Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Факторы формирования геологической среды г. Новочеркасска 11
1.1. Природные факторы 11
1.1.1. Физико-географический очерк 11
1.1.2. Геолого-гидрогеологические факторы 18
1.2. Техногенные факторы 28
1.2.1. Источники загрязнения 29
1.2.2. Вещества, загрязняющие геологическую среду 32
1.2.3. Загрязнение природных сред г. Новочеркасска 34
ГЛАВА 2 . Развитие процесса подтопления на территории г. Новочеркасска 40
2.1. Ретроспективный анализ гидрогеологической обстановки 40
2.2. Факторы подтопления 44
2.3. Оценка динамики и масштабов подтопления городской территории 46
2.4. Баланс грунтовых вод 55
2.5. О связи режима грунтовых вод с солнечной активностью (на примере г. Новочеркасска) 58
ГЛАВА 3 . Гидрогеохимическая обстановка в условиях подтопления 64
3.1. Химический состав грунтовых вод 64
3.2. Агрессивность грунтовых вод 71
ГЛАВА 4. Загрязнение грунтовых вод 82
4.1. Загрязнение грунтовых вод металлами 82
4.1.1. О связи загрязнения тяжелыми металлами грунтовых вод и почв городской территории 96
4.2. Загрязнение грунтовых вод специфическими органическими веществами 99
ГЛАВА 5. Районирование территории г. Новочеркасска по степени подтопления 113
ГЛАВА 6 . Районирование по степени риска подтопления 121
6.1. Оценка степени опасности подтопления 122
6.1.1. Степень опасности по положению уровня грунтовых вод 122
6.1.2. Степень опасности по изменению качества грунтовых вод... 123
6.1.3. Степень опасности изменения свойств грунтов при подтоплении 123
6.2. Оценка степени уязвимости подтоплению 129
6.3. Оценка степени риска подтопления 132
ГЛАВА 7 . Рекомендации по инженерной защите территории г. новочеркасска от подтопления 134
Заключение 136
Список литературы 139
- Физико-географический очерк
- Ретроспективный анализ гидрогеологической обстановки
- Химический состав грунтовых вод
- Загрязнение грунтовых вод металлами
Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе развития производительных сил взаимодействие техносоциальной и природной подсистем (в рамках сложных природно-техногенных систем), особенно в крупных городах, все более усиливается, приобретая неблагоприятные последствия для обеих подсистем и весьма негативные (вплоть до угрожающих) для природной подсистемы. Часть природной подсистемы - геологическая среда - в условиях многофункционального использования ее городским хозяйством нуждается в систематической весьма серьезной плановой и планомерной защите от деградации. Такая защита должна предваряться компетентной оценкой состояния геологической среды и сопровождаться достоверным прогнозом ее изменения.
Анализ и прогноз изменений геологической среды в городах являются сложной проблемой, включающей одновременно изучение территориальных инженерно-хозяйственных особенностей, геологической среды, условий их взаимодействия. Эта проблема имеет различные целевые, масштабные, пространственно-временные аспекты. Сегодня из-за несогласованности учета динамики природных и социально-экономических факторов, недостаточного организационного, правового, информационного, методического обеспечения зачастую возникают многочисленные конфликтные ситуации разного свойства, в том числе и изменения окружающей среды, наносящие огромный ущерб народному хозяйству.
Из элементов геологической среды наибольшей динамичностью обладают подземные воды. Взаимодействуя с горными породами, рельефом, геофизическими и геохимическими полями, с техносферой и другими блоками природы, подземные воды быстро реагируют на техногенные воздействия. Различные виды хозяйственной деятельности оказывают специфическое воздействие на подземные воды и, как следствие, вызывают различные изменения геологической среды. Эти изменения приводят к нарушению состояния поверхностных биоценозов, подтоплению и заболачива-
5 нию территорий, интенсификации техногенных геологических процессов -оползневых, эоловых, коррозионных, оседания грунтов и др.
Являясь неотъемлемой частью окружающей природной среды, геологическая среда испытывает на себе все негативное влияние мощной техногенной нагрузки, вследствие чего деградирует. Деградация геологической среды г. Новочеркасска выразилась прежде всего в развитии крупномасштабного площадного подтопления территории агрессивными грунтовыми водами в обоих районах города, загрязнении грунтовых вод и почвенного покрова тяжелыми металлами, токсичными органическими соединениями - полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), в их числе бенз(а)пиреном, в неблагоприятном изменении физико-механических свойств и, как следствие, в снижении несущей способности грунтов, деформациях зданий и сооружений.
Неблагоприятное изменение геологической обстановки явилось следствием не только высокой техногенной нагрузки, но и ведения промышленного и гражданского строительства без учета особенностей гидрогеологической и инженерно-геологической обстановки города, неприятия не только кардинальных, но и превентивных мер по предупреждению и ликвидации неблагоприятных физико-геологических процессов, несмотря на предупреждения ученых и проектных организаций.
Государственная статистика свидетельствует о высоком уровне заболеваемости горожан, особенно критических групп населения, подтверждающих наличие значительного ущерба здоровью населения, связанного с влиянием неблагоприятных факторов окружающей среды. В начале 90-х годов по уровню заболеваемости органов дыхания и злокачественным новообразованиям г. Новочеркасск входил в первую десятку экологически неблагополучных городов. Как дети, так и взрослые, живущие в Новочеркасске, в 1.5 - 2,0 раза чаще обращаются за медицинской помощью по поводу бронхо-легочных заболеваний, болезней органов пищеварения, эндокринной системы, чем в целом по Ростовской области.
Геологическая среда г. Новочеркасска нуждается в систематической плановой и планомерной защите от деградации. Такая защита должна предваряться компетентной оценкой состояния геологической среды.
Цель работы. Исследование изменений геологической среды территории г. Новочеркасска под воздействием техногенных факторов и, в первую очередь, подтопления городской территории грунтовыми водами.
Основные задачи исследований.
Проанализировать гидрогеологическую и инженерно-геологическую ретроспективную информацию, выполнить детальные полевые гидрогеологические работы, комплекс аналитических исследований для выявления антропогенных изменений гидрогеологической обстановки на территории г. Новочеркасска.
Исследовать пространственно-временную динамику уровенного режима грунтовых вод и ее связь с природными и техногенными факторами и процессами.
Изучить спектр загрязняющих веществ в грунтовых водах, выявить среди них приоритетные специфические загрязняющие вещества и установить зоны их повышенных концентраций в грунтовых водах на территории города.
Изучить спектр загрязняющих веществ в грунтовых водах, выявить среди них приоритетные специфические загрязняющие вещества и установить зоны их повышенных концентраций в грунтовых водах на территории города
Произвести районирование территории г. Новочеркасска по степени подтопления, оценить степень риска подтопления на основе анализа и оценки возможных негативных ситуаций на застроенной территории и степени уязвимости территории подтоплению.
Фактический материал и методы исследований. В диссертации изложены результаты исследований и разработок, выполненных автором в 1991-2001 гг. при проведении комплексных гео-
7 экологических исследований на территории г. Новочеркасска под руководством доцента Л.М. Родионовой. За этот период автор принимал непосредственное участие в рекогносцировочном обследовании территории города (310 км), буровых, опытно-фильтрационных работах, отборе проб грунтовых вод и пород зоны аэрации, проведении режимных наблюдений за уровнем грунтовых вод. Всего было пробурено 429 скважин, отобрано 340 проб грунтовых вод, 220 проб пород зоны аэрации.
Химические анализы проб грунтовых вод на содержание макрокомпонентов, тяжелых металлов были выполнены в лаборатории Гидрохимического института Госкомгидромета РФ. Лабораторные исследования проб грунтовых вод на содержание органических токсикантов проведены в Гидрохимическом институте под руководством д.х.н. А.Г. Страдомской и в Центре по исследованию природных ресурсов при АзНИИРХа под руководством академика РАЕН А.Д. Семенова (г. Ростов-на-Дону).
Автор участвовал в сборе, обработке и анализе обширной ретроспективной гидрогеологической и инженерно-геологической информации, содержащейся в фондах различных организаций (530 отчетов и проектов, 840 результатов химического анализа проб грунтовых вод, результаты изучения более 6000 монолитов грунта).
Решение поставленных задач осуществлялось на основе обработки и критического анализа фактического материала на основе компьютерных технологий. При создании баз данных была использована программа «PARADOX». При статистических исследованиях использовался пакет прикладных программ «STATISTICA», электронные таблицы типа MS EXCEL. Для построения карт-схем города и прогностических карт использовались прикладные программы «SURFER», «GEOSHAPER». При районировании по степени риска подтопления были использованы методические разработки ВНИИ ВОДГЕО.
8 Научная новизна работы.
Впервые исследована динамика процесса подтопления, установлена его стадийность, дана оценка масштабов подтопления городской территории грунтовыми водами.
Показано наличие закономерного изменения качественного состава грунтовых вод на различных стадиях подтопления. Проведена оценка уровня загрязнения грунтовых вод в условиях подтопления.
Впервые подтопление городской территории было оценено с учетом высоты эффективного капиллярного поднятия, конкретных глубин заложения фундаментов и характера подтопления (сезонное, эпизодическое, постоянное, циклическое и др.).
Установлена как основа долгосрочного прогноза зависимость между уровенным режимом грунтовых вод на территории г. Новочеркасска в условиях подтопления и одним из проявлений солнечной активности -числами Вольфа.
Достоверность научных положений.
Результаты исследований включены составной частью в «Материалы по оценке состояния объектов окружающей среды и здоровья населения г. Новочеркасска Ростовской области» и проект Федеральной целевой программы «Неотложные мероприятия по выводу г. Новочеркасска Ростовской области из состояния чрезвычайной экологической ситуации», которые получили положительное заключение экспертной комиссии государственной экологической экспертизы и рекомендации к реализации проекта Программы. Последнее было утверждено Приказом Государственного комитета РФ по охране окружающей среды от 6 марта 2000 г. № 130.
Практическое значение работы.
Получены научно-обоснованные и практически подтвержденные выводы об экологическом состоянии геологической среды, доказательности ущербообразующей роли процесса подтопления на территории г. Новочер касска. Реализация выводов и рекомендаций позволит оздоровить экологи ческую обстановку, снизить ущерб от негативных последствий.
Материалы исследований в комплексе работ по оценке экологического состояния г. Новочеркасска легли в основу программы экологической реабилитации г. Новочеркасска.
Получен обширный фактический материал, который можно рассматривать как базу для последующих экологических работ.
Полученные результаты использованы для обоснования инвестиций в строительство систем инженерной защиты от подтопления.
Данные исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов геоэкологического профиля в горно-геоло-гическом и строительном институтах ЮРГТУ.
Апробация работы и публикации.
Основные положения работы доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Проблемы геологии и геоэкологии Юга России и Кавказа» (1997 г.), на Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии юга России и Северного Кавказа» (1999 г.), 2-ой Всероссийской школе молодых ученых и специалистов «Геоэкология на современном этапе развития наук о Земле» в г. Аксай Ростовской области (2000 г.), на Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии юга России и Северного Кавказа» (2002 г.), на ежегодных научно-практических конференциях ЮРГТУ (НПИ) (1996-2001 гг.). Материалы, положенные в основу диссертации, изложены в 10 печатных работах, 2 работы находятся в печати.
Основные защищаемые положения.
Подтопление в различных частях города (промышленной и исторической) имеет различную генетическую природу и различные масштабы проявления, что обусловлено особенностями геолого-гидрогеологических условий и техногенными факторами.
Подтопление на застроенной территории устойчиво и прогрессирует во времени. По степени подтопления селитебной и промышленной застройки, вызывающей деградацию наземных экосистем, территория
10 г. Новочеркасска относится к зоне экологического бедствия (промышленный район) и чрезвычайной экологической ситуации (историческая часть города).
Геохимические ассоциации загрязняющих веществ обусловлены техногенными факторами и приурочены к основным источникам загрязнения. Геохимические ореолы в грунтовых водах или точно совпадают с расположением соответствующих аномалий в почвах или несколько смещены по потоку грунтовых вод.
Анализ степени опасности подтопления территории и степени уязвимости зданий и сооружений подтоплению позволяет ранжировать участки городской территории по степени риска подтопления. Наибольшему риску подвержены практически вся промышленная застройка и преобладающая часть селитебной застройки города.
Объем работы. Диссертационная работа состоит введения, шести глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 139 наименований.
Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора И.А. Богуша и кандидата геолого-минералогических наук, доцента Л.М. Родионовой, которым автор за постоянную помощь и поддержку на всех этапах работы глубоко благодарен.
Автор признателен кандидату геолого-минералогических наук, доценту Э.И. Ткачуку за постоянную поддержку и консультации в выполнении исследований. Автор с признательностью отмечает советы и ценные замечания доктора геолого-минералогических наук, профессора В. И. Коробкина. В процессе сбора материалов автору поддержку и внимание оказали кандидаты геолого-минералогических наук Т. И. Чернова, И. Н. Донецкая, Ю. Б. Текучев, которым автор искренне признателен. Автор благодарит коллег по ЮРГТУ кандидатов геолого-минералогических наук А. А. Бурцева, И. И. Сендецкого, С. И. Сьяна, А. Г. Химченко за ценные советы и практическую помощь.
Физико-географический очерк
Климат. Характеристика климата г. Новочеркасска представлена по результатам наблюдений, выполненных в период с 1881 г. метеостанциями Новочеркасска, Ростова (ГМО) и Шахт. По климатическим условиям район г. Новочеркасска находится в полуаридной зоне юга Европейской части России в западной провинции недостаточного увлажнения с умеренно-континентальным климатом. Средняя годовая температура воздуха в городе равна +8,8 С при абсолютном минимуме -32,7 С и абсолютном максимуме 39,5С. Среднемесячная многолетняя температура самого холодного месяца (января) - -5,8 С, самого теплого (июля) - +22,8 С.
Среднее годовое количество атмосферных осадков в городе составляет 497 мм, большая часть которых (293 мм) выпадает за теплый период, меньшая (204 мм) - за холодный. Основное количество осадков (свыше 70 %) выпадает в жидком виде, в твердом - 7 %, в смешанном - 15 %. Средняя дата появления снежного покрова 30 ноября, его сход - 24 марта. Средняя интенсивность осадков в холодный период незначительна (0,2-0,4 мм/год). Летом за счет ливневых дождей интенсивность увеличивается и в июне-июле достигает 1,7-1,9 мм/год. Сопоставимость количества осадков с величиной испарения показывает, что в теплый период количество испаряемой влаги больше, чем количество осадков. Отсюда следует, что инфильтрация осадков в зоне аэрации летом весьма незначительная, особенно, если учесть ливневый характер дождей в это время. В холодный период года (ноябрь-март) количество выпадающих осадков в 1,5-2 раза больше, чем величина испарения. Именно зимой и ранней весной осуществляется инфильтрационное питание подземных вод (за исключением периода промерзания почвы). Инфильтрация атмосферных осадков и загрязняющих веществ в почву в естественных условиях возможна в течение всего безморозного периода. В июле-сентябре попадающие на поверхность почвы осадки расходуются на испарение и на пополнение почвенной влаги, а также на водное питание растительности. Кроме того, в этот период подавляющее количество осадков выпадает в виде ливней, и дождевые воды стекают в поверхностные водоемы, не успевая просачиваться в почву. В сентябре-октябре выпадает минимальное количество осадков, которое гораздо больше величины испарения из почвы. Наиболее благоприятные условия для инфильтрации поверхностных вод на глубину создаются в осенне-весенний период. Ветровой режим города формируется под воздействием широтной циркуляции, особенно хорошо выраженной в холодный период. Постоянство восточных румбов - характерная черта ветрового режима г. Новочеркасска. В течение года наибольшая повторяемость (40 %) ветра восточных направлений отмечается в ноябре, наименьшая (около 20 %) - в июне-июле, когда увеличивается (до 19-22%) повторяемость западных ветров. Повторяемость ветров других направлений очень мала. Средние годовые скорости ветра 3,9 м/сек. Максимальные значения характерны для зимнего периода, весны и 11 половины осени (4,9-5,6 м/сек). Ветры восточных румбов, как правило, имеют скорости от 5 до 12 м/сек, достигая временами 20 м/сек.
По данным снеговой съемки, выполненной сотрудниками Гидрогеохимического института в 1992 году, минерализация снега на территории города колеблется в широких пределах. Из ионов преобладают кальций и сульфаты, в некоторых случаях - гидрокарбонаты. Максимальные концентрации основных ионов, также железа (0,68 мг/л) обнаружены в мкр. Хо-тунок. Из определяемых элементов (Си, Ni, Мп, V, Mo, Al, Fe, Pb, Со, Ag, Ві, Ті, Sn) наибольшие концентрации характерны для меди и марганца (в среднем 21,0 и 17,5 мкг/л соответственно). В большинстве проб обнаружен свинец, концентрации которого не превышают 8,0 мкг/л (на Хотунке 56 мкг/л). Минерализация жидких атмосферных осадков изменяется от 18,5 до 11,8 мг/л. По химическому составу относятся к гидрокарбонатному классу группе натрия, в некоторых пробах - к сульфатному классу группе кальция. Концентрация железа не превышает 0,05 мг/л, из микроэлементов обнаружены марганец, алюминий.
Таким образом, климатические условия территории города определяют наибольшее поступление загрязняющих веществ в зону аэрации и грунтовые воды в осенне-весенний период года, когда возможна инфильтрация атмосферных осадков; аридный климат противодействует формированию подтопления, но способствует засолению почво-грунтов при высоких уровнях грунтовых вод. Гидрография. Гидрографическая сеть в пределах г. Новочеркасска представлена реками Аксай, Тузлов, Грушевка, балками и оврагами ста-ричного типа.
Река Аксай - правый рукав древней дельты р. Дон - берет свое начало из Дона в 2 км северо-западнее станицы Мелиховской, оконтуривает юго-восточную и южную стороны Новочеркасского холма и вновь впадает в Дон спустя 100 км. Расход реки зависит от атмосферных осадков и уровня воды в р. Дон. В летние и зимние месяцы, особенно во время засух, река Аксай на отдельных участках пересыхает, сохраняя свое русло в виде отдельных плесов. В то же время на участке от пос. Донского до устья река имеет сравнительно равномерный сток, что в значительной степени определяется влиянием сбросов технической воды Новочеркасской ГРЭС.
Река Тузлов берет свое начало в пределах Донецкого кряжа на высоте 200 м над уровнем Азовского моря, течет в широтном направлении, окаймляя г. Новочеркасск с запада в промышленной зоне, с севера и востока - в старой части города, и в районе станицы Кривянской впадает в р. Аксай. Основными притоками реки выше г. Новочеркасска являются p.p. Крепкая и Несветай, в черте города - р. Грушевка, балки Сухая и Мокрая, Кадамовка, Тангаши. Водный режим р. Тузлов определяется, в основном, атмосферными осадками и характеризуется весенним половодьем и низкой летней меженью. Зимнее снегонакопление обеспечивает при сильном промерзании почвы высокое и продолжительное половодье, в течение которого проходит преобладающая часть годового стока (до 50 %), в теплые зимы последняя может снижаться до 20 %.
Ретроспективный анализ гидрогеологической обстановки
Первые общие сведения о подземных водах описываемой территории опубликованы еще в XVIII и XIX столетиях в работах А.А. Борисяка, Н.И. Левановского, Н.А. Соколова и других. Первые сведения о водоносности пород неогена в окрестностях Новочеркасска встречаются в работах П.И. Бутова, Н.Ф. Погребова, относящихся к 1903-1904 гг. Геологическое изучение территории города связано с именами В.В. Богачева и К.И. Лисицына, которые еще в дореволюционное время дали описание отложений, слагающих Новочеркасский холм, их стратиграфическое расчленение, описание геологических условий и некоторых свойств грунтов оснований. Исследования К.И. Лисицына были посвящены изучению гидрогеологической обстановки старой, исторической части города (1914-1917 гг.) [63]. Им впервые было установлено подтопление отдельных участков города. По данным К.И. Лисицина подъем уровня грунтовых вод (УГВ) на территории Новочеркасского холма начался за 4 года до начала исследований и не прекращался во время их проведения. Он проявлялся в подъеме УГВ в колодцах, затоплении подвалов, погребов, появлении выходов грунтовых вод в виде источников по периферии холма. В начале
1916 г. УГВ поднялся в колодцах на 0,7-4,0 м, среднегодовая амплитуда подъема уровня составила 1 м. Повторные замеры УГВ в колодцах летом 1916 г. показали, что подъем уровня продолжался, но амплитуда подъема уменьшилась до 0,2-0,8 м. В качестве основного фактора, способствовавшего подъему уровня грунтовых вод, К.И. Лисицин считал изменившиеся климатические условия. Период полевых исследований (1915-1916 гг.) совпал с пиком влажного периода, во время которого количество атмосферных осадков увеличилось на 100 мм в год, относительная влажность возросла на 3 %, температура воздуха понизилась, климат стал более влажным. При этом подъем УГВ происходил не только на территории г. Новочеркасска, но, как показали опросы жителей, также в х. Персианов-ка и других населенных пунктах Области войска Донского.
Таким образом, факт подтопления территории старой части города грунтовыми водами известен еще с дореволюционного времени. Развивался этот процесс в условиях, приближенных к естественным, и обусловлен был особенностями геологического строения и климатическими факторами, в частности, барражным эффектом кровли подстилающих скифских глин, имеющих неровную поверхность, осложненную поднятиями и углублениями, препятствующими оттоку грунтовых вод при дополнительном инфильтрационном питании. Значительную роль в интенсивном подъ 42 еме УГВ в процессе строительства и эксплуатации зданий сыграл и техногенный фактор подтопления территории города, о чем свидетельствуют результаты исследований промышленной части города.
Изучение геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий Промышленного района было начато в связи с застройкой территории. Так, в 30-х годах начато строительство паровозостроительного завода (АО «НЭВЗ»), в предвоенное время - проектирование электродного завода. Изыскания проводились В.Н. Зубцовским, О.Н. Голубинцевым, Н.В. Алемановым. Одновременно велось строительство поселков Соцгород, Рабочего городка, расширение пос. Хотунок, военного аэродрома, военного городка, других объектов. Полученная информация позволяет отметить, что на территории Промышленного района до его освоения грунтовые воды не имели сплошного распространения и в пределах надпойменных террас были вскрыты одиночными скважинами в пониженных участках рельефа на глубинах от 10,0 до 17,5 м.
В 1939 г. была издана сводная работа П.Д. Гончарова «Гидрогеологический очерк Ростовской области», в которой были обобщены имеющиеся материалы. В годы Великой Отечественной войны гидрогеологические исследования были связаны с изысканием источников водоснабжения и оценкой гидрогеологических и инженерно-геологических условий оборонных сооружений. С работами по усилению водоснабжения железнодорожных узлов и промышленных центров.
В послевоенные годы рядом проектно-изыскательских организаций (Гипроалюминий, Ростовоблпроект, Ростовгипрошахт, Ростовсовхозстрой и др.) проводятся изыскания для обоснования промышленного и гражданского строительства - пос. Октябрьского, заводов № 17 и J\e 31, расширение НЭВЗа и НЭЗа. Большой вклад в изучение геологического строения района и его гидрогеологических условий был сделан геологами Волгодонского геологического управления. В 1956-1957 гг. под руководством Е.Н. Липацковой были проведены исследования подземных вод с целью водоснабжения НЭВЗа. Впоследствии ею составлена гидрогеологическая карта Ростовской области масштаба 1:500 000 и ряд кадастровых работ, включивших сведения о скважинах, пробуренных на территории г. Новочеркасска.
Химический состав грунтовых вод
Гидрогеохимический режим городской территории в условиях подтопления формируется на фоне естественных гидрогеохимических особенностей, обусловленных региональной ландшафтно-геохимической зональностью и связанными с ней процессами накопления и трансформации солевых масс в породах и растворах. Приуроченность территории к Тузлово-Манычскому прогибу и геоморфологическим структурам двух типов: пон-тическому плато (старая часть города) и долинам p.p. Тузлова и Грушевки определяет в качестве основных факторов формирования гидрогеохимического режима засушливость климата и историю геологического развития территории в четвертичный период, которые привели к накоплению значительных солевых масс в толще четвертичных отложений, а также степень естественной дренированности различных частей территории [18].
В естественных условиях состав грунтовых вод региона подчиняется широтной гидрогеохимической зональности, в соответствии с которой территория города относится к провинции преимущественного развития сульфатных натриевых вод, зоне континентального соленакопления и реликтового засоления лессовидных суглинков [19].
Как следует из работ О.И. Лисицина, охватившим в 1912-1917 г.г. территорию г. Новочеркасска [62, 63], для грунтовых вод района города в естественных условиях была характерна значительная изменчивость минерализации и качественного состава, обусловленная общими закономерностями распространения грунтовых вод в сухих степях: наряду с водами высокой минерализации, превышающей 10 г/л, широко были развиты воды повышенной минерализации, а в понижениях рельефа встречались также пресные воды. В целом для природных грунтовых вод территории юга степной зоны характерен сульфатно-натриевый химический состав с минерализацией в пределах 1-5 г/л, типична нейтральная и слабощелочная реакция среды. Изменение химического состава грунтовых вод связано с рядом факторов: подъемом их уровня, приносом химических компонентов фильтрующимися промстоками, потерями из водоводов, полей фильтрации, отстойников и т. п., растворения солей в литогенной части геологической среды.
В условиях подтопления неизбежно происходит изменение качественного состава грунтовых вод, обусловленное влиянием природных и техногенных факторов. На территории г. Новочеркасска формирование гидрогеохимических условий происходит под мощным воздействием техногенных факторов -выпадений из атмосферы загрязняющих веществ, выбрасываемых промышленными предприятиями, НчГРЭС и автотранспортом; аварийных и систематических утечек из водонесущих коммуникаций, отстойников и прудов-накопителей, сбросов сточных вод и т. п. Эти факторы, распределенные дискретно во времени и в пространстве, создали сложную картину формирования состава грунтовых вод, активно взаимодействующих с вмещающими реликтово засоленными суглинками, что привело к специфической гидрогеохимической обстановке, сформировавшейся к началу 90-х годов.
Для выяснения количественных особенностей формирования гидрогеохимического режима на фоне подтопления территории основных районов города данные были сгруппированы в выборки по временным интервалам (70-е, 80-е и 90-е годы) Полученные результаты позволяют отметить, что в 1970-80 гг. грунтовые воды территории города по классификации Алекина О.А. в подавляющем большинстве относятся ко 11 типу, значительно реже - к 1 типу (рис. 7а). Воды 1 типа распространены на территориях, неподверженных техногенным изменениям (пойма p.p. Тузлова и Грушевки, северовосточная часть Промышленного района).
В старой части города, на Новочеркасском холме, грунтовые воды характеризуются наибольшим диапазоном изменения минерализации - от 1.89 до 12.52 г/дм при среднем значении 4.74 г/дм (рис. 76). Воды с максимальной минерализацией встречены в центральной и южной части Первомайского района, на остальной части территории преобладает вода с ми-нерализацией 3-6 г/дм . В Промышленном районе минерализация изменя-ется от 1 до 9 г/дм . Наиболее минерализованные воды встречены в районе южной оконечности НЭВЗа и отстойных сооружений НЗСП (9.91 г/дм ).
Химический состав грунтовых вод характеризуется преобладанием сульфатов, значительно реже представлены воды двухкомпонентного анионного состава (сульфатно-хлоридные, реже сульфатно-гидрокарбонатные) и совершенно отсутствуют воды трехкомпонентного состава. По ка-тионному составу воды натриевые, натриево-кальциевые (новая площадка НЗСП, НЭВЗ, отстойники п. Донского), кальциево-магниевые (м-н Черемушки), реже магниево-кальциевые.
Загрязнение грунтовых вод металлами
В пределах территории г. Новочеркасска, насыщенной крупными промышленными предприятиями и находящейся под воздействием выбросов НчГРЭС, особое место в загрязнении грунтовых вод занимают тяжелые металлы. Из-за низкой регенеративной способности грунтовых вод по сравнению, например, с поверхностными, их загрязнение металлами следует рассматривать как опасный фактор риска, усугубляющийся тем, что грунтовые воды дренируются разветвленной речной сетью и могут служить источником ее загрязнения. Кроме того, в связи с небольшими (преимущественно) глубинами залегания грунтовых вод последние в условиях полуаридного климата могут служить вторичным источником загрязнения зоны аэрации и почвенного покрова. В целом же загрязнение грунтовых вод металлами, особенно тяжелыми, крайне нежелательно вследствие их высокой токсичности.
Тяжелые металлы - индикаторы других видов загрязнения среды, требующих более трудоемких исследований. Распределение металлов во многих случаях отражает структуру загрязнения окружающей среды соединениями серы, оксидами азота, синтетическими органическими соединениями.
Для оценки загрязнения грунтовых вод металлами в летний период 1992-1994 гг. отобрано 249 проб воды, из них 23 пробы - за пределами городской территории. Точки опробования расположены во всех селитебных районах города, на территориях, прилегающих к предприятиям-загрязнителям и накопителям жидких и твердых отходов, в зонах рекреации. Наряду со скважинами опробовано небольшое количество колодцев, находящихся в частном секторе застройки. Содержание металлов определялось в лаборатории Гидрохимического
института Госкомгидромета с помощью усовершенствованного варианта химико-спектрального метода с фотографированием спектра, применяемого в настоящее время на сети ОГСНК Госкомгидромета. Метод предназначен для определения в природных водах микрограммовых количеств 13 металлов, перечень которых (Mn, Pb, Fe, Ві, А1, Ті, Mo, Sn, V, Cu, Ag, Co и Ni) включает основные металлы-загрязнители и отражает общие черты техногенных геохимических потоков, формирующихся в результате сжигания на НчГРЭС восточно-донбасских углей, влияния промышленных предприятий, автотранспорта и других факторов антропогенного загрязнения города. Нижние границы определяемых содержаний этих металлов из расчета на один элемент: Mn, Bi, А1, Мо, V, Ni, Со - 0,15; Fe, Ті, Sn - 0,3; Си, Ag - 0,1; Pb -0,6 мкг/дм . Относительное стандартное отклонение не превышает ± 20 %.
Полученные результаты позволяют отметить, что из 13 упомянутых выше металлов во всех пробах обнаружены Ni и Мп (249 проб), почти во всех пробах (241-243 проб) - V, Mo, Al, Fe, Pb, в половине (120) проб - Со и Sn, а такие элементы, как Ag, Ві, Ті не обнаружены (табл. 6). Минимальные концентрации всех металлов в грунтовых водах, за исключением Мл, ниже предела чувствительности метода определений, максимальные - превышают ПДК лишь для некоторых из них. В частности, превышение ПДК составило: для Pb - 8; Al - 2,5; Mn - 1,75; Ni - 1,4; Fe - 1,3 ПДК. Максимальные концентрации ниже ПДК установлены: для Со и V - 0,7; Мо - 0,25; Sn - 0,19 ПДК. Средние концентрации металлов составили: Ni - 0,069; Со - 0,011; Си - 0,012; V - 0,046; Мо - 0,022; Sn -0,056; Al - 0,096; Fe - 0,668; Mn - 0,622; Pb - 0,090 ПДК. Таблица 6 Примечание. В числителе - минимальные и максимальные значения ( н.о. - ниже предела чувствительности метода определения). В знаменателе - среднеарифметические значения X; N - количество определений; Ст - техногенно-фоновые концентрации; Кс - коэффициент концентрации металлов.
В связи с тем, что химико-спектральным методом определена ограниченная группа элементов, проведена проверка наличия других металлов в 41 пробе грунтовых вод атомно-адсорбционным методом в лаборатории АзНИИРХа. Полученные результаты приведены в табл. 7 и позволили выявить наличие ионов Сг и Zn: в Первомайском районе (23 пробы) - соот-ветственно от 1 до 6,7 мкг/дм и от 2,3 до 80 мкг/дм , в Промышленном районе (18 проб) - до 4,7 и от 1,5 до 19,5 мкг/дм . В связи с тем, что Сг и Zn определены лишь в 18 % общего числа проб грунтовых вод, полученная информация в дальнейшем не учитывалась, а итоговая оценка загрязнения грунтовых вод металлами в целом занижена. Таблица 7 Содержание ионов Сг и Zn в грунтовых водах, мкг/дм
В качестве количественного критерия состояния загрязнения грунтовых вод тяжелыми металлами приняты фоновые концентрации, дающие достаточно полное представление о техногенных изменениях, в то время как ПДК используются при оценке качества водоносных горизонтов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
