8341

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Подземные воды в условиях техногенеза являются важнейший фактором в жизнеобеспечении человека и общества в целом. Отбор подземных вод для систем водоснабжения только в бассейне реки Волги составляет 5173,867 млн куб. м в год ( Найденко, 2003).

Особую опасность техногенное загрязнение представляет для подземных вод в карстовых районах, площадь которых только в России составляет около 20% от всей площади страны, а по мнению известного карстоведа Н.А. Гвоздецкого, примерно на третьей части земного шара имеются реальные возможности для развития карста.

Карстовые районы характеризуются значительным снижением естественной защищенности подземной гидросферы, большой концентрацией запасов высококачественных пресных подземных вод. Наиболее уязвимыми для промышленных, бытовых, сельскохозяйственных отходов, полигонов складирования минеральных удобрений и ядохимикатов и других техногенных воздействий являются участки закарстованных территорий, где вследствие образования карстовых провалов на земной поверхности, нарушения сплошности геологического разреза появляются зоны свободного перетока (водообмена) между зоной аэрации и нижележащими водоносными горизонтами.

При разработке мероприятий по защите, восстановлению качества и рациональному управлению ресурсами подземных вод в карстовых районах особенно остро стоит проблема изучения условий их естественной защищенности, особенностей миграции загрязняющих веществ с учетом современных и древних карстовых провалов, выявления областей загрязнения и оценки их масштабов в условиях продолжающегося возрастания техногенных воздействий. Отсутствие методологии комплексной оценки техногенного загрязнения подземных вод в карстовых районах, а также эффективных мер защиты подземных вод от загрязнения, с обеспечением экологически безопасного снабжения населенных пунктов высококачественной питьевой водой, сдерживает социально-экономическое развитие крупных регионов. Это обусловливает актуальность проблемы и необходимость ее решения.

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлись разработка и "практическое применение методологии комплексной оценки техногенного загрязнения подземных вод в карстовых районах для планирования экологически безопасного размещения промпредприятий, водозаборов, очистных сооружений, полигонов складирования и захоронения промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, хранилищ химических удобрений, гербицидов и пестицидов, ограничения существующих техногенных нагрузок на подземную гидросферу и эффективного управления ресурсами подземных вод.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

-анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта изучения процессов загрязнения подземных вод в карстовых районах;

-анализ и типизация геоэкологических условий закарстованных территорий с учетом сложившихся многолетних функциональных особенностей региона (на примере Нижегородской области);

-определение основных существующих и потенциальных источников загрязнения подземных вод, их классификация по типу и составу загрязнений;

-анализ и оценка размещения источников загрязнения подземных вод относительно участков с различной степенью закарстованности;

-организация и проведение экспериментальных исследований по выявлению путей миграции загрязненных вод на «ключевых» участках;

-типизация водозаборов по условиям возможного загрязнения;

-моделирование процессов миграции загрязнителей с поверхности земли в трещинно-карстовые воды;

-разработка вариантов вероятного развития техногенного загрязнения подземных вод в карстовых районах;

-научно-методическое обоснование состава и структуры мониторинга «Подземные воды карстовых районов и техногенез»;

-разработка общей , методологии обоснования защитных мероприятий для локализации и ликвидации загрязнения подземных вод в карстовых районах;

-создание информационно-управленческой модели обеспечения населенных пунктов экологически чистыми питьевыми водами из подземных источников закарстованных территорий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

-на примере Нижегородской области установлена зависимость интенсивности площадного загрязнения подземных вод от близости размещения источников поверхностного загрязнения к пораженным карстовыми провалами участкам земной поверхности;

-на основании экспериментальных исследований по выявлению путей миграции загрязненных вод на ключевых закарстованных участках, моделирования процессов миграции загрязнителей с поверхности земли в нижние водоносные горизонты, изучения механизма провалообразования разработана методология комплексной оценки масштабов, степени техногенного загрязнения подземных вод и прогноза вариантов вероятного его развития в карстовых районах;

-для эффективного управления ресурсами подземных вод в карстовых районах предложено научно-методическое обоснование состава и структуры мониторинга «Подземные воды карстовых районов и техногенез»;

-разработана и обоснована система инженерных защитных мероприятий, позволяющая локализовать и ликвидировать очаги загрязнения подземной гидросферы в карстовых районах;

-создана и внедряется информационно-управленческая модель обеспечения населенных пунктов экологически чистыми питьевыми волами из подземных источников закарстованных территорий.

Практическая значимость и реализация работы. Исследования, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись автором в рамках межвузовской научно-технической программы «Архитектура и строительство» по темам: НГР - 10.0111.98 П «Анализ и прогнозирование экосистемных изменений в районах эксплуатации крупных централизованных водозаборов подземных вод и совершенствование систем контроля их качества», НГР - 06.01.018 «Методология управления планированием, рациональным размещением и безопасной эксплуатацией систем жизнеобеспечения в карстовых районах», в соответствии с Единым заказ-нарядом (ЕЗН) и тематическим планом НИР Минобразования России из средств федерального бюджета в рамках темы НГР 1.2.2. «Изучение и прогнозирование процессов загрязнения подземных вод в карстовых районах при промышленном и гражданском строительстве».

В вышеназванных госбюджетных темах нашли отражение результаты исследований по выявлению путей миграции загрязненных вод на закарстованных территориях, типизации территорий по степени естественной защищенности подземной гидросферы от поверхностного загрязнения, моделированию процессов миграции загрязнителей при водоотборе подземных вод для технического и питьевого водоснабжения в условиях закарстованных территорий.

Результаты исследований реализовывались автором при составлении специальной программы для Нижегородского метрополитена по организации и ведению наблюдений за изменениями природно-техногенной среды на закарстованных участках трассы с учетом действующих водопонизительных скважин.

Авторским коллективом, включая и диссертанта, были подготовлены для Министерства природных ресурсов России, одобрены и апробированы в Нижегородском регионе «Рекомендации по организации и ведению территориального и объектного карстологического мониторинга».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы рассматривались и обсуждались на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Приборостроение в аэрокосмической технике» (Арзамас, 1999), юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство-2000» (Н.Новгород, 2000), Международной научно-практической конференции «Строительство-2002» (Ростов-на-Дону, 2002), Международных научно-промышленных форумах «Великие реки - 2002, 2003, 2004, 2005» (Н.Новгород, 2002, 2003, 2004, 2005), Научнопрактической конференции-выставке по результатам реализации в 2003 г. межотраслевой программы сотрудничества Минобразования РФ и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (Москва, 2003), научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов и студентов «Архитектура и строительство - 2003, 2004», словацко- польско-российском семинаре «Теоретические основы строительства» (Москва, 2004), на научно-методических семинарах кафедр ЮНЕСКО и геоэкологии и инженерной геологии ННГАСУ (Н.Новгород, 2003, 2004, 2005 г. г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 2 учебных пособия и 4 методических указания.

На защиту выносятся:

-основные результаты обобщения мирового опыта изучения процессов загрязнения подземных вод в карстовых районах и методов защиты от них;

-типизация геоэкологических условий закарстованных территорий с учетом естественной защищенности подземной гидросферы от поверхностного загрязнения;

-результаты экспериментальных исследований по выявлению путей миграции загрязненных вод на «ключевых» участках;

-методология комплексной оценки масштабов и вариантов вероятного развития техногенного загрязнения подземных вод в карстовых районах;

-методология управления ресурсами подземных вод с обоснованием защитных мероприятий подземной гидросферы от загрязнения в карстовых районах.

Автор искренне признателен академику РААСН В.В. Найденко за научное руководство, консультации при постановке и решении задач, обсуждение результатов работы. Автор благодарен всем специалистам, помогавшим в полевых, экспериментальных, лабораторных исследованиях, а также в камеральной обработке и оформлении полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния качества и использования подземных вод в карстовых районах, рассмотрению зарубежного и отечественного опыта размещения и эксплуатации полигонов складирования промышленных и бытовых отходов на закарстованных территориях и применяемых мерах по защите подземной гидросферы от загрязнения.

Изучению теоретических аспектов процесса техногенного загрязнения и вопросам защиты подземных вод посвящено значительное количество работ известных российских исследователей (Алексеев B.C., Бочевер Ф.М., Боревский Б.В., Гавич И.К., Гольдберг В.М., Крайнов СР., Лапшин Н.Н., Лукьянчиков В.М., Мироненко В.А., Мольский Е.В., Орадовская А.Е., Питьева К.Е., Рошаль А.А., Румынии В.Г., Тютюнова Ф.М., Швец В.М., Шестаков В.М. и др.).

Из зарубежных исследований в качестве наиболее значимых в теоретическом и практическом отношении следует выделить работы Fried J., Luckner L., Mercer J., Cohen R., Patrick W., Chunmiao Z., Jorov A..

Анализ результатов исследований вышеназванных авторов и других ученых (Вартанян, Куренной и др., 1994; Плотников, 1998; Семенов, Батрак, 2000; Белоусова, 2001; Valocchi A., 1984; Spalding, 1982; Antoniuk Y., 2002) показал, что техногенное загрязнение подземных вод проявляется в увеличении минерализации, общей жесткости, температуры, увеличении содержания в подземных водах хлоридов, сульфатов, нитратов, органических соединений (особенно углеводородных и хлорорганических), тяжелых металлов, СПАВ и специфических " веществ.

Наибольшую опасность в карстовых районах представляет техногенное загрязнение подземных вод для централизованных водозаборов, где водоотбор превышает 50-100 тыс. куб. метров в сутки, а сами месторождения питьевых вод находятся в непосредственной близости от крупных промышленных центров, таких как Нижний Новгород, Дзержинск, Арзамас, Первомайск, Сэров с большим количеством различных источников загрязнения.

В результате проведенных исследований было установлено, что для центральной и южной частей Нижегородской области характерны значительное площадное распространение и интенсивность карстопроявлений, что резко снижает естественную защищенность подземных вод и создает благоприятные условия для потенциального загрязнения подземных вод от многочисленных поверхностных источников загрязнителей (рис. 1).

7

Мамонова, Толмачев, 1997; Труфманова, Галицкая, 1999; Копосов С, 2003 и др.) и известных ученых США, Канады, Германии, Англии, Индии, (N. Crawford, Ulmer, 1984, 1993; D. Price, 1989; E.Hannah, 1989; A. Edwards, 1989; E. Alexander, 1993; N. Bodhankar? 1993; T. Glover, I. Daniel, 1995; W. Barner, K. Uhlmann,1995; T. Aley, 1997; C, Smart, L. Zabo, 1997; X. Eltschner, 1997; I. Fischer, 1999; B. Memon, 1999; M. Yang, 1999; K. Heitfekd, 2000 и др.) свидетельствуют о недостаточности предварительных геоэкологических исследований при выборе и оценке экологической безопасности вариантов размещения полигонов складирования и переработки отходов в карстовых районах.

Во второй главе рассмотрены принципы и основные методы изучения процессов загрязнения подземных вод на закарстованных территориях. Изложены и обоснованы основные представления о схемах миграции подземных вод в условиях покрытого карста, охарактеризованы особенности методов изучения условий миграции загрязненных подземных вод, виды опытно-миграционного опробования водоносных горизонтов. Особое внимание уделено организации специальных наблюдений за динамикой загрязнения подземных вод на карстовых участках, изучению геофильтрационных условий в плане и вертикальном разрезе закарстованных территорий на примере Нижегородской области.

Основной формой миграции химических компонентов в подземной гидросфере является конвекция, т.е. механический перенос под действием гидравлического компонента. Интенсивность и траектория перемещения растворенного вещества при конвекции определяется полем скоростей фильтрации

(V) и активной пористостью (трещиноватостью, кавернозностью) - n. Опытномиграционные работы на опорных участках показали, что значения активной пористости для песчаных пород достигают n = 0,3-0,5, а для трещиноватых закарстованных доломитов, известняков и гипсов всего лишь n = 0,0007-0,02, т.е. конвекция в массиве трещиноватых, закарстованных пород происходит значительно интенсивнее. Наличие в массиве карстующихся горных пород разнообразных, соединяющихся друг с другом каналов и карстовых полостей, приуроченных к определенным слоям и ориентированных в определенных направлениях, обусловливает фильтрационную анизотропность закарстованных пород и возможность сосредоточенного движения воды по разветвленным карстовым "системам. Конвективный перенос в однородных пластах характеризуется резкой границей раздела между вытесняющей и вытесняемой жидкостями, т.е. перемешивания не происходит, идет поршневое вытеснение одной жидкости другой. В условиях широкого распространения поверхностных карстопроявлений в виде карстовых воронок, западин, озер и провалов большое значение в миграционном процессе играет гравитационная (плотностная) конвекция, обусловленная различиями в плотности между исходными пластовыми природными водами и техногенными (проникающими в водоносный горизонт) растворами. При значительном относительном перепаде напоров по вертикали в сравнении с плотностным градиентом начальная скорость опускания плотных стоков в глубь водоносного горизонта подчиняется следующей зависимости (Мироненко, 1998):

где Kz -коэффициент фильтрации в вертикальном направлении, м/сут.; р-плотность. В условиях интенсивного водоотбора во многих карстовых районах Среднего Поволжья участки карстовых провалов и воронок являются «сквозным окном»,

8

нарушающим изоляцию верхнего водоносного горизонта от трещинно-карстовых вод в результате обрушения разделяющих их глинистых пород в карстовую полость, что способствует быстрому продвижению тяжелой загрязненной жидкости в глубь карстующегося массива (рис. 3).

При организации специальных наблюдений за распространением загрязнения в трещинно-карстовом водоносном горизонте было принято решение основываться на определении простирания систем тектонической трещиноватости в районе исследований и типах геофильтрационных условий грунтовых массивов.

В третьей главе на основании анализа архивных, фондовых геоэкологических материалов, изучения и обработки более 3200 колонок скважин и свыше 700 данных химанализов воды и снеговых проб, проведения специальных гидрогеологических исследований, включающих бурение наблюдательных скважин, опытное опробование водоносных горизонтов, наливы в шурфы, и скважины на полигонах складирования промотходов г. Дзержинска, в зоне влияния Тепловского водозабора, на полигоне складирования «кислых гудронов», на территории ОАО «Горьковский металлургический завод», Южно-Горьковского месторождения подземных вод, были выделены 9 основных типов разрезов массивов горных пород, наиболее характерных для карстовых районов Среднего Поволжья (рис.4).

Рис.4. Характерные типы разрезов массивов горных пород в карстовых районах Среднего Поволжья:

I. ..IX — типы разрезов (условные обозначения на стр. 10)

На примере закарстованных территорий Нижегородской области проведена типизация техногенных воздействий на подземную гидросферу, дана