Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности подземных вод исследуемого района 8
2. Экономические и природные условия района томского водозабора 22
2.1. Экономика района 22
2.2. Природные условия района Обь-Томского междуречья 23
3. Геологические условия района исследований 29
3.1. Тектоническое строение района 29
3.2. История геологического развития 31
3.3. Стратиграфическое описание пород кровли фундамента и осадочного чехла34
3.4. Химический и минералогический состав 39
4. Гидрогеологические условия района томского водозабора 52
4.1. Основные водоносные комплексы района 53
4.2. Гидродинамический режим подземных вод 60
4.3. Защищенность подземных вод Томского месторождения 65
4.4. Характеристика Томского подземного водозабора и его влияния на режим подземных вод района 69
5. Геохимия природных вод района исследований 75
5.1. Состав атмосферных осадков района 81
5.2. Состав поверхностных вод (рек, озер, болот) и лизиметрических вод почв... 85
5.3. Воды спорадического распространения 92
5.4. Геохимия подземных вод 95
5.5. Изотопы водорода в природных водах района 118
6. Эколого-геохимическое состояние подземных вод района исследований и трансформация их состава 123
6.1. Методика эколого-гидрогеохимических исследований 123
6.2. Оценка современного состояния подземных вод района 123
6.3. Временная гидрогеохимическая изменчивость состава вод месторождения в условиях нарушенного и ненарушенного гидродинамических режимов 129
7. Источники химических элементов в составе подземных вод района томского водозабора 137
7.1. Количественная оценка вклада атмо-, био- и литогенного этапов формирования в составе подземных вод района 138
7.2. Природные геохимические условия формирования подземных вод района. Процессы и факторы, способствующие мобилизации вещества 143
7.3. Основные формы миграции химических элементов на основе физико-химических расчетов комплексообразования и вероятностно-статистических расчетов. Процессы массопереноса 147
7.4. Равновесия подземных вод с породообразующими минералами неоген-четвертичного и палеогенового водоносных комплексов 154
8. Прогноз качества подземных вод района 177
Заключение 187
Список использованной литературы 190
- Природные условия района Обь-Томского междуречья
- Гидродинамический режим подземных вод
- Воды спорадического распространения
- Оценка современного состояния подземных вод района
Введение к работе
Актуальность. Проблема чистой питьевой воды - одна из главнейших глобальных проблем нашего времени, - не случайно 2003 год объявлен ООН годом чистой воды. Так, СР. Крайнов отмечает, что "химический состав вод в ряде районов интенсивного водоотбора уже не соответствует химическому составу, полученному при разведочных гидрогеологических работах и оценке эксплуатационных запасов». Порой такие изменения носят необратимый характер. «Широкое использование подземных вод поставило перед гидрогеологией ряд специфических гидрогеохимических задач, связанных с выявлением их качества, анализом причин изменения химического состава воды в процессе эксплуатации месторождений, изучением геохимии некондиционных элементов и т.д. Крайне актуальной стала задача прогноза качества подземных вод» (Кирюхин, 1993).
Поскольку подземные воды Томской области часто содержат трудно удаляемые примеси, они являются малопригодными для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Поэтому вопрос сохранения кондиционных вод региона в условиях их постоянно возрастающего загрязнения приобретает особое значение.
Объектом нашего исследования является одно из крупнейших месторождений питьевых подземных вод Томской области, месторождение Томское, расположенное в северной части Обь-Томского междуречья. А предметом научного исследования является изучение геохимии подземных вод района Томского водозабора с целью оценки и прогнозирования их состояния и последующей охраны.
Томское месторождение подземных вод непрерывно эксплуатируется с декабря 1973г. подземным водозабором. Уже в течение первого десятилетия эксплуатации Томского месторождения наметились небольшие изменения в качестве вод эксплуатируемого водоносного горизонта, что вполне естественно, учитывая происходящие гидродинамические изменения. Так, помимо изменений в микрокомпонентном составе подземных вод эксплуатируемого горизонта, на некоторых участках были отмечены тенденции к изменению макрокомпонентного состава, и даже геохимического типа подземных вод (с гидрокарбонатно-кальциевого на хлоридно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый за счет «подтягивания» из нижележащих горизонтов хлоридно-натриевых минерализованных вод). Кроме того, было отмечено усиление вертикальной фильтрации близповерхностных вод на глубину, что привело к углублению, обмелению и даже осушению ряда мелких рек, болот и водоемов, расположенных в зоне максимального влияния водозаборного сооружения, а также к трансформации ландшафтов.
Сейчас можно сказать, что выводы, сделанные предыдущими исследователями на основе богатейшего фактического материала, характеризующего гидродинамические и геохимические осоенности вод территории Томского водозабора, носят достаточно расплывчатый характер и не дают однозначного ответа на ряд актуальнейших вопросов. Естественно, в одном исследовании невозможно исчерпывающе дать ответы на все интересующие вопросы, однако на ряд наиболее актуальных в научно-исследовательском плане, автор попытался ответить. Цель работы. Изучение геохимии подземных вод района Томского водозабора, выявление признаков их загрязнения, оценка экогеохимического состояния, выявление процессов формирования состава вод в условиях природного и нарушенного режимов, прогноз состояния.
Основные задачи: 1) изучить геохимию вод района на всех этапах их формирования (атмогенном, биогенном и литогенном); 2) выполнить эколого-геохимическую оценку состояния эксплуатируемого и смежных с ним водоносных комплексов; 3) изучить литолого-минералогический состав водовмещающих пород; 4) выявить источники химических элементов в подземных водах; 5) рассчитать равновесие подземных вод с основными породообразующими минералами методами физико-химическими термодинамики; 6) выявить временные тенденции в изменчивости состава подземных вод в областях с нарушенным и ненарушенным гидродинамическими режимами; 7) дать прогноз изменения качества подземных вод Томского месторождения и рекомендации по дальнейшему исследованию, эксплуатации и их охране. Методика исследования. Какими же способами вычленить природные V гидрогеохимические флюктуации и наложенные на них антропогенные процессы? Вопрос упирается в методику решения.
Хорошие результаты в этом направлении исследований показывают вероятностно-статистические методы исследований. Кроме того, для теоретического изучения источников вещества подземных вод, давно и достаточно плодотворно применяется методика расчета термодинамических равновесий, призванная ответить на вопрос: «За счет каких минералов и в каких геохимических условиях может сформироваться современный состав вод эксплуатируемого комплекса?» Этой методикой решаются как ретроспективная, так и прогнозная задачи формирования состава подземных вод. Поскольку данные методы способны дать ответы на поставленные вопросы, они и легли в основу методологии работы. Анализ, систематизация и эколого-геохимическая оценка материалов гидрогеохимических исследований проводились с учетом рекомендаций или инструкций ВСЕГИНГЕО, ГОСТов, СанПиН и ряда других специализированных изданий, с применением большого числа вероятностно-статистических методов. Для решения поставленных задач выполнялись расчеты термодинамических равновесий в системе «вода-порода» и изучение форм массопереноса элементов в составе вод района с применением методов физико-химической термодинамики. В частности, применялся метод физико-химических равновесий, разработанный в 1960-х годах P.M. Гаррелсом и Ч.Л. Крайстом (1968). Гидрогеохимический прогноз был выполнен на основе методов множественной регрессии и временных серий. В работе были активно использованы возможности пакетов программ Statistica, Surfer, Corel Draw, Excel, Access, Word а также результаты расчетов в авторском пакете программ HydrGeo (автор - Букаты М.Б.).
В результате гидрогеохимических исследований выявлены основные факторы формирования химического состава подземных вод с ненарушенным режимом и антропогенно-инициированные источники химических веществ подземных вод, а также дана оценка и прогноз качества подземных вод Томского месторождения. Исходные материалы. Для написания диссертационной работы были использованы научные материалы, собранные автором в процессе работы в лаборатории гидрогеологии и гидрогеохимии ТО ОИГГиМ СО РАН, переименованного в 1998г. в ТФ ИГНГ СО РАН. Кроме того, для выполнения данной работы были использованы данные многочисленных отчетов и ежегодников ТКГРЭ за 1968-1995гг., накопленные в результате съемочных работ, режимно-мониторинговых наблюдений, фондовых материалов ГК г.Томска и ГУПР Томской области, данные режимных гидрогеохимических и гидродинамических наблюдений, предоставленные автору ОГУП ТЦ «Томскгеомониторинг», данные МП «Томскводоканал», информация, полученная в результате комплексного гидрогеохимического опробования, проведенного в 1993-94гг. ТО ОИГГиМ при непосредственном участии автора, личные материалы, предоставленные автору Н.А. Ермашовой, а также данные единичных опробований, выполненных автором в течение 1996-2003гг. в составе полевого отряда ТФ ИГНГ. Также широко привлекались данные, опубликованные в научной литературе.
Всего в процессе наших исследований было изучено 220 литолого-минералогических анализов, 96 химических анализов горных пород района Обь-Томского междуречья, свыше 1000 анализов вод отложений палеогенового, неоген-четвертичного и верхнемелового возраста, отобранных начиная с 1973 по 1999гг., а также порядка 30 анализов проб воды из коллектора станции водоподготовки МП «Томскводоканал» за 1999-2001гг., тысячи наблюдений гидродинамических напоров в режимных скважинах. Значительная часть гидрогеохимических данных была отбракована как непредставительная.
Работа автора заключалась в участии в периодическом отборе гидрогеохимических проб, в сборе, отбраковке, обобщении и систематизации данных по химическому составу подземных вод района Томского водозабора, проведении расчетов и статистической обработке, а также - в интерпретации полученных в ходе вероятностно-статистических процедур и термодинамического моделирования результатов.
В работе защищаются следующие положения:
В исследуемом районе наблюдается обычная вертикальная гидрогеохимическй зональность, причина которой состоит в смене условий водообмена с активного промывного на относительно замедленный. Это обеспечивает формирование разных по составу, но в основном пресных качественных вод (кроме содержаний Fe и Мп), за исключением верхнемелового комплекса, в котором встречаются солоноватые воды.
Основным источником химических элементов в составе пресных подземных вод района Томского водозабора является континентальная толща водовмещающих отложений (более 50% вещества), значительный вклад вносит также органическое вещество (до 40%). При этом доля антропогенной составляющей в настоящее время незначительна и не превышает 3%.
Основными факторами техногенной трансформации состава подземных вод являются процессы ускоренной миграции загрязнителей в зонах влияния эксплуатационных скважин, изменение интенсивности водообмена в пределах верхнего водоносного комплекса, а также процессы су б вертикального подтягивания некондиционных вод из нижележащего комплекса.
Практическая значимость работы заключается в оценке перспектив развития природно-техногенной системы Томского месторождения подземных вод и возможности инженерно-технического управления качеством подземных вод, а также - в выдаче рекомендаций по защите, дальнейшей эксплуатации и исследованиям. Научная новизна работы заключается в применении методов термодинамического моделирования и математической статистики для выявления источников происхождения вещества в составе вод эксплуатируемого месторождения подземных вод, основных тенденций в изменении состава вод в процессе эксплуатации за продолжительный период времени - 30 лет, в приложении к конкретному объекту -Томскому месторождению.
Апробация работы. Отдельные разделы работы были доложены на региональной научно-практической конференции «Естественные науки» ТГУ, 1994; на международном научном конгрессе «Молодежь и наука - третье тысячелетие», ТПУ, 1997; на второй международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова, ТПУ, 1998; на научно-практической конференции молодежи «Проблемы региональной экологии» в ТФ Института леса, 1998; на 10-м международном конгрессе «Гидрогеология и управление использованием земель» в Братиславе, 1999; на международной научной конференции «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия», ТФ ИГНГ, 2000; на международном симпозиуме «1 идрогеология и окружающая среда» в Китайском университете геонаук, 2000, 2003; на франко-российском семинаре «Загрязнение окружающей среды и управление природными ресурсами», ТПУ, 2000; на региональной конференции геологов Сибири и Дальнего Востока, Томск, 2000; на III Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» ИОМ, Томск, 2002; на конференции «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург, 2002; на годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения», Москва, 2003. Также некоторые положения работы опубликованы в журналах «Обской вестник», 1999, «Вестник ТГУ», 2003 и в монографии «Эколого-биогеохимические исследования в бассейне Оби», 2002. Кроме того, часть работы была выполнена при поддержке гранта № 1777 ОИГГиМ СО РАН и доложена на двух заседаниях Научного Совета этого Института, двух заседаниях кафедры ГИГЭ ТПУ, а также на заседаниях Научного Совета ТФ ИГНГ СО РАН.
Работа выполнена под чутким руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора С.Л. Шварцева, которому автор особенно признателен за постоянную помощь. В процессе исследований автор также активно пользовался консультациями к.г.-м.н. Н.А. Ермашовой, д.г.-м.н. М.Б. Букаты, к.г.-м.н. В.А. Зуева, д.г.-м.н. Н.М. Рассказова и многих других ученых, влияние которых на научное мировоззрение автора весьма значительно. В проведении работ, сборе данных помощь автору оказали доценты кафедры ГИГЭ ТПУ Н.А. Ермашова, Н.М. Шварцева и О.Г. Савичев, за что автор приносит им свою глубочайшую благодарность. За предоставленные материалы хочется поблагодарить сотрудников ОГУП ТЦ «Томскгеомониторинг» В.А. Льготина, Ю.В. Макушина, В.П. Шинкаренко, сотрудников МП «Томскводоканал», ГУПР Томской области и ТКГРЭ. Только благодаря поддержке коллективом ТФ ИГНГ СО РАН стала возможной эта работа.
Природные условия района Обь-Томского междуречья
Описание компонентов ландшафтов района Томского водозабора приводится на основании материалов производственных отчетов (Мокренко, 1969; Шварцев, 1996; Алыпанский, 2001), литературных данных (Евсеева, 2001), личных материалов Н.А. Ермашовой и наблюдений автора.
В геоморфологическом отношении Обь-Томское междуречье представляет собой пологую, слабо расчлененную эрозионно-аккумулятивную, местами - аккумулятивную (древние ложбины стока и долины современных рек), равнину среднечетвертичного возраста (aQn-ni) с абсолютными отметками 75-180м На ее относительно плоской поверхности имеются овраги, лога, врезанныедолины малых рек, поймы речных долин и надпойменные террасы. Поверхностный водораздел на территории Обь-Томского междуречья смещен в сторону долины р.Оби. На водораздельных пространствах современная эрозионная деятельность развита слабо, поэтому межгривные понижения иногда заболочены. Здесь развиты крупные, линейно вытянутые болотные массивы, приуроченные к верховьям малыхрек, например, Пороса и Кисловки. Пониженные участки междуречной равнины расчленены достаточно густой гидрографической сетью и многочисленными оврагами с крутыми склонами, где четко выражены суффозионные явления (ложные террасы и цирки). На склонах водораздельных пространств имеются блюдцеобразные западины суффозионного происхождения. По берегам крупных рек хорошо развиты три надпойменные террасы с отметками 80-110 м. Поймы ровные, со старицами и веерами блуждания; абсолютные отметки - 70-80 м (Мокренко, 1969). Значительная заболоченность территории междуречья (до 4-5% поверхности) снижает инфильтрацию атмосферных осадков на водосборах. Относительно плоский рельеф в сочетании со слабым эрозионным врезом речной сети (до 10-25м) обуславливает малые уклоны пьезометрической поверхности подземных вод междуречных равнин, их низкую естественную дренированность, и, соответственно, относительно медленный характер их движения. Особенностью Обь-Томского междуречья является расчлененность озерно-аллювиальной равнины древними ложбинами стока, простирающимися в пределах района исследований с северо-востока на юго-запад (рис. 2.3.). Ложбины стока были созданы деятельностью кратковременных мощных водно-ледниковых потоков самаровского и более поздних оледенений, образовавшихся в плейстоценовое время в результате неоднократных прорывов ледниковых плотин (Кривенцов, 2000; Капишникова, 2000). На правом берегу Томи, в зоне выхода на поверхность отложений Колывань-Томской складчатой области, такие ложбины не наблюдаются, т.к. эта область испытала положительные тектонические движения еще до плейстоцена. Поверхность ложбин древнего стока преимущественно плоско-волнистая, чередующаяся с гривисто-ложбинными участками, относительная высота грив - от 5 до 12 м, длина - до нескольких километров, ширина - 50-100 м. Отложения ложбин древнего стока представлены супесями, песками с прослоями-линзами суглинков и глин. Кроме того, на поверхности ложбин стока, также как и на водораздельной равнине, имеются дюнно-грядовые формы рельефа с покровом супесчаных отложений, сформированные в результате позднейшей эоловой переработки ранних форм. Это так называемые лессовидные суглинки, образовавшиеся в условиях прохладного аридного климата (Хромых, 1972; Шварцев, 1996).
Климат данной территории континентально-циклонический умеренно-теплый. Среднегодовая температура здесь составляет +0,2С. Продолжительность зимнего периода - 145 дней, средняя температура января -19,2С. Лето длится 113-115 дней, средняя температура июля +18,1 С. Период лежания снежного покрова составляет 172-190 дней. Радиационный годовой баланс - 0,11 МДж/см . По количеству осадков район относится к зоне умеренного увлажнения. Годовое количество осадков 450-650 мм, что превышает испаряемость на 100-170 мм. Наибольшее количество осадков приходится на период года с мая по октябрь.
Растительный покров Обь-Томского междуречья представлен несколькими типами растительных сообществ. В связи со сменой увлажненности граница зон средней и южной тайги проходит по территории междуречья приблизительно на широте г.Томска, что отражается на постепенной смене растительных сообществ с юга на север. Доминируют смешанные леса (сосна, береза, осина, нередко - ель, пихта и кедр), широко распространенные на междуречной равнине и приуроченные к повышенным элементам рельефа. Подлесок (ива козья, рябина, черемуха, шиповник и прочие) развит слабо. Травяной покров густой, представлен хвощами, осоками, таежным и болотным разнотравьем. Сфагновые мхи встречаются в борах, на болотах развиваются гипновые мхи.
На части территории Обь-Томского междуречья лес был уничтожен человеком, эти пространства сейчас занимают луга, богатые по видовому составу растений, а также - посевы овса, ячменя, картофеля и других сельскохозяйственных культур, нуждающихся в значительном количестве удобрений. В 1970-80-е года здесь проводилась добыча торфа, сопровождающаяся мелиоративными мероприятиями.
Почвенный покров междуречной равнины неоднороден, формируется в соответствии с особенностями геоморфологического строения района, происхождением и составом поверхностных отложений, а также - характером растительности (рис. 2.4).
На территории изученной части Обь-Томской междуречной равнины можно выделить 3 почвенных подзоны: подзону с преобладанием серых лесных почв в центральной и юго-восточной части, дерново-подзолистых - на севере, северо-западе и востоке, и подзону с господством подзолистых почв - на юге. Торфяные почвы распространены локально, в пределах водораздельных пространств, склонов междуречной равнины, надпойменных террас или в поймах рек.
Гидродинамический режим подземных вод
Описание компонентов ландшафтов района Томского водозабора приводится на основании материалов производственных отчетов (Мокренко, 1969; Шварцев, 1996; Алыпанский, 2001), литературных данных (Евсеева, 2001), личных материалов Н.А. Ермашовой и наблюдений автора.
В геоморфологическом отношении Обь-Томское междуречье представляет собой пологую, слабо расчлененную эрозионно-аккумулятивную, местами - аккумулятивную (древние ложбины стока и долины современных рек), равнину среднечетвертичного возраста (aQn-ni) с абсолютными отметками 75-180м На ее относительно плоской поверхности имеются овраги, лога, врезанныедолины малых рек, поймы речных долин и надпойменные террасы. Поверхностный водораздел на территории Обь-Томского междуречья смещен в сторону долины р.Оби. На водораздельных пространствах современная эрозионная деятельность развита слабо, поэтому межгривные понижения иногда заболочены. Здесь развиты крупные, линейно вытянутые болотные массивы, приуроченные к верховьям малыхрек, например, Пороса и Кисловки. Пониженные участки междуречной равнины расчленены достаточно густой гидрографической сетью и многочисленными оврагами с крутыми склонами, где четко выражены суффозионные явления (ложные террасы и цирки). На склонах водораздельных пространств имеются блюдцеобразные западины суффозионного происхождения. По берегам крупных рек хорошо развиты три надпойменные террасы с отметками 80-110 м. Поймы ровные, со старицами и веерами блуждания; абсолютные отметки - 70-80 м (Мокренко, 1969). Значительная заболоченность территории междуречья (до 4-5% поверхности) снижает инфильтрацию атмосферных осадков на водосборах. Относительно плоский рельеф в сочетании со слабым эрозионным врезом речной сети (до 10-25м) обуславливает малые уклоны пьезометрической поверхности подземных вод междуречных равнин, их низкую естественную дренированность, и, соответственно, относительно медленный характер их движения. Особенностью Обь-Томского междуречья является расчлененность озерно-аллювиальной равнины древними ложбинами стока, простирающимися в пределах района исследований с северо-востока на юго-запад (рис. 2.3.). Ложбины стока были созданы деятельностью кратковременных мощных водно-ледниковых потоков самаровского и более поздних оледенений, образовавшихся в плейстоценовое время в результате неоднократных прорывов ледниковых плотин (Кривенцов, 2000; Капишникова, 2000). На правом берегу Томи, в зоне выхода на поверхность отложений Колывань-Томской складчатой области, такие ложбины не наблюдаются, т.к. эта область испытала положительные тектонические движения еще до плейстоцена. Поверхность ложбин древнего стока преимущественно плоско-волнистая, чередующаяся с гривисто-ложбинными участками, относительная высота грив - от 5 до 12 м, длина - до нескольких километров, ширина - 50-100 м. Отложения ложбин древнего стока представлены супесями, песками с прослоями-линзами суглинков и глин. Кроме того, на поверхности ложбин стока, также как и на водораздельной равнине, имеются дюнно-грядовые формы рельефа с покровом супесчаных отложений, сформированные в результате позднейшей эоловой переработки ранних форм. Это так называемые лессовидные суглинки, образовавшиеся в условиях прохладного аридного климата (Хромых, 1972; Шварцев, 1996).
Климат данной территории континентально-циклонический умеренно-теплый. Среднегодовая температура здесь составляет +0,2С. Продолжительность зимнего периода - 145 дней, средняя температура января -19,2С. Лето длится 113-115 дней, средняя температура июля +18,1 С. Период лежания снежного покрова составляет 172-190 дней. Радиационный годовой баланс - 0,11 МДж/см . По количеству осадков район относится к зоне умеренного увлажнения. Годовое количество осадков 450-650 мм, что превышает испаряемость на 100-170 мм. Наибольшее количество осадков приходится на период года с мая по октябрь.
Растительный покров Обь-Томского междуречья представлен несколькими типами растительных сообществ. В связи со сменой увлажненности граница зон средней и южной тайги проходит по территории междуречья приблизительно на широте г.Томска, что отражается на постепенной смене растительных сообществ с юга на север. Доминируют смешанные леса (сосна, береза, осина, нередко - ель, пихта и кедр), широко распространенные на междуречной равнине и приуроченные к повышенным элементам рельефа. Подлесок (ива козья, рябина, черемуха, шиповник и прочие) развит слабо. Травяной покров густой, представлен хвощами, осоками, таежным и болотным разнотравьем. Сфагновые мхи встречаются в борах, на болотах развиваются гипновые мхи.
На части территории Обь-Томского междуречья лес был уничтожен человеком, эти пространства сейчас занимают луга, богатые по видовому составу растений, а также - посевы овса, ячменя, картофеля и других сельскохозяйственных культур, нуждающихся в значительном количестве удобрений. В 1970-80-е года здесь проводилась добыча торфа, сопровождающаяся мелиоративными мероприятиями.
Почвенный покров междуречной равнины неоднороден, формируется в соответствии с особенностями геоморфологического строения района, происхождением и составом поверхностных отложений, а также - характером растительности (рис. 2.4).
На территории изученной части Обь-Томской междуречной равнины можно выделить 3 почвенных подзоны: подзону с преобладанием серых лесных почв в центральной и юго-восточной части, дерново-подзолистых - на севере, северо-западе и востоке, и подзону с господством подзолистых почв - на юге. Торфяные почвы распространены локально, в пределах водораздельных пространств, склонов междуречной равнины, надпойменных террас или в поймах рек.
Воды спорадического распространения
На литогенном этапе формирования ультрапресные воды, унаследовавшие геохимические характеристики формирующих их ландшафтов, вступают во взаимодействие с минеральной фазой горных пород. На данной стадии литолого-фациальные, структурно-тектонические особенности водовмещающих пород района и их минералогический состав оказывают заметное влияние на качественный состав подземных вод.
Воды спорадического распространения встречаются на территории Обь-Томского междуречья на локальных участках равнинной части, в местах, где преимущественно эоловые отложения залегают на локальных водоупорах, состоящих из глинисто-суглинистых пород лагернотомской или кочковской свит. Водовмещающие отложения имеют песчано-супесчаный, иногда суглинистый состав, и залегают в виде линз мощностью 10-40м. Они слагают грядовые формы рельефа на междуречной равнине, водораздельных склонах и на высоких террасах крупных рек.
Верховодки гидрокарбонатный кальциево-магниевый, с возросшей ролью SO4 и СГ. Сера и хлор являются биофильными элементами, поэтому их присутствие в водах самого верхнего водоносного горизонта не случайно, однако, их естественные концентрации не превышают нескольких мг/л. Минерализация вод варьирует в среднем от 266 до 322 мг/л, достигая максимальных значений (636-1100мг/л) в зоне аэрации, сложенной лессовидными суглинками, а значения рН изменяются в довольно широких пределах - от 6 до 8,5.
Наибольшая трансформация состава инфильтрогенных вод в зоне аэрации наблюдается на выровненных участках междуречной равнины, где верхняя часть зоны аэрации представлена хорошо сформированными серыми лесными почвами на мощных толщах глинисто-суглинистых отложений. Лессовидные суглинки, распространенные преимущественно в юго-восточной части междуречья, также заметно трансформируют состав вод, в основном, за счет растворения карбонатов, цементирующих эти отложения. Соответственно повышаются минерализация вод (до 0,6-0,8г/л, иногда - больше) и значения рН, достигающие 7-8,5. Воды, развитые в песчаных отложениях зоны аэрации, в среднем имеют гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав, что говорит о хорошей промытости вмещающих отложений. Воды спорадического распространения в районе в хозяйственно-питьевых целях не употребляются из-за превышений нормативных показателей более чем по 3-м показателям одновременно.
Своеобразна геохимия пойм и надпойменных террас крупных рек района -Оби и Томи, выделяемых в качестве отдельных геохимических ландшафтов. Почва и аллювий этих форм рельефа содержат геохимические реликты, преимущественно следы былых геохимических обстановок (гумусовые, железистые, марганцевые, известковые и другие аккумуляции). Здесь также образуются болота, заболоченные участки и мелкие озера. В зависимости от длительности затопления на поймах формируются различные элементарные ландшафты - от лугов и лесов на прирусловых гривах до травяных болот притеррасной поймы. Здесь широко развивается оглеение, типоморфным элементом является энергично мигрирующее железо. Постоянный приток взвешенных наносов и растворимых веществ обогащает поймы подвижным Са, Fe, Мп, В и другими водными мигрантами. Кроме того, эти реки, судя по гидродинамическим показателям, являются дренами для подземных вод юго-восточной части Западно-Сибирского артезианского бассейна. Химический состав их вод и минерализация в целом аналогичны геохимии малых рек района.
Воды спорадического распространения и грунтовые воды районов пойм и надпойменных террас Обь-Томского междуречья связаны с геохимией подчиненных ландшафтов этих форм рельефа (локальных понижений), они зачастую становятся приемниками близповерхностного стока со склоновых участков междуречной равнины, с возвышенных участков надпойменных террас, и даже разгружающихся подземных потоков. Таким образом, их геохимический состав зависит от большого количества трансформирующих факторов.
Итак, можно обобщить, что после попадания атмогенных вод в первый от поверхности невыдержанный водоносный горизонт, воды достигают близкой минерализации и сходного состава с водами зоны гипергенеза умеренного климата (гидрокарбонатно-кальциевые, 354мг/л, по С.Л. Шварцеву, 1998). Таким образом, воды приобретают характерный для подземных вод ионно-солевой состав за счет инконгруэнтного растворения минералов, выщелачивания, десорбции и ионного обмена. Они утрачивают свою агрессивность, и дальнейшее их формирование полностью зависит от характера процессов взаимодействия воды с породами и интенсивности водообмена.
Оценка современного состояния подземных вод района
Охарактеризуем основные следствия поверхностного загрязнения зоны питания Томского месторождения. В составе вод самого верхнего водоносного горизонта прослеживается антропогенное влияние, так как в единичных пробах, отобранных в южной и юго-восточной части Обь-Томского междуречья с наибольшим развитием сельского хозяйства, отмечаются высокие концентрации сульфат-иона (12-58 мг/л), хлора (до 12 мг/л) и соединений группы азота. Основными загрязнителями близ поверхностных вод выступают нитраты, нитриты, СПАВ, нефтепродукты, сульфат-ион, хлор и натрий, пестициды, масштабы использования и, соотвественно, содержания в водах которых в последние десятилетия сильно сократились, а также ряд специфических загрязнителей, характерных для выбросов предприятий г.Томска.
Максимальные обнаруженные концентрации N02" достигают здесь 0,2 мг/л, а N03" - 6 мг/л, указывая на явно антропогенный характер загрязнения. Учитывая то, что данные анализы были отобраны в 1979-81гг., можно предположить значительное влияние сельского хозяйства района на состав верховодки того времени. В настоящий момент очаги такого загрязнения значительно уменьшились. Они сильно пространственно привязаны к населенным пунктам или крупным сельскохозяйственным предприятиям на территории района. А такие стойкие ядохимикаты как ТМТД, ГХЦГ, ДДТ, 2.4Д, гранозан, хлорофос, карбофос в этих водах, по данным A.M. Алыпанского (2001), содержатся ниже порога определения.
Состав грунтовых вод и верховодки междуречной равнины не удовлетворяет санитарным нормативам по таким показателям как значения окисляемости, содержания железа, марганца - постоянно, а по концентрациям бария, кремния, берилия, брома, иона аммония - эпизодически. Грунтовые воды районов пойм и террас имеют также превышения по концентрациям фенолов, возможно, природного происхождения, органических кислот, а в пределах загрязненных территорий максимальные концентрации N03" и РЬ достигали 18мг/л и 45мкг/л соответственно.
Неоген-четвертичный комплекс
В предудущей главе, посвященной гидрогеохимии Томского водозабора, было показано, что превышения нормативных значений для подземных вод неоген-четвертичного комплекса, тесно связанного с близповерхностными, наблюдаются в непосредственной близости от населенных пунктов, животноводческих и сельскохозяйственных предприятий.
Присутствие в водах антропогенной составляющей устанавливается по концентрациям в водах комплекса нитритов и нитратов, максимальные содержания которых достигают 0,1 и 16,56мг/л соответственно (по данным 1997-99гг., табл. 6.1), однако в среднем они далеки от предельно допустимых значений. На основании сведений, приведенных в бюллетене ТЦ «Томскгеомониторинг» (№3, 2000), в водах неоген-четвертичного комплекса в 1999г. наблюдался ряд аномалий, обусловленных антропогенным загрязнением этого водоносного горизонта. Так, в юго-восточной части Обь-Томского междуречья наблюдались повышенные относительно фоновых концентрации сульфатов (6-18,3 мг/л в отдельных скважинах в районе населенных пунктов Кисловка, Эушта, Нижний Склад при фоновом значении 0-5 мг/л), нитратов (7-19 мг/л в районе населенных пунктов Эушта, Нижний Склад при фоновом значении 0-2 мг/л), аммония (1,6-2,3, до 2,6 мг/л в южной части междуречья и в долине р.Кисловка при фоновом значении 0-1 мг/л).
В водах неоген-четвертичных отложений железо (Fe +Fe ) содержится обычно в количествах до 10 (редко - до 20) мг/л. Поскольку железо и марганец в этом комплексе ассоциируются с органическими кислотами (гуминовыми и фульвокислотами), их удаление из состава воды представляет техническую сложность.
По концентрациям фтора (0,5 ПДК 1,5мг/л) и йода (по Ю.К. Смоленцеву, 1991, среднесуточная физиологическая потребность в йоде человека составляет 0,2мг) воды часто не соответствуют требованиям СанПиН в связи с их малой концентрацией. А избыток брома в воде региона (среднесуточная физиологическая потребность в броме человека составляет 0,82мг) может вызывать угнетение функций щитовидной железы. Величина общей жесткости в водах комплекса, как правило, невелика и в среднем в 1,5-2 раза ниже СанПиН, хотя бывают и превышения. Концентрации макро- и микрокомпонентов в большинстве проб меньше значений, установленных СанПиН, превышения наблюдаются постоянно только для Fe, Мп, периодически для Р043", H4Si04, Ва, Вг, фенолов (промежуточных продуктов преобразования гумусовых кислот) и органических кислот. Наблюдающийся периодически избыток кремния (ПДК8і=10мг/л) в водах комплекса может приводить к развитию мочекаменной болезни и другим заболеваниям. Таким образом, по комплексу учтенных содержаний нормируемых неорганических и органических веществ, воды неоген-четвертичного комплекса можно отнести к загрязненным до среднего уровня, обусловленного, в основном, природными ландшафтно-геохимическими и геолого гидрогеологическими условиями района. Локально воды комплекса загрязнены веществами антропогенного происхождения до уровней, превышающих фоновые, редко - до уровней, превышающих санитарные нормативы. Учитывая вышеназванные недостатки вод комплекса, а также - в связи с образованием трудно удалимых металл-органических и хлор-органических комплексов (в процессе хлорирования воды), воды не пригодны для централизованного водоснабжения, хотя активно эксплуатируются одиночными скважинами и групповыми водозаборами.
Палеогеновый комплекс
В отличие от близповерхностных вод и вод неоген-четвертичного комплекса, воды палеогенового водоносного комплекса не несут на себе явных признаков антропогенного загрязнения.
Присутствие в воде нитратов и нитритов, которые, как известно, служат признаком начинающегося загрязнения, пока незначительно. Их распределение отчетливо указывает на связь с зоной питания месторождения, расположенной как раз на юго-востоке междуречья. Об этом же свидетельствуют результаты анализа хлорсодержащих пестицидов, которые показали, что в большинстве проб эти сильно токсичные соединения не фиксируются. Только в одной из опробованных эксплуатационных скважин (скв.8э) зафиксированы гептохлор (0,12 мкг/л, СанПиН -0,05мг/л) и 2,4-Д (1,5 мкг/л, СанПиН - 0,03мг/л), в то время как в режимных скважинах эти же соединения фиксируются в несколько больших количествах (до 0,18 и 2,9мкг/л соответственно). Все скважины, в которых обнаружены пестициды, приурочены к зоне максимального развития депрессионной воронки.
Похожие диссертации на Геохимия подземных вод района Томского водозабора
