Глава 15. Оценка защищенности (уязвимости) водоносных систем от загрязнения.

Оценка защищенности водоносных систем от загрязнения или их уязвимости (чувствительности) к проникновению загрязнителей в подземные воды является одной из важнейших проблем экологической гидрогеохимии. Ее решение определяет возможности использования подземных вод для различных практических целей, прежде всего для хозяйственно-питьевого назначения. Все это тесно связано с необходимостью решения задач по улучшению качества подземных вод. Они группируются по двум направлениям. С одной стороны, по пути изучения роли процессов самоочищения, которые контролируются геохимическими барьерами. С другой стороны, использованием методов водоподготовки для получения воды необходимого качества. Каждый из названных методов имеет свои границы применения. В совокупности они решают задачи охраны подземных вод от загрязнения и их рационального использования. Кратко охарактеризуем обозначенную проблематику в следующей последовательности: оценка роли геохимических барьеров; методы изучения защищенности (уязвимости) водоносных систем; наиболее важные способы водоподготовки.

Геохимические барьеры. Понятие геохимических барьеров сформулировал А.И. Перельман [48]. Геохимический барьер возникает при резкой смене физико-химических условий, которые вызывают выпадение в осадок компонентов, находящихся в жидкой фазе. Таким барьером может служить не только контакт между твердой и жидкой фазой, но и какой-либо скачок в изменении физико-химической обстановки, содержание отдельных компонентов в жидкой или газовой среде, заметные перемены в температуре, значениях Eh-pH, скоростях движения подземных вод и других параметрах, контролирующих физико-химическое состояние подземных вод. Знание геохимических барьеров позволяет управлять физико-химическими процессами в подземных водах, а в естественных условиях – оценивать возможности самоочищения подземных вод от загрязнения. А.И. Перельман выделил следующие виды физико-химических барьеров: окислительный (кислородный), восстановительный, щелочной, карбонатный, сульфидный, сорбционный, гидроксильный и сорбционно-глинистый.

Окислительный (кислородный) барьер. Этот барьер способствует переводу растворимых соединений в менее растворимые. Они чаще всего дают осадок в виде гидроокислов. Такие процессы происходят при взаимодействии вод богатых кислородом с водами бескислородными, бессульфидными, с низкими потенциалами (Eh 100-200 мВ). На окислительном барьере садятся соединения таких элементов, как железо, марганец, сера, селен, теллур при их переходе от более низковалентных восстановительных форм к более высоковалентным окислительным формам. В качестве примера можно привести следующую цепочку преобразований:

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^–; Fe³⁺ + n(OH^-) = Fe(OH)n^3-n↓;

Fe(OH)n^3-n → Fe(OH)⁰₃ → Fe(OH)_3(TB) → HFeO₂ ∙ nH₂0;

По такой же схеме происходит преобразование одновалентного марганца в двухвалентный:

Mn²⁺ → Mn³⁺ + e^– → Mn⁴⁺ + e^–;

Mn⁴⁺ + n(OH^-) = Mn(OH)n^4-n; Mn(OH)n^4-n → Mn(OH)_4(TB) → MnО₂ ∙ nH₂О↓;

Окисление сероводорода идет по следующей схеме:

2H₂S + О₂ = 2S_TB↓+ 2H₂О; 4HS^- + О₂ = 4S_TB↓+ 2H₂О;

По такой же схеме происходит окисление селена, теллура и др.:

HSe^- = Se_(TB)↓+ H⁺ + 2e^–; HTe^- = Te_(TB)↓+ H⁺ + 2e^–.

 

Восстановительный барьер. На этом барьере более растворимые переменновалентные окисные формы соединений переходят в менее растворимые формы восстановительных соединений. На восстановительном барьере осаждаются селен, теллур, хром, уран. Рассмотрим в качестве примера следующие схемы осаждения:

1) в околонейтральных водах при Eh<200 мВ

HSe (НТе ) + 5Н⁺ + 4е^- = Se (Те)_тв↓+ 3Н₂О,

при Eh < 350—450 мВ

 

Сr + 5Н⁺ + 3е^- = Сr (ОН)_3(тв)↓+ Н₂О (ПР_{Сr (ОН)3} = 6,7∙10^-31)

или 2Сr + 10Н⁺ + 6е^– = Сr₂О_3(тв)↓+ 5Н₂О;

 

2) в околонейтральной среде при Eh 0 ‑ (‑150) мВ

U +4Н⁺+2е^– = U⁴⁺ + 2Н₂О

 

далее U⁴⁺+4ОH^-=U(OH)₄ с последующим образованием UО_2(тв)↓_.

Щелочной гидролитический барьер. Его образуют комплексные соединения. Они же являются гидролизатами. Их элементный состав определяется присутствием железа, марганца, селена, двухвалентного хрома, ртути и бериллия. Комплексные соединения могут мигрировать в различных формах, например, с ОН^-, F^-, , гуминовыми и фульвокислотами. Такие формы защищают комплексные соединения от гидролиза, но полностью предохранить их от этих процессов не могут.

Щелочной гидролитический барьер бессилен перед элементами-гидролизатами, являющимися анионогенными элементами-комплексообразователями (титан, ниобий и др.). Они характеризуются высокой устойчивостью комплексных соединений с анионами-лигандами щелочных вод (, F^-, ОН^- и др.) и к тому же при высоких рН подземных вод проявляют свойство амфотерности.

Щелочной карбонатный барьер возникает при взаимодействии воднорастворимых карбонатных соединений с катионогенными элементами и комплексообразователями. На рассматриваемом барьере осаждается железо, марганец, кобальт. Они образуют соединения в форме МеСO₃. Этот барьер защищает подземные воды от загрязнения тяжелыми металлами – Pb, Cu, Zn и др.

Сульфидный барьер. Действие этого барьера связано с образованием труднорастворимых сульфидных минералов, которое происходит в окислительных условиях, а также в зоне смешения кислородсодержащих вод с Eh>250 мВ и бескислородных вод с Eh 100—250 мВ. В результате образуются сульфиды с халькофильными элементами-комплексообразователями (железо, медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть) и халькофильными анионогенными элементами (молибден, мышьяк, сурьма).

Сорбционный гидроксидный барьер. Cвежеосажденные гидроксиды поливалентных элементов являются хорошими сорбентами, очищающими подземные воды от соединений комплексообразователей и анионогенных элементов. Главное значение среди них имеют гидроксиды железа, марганца и алюминия. Сорбция ионных гидроксидов обычно обратима. Будучи амфотерными, они сорбируют в кислой среде анионогенные элементы (вольфрам, мышьяк, селен, молибден, бор, хром, ниобий, сурьму, ванадий и другие элементы), а в щелочной среде – катионогенные (барий, стронций, медь, цинк, свинец, кадмий, никель, кобальт, иридий).

Сорбционный глинистый барьер. В зоне гипергенеза глинистые минералы обычно имеют отрицательный заряд. Поэтому на глинистом барьере осаждаются прежде всего катионогенные элементы (литий, стронций, барий), а также катионогенные комплексообразователи, такие как бериллий, цинк, медь, свинец, кадмий и др. Более высокой сорбционной способностью обладают глины монтмориллонитовой группы – более 90 % металлов может осаждаться этими минералами.

Сорбционный карбонатный барьер. Главная роль на этом барьере принадлежит карбонату кальция, который может сорбировать компоненты как в катионной, так и в анионной формах. Так, в частности, происходит осаждение карбонатов двухвалентных металлов (свинца, цинка, меди, стронция, бария и др.). На карбонатном барьере происходит осаждение анионогенных элементов (вольфрама, молибдена, мышьяка, а также фтора). Полнота осаждения на карбонатном барьере достигает 100 %.

При возникновении одновременно нескольких видов геохимических барьеров особенно эффективным из них будет тот, который сопровождается наиболее интенсивным движением подземных вод. Исчезновение загрязнителя и его трансформация могут происходить под воздействием процессов, имеющих разную природу. Такие явления происходят при смешении вод различного химического состава, резкой смене температурного режима подземных вод (при нагревании, охлаждении, промерзании, оттаивании, испарении и др.). Изменения окислительно-восстановительной обстановки можно добиться, закачивая в водоносные системы газ или создавая соответствующую микробную среду. Перечень видов геохимических барьеров и условий их функционирования можно было бы продолжить. Важно отметить, что их изучение и использование нашло применение не только в экологической гидрогеологии для управления качеством подземных вод, но и в других областях геологических знаний. Это относится, например, к изучению процессов рудо-, нефте-, солеобразования, поведения системы вода ↔ порода ↔ газ ↔ живые организмы в техногенных и природных условиях, фациальному анализу и многому другому.

Оценка защищенности (уязвимости) водоносных систем от загрязнения. Понятия защищенности или уязвимости водоносных систем могут рассматриваться как адекватные, потому что они оценивают реакцию подземных вод на воздействие, приводящее к их загрязнению. Защищенность водоносных систем предполагает их изоляцию, закрытость от проникновения загрязнителя. Поскольку проникновение загрязнителя обычно происходит с земной поверхности, то защитный потенциал изучаемого объекта оценивается по двум направлениям – фильтрационному и физико-биохимическому. Фильтрационные возможности пород зоны аэрации, водоупоров и водонасыщенной зоны позволяют проследить пути, скорости движения, объемы проникающих веществ и интенсивность водообмена. Изучение физико-биохимических процессов на исследумом объекте позволяет проследить их роль в аккумуляции и преобразовании загрязнителя.

Формулировка уязвимости подземных вод к загрязнению была дана Я. Врба и А. Запорожцем (1994) как естественное свойство подземных вод, которое зависит от чувствительности этой системы к природным или техногенным воздействиям. Реакция водоносных систем на воздействие загрязнителя оценивается, как и при изучении защищенности, по тем же направлениям: фильтрационному и физико-биохимическому.

И.С. Зекцер [49] предлагает оценивать степень защищенности водоносных систем по условиям их инфильтрационного питания. К незащищенным водоносным горизонтам он относит те из них, которые в течение 50 суток реагируют на начало инфильтрационного питания. К слабозащищенным водоносным горизонтам относятся и те из них, которые реагируют на начало инфильтрационного питания через 50 суток после его начала. Эта реакция имеет сезонный характер и наблюдается ежегодно. Защищенные водоносные системы отличаются тем, что на них не сказывается сезонность инфильтрационного питания. Степень защищенности водоносных систем можно определить и косвенно по значению модуля подземного стока, величине мощности зоны аэрации, степени изолированности водоносного горизонта, залегающим в зоне аэрации водоупорам. Если защищенность водоносных систем характеризует прежде всего природные условия их залегания, то уязвимость водоносных систем представляет собой их реакцию на техногенное воздействие, приводящее к изменению режима подземных вод при водоотборе или проникновении загрязненных стоков. Поэтому уязвимость подземных вод есть, по-существу, величина обратная защитным свойствам геологической среды. Там, где наибольшее значение защитности водоносных систем, там наименьшая величина их уязвимости и наоборот. При максимальной уязвимости фиксируется минимальная защищенность.

Систематизация методов оценки защищенности (уязвимости) водоносных систем была сделана в работах В.М. Шестопалова и его коллег [58] и И.С. Зекцера [49]. Указанные методы могут быть сгруппированы в четырех направлениях: 1) индексно-рейтинговые методы; 2) по расчетным параметрам; 3) моделирование эколого-гидрогеологических процессов; 4) эколого-гидрогеологическое картографирование и районирование. Дадим их краткую характеристику.

Индексно-рейтинговые методы оценки. Изучение эколого-гидрогеологической обстановки какой-либо территории свидетельствует об участии в ее создании многочисленных факторов – как природных, так и техногенных. Для комплексного анализа их взаимодействия лучше всего подходит рейтинговая система балльных оценок. Эта система несомненно обладает некоторой субъективностью, но, вместе с тем, она позволяет качественно оценить состояние изучаемой среды и дать сравнительную характеристику роли отдельных факторов ее формирования.Кроме того, следует учитывать, что разработано большое количество индексно-рейтинговых оценок для разнообразных эколого-гидрогеологических условий. Поэтому их использование должно жестко учитывать особенности изучаемого объекта и возможности применяемой балльной системы. При необходимости в нее должны быть внесены соответствующие изменения. Рассмотрим примеры некоторых индексно-рейтинговых оценок эколого-гидрогеологического состояния среды.

Метод DRASTIC разработан Аллером и Беннетом в 1987 г. и одобрен для применения в США, Канаде и ЮАР. Онпредназначен для картирования эколого-гидрогеологической обстановки на территории более 100 акров (40 га). Индекс уязвимости рассчитывается по сумме семи показателей, каждый из которых умножается на соответствующий рейтинговый весовой коэффициент. В число оцениваемых показателей включаются: глубина залегания подземных вод; инфильтрационное питание; литологические особенности водоносного горизонта; текстура почв;уклон земной поверхности; показатель влияния зоны аэрации; коэффициент фильтрации пород, слагающих разрез. Каждый из названных показателей оценивается по 10-балльной шкале, приведенной в табличном виде. На основании расчета дается общая оценка уязвимости подземных вод и их уязвимости по отношению к пестицидам.

Оригинальные методы тестирования территории по степени уязвимости (защищенности) были разработаны применительно к условиям различных регионов мира (Италии, Великобритании, Швейцарии, Испании, Германии). Каждая из предлагаемых методик дает свои предложения, дополнения. Они могут касаться, например, специализации состава вмещающих пород или почв с учетом трещинноватости или закарстованности пород или типа загрязнения (радиоактивного, нитратного, металлами, органическим веществом и др.). Нередко используются расчленение зоны аэрации по фильтрационным свойствам пород, выделение этапов техногенной инфильтрации, процедура матричного ранжирования показателей и наложение ГИС карт для получения оценки уязвимости территории.Оценка для разных стратифицированных горизонтов (почв, зоны аэрации, водоносного горизонта) может быть дана раздельно.

В нашей стране индексно-рейтинговая система оценки защищенности подземных вод от загрязнения была предложена В.Н. Островским (1993). Он ввел понятие защитного потенциала геологической среды, который представляет собой способность противостоять накоплению загрязнителя в подземных водах путем аккумуляции его на геохимических барьерах, разложения на менее токсичные ингредиенты и выноса за пределы участка. Шкала показателей рассчитывается для пяти слоев. Через почвенный слой и зону аэрации загрязнитель попадает в грунтовые воды сверху из нижележащего напорного горизонта и подстилающий водоупор снизу. В грунтовых водах загрязнитель трансформируется, аккумулируется и выносится за пределы участка. Все эти процессы тарифицируются по определенной шкале показателей. Для расчета защитного потенциала почвенного слоя учитываются следующие показатели: радиационный баланс; радиационный индекс сухости; содержание в почвах гумуса; гранулометрический состав почв и минеральный состав содержащихся в них глинистых образований; геоморфологический фактор (влияние ландшафта на условия миграции загрязнителя); кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия. Сложность строения и состава почвенного слоя не позволила учесть в рассматриваемой методике ряд особенностей – роль растительного покрова, глубину корневой системы растительности, температурный режим почв, участие микроорганизмов в преобразовании вещества, режим выпадения и состав атмосферных осадков и др.

При рассмотрении защитного потенциала зоны аэрации учитываются следующие показатели: мощность зоны аэрации, средняя проницаемость пород зоны аэрации, глинистые прослои в процентах от мощности зоны аэрации, преобладающий минеральный состав глин, изменчивость проницаемости пород в плане и разрезе, мощность и распространение многолетнемерзлых пород.В перечне показателей защищенности не учитывается способность пород зоны аэрации к разложению загрязнителя, роль окислительно-восстановительного потенциала и микробиологических процессов в создании защитного потенциала зоны аэрации.

Наиболее важными защитными показателями горизонта грунтовых вод являются структура водного баланса водоносного горизонта, определяющего условия водообмена; скорость фильтрации подземных вод, влияющая на длительность контакта воды и пород; вещественный состав водовмещающих пород, контролирующий способность подземных вод к самоочищению на геохимических барьерах; окислительно-восстановительный потенциал среды с учетом типа загрязнителя в соответствии с классификацией подземных вод по С.Р. Крайнову (глава 10, табл. 12).

Первый от поверхности земли водоупор, на котором залегают грунтовые воды, не принимает непосредственного участия в их загрязнении. Вместе с тем, определенные защитные функции он выполняет. К ним относятся: мощность водоупора; выдержанность водоупора в плане и разрезе; минеральный состав глин, слагающий водоупор. Защитный потенциал залегающего ниже водоупора напорного водоносного горизонта рассматривается по тем же критериям, что и для грунтовых вод. Главное внимание при этом должно уделяться гидравлической связи указанных водоносных систем и оценке возможностей проникновения загрязнителя из напорного горизонта в грунтовые воды.

Воздействие каждого из выделенных слоев на геохимическую обстановку и загрязнение подземных вод неодинаково. По мнению автора, наиболее важные процессы происходят в почвенном слое и горизонте грунтовых вод. Поэтому суммарные баллы, полученные для этих слоев, следует увеличивать вдвое.С учетом сделанных допущений рассчитывается средний балл для каждого из пяти слоев, а затем средний балл разреза с коэффициентом 2 для почв и грунтовых вод.

Параметрические методы. Этот метод предусматривает определение какого-то главного расчетного параметра и его распределение по площади, глубине и во времени. Параметры могут быть представлены общими гидрогеологическими (глубина залегания уровня подземных вод, мощность залегающих слоев, литология пород и др.), фильтрационными (скорость движения подземных вод, коэффициент фильтрации пород и др.) и физико-химическими (Eh-pH среды, концентрация загрязнителя и др.) характеристиками. Рассмотрим в качестве примера методику, разработанную В.М. Гольдбергом (1987). Она базируется на учете четырех показателей: глубины залегания подземных вод (мощности зоны аэрации); литологического состава пород зоны аэрации, мощности слабопроницаемых пород в разрезе зоны аэрации и фильтрационных свойств пород зоны аэрации.Защищенность грунтовых вод от проникновения с поверхности земли загрязнителя В.М. Гольдберг рассматривает, прежде всего, с позиций наличия в разрезе зоны аэрации слабопроницаемых пород. Он вводит понятие подверженности подземных вод загрязнению с поверхности земли (П), которая пропорциональна модулю подземной нагрузки (М _т), равному количеству загрязняющих веществ, выпадающих на земную поверхность в тыс. тонн/км²∙год,и обратно пропорциональна защищенности (), которая рассчитывается в баллах. В качестве основного параметра защищенности подземных вод от загрязнения автор принимает время (t_w) необходимое для проникновения загрязнителя от поверхности земли до уровня грунтовых вод.По этому показателю автор определяет степень защищенности водоносного горизонта. При величине t_w меньше 10 суток это наименее защищенный, а более 400 суток – наиболее защищенный водоносный горизонт. Последняя цифра соответствует максимальному времени выживаемости микроорганизмов в подземной среде. Кроме того, оценка защищенности грунтовых вод может делаться по мощности зоны аэрации и мощности слабопроницаемых отложений в этой зоне. Наибольшей защищенностью характеризуются грунтовые воды, имеющие мощность зоны аэрации более 40 м и мощность слабопроницаемых пород более 20 м.

Оценка защищенности напорных вод проводится по таким показателям, как мощность слоя, разделяющего грунтовые и напорные воды, его литология, коэффициент фильтрации, а также разность положения уровня грунтовых и напорных вод. Эти данные позволяют рассчитать время проникновения загрязнителя через загрязняющий слой. По общей структурно-гидрогеологической обстановке напорные воды считаются незащищенными: в речных долинах, когда раздельный слой прорезается руслом реки; в карстовых районах, если раздельный слой захватывается карстовыми процессами; в районах со сложными тектоническими условиями в зоне активного водообмена, с интенсивными неотектоническими движениями и повышенной проницаемостью в зонах нарушений. Защищенность напорных вод тем лучше, чем больше время проникновения загрязненных вод через разделяющий слой. Незащищенными считаются воды с этим показателем меньше одного года, а хорошо защищенными – со временем проникновения загрязнителя более 20 лет.

Определение степени защищенности водоносного горизонта по времени проникновения загрязнителя является несколько условным, поскольку оно не учитывает физико-химическую составляющую происходящих процессов. Вместе с тем этот метод позволяет сравнивать участки по условиям миграции загрязнителя и делать на основании этого относительные оценки и предварительные прогнозы.

Временной подход, предложенный В.М. Гольдбергом для оценки защищенности подземных вод от загрязнения, широко используется в гидрогеологической практике. В него вносятся необходимые дополнения, и расширяется круг изучаемых параметров. В частности, В.М. Шестопалов и его коллеги [58] обратили внимание на то, что неоднородность разреза является главной причиной неравномерного движения загрязнителя. В современных и погребенных долинах, в зонах тектонических нарушений, на участках карстования пород создаются условия для быстрой миграции загрязнителя. Это, в частности, привело к мозаичному загрязнению радиактивным веществом (Cz¹³⁷, Sr⁹⁰ и др.) после Чернобыльской аварии в бассейне реки Днепр.

В работах С.Р. Крайнова и его коллег [34] получили дальнейшее развитие проблемы изучения геохимических барьеров подземных вод и использование этих данных для расчета уязвимости водоносных систем от загрязнения. В качестве возможных параметров реакции геологической среды на антропогенное воздействие могут быть использованы: суммарное фильтрационное сопротивление перекрывающих пород; расчетные значения задержки мигрантов по соотношению скоростей движения подземных вод и загрязняющего вещества с учетом сорбции, расщепления и распада радиактивных и других компонентов; взаимодействия вода ↔ порода и расчет баланса участвующих в этих процессах химических веществ.

Метод моделирования и прогнозирования гидрогеологических процессов. Рассматриваемый метод основан на математическом описании гидрогеологических процессов, определяющих перенос загрязнителя на изучаемом объекте. Он может быть реализован двумя способами – детерминированным и статистическим. Детерминированные модели базируются на изучении трех основных процессов: конвективного переноса вещества потоком подземных вод; поперечной и продольной дисперсии по отношению к движению потока вследствие неоднородности путей фильтрации; сорбции загрязнителя водовмещающими породами. Для моделирования указанных процессов разработан ряд программ, среди которых наиболее известными являются Modflow (фильтрация) и MT3D (транспорт). Наибольшей эффективностью эти программы обладают при оценке уязвимости небольших территорий.

Статистические методы используют приемы факторного, корреляционного анализа и способы сравнительных аналогий. Указанные разновидности статистического метода не нашли широкого применения в гидрогеологической практике. Это объясняется тем, что в статистической обработке используется большой объем фактического материала, который не всегда можно обеспечить. Такие же трудности возникают при изучении вероятностных методов, базирующиеся на использовании весьма большого фактического материала.

Эколого-гидрогеологическое картографирование и районирование территорий. Наиболее наглядную иллюстрацию распределения подземных вод и химических компонентов дают гидрогеохимические карты. Во второй половине прошлого века методика их составления особенно активно разрабатывалась коллективом ВСЕГЕИ под руководством И.К. Зайцева. На мелкомасштабных картах масштаба 1: 5000000 и мельче показывалось распространение гидрохимических зон и поясов (по площади), изолиниями – концентрации йода, брома и других компонентов, в точках – минерализация, состав и химические типы подземных вод. На эколого-гидрогеологических картах среднего и крупного масштаба гидрохимические данные комплексируются другими видами картографической нагрузки. Она может быть представлена изолиниями (содержание нитратов, пестицидов), источниками загрязнения подземных вод и др.

На эколого-гидрогеологических картах отражаются разные показатели состояния гидрогеологической среды: степень нарушенности режима подземных вод, доля водоотбора по отношению к утвержденным запасам подземных вод, истощение их ресурсов и ухудшение качества воды, изменение уровня эксплуатируемого горизонта, влияние его положения на процессы засорения почв и подтопление зданий и многое другое. И.С. Зекцер [49] при оценке влияния ресурсной составляющей на экологическую обстановку считает наиболее важным: 1) степень освоения ресурсов подземных вод и их подверженность истощению 2) степень подверженности подземных вод загрязнению под влиянием разных видов техногенеза 3) степень развития или подверженности негативным явлениям окружающей среды при изменении гидрогеологической обстановки.

Разнообразные задачи решались при проведении эколого-гидрогеологической съемки масштаба 1: 200000. В их число входили оценка условий питания, движения и разгрузки подземных вод, закономерности распространения и формирования ресурсов и состава подземных вод, их баланса и генезиса, источников загрязнения и ореолов его распространения. По результатам съемки составляются карты защищенности (уязвимости) подземных вод от загрязнения. На этих картах отражаются глубины залегания грунтовых вод, мощность и вещественный состав пород, перекрывающих эти зоны, соотношение уровней залегания грунтовых и напорных вод, показывающих взаимосвязь этих водоносных горизонтов, распространение загрязнителя в подземных водах, физико-химические условия (Еh-pH воды), скорость реакции водоносных систем на проникновение атмосферных осадков и снеговых вод.

Обработка результатов съемки проводится обычно по индексно-рейтинговой и параметрической схемам. В каждой точке по соответствующим шкалам рассчитывают взвешенный суммарный показатель степени защищенности (уязвимости) загрязнению вод. На их основе рассчитываются категории защищенности – благоприятные, условно благоприятные и неблагоприятные, что, в свою очередь, позволяет оконтурить площади соответствующей категории защищенности.

Мелкомасштабные карты защищенности строятся на основе интегральной характеристики подземных вод и техногенной нагрузки (площадной, линейной, точечной). Обобщающая гидрогеологическая характеристика может быть получена с помощью модулей стока, мощности зоны аэрации, наличия водоупорного покрова и др.

Среднемасштабные эколого-гидрогеологические карты строятся с учетом использования фактического материала, полученного по так называемым ключевым репрезентативным участкам. Остальная территория анализируется с помощью косвенных данных и методов аналогии. Техногенная нагрузка классифицируется по видам и интенсивности загрязнения.

Крупномасштабные эколого-гидрогеологические карты базируются на фактическом материале, полученном в результате съемки, опытных фильтрационных, миграционных работ, режимных наблюдений, геофизических исследований. На картах отражаются отдельные компоненты эколого-гидрогеологической обстановки (изолинии содержания загрязнителя, влияние хозяйственной деятельности на состояние подземных вод, характеристика режима подземных вод, количественные оценки по площади и во времени, изменение ресурсов и качества подземных вод и др.). На основе этих данных могут быть рассчитаны обобщенные показатели степени защищенности водоносных горизонтов, что должно найти отражение на соответствующих эколого-гидрогеологических картах. Такие карты могут служить основой для организации мониторинга, прогноза режима подземных вод, планирования их рационального использования и охраны от загрязнения и истощения.

Районирование по степени защищенности (уязвимости) подземных вод от загрязнения проводится на первых этапах исследования. Поэтому в пределах изучаемого объекта сначала выделяются площади по сходству и различию гидрогеологической обстановки. В качестве исходной информации по оценке защищенности подземных вод используются различные интегральные характеристики движения подземных вод и их взаимодействие с вмещающими породами и загрязнителем. Такие данные можно получить, изучая рельеф, инфильтрацию атмосферных осадков, почвенно-покровные отложения, модуль подземного стока, глубину залегания подземных вод, мерзлотную обстановку, физико-химические процессы взаимодействия воды, вмещающих пород и загрязнителя. На подготовительном этапе дается качественная характеристика изучаемых районов, определяется общая картина питания и движения подземных вод, возможные пути миграции загрязнителя, некоторые закономерности формирования режима и состава подземных вод.

На заключительном этапе проведения эколого-гидрогеологического исследования, которое включает картирование изучаемого объекта, уточняются границы выделенных районов. Каждый из них получает количественную характеристику по степени защищенности подземных вод от загрязнения. Такие данные являются результатом использования индексно-рейтинговых и параметрических методов и моделирования гидрогеологических процессов. Анализ полученных материалов (баллы защищенности подземных вод, время прохождения загрязнителя от поверхности земли до водоносного горизонта и др.) позволяет выделить 3-5 категорий земель с разными потенциалами защищенности. Это дает возможность осознанно проводить природоохранные мероприятия, правильно планировать водохозяйственные, строительные и мелиоративные работы, давать прогнозные оценки изменения режима и использования подземных вод.

Пресные подземные воды представляют собой важный жизненный ресурс. Бережное отношение и охрана их от загрязнения становятся актуальными задачами цивилизованного общества. Поэтому дальнейшая разработка теоретической базы и методов исследования, обеспечивающих защиту подземных вод от негативного воздействия различных факторов, ведутся интенсивными темпами в нашей стране и за рубежом. Этому способствуют новые возможности, возникающие в связи с применением ГИС-технологий, новых компьютерных программ, совершенствованием техники и технологии опытно-фильтрационных, опытно-миграционных и лабораторных исследований.

 

Глава 16. ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

 

Ландшафтно-геохимические исследования. Основоположником геохимических исследований в ландшафтоведении является Б.Б. Полынов. В его работах в 30-60 годах прошлого века были сформулированы основные определения и понятия. Методы для изучения процессов были использованы в мелиоративной гидрогеологии, почвоведении, географии. Следующий значительный шаг был сделан А.И. Перельманом (в 60-80 гг.)[48]. Он показал возможности использования геохимии ландшафта в поисковых целях, описал особенности водной миграции химических элементов в разных ландшафтных зонах, предложил методы оценки геохимических аномалий их барьеров.

В начале 80-х годов началось широкое использование ландшафтных методов в геологических целях и картографировании (М.А. Глазовская и др.)[11].

Рассмотрим некоторые важные понятия:

Ландшафт – это географическая оболочка Земли, образовавшаяся в результате взаимодействия атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. В зависимости от роли в своем формировании ландшафты по происхождению могут быть природными, природно-техногенными и техногенными.

Границы ландшафта. Верхняя граница ландшафта находится в нижних слоях приземной зоны атмосферы, где образуются атмогеохимические ореолы рассеяния, приносящие аэрозольное загрязнение. Нижняя граница ландшафта не имеет четкого положения. Она может проводиться по подошве грунтовых вод, основного верхнего регионального водоупора, низам зоны свободного водообмена.

Вертикальное строение ландшафта. В вертикальном разрезе ландшафта выделяется несколько ярусов (зон), имеющих разное функционально-генетическое значение. Сверху вниз – это приземной слой атмосферы, растительный покров, почвенный слой, зона аэрации, зона грунтовых вод, водоупорный слой, межпластовый водоносный горизонт.

Типы ландшафтов. Б.Б. Полынов по характеру и циклам выветривания выделил три типа ландшафта: орто-, пара - и неоэлювиальный.

Ортоэлювиальный ландшафт относится к первичным. Он формируется на кристаллических породах – изверженных и метаморфических. Параэлювиальный ландшафт – вторичный. Он образуется на осадочных породах морского генезиса и древних континентальных формациях. Неоэлювиальный ландшафт – самый молодой по времени образования. Его базис – современные осадочные отложения. Указанные виды ландшафта имеют определенные циклы развития или фазы гипергенеза, которые развиваются на фоне стадий диа -, ката - и метагенеза рельефообразующих пород. Направленность преобразования ландшафта связана с разрушительными процессами (денудационная эрозия, абразия и др.) и аккумуляцией (образование террас и др.).

По условиям миграции веществ Б.Б. Полынов выделил еще три типа ландшафта: элювиальный, супераквальный (надводный) и субаквальный (подводный).

Ландшафтно-геохимический комплекс – элемент рельефа однородный по возрасту и фациальному составу. Элементарный ландшафт – самое малое звено в цепи биогеоценозов.

Ландшафтно-геохимический каскад – непрерывный ряд переходов элементарных ландшафтов от водоразделов в долине в пределах одного речного бассейна.

Ландшафтно-геохимический барьер – резкая смена геохимической обстановки (направленности процессов) в пределах одного водосбора.

Геохимическая структура ландшафта определяет направленность движения миграционных потоков веществ: в пространственном распределении зон выщелачивания и обогащения, ореолов рассеяния и концентрирования вещества.

Фазы ландшафтно-геохимических преобразований: 1) мобилизация – переход менее подвижных элементов в более подвижное состояние; 2) транслокализация. Эта фаза характеризуется перемещением химических элементов в миграционных потоках; 3) аккумуляция. В ней химические элементы переходят из более подвижных в менее под

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: