Геоэкологическая оценка природной защищенности подземных вод от загрязнения (на примере системы верхнего межморенного водоносного горизонта Калининградской области)

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИРОДНОЙ ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО МЕЖМОРЕННОГО ВОДОНОСНОГО ГОРИЗОНТА КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

МИХНЕВИЧ ГАЛИНА СЕРГЕЕВНА

Калининград - 2011

Работа выполнена в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта (БФУ им. И. Канта).

Научный руководитель:

Гриценко Владимир Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор.

Научный консультант:

Орленок Вячеслав Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Болысов Сергей Иванович, доктор географических наук, профессор,

Зотов Сергей Игоревич, доктор географических наук, профессор.

Ведущая организация: Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена.

Защита состоится "19" мая 2011 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.084.02 при Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта по адресу: 236040, г. Калининград, ул. Университетская, д. 2, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (г. Калининград, ул. Университетская, д. 2).

Электронная версия автореферата и объявление о защите размещены на сайте БФУ им. И. Канта www.kantiana.ru.

Отзывы на автореферат просим высылать по адресу: 236041, Калининград, ул. А. Невского, 14, ученому секретарю диссертационного совета.

Д 212.084.02 Г.М. Бариновой (e-mail: ecogeography@rambler.ru).

Автореферат разослан "____"______________2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Г.М. Баринова.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Подземные воды в Калининградской области широко используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Наибольшее эксплуатационное значение имеют четвертичные межморенные водоносные горизонты (московско-валдайский и окско-днепровский), на долю которых приходится более 63 % водоотбора (Карпов, 2005). В то же время высокий уровень промышленной и сельскохозяйственной освоенности территории приводит к загрязнению не только грунтовых, но и напорных межпластовых вод (Инф. бюллетень…, 2006-2010; Рег. инф. бюлл. …, 2009,2010). Геологическая среда во множестве случаев препятствует проникновению загрязняющих веществ с поверхности, что и определяет природную защищенность подземных вод. Под защищенностью подземных вод принято понимать способность верхней части геологической среды к сохранению состояния подземной гидросферы, определяемую, в первую очередь, перекрытостью водоносного горизонта слабопроницаемыми отложениями, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды (Гольдберг, 1984, 1987). Изучение защищенности подземных вод от загрязнения и устойчивости к антропогенному воздействию служит одним из инструментов регулирования отношений между компонентами геоэкосистем, важным звеном в разработке основ рационального использования и охраны водных ресурсов и необходимым элементом геоэкологического анализа региональных проблем. Для поддержания устойчивого равновесия региональной геоэкосистемы и обоснования системы принятия административно-управленческих решений по развитию территории области актуально исследование защищенности от загрязнения верхнего межморенного (московско-валдайского) водоносного горизонта.

Цель работы - изучение защищенности подземных вод московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения как важного условия геоэкологического равновесия в Калининградской области.

Основные задачи:

· анализ методологических подходов исследования защищенности геосистем от загрязнения в контексте геоэкологических проблем региона;

· комплексная характеристика гидрогеоэкологической системы верхнего межморенного водоносного горизонта;

· выбор методики для оценки природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта;

· геоэкологическая оценка защищенности водоносного горизонта от загрязнения в соответствии с выбранной методикой;

· выявление территорий с различной степенью защищенности и вероятности проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт.

Объект исследования - гидрогеоэкологическая система верхнего межморенного водоносного горизонта Калининградской области.

Предмет исследования - пространственная дифференциация гидрогеоэкологических условий защищенности московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения.

Материалы и методы. В работе использованы опубликованные и архивные материалы, в том числе отчеты о проведенных в середине 80-х - начале 90-х гг. сотрудниками географического факультета Калининградского государственного университета исследованиях защищенности подземных вод некоторых административных районов области и г. Калининграда. Особое значение имеют фондовые отчеты Калининградской гидрогеологической экспедиции (КГЭ), ОАО "Запводпроект", проектного бюро "Нимб": описания около 2000 буровых скважин, результаты детальной разведки подземных вод в различных районах области, рабочие проекты разведывательно-эксплуатационных скважин для водоснабжения, строительства, реконструкции и расширения объектов водоснабжения населенных пунктов Калининградской области, информационные бюллетени о состоянии недр на территории Калининградской области, Государственные доклады и бюллетени о санитарно-эпидемиологической обстановке. Для решения поставленных задач привлекались положения из работ И.С. Зекцера (2001, 2007), А.П. Белоусовой (1994, 2001, 2005), А.В. Сидоренко (1970), В.М. Гольдберга (1984, 1986, 1987), Г.Н. Ельциной (1985, 1994), А.П. Хаустова (2007, 2009), А.М. Трофимова (2009) и др. В ходе работы применялись следующие методы исследования: описательный, исторический, сравнительно-географический, картографический, интерполяции, математико-статистический, эколого-географический.

Научная новизна.

· Модифицирована методика оценки защищенности подземных вод от загрязнения В.М. Гольдберга (1979, 1984) и Г.Н. Ельциной (1985, 1994, 2005).

· Впервые по совокупности литологических и гидродинамических характеристик выявлена пространственная дифференциация устойчивости к загрязнению верхнего межморенного (московско-валдайского) водоносного горизонта.

· Определено условное время проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт - от одного года до 200 и более лет, что может быть использовано при определении реальных и прогнозе потенциальных конфликтов водопользования.

· Впервые дана количественная оценка и составлена карта природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения. Определено соотношение площадей с различным уровнем защищенности подземных вод от загрязнения: незащищенные - 18 %, условно-защищенные - 38 %, защищенные - 44 %. Выявлены участки возникновения конфликтов водопользования на месторождениях полезных ископаемых, участках складирования твердых бытовых отходов и минеральных удобрений.

Защищаемые положения:

· Методика оценки защищенности гидрогеоэкологической системы межморенного водоносного горизонта от загрязнения.

· Качественная и количественная оценки защищенности подземных вод, опирающиеся на особенности региональной гидрогеоэкологической системы (литологический состав и мощность водоупоров, наличие грунтовых вод и соотношение уровней напорных и грунтовых вод) и классификация условий защищенности верхнего межморенного водоносного горизонта.

· Пространственная дифференциация территории Калининградской области по степени защищенности московско-валдайского водоносного горизонта, определяющая его устойчивость к антропогенному воздействию и величину экологического потенциала (категории защищенности).

· Закономерности распределения и количественное соотношение территорий с разной степенью защищенности от загрязнения: участки с незащищенными подземными водами располагаются в зоне развития конечно-моренных и флювиогляциальных отложений, в долинах рек (Преголи, Немана, Лавы и др.), по берегам морей и заливов, часто включая устьевые участки рек - Деймы, Мамоновки, Нельмы, Приморской. Не защищены подземные воды на 18 % территории распространения московско-валдайского горизонта.

Апробация работы. Основные положения и выводы изложены в 12 публикациях, в том числе в двух рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Результаты обсуждались на научно-практических семинарах факультета географии и геоэкологии РГУ имени И. Канта (2004-2010); доложены и опубликованы в материалах: 4-й Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии (Экологическая физика)" (Москва, 2004), Международной научной конференции, посвященной 10-летию КГТУ "Инновации в науке и образовании - 2004" (Калининград, 2004), XII съезда Русского географического съезда (Москва, 2005), Международной конференции LXIV Герценовские чтения "География: проблемы науки и образования" (Санкт-Петербург, 2011).

Практическая значимость. Составленная карта защищенности подземных вод от загрязнения может стать основой для административно-управленческой деятельности, в т. ч. планирования работ по развитию территорий. Результаты исследования используются в деятельности Управления по недропользованию по Калининградской области. Они могут найти применение при разработке стратегии эксплуатации и защиты подземных вод в районах с различной природной защищенностью и прогноза изменения качества подземных вод; для обоснования различных водозащитных предприятий и выбора мест для аккумулирования и хранения отходов. Результаты работы также внедрены в учебный процесс факультета географии и геоэкологии БФУ им. И. Канта при чтении курсов "Гидрогеология", "Гидрогеология Калининградской области", "Экологическая гидрогеология", "Охрана и рациональное использование недр".

Теоретическая значимость. Показана возможность полуэмпирического моделирования защищенности гидрогеоэкологических систем от загрязнения. Результаты работы могут стать основой для создания крупномасштабной региональной эволюционной модели состояния подземных вод.

Личный вклад автора заключается в сборе и обработке фактического материала, анализе и обобщении результатов, разработке методики оценки защищенности подземных вод, апробации методики, построении карт. Основные научные выводы и рекомендации принадлежат автору.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю дфмн., проф. В.А. гриценко, декану факультета географии и геоэкологии БФУ им. И. Канта, дгмн., проф. В.В. Орленку, сотрудникам Института "Запводпроект" Н.А. Полищук, Э.И. Марущак, О.Е. Черемисиновой, Н.Д. Хуршудовой, Л.Н. Московцевой, проектного бюро "Нимб" кгмн. Л.И. Цыгановой, начальнику Отдела мониторинга подземных вод КГЭ Л.С. Поляковой, начальнику Управления недропользования по Калининградской области В.Д. Панову, зам. начальника Управления недропользования Г.В. Малафееву за предоставленные материалы, ценные советы и консультации.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, состоящего из 203 наименований, в том числе 29 зарубежных. Работа изложена на 212 страницах, включает 55 схем и рисунков, 12 таблиц и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Методология исследований природной защищенности подземных вод от загрязнения. Для оценки природной защищенности подземных вод от загрязнения автором применен системный подход, позволяющий избежать главного недостатка научной дифференциации, разрывающей единый объект исследования на его отдельные части. Водоносные горизонты рассматриваются как системные образования, совокупность гидрогеологических тел, взаимодействующих между собой и с внешней по отношению к ним окружающей средой. В данной работе используется понятие гидрогеоэкологической системы (ГГС) определенного ранга и содержания, которая находится в активном социально-биотехногенном взаимодействии с окружающей средой, направленно развивается и меняет определенным образом окружающую среду. Процесс изучения гидрогеоэкологической системы подразумевает сначала ее декомпозицию на составляющие элементы, исследование их свойств, признаков, показателей, а затем создание новой целостности для последующего изучения и прогнозирования всех особенностей ее функционирования и развития. Под экологическим потенциалом ГГС понимается "… способность сохранять (или восстанавливать) качественный состав, свойства и ресурсы подземных вод в условиях техногенного воздействия" (Хаустов, 2007). Он тесно связан с устойчивостью - активной реакцией ГГС на негативные процессы, связанные со способностью самоочищения и создания эффекта геохимических барьеров. Понятие экологического потенциала пересекается с понятием защищенности подземных вод от загрязнения. Вслед за И.С. Зекцером (2001), под защищенностью подземных вод от загрязнения понимается "свойство природной системы, позволяющее сохранить на прогнозируемый период состав и качество подземных вод соответствующими требованиям их практического использования". Выявление и оценка экологически значимых свойств системы, ее барьерной функции по отношению к техногенному загрязнению, установление территориальной дифференциации этих свойств служит основой геоэкологического исследования. Оценка защищенности понимается как частная задача по определению экологического потенциала и устойчивости подземных вод. Один из основных факторов устойчивости - литологический состав пород верхнего водоупора, обеспечивающего барьерный эффект. Поэтому для определения устойчивости ГГС к загрязнению, прежде всего, оценивалась литологическая защищенность подземных вод - перекрытость водоносного горизонта слабопроницаемыми отложениями, препятствующими проникновению загрязняющих веществ.

Главной целью в предпринятом изучении ГГС стало выявление наиболее опасных зон экологического риска, характеризующихся низкой степенью защищенности, в которых принятые в качестве критериев показатели превышены или близки к этим значениям (Белоусова, 2006). В основу концепции защищенности подземных вод было положено понимание того обстоятельства, что благодаря сочетанию различных природных условий в одних районах степень риска загрязнения выше и потенциально водоносные горизонты менее защищены, а в других - степень риска загрязнения меньше и, соответственно, выше защищенность. Анализ конкретных природных особенностей изучаемого объекта стал главным моментом при оценке его природной защищенности.

Существует большое количество основных и модифицированных методик оценки природной защищенности (Баринова и др., 1985; Белоусова, 2001; Ельцина, 1994; Зекцер, 2001; Метод. руководство…, 1979; Мельничук, 1997; Рогачевская, 2002; Vrba, Zaporozec, 1994; Witkowski et al., 2007 и др.). Результат исследований выражается в виде карт природной защищенности, составляемых для горизонта грунтовых вод и первого от поверхности основного горизонта (Баринова и др., 1985; Белоусова, 2001; Зекцер, 2001, Метод. руководство…, 1979). Методическую основу для оценки защищенности подземных вод составили разработки В.М. Гольдберга, предложившего в качестве критериев защищенности соотношение уровней оцениваемого водоносного горизонта и вышележащего безнапорного водоносного горизонта и мощность, и литологический состав верхнего водоупора (Метод. руководство…, 1979; Гольдберг, Газда, 1984). При оценке мощности и литологического состава использовался интегральный показатель приведенной мощности водоупора, предложенный Г.Н. Ельциной (Баринова, Ельцина и др. 1985; Ельцина, 1994; Orlenok u.a., 1995).

Глава 2. Методика изучения природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта от загрязнения. Анализ существующих методик оценки защищенности подземных вод от загрязнения показал, что они не могут быть использованы в данной работе в полном объеме. Выбор принятой в работе методики сделан в рамках следующих ограничений.

1. Работа охватывает территорию всей Калининградской области, что предполагает первичную обработку и использование большого объема фактического материала. Вследствие этого выбрано среднемасштабное картирование (1: 200000) условий защищенности подземных вод, как наиболее отвечающее возможностям осуществления оценки защищенности на качественном и количественном уровнях.

2. Ввиду большого разнообразия загрязняющих веществ, их источников и особенностей поведения выполнена оценка присущей защищенности, без учета конкретных видов загрязнителей.

3. Исследование ограничивается геоэкологической оценкой природной защищенности первого от поверхности напорного горизонта, широко используемого в водоснабжении - московско-валдайского межморенного водоносного горизонта (IIms-IIIvd).

4. Оценка защищенности учитывает лишь загрязнение, формирующееся на земной поверхности или в грунтовых водах, и продвигающееся к московско-валдайскому горизонту в вертикальном направлении сверху вниз. Случаи латерального проникновения загрязняющих веществ и их перетока из нижележащих горизонтов, не рассматриваются.

В связи с тем, что для полноценной количественной оценки защищенности, основанной на расчете времени движения загрязняющих веществ до уровня подземных вод недостаточно данных о физико-механических свойствах водоупорных пород, в работе принят приближенный, полуэмпирический подход к количественной оценке защищенности подземных вод от загрязнения.

В качестве критериев для оценки защищенности помимо значения приведенной мощности верхнего водоупора (М_с`), предложенной в середине 80-х гг. Г.Н. Ельциной, использовалось соотношение уровней напорных вод московско-валдайского горизонта и грунтовых вод и величина условного времени проникновения загрязняющих веществ в московско-валдайский горизонт. Для расчета значения приведенной мощности верхнего водоупора (М<sub>с</sub>`), учитывающей в совокупности мощность водоупора, его литологию, фильтрационные свойства в разрезах скважин выделялись литологические разновидности трех типов пород, характеризующиеся различным коэффициентом фильтрации (k_ф):

"а" - супеси, песчанистые глины, легкие суглинки (k_ф~10^-1-10^-2 м/сут);

"в" - смесь пород группы "а" и "с" (k_ф~10^-2-10^-3 м/сут);

"с" - ледниковые глины и тяжелые суглинки (k_ф ~10^-3 м/сут и менее).

Значение приведенной мощности (М_с`) рассчитывается по формуле:

М_с`=Мс + 0,5Мв + 0,1Ма,

где Мс - мощность пород группы "с"; Мв - мощность пород группы "в"; Ма - мощность пород группы "а". Допущение основано на эквивалентности времени фильтрации t через слои различной мощности m (в метрах) и проницаемости k (м/сут).

Соотношение уровней грунтовых вод и напорных вод московско-валдайского горизонта является важным компонентом оценки защищенности подземных вод, поскольку при более низком уровне напорных вод по сравнению с уровнем грунтовых вод будет наблюдаться сокращение срока проникновения загрязняющих веществ, что уменьшает степень защищенности напорных подземных вод.

Значения приведенной мощности верхнего водоупора предлагается использовать для определения условного времени (t_у) проникновения загрязнения с поверхности земли в водоносный горизонт: t_у~ М_с`/k<sub>с.</sub> Значение М<sub>с</sub>`=10 м при k_с=0,001 м/сут обеспечивает время проникновения загрязняющих веществ равное 10000 суток, т.е. стандартному расчетному сроку службы водозабора. Совместный учет значений М_с`, t_у и соотношения уровней подземных вод позволил выделить три категории защищенности вод московско-валдайского (незащищенные, условно защищенные, защищенные), подробно охарактеризованные в таблице.

Таблица - Характеристика условий защищенности от загрязнения первого от поверхности межморенного напорного водоносного горизонта на территории Калининградской области

Категория защищенности ПВ	Условия защищенности ПВ от загрязнения	Районы преимущественного распространения	Распространенность, %
Незащищенные	Верхний водоупор небольшой мощности (Мс`<10 м), невыдержанный по площади, на отдельных участках водоупор отсутствует (гидрогеологические окна), уровни напорных вод располагаются ниже уровня грунтовых вод. На участках гидрогеологических окон грунтовые и напорные воды образуют единый водоносный горизонт. Условное время проникновения ЗВ (tу) составляет менее 30 лет.	Светловский, Балтийский, Светлогорский городские округа, Гвардейский, Полесский, Зеленоградский, Гурьевский районы	18
Условно защищенные	Водоупор значительной мощности (Мс`=10-20 м), выдержан по мощности и без нарушения сплошности, уровни напорных вод расположены ниже или на одной отметке с уровнями грунтовых вод. tу =30-60 лет.	Гвардейский, Полесский, Багратионовский, Гусевский, Черняховский, Краснознаменский, Зеленоградский, Гурьевский районы	38
Защищенные	Водоупор мощный (Мс`>20 м) и без нарушения сплошности, уровни напорных вод выше уровня грунтовых вод. tу >60 лет	Правдинский, Озерский, Багратионовский, Нестеровский, Гусевский, Черняховский районы	44

Выделенные категории близки предложенным В.М. Гольдбергом и коллегами (1979), однако различие состоит в использовании в качестве критериев защищенности значения приведенной мощности и временных интервалов проникновения загрязняющих веществ, кратных 30 годам (сроку службы водозабора). Результат исследований отображается на карте защищенности подземных вод от загрязнения. На карте помимо категорий защищенности показано положение крупнейших водозаборов, факторов, вызывающих загрязнение подземных вод (эксплуатация месторождений полезных ископаемых, функционирование крупных коммунальных объектов, участки размещения свалок ТБО, складов минеральных удобрений и др.).

Глава 3. Гидрогеоэкологическая характеристика региона. Эксплуатируемые водоносные горизонты в работе представлены в качестве гидрогеоэкологических систем (ГГС), состоящих из трех подсистем: гидрогеологической, ландшафтно-климатической и техногенной. Гидрогеологическую подсистему ГГС московско-валдайского межморенного водоносного горизонта образует целостная совокупность гидрогеологических тел (верхний и нижний водоупорный горизонты, напорный водоносный горизонт и горизонт грунтовых вод), взаимодействующих между собой. Значима в составе ГГС московско-валдайского водоносного горизонта ландшафтно-климатическая подсистема - совокупность внешних природных условий, выраженных в особенностях ландшафта, климата, формирующегося на территории распространения водоносного горизонта, и поверхностных вод, образующих с подземными водами звенья единого процесса водообмена. Совокупность вызванных хозяйственной деятельностью человека воздействий, качественно и количественно влияющих на подземную гидросферу, образует техногенную подсистему. С целью выявления особенностей функционирования ГГС московско-валдайского водоносного горизонта проведена ее комплексная характеристика. Основное внимание при описании природной компоненты ГГС уделено характеристике водоносного горизонта, перекрывающих его отложений и грунтовых вод. В работе приведен анализ составленных карт распространения водоносного горизонта и распределения суммарной мощности отложений, перекрывающих водоносный горизонт (масштаб 1: 200000), построенных разрезов, отображающих условия залегания горизонта и его антропогенного загрязнения. Выявлено, что московско-валдайский горизонт распространен на площади 9300 км² (70 % территории области). Мощность водоносного горизонта колеблется в широких пределах: от первых метров до 102,1 м, обычно составляя 10-15 м. Перекрывающие водоносный горизонт породы характеризуются разнообразным составом, мощностью (от 0 до 80 и более метров) и фильтрационными свойствами (от менее 10^-4 до 10 и более м/сут.). Несмотря на значительную распространенность и мощность глинистых водоупорных пород, существуют участки, на которых происходит активное взаимодействие вод московско-валдайского горизонта с грунтовыми или поверхностными водами, а также водами более глубокозалегающих горизонтов.

Рисунок - Карта природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта Калининградской области

Взаимосвязи различных горизонтов подземных вод и поверхностных вод способствуют гидрогеологические (литологические) окна - локальные участки, характеризуются отсутствием или небольшой мощностью верхнего водоупора, его повышенной проницаемостью, а также незначительным напором вод московско-валдайского горизонта. Гидрогеологические окна служат путями распространения загрязняющих веществ в подземных водах. В наибольшей степени гидрогеологические окна характерны для долин крупных рек, например, Преголи.

Подтягивание не соответствующих санитарным нормам поверхностных вод или вод из смежных горизонтов, наблюдается на 18 водозаборах области. Помимо природных предпосылок причиной подтягивания некондиционных вод служит интенсивный отбор подземных вод на этих водозаборах и развитие депрессионных воронок. В некоторых случаях для восполнения запасов подземных вод из поверхностных источников специально создаются каналы (водозабор Восточной водопроводной станции в пос. Озерки-Новые).

К наиболее крупным антропогенным источникам загрязнения подземных вод отнесены городские свалки Калининграда, Краснознаменска, Советска, Балтийска, пометохранилища птицефабрик "Калининградская", "Гурьевская", иловые поля очистных сооружений Калининграда и Советска, склад химических удобрений г. Гвардейск и др. Антропогенным фактором обусловлено загрязнение подземных вод на водозаборах нефтепродуктами, фенолами, СПАВ, азотными соединениями, пестицидами, тяжелыми металлами. Загрязнению подвержены подземные воды всех эксплуатируемых водоносных горизонтов. За последние 10-15 лет наблюдался рост загрязнения подземных вод азотными соединениями, в частности аммонийным азотом. Уменьшение концентрации этого загрязняющего вещества в начале 90-х гг. XX века, связанное с сокращением использования удобрений в сельском хозяйстве, сменилось стремительным увеличением концентрации аммонийного азота в водах четвертичного комплекса, превысившей не только фоновые значения, но и величину ПДК (до 10 и более раз). При этом загрязнение проявляется не только на участках гидрогеологических окон (г. Светлый, Светлогорск), но и при мощном и слабопроницаемом водоупоре (пос. Лазовское, Совхозное, Ладушкин). Таким образом, на территории исследуемого региона существует множество источников и путей загрязнения не только грунтовых, но и межпластовых вод. Медико-экологические аспекты исследуемой проблемы связаны с обеспечением полноценного и безопасного для здоровья населения хозяйственно-питьевого водопользования.

Глава 4. Оценка природной защищенности московско-валдайского водоносного горизонта. Выполнена классификация условий защищенности первого от поверхности межморенного водоносного горизонта. Условия защищенности поделены на две группы по отсутствию (группа А) или наличию (группа Б) в перекрывающих отложениях грунтовых вод. Для группы А при оценке защищенности важны состав и мощность перекрывающих отложений, для группы Б - еще и соотношение уровней напорных и грунтовых вод. В группе Б выделены подгруппы в зависимости от типа грунтовых вод: Б₁ - с грунтовыми водами водно-ледниковых отложений или отложений краевой морены, Б₂ - с грунтовыми водами болотных отложений, Б₃ - с грунтовыми водами морских отложений, Б₄ - с грунтовыми водами аллювиальных отложений. В каждой подгруппе существует несколько вариантов, обусловленных мощностью слабопроницаемых отложений и соотношением уровней:

1. Если уровень напорных вод выше грунтовых, то возможен рассеянный переток из межморенных в грунтовые через слабопроницаемые перекрывающие породы. Возникающее на поверхности земли или в грунтовых водах загрязнение, не сможет попасть в межморенный горизонт.

2. Если уровень напорных вод ниже грунтовых, возможен рассеянный переток из грунтовых вод в межпластовые через слабопроницаемые перекрывающие породы. Загрязнение, возникающее на поверхности земли или в грунтовых водах, может попасть в межморенный горизонт.

3. Проницаемые отложения краевой морены, водно-ледниковые, морские, аллювиальные, болотные отложения залегают без водоупорного перекрытия на межморенных. Образуется гидрогеологическое окно и единый водоносный горизонт, поскольку межпластовые воды теряют напор. При наличии источника загрязнения подземные воды будут загрязнены.

В результате были определены типичные условия, при которых загрязнение, возникшее на поверхности, проникнет в напорный горизонт - напрямую или с грунтовыми водами. Также охарактеризованы условия защищенности, контролируемые нижним водоупором, и условия горизонтального движения некондиционных подземных вод.

Проведен анализ природных условий защищенности. В соответствии с выбранной методикой были рассчитаны значения приведенной мощности верхнего водоупора (M?с) московско-валдайского водоносного горизонта и составлена карта их распределения (масштаба 1: 200000). В распределении ареалов с минимальным значением приведенной мощности (M?с<10 м) выявлен ряд закономерностей.

Первая группа ареалов с низкими значениями M?с располагается в зоне развития конечно-моренных и флювиогляциальных отложений (центральная часть Калининградского полуострова, ареалы близ гг. Багратионовска, Озерска, Гусева, западнее Виштынецкого озера). Их присутствие обусловлено наличием в разрезе проницаемых пород, образующих гидрогеологические окна и способствующих беспрепятственной фильтрации загрязняющих веществ от поверхности до уровня московско-валдайского водоносного горизонта. Наиболее опасны ареалы южнее г. Гусева, где располагаются водозаборы города.

Вторая группа ареалов приурочена к долинам рек: Преголи, Немана, Лавы. Уменьшение мощности слабопроницаемых ледниковых отложений или их полное уничтожение вследствие эрозионной деятельности рек, накопление в долинах хорошо фильтрующих отложений способствует активному взаимодействию речных и подземных вод. Проникновение загрязненных речных вод в московско-валдайский водоносный горизонт возможно в половодье.

Третья группа ареалов приурочена к побережьям морей и заливов, часто включает устьевые участки рек - Деймы, Мамоновки, Нельмы, Приморской. Минимальные значения M?с обусловлены активной переработкой отложений прибрежных районов в ходе трансгрессий. Исследуемый горизонт перекрывается маломощным слоем слабопроницаемых пород (ледниковых или озерно-ледниковых по происхождению) и (или) непосредственно морскими и озерно-морскими песчаными образованьями (например, в районе г. Светлый).

На большей части территории области значения M?с составляют 10-20 м, демонстрируя слабую тенденцию к увеличению при продвижении на юг области, вслед за увеличением мощности ледниковых отложений, слагающих верхний водоупор. Значения приведенной мощности M?с=10-20 м характерны для плоских озерно-ледниковых равнин и отчасти для плоских и слабовыпуклых низинных болотных равнин и для холмистого рельефа основной морены. Значения приведенной мощности M?с=20-30 м свойственны области распространения рельефа основной морены. Максимальные значения приведенной мощности верхнего водоупора (M?с=30 м и более) характерны для районов холмистого рельефа основной и конечной морены и достигают на Виштынецкой возвышенности - 50-70 м, на Вармийской возвышенности - 30-50 м, на Инстручской гряде и Самбийской возвышенности - 30-35 м.

Рассчитано условное время (t_у) и построена карта изохрон проникновения загрязняющих веществ с поверхности в московско-валдайский водоносный горизонт (масштаб 1: 200000). Карта отображает оценочное значение и позволяет определить временной порядок темпов инфильтрации загрязняющих веществ. Сопоставляя среднее время распада наиболее распространенных загрязняющих веществ с величиной рассчитанного условного времени проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт, можно говорить о потенциальной возможности их проникновения в подземные воды. Рассчитанное время проникновения загрязняющих веществ (t_у) составило от менее одного года до 200 и более лет. Большая часть территории области характеризуется незначительной возможностью загрязнения в пределах расчетного срока эксплуатации водозаборов (t_у>30 лет). Срок проникновения загрязняющих веществ в водоносный горизонт менее 30 лет характерен для:

· участков развития плоских аллювиально-морских и морских равнин (р-н гг. Зеленоградска, Светлого, Полесска, пос. Прибрежного);

· долин крупных рек - Преголи, Лавы, Анграпы (р-н гг. Гвардейска, Черняховска, Озерска, Правдинска, пос. Озерки, Знаменск);

· локальных участков конечно-моренного и водно-ледникового происхождения (северо-запад Самбийской возвышенности, г. Гурьевск, пос. Люблино, пос. Весново, пос. Чистые Пруды).

На водозаборах, расположенных вблизи указанных населенных пунктов, риск загрязнения возрастает. Наибольшую опасность представляют участки площадью около 60 км ² (0,64 % площади распространения водоносного горизонта) со сроком проникновения загрязняющих веществ до 5 лет: гг. Светлый, Светлогорск, Черняховск, пос. Приморск, Прибрежный, Нивенское, Переславское, Озерки.

Анализ соотношения уровней грунтовых и межпластовых вод московско-валдайского водоносного горизонта выявил, что практически повсеместно возможно вертикальное движение грунтовых вод в московско-валдайский горизонт. Этому способствует незначительная величина напора московско-валдайского водоносного горизонта и неглубокое расположение уровней грунтовых вод. В тех районах, где было выявлено превосходство уровня напорных вод над уровнем грунтовых, величина доминирования составляет от 0,5 до 7 м. Такое соотношение в условиях активной эксплуатации и понижения уровня московско-валдайского горизонта означает потенциальную возможность его загрязнения за счет перетока грунтовых вод. В долинах рек Преголи, Писсы, Лавы и в районе г. Светлый отсутствие водоупора, безнапорный характер подземных вод, наличие многочисленных источников загрязнения и активная эксплуатация подземных вод привели к их загрязнению на месторождениях Светлое, Озерковское, Знаменское, Черняховское и др. Гидродинамические условия, вызывая активное движение загрязненных грунтовых вод вертикально вниз в межпластовые воды, не способствуют защищенности подземных вод московско-валдайского горизонта.

В результате анализа природных факторов защищенности на территории Калининградской области выделены три категории защищенности подземных вод московско-валдайского горизонта от загрязнения, отображенные на карте (см. рисунок). Поскольку формат автореферата не позволяет привести ее полный вариант, карта представлена в уменьшенном и упрощенном виде (показаны только источники антропогенного воздействия, расположенные на незащищенных участках).

Выявлены следующие особенности дифференциации территории области по степени защищенности подземных вод от загрязнения:

1. Незащищенные подземные воды связаны с областями развития маломощных отложений основной морены или проницаемых конечно-моренных и водно-ледниковых отложений, распространены в районах речных долин, на морских побережьях. Максимально представлена эта категория защищенности подземных вод на территории административных единиц, перечисленных в таблице и, в целом, по области занимает 18 % площади распространения московско-валдайского горизонта. Наиболее характерно азотное загрязнение, загрязнение пестицидами, несорбируемыми веществами (макрокомпонентами, нефтепродуктами), бактериальное. Сооружение химически опасных объектов, особенно вблизи водозаборов на данных территориях недопустимо. Обязательно соблюдение зон санитарной охраны. гидрогеоэкологическая защищенность водоносный загрязняющее

2. Условно защищенные подземные воды связаны с отложениями основной морены, озерно-ледниковыми отложениями, обладающими значительной мощностью и слабой проницаемостью. Территории, характеризующиеся как условно защищенные, занимают 38 % площади распространения водоносного горизонта. Выделение условно защищенных вод при значительной мощности верхнего водоупора обусловлено тем, что реальный срок проникновения загрязняющих веществ в связи с неблагоприятными гидродинамическими условиями будет меньше, чем величина условного времени. В случае наличия гидрогеологических окон защищенность снижается, и на сельскохозяйственных площадях воды часто в значительной мере загрязнены аммонием. Возможно загрязнение несорбируемыми веществами: макрокомпонентами и нефтепродуктами. Вероятность загрязнения увеличивается с ухудшением качества грунтовых вод.

3. Защищенные подземные воды характерны для районов развития очень мощных и слабопроницаемых отложений конечной и основной морены, озерно-ледниковых отложений. 44 % территории распространения московско-валдайского водоносного горизонта характеризуются как защищенные от загрязнения. Условия защищенности (таблица) обеспечивают медленную инфильтрацию загрязняющих веществ, способствуя сохранению чистоты вод московско-валдайского горизонта.

Выполнен анализ возможности возникновения конфликтов природопользования и, прежде всего, водопользования на участках эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Наибольшую потенциальную опасность для природных комплексов и подземных вод в частности создают нефтяные месторождения. Треть нефтяных месторождений региона (Малиновское, Семеновское, Исаковское, Западно-Ушаковское, Славинское, Северо-Славинское, Северо-Красноборское) находится в условиях, характеризующихся незащищенностью подземных вод исследуемого горизонта, что усиливает риск возникновения загрязнения.

Разработка месторождений строительных материалов менее опасна в сравнении с нефтедобычей, что обусловлено относительной геохимической инертностью этих полезных ископаемых. Однако при снятии вскрышных пород и последующей эксплуатации полезной толщи глин сокращается мощность водоупорных пород, перекрывающих водоносный горизонт. При эксплуатации месторождений песчано-гравийного материала и строительных песков, происходит снятие вскрышных пород и обнажение продуктивного слоя, как правило, вмещающего грунтовые или межпластовые воды. Таким образом, добыча строительных материалов уменьшает степень защищенности водоносного горизонта. Не защищены подземные воды московско-валдайского горизонта от загрязнения на участках разработки месторождений песчано-гравийного материала Комсомольское, Каштановское, Ушаковское, Ровное, Куйбышевское, Пушкарево, устье р. Преголя, Каменское, Февральское, Шолохово, Дмитриевка, строительных песков Лесное II и глин Москвино и Совхозное.

Наиболее вероятно возникновение конфликтов природопользования при эксплуатации подземных вод на водозаборах, расположенных в условиях незащищенного московско-валдайского горизонта (Черняховское, Гурьевское, Светловское месторождение, 1-й участок Железнодорожного и 3-й участок Светлогорского месторождений, участок Мечниково) (рисунок). На некоторых водозаборах (например, гг. Светлогорска, Светлого) уже отмечается ухудшение качества подземных вод вследствие их загрязнения нефтепродуктами и азотными соединениями.

Опасными источниками загрязнения подземных вод могут служить свалки твердых бытовых отходов (ТБО) и склады минеральных удобрений в связи с чем, был проведен анализ возможности возникновения конфликтов водопользования на этих объектах. На территории распространения исследуемого горизонта находится 12 санкционированных полигонов ТБО. Опасность представляют полигоны в пос. Ал. Космодемьянского, Ельники, Нов. Деревня, Саранское, Придорожное (Липовка), вблизи городов Гурьевска, Полесска, расположенные на территориях незащищенных от загрязнения подземных вод и, характеризующихся быстрым проникновением инфильтрата в подземные воды. Не защищены подземные воды на 15 несанкционированных свалках ТБо вблизи городов Балтийск, Светлогорск (Пригородное), Зеленоградск, Калининград (Сев. Гора), Гусев (Брянское, Синявино), поселков Прибрежный, Озерки (Березовка), Яблоневка, Добрино (Барсуковка), Большедорожное, Добровольск, Толстово, Весново, Садовое. Склады минеральных удобрений в пос. Романово, Тургенево, Воскресенское и Тишино также создают опасность для незащищенных от загрязнения подземных вод.

Выявленная пространственная дифференциация территории региона по степени защищенности от загрязнения московско-валдайского горизонта позволяет предложить ряд профилактических мероприятий по охране подземных вод. К числу наиболее значимых можно отнести запрет размещения предприятий с опасными отходами в пределах незащищенных от загрязнения территорий, в первую очередь на участках на участках гидрогеологических окон, а также оптимизацию расположения контрольных пунктов наблюдения за состоянием подземных вод, дополнив существующую сеть мониторинга на участках незащищенных от загрязнения.

ВЫВОДЫ

1. Защитные свойства верхнего водоупорного слоя (характеризующегося различной мощностью, литологией и проницаемостью) в совокупности оцениваются через значение приведенной мощности (M?с). Эта величина позволяет выразить мощность разнообразных пород верхнего водоупора через мощность слабопроницаемых пород - глин, тяжелых суглинков с коэффициентами фильтрации менее 10^-3 м/сут.

2. Значительная часть Калининградской области характеризуется хорошими защитными свойствами верхнего водоупора московско-валдайского водоносного горизонта и низкой вероятностью загрязнения в пределах расчетного срока эксплуатации водозаборов (M?с>10 м., t_у>30 лет). Ареалы со слабыми защитными свойствами верхнего водоупорного горизонта (M?с<10 м) располагаются в зоне развития водно-ледниковых и конечно-моренных отложений, в долинах крупных рек (Преголи, Немана, Лавы и др.), на побережьях морей и заливов, часто включая устьевые участки рек - Деймы, Мамоновки, Нельмы, Приморской и характеризуются значительно меньшими сроками проникновения загрязняющих веществ.

Диапазон условного времени проникновения загрязняющих веществ в московско-валдайский водоносный горизонт в регионе колеблется от одного года до 200 и более лет. На участках распространения гидрогеологических окон возможна непосредственная фильтрация загрязненных вод в водоносный горизонт. Срок их проникновения может составить от нескольких дней до нескольких месяцев. Площадь подобных участков составляет всего 0,05 % площади распространения исследуемого горизонта (4,4 км²). Наибольшую опасность представляют участки площадью около 60 км² (0,64 % площади распространения горизонта) с определенным сроком проникновения загрязняющих веществ до 5 лет: гг. Светлый, Светлогорск, Черняховск, пос. Приморск, Прибрежный, Нивенское, Переславское, Озерки.

3. Распространению загрязнения в московско-валдайский водоносный горизонт способствуют незначительная величина его напора и неглубокое расположение уровней грунтовых вод. В результате создаются предпосылки для рассеянного перетока грунтовых вод (наиболее часто подвергающихся загрязнению) в межморенные напорные воды.

4. Совместный учет мощности и литологического состава пород, слагающих верхний водоупор, соотношения уровней напорных и грунтовых вод, условного времени проникновения загрязняющих веществ позволил выделить следующие категории защищенности московско-валдайского водоносного горизонта.

· Незащищенные - связаны с областями развития маломощных отложений основной морены или проницаемых водно-ледниковых и конечно-моренных отложений, с речными долинами, морскими побережьями на территории Светловского, Балтийского, Светлогорского городских округов, Гвардейского, Полесского, Зеленоградского, Гурьевского районов В пределах территорий такого типа возможно бактериальное, азотное загрязнение, загрязнение пестицидами, макрокомпонентами и т.д., поэтому сооружение водозаборов, организация производств с опасными отходами проблематично.

· Условно защищенные - связаны с озерно-ледниковыми отложениями и отложениями основной морены, обладающими значительной мощностью и слабой проницаемостью. Наиболее широко распространены условно-защищенные подземные воды на территории Гвардейского, Полесского, Багратионовского, Гусевского, Черняховского, Краснознаменского, Зеленоградского, Гурьевского районов. Потенциально возможно загрязнение аммонийного типа, макрокомпонентами, нефтепродуктами.

· Защищенные - преимущественно связаны с районами распространения очень мощных и слабопроницаемых отложений конечной и основной морены, озерно-ледниковых отложений. Территории, охарактеризованные как защищенные, распространены на юге области в Правдинском, Озерском, Багратионовском, Нестеровском, Гусевском, Черняховском районах. Природные свойства геологической среды предотвращают загрязнение подземных вод.

Не защищены от загрязнения подземные воды на 18 % площади распространения московско-валдайского горизонта, условно-защищены - на 38 %, защищены - на 44 %.

5. Разработка месторождений нефти и строительных материалов уменьшает степень защищенности подземных вод и формирует предпосылки для возникновения конфликтов природопользования:

· на месторождениях нефти: Малиновское, Семеновское, Славинское, Западно-Ушаковское, Северо-Славинское, Северо-Красноборское, Исаковское;

· на месторождениях песчано-гравийного материала: Комсомольское, Каштановское, Ушаковское, Ровное, Куйбышевское, Пушкарево, устье р. Преголя, Каменское, Февральское, Шолохово, Дмитриевка;

· на месторождении строительных песков Лесное II;

· на месторождениях глин Москвино и Совхозное.

На Гурьевском, Светловском, Черняховском месторождениях питьевых подземных вод, 1-м участке Железнодорожного и 3-м участке Светлогорского месторождений, участке Мечниково воды московско-валдайского водоносного горизонта не защищены от загрязнения. Активная эксплуатация подземных вод на этих месторождениях вызовет снижение напорного уровня, образование депрессионной воронки и ускорение процесса миграции загрязняющих веществ в водоносный горизонт.

На полигонах захоронения ТБО в пос. Ал. Космодемьянского, г. Гурьевске, Полесске, пос. Ельники, Новая Деревня, Саранское, Придорожное (Липовка) московско-валдайский водоносный горизонт не защищен от загрязнения и будет происходить быстрое проникновение инфильтрата в подземные воды.

6. Анализ особенностей строения и функционирования системы верхнего межморенного водоносного горизонта и его защищенности от загрязнения подтвердил необходимость осуществления профилактических охранных мероприятий: своевременного утверждения и строгого соблюдения зон санитарной охраны на водозаборах, ликвидации заброшенных скважин и колодцев, рекультивации земель и ликвидации несанкционированных свалок ТБО, запрета размещения предприятий с опасными отходами в пределах незащищенных от загрязнения территорий, в особенности на участках выявленных гидрогеологических окон.

Выявленная пространственная дифференциация территории региона по степени защищенности от загрязнения московско-валдайского горизонта позволяет выполнить оптимизацию расположения контрольных пунктов наблюдения за состоянием подземных вод, дополнив существующую сеть мониторинга на участках незащищенных от загрязнения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Михневич Г.С., Гриценко В.А. Прогноз изменений качества подземных вод Калининградской области // Естественные и технические науки. М.: "Компания Спутник+", 2008. №4 (36). С. 246-250 (автора - 0,15 п.л.).

2. Михневич Г.С. Оценка защищенности подземных вод калининградской области от загрязнения // Вестник Российского государственного университета им. Иммануила Канта. Серия естественные науки. Калининград: Изд-во РГУ им. И. Канта, 2010. Вып. №1. С. 93-101 (автора - 0,5 п.л.).

В иных изданиях (статьи и материалы конференций):

3. Михневич Г.С. Запасы и охрана подземных вод Калининградской области // Экологические проблемы Калининградской области и Балтийского региона / под ред. В.В. Орленка. Калининград: Изд-во КГУ, 2002. С. 190-193 (автора - 0,18 п.л.).

4. Михневич Г.С. Природная защищенность подземных вод и возможность ее оценки для Калининградской области // Проблемы географических наук: материалы постоянных научных семинаров. Калининград: Изд-во КГУ, 2002. С. 27-30 (автора - 0,25 п.л.).

5. Михневич Г.С. Природная защищенность подземных вод Калининградской области // Физические проблемы экологии (Экологическая физика): тезисы докладов. М.: Изд-во МГУ, 2004. С. 59 (автора - 0,1 п.л.).

6. Михневич Г.С. Экологические проблемы использования подземных вод Калининградской области // Материалы международной научной конференции "Инновации в науке и образовании - 2004". Калининград: КГТУ, 2004. С. 49-50 (автора - 0,1 п.л.).

7. Ельцина Г.Н., Михневич Г.С. Природная защищенность подземных вод Калининградской области // Экологические проблемы Калининградской области и Балтийского региона / под ред. В.В. Орленка. Калининград: Изд-во КГУ, 2005. С. 67-73 (автора - 0,18 п.л.).

8. Ельцина Г.Н., Михневич Г.С. Мониторинг качества подземных вод // Геоэкология и природопользование: труды XII съезда РГО. Т.4. Спб.: РГО, 2005. С. 176-179 (автора - 0,1 п.л.).

9. Михневич Г.С. оценка защищенности подземных вод среднерусско-валдайского водоносного горизонта Калининградской области / Электронный журнал "Исследовано в России", 162, 1509-1519, 2006. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/162.pdf (автора - 0,7 п.л.).

10. Михневич Г.С. Оценка литологической защищенности среднерусско-валдайского водоносного горизонта Калининградской области // Сб. Ученые записки РГО (Калининградское отделение). Калининград: РГУ им. И. канта, РГО, 2006. Т. 4. С. 1G-1-1G-5 (автора - 0,3 п.л.).

...