Гидрогеоэкологические условия Бассейна Среднего Дона

Краткое описание

Введение... 3

1. Методология и методика исследований... 8

1.1 Системный подход в геологии... 8

1.2 Геосистема и основные её компоненты... 11

1.3 Организация эколого-геологичесих исследований... 13

1.4 Методика эколого-геохимической оценки территории... 17

2. Природные условия Павловского района... 25

2.1 Физико-географический очерк... 25

2.2 Геологическое строение... 33

2.3 Гидрогеологические условия... 50

2.4 Естественная защищенность подземных вод... 59

Особенности формирования химического состава подземных вод ис-3.

следуемой территории... 65

Формирование химического состава подземных вод в естествен-3.1

ных условиях... 66

Формирование химического состава подземных вод в нарушен-3.2

ных техногенезом условиях... 79

3.3 Техногенные условия территории и источники загрязнения... 82

4 Экологическая оценка природных сред... 87

4.1 Эколого-геохимическая характеристика поверхностных сред... 87

4.2 Оценка экологического состояния подземных вод... 100

4.3 Процессы самоочищения подземных вод... 108

4.4 Водоохранные мероприятия 111

Заключение... 115

Список литературы...;... 119

Приложения... 131
Введение

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы.

Пресные подземные воды - ценнейшее полезное ископаемое, подчас являющееся единственным источником водоснабжения населения.

Однако возрастающая из года в год техногенная нагрузка негативно влияет на окружающую среду, в том числе и на состояние подземных вод. Это проявляется в истощении ресурсов подземных вод, уменьшении их естественной защищенности, ухудшении химического состава.

На территории бассейна Среднего Дона особое беспокойство вызывает загрязнение подземных вод нитратами, тяжелыми металлами и ядохимикатами. Оно связано с выбросами промышленных предприятий и транспорта, применением на сельскохозяйственных угодьях удобрений и ядохимикатов, с воздействием различных промышленных, сельскохозяйственных, бытовых и военных объектов.

Нельзя не принимать во внимание ряд естественных природных факторов, которые также отрицательно влияют на качество подземных вод. Поэтому в последнее время такого рода исследования, как изучение условий формирования химического состава подземных вод в связи с естественными и техногенными факторами, комплексная оценка водных экосистем являются весьма актуальными.

В настоящей работе изложены результаты комплексной оценки качества подземных вод на основе изучения их химического состава, состояния поверхностных сред и выявления источников загрязнения.

Для гидрогеоэкологической оценки автором был выбран район г. Павловска Воронежской области. Данная территория находится в области питания крупнейших артезианских бассейнов - Донецко-Донского и Приволж-ско-Хоперского.

Объектом исследования выбраны подземные воды, поверхностные природные среды и техногенные объекты Павловского района.

Предметом исследования является экологическое состояние подземных вод района, факторы и процессы его определяющие.

Цели и задачи исследования. Основной целью диссертации является экологическая оценка подземных вод Павловского района.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

изучить условия формирования, движения и разгрузки подземных вод в связи с природными особенностями территории;

исследовать характер антропогенной нагрузки на водные объекты, почвы, донные отложения, выявить причины деградации природных сред;

определить качественный и количественный состав основных загрязняющих компонентов и установить закономерности их распространения в природной среде;

провести районирование исследуемой территории с учетом экологического состояния подземных вод;

наметить необходимые природоохранные мероприятия. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Гидрогеологические особенности территории центральной части Воронежской области определяются умеренно-континентальным климатом, незначительной мощностью пород зоны аэрации, переслаиванием водопроницаемых и слабоводопроницаемых горизонтов, отсутствием выдержанных в региональном плане водоупоров, преобладанием в разрезе пресных гидрокарбонатных кальциевых, кальциево-натриевых вод.

2. В естественных природных условиях пространственно-временные закономерности изменения химического состава подземных вод района определяются высокими показателями фильтрационной способности пород, значительным содержанием карбонатных минералов, физико-химическими условиями перехода элемента из твердой фазы в раствор и характеризуются

последовательной сменой химических типов воды в направлении фильтрации:

НСО3"Са2+- HCO3'Ca2+Na+( или HCO3"SO42"Ca2+Na+) -*• тип смешанного ионного состава.

3. Доминирующим типом техногенных систем в Павловском районе являются сельскохозяйственный и горнодобывающий. Анализ природных поверхностных сред выявил ведущие элементы-загрязнители, это - Cr, Zn, Ni, V, Ti, Y, Co, Pb, Hg, No3\ NO2".

4. Гидрогеоэкологическое районирование исследуемой территории, проведенное на основе интегральной оценки экологического состояния подземных вод, выявило преимущественное проявление напряженной ситуации в подземной гидросфере (80% территории Павловского района). Данная гидрогеоэкологическая обстановка сформировалась в результате воздействия как природных факторов, так и влияния сельскохозяйственной и горнодобывающей деятельности.

Научная новизна. В работе дана эколого-геохимическая оценка состояния поверхностных сред и построена картографическая модель данной геоэкологической системы. Выделена тенденция формирования критической ситуации по загрязнению почв, донных отложений хромом, цинком, никелем, цирконием, иттрием.

Установлена связь степени загрязненности окружающей среды с сельскохозяйственной и горнодобывающей деятельностью в районе.

Выявлены особенности химического состава подземных и поверхностных вод Павловского района и основные факторы их формирования. Проведено гидрогеоэкологическое районирование исследуемой территории, в ходе которого было установлено, что большая часть подземной гидросферы находится в напряженном экологическом состоянии. Основными загрязняющими компонентами являются соединения азота, титан, железо, кроме того, подземные воды часто обладают повышенной жесткостью и минерализацией.

Исходными данными для написания диссертационной работы послужили фондовые материалы ФГУГП «Воронежгеология», природоохранных организаций Воронежской области, научные публикации, посвященные данной тематике, результаты собственных научно-исследовательских работ на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Воронежского государственного университета.

Достоверность полученных результатов обеспечиваются применением в расчетах ранее апробированных методик и показателей геоэкологического состояния природной среды, объективным анализом экспериментальных данных, полученных в специализированных лабораториях.

Практическая значимость. Комплексная экологическая оценка природной среды, и подземных вод в частности, позволяет выделить территории с различными экологическими ситуациями, наметить пути оздоровления и управления экологическим состоянием окружающей среды.

Апробации работы и публикации. Основные теоретические положения и прикладные результаты неоднократно докладывались на научных конференциях.

Автор принимал участие в:

1. Молодежной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования». Санкт-Петербург, 2001г.

2. Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI». Саратов, 2002г.

3. V региональной научно-технической конференции «Вопросы региональной экологии». Тамбов, 2002г.

4. Ежегодных научных конференциях магистров и аспирантов геологического факультета Воронежского университета (2000-2004г.г.).

По материалам диссертации опубликовано восемь работ.

Автор выражает глубокую признательность всем преподавателям кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии, которые помогали советами и рекомендациями на разных этапах работы. Особую благодарность хочется выразить своему руководителю доктору геолого-минералогических наук профессору Бочарову В.Л. и профессору доктору географических наук А.Я.Смирновой за оказанную помощь в процессе написания диссертации. При подготовке данной работы большую помощь оказали сотрудники ГСП-1 ФГУГП «Воронежгеология».

Глава 1. Методология и методика исследований

1.1 Системный подход в геологии

Системный подход является закономерным этапом в развитии исследовательских методов и средств, а также эффективным способом познания и преобразования материального мира. Он возник как реакция на постоянно усложняющуюся и преобразующую деятельность человека, которая вызывает необходимость создания новых способов решения сложных проблем, анализа реальных объектов, методов проектирования, конструирования и управления [6, 40, 24]. Системный подход можно считать наиболее прогрессивным направлением изучения природных объектов [71, 88]. Являясь методологией научного познания, в основе которой лежит представление объектов познания как систем, которые познаются путем раскрытия целостности объекта, выявления многообразия связей между его элементами, между объектами и внешней средой и сведение этих представлений в единую теоретическую картину с открытием эмерджентного свойства системы.

Системный подход содержит следующие аспекты исследования или направления анализа: системно-компонентный, системно-структурный, системно-функциональный, системно-интегративный и системно-исторический [6, 41]. Отметим здесь структурно-функциональный принцип как наиболее существенный для системного метода и соответствующий ему структурный анализ и синтез, пронизывающие все перечисленные объекты, или виды, системного исследования в рамках системного подхода в целом. Системно-функциональный аспект (анализ) имеет дело с функционированием системы как взаимосвязанного целого, а также с её функционированием во внешней среде. В обоих случаях важно знать структуру, законы взаимодействия с другими системами, факторами внешней среды.

Приведем определения важнейших понятий, на которых базируются системные исследования:

1) Система — совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, единство;

2) Структура — строение и внутренняя форма организации системы, выступающая как единство устойчивых взаимосвязей между элементами;

3) Системный анализ — совокупность методов и средств, используемых при исследовании и конструировании сложных объектов;

4) Системный подход - методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования сложноорганизованных объектов — систем разных типов и классов;

5) Общая теория систем — специально-научная и логико-методологическая концепция исследования объектов как систем.

Системный подход находит всё большее применение в различных отраслях знания.

Геология является сферой научной и практической деятельности, в которой эффективное использование системного подхода подготовлено как предыдущей историей развития, так и спецификой объектов геологической науки и практики [115]. Поэтому не удивительно, что и в различных отраслях геологии этот метод находит все более широкое применение. Как пишет в работе А.Н.Дмитриевский: "ценность системного подхода в том и состоит, что, получив принципиально важную информацию уже в самом начале системных исследований, можно правильно ориентировать весь ход исследований и последовательно приближаться к более полному познанию сложных геологических объектов, вводить качественные характеристики объекта, которые впоследствии могут быть заменены количественными данными, эф-

10

фективно сочетать формальные и содержательные методы, широко использовать интуицию и опыт исследователя"[41].

В геологии системные исследования впервые проводились Ю.А.Косыгиным и В.А.Соловьевым. Позднее стали появляться работы, как по узкоспециализированному применению системного подхода, так и по его использованию при решении общегеологических проблем.

Перечень работ по применению системного метода в различных отраслях геологии продолжает расширяться. Накопленный опыт использования системного подхода при решении геологических проблем представляется достоянием геологической науки сегодняшнего дня. Однако далеко не все проблемы использования системного анализа в геологии решены, не все возможности его применения использованы. И.П.Шарапов пишет: "Существует немало работ о применении системного анализа в геологии, но их авторы не всегда ясно выражают свое отношение к спорам по поводу общих теорий систем, в основном рассматривают лишь теоретические стороны системного анализа, нежели его конкретное практическое применение" [115].

К одному из проблемных моментов системного метода в геологии относится и разработка конкретных способов выделения материальных систем, выделяемых с конкретными целями, на это в значительной степени должно быть направлено применение принципов системного подхода [38].

Завершая обзор, следует сказать, что любой опыт корректного практического использования системного анализа при решении проблем охраны окружающей среды и геологических задач в частности, послужит дальнейшему развитию способов его использования в науке и практике; ценность системных исследований при оценках взаимовлияния техногенных объектов на природную среду и обратно, несомненно, будет возрастать в будущем, в силу того, что данная проблема продолжает оставаться одной из актуальнейших проблем современного общества.

11

Теоретические и методические положения системного анализа нашли свое применение при проведении исследований в рамках поставленной цели.

1.2 Геосистема и основные её компоненты

Процесс трансформации окружающей среды, вызванный хозяйственной деятельностью человека, приобрел планетарный характер. Значительные скорости и глубина антропогенных преобразований потребовали их неотложного изучения. Теоретической основой решения проблемы загрязнения окружающей среды можно считать, в частности, идеи и методы геохимии (гидрохимии и гидрогеохимии). Известно, что экологические условия любого природного региона обусловлены интенсивностью техногенной нагрузки, показателем которой является поступление или вынос химических соединений по отношению к природной системе (геосистеме).

Под геосистемой следует понимать совокупность природных элементов, находящихся в определенных пространственных и временных отношениях и взаимосвязях и имеющих общий базис естественного происхождения, определяющий целостность этой совокупности [11]. Одним из важнейших свойств любых природных систем является их устойчивость к внешним воздействиям.

Разнообразные взаимосвязи компонентов образуют многообразие природных комплексов. Их функции, пространственно-временная упорядоченность и другие системные свойства сложились в ходе длительного исторического развития. В результате все виды динамических проявлений природных систем, их структурные особенности обнаруживаются в некотором диапазоне внешних воздействий. При этом природные объекты в естественных условиях функционируют в состоянии, близком к динамическому равновесию вещественно-энергетического обмена, которое соблюдается множеством энергетических и вещественных взаимоотношений между компонентами систем, меняющихся в каждый момент времени, но не выходящих за допус-

12

тимый диапазон. Как и в любом балансовом соотношении, изменение какой-либо из его составляющей необратимо влечет за собой ответную реакцию всех возможных взаимосвязей, и динамическое равновесие в результате процессов саморегуляции устанавливается при иной структуре вещественно-энергетического баланса.

Основной характеристикой состояния изучаемой геосистемы может служить химический состав таких ее компонентов как подземные и поверхностные воды, атмосферные осадки, почвы. Химический состав компонентов системы характеризует индивидуальность естественной геохимической обстановки ландшафта, а следовательно, определяет и состояние почв, поверхностных и подземных вод, и условия жизни человека [38, 108].

Таким образом, в качестве подсистем (или элементов системы) можно принять такие природные составляющие как подземные и поверхностные воды, атмосферные осадки, почвы и донные отложения.

На формирование вещества в геосистеме влияют как естественные факторы (природный фон), так и факторы техногенной среды (нагрузки). При ее описании важной задачей является получение объективной информации о фактическом состоянии конкретной природной системы, определение направления ее развития под влиянием антропогенной нагрузки и степени влияния последней на отдельные природные подсистемы. Главным образом это относится к агропромышленным зонам, где загрязненными оказываются различные природные подсистемы как в результате непосредственного поступления в них ингредиентов загрязнения, так и в процессе их миграции при массопереносе между средами. Одним из наиболее перспективных путей решения этих вопросов является ориентация исследований на всесторонний анализ состояния окружающей среды. Основным индикатором состояния изучаемой геосистемы является химический состав составляющих ее элементов (подсистем), характеризующий геохимический ландшафт в естественном

13

состоянии, а следовательно, определяющий ряд составляющих его элементов.

С этой целью на территории Павловского района Воронежской области проведен комплекс работ, согласованных во времени и пространстве. Выполненные исследования в зоне техногенного влияния включали: 1) изучение современного состояния природной среды (почв, поверхностных вод и пр.) и изменение ландшафтно-геохимической обстановки под влиянием техногенного воздействия; 2) анализ техногенных условий территории; 3) определение содержаний вредных примесей в почвах, донных отложениях, поверхностных и подземных водах.

Основное внимание уделено подземным водам, так как их загрязнение сказывается практически на всех компонентах природы, находящихся в тесном взаимодействии и составляющих в совокупности открытую геосистему. Кроме того, подземные воды широко используются местным населением в питьевых целях.

1.3 Организация эколого-геологичесих исследований

Эколого-геологические исследования подразделялись на 4 этапа [14,20,57].

Первый - подготовительный этап, который включал в себя сбор материалов и разработку вспомогательных карт подготовительного периода: ландшафтной, природно-хозяйственного районирования, естественной защищенности, как основы для литогеохимических и гидрохимических построений. На базе карт подготовительного периода разрабатываются проекты заложения пунктов опробования. Они же являются картографической основой итоговых карт.

Второй этап - полевые работы, включающие изучение, отбор и полевую обработку проб по всем предусмотренным к исследованиям природно-геологическим средам.

14

Третий этап - лабораторные исследования с комплексом основных и дополнительных аналитических методов.

И заключительный этап - камеральная обработка материалов, оценка уровней и категорий загрязнения природных сред и разработка комплекта итоговых карт.

Подготовительный период.

На начальном этапе работ проводится сбор и анализ эколого-геохимической и эколого-геологической информации по исследуемой территории. В подразделениях ЦГСН областного и районного подчинения, медицинских учреждениях, Комитетах охраны природы, земельных комитетах, научно-исследовательских, учебных и геологических предприятиях собиралась необходимая информация по производственным выбросам предприятий, количеству производственных предприятий, промышленных зон и площадок, сельскохозяйственных предприятий, сливам сточных вод в поверхностные водотоки, отдельным техногенным объектам, оказывающим свое влияние на экологическую обстановку, полигонам захоронения твердых бытовых и промышленных отходов, геохимическая информация предыдущих исследований и другая информация экологического характера. Все эти данные анализировались и служили в дальнейшем основой для построения предварительных и вспомогательных карт, а также для интерпретации полученных эколого-геологических результатов.

Полевые работы.

При проведении эколого-геологических работ проводилось геохимическое опробование почв, донных отложений водотоков, поверхностных и подземных вод.

Такой набор изучаемых природно-геологических сред позволил достаточно полно оценить эколого-геохимическую, эколого-гидрогеологическую обстановку изучаемой территории [14, 20, 57].

15

Средняя плотность опробования почв составляла 1 проба на 4 км2. Пробы природных почв отбирались с глубины 5-10 см, а сельскохозяйственных почв отбирались на всю глубину пахотного слоя. Общая площадь опро-бования составила более 2000 км .

Поверхностные воды и донные отложения поверхностных водотоков опробовались в летнюю межень. Пробы отбирались через каждые 5-6 км, а в районе населенных пунктов через 2 км. Места отбора водных проб и проб донных отложений сопряженные.

Пробоотбор воды проводился по возможности в стрежневой части потока.

Пробы донных отложений отбирались из русловых осадков мелкофракционного состава (тонкозернистого песчано-илистого, илистого, глинистого). Отбор проводился из-под поверхности воды, как обязательное условие качественного отбора пробы.

Для получения качественной и количественной информации по загрязнению подземных вод были опробованы колодцы, эксплуатационные скважины (основные эксплуатационные горизонты, являющиеся источником централизованного водоснабжения). Плотность опробования зависела от наличия колодцев и скважин на исследуемой территории и в среднем составила не более чем 1 проба на 14 км2.

Также в процессе проведения полевых исследований путем визуальных наблюдений изучался природный и техногенный ландшафт, выявлялись источники загрязнения окружающей среды, а также состояние и динамика развития современных экзогенных геологических процессов (оползней, карста, оврагообразования, эрозии, подтопления и др.).

Аналитические исследования.

В ходе лабораторных исследований в почвенных пробах проводился:

16

спектральный полуколичественный анализ на 32 элемента;

атомно-абсорбционный, атомно-эмиссионный, спектральный, рентгено-спектральный и др. (количественными методами определялась концентрация тех элементов, чувствительность спектрального анализа для которых недостаточна -ртуть, селен, кадмий, сурьма, мышьяк, бериллий). В пробах поверхностных и подземных вод проводился:

для определения макрокомпонентного состава - сокращенный химический анализ воды;

для определения микрокомпонентного состава -атомно-абсорбционный анализ на выбранный комплекс микрокомпонентов либо масс-спектральный и атомно-эмиссионный анализы с применением индуктивно связанной плазмы. Вся аналитическая информация по опробованным средам в виде баз данных вводилась в ПК.

Камеральные работы.

В процессе камеральной обработки материалов решались несколько самостоятельных и одновременно взаимосвязанных задач:

- оценка специфики распределения химических элементов и соединений на территории исследований, выявление закономерностей формирования их зон накопления (концентрации) или выноса (деконцентрации) в связи с ландшафтными, природными, функциональными, техногенными и другими факторами;

- определение уровня техногенного загрязнения природных сред по отдельным геохимическим параметрам и интегральным показателям, выявление источников загрязнения;

- комплексная оценка экологического состояния поверхностных сред и подземных вод.

17

1.4 Методика эколого-геохимической оценки территории

Для эколого-геохимической оценки территории необходимо было выявить геохимические параметры, имеющие взаимосвязь с экологической обстановкой. Этими параметрами стали:

значения суммарного показателя концентрации — СПК, которые рассчитываются путем нормирования истинных концентраций на фоновые значения;

значения суммарного показателя загрязнения — СПЗ, которые рассчитываются путем нормирования истинных концентраций на предельно допустимые концентрации (ПДК)[56].

Фоновые значения были рассчитаны на ПЭВМ по выборке, не имеющей аномальных и ураганных концентраций химических элементов.

Загрязнение почвенного покрова и донных отложений

по величине СПК

Коэффициенты концентраций и СПК в почвах рассчитывался для следующей группы токсичных химических элементов: 1 класса гигиенической опасности - цинк, мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, фтор, селен, бериллий; 2 класса гигиенической опасности - хром, бор, кобальт, никель, медь, молибден, сурьма; 3 класса гигиенической опасности - ванадий, марганец, вольфрам, стронций, барий. Существует группа химических элементов с неустановленной степенью токсичности, которые являются индикаторами техногенного загрязнения (серебро, олово и некоторые другие). Они также были взяты в расчет при вычислении СПК.

СПК рассчитывался по следующей формуле: = ]ГКк-(п-1),где

Список литературы