнена неглубокими (до 1 м) промоинами. Высота бортов террасы изменяется от 2 до б м, ширина - от нескольких метров до 500-600 м. Уступы и тыловые швы хорошо выражены в рельефе. Пойма балок развита неповсеместно, ширина - от нескольких до 20-30 м. Переход от поймы к террасам обычно хорошо выражен. Абсолютные отметки подошвы отложений террасы составляют 25-65 м.
II надпойменная терраса выявлена только в долине балки Цимлянский Лог (абсолютные отметки террасы - 40-70 м). Её ширина изменяется от нескольких метров до 1 км, высота над тальвегом - от 4 до 6-7 м. Бровка выражена чётко, а тыловой шов постепенно переходит в окружающую равнину. Абсолютные отметки подошвы террасы - около 25 м.
Овраги длиной от 40-70 м до 1-2 км приурочены к береговым обрывам Цимлянского водохранилища и склонам балок. Их ширина по верху - от 7-15 м до 200-300 м, а по низу - от 0,5-2,5 м до 5-6 м. Глубина меняется от 5-6 м до 25-30 м, иногда до 40 м. Уклоны склонов крутые - 45-50. В своих верхних частях овраги развиты в легко размывающихся лёссовидных суглинках, их склоны обычно обнажены.
Лощины распространены на склонах водоразделов, а также встречаются на поверхности речных и балочных террас. Длина лощин измеряется многими километрами, ширина колеблется от нескольких до 100-800 м, глубина -от 0,3-0,5 до 1,5-2,5 м. Склоны лощин очень пологие, всего В геоструктурном отношении территория исследований находится в Нижне-Донском тектоническом регионе, в зоне сочленения разновозрастных тектонических элементов - древней Восточно-Европейской платформы и эпигерцинской Скифской плиты, граница между которыми проходит по Се-веро-Донецкому разлому (рис. 2.3.) (Геология района сооружения ., 1960; Геология СССР ., 1970; Иваницкая и др., 1962; Милановский, 1930; Потапов, 1972), и состоит из трёх структурных этажей: допалеозойского, палеозойского (герцинского) и мезо-кайнозойского (альпийского).
Воздействие техногенного фактора на формирование и химический состав горизонта грунтовых вод
Гидрогеологические условия г. Волгодонска сформировались в три этапа. Природный режим территории до строительства Цимлянского водохранилища (1 этап - до 1952 г.) характеризовался наличием водоносного горизонта в аллювиальных песчаных отложениях IV надпойменной террасы р. Дона. Водоносный горизонт имел местный напор в связи с питанием его напорным горизонтом ергенинских песков по тыловому шву террасы. Разгрузка подземных вод осуществлялась через балки по склонам террасы к долине Дона. Лёссовые породы, перекрывающие аллювиальные отложения, не имели выдержанного по площади горизонта грунтовых вод (Коробкин, Назаренко, Нариманянц, 1996).
При инфильтрации атмосферных осадков по понижениям рельефа (балки, ложбины стока, просадочные блюдца) создавались условия для формирования верховодки на локальных водоупорах, представленных погребё-ными почвами или их реликтами в виде иллювиальных горизонтов.
2 этап (1952-1977 гг.) связан с воздействием Цимлянского водохранилища. В результате подтопления береговой полосы в лёссовых отложениях был сформирован горизонт грунтовых вод, мощность которого убывала с удалением от водохранилища. Его формирование осложнялось невыдержанной мощностью водоупора, представленного аллювиальными глинами с прослоями песков, а также зонами размыва, где грунтовые воды в делювиальных суглинках и аллювиальных песках имели единую поверхность. Естественная разгрузка аллювиального водоносного горизонта (aQj) в долину Дона и балки, превратившиеся после строительства водохранилища в заливы, прекратилась, и образовалась зона подпора на расстоянии до 6 км от береговой полосы. В связи с этим аллювиальный водоносный горизонт г. Волгодонска теперь обладает слабым напором, залегает на глубине 22,5-32,0 м.
Первый от поверхности водоносный горизонт лёссовой толщи (vdQi.ii) в прилегающих к Цимлянскому водохранилищу и заливу районах установлен повсеместно на глубинах от 1 до 25 м, обычно - 10-18 м. Режим грунтовых вод зависит в основном от климатических факторов (сезонные колебания уровня составляют 0,3-0,75 м, в среднем - 0,48 м) и Цимлянского водохранилища, в результате чего уровень их почти синхронно изменяется с уровнем водоёма (при понижении уровня воды в Цимлянском водохранилище этот водоносный горизонт дренируется в водохранилище, питает его, и, наоборот, при подъёме уровня воды в водохранилище происходит соответствующая подпитка водоносного горизонта), а интенсивность колебания зависит от амплитуды колебания уровня водоёма и расстояния от него.
Грунтовые воды в естественных условиях, к началу освоения территории, характеризовались пёстрым составом и различной минерализацией. Довольно чётко выделялись две области распространения сульфатных натриевых и область распространения хлоридных натриевых вод. Сульфатные натриевые воды содержали сульфат-ион в количествах 4,2-8,7 г/дм3, ион на-трия - 1,9-3,7 г/дм . При минерализации от 9,0 до 13,4 г/дм они характеризовались величиной общей жёсткости 46-64 мг-экв/дм3 и широким диапазоном величины рН - от 3,2 до 8,4. На отдельных участках эту область окон-туривали зоны относительно маломинерализованных (2,7-4,6 г/дм3) сульфатных кальциевых и сульфатных кальциево-магниевых вод.
Хлоридные натриевые воды имели наибольшую минерализацию — 14,0-19,0 г/дм . Содержание хлора составляло 5,0-6,6 г/дм , сульфат-иона -4,1-6,3 г/дм3, натрия - 3,2-4,9 г/дм3.
Таким образом, сульфатные и хлоридные натриевые воды, определяющие гидрогеохимическую обстановку территории, обладали сульфатной (до сильноагрессивной) и общекислотной агрессивностью по отношению к обычным бетонам. Сульфатные кальциево-магниевые воды также агрессивны, но в меньшей степени. 3 этап формирования гидрогеологических условий (с 1978 года по настоящее время) связан с возникновением техногенного водоносного горизонта в лёссовых породах вследствие застройки нового г. Волгодонска.
Изменение химического состава подземных вод связано с рядом факторов: подъёмом их уровня, привносом химических компонентов фильтрующимися промстоками, потерями из водоводов, полей фильтрации, отстойников и т.п., растворения солей в литогенной части геологической среды. На территории г. Волгодонска изменение химического состава этих вод в основном связано с колебаниями их уровня и растворением солей из лёссовых пород. Грунтовая толща обогащена средне- и труднорастворимыми солями, которые могут растворяться подземными водами.
Исследованиями ряда авторов установлено, что карбонатность лёссовых пород территории составляет в среднем 9-Ю %, содержание гипса колеблется в широких пределах - от сотых и десятых долей процента до 2-3 % и более, а легкорастворимых солей только до 0,3-0,5 %, иногда - до 0,9 %, но по другим данным - и более 1 %. Содержание солей в породах территории приведено в таблице 3 по данным Ростовского ПромстройНИИпроекта, В.И. Коробкина и Н.М. Хансиваровой (Назаренко, Коробкин, 1995).
Отмечается достаточно большая концентрация растворимых минералов, в особенности над относительными водоупорами - скопление солей над ними свидетельствует о том, что в прошлом здесь формировались верховодки, а их испарение со временем привело к накоплению средне- и легкорастворимых солей. Карбонаты же, как правило, накапливались ниже почв, в иллювиальном горизонте и на контакте с материнской породой, хотя они и рассеяны по всей толще.
При подтоплении соли растворяются и вносят свой вклад в изменение химического состава подземных вод, особенно обогащая их сульфат-ионом, поскольку сульфаты содержатся часто в больших количествах, чем галоиды.
Инженерно-геологическая характеристика лёссовой толщи до строительного освоения территории
Анализ временных рядов наблюдений за уровнями и химическим составом подземных вод является наиболее реальным способом прогнозирования гидрогеологических условий селитебных территорий. По результатам исследований анализ динамики изменения общей минерализации, отдельных ионов подземных вод (натрия, магния, агрессивной углекислоты, гидрокарбонатов, сульфат-ионов, хлора), а также уровня и температуры грунтовых вод за период с 1979 по 2000 гг. (рис. 3.3., 3.4., 3.5.) показал, что из всех химических компонентов исследованных проб воды наибольшую опасность по своей концентрации представляет сульфат-ион, а на втором месте - углекислота. Содержание последней иногда достигает концентрации 60 мг/дм3 (рис. 3.4), что соответствует средней степени агрессивности к бетону. Такие показатели, как бикарбонатная щелочность (0,5-2 мг-экв/дм3), магний (20-500 мг/дм3), натрий (10-400 мг/дм3) и водородный показатель (6-8) не достигают величин, оказывающих даже слабое агрессивное воздействие. В связи с этим главное внимание при исследовании было уделено концентрациям сульфат-иона и сульфатной агрессии подземных вод.
Концентрация сульфат-иона различна, при максимальных значениях -8500 мг/дм3 (рис. 3.5.), что при существующих фильтрационных параметрах грунтовой толщи может характеризовать водную среду как сильно агрессивную (СниП 2.03.11-85, 1986). Но воды с такими концентрациями - скорее исключение, чем правило и имеют локальное распространение (рис. 3.6.).
При анализе поведения сульфат-ионов во времени удалось выявить следующие закономерности: во-первых, на большей части территории сульфатная агрессивность грунтовых вод остаётся неизменной во времени; во-вторых, на достаточно большой территории в них происходит снижение концентрации сульфатов; в-третьих, лишь на отдельных локальных участках происходит увеличение концентрации сульфатов; в-четвертых, в некоторых местах происходит рост исследуемого показателя в течение 3-6 месяцев, а затем его значения снижаются до среднемноголетних.
Выделяются три относительно больших и восемь небольших по площади (в пределах одного-двух домов) участков со стабильным повышением сульфатной агрессивности. В пределах самого большого по площади участка с прогрессирующей агрессивностью по отношению к цементу (рис. 3.6., зона А) грунтовые воды слабо- и среднеагрессивные (концентрация сульфатов варьирует от 2000 до 8000 мг/дм3). Причём, если на территории, расположенной севернее зоны А, в процессе наблюдений агрессивность стабильна во времени, то на участке южнее данной зоны происходит снижение концентрации сульфатов на 2000 мг/дм3. В зоне II наблюдается значительный разброс в концентрации сульфатов. Потери вод, имеющих повышенную температуру, из городских коммуникаций вызывают рост сульфатности грунтовых вод. Это временные, скачкообразные повышения, которые через 3-6 месяцев нивелируются геологической средой. По-видимому, большой вклад в рост агрессивности вносят техногенные источники. Собственно ат-могенные воды не всегда обусловливают рост агрессивности грунтовых вод. В этом можно убедиться на примере техногенного водоносного горизонта Добровольского останца (рис. 3.6.), сформировавшегося через несколько лет после застройки территории. Воды здесь имеют атмогенное происхождение. За весь период наблюдений здесь не произошло роста агрессивности грунтовых вод.
Сопоставление сульфатной агрессивности грунтовых вод и динамики уровня грунтовых вод позволило сделать следующие выводы. На участках, где уровень грунтовых вод существенно не варьировал, в 70 % случаев агрессивность так же не изменялась во времени, а в 30 % случаев она снизилась. В районах, характеризующихся повышением уровня грунтовых вод до 2 м, за 10 лет наблюдений в 50 % случаев агрессивность не изменилась, в 35 % - произошло увеличение агрессивности, а в 15 % - её уменьшение. В местах многолетнего повышения уровня грунтовых вод от 2 до 4 м в 66 % случаев агрессивность не изменилась, а в 34 % произошел её рост. При подъёме уровня грунтовых вод более, чем на 4 м в 67 % случаев отмечалось снижение агрессивности и в 33 % - её увеличение. При повышении уровня до 2 м агрессивность в 50 % случаев осталась неизменной. Незастроенные территории характеризуются естественным режимом грунтовых вод (рис. 3.6.). Агрессивность грунтовых вод при этом постоянна либо снижается. Увеличение агрессивности грунтовых вод при повышении их уровня на 4 м связано с тем, что на этих глубинах залегают породы, содержащие растворимые соли. Дальнейший подъём уровня грунтовых вод в большинстве случаев приводит к снижению их агрессивности, так как здесь свое влияние оказывают пресные атмогенные воды.
Химический состав вод формируется в результате взаимодействия растворов и вмещающих пород. На величину минерализации и содержание отдельных компонентов, главным образом, сульфатов, влияет температура вод. Участки с увеличивающейся температурой приурочены, как правило, к местам потери горячей воды из теплотрасс. Эти воды имеют повышенную растворяющую способность, что и приводит к росту их агрессивности. Грунтовые воды с концентрацией сульфатов более 5,0 г/дм3 приурочены к термоаномалиям (Т 14 С), что может объясняться не только увеличением растворения иона с ростом температуры, но и повышенным его содержанием в техногенных растворах, поступающих в грунтовые воды. Известно, в частности, что сульфат натрия является основным продуктом отходов на Волгодонском химическом комбинате.
Сопоставление динамики изменения температур и агрессивности грунтовых вод подтверждает, что рост агрессивности связан не только с подъёмом уровня грунтовых вод, но и эксплуатацией неисправных городских коммуникаций. Увеличение температуры подземных вод активизирует жизнедеятельность микроорганизмов, являющихся агентами биокоррозии. Температура коррозионной среды оказывает наибольшее из всех факторов влияние на скорость коррозии. В связи с этим опасность разрушения фундаментов зданий и сооружений, построенных в этих зонах, высока.
Анализ влияния морфологии рельефа на гидрохимическую устойчивость геологической среды показал, что южная зона повышенного содержания сульфатов находится на IV левобережной надпойменной террасе в пределах довольно крупного просадочного блюдца. Центральная зона также входит в состав этого геоморфологического элемента. Северная зона расположена в зоне сочленения склона IV левобережной надпойменной террасы и собственно террасы. Самые большие по площади участки снижения агрессивности во времени выявлены в пределах эрозионных форм рельефа (ло-щинообразные понижения и балки), характеризующиеся хорошей дрениро-ванностью.
