Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия района и их влияние на уязвимость грунтовых вод к загрязнению 11
1.1. Физико-географические условия 11
1.2. Геологическое строение отложений четвертичного возраста 19
1.3. Гидрогеологические условия 27
1.4. Влияние природных условий на уязвимость грунтовых вод 33
Выводы к главе 1 35
Глава 2. Особенности загрязнения подземных вод и трансформация их состава под влиянием сельскохозяйственной деятельности 36
2.1. Основные источники загрязнения в регионе 36
2.1.1. Типизация источников загрязнения в районе работ 36
2.1.2. Минеральные и органические удобрения 38
2.1.3. Животноводческие и птицеводческие комплексы 40
2.1.4. Селитебные территории 43
2.1.5. Прочие источники загрязнения 44
2.2. Ретроспективный анализ изменения состава грунтовых вод 45
2.2.1. Содержание сульфатов и хлоридов 47
2.2.2. Содержание нитратного и аммонийного азота 55
2.2.3. Результаты ретроспективного анализа 61
2.3. Уязвимость грунтовых вод водосбора к загрязнению соединениями азота 64
2.3.1. Современное состояние проблемы уязвимости 64
2.3.2. Характеристика различных методических подходов к оценке уязвимости грунтовых вод 67
2.3.3. Определяющие факторы уязвимости грунтовых вод к нитратному азоту 75
2.3.4. Особенности миграции соединений азотав зоне аэрации
Выводы к главе 2 81
Глава 3. Методика изучения загрязнения грунтовых вод соединениями азота .83
3.1. Натурные исследования миграции загрязнителей в зоне аэрации 83
3.1.1 Методика опытных работ 84
3.1.2 Результаты работ и их анализ 88
3.2. Обоснование модели миграции соединений азота в пористых средах 99
3.2.1 Выбор модели миграции нитратного азота в зоне аэрации 100
3.2.2 Методика моделирования 102
3.3. Сопоставление расчетных и опытных данных 103
Выводы к главе 3 108
Глава 4. Районирование территории по степени уязвимости грунтовых вод к загрязнению 110
4.1. Методика оценки уязвимости подземных вод к соединениям азота ПО
4.1.1. Общая схема оценки уязвимости грунтовых вод к нитратному азоту ПО
4.1.2. Анализ полученных результатов 123
4.2. Принципы районирования водосбора водохранилища и характеристика выделенных районов 124
4.2.1. Районирование территории 124
4.2.2. Рекомендации по использованию удобрений 128
Выводы к главе 4 130
Заключение 131
Библиографический список использованной литературы
- Геологическое строение отложений четвертичного возраста
- Животноводческие и птицеводческие комплексы
- Обоснование модели миграции соединений азота в пористых средах
- Принципы районирования водосбора водохранилища и характеристика выделенных районов
Геологическое строение отложений четвертичного возраста
В геологическом строении территории в целом принимают участие докембрийские (граниты и гнейсы) кристаллические породы, вскрытые скважиной на глубине 1738 м. у пос. Редкино, а также кембрийские, силурийские, девонские, каменноугольные, пермские и юрские отложения, перекрытые мощным плащом рыхлых пород четвертичной толщи (Гидрогеология..., 1966). Ниже рассматривается строение и состав отложений четвертичного возраста, в которых залегают ГВ - основной объект исследований.
Геологический разрез Верхневолжской зандровой низины характеризуется широким развитием московских флювиогляциальных песчаных отложений, залегающих на плотных московских моренных суглинках. Глубокие погребенные долины выполнены ледниковыми и флювиогляциальными отложениями, водоупор из юрских отложений в древних переуглубленных долинах отсутствует (Голодковская, 1988).
Строение четвертичной толщи обусловлено рельефом подошвы. Если это участок древнего водораздела, то мощность четвертичных отложений небольшая и строение простое; если древние погребенные долины, то строение усложняется. Иногда в местах древних погребенных долин и конечно-моренных гряд мощность четвертичных отложений достигает 100 - 150 м, а в среднем до 50-70 м. В нижней части разреза древних долин, как правило, залегают окско-днепровские флювиогляциальные и аллювиальные отложения.
Четвертичные отложения распространены повсеместно. Среди отложений различного генезиса преобладают ледниковые, водноледниковые и аллювиальные, менее распространены озерные и болотные. Территория испытала воздействие трех оледенений -окского, днепровского и московского (Оценка..., 1978). Наиболее часто встречается тип строения четвертичных отложений, представленный двумя горизонтами моренных суглинков (московского и днепровского возраста), между которыми залегают днепровско-московские флювиогляциальные пески.
На рис. 3 представлен схематический геолого-литологический разрез по линии 1-І (скв. 4 - Едимоново - Кудрявцево- Конаково - скв. 54 -Дубна). Масштаб карт и разреза не позволяет выделить подробно литологические особенности отложений, но позволяет получить общее представление о строении четвертичных отложений. Из разрезов видно, что Кудрявцеве
Схематический геолого-литологический разрез по линии 1-І (скв. 4 - Едимоново - Кудрявцево - Конаково - скв. 54 -Дубна). (условные обозначения см. на стр. 25) четвертичные отложения залегают на размытой поверхности пород верхнего карбона и юры. В современных речных долинах разрез всегда начинается со слоя аллювиальных песков с близким залеганием грунтовых вод. Более глубокое залегание УГВ наблюдается на отдельных участках высоких надпойменных террас в долине рек Дойбицы и Волги. Под аллювиальными залегает маломощный слой флювиогляциальных песков, подстилаемых моренными московскими суглинками. Изредка суглинки подстилают непосредственно аллювиальные пески. Современные геологические процессы, наблюдаемые визуально и связанные с поверхностным и подземным стоком - это овражная эрозия в верховьях некоторых рек, абразия береговой линии водохранилища, осадконакопление в устьях притоков и заливах, активизация оползней, и заболачиваемость замкнутых, слабо дренированных понижений на водоразделах. Из-за слабого уклона современные эрозионные процессы на изученной территории протекают крайне медленно.
Мощность, строение и состав пород зоны аэрации определяют характер и скорость фильтрации влаги с поверхности, поступление и продвижение загрязнителя вниз на УГВ. Рассмотрим более детально строение четвертичной толщи, в отложениях которой залегают грунтовые воды. На основе изучения карт четвертичных отложений различных авторов (Дончев, 1974; Гладков, 1985; Атлас..., 1985) выделены следующие отложения и горизонты, которые слагают зону аэрации и верхнюю часть грунтового водоносного горизонта.
Болотные отложения h IV Развиты очень широко на плоских междуречных пространствах, особенно в пределах Волго - Шошинской низменности. Отложения представлены торфом с прослоями иловатых суглинков, песков и глин, которые нередко обводнены. Мощность отложений до 2-5.0 м. Значения коэффициентов фильтрации варьируют в значительных пределах в зависимости от глубины залегания торфяного слоя и от степени его разложения. Для верхового торфа они составляют в среднем 0.1-0.8, для низинного - от 0.17 до 0.45 м/ сутки при степени разложения свыше 10% (Рекомендации..., 1985). Современные аллювиальные отложения а IV Прослежены вдоль всех рек, выше зоны распространения подпора вод водохранилища. Отложения представлены в верхней части чаще всего суглинками и глинами. Иногда из-за присутствия окислов железа они окрашены в рыжевато-ржавый цвет, изредка встречены торфяные прослойки. Суглинки чередуются с мелкозернистыми песками, иногда сменяются ими по простиранию. Мощность этой верхней пачки колеблется от 2.0 до 3.0 м. Ниже по разрезу преобладают пески от мелкозернистых до крупнозернистых. Вниз по разрезу крупность зерна возрастает, появляются галечные и гравийные включения. По р. Лама встречены разрезы пойменного аллювия, целиком сложенные суглинистым материалом. Пойменный аллювий залегает на различных ледниковых отложениях, мощность его изменяется в широких пределах: от 2.0-5.0 м в оврагах до 7.0-12.0 м в нижнем течении крупных рек.
Аллювиальный горизонт а П-Ш
Приурочен к террасам р. Волги и ее наиболее крупным притокам. Отложения надпойменных террас имеют пестрый литологический состав, представлены песками различной зернистости, супесью, реже суглинками с гравием и галькой; широко развиты озерно-болотные отложения, представленные торфом, илами, тонкозернистыми и мелкозернистыми песками. Аллювиальные отложения второй надпойменной террасы прослеживаются на всем протяжении р. Волги. Ширина террасы колеблется от 2 до 8 км, высота над естественным уровнем реки - от 12 до 16 м. Терраса цокольная, высота цоколя порядка 8-10 м. Мощность аллювиальных отложений меняется в пределах 4-6 м. В цоколе обычно залегают моренные суглинки московского оледенения, реже днепровско -московские флювиогляциальные отложения. Поверхность террасы иногда осложнена дюнами высотой до 8 м, местами заболочена. Аллювиальные отложения террасы представлены почти исключительно песками. Аллювиальные отложения первой надпойменной террасы распространены в западной части территории (Шошинский и Волжский плесы), где частично затоплены и имеют ширину порядка 2.0 км. Залегают на моренных отложениях днепровского или московского оледенений. Отложения представлены песками. Мощность аллювия первой надпойменной террасы составляет 12-13 м. Надмосковский флювиогляциальный горизонт (f II ms)
Представлен водноледниковыми отложениями на размытой поверхности морены московского оледения. Отложения выполнены песками различной крупности, но преобладают мелкозернистые. Мощность песков обычно 1-2 м, изредка до 4 м. Московский горизонт (g II ms)
Представлен суглинками московской морены, которые имеют практически повсеместное распространение, за исключением участков речных долин, где они размыты. Отложения часто залегают непосредственно под почвенным покровом. Суглинки обычно плотные, массивные, известковистые с включениями щебня, гальки и валунов, линзами алевритов и песков. Линзы и прослои песка имеют мощность 1-2 м, валунно-галечньгх отложений- до 7 м. Отложения московской морены по сравнению с другими более опесчанены и насыщены грубообломочным материалом. По направлению к кровле наблюдается увеличение количества гальки и валунов, общая мощность отложений 15-40м. Днепровско - московский горизонт (f II dn-ms)
Животноводческие и птицеводческие комплексы
Последние десятилетия увеличение поступления соединений N в окружающую среду связано также и с развитием автотранспорта. За последние два года прирост автомобилей в Твери индивидуальных владельцев составил 150% (Доклады..., 1998). Известно, что один легковой автомобиль в сутки выбрасывает до 1 кг выхлопных газов, в составе которых содержится около 0.6% оксида N и 0.006% оксида серы (Никаноров, 1989). Расчеты антропогенной нагрузки по N на участке в с. Городня (количество единиц автотранспорта на магистрали около 25 тыс.) показали, что за год в атмосферу с выхлопными газами поступит 55 т оксидов N, или 25.8 т N (Штритер, 2000).
Проведенные исследования по выявлению уровня загрязнения воды бытовых колодцев, расположенных в пределах запретной 30-тиметровой полосы вдоль крупной автомагистрали и за полосой, выявили, что грунтовые воды здесь относятся к загрязненным. В гололед дорога посыпается специальным реагентом на основе нитратов Са, Mg и мочевины, во время оттепелей эти вещества задерживаются в почве, а затем вымываются путем инфильтрации до УГВ. Концентрации нитратов и хлоридов в колодцах, расположенных в запретной полосе, превышают в 3-20 и 2-3 раза соответственно содержание этих компонентов в водопункгах, расположенных вдали от автострад или отстоящих от них на расстоянии более чем 150-200 м (Ахметьева, Штритер, 2000). Наиболее высокое содержание загрязняющих веществ обнаружено в колодце, расположенном в 10 м от автомагистрали в д. Безбородово. Концентрация иона ЫОз достигает здесь З ПДК, концентрация С1-иона - 263 мг/л (при ПДК 350); содержание хлоридов превышает среднее значение по водосбору в шесть раз, солей Са и Mg - в два раза. В меньшей степени изучено влияние на качество грунтовых вод железнодорожных магистралей. По правобережью Иваньковского водохранилища пролегает трасса Октябрьской железной дороги Москва -Санкт- Петербург. Исследованиями установлено, что ГВ в зоне влияния железной дороги (порядка 100-метровой полосы) тоже загрязнены. Концентрация Ж)з-иона здесь достигает 2-3 ПДК, а содержание хлоридов превышает фоновые содержания в 3-7 раз.
В последние годы мелиоративные работы на территории практически не проводятся, также как и торфоразработки. Площади, занимаемые садоводческими товариществами, характеризуются достаточно высокими модулями нагрузки по N. Однако, так же как и свалками, ими на настоящий момент можно пренебречь в силу их точечного воздействия по сравнению с пашней. В дальнейшем, при расширении урбанизированных территорий в районе работ, эти источники поступления загрязняющих веществ необходимо тоже жестко контролировать.
Ретроспективный анализ является необходимым элементом в процессе оценки уязвимости подземных вод конкретного района. Он проводится для выявления многолетних тенденций изменения состава грунтовых вод и степени их загрязнения, а также для определения основных загрязнителей, представляющих на данном этапе максимальную опасность.
В 1994-1999 гг. нами проводилось площадное гидрогеохимическое опробование ГВ бытовых колодцев, вод родников и притоков правобережья и левобережья Иваньковского водохранилища в устойчивую межень. Исследования проводились на территории водоохранной зоны и части водосбора по правому и левому берегам водохранилища. Всего было опробовано свыше 200 водопунктов. В лаборатории Иваньковской научно-исследовательской станции в пробах на следующий день после каждого выезда определялись содержания общей жесткости, сульфатов, гидрокарбонатов, хлоридов; общего, валового и минерального фосфора, аммонийного, нитратного и нитритного N, измерялись значения рН, перманганатной окисляемости и цветности. Полученные результаты химического анализа ГВ, а также фондовые и опубликованные данные (Кадукин, 1985; Романова, 1987; Ахметьева, Лола, 1991), материалы Геологического Управления Центральных Районов (ГУЦР) 1973-1974 легли в основу ретроспективного анализа качества грунтовых вод водосбора водохранилища за 25 лет. При проведении анализа были использованы методы статистической обработки и картографирования. Первый является обычным инструментом при обработке информационной базы данных, а картографический метод «обеспечивает привязку множества факторов среды, влияющих на экологическую обстановку региона» (Смирнов, 1997). Для характеристики динамики качества грунтовых вод использовались стандартные информативные показатели - сульфаты, хлориды, общая жесткость и минерализация, имеющие простые и сопоставимые методики определения. Указанные вещества хорошо растворимы в воде, поэтому могут изменять свои концентрации под действием разных факторов на 1-3 порядка, и являются слабо сорбируемыми (Методика...., 2000).
К основным показателям был добавлен нитратный и аммонийный N как приоритетный сельскохозяйственный загрязнитель.
Проведенный в 1992-1994 гг. анализ интегральной токсичности грунтовых вод опорных водопунктов методом люминесцентного биотестирования с использованием светящихся бактерий Photobacterium phosphoreum исключает сколько-нибудь значительное загрязнение токсикантами высокого класса опасности (Ковалышева, Лапина, 1994). При оценке токсичности все пробы попали в категорию "нетоксичный образец". Однако грунтовые воды в ареале точечных источников загрязнения в те годы не исследовались. Полевые исследования 1994-1996 г.г. проводились при участии Н.П. Ахметьевой и В.Т. Григорьева, 1997-1999 г.г - тех же, В.Л. Злобиной и И.Л. Григорьевой. Для оценки региональных масштабов загрязнения грунтовых вод и определения роли площадных источников в этом процессе были построены схематические карты (рис.6-9,11,12) пространственного распределения сульфатов, хлоридов, нитратного и аммонийного N. Карты отражают содержание перечисленных компонентов в грунтовых водах водосбора на конец 70-х и 90-х в период летней межени.
Исходными данными при построении карт послужили результаты полевых исследований, отражающие реальное состояние объектов. Карты построены на основе традиционного метода интерполяции данных, полученных по отдельным точкам с учетом граничных условий (долин рек, контуров замкнутых котловин и пр.). Обобщение данных проведено путем осреднения, а в качестве верхнего критерия оценки использовались ПДК для каждого компонента.
Региональная сеть водопунктов не позволяет полностью решить проблему изучения загрязнения грунтовых вод на локальных участках (Мироненко,1988). В связи с этим миграция соединений N от сельскохозяйственных локальных очагов загрязнения изучалась более детально. Для этого вдоль правобережья водохранилища были выбраны ключевые участки, расположенные по линии с. Горохово - с. Городня - д. Безбородово - д. Вахромеево - д. Плоски - д. Заборье - д. Домкино (рис. 9).
На участках дважды в сезон опробовались колодцы. В пробах была проанализирована динамика изменения перечисленных выше информативных показателей в зависимости от строения зоны аэрации и степени антропогенной нагрузки. Анализ проводился за 1979 и 1999 годы как аналогичные по условиям водности (Григорьева, Штритер, 1999; Ахметьева, Штритер, 2000). Полевые работы проводились в периоды 1978-1980 и 1998-2000 г.г.
Обоснование модели миграции соединений азота в пористых средах
Исследование миграции загрязнителей через зону аэрации с двухслойным строением проводилось на участке, расположенном на расстоянии двух км к юго-западу от Иваньковского водохранилища. Делянки размером 1 1 м , с однородным почвенным покровом, были очищены от верхнего слоя дерна на 0.1 ми вскопаны на штык лопаты. На делянках равномерно были распределены карбамид в количестве 200 г (920 кг действующего вещества /га), навоз КРС (8 кг) и 100 г NaCl (Агрохимические... ,1975). На расстоянии 1 м в каждом варианте опыта размечалась контрольная делянка. Через 20 - 30 дней, в зависимости от выпадения осадков, в течение 4 месяцев на каждой делянке, включая контрольные, производилось ручное бурение скважин глубиной от 1.5 до 3 м с отбором проб почвогрунтов вниз по разрезу (см. приложение 5). При вскрытии грунтовых вод отбирались пробы воды на полный химический анализ. Произрастающая растительность регулярно выпалывались. Осадкомером Третьякова на опытном участке замерялось количество выпавших осадков, психрометром - влажность и температура воздуха. Перед началом эксперимента для каждого типа разреза был определен гранулометрический состав, полная влагоемкость, удельный вес и фоновое содержание соединений N (вниз по разрезу). В отобранных образцах при бурении отбирались пробы и на определение естественной влажности. В водных вытяжках образцов проводилось определение содержания NO3 фотометрическим методом с салицилатом натрия (предел измеряемых концентраций 0.5-50 мг/л). Определение NH4 проводилось также фотометрически, с реактивом Несслера (предел обнаружения 0.05 мг гШ4+/л). Содержание С1-иона было определено посредством титрования азотнокислой ртутью в присутствии хромовокислого калия в качестве индикатора.
Эксперименты в условиях болотных почв проводились летом 1997 года на заболоченном участке, расположенном в 2.5 км к юго-западу от Иваньковского водохранилища. Ориентировочный размер участка 600 м , здесь произрастала следующая растительность: крапива, осот лесной, горец перечный, сабельник болотный, таволга, ястребинка, ситняк, дербенник иволистный, звездчатка, кипрей волосистый, лютик, купальница, мать-и-мачеха, турча болотная, незабудка болотная. Схема внесения загрязнителей на делянках осталась аналогичной общей методике, кроме количества карбамида, внесенного здесь в количестве 100 г (или 460 кг д.в. N/ra). 1996 год был маловодным. В июле выпало непосредственно на опытном участке 18 мм осадков. Хотя 1997 характеризуется как год средней водности, в июле этого года на участке выпало только 5 мм осадков. Первые порции загрязнителя, если строение зоны аэрации двухслойное, а ее мощность не превышает 1.5-2.0 м, при наличии дождей появляются в грунтовых водах через 20-25 дней (см. приложение 6).
В процессе исследования особое внимание было уделено почве - защитному барьеру первого уровня. Почвы участков, выполненных моренными и флювиогляциальными отложениями, относятся к дерново-подзолистым песчаным, супесчаным и легкосуглинистым, рНксі колеблется от 5.8 до 6.3. По опубликованным и собственным данным, среднегодовая влажность пород зоны аэрации колеблется в пределах 6 - 30 %, влажность пород в период вегетации 14 - 19%, полная влагоемкость в среднем 30% (Ахметьева,1991). Общая порозность почвы 50%, удельный вес почвы составляет в среднем 2,7 г/ см , объемный вес в пахотном слое - 1.2 - 1.4 г/ см . Среднее содержание гумуса 1.6%. Почвы на болотном участке относятся к болотным, верховым торфяно-глеевым, с мощностью торфяного горизонта 25-30 см. Полная влагоемкость составляет 360-500%, содержание органических веществ достигает 58-62 %.
Через каждые 0.15 м вниз по разрезу был проведен анализ по определению гумуса в пахотном слое на глубине 0-0.3 м (по Тюрину). В таблице 12 представлено содержание гумуса в пахотном слое делянок с различными загрязнителями и контрольной делянки.
Из таблицы видно, что внесение органического удобрения способствует увеличению содержания гумуса в верхнем 15-тисантиметровом почвенном слое не только в дерново-подзолистых, но даже в болотных почвах. По сравнению с фоновым на болотном участке, где вносили навоз, гумуса на 6 % больше, а на участке моренных суглинков больше на 1 %.
Анализ работ, посвященных вопросам продвижения загрязнителей по торфяной зоне аэрации, и собственные исследования показали, что по отношению к нитратам торф проявляет особые свойства. Летом 2001 г. нами проводились лабораторные опыты по исследованию сорбционной способности торфяников. На заболоченном участке второй надпойменной террасы р. Волги были отобраны образцы-монолиты высотой 22 см. В лабораторных условиях через установленные на штативах монолиты пропускались растворы удобрений различной концентрации. Результаты исследований фильтрационной способности верховых торфов представлены в таблице 13 (Ахметьева, Штритер, 2001). Таблица 13. Результаты исследований фильтрационных свойств верхового торфа Тип раствора рН-1 рН-2 Ci NH4 C2NH4 ClN03 C2N03 Дистиллированная вода 7.0 - 0.0 0.23 0.0 1.8 0.1 % раствор 7.5 7.1 93 71 45.9 39.7 0.5% раствор 8.0 6.8 298 215 1714.0 433.0 Примечание. Сі - первоначальная концентрация, С2 - концентрация компонента в фильтрате, мг N/л. Использовался раствор комплексного удобрения.
Из таблицы видно, что при фильтрации через торф происходит снижение концентрации аммонийного и нитратного N. Причем отмечается нелинейная зависимость -чем выше концентрация азотных соединений в растворе, тем интенсивнее происходит адсорбция. Пропущенная через монолит дистиллированная вода, наоборот, вымывает подвижные нитрат-ионы. Таким образом, проведенные исследования показали, что по отношению к соединениям N торфяники обладают высоким сорбирующим действием.
По полученным в результате опытно-полевых и лабораторных работ данным были построены графики миграции загрязнителей через зону аэрации на УТВ. Наиболее характерные из них представлены на рис. 17,18,20-22. Установлено, что загрязнители продвигаются по зоне аэрации с различной скоростью.
Ион О двигается в верхней части разреза, сложенного суглинками, до глубины 1 м со скоростью 1.4 см/сутки, а на глубине 1-3 м его скорость сокращается до 1 см/сутки. Значения концентрации С1-иона с глубиной не уменьшаются. N-NO3 минеральных удобрений двигается по зоне аэрации аналогичным образом: в верхней части разреза скорость продвижения N-NO3 составляет 1.4 см/сутки, а в интервале 1-3 м он двигается медленнее, чем СІ-ион, со скоростью 0.8 см/сутки. N-NO3 органических удобрений двигается еще медленнее: его скорость до глубины 1 м составляет 1.2 см/сут, а ниже 1 м - 0.7 см/сут. Значения концентрации N-NO3 с глубиной уменьшаются. N-NH4 органических удобрений двигается со скоростью 1 см/сутки в интервале до 1 м (флювиогляциальные отложения) и около 0.7 см/сутки для более глубоких слоев зоны аэрации, сложенных легкими суглинками. Быстрее всех мигрирует по породам зоны аэрации ион О. Скорость миграции N-NO3 меньше; самая низкая скорость миграции у N-NH4. С глубиной количество N-NO3 и N-NH4 уменьшается. Это сокращение происходит в результате процессов сорбции, иммобилизации, усвоения N растениями и др.
Принципы районирования водосбора водохранилища и характеристика выделенных районов
Районирование любой территории представляет собой «идентификацию природной среды и техногенной нагрузки по количественно-качественным критериям» (Челидзе, 1988). Сельскохозяйственные водосборы водохранилищ являются важнейшим фактором риска увеличения уровня евтрофности водоема. На настоящий момент качество воды Иваньковского водохранилища как питьевого резервуара г. Москвы находится под жестким государственным контролем. Само по себе районирование имеет многоцелевое назначение, однако в данном случае оно играет роль инструмента регулирования сельскохозяйственных нагрузок на экосистему водохранилища, то есть несет региональные управленческие функции.
На основании проведенных полевых, лабораторных и опытных работ, а также моделирования было выполнено районирование изучаемой территории по степени уязвимости грунтовых вод к сельскохозяйственным загрязнителям. В основу районирования положено время прохождения загрязнителя (нитратов) через зону аэрации до УГВ, которое в зависимости от геологического строения территории составляет от месяцев до нескольких лет. Выбранная для расчетов нагрузка в 450 кг N/ra является максимальной, учитывая интенсивное развитие в перспективе сельского хозяйства изучаемой территории. К тому же надо иметь в виду, что в странах Европы с аналогичными природными условиями уже давно применяются дозы N около 500 кг/га. На рис. 30 представлена карта районирования водосбора Иваньковского водохранилища по уязвимости грунтовых вод к соединениям N, где указываются рассчитанные нами допустимые нагрузки по азотсодержащим удобрениям. Всего нами выделено четыре района.
I район с условно неуязвимыми грунтовыми водами занимает водоразделы, сложенные плотными моренными суглинками с УГВ более Зм. Опытные полевые работы и последующее моделирование показали, что нитраты двигаются вниз по суглинистой зоне аэрации со средней скоростью около 0.5 см/сут (0.2 до 1.4), проходя эту зону за 400-700, иногда свыше 1000 суток. При таких скоростях фильтрации часть нитратов успевают усвоить растения, интенсивно происходят процессы сорбции нитратов железистыми новообразованиями, протекают процессы денитрификации. Концентрация продвигающегося раствора нитратов с глубиной уменьшается и на глубине 2.5 - 2.8 м практически становится «фоновой» (0.1-0.2мг N /л). В этом случае загрязнения не происходит. Согласно карте модулей современной нагрузки на территории этого района нагрузка не превышает ПО кг N/ra, что согласно выполненным исследованиям является неопасным для грунтовых вод. Таким образом, в пределах района I возможно применение высоких доз минеральных и органических удобрений (более 300 кг N/ra). К району I отнесены также торфяные массивы с мощностью торфа более 1 м. На основании проведенных лабораторных и полевых опытов было доказано, что торфяники обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к нитратам и в связи с этим они хорошо экранируют сельскохозяйственные загрязнения, не пропуская их на УГВ.
II район со слабо уязвимыми грунтовыми водами занимает водораздельные участки, сложенные чередованием песков и суглинков. Время продвижения нитратов до УГВ составляет 200 - 400 суток, в зависимости от скорости миграции нитратов (0.5-2.5 см/сут) и преобладания в разрезе песчаных или суглинистых прослоев. Глубина залегания грунтовых вод обычно составляет 2 - 5 м. После внесения удобрений на поля концентрация нитратов в поровом растворе с глубиной уменьшается. Однако это снижение концентрации не столь значительное, чтобы не представлять опасности с точки зрения загрязнения. Если концентрация N-NO3 в поровом растворе на границе с УГВ равна или более 10 мг N/л, то происходит загрязнение ГВ. Такая динамика нисходящей миграции раствора нитратов обычно наблюдается в существенно опесчаненной зоне аэрации, где время достижения УГВ
Условные обозначения. Степень уязвимости по времени достижения N - N03 уровня грунтовых вод. сутки: 1 - 400, условно неуязвимые, район I: 2- 200- 400, слабо уязвимые, район II; 3 - 100 - 200, уязвимые, район III; 4 - 100, район IV, весьма уязвимые; 5 - заболоченные территории; 6 - границы районов; 7- границы внутри районов Составлена Е.Е. Штритер немногим превышает 200 суток. На карте модулей современной нагрузки в пределах описываемого района показаны нагрузки в 20 - 100 кг N/ra, которые не являются опасными с точки зрения загрязнения грунтовых вод. Однако к району II отнесена также территория в низовьях р. Орши, где модуль нагрузки по N составляет 690 кг N/ га, что сильно превышает принятую нами для расчетов величину. Этот участок испытывает, антропогенную перенагрузку, здесь наблюдается загрязнение грунтовых вод нитратами. Таким образом, в пределах II района рекомендуется внесение удобрений в пределах принятых в настоящее время норм (50 - 150 кг N/ra). На участках с высокой антропогенной нагрузкой (более 300 кг N /га) требуется особая технология внесения удобрений - дробная, в несколько приемов, при этом общая доза удобрений не должна превышать 150 кг N/ra.
III район с уязвимыми грунтовыми водами занимает территории близ рек Волги, Шоши, Ламы, Тверцы и Сози. Зона аэрации представлена песками, залегающими на суглинках. Глубина УГВ составляет около 3 м. Время продвижения нитратов на УГВ составляет 100 - 200 суток, то есть практически за один вегетационный сезон нитраты проходят путь до УГВ. В пределах этого района грунтовые воды часто содержат N-NO3 свыше ПДК, причем в ноябре-октябре концентрация нитратов максимальная, к весне-лету она сокращается, а к осени вновь возрастает. Современная антропогенная нагрузка по N в пределах описываемого района составляет около 100 кг /га близ г. Тверь, достигая 276 кг N /га близ д. Слобода, что является очень высокой для данных природных условий. Рекомендуемые нормы внесения азотных удобрений - до 50 кг N/ra, причем их следует вносить дробно.
IV район с весьма уязвимыми грунтовыми водами занимает низкие террасы р. Волги, Сози, Тверцы и др., сложенные преимущественно песчано-галечниковыми отложениями. Эти образования имеют высокие коэффициенты фильтрации ( до 10 м/сут), УГВ залегает от 1 до 3 м, что способствует сравнительно быстрому вымыванию нитратов до УГВ и существенному их загрязнению . Время продвижения нитратов на УГВ составляет до 100 суток, причем в период выпадения осадков просачивание происходит очень быстро (за несколько недель), а в летний засушливый период, когда влажность пород зоны аэрации низкая, происходит некоторая задержка нитратов в породах зоны аэрации, однако с наступлением осенних дождей вертикальное движение возобновляется и нитраты достигают УГВ. Вода в большинстве колодцев и родников этого района содержит повышенное количество N-NO3. В некоторых колодцах, например, в д. Городня, содержание N-NO3 достигает 35-50 мг/л, что является уже опасным для здоровья человека. Антропогенная нагрузка в районе составляет 30 - 50 кг N/ra, но встречается и очень высокая в окрестностях городов, особенно на территориях птицефабрик. В район IV частично входит водоохранная зона Иваньковского водохранилища в пределах которой требуется соблюдение специальных правил, разработанных для нее. Здесь применение удобрений должно быть минимальным (20 - 50 кг N/ra), а в прибрежной полосе шириной 500 м применение удобрения вообще не допускается.
