ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 2, с. 131-141
УДК 556.383/388:504(571.1)
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЮГА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
© 2014 г. А. П. Белоусова, И. В. Агеева, Е. Э. Руденко
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: anabel@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 21.07.2011 г.
Для перспективного использования подземных вод и их охраны выполнена оценка естественной защищенности подземных вод в пределах южного региона Российской Федерации. Региональная оценка и картирование защищенности подземных вод от загрязнения проведена в масштабе 1 : 1500000. В результате построен комплект схематических карт: защитной зоны (базовая); степени влияния гидрогеологических факторов на защищенность подземных вод от загрязнения (промежуточная); защищенности подземных вод от загрязнения (результирующая) с использованием ГИС-технологий. Полученные карты могут стать основой для дальнейшего проектирования и создания комплексного экологического мониторинга региона.
Ключевые слова: защищенность подземных вод, защитная зона, природный защитный потенциал, картирование защищенности подземных вод, гидрогеологические факторы.
DOI: 10.7868/S0321059614020035
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕЛКОМАСШТАБНОЙ ОЦЕНКИ
ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Роль подземных вод, включая грунтовые, как одной из главных жизнеобеспечивающих систем на юге европейской части России (ЕЧР) возрастает по мере увеличения загрязнения окружающей среды (атмосферного воздуха, почв и пород, поверхностных вод — потенциальных источников загрязнения подземных вод). Несмотря на их относительную по сравнению с поверхностными водами защищенность, подземные воды будут также иметь тенденцию к загрязнению и истощению, об этом свидетельствуют процессы, происходящие с грунтовыми и напорными подземными водами на изучаемой территории. В связи с этим актуальна региональная мелкомасштабная оценка защищенности подземных вод от загрязнения на изучаемой территории.
Взаимосвязь подземной части гидросферы и других компонентов окружающей среды и возможность ее загрязнения через них характеризуется степенью защищенности подземных вод от загрязнения.
К настоящему времени отечественными и зарубежными специалистами разработан ряд мето-
дик оценки защищенности подземных вод и тесно связанных с ними схем составления соответствующих карт. Эти методики, в большинстве своем имеющие прикладной характер, позволяют иногда успешно решать конкретные задачи, но не могут быть признаны вполне удовлетворительными и универсальными.
Идея построения карт уязвимости (защищенности) подземных вод к загрязнению как функции гидрогеологических условий принадлежит французским гидрогеологам [10, 11], которые в 1968—1987 гг. построили комплекты карт уязвимости подземных вод.
В отечественной практике составления карт защищенности, как правило, применяется известная методика ВСЕГИНГЕО. В ней под защищенностью подземных вод от загрязнения понимается "перекрытость водоносного горизонта отложениями, прежде всего слабопроницаемыми, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды" [5]. Несмотря на широкое применение этой методики, у нее есть ряд недостатков: в первую очередь — исключение из рассмотрения почв, некоторая ограниченность круга рассматриваемых факторов защищенности (в частности, не включено инфильтрационное питание пласта) и неучет
процессов сорбции и радиоактивного распада не только при качественной, но и при количественной оценке условий защищенности. Обзор методов оценки защищенности подземных вод приведен в [1—4].
Авторами настоящей статьи разработана методика оценки защищенности подземных вод и уязвимости их к загрязнению для средне- и мелкомасштабных исследований, основанных на количественных подходах, заключающихся в определении времени миграции конкретного загрязняющего вещества с поверхности земли в подземные (грунтовые) воды [1—4].
По опыту многолетних исследований установлено, что наиболее целесообразна среднемас-штабная оценка защищенности подземных вод, при которой на основе математической модели одномерного переноса влаги и загрязняющего вещества через ненасыщенную зону с учетом физико-химического взаимодействия (сорбции) в системе порода—вода определяется время миграции (проникновения) этого вещества в грунтовые воды. Такого рода оценка по своей сути — предварительная прогнозная характеристика процесса загрязнения грунтовых вод. Эта методика разработана специально для радиоактивного загрязнения и опробована на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению после аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС), а также и на других объектах в России.
Эта же методика в упрощенном (полуколичественном) виде использовалась и для мелкомасштабных оценок (1 : 1000000) защищенности грунтовых вод в бассейне р. Днепр [3], где средняя многолетняя скорость миграции радионуклида устанавливалась по данным экспериментальных исследований на опытных площадках, а время миграции рассчитывалось без учета физико-химического взаимодействия. Кроме этого, для мелкомасштабной (1 : 2500000) оценки защищенности в бассейне р. Волги расчет времени миграции нейтрального (несорбируемого) загрязняющего вещества проводился по модели поршневого вытеснения. В первом и втором случаях полученные результаты носят приближенный характер.
Задача настоящего исследования — оценка перспектив использования подземных вод для питьевого водоснабжения на юге ЕЧР. Это крупнейший регион страны с различными климатическими условиями, рельефом — от равнинного (включая Прикаспийскую низменность) до высокогорного (включая горы Кавказа), почвенными, геолого-геоморфологическими, гидрогеологическими, гидрологическими, гидрогеохимически-
ми и другими условиями, а также имеющий проблемы с водоснабжением населения.
Для решения поставленной задачи не представляется возможным использовать методику мелкомасштабной оценки защищенности подземных вод, базирующуюся на полуколичественных подходах. Для мелкомасштабных оценок расчет времени проникновения загрязняющих веществ является нецелесообразным из-за грубой генерализации всех картируемых величин, контуров их распространения и сильной изменчивостью свойств в пределах крупных регионов, включающих в себя территории с различными географическими условиями и рельефом (от равнин до гор), и невозможности обеспечения расчетных формул всеми входящими в них параметрами.
В связи с этим возникла необходимость разработать методику мелкомасштабной оценки защищенности подземных вод на основе качественных подходов.
Рассмотрим основные положения, которые следует учитывать при оценке и картировании мелкомасштабной защищенности грунтовых вод от загрязнения.
1. Необходимо сформулировать понятия защищенности грунтовых вод от загрязнения — от этого зависят методы ее оценки. Дадим авторские определения основных оцениваемых показателей:
Защитная зона — зона, отделяющая подземные воды от поверхностного загрязнения и имеющая двухуровенное строение: почвы и породы зоны аэрации.
До 1990 г. почвы при изучении процессов фильтрации и миграции загрязняющих веществ из рассмотрения исключались (даже при проведении геолого-мелиоративных съемок), после аварии на ЧАЭС их влияние на задержку радионуклидов стало очевидным и теперь используется в данной методике как ведущий фактор практически для всех типов загрязняющих веществ [1—4].
Дадим два определения защищенности в зависимости от масштаба исследований:
Защищенность — способность защитной зоны препятствовать проникновению загрязнения в подземные воды в течение определенного времени (для количественных и полуколичественных методов оценки защищенности).
Защищенность — способность защитной зоны препятствовать проникновению загрязнения в подземные воды за счет ее природных особенностей, включая геологическую среду и почвы, а также географо-геоморфологические, гидрологические, гидрогеологические и гидрогеохимиче-
ские условия их формирования (для качественных методов оценки защищенности).
Природный защитный потенциал — способность геологической среды (почв и пород зоны аэрации) удерживать загрязнение в защитной зоне, зависящая от литологических, фильтрационных и сорбционных свойств почв и пород.
2. Оценка защищенности имеет картографическое выражение, поэтому необходимо установить ее масштаб. Карты должны быть просты в построении и легко читаться.
Карты защищенности грунтовых вод от загрязнения целесообразно строить в среднемасштаб-ном исполнении (1 : 200000 и 1 : 100000) — как наиболее соответствующем качественной и количественной оценке защищенности. Для мелкомасштабных карт крупных регионов следует использовать преимущественно качественные оценки природного защитного потенциала защитной зоны без учета физико-химических процессов, происходящих в ней. Построение крупномасштабных карт защищенности для локальных и точечных объектов теряет всякий смысл исходя из требований к исходным материалам для этого масштаба. Для такого масштаба необходимы не только данные о геологическом и гидрогеологическом строении территории, но и параметры процессов фильтрации, влагопереноса и массо-переноса. При наличии этих данных нет необходимости строить приближенные карты, а есть смысл, используя точные математические методы, моделировать процессы загрязнения и затем строить прогнозные карты, характеризующиеся высокой достоверностью.
3. Для построения карты защищенности от загрязнения любого масштаба необходимо располагать следующими сведениями: рельеф местности, его уклоны, характер гидрографической сети; количество атмосферных осадков; литологическое строение защитной зоны; степень засоления пород, генетическое строение почв и количество в них гумуса; фильтрационные свойства пород, слагающих защитную зону; мощность защитной зоны или глубина залегания грунтовых вод; величины поверхностного и подземного стока и их соотношения; величина инфильтрационного питания грунтовых вод и их режим.
4. Основа мелкомасштабных оценок — исходные картографические данные, позволяющие на качественном уровне ус
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.