Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Краткий обзор предшествующих исследований 9
1.1 Ранние этапы исследований природных вод региона 9
1.2 Прикладные гидрогеологические исследования 14
1.3 Специальные гидрогеологические исследования 17
Выводы по главе 1 .20
ГЛАВА 2 Условия формирования подземных вод исследуемой территории 23
2.1 Физико-географическая характеристика 23
2.2 Геологическое строение 32
Выводы по главе 2 40
ГЛАВА 3 Методика иследований 42
3.1 О современных гидрогеологических представлениях 42
3.2 Методы сбора, систематизации и интерпретации материалов 45
3.3 Источники загрязнения подземных вод 55
3.4 Дистанционные методы исследований 62
3.5 Защищенность гидросферы от загрязнения 64
3.6 Прогнозная оценка техногенной трансформации гидросферы 70
Выводы по главе 3 72
ГЛАВА 4 Результаты гидрогеологических исследований . ..74
4.1 Особенности формирования подземных вод в различных гидролого-гидрогеологических условиях 74
4.2 Защищенность подземных вод от загрязнения и картографирование источников загрязнения 92
4.3 Техногенная трансформация химического состава подземных вод 96
Выводы по главе 4 102
ГЛАВА 5 Защита и рациональное использование водных ресурсов 104
5.1 О состоянии водных ресурсов Гайского горнорудного района и сопредельных территорий 104
5.2 Основные тенденции техногенной трансформации химического состава подземных вод 106
5.3 Защита и рациональное использование подземных вод 110
Выводы по главе 5 120
Заключение 122
Список .литературы 125
- Прикладные гидрогеологические исследования
- Геологическое строение
- Источники загрязнения подземных вод
- Техногенная трансформация химического состава подземных вод
Введение к работе
Актуальность работы. В горнодобывающих районах Оренбуржья распространены опасные для гидросферы процессы, обусловленные большой техногенной нагрузкой, в частности, от разработки крупнейшего в мире Гайского медно-колчеданного месторождения. В Гайском горнодобывающем районе, в городах Гай, Орск и Новотроицк сосредоточена почти половина населения области. Уникальное по запасам и составу руд Гайское месторождение разрабатывается с 1959 г. Глубина двух карьеров достигла 300 м, а шахты более 600 м. За этот период накоплены сотни миллионов тонн твёрдых отходов производства, площадь депрес-сионной воронки достигла 30 км2, в водоёмы и окружающую среду (ОС), до внедрения оборотного водоснабжения, сбрасывались миллионы кубометров недостаточно очищенных сточных вод. Поэтому, и в настоящее время, источники водоснабжения населения продолжают загрязняться. Сформировалась сложная природно-техническая система, под которой в гидрогеологии понимается зона активного водообмена, испытывающая техногенные преобразования под воздействием создаваемой инженерной инфраструктуры. В связи с этим, гидрогеологические исследования района месторождения и разработка мероприятий по защите вод зоны активного водообмена от загрязнения весьма актуальны.
Цель работы: охарактеризовать гидрогеологические условия природно-технических систем района Гайского медно-колчеданного месторождения для обоснования мероприятий по снижению негативного воздействия техногенной нагрузки на водные объекты.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
оценка ресурсов и состояния подземных вод горнорудного района;
установление тенденции преобразований подземных вод;
разработка критериев по снижению техногенной нагрузки на подземные воды для стабилизации ситуации.
Объект исследований: состояние подземных вод исследуемого района, подверженных техногенному воздействию горно-рудных объектов.
Предмет исследований: природно-технические системы района и пути минимизации их техногенного воздействия на подземные воды.
Фактический материал и методы исследований. Использованы полевые, натурные фактические и фондовые картографические материалы, данные поисковых и геологоразведочных работ по месторождению, а так же материалы по эксплуатации подземных вод. Использован отечественный и зарубежный опыт по минимизации негативного воздействия на подземные воды природно-технических систем, включая аналитический метод, системный анализ техногенных воздействий на водную среду, лабораторные, расчётно-графические и экспериментальные исследования. Использованы гидрогеологические и географические материалы, данные по техногенным объектам и имеющиеся аналитические материалы по загрязнению подземных вод и ОС. Использованы результаты других исследователей по взаимодействию в системе «вода – порода» (известняки, песчаники на карбонатном и карбонатно-глинистом цементе). Собраны и систематизированы результаты физико-химических анализов проб природных и сточных вод (630 проб),
почв и грунтов (430 образцов). Использованы анализы водных вытяжек из почв и грунтов (370). Материалы собраны, как из фондовых источников, так и на 25% лично автором.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на основе типизации зоны активного водообмена по защищенности подземных вод от загрязнения, позволяющая осуществить моделирование природно-технической системы.
-
Гидрогеологические модели, позволившие раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности.
-
Критерии по снижению техногенной нагрузки, позволяющие минимизировать техногенное воздействие на подземные воды путем применения барьерных технологий.
Научная новизна:
выделены четыре типа вертикальной гидрогеологической зональности исследуемого района, что позволило раскрыть условия загрязнения подземных вод в плане и разрезе;
обоснована приуроченность каждого типа вертикальной гидрогеологической зональности к определенному типу районов, что использовано при оценке защищенности подземных вод;
разработаны критерии по защите подземных вод и водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения на основе применения барьерных технологий и модульных принципов оценки состояния вод.
Практическая значимость результатов:
установлены масштабы загрязнения и осолонения подземных вод в плане и разрезе, позволяющие прогнозировать возможность дальнейшего ухудшения ситуации в случае отсутствия необходимых мероприятий;
предложены рекомендации по минимизации техногенной нагрузки на подземные воды на основе применения барьерных технологий для защиты водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения.
Апробация результатов работы. Положения работы докладывались автором: на Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов»: Тюменский гос. ун-т, сентябрь 2010 г., на Всероссийской научной конференции: «Современная гидрогеология нефти и газа», посвященной 85-летию проф. А.А. Карцева. Москва, октябрь 2010 г., на Международных конференциях: «Антропогенная трансформация природной среды». Пермь, ПГУ, ноябрь 2010 г., «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации». Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, декабрь 2010 г., «Эколого-географические проблемы нефтегазовых регионов: теория, методы, практика». Нижневартовск, НГГУ, декабрь 2010 г., «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана». Уфа, ноябрь 2010 г. «Арчиковские чтения: науки о Земле и стратегия устойчивого развития». Чебоксары. Чувашский ун-т, ноябрь 2010 г., «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии». Московская обл., пос. Зеленый, ВСЕГИЕГЕО, апрель 2011 г., «Современ-
ные проблемы водохранилищ и их водосборов». Перм. гос. ун-т. Пермь, май 2011 г., на Международном симпозиуме «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (26-29.07.11; Хабаровск. Россия. ДВГУПС, на научной конференции «Комплексные проблемы гидрогеологии».– СПб.: С-Пб. ун-т, июнь 2011; на научных и научно-практических конференциях: «Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии», ТПУ: Томск, сентябрь 2011 г., «Географическое пространство: сбалансированное развитие природы и общества». Челяб. гос. пед. ун-т. Челябинск, октябрь 2011 г., «Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» Юж.-Рос. Гос. Техн. Ун-т (НПИ). Новочеркасск, март 2012 г., «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». Уфа, 22-25.05.12.
По материалам диссертации опубликовано 30 работ, включая 3 статьи в рецензированных журналах (доля автора 50 %). Результаты исследований внедрены в учебный процесс при изучении курсов «Гидрогеология», «Гидрогеоэкология» и «Природопользование Оренбуржья».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем текста - 145 страниц, количество рисунков - 32, таблиц - 7, библиографический список содержит 223 наименования.
Прикладные гидрогеологические исследования
Гидросфера и процессы техногенеза в системе вода – горная порода – газ – живое вещество в вододефицитных районах Оренбургской области, и в частности, бассейне р. Урал, исследованы недостаточно (рисунок 1.1). Первые сведения о регионе и полезных ископаемых Южного Урала были получены академическими экспедициями Российской академии наук в конце XVIII – начале XIX вв. В дальнейшем исследованиями здесь занимались А.П. Карпинский, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Л.С. Либрович, А.Л. Яншин, А.С. Хоментовский и др.
При исследовании распространения процессов формирования подземных вод важную роль играет закон естественно исторической зональности в природе, впервые сформулированный русским почвоведом В.В. Докучаевым для почвенно-растительного покрова, а в дальнейшем его учениками и последователями -по отношению к грунтовым водам.
Начиная с 50-х гг. прошлого столетия изучению глубинного строения подземной гидросферы способствовали материалы, полученные в результате поисков и разведки месторождений нефти и газа и глубокого бурения, на обширных площадях. Поэтому гидрогеологическая зональность наиболее изучена в пределах отрицательных структур земной коры на платформе, в краевых прогибах и межгорных впадинах. Для горно-складчатых областей, характеризующихся широким развитием трещинно-жильных вод, гидрогеохимическая зональность изучена гораздо слабее. В России систематическое изучение подземных вод началось в XVIII веке. В этот период основную роль в накоплении гидрогеологических данных в стране сыграла Российская Академия наук, учрежденная в 1724 г. указом Петра I. Глубокий след в науке оставил М.В. Ломоносов. Он высказал в своем фундаментальном труде «О слоях земных» идеи о зависимости состава подземных вод от водовмещающих пород. Большое значение для развития гидрогеологии имели академические научно-исследовательские экспедиции на Урал П.С. Палласа, Г. Абиха, Н.П. Рычкова, В.Ф. Зуева, И.И. Лепехина, Н.П. Соколова. В.Ф. Зуев отметил влияние физико-географических условий на состав и минерализацию грунтовых вод. Особое место занимают исследования специалистов Российского геологического комитета, учрежденного в 1882 г., а так же труды Р.И. Мурчисона, А.П. Карпинского, И.В. Мушкетова, Ф.Н. Чернышева, В.В. Докучаева. На развитие гидрогеологии повлияли разработки методов анализа природных вод на макро- и микроэлементы, на растворенные органические вещества, газы и микроорганизмы, и, прежде всего, работы А.Л. Потылицина, К.В. Харичкова, П.Л. Гинзбург-Карагичевой, Э. Бастон. Первые работы по изучению зональности подземных вод появились в конце XIX – начале XX вв. и были связаны с изучением водоносных систем, близко залегающих к поверхности земли, т.е. вод зоны аэрации и грунтовых вод. Эти работы были выполнены С.Н. Никитиным, В.В. Докучаевым, А.Д. Стопневичем и В.С. Ильиным.
Обзорная карта расположения Гайского горнорудного района I – Гайский горнорудный район с медно-колчеданным месторождением (1) и обогатительной фабрикой. Медно-колчеданные месторождения: 1 – Гайское; 2 – Медногорское; 3 – Летнее. II – город Оренбург – областной центр с районом Оренбургского нефтегазового комплекса (ОНГК), нефтегазоконденсатным месторождением и газоперерабатывающим заводом Еще в 1914 г. гидролог П.В. Отоцкий, ученик В.В. Докучаева, отметил: «По мере движения на юг грунтовые воды углубляются и минерализуются». Он выделил с севера на юг четыре широтные зоны грунтовых вод, различающиеся глубиной залегания и минерализацией: 1) неглубокие, сливающиеся с поверхностными, слабоминерализованные грунтовые воды, богатые
органическими веществами полярно-тундровой полосы; 2) неглубокие, умеренно минерализованные воды лесной полосы; 3) местами глубокие и в различной степени минерализованные воды степной полосы; 4) глубокие, значительно минерализованные воды, формирующиеся южнее степной полосы.
В 1922 г. В.С. Ильин, развивая идеи В.В. Докучаева и П.В. Отоцкого, составил карту грунтовых вод для европейской части бывшего СССР, на которой был показан зональный характер их распространения. Изучая зональность грунтовых вод, В.С. Ильин пришел к выводу, что грунтовые воды являются функцией климата, рельефа, геологического строения и глубины вреза эрозионной дренирующей сети. Помимо зональных (семь зон), были выделены 6 типов азональных грунтовых вод: 1) грунтовые воды конечных морен; 2) трещинные грунтовые воды в массивах пород и продуктах их разрушения (Кольский п-ов, Урал); 3) карстовые воды Онего-Двинского междуречья, Кунгурско-Уральского района и др.; 4) болотные воды, т.е. грунтовые воды, приуроченные к болотным массивам; 5) аллювиальные воды областей распространения современного и древнего аллювия и флювиогляциальных отложений; 6) грунтовые воды солончаков.
В 30-40-х гг. XX в. исследования природы зональности грунтовых вод были продолжены О.К. Ланге, А.Н. Семихатовым, Н.И. Духаниной, Г.Н. Каменским, И.В. Гармоновым. О.К. Ланге, пользуясь принципами В.С. Ильина, составил карту зональных грунтовых вод для всей территории бывшего СССР, выделив три провинции грунтовых вод [73].
Становлению геохимии подземных вод (гидрогеохимии) способствовало выявление широкого регионального распространения рассолов в земных недрах. Весной 1929 г. В.И. Вернадский выступил в Российском минералогическом обществе с докладом на тему «О классификации и химическом составе природных вод», в котором сформулировал содержание современной гидрогеохимии. В 1933 г. вышел в свет первый выпуск, не имеющего аналогов фундаментального по охвату и содержанию труда – «История природных вод» [31]. Учение о широтной зональности получило значительное развитие. Установлено, что каждая зона или геохора по В.И. Вернадскому, характеризуется специфическим составом воды.
. Грунтовые воды зоны континентального засоления формируются на равнинах сухих степей, полупустынь и пустынь. В зависимости от литологии пород и геоморфологических факторов могут встречаться воды с различной минерализацией и составом – от пресных до соленых. В развитие идей Г.Н. Каменского о генетическом подходе к явлениям зональности грунтовых вод, Е.В. Пиннекер [147] выделил три макрозоны грунтовых вод: 1) ледовую (мерзлую), 2) гумидную (влажную) и 3) аридную (сухую). В первой зоне воды полностью или частично проморожены, в жидкой фазе существуют лишь летом; вторая зона характеризуется избыточным увлажнением и интенсивным вымыванием солей из пород, а в третьей зоне испарение преобладает над осадками и происходит засоление грунтовых вод.
Геологическое строение
В.И. Вернадский ввел в науку представления о ноосфере, как новом геологическом явлении на нашей планете, где «впервые человек становится крупнейшей геологической силой» [30]. Появился термин "устойчивое развитие". Условия такого развития определены на конференции ООН по охране ОС в Рио де-Жанейро (июнь 1992). Устойчивое развитие закреплено в "Концепции перехода РФ к устойчивому развитию" (1996). Правительством РФ отмечено, что "движение человечества к устойчивому развитию, в конечном счете, приведет к формированию предсказанной В.И. Вернадским сферы разума (ноосферы)...». Стали активно внедряться технологии по оценке воздействия на ОС, включая подземные воды. В практике хозяйственного освоения территорий наметился переход к объемным пространственным гидрогеологическим моделям, на основе которых обосновываются и разрабатываются мероприятия по рациональному использованию водных ресурсов. Масштабность работ на крупных производственных объектах требует создания банков данных, необходимых для формирования систем гидрогеологического мониторинга. Банки данных содержат формализованную информацию как первичную, так и полученную в результате интерпретации. Но в разных организациях информация разрознена и банки построены на разных принципах [11, 12, 15, 22, 48, 49]. Гидрогеологические модели создаются по материалам архивов, баз данных и опыта специалистов. Гидрогеологическая модель отражает представления о строении гидросферы конкретной территории, и она на каждой стадии ее освоения уточняется с появлением новых данных или подходов к интерпретации имеющихся материалов. Очень большое значение, при этом, имеет применение различных комплексов обработки и интерпретации гидрогеологической и геофизической информации. Для исследуемого района, в этой связи, можно отметить следующее: 1) информационные ресурсы рассредоточены по организациям; 2) применяются разные виды хранения и устаревшие носители; 3) информационные технологии созданы разными разработчиками для решения различных задач; 4) используются разные технические и программные средства, доступ к которым ограничен; 5) базы данных гидрогеологических и геофизических организаций построены на разных принципах; 6) отсутствуют информационные технологии, объединяющие управление данными по гидросфере данной территории. Одной из важных задач в этой работе является создание единого информационного пространства. Основой его технологии является создание пространственных геолого-геофизических и комплексных гидрогеологических моделей исследуемой территории, позволяющих оценить состояния гидросферы района и выделить зоны благоприятные для строительства водозаборов. По мере изучения и освоения объекта модели уточняются и детализируются. Их использование обеспечивает рациональное водопользование, позволяющее принимать оптимальные решения на разных этапах освоения территории.
Технология управления информационными ресурсами, необходимыми для создания таких моделей, должна быть автоматизированной, обеспечивая оперативность доступа к геолого-гидрогеологической информации и надежность долговременного ее хранения с обработкой, интерпретацией и комплексным анализом. Схема ее состоит из трех взаимосвязанных блоков [11, 71, 202].
Первый блок предназначен для создания постоянно трансформирующейся геолого-геофизической модели территории. Он включает региональный банк данных геолого-геофизической и гидрогеологической информации. Доступ к банку данных осуществляется через рабочие станции пользователей с высокоэффективной системой защиты. Банки такой информации должны создаваться при комитетах природных ресурсов регионов. Начало этому уже положено архивацией обширной информации при сдаче отчетов в территориальные геологические фонды на электронных носителях и разработкой специального программного обеспечения, необходимого при построении геологических моделей объекта.
Второй блок призван решать вопросы обеспечения и организации информации по состоянию гидросферы района. Первоначально выявляются фоновые условия гидросферы и определяются качественные и, по возможности, количественные ее показатели. Строятся карты-схемы, отражающие состояние гидросферы, и они сопоставляются и анализируются с геологической моделью объекта. Таким образом, создается его гидрогеологическая модель, позволяющая дать предварительный прогноз по трансформации подземных вод и выдать рекомендации по минимизации воздействия на гидросферу путем гидрогеологически обоснованного размещения хозяйственных объектов. Кроме того, такие модели позволяют выбрать водоохранные технологии. С накоплением ретроспективных данных по состоянию гидросферы более четко проявляется динамика ее трансформации. Уточняемая при этом гидрогеологическая модель иллюстрирует зависимость трансформации гидросферы от темпов и методов освоения территории. Это позволяет более точно выбрать технические решения и скорректировать программу хозяйственных мероприятий, предотвратив негативные последствия.
Для отслеживания изменений в составе подземных вод, в которых физико химические процессы протекают быстро, оборудуются стационарные автоматические посты. Для урбанизированных территорий следует создать банки данных на основе ГИС ARC/INFO и настольной ГИС Arc View с использованием в качестве сервера ARC/INFO, а в качестве клиентских мест специалистов – Arc View. Банк делится на группы: поверхностных и подземных вод, почвенно растительного покрова и литосферы. Региональные и фоновые характеристики гидросферы территории целесообразно заимствовать из имеющихся по территории банков данных службы экологического мониторинга. Заимствованная информация пополняется и уточняется в результате наблюдений. Функционально банк состоит из подсистем ввода и хранения первичных данных и создания и хранения вторичных (обработанных) данных.
Источники загрязнения подземных вод
Термин "уязвимость подземных вод по отношению к загрязнению" предложен французом Ж. Марга (1968), и первая карта уязвимости подземных вод к загрязнению в масштабе 1:1000000 опубликована во Франции (Albinet, 1970) [93]. "Под уязвимостью подземных вод подразумеваются природные свойства системы подземных вод, которые зависят от способности или чувствительности этой системы справляться с природными и антропогенными воздействиями" (Vrba, Zaporozec, 1994). Защищенность подземных вод – это свойство природной системы сохранять на определенный период состав и качество среды в пределах требуемых норм. Оценка защищенности или уязвимости подземных вод к загрязнению необходима для обоснования мероприятий по их защите в конкретных условиях. При региональной оценке и картографировании анализируются все имеющиеся данные по защищенности зоны аэрации, и дается: 1) качественная оценка территории с определением степени влияния разных природных и техногенных факторов на уязвимость или защищенность водоносных горизонтов, и сравнивается защищенность от загрязнения разных частей территории; 2) количественная оценка с расчетом скорости проникновения загрязняющего вещества в водоносный горизонт с учетом особенностей конкретного гидрогеологического разреза и миграционных свойств загрязняющего вещества. В первом случае выполняется оценка и картографирование конкретной территории без учета свойств конкретных загрязняющих веществ, а во втором – с картографированием и оценкой уязвимости или защищенности природной системы от конкретного загрязняющего вещества.
В последние годы преобладает качественный или полуколичественный подход к оценке различных факторов защищенности или уязвимости подземных вод. Исследования обычно замыкаются на анализе влияния мощности и литологического состава пород зоны аэрации на уязвимость или защищенность подземных вод. К.Е. Питьева (1984) учитывает так же способность пород удалять из подземных вод загрязняющие вещества в результате адсорбции, ионного обмена, осаждения и разложения органического вещества кислородом и микроорганизмами. Ею выделено восемь категорий защищенности с учетом состава, водопроницаемости и мощности пород зоны аэрации.
В.М. Гольдберг совместно с Газдой [76] анализируют два показателя: мощность верхнего водоупора и соотношение уровней безнапорного и изучаемого нижнего напорного водоносного горизонта. Они выделили классы напорных подземных вод: защищенные, условно защищенные и незащищенные. Американцы Л. Аллен, Т. Беннетт, Дж. Лен и К. Нейкетт в 1987 г. разработали систему Drastic, учитывающую влияние глубины уровня грунтовых вод (УГВ), особенности питание вод, состав почвы и пород водоносного горизонта. Каждый фактор охарактеризован своим весовым вкладом, а конкретный участок - рейтингом (вкладом) каждого фактора. Произведение "веса" на "рейтинг" авторы назвали "показателем" (Number). Сумму "показателей" ("Драстик-индекс") они отобразили на карте, считая, что тем самым выполнили количественную оценку уязвимости подземных вод к загрязнению. Они составили карты для территории США по "Драстик-индексу". Но их методика картографирования не получила широкого применения, хотя эта работа является одной из первых крупных работ после карт ВСЕГИНГЕО и МИНГЕО по региональной оценке природной защищенности ОС от загрязнения.
Об опыте картографирования защищенности территорий от загрязнения. Факторы, влияющие на защищенность или уязвимость территории к загрязнению делятся на: природные, техногенные и смешанные. К первым относятся: глубина залегания УГВ, мощность и проницаемость пород, перекрывающих подземные воды, их сорбционные свойства, направление и скорость фильтрации загрязняющих веществ, и темпы водообмена. Техногенные факторы включают: условия хранения загрязняющих веществ, распределение их по площади, учет нарушенных земель, облегчающих инфильтрацию загрязнителей в водоносный горизонт. Смешанные факторы характеризуют сорбционные и миграционные свойства компонентов-загрязнителей. Природные факторы уязвимости подземных вод к загрязнению отличаются для безнапорных и напорных вод. В первом случае ведущую роль играют глубина УГВ, литологический состав пород, среднегодовое питание за многолетие, водопроводимость и время водообмена в водоносном горизонте. Наиболее важными для оценки уязвимости подземных вод являются проницаемость, фильтрационные свойства и физико-химическая активность пород. Но данных по проницаемости пород в зоне аэрации весьма мало, и поэтому для региональных оценок используют данные по литологии пород зоны аэрации, условно выделяя хорошо проницаемые, проницаемые, полупроницаемые и практически непроницаемые породы.
В нарушенных условиями, при интенсивном отборе подземных вод возрастает глубина залегания грунтовых вод, что нередко улучшает их защищенность от загрязнения с поверхности земли. Для количественной оценки загрязнения ГС используют модуль техногенной нагрузки m, выраженный в т/год на км2. Это - отношение среднего объема выбрасываемых ежегодно загрязняющих веществ, к площади исследуемого района. В.М. Гольдберг, в этой связи, предложил в 1987 г. использовать индекс чувствительности подземных вод к загрязнению P, равный отношению модуля техногенной нагрузки m к показателю защищенности подземных вод S
Техногенная трансформация химического состава подземных вод
Водоносные горизонты, используемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения, могут быть изолированы и не изолированы от источников загрязнения, расположенных, чаще всего, на поверхности земли. Степень изоляции зависит от наличия, литологического состава, проницаемости и мощности, перекрывающих их пород, и пород зоны аэрации. В.М. Гольдберг [76] выделил четыре категории природной защищенности подземных вод от загрязнения: 1). Весьма незащищенные, что характерно для аллювиальных водоносных горизонтов, питающихся за счет инфильтрации, при которой в воды проникают загрязняющие вещества. 2). Не защищенные при высоком залегании уровня грунтовых вод. 3). Условно защищенные, что характерно для водоносных комплексов водоразделов и их склонов. Экранирующие отложения имеют мощность 1020 м, а уровень подземных вод находится на глубинах 1540 м. 4) Защищенные от загрязнения, соответствующие участкам развития водоносных комплексов, перекрытых плотными суглинками и глинами мощностью 20 м. К наименее защищенным от загрязнения относятся водозаборы, питающиеся за счет незащищенных аллювиальных вод. Защищенность территории от загрязнения охарактеризована при помощи модуля предельно допустимого загрязнения МПДВ в т/км2 в год [11, 42]. Величина этого параметра отражает влияние высотной поясности и широтной зональности на защищенность подземных вод от загрязнения. Она уменьшается от приподнятых в рельефе районов к пониженным. В качестве условно защищенных рассматриваются площади с водами, обладающими значительными напорами, например, в татарском ярусе верхней перми за пределами нашего района.
С развитием технологии и НТР исключительно возросла техногенная нагрузка на природные воды и окружающую среду через все компоненты системы: вода - порода - газ - живое вещество. Картографирование источников загрязнения выполнено нами на основе их классификации. Уровень загрязнения определяется с учетом концентрации растворенных минеральных веществ (больше 50 г/л; 1150; 110; 1 г/л) и избытка органических веществ. С учетом степени активности компонентов состава воды в системе вода - порода - газ живое вещество, выделены консервативные, не консервативные и смешанные загрязняющие вещества. Концентрации загрязненных жидкостей, присутствие органических веществ и степень устойчивости их в растворе определяют возможность очистки или использования загрязненных вод и соответствующие методы их обработки. Так, трудно очищаемые сточные воды при соответствующем обосновании целесообразно складировать в поглощающих и продуктивных горизонтах земной коры. Мало минерализованные сточные воды после соответствующей подготовки следует утилизировать на земледельческих полях орошения и при поливе дорог и зеленых насаждений. Разнообразие водорастворенных загрязняющих веществ обусловлено особенностями природных условий территории и расположенных на ней источников загрязнения. Классификация источников загрязнения использована нами при картографировании. Каждой группе источников загрязнения природных вод соответствуют определенные загрязняющие вещества, ареалы которых развиваются по бассейновому принципу, и в некоторых бассейнах рек загрязнение подземных и поверхностных вод имеет почти повсеместный характер. На урбанизированных территориях потоки и ареалы загрязнения от разных источников совмещаются, обусловливая интенсивное загрязнение речных долин и подчиненных ландшафтов.
Геотехнологические и промышленные источники загрязнения выделяются своей интенсивностью проявления и высокими концентрациями загрязняющих веществ. На Урале в загрязненных водах преобладают сульфаты тяжелых металлов, которые поддаются очистке на геохимических барьерах. Сельскохозяйственные источники загрязнения вод менее интенсивны, но распространены почти повсеместно. Интенсификация сельскохозяйственного производства с внесением удобрений и ядохимикатов увеличивает концентрации в природных водах нитратов, сульфатов, пестицидов и др. загрязняющих веществ, но не часто приводит к превышению ПДК. Это случается вблизи животноводческих ферм, или на площадях с избыточным внесением органических удобрений и мочевины. На таких участках концентрации соединений азота в водах превосходят ПДК в десятки и сотни раз. Процессы урбанизации обусловили рост техногенной нагрузки, прежде всего, в речных долинах. Если в условиях лесостепи еще есть площади, занятые лесами и лесонасаждениями, то степная зона в сельскохозяйственном отношении освоена и почти вся распахана. Под лесонасаждениями осталось 23% территории. В целом, с севера на юг снижается лесистость территории и растет техногенная нагрузка на окружающую среду и площади развития ареалов загрязнения. Плотность техногенных преобразований окружающей среды и природных вод зависит от плотности распределения и масштабов проявления источников загрязнения, и концентрации загрязняющих веществ в ареалах и потоках рассеяния, с ними связанными. Хорошее качество подземных и поверхностных вод сохраняется пока на площадях лесонасаждений и в зонах рекреации, площади которых в лесостепных районах больше, чем в степных и сухостепных. Выполнена типизация исследуемого горнорудного района по защищенности от загрязнения с использованием данных по модулю предельно допустимого загрязнения (Мпдв), отражающего запас экологической устойчивости территории к загрязнению. Мпдв позволяет оценить состояние подземных вод территории (рисунок 4.12). Он определяется в т/км2 в год при помощи модуля предельно допустимой концентрации (МПДК), представляющего собой произведение модуля водного стока на концентрацию загрязняющего вещества или минерализацию воды. МПДВ рассчитывается, как разность МПДК и величины фактического модуля химического стока с территории, МПХС (формула 3.2).
Этот параметр, определенный до начала освоения территории, отражает запас ее экологической защищенности. Схемы позволяют сравнить разные варианты размещения проектируемых объектов, осуществить прогноз и разработать мероприятия по повышению безопасности подземных вод территории. Защищенность подземных вод территории от загрязнения снижается при высокой техногенной нагрузке и росте роли консервативных компонентов среди загрязняющих веществ. В горно-складчатых районах преобладают не консервативные, преимущественно сернокислые соединения тяжелых металлов, поддающиеся локализации на геохимических барьерах.
Таким образом, очевидно, что водные объекты Гайского горнодобывающего района не защищены от загрязнения и подвержены негативной техногенной трансформации под воздействием преимущественно не консервативных загрязняющих веществ. Необходимо это учитывать при построении схем типизации территории по защищенности подземных вод этих районов от загрязнения при разработке планов перспективного развития производительных сил и соответствующих мероприятий.
