Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса изучения подземного стока в озера и задачи исслвдовании 9
1. Природные условия основных районоb распространения озер припятского Полесья 22
1.1. Климат 23
1.2. Краткая лимнологическая характеристика озер
1.3. Геоморфологические условия 35
1.4. Геологическое строение и гидрогеологические . условия .V 37
1.5. История геологического развития территории, происхождение и развитие озер 48
2. Основные условия формирования подземного.стока.в.озера. припятского полесья 57
2.1; Влияние природных условий-на формирование.подземного стока в озера 57
2.2. Влияние неоднородности гидрогеологического разре за и морфометрическйх показателей водосбора и акватории на.формирование подземного.стока.в озера 73
2.3. Изменение подземного стока в озера под влиянием. техногенных факторов 84
2.4. Типизация озер Припятского Полесья по условиям .
формирования подземного стока в озера 92
3. Жетодика исследований и.количественной оценки.подземного стока в озера 101
3.1. Метод водного баланса 102
3.2. Гидрохимический метод 105
3.3. Метод изотопного балааса 107
3.4. Гидродинамический метод 112
3.5. Гидрогеотермический метод 120
3.6. Электрофизический метод 126
3.7. Комшшксирование методов применительно.к.условиям Припятского Полесья 127
4. Оценка взаимосвязи поверхностных и подземных вод на водосборах и акваториях мелков0дных.озер (на пршере . озера червоного) 132
4.1. Природные условия водосбора озера. Червоного 134
4.2. Методика проведения полевых исследований 137
4.3. Определение геофильтрационных параметров 141
4.4. Анализ условий взаимосвязи поверхностных,и,подземных вод гидрогоотермйческим методом 159
4.5. Оценка подземного стока в озеро гидрохимическим . . методом 167
4.6. Оценка взаимосвязи поверхностных-и подземных.вод. . гидродинамическим методом 171
4.7. Прогноз изменения взаимосвязи поверхностных и под земных вод под влиянием.водохозяйственных.меропри ятий 179
5. Оценка подземного. стока в. карстовые, озера. (на. пршере озера свитязь) 182
5.1. Природные условия водосбора озера Свитязь 183
5.2. Оценка подземного стока в озеро водно-балансовым и гидродинамическим методами 187
5.3. Оценка подземного стока в озеро изотопным и гидро-. химическим.методами I8S
Литература .
- Краткая лимнологическая характеристика озер
- Влияние неоднородности гидрогеологического разре за и морфометрическйх показателей водосбора и акватории на.формирование подземного.стока.в озера
- Гидрогеотермический метод
- Анализ условий взаимосвязи поверхностных,и,подземных вод гидрогоотермйческим методом
Краткая лимнологическая характеристика озер
В США разрабатываются обобщенные математические модели системы "озеро-водосбор", в которые включено также и взаимодействие поверхностных и подземных вод /182/. Их предназначение - исследование влияния различных характеристик водосбора на гидрологию и гидрохимию озер. Ведутся также работы по изучению подземного стока в районе Великих озер /172-174/ и озер Аляски /188/. Ряд исследований, проводимых в США, посвящен детальному изучению геофйльтрационных параметров и полей напоров подземных вод в районах акваторий озер с целью изучения подземного стока в озера /195/ и анализа условий, при которых может возникать фильтрация из озер.
В отечественной и зарубежной литературе имеется большое количество публикаций, посвященных техногенному воздействию на систему "озеро-водосбор" и возможных путях их охраны. В них рассматриваются многие причины нарушения сложившихся природных равновесий в этой системе, В частности, вызывающие антропогенное евтро-фирование /117, 161, 55, 6, 192/. Однако работы, в которых нарушение естественных взаимосвязей подземных вод с водами озер рассматривалось бы как фактор развития евтрофирования либо других нежелательных процессов в жизни озер, практически отсутствуют. В то же время сейчас имеются прямые доказательства того, что именно уменьшение подземного стока в озеро может явиться причиной катастрофически быстрого перехода озера в евтрофно-дастрофную стадию развития /100, 101/,
На основании критического анализа состояния исследований в целом по проблеме можно резюмировать следующее: 1. Под влиянием хозяйственной деятельности человека происходит нарушение естественной взаимосвязи подземных вод с водами озер, что приводит к крайне тяжелым экологическим последствиям. 2. Анализ опубликованной литературы свидетельствует о том, что подземный сток в озера достаточно надежно фиксируется лишь в простейших условиях: на озерах небольшой площади по разности расходов втекающих и вытекающих водотоков, если эта разность значительно превышает ошибку гидрометрических измерений. В остальных случаях оценка подземных компонентов баланса озер является сложной задачей, успешное решение которой зависит от полноты исходного материала и правильности геофильтрационной схематизации. Ошибка в определении подземного стока в озеро, вызванная неправильной геофйльтрацйонной схематизацией может достигать огромных величин (сотен и тысяч процентов). 3. До настоящего времени теоретически не обоснованы и количественно не описаны закономерности формирования подземного стока в озера. 4. Отсутствует типизация водосборов и акваторий озер по условиям взаимосвязи поверхностных и подземных вод, которая могла бы быть полезной для развития лимнологии, а также имела бы практическое значение при оценке влияния различных водохозяйственных мероприятий на озерные водоемы. 5. В настоящее время разработаны различные методы исследова ний взаимосвязи поверхностных и подземных вод (гидродинамический, гидрогеотермический, изотопный и др.). При оценке субаквальной разгрузки и фильтрации из водоемов используются, как правило, один, реже два метода. Однако все еще не решены вопросы рацио нального комплексирования методов исследований в зависимости от природных условий. Из рассмотрения вышеприведенных материалов становится очевидно, что вопросы количественной оценки и изучения роли подземных составляющих в водном балансе озер требуют всесторонних исследований, что соответствует безусловно важнейшей роли озер в формировании поверхностной и подземной гидросфер, тем более в современных условиях, когда быстрыми тешами возрастает их про 21 мышленная, сельскохозяйственная и рекреационная эксплуатация.
Объектом исследований автор выбрал территорию Припятского Полесья, в пределах бассейнов рек Припяти и Зап.Буга. В этом районе расположено большое количество разнообразных по своей природе озер, имеющих важное народно-хозяйственное значение. Они широко используются в рыбном хозяйстве Белоруссии и Украины, велика их роль в системе мелиорации Полесья /98/; большинство из них является местами отдыха и развития водных видов спорта. В
ближайшем будущем на основе крупных озер Полесья предполагается создать 17 крупных водохранилищ-регуляторов стока бассейна р.Припяти /171/, а также имеются предположения использования озер (в первую очередь карстовых), как источников пресной воды хозяйственно-бытового назначения.
При обосновании и реализации перечисленных мероприятий уже сейчас возникла необходимость оценки подземной составляющей в водном балансе озер. Однако до настоящего времени такие исследования проведены на 1-2 озерах Полесья, не имели достаточного методического обоснования, носили частный характер и поэтому вопрос о закономерностях взаимосвязи подземных, вод с водами озер в целом для региона оставался открытым.
Влияние неоднородности гидрогеологического разре за и морфометрическйх показателей водосбора и акватории на.формирование подземного.стока.в озера
Еще ниже по разрезу залегает напорный водоносный горизонт меловых отложений, сосредоточенный в верхней трещиноватой зоне мвргельно«мвлевых пород туронокого яруса, нижняя, монолитная часть туронских отложений выполняет роль регионального водоупора. Судя по соотношениям напоров, водосборы Выго-новского и Бобровичского озер расположены в области питания мелового горизонта за счет перетекания из водоносных горизонтов четвертичных отложений.
Два других озера Выгоновокой группы - Вулька и Сомино характеризуются примерно теми же гидрогеологическими разрезами водосборов, что и вышеописанные озера. Однако благодаря их большим глубинам (соответственно 24 и 33 м) они непосредственно дренируют значительную толщу четвертичных отложений, а из соотношений уровней грунтовых и напорных вод следует, что в эти озера происходит разгрузка верхнемелового водоносного горизонта. Об этом свидетельствует и химический состав воды озер, близкий к составу.подземных вод верхнемеловых отложений этого района (табл.1.1).
Гидрогеологические условия водосборов озера Червоного, озер Споровской и Мотольской групп характеризуются развитием мощной. обводненной толщи четвертичных и неоген-палеогеновых отложений.. Наличие окон в моренных слоях в районах акваторий этих озер создают условия более свободного водообмена озер с.напорными водами четвертичных и палеоген-неогеновых отложений. Грунтовые воды сосредоточены в водно-ледниковых и озерно-аллювиальных днепров--; московских и мсковско-калинйнскйх, аллювиальных и .озерно-аллкь виалышх отложениях-надпойменных террас р.р.Припяти и Ясельды. Мощность безнапорного горизонта не превышает 10 м. Первый от жн верхности напорный водоносный.горизонт залегает в окско-днепров-ских межморенных песках мощностью 40-50 м. Из соотношения уровней грунтовых вод и первого от поверхности напорного водоносного горизонта следует, что питание окско-днепровского водоносного горизонта происходит в периферийной части водосбора, а разгрузка - в районе акватории озера и в непосредственной близости от нее. На водосборах озер Споровской и Мотольской групп окско-днепровские межморенные и палеоген-неогеновые пески образуют единый водоносный горизонт. На водосборе озера Червоного эти отложения разделены 8-Ю метровой толщей слабопроницаемых палеогеновых отложений (супесей и суглинков). За счет этого воды палеоген-неогеновых отложений на близлежащей к озеру части водосбора обладают значительным напором и самоизливаются (дебит самоизлива одной из скважин у д.Дяковичи составляет 0,1 л/с /205/J,
Водоносный горизонт верхнемеловых отложений в районе озер Червоного, а также Споровской и Мотольской групп залегает на глубинах 70-100 м, что затрудняет активное участие подземных вод этого горизонта во взаимосвязи с водами озер.
Для гидрогеологических условий водосборов большой группы озер Юго-Западного Полесья, расположенных в междуречье Пины и Припяти (озера Небель, Любяж, Кончицкое, Семеховиче, Белое, Во-лянское. Святое Окунино и др.), а также междуречья Припяти и Западного Буга (Шацкая группа) характерно наличие безнапорного горизонта небольшой мощности, развитом в четвертичных отложениях, и неглубокое залегание весьма водообильного напорного горизонта, заключенного в мергельно-меловой толще пород верхнемелового возраста. Напорные воды в четвертичных отложениях развиты на ограниченных участках в местах залегания окской, либо днепровской морен.
Водовмещающйш породами для горизонта грунтовых вод являются преимущественно пески четвертичного возраста от нижнечетвертичных до современных включительно.
Разделяющей толщей между водоносными горизонтами четвертичных и верхнемеловых отложений на большей части территории служит кора выветривания верхнемеловых пород мощностью 5-15 м. Мощность верхнемелового водоносного горизонта определяется глубиной активной трещиноватости мергельно меловых пород, которая по данным съемочных работ изменяется от 15 до 120 м, причем максимальная трещиноватость наблюдается на глубинах 30-100 м /160/. На больших глубинах трещиноватость затухает и меловые породы становятся слабопронйцаемыми, выполняя роль регионального водоупора.
Следует отметить, что подземный сток в мергельно-меловой толще пород теснейшим образом связан с геолого-структурными особенностями этой территории. Многими исследователями отмечалась резкая неоднородность фильтрационных свойств мергельно-мелевых по- ... род/19, 77, 159, и др./. При общей невысокой водопроводимости мелевых .отложений порядка 50-150 м2/сут) на участках, "спокойных" в неотектоническом отношении, проводимость зон дизъюнктивных нарушений может достигать.величин 1000-8000 м сут /159/. Некоторые исследователи считают, что зоны тектонических нарушений являются путями перераспределения стока между различными наземными и подземными водосборами. (И.Н.Васильев, 1975). Это, на наш взгляд, является важнейшим условием формирования подземного стока в озера карстового происхождения.
Гидрогеотермический метод
Приведенные результаты анализа свидетельствуют о том, что в условиях мелководных озер-разливов изменения подземного стока в озера достаточно тесно связаны с. метеорологическими фаакорами, что обусловлено формированием подземных вод, питающих озера, их.. режима и баланса в непосредственной близости от озер. Менее чувствителен к изменениям атмосферных составляющих подземный сток в карстовые озера, ввиду значительного удаления от озер основных областей-формирования-подземных вод верхнемеловых отложений.
Геоморфологическая группа факторов включает рельеф, его . эрозионную расчлененность, плотность гидрографической сети водосборов и морфометрические показатели озер. Наиболее существенно. на величину подземного стока в озера влияют уклоны рельефа водосборных территорий. Наименьшие уклоны .водосборов характерны для озер, расположенных в пределах озерно-аллювиальных равнин, Выго-новского, Червоного и др., где превышения отметок водоразделов над уровнями воды в озерах не превышают 5-15 м. Следствием этого является весьма незначительный подземный сток в эти озера. Большей расчлененностью рельефа отличаются водосборы озер Юго-Западного Полесья, где превышения отметок водоразделов над уровнями воды в озерах достигают 40-50 м. Это положительно влияет на интенсивность водообмена в пределах водосборных территорий, развитие суффозионно-карстовых процессов в области распространения меловых отложений, что в итоге обусловливает более свободную взаимосвязь поверхностных и подземных вод, воды в основном в виде дренажного стока. . Важнейшее значение имеет глубина вреза Плотность гидрографической сети в пределах исследуемой тер ритории в естественных условиях невелика. Она составляет 0,23- .. 0,30 км/км в центральной наиболее низменной части долины р.При пяти и увеличивается до 0,35-0,45 км/км на северном и южном ее склонах /ИЗ/, В результате осушительных работ плотность, гидро графической сети искусственно:увеличена. Так, если на водосборах озер Выгоновского, Червового до проведения мелиорации ее величи на не превышала 0,3 .км/км2, .то в настоящее время плотность сети крупных каналов и канализированных притоков озер превышает I км/км . Вследствие этого такие озера, будучи в естественных условиях основными и непосредственными дренирующими системами, после создания искусственной гидросети на водосборах,, отметки во ды в которой часто лежат ниже уровней озер, стали подучать под земные озерной котловины. Мелководные озера-"разливы" своими котловинами .непосредственно . вскрывают горизонт грунтовых вод.лишь на незначительную мощность. Более глубокие озера суффозионно-карстового происхождения свободно дренируют грунтовые воды, но непосредственно не вскрывают ... нижележащие напорные горизонты. Озера карстового происхождения вскрывают своей котловиной водообильный верхнемеловой водоносный горизонт, а наиболее глубокие из них (Свитязь, Сомино, Белое и др. являются практически совершенными естественными дренами в этом горизонте.
Геодого-гидрогеологическая группа. Важнейшими факторами из этой группы являются: геологическое строение (литология и строение зоны аэрации и водовмещающих слоев, наличие, мощность и характер залегания моренных отложений, проявление неотектонических движений) и гидрогеологические условия зоны активного водообмена Сгеофильтрационные параметры.водоносных горизонтов и разделяющих толщ, источники и интенсивность их питания, условия транзита и разгрузки),,В. совокупности перечисленные факторы (они были рассмотрены в предыдущей главе) определяют гидродинамические условия взаимосвязи подземных вод с водами озер которые ниже проанализируются более подробно.
Озера Припятского Полесья дренируют воды, четвертичных, неоген-палеогеновых и меловых отложений. Это подтверждается тем, что в естественных условиях падение уровней грунтовых вод и пьезометрической поверхности напорных вод в пределах водосборов -озер на протяжении - ббльшей части ггда направлены в ссорону акваторий (см.например, рис,2.5). Как правило, водосборы грунтового -стока в озера территориально совпадают.с водосборами поверхност-. ного стока. В дренировании озерами.напорных вод.наблюдаются боль шие различия. Озера Выгоновской группы (Выгоновское, Бобрович ское), .расположенные в центральной части Полесской седловины, являющейся областью питания напорных вод четвертичных отложений и нижележащих, горизонтов, вообще их не.дренируют, а питаются лишь грунтовыми водами, что установлено.из соотношения уровней напор ных, грунтовых и. поверхностных вод.
Анализ условий взаимосвязи поверхностных,и,подземных вод гидрогоотермйческим методом
В настоящее врема разработано большое количество классификацйй и типизации озер, в основу которых положены самые разнообразные признаки. Последние могут быть либо.элеменарнными (например, глубина, температура, минерализация и т.д.),.либо.синтетическими (водный, тепловой, химический и др. балансы). О.Ф.Якушко предложена комплексная лимнолого-географическая классификация озерных.. водоемов Белоруссии, в которой отражены 5 типологических показателей озер и их водосборов: морфометрический, геолого-геоморфологйческий, гидрологический, гидрохимический, биологический /168/.
Однако практически во всех классификациях, известных в настоящее время, один из вайнейших факторов формирования водного, теплового, гидрохимического, биологического режима и баланса озерных вод, гидрогеологический фактор (питание озера подземными водами), отсутствует и лишь в отдельных случаях выделяется в качестве второстепенного признака. Так, в классификации О.Ф.Якушко грунтовый приток рассматривается как фактор, определяющий гидрохимический режим озера. В генетической классификации карстовых и тектонокар-стовых озер Г.А.Максймовича и К.А.Горбуновой (1967) условия питания озер (поверхностное, грунтовое или.напорное) определяются принадлежностью озера к тем или иным элементам бассейна карстовых вод (областями поглощения- стока и разгрузки карстовых вод). Эта классификация составлена.применительно к карстовым озерам. В конкретной обстановке в частности в Припятском Полесье, имеется разнообразие генетических типов озер, а следовательно разнообразны и их условия питания подземными водами.
Как известно /129/, процедура типизации заключается в классификации объектов (в нашем случае водосборов и акваторий озер), выборе типичных представителей классов и классифицировании новых объектов по аналогии с типичныли представителями. Сложность составления как классификации, так и типизации озер Припятского Полесья по условиям формирования подземного стока в озера состоит в том, что практически отсутствуют сведения о водном балансе озер этого региона (водный баланс составлен лишь для двух озери. то лишь по данным краткосрочных наблюдений). Количественная оценка основного классификационного признака -подземного стока в озера в масштабе всего.региона является самостоятельной и пока еще не решенной задачей.
Поэтому в настоящее время в качестве основного признака может быть выбрана не интенсивность, а структура подземного стока в озеро, характеризуемая теми или иными источниками питания (водоносными горизонтами) и соотношением грунтовой и напорной составяяющих в общем подзьмном стоке в озеро, В предлагаемой нами классификации озера Припятского Полесья делятся на 4 класса:
На основеиимеющихся сведений о структуре подземного-стока в озера (см. п.2,2) для каждого из классов выбраны ориентировочные соотношения напорного.питания к общему подзелному стоку в озера: I - 0 25? , П и Ш - 22 75 , ,У - 75 100?..
Общее поступление - подземных вод в озеро складывается из подземного стока непосредственно в его котловину и подземных вод, дренируемых притоками озера на его водосборе. В связи с этим выделенные классы можно разделить на подклассы в соответствии со . ,. степенью дренированности водосборов: бессточные, слабодренирован-ные, дренированные и интенсивно дренированные. На.территории-Припятского Полесья интенсивно дренированные водосборы практически .. отсутствуют и поэтому далее рассматриваться не будут. Слабодрени-рованные и бессточные водосборы в свою очередь делятся на находящихся в,естественном состоянии и искусственно дренированные (осушенныее.
На основе предложенной классификации разработана типизация озер Припятского Полесья по условиям формирования подземного стока в озера. Типичные объекты внутри класса обычно выбираются по минимальным, средним или максимальным параметрам. В нашем случае такой способ выбора вряд ли целесообразен, так как основной признак объектов классификации - структура точности определения геофильтрационных параметров и схематизации гидрогеологических условий. Очевидно, что ошибки, возникающие при этих операциях по меньшей мере соизмеримы с отклонением величин отношения напорного питания к общему подеммно1у стоку в озеро -Q от среднего ев значения в пределах каждого класса. По-этому в качестве типичных объектов выбраны водосборы озер, соотэтшенив л— кичорых лежит в интррвале домененио этого парашетра в лассе имеорся наиитльшен крлилесизм дополнэтольных признаков, указывающих на принаолежноскь ибъекта данному классу. Такими дополнизыльными признаками являюьсоб генезда и мурфометрия озерной кполнвины, геоморфология водоябора: гтрозние имны акттвозер вйдообменан химичмский состав и семпературо озерных вод. Сонокупность перечихленных признакав и явиларь основным криверием при типизации вчиго мнохептва акер равположенных в ракричных районах Припятвкого Полесья подземного стока в озеро - сложный параметр, точность определения которого зависит от атобл.3.4)с
