DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 02.02.2004

Материалы

загрузка...

Гидрогеоэкологические условия рыбинского артезианского бассейна и его устойчивость к техногенному воздействию

Запольский Александр Николаевич, 02.02.2004

 

Разработан метод оценки степени устойчивости химического состава подземных вод и расчёта допустимых норм поступления загрязнителей для водоносных горизонтов артезианских бассейнов, связанных с терригенными отложениями юрского возраста в наложенных впадинах Центральной Сибири.

Установлено, что при современном уровне хозяйственной деятельности в пределах природно-технического комплекса Рыбинской впадины существенная опасность связана с нитратным загрязнением, интенсивность поступления хлоридов и сульфатов в водоносные горизонты далека от критических

Основные защищаемые положения

Геолого-тектонические особенности территории обуславливают гидродинамическую обособленность Рыбинского артезианского бассейна от окружающих структур; боковой приток из доюрских горизонтов не играет существенной роли, ресурсы подземных вод формируются, главным образом, за счёт инфильтрации атмосферных осадков на площади бассейна.

Основная часть территории Рыбинского артезианского бассейна характеризуется устойчивым состоянием геологической среды, однако интенсивность современного техногенного воздействия близка к предельно допустимой. Дальнейшее повышение нагрузки на подземные воды способно привести к необратимым изменениям.

Гидрогеоэкологические особенности Рыбинского артезианского бассейна, реализованные на модели, позволяют принимать обоснованные природоохранные управленческие решения, что во взаимосвязи с системой мониторинга обеспечивает условия устойчивого использования подземных вод в регионе.

Практическое значение работы. Неблагоприятные прогнозы снижения уровней подземных вод и их загрязнения при существенном возрастании техногенной нагрузки предопределяют необходимость тщательного анализа перед принятием решений, в том числе и с использованием результатов данной работы. При проектировании новых и расширении действующих объектов допустимые нормы поступления загрязнений в водоносные горизонты являются критериями экологически обоснованного природопользования. Детальные карты разгрузки подземных вод обеспечивают основу планирования постановки поисково-оценочных работ на пресные подземные воды. Посредством использования разработанной модели решаются задачи охраны подземных вод от истощения и загрязнения, такие, как влияние водоотбора на подземные и поверхностные воды, взаимовлияние водозаборных сооружений, возможность увеличения производительности существующих и размещения новых водозаборов подземных вод, определение зон санитарной охраны, установление путей распространения загрязнения. Реализация основных предложений по усовершенствованию мониторинга подземных вод обеспечивает как оперативный контроль за протеканием гидрогеоэкологических процессов в областях наибольшего техногенного воздействия, так и по структуре в целом.

Реализация работы. Основные положения диссертации использованы при прогнозировании изменений в гидрогеоэкологической обстановке в связи с расширением угольных разрезов (Берёзовский, Сереульский, Канский, Восточно-Бейский, Черногорский, Изыхский) Красноярского края и Республики Хакасия (ООО «Управление проектных работ АО Красноярскуголь»). Выводы учтены при доработке рабочего проекта полигона захоронения ТБО в г. Бородино (ООО «Геоэкология») и разработке ТЭО научно-исследовательской работы: «Оценка запасов подземных дренажных вод Бородинского буроугольного месторождения и возможности их комплексного использования. Оценка воздействия осушения разреза на существующие водозаборы подземных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения расположенные в расчетной зоне влияния разреза» (ОАО «Бородинский угольный разрез»). Территориальным центром «Красноярскгеомониторинг» приняты к сведению и используются при составлении программы дальнейших работ предложения по усовершенствованию мониторинга подземных вод Рыбинского артезианского бассейна.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XVII Всероссийском совещании по подземным водам Востока России (г. Красноярск,2003), на научно-практической конференции, посвящённой 60-летию Красноярской геологии (г. Красноярск,2003), на совещании «Предварительные итоги геологоразведочных работ в 2003 году и задачи на 2004 год» 22-23 января 2004 г. в г. Красноярске на ТПИ и подземные воды (от Государственной геологической службы МПР России), на научно-техническом совещании ФГУП «Красноярскгидрогеология» в 2001 г. Материалы работы опубликованы в научной печати в виде статей и тезисов –

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объём 211 страниц, включая 87 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 167 наименований.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю работы – доценту ТГАСУ Покровскому Д.С. за внимание и поддержку в работе. Автор искренне благодарен руководителю геологической службы ФГУП «Красноярскгидрогеология» Горюнову А.А. за ценные советы и многолетнее сотрудничество. Автор осознаёт, что базой для научных обобщений послужили материалы, созданные многолетним трудом красноярских геологов и гидрогеологов, и выражает им свою глубокую признательность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние разработки проблемы, изученность территории

Путь устойчивого развития общества закреплён на Всемирном форуме по окружающей среде в Рио-де-Жанейро в 1992 г в Декларации по окружающей среде и устойчивому развитию. Приверженность России этой концепции видна из Указов Президента РФ от 04.02.94 г №236 «О Государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» и от 01.04.96 г №440 «О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию». Одним из условий устойчивого развития общества является устойчивость природных систем.

Разработка методов оценки устойчивости геологической среды к техногенным воздействиям является одной из задач экологической геологии, ориентированной на изучение ресурсной, геодинамической, геофизической и геохимической функций приповерхностной части литосферы (Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г., 1995,1997, Прозоров Л.Л., 2000).

Термин «устойчивость» тесно связан с таким свойством как саморегулирование, т.е. способность системы к восстановлению внутренних свойств и структур под влиянием внешнего воздействия (Островский В.Н., 1997) на основе принципа обратной связи Ле-Шателье. Развёрнутое определение этого термина предложено Мамаевым Ю.А., Куриновым М.Б (1998): устойчивость геосистемы (геологической среды, территории) – это её свойство при воздействии различных природных и техногенных факторов сохранять (или восстанавливать) равновесие связей и параметров состава, структуры, состояния и свойств своих отдельных компонентов, а также обеспечивать стабильное функционирование технических систем, которые она вмещает. Для количественной оценки устойчивости любой геосистемы должны быть количественно охарактеризованы сами факторы воздействия и обоснованы их критические (пороговые) значения.

Попытка уже сейчас, на достигнутом уровне изучения явления устойчивости экосистем, предложить универсальный алгоритм расчёта сводится к формальному коэффициенту устойчивости из теории сопротивления материалов (Кофф Г.Л., Кожевина Л.С., Жигалин А.Д., 1997), трудно применимому на практике. Более обоснован подход, согласно которому устойчивость следует оценивать не вообще, а только применительно к конкретному не только типу, но и виду воздействия (Перязева Е.Г., Плюснин А.М., Гунин В.И., 2002). В работе В.Н. Островского (1997) проблема устойчивости геологической среды к внешним воздействиям рассматривается как одна из самых сложных; констатируется, что удовлетворительных её решений применительно к геологической среде, как целостной структуре, в настоящее время не существует; решается она лишь для частных процессов.

На региональном и глобальном уровнях при необходимости учёта множества разнородных и невысокой точности данных (природных, техногенных, экологических, экономических, социальных, медико-биологических) наиболее часто применяется обобщённая качественная оценка устойчивости геологической среды. Для локального уровня, при детальных исследованиях воздействия какой-либо однородной группы факторов или при рассмотрении отдельного компонента геологической среды, более приемлема разработка количественных показателей устойчивости.

Для отображения экологических функций геологической среды широко используются эколого-геологические карты (Зилинг Д.Г., Харькина М.А., Осиюк В.А., 2001, Богословский В.А., Жигалин А.Д., Зилинг Д.Г., Трофимов В.Т., 2002, Рященко Т.Г., Акулова В.В., Макаров С.А., 2000, Арбузов А.И., Галицкая И.В., 1997, Трифонова Т.А., Солдатенкова О.П., 2002, Фащук Д.Я., 1998, Заиканов В. Г., Минакова Т. Б., 2000, Островский В.Н., 2001 и другие). Разработка критериев устойчивости находится в начальной стадии. Методика получения единого критерия оценки устойчивости разработана слабо и, по мнению ряда исследователей (Мамаев Ю.А., Куринов М.Б., 1998), вряд ли целесообразна такая разработка.

Классифицируя существующие взгляды на оценку устойчивости природных систем Ревзон А.Л., Камышев А.П. (2000), выделяют в качестве показателей устойчивости следующие: коэффициент поражённости территории проявлениями различных деградационных процессов, вероятность их возникновения или активизации; степень риска катастроф и чрезвычайных ситуаций; покомпонентный коэффициент; интегральный показатель устойчивости, качественный или полуколичественный.

Весьма эффективны количественные критерии, определяющие максимальные нагрузки (сейсмическая балльность, критические объёмы поступления из атмосферы, предельно допустимые воздействия), которые может выдержать геологическая среда без существенных изменений своего качества (Моисеенко Т.И., 2002, Китаев С.П., 2002, Айдаров И.П., Веницианов Е.В., Раткович Д.Я., 2002).

Оперативная оценка состояния геологической среды не может быть выполнена без изучения её гидрогеологической составляющей, что обосновывается следующими положениями (Куликов Г.В., 2002): подземная гидросфера как наиболее динамичный компонент геологической среды достаточно быстро реагирует на изменение природно-техногенных условий; реакция подземной гидросферы чётко фиксируется применяемыми в настоящее время средствами измерений; изменения гидрогеологических условий могут оказывать влияние на развитие многих экзогенных процессов, на поверхностные воды, почвы, растительность, многолетнюю мерзлоту. Таким образом, изменения в подземных водах, оцененные по их гидродинамическим, гидрохимическим и гидротермическим характеристикам, содержат обширную информацию об экологическом состоянии окружающей среды и могут служить основой для оценки её интегрального показателя. Важно также, что актуальность изучения подземной гидросферы вызвана тем, что развитие гидрогеологических процессов начинается на самой ранней стадии направленного техногенного воздействия. Появляется возможность предупредить или ослабить негативные процессы в других компонентах окружающей среды. Коль скоро гидрогеологическую (особенно гидродинамическую) обстановку возможно искусственно регулировать, то открывается возможность добиваться минимизации ущерба.

Глава 2. Природные и техногенные факторы формирования геоэкологических условий бассейна

По границам распространения отложений юрского возраста Рыбинский артезианский бассейн занимает площадь 6350 кв.км. Для центральной части впадины характерны степные ландшафты с выщелоченными и обыкновенными чернозёмами. Степи почти полностью распаханы. По окраинам впадины, а также по отдельным логам и долинам рек сохранилась островная лесостепь на дерново-подзолистых и серых лесных почвах.

Климат с четко выраженной континентальностью. Амплитуда колебаний температуры воздуха за многолетний период 89 °С, норма осадков 398 мм, норма испарения 277 мм. Гидросеть изучаемой территории принадлежит бассейну реки Кан, правому притоку Енисея. Залесённость бассейна менее 20%, крупных озёр нет, мелкие обычно приурочены к пойме. Под пашню отведено более 50% площади, часть сельхозугодий мелиорирована. Естественный сток рек существенно изменён прудами.

Рыбинская впадина относится к наложенным предгорным структурам. Юрские отложения выполняют участки максимального прогибания фундамента, образуя мульды, соответствующие синклинальным структурам среднего этажа, наиболее крупные из них – Бородинская и Балайская.

Среди 12 выделенных водоносных горизонтов и комплексов наибольшее распространение и значение имеют горизонты переясловской и камалинской свиты. Водовмещающими породами являются слабо сцементированные песчаники и гравелиты, в меньшей степени трещиноватые алевролиты и угли. Основная доля скважин характеризуется удельными дебитами 0,1 – 0,5 л/с (42%), велико также количество скважин с удельным дебитом 0,01 – 0,1 л/с (31%) и более 0,5 л/с (24%). Воды пресные с минерализацией 0,4 – 0,8 г/л, гидрокарбонатные смешанные по катионному составу. Этот комплекс является одним из наиболее перспективных для питьевого и технического водоснабжения, что связывается (при общих достаточно близких фильтрационных свойствах и качестве воды для всех юрских горизонтов) с возможностью сработки значительных упругих запасов – в центральных частях впадины напоры достигают 300 м и более.

Среднемасштабное геоэкологическое картирование на изучаемой территории не проводилось, оценка геоэкологических условий базируется, главным образом, на результатах специализированных работ (Родионова А.М., Озёрский А.Ю., 1988, Кузьмин В.В., 1995, Семеняко В.В., 1999). Касаясь аспектов развития геохимического типа загрязнения, отметим, что для исследуемого района пути миграции токсикантов от основных объектов прослеживаются через их перенос по воздуху в виде аэрозолей и пыли с последующим выпадением на почвы, смыв в гидросеть и подземные воды, и результирующее поглощение растительностью и человеком. Стабильные зоны загрязнения проявляются через ассоциации элементов-токсикантов и в почвенном, и в снеговом покрове. Существенное воздействие оказывает также прямой сброс дренажных и сточных вод. Имеющиеся материалы позволяют в общих чертах для Рыбинской впадины и детально для отдельных, наиболее подверженных техногенному воздействию, участков количественно охарактеризовать антропогенную нагрузку на воздушный бассейн, почвы, водные ресурсы.

Анализ обширного фактического материала приводит к следующим заключениям. Рыбинский артезианский бассейн имеет естественное выделение по комплексу признаков: спокойное, мульдообразное залегание слагающих его пород, преобладающий поровый тип проницаемости геологической среды, отсутствие явного затухания проницаемости с глубиной и подчинение её литологическим свойствам разреза. Превышение величины атмосферных осадков над испарением благоприятно сказывается на формировании ресурсов пресных подземных вод по всей толще проницаемых пород, слагающих артезианский бассейн. Основная техногенная нагрузка связана с зонами городов Канск, Зеленогорск, Заозёрный, Бородино, угледобывающими разрезами Бородинский и Переясловский. В меньшей степени воздействие оказывают прочие селитебные зоны и линейные сооружения: автомобильные и железные дороги. Основная часть территории характеризуется слабым уровнем техногенного воздействия. Распространение влияния даже от крупных объектов ощутимо на расстоянии до 5 км. Опасность заключается в возможном перекрытии этих областей при дальнейшей интенсификации нагрузок и возможном превышении устойчивости элементов природной среды Рыбинской впадины.

Глава 3. Гидрогеологическая модель Рыбинского артезианского бассейна

Решение поставленных задач требует учёта многих природных и техногенных факторов, что наиболее эффективно достигается посредством создания и использования гидрогеологической модели изучаемого объекта. Моделирование произведено с помощью системы специального программного обеспечения MODFLOW-96 (Harbaugh, A.W., McDonald, M.G., 1996).

При схематизации гидрогеологических условий учитывались следующие факторы: гидрогеологическая изученность выделяемого слоя, в том числе наличие достаточного количества контрольных точек для калибровки; наличие естественных границ (водоупоры); гидродинамическая однородность в пределах слоя; гидродинамическая разнородность между соседними слоями; роль в водном балансе структуры; значение в сложившейся водохозяйственной обстановке. Результатом такой схематизации явилась четырёхслойная модель:

- слой 1 – водоносный горизонт четвертичных аллювиальных отложений в долинах рек Кан, Кунгус, Агул, Рыбная, Уярка, Конок. Изучен по 40 водопунктам, для калибровки использовались 25 контрольных точек. Его выделение основывалось практически по всем выше перечисленным критериям, прежде всего, по гидродинамической разнородности с нижележащими горизонтами и его роли в водном балансе (обеспечивает взаимосвязь поверхностных и подземных вод и площадную разгрузку из нижележащих

- слой 2 – водоносные комплексы бородинской свиты и верхнекамалинской подсвиты. Изучен по 91 водопункту, для калибровки использовались 80 контрольных точек. Причины разделения юрских отложений на 2 слоя следующие: верхняя часть разреза менее водообильная, к нижней части приурочены основные продуктивные водоносные горизонты, эксплуатируемые рядом разведанных месторождений, к верхней части приурочены основные запасы бурого угля и связанный с их добычей водоотлив (Бородинский углеразрез);

- слой 3 – водоносный комплекс нижнекамалинской подсвиты и переясловской свиты. Изучен по 315 водопунктам, для калибровки использовались 259 контрольных точек. Граница между 2 и 3 слоями проведена в соответствии с принятой гидрогеологической стратификацией, согласно которой выделяется единый водоносный комплекс нижнекамалинской подсвиты и переясловской

- слой 4 – водоносные комплексы домезозойских отложений. Изучен по 586 водопунктам, для калибровки использовались 472 контрольные точки. Слой объединяет подземные воды в палеозойских и протерозой-архейских породах, слагающих фундамент Рыбинской впадины.

Исследуемая территория была вписана в прямоугольник размером 126 на 112 километров, стороны его ориентированы по границам планшетов. Шаг сетки принят равным 1 км в центральной, наиболее изученной части и 2 км на остальной территории. Размерность модели 93*73*4 = 27156 ячеек. Граничные условия I рода (постоянный напор) задавались только периметру слоя 4. Неизбежные ошибки при задании границ мало сказались на модели собственно Рыбинского артезианского бассейна как гидрогеологической структуры, поскольку были исправлены по контрольным точкам, лежащим между внешними границами модели и границами моделируемого объекта. Внутренние граничные условия схематизировались в виде границ III рода (гидросеть), II рода (водоотлив и водоотбор), учитывались также инфильтрация и испарение. Задача решалась в нестационарной постановке, условия фильтрации в аллювиальных отложениях заданы безнапорными, в остальных комплексах напорно-безнапорными.

Калибровка велась в две стадии: сначала по уровням, затем ещё и по расходам, для чего использовалась разгрузка подземных вод в гидросеть, полученная на основе натурных массовых замеров расходов воды в реках (134 створа, 110 контрольных бассейнов стока). На завершающем этапе калибровки использованы также имеющиеся сведения о воздействии сосредоточенного водоотбора. Построенная модель Рыбинского артезианского бассейна характеризуется достаточно высоким приближением к реальной обстановке (таблица 1).

Таблица 1. Числовая оценка калибровки

4 слой 3 слой 2 слой 1 слой