Эколого-гидрогеологические особенности Верховажского района

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Важным источником питания рек являются грунтовые воды, которые обеспечивают растения влагой и активно участвуют в формировании рельефа. Подземные воды являются отличными местными источниками питьевой воды, которая во многих случаях обладает высокими вкусовыми и лечебными свойствами. Их питание происходит за счёт более глубоких водоносных слоев, куда практически никакие загрязняющие вещества с поверхности не попадают [1, 2].

Тема выпускной квалификационной работы «Эколого-гидрогеологические особенности Верховажского района» в настоящее время является наиболее актуальной, так как проблема рационального использования и охраны водных ресурсов стала особенно важна в наше время. Недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно были благополучными в этом отношении. Наблюдается, ярко выраженная, тенденция изменения качества природных подземных вод в худшую сторону.

Важнейшей особенностью объекта исследования является большое «разнообразие» видов использования подземных вод. Во-первых, для питьевого, хозяйственного и другого водоснабжения. Во-вторых, при мелиоративных работах. В-третьих, подземные воды является составной частью геологических исследований. В-четвертых, изучение подземных вод необходимо для гидрогеологического обоснования различных видов строительства, прежде всего гидротехнического, промышленного, городского. В-пятых, гидрогеологические исследования являются важнейшей задачей при решении вопросов охраны природы, собственно подземных вод как природного объекта, охраны ландшафтов, поверхностных вод и другие [4].

Подземные воды характеризуются важнейшим свойством воды - подвижностью, которая сохраняется в любом агрегатном состоянии при определенных условиях. Изучения движения воды в горных породах в лабораторных экспериментах практически всегда несоизмеримы с реальными условиями по масштабу и времени протекания процессов. Поэтому количественные оценки движения подземных вод выполняются расчетным методом [Там же].

Минеральная вода - вода, образующаяся в глубине земной коры, являются продуктом сложных природных геохимических процессов. Минеральные воды отличаются высоким содержанием солей, а также наличием в составе газов (углекислого, сероводорода), радиоактивностью, присутствием особо активных ионов (мышьяка, йода, железа), или более высокой температурой [5].

Объект исследования - Подземные воды Верховажского района.

Цель исследования - изучить эколого-гидрогеологические особенности Верховажского района.

Для достижения поставленной цели исследование подразумевает решение следующих задач:

1. Провести анализ фондовых материалов по данной теме, изучить литературные источники;

2. Установить факторы формирования подземных вод;

3. Дать характеристику состояния подземных вод;

4. Проанализировать состав подземных вод;

5. Изучить качество питьевых вод в Верховажском районе;

6. Выявить перспективы по использованию подземных вод.

1. Подземные воды, их физические свойства и химический состав

метасоматоз подземный природный

Подземные воды - это воды, находящийся в земной коре, в толще горных пород в твердом, жидком, газообразном состоянии.

Подземные воды представляют собой сложные природные растворы, имеющие в своем составе все ранее известные химические элементы в виде простых и сложных ионов, комплексных соединений, растворенных или газообразных молекул веществ [6].

По условиям залегания различают следующие типы подземных вод: верховодка, грунтовые, межпластовые безнапорные и артезианские [Там же].

Верховодка формируется на линзе водоупорных пород, распространена локально, залегает на небольших глубинах, непостоянна, обладает малой обильностью. В условиях умеренного континентального климата умеренного пояса она появляется весной после снеготаяния, а также в некоторых случаях может быть осенью, в период продолжительных дождей [7].

Грунтовые воды - воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, на первом водоупорном слое. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта - это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. Грунтовые воды, в водоносных горизонтах, перемещаются от мест с более большим уровнем к местам с менее низким уровнем по уклону водоносного пласта. Величина скорости их активности (v) прямо пропорциональна коэффициенту фильтрации водоносной породы (k), который находится в непосредственной взаимосвязи от водопроницаемости и ориентируется по таблице, и уклону подземного потока (i), и вычисляется по формуле Дарси: v=k*i (см/с или м/сут.) [8].

Межпластовые воды - это воды, заключенные между двумя водоупорными пластами, из которых нижний называется водоупорным ложем, а верхний - водоупорной кровлей. Области распространения и питания их не совпадают, в связи с чем режим вод меньше зависит от метеоусловий и у них более постоянный уровень. Атмосферное питание эти воды получают лишь в местах выхода водоносного пласта на поверхность. Они могут быть напорные и безнапорные. Безнапорные воды лишь частично насыщают водоносный пласт, имеют свободную поверхность и стекают как грунтовые по уклону ложа. Напорные воды залегают в вогнутых тектонических структурах, насыщают весь водоносный слой и обладают гидростатическим напором. Вскрытые скважинами, они могут изливаться на поверхность или даже фонтанировать. Такие воды называют артезианскими. Как и грунтовые воды, межпластовые могут иметь разный химический состав и степень минерализации, которая увеличивается с глубиной [8].

При изучении подземных вод по физическим свойствам для различных целей определяют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства, которые показывают такие органолептические свойства воды, которые возможно определить при помощи органов чувств. Подземные воды во многих случаях имеют прозрачность, бесцветны, отсутствие запаха. Вкус подземной воды зависит от вида и содержания растворенных минеральных соединений и газов. Органолептические свойства в некоторых случаях могут сильно ухудшаться, если в воду попадут естественным или искусственным путем различные примеси (минеральных взвешенных частиц, органических веществ, некоторых химических элементов) [Там же].

Подземные воды имеют разную температуру по всему земному шару. Температурный показатель зависит от того насколько глубоко залегает водоносный слой, какое геологическое строение имеет слой, какие климатические условия на данной территории и ряд многих других факторов. Михеев [9] дал следующую классификацию подземных вод по их температурному показателю в соответствии с таблицей 1.1.

В основном распространены холодные воды с температурой от пяти до 20°С на участках действующих водозаборов. Очень холодные подземные воды находятся в зоне многолетней мерзлоты. С увеличением глубины залегания, температура воды по закону геотермической ступени возрастает. На глубине нескольких километров 100°С и более [9].

Таблица 1.1 - Классификация подземных вод по температурному показателю

Тип воды	Температура
Очень холодные	Меньше 0°С
Холодные	0 - 20°С
Теплые	20 - 37°С
Термальные	37 - 100°С
Перегретые	Свыше 100°С

Согласно ГОСТ, к физическим свойствам подземных вод относятся также плотность, вязкость, электропроводность, радиоактивность и так далее [9].

Плотность воды ? масса воды, находящаяся в единице ее объема. Максимальная плотность наблюдается при температуре четыре градуса Цельсия. При повышении температуры до 250 градусов Цельсия плотность воды уменьшается до 0,799 г/см3, а при увеличении количества растворенных в ней солей повышается до 1,4 г/см3. За счет пониженной плотности возможно конвективное, восходящее движение перегретых подземных вод [Там же].

Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление частиц ее движению. С повышением температуры вязкость подземных вод уменьшается. Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0,02 до 1,00 Ом * м. Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия и других). Даже ничтожно малые концентрации ? сотые и тысячные доли (мг/л) некоторых радиоактивных элементов ? могут быть вредными для человека [Там же].

По отношению к химическому составу подземная вода представляет собой сложный водный раствор, содержащий растворенные соли, газы (С02, H2S, СН4 и другие), органические вещества и коллоиды. Количественные соотношения между отдельными компонентами обусловливают физические свойства и химический состав подземных вод [9].

Подземная вода в химически чистом виде отсутствует. В данной воде может насчитываться более 60 элементов периодической системы Менделеева. Главными компоненты (ионы), формирующие химический тип воды: Cl-, S02, HC03, Na, Mg2+, Са2+ и К+. Эти ионы составляют более 90% всех растворенных в воде солей. Железо, нитриты, нитраты, водород, бром, йод, фтор, бор, радиоактивные и другие элементы содержатся в воде в меньших количествах. Иногда, преимущественно в небольших количествах они могут оказывать значительное влияние на оценку пригодности подземных вод для различных целей. Общее количество минеральных веществ, которые растворены в воде принято называть общей минерализацией. О ее величине судят по сухому или плотному остатку (в мг/л или г/л), который появляется вследствие выпаривания данного объема воды при температуре 105 ? 110°С. Между общей минерализацией подземных вод и их химическим составом существует определенная взаимосвязь, которая представлена в таблице 1.2 [9].

Таблица 1.2 - Классификация подземных вод по степени минерализации по Михееву

Виды воды	Сухой остаток	Преобладающие ионы	Преобладающий химический тип воды
Пресные	До 1	НСО3, СО3, Са	Гидрокарбонатно-кальциевый
Слабо солоноватые	1 - 3	S04, реже С1	Сульфатный, реже хлоридный
Солоноватые	3 - 10	Тот же	Тот же
Соленые	10 - 50	S04, С1	Сульфатный и хлоридный
Рассолы	Более 50	CI, Са, Mg, Na	Хлоридно-натриевый

Общая минерализация подземных вод в природе крайне разнообразна. Встречаются подземные воды с минерализацией от 0,1 г/л (высокогорные источники) до 500-600 г/л (глубокозалегающие воды Ангаро-Ленского артезианского бассейна). Общая минерализация ? один из главных показателей качества подземных вод [Там же].

Для количественного выражения активной реакции подземных вод (рН) служит логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, тоесть рН = ?lg(H+). Вода с нейтральной реакцией имеет рН = 7, кислой рН < 7, щелочной рН > 7. Малые значения рН вызывают коррозию труб и ухудшают питьевые качества воды. Самыми наилучшими питьевыми качествами вода обладает при рН = 6,5 - 8,5 [10].

Свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция и магния, называют жесткостью. Различают несколько видов жесткости [3]. Общая жесткость воды определяется суммарным содержанием в воде всех ионов кальция и магния. Карбонатная жесткость (устранимая при кипячении воды) - обусловлена содержанием в воде только гидрокарбонатных и карбонатных солей кальция и магния, способные кристаллизоваться на поверхности емкости. Кроме того, выделяют постоянную (неустранимую) жесткость, которая определяется вычитанием из общей жесткости карбонатной [Там же].

Для уменьшения жесткости воды используются следующие методы: умягчение воды и регенерация воды. Умягчение воды методом ионного обмена. Умягчение воды ионообменным методом обосновывается на пропускании жесткой воды через специальные материалы, которые имеют свойство поглощать из воды ионы с положительным зарядом, такие как Са+2 или Mg+2 в обмен на приходящие в их состав ионы Na+ и H+. Своеобразный вид ионообменного материалы имеет важные параметры, например: ионообменная емкость, выражающаяся числом положительно заряженных ионов, эти данные он может обменять в промежутке времени между циклами его регенерации, а также способность к многократной регенерации в течение длительного времени [11].

Регенерация воды. После насыщения ионами кальция и магния, ионообменная смола уже не может быть использована и необходимо провести процедуру регенерации, то есть восстановления ее свойств. Регенерация проводиться раствором, содержащем первоначально присутствующие в смоле ионы. Обычно это концентрированный раствор поваренной соли (для Na+ катионовых умягчителей). Процесс этот в большинстве современных моделях умягчителей производиться автоматически и его частота зависит от его типа и жесткости исходной воды. Так же автоматически после проведеной регенерации, ионообменная смола промывается от избытка солей [Там же].

На качество подземных вод так же влияет содержание двухвалетного железа в воде. Большое содержание железа в воде дает ей буроватую окраску, металлический привкус, вызывает зарастание труб. В подземных водах железо проявляется обычно в двухвалентной форме (в растворенном состоянии). Необходимая степень обезжелезивания воды определятся конечными целями, для которых эта вода будет использоваться. На сегодняшний день нет единого универсального метода полного удаления всех имеющихся форм железа из воды, используя ту или иную схему очистки, возможно добиться желаемого результата в каждом конкретном случае [11].

Классические методы обезжелезивания воды основываются на окислении двухвалентного железа кислородом воздуха (аэрация) представленного на рисунке 6 и сильными окислителями (хлор, перманганат калия, перекись водорода, озон) до трехвалентного состояния, с образованием нерастворимого гидроксида железа (III), который впоследствии удаляется отстаиванием, отстаиванием с добавлением коагулянтов и флоккулянтов (А-Т 9.303) и (или) фильтрацией. Окисление железа аэрацией может проводиться: фонтанированием (так называемые брызгальные установки), душированием, с помощью инжектора, эжектора или компрессора, введением воздуха в трубу под напором [Там же].

Во многих случаях вода, прошедшая обезжелезивание аэрацией с последующим отстаиванием и фильтрацией, уже оказывается пригодной к употреблению в качестве питьевой. По такой упрощенной схеме обезжелезивание эффективно, когда исходная концентрация железа не превышает 10 мг/мл (при содержании двухвалентного железа не менее 70% от общего), концентрация H2S не более 2,5 мг/л [Там же].

Выбор способа упрощенной аэрации зависит от параметров исходной воды. Так, если концентрация сероводорода выше 0,5 мг/л, а свободной углекислоты - более 40 мг/л, введения воздуха в трубопровод под напором не требуется - достаточно предусмотреть открытую емкость со свободным изливом в нее воды. Аналогичного эффекта можно достичь с помощью фонтанирования или душирования. Добавление в воду сильных окислителей значительно интенсифицирует процесс окисления двухвалентного железа. На рисунке 1.1 показано удаление железа методом аэрации.

Рисунок 1.1 - Удаление железа методом аэрации

Наиболее широко применяется хлорирование, позволяющее также решить проблему дезинфекции воды, а наиболее эффективным оказывается озонирование. Вследствие того, что, за исключением озона, другие окислители оказываются малоэффективными по отношению к органическому железу. Однако озонирование является и наиболее дорогостоящим методом, требующим больших затрат электроэнергии. Кроме того, практически всегда обезжелезивание происходит одновременно с удалением из воды марганца, который окисляется значительно труднее, чем железо, и при более высоких значениях pH [11].

В обычных условиях процесс осаждения коллоидных частиц гидроксида трехвалентного железа при отстаивании происходит медленно. Укрупнения частиц и, следовательно, ускорения осаждения достигают добавлением коагулянтов. Этого же требует использование на очистительных сооружениях песчаных или антрацитовых фильтров, не способных задерживать мелкие частицы. Так же плохо эти фильтры задерживают органическое железо [11].

Медленное осаждение коллоидных частиц гидроксида железа (III) вкупе с малой эффективностью применения окислителей и аэрации по отношению к органическому железу, а также ограничение по верхней концентрации железа в исходной воде затрудняет применение традиционной промышленной схемы обезжелезивания в сравнительно небольших автономных системах, работающих с высокой производительностью. В таких схемах применяются иные установки, обезжелезивание в которых проводится по принципам каталитического окисления с последующей фильтрацией и ионообмена [Там же].

Метод каталитического окисления (рисунок 1.2) с фильтрацией - часто применяемый сегодня метод для водоснабжения коттеджей, отдельных не самых крупных предприятий. Установки для каталитического окисления и фильтрации представленные на рисунке 8 компактны и отличаются достаточно высокой производительностью (0,5 - 20,0 м3/ч и более в зависимости от сорбента, исходных качеств воды, геометрических характеристик резервуара - баллона из стекловолокна или нержавеющей стали). Реакция окисления железа происходит внутри резервуара установки на гранулах засыпки - специальной фильтрующей среды с каталитическими свойствами. В первую очередь каталитические и фильтрующие свойства этих материалов определяются их высокой пористостью, обеспечивающей среду для протекания реакции окисления и обусловливающей способность к абсорбции [11].

Широко применяется в качестве каталитической засыпки синтетический материал Birm, позволяющий эффективно и экономично удалять из воды соединения железа и марганца низких и средних концентраций. В установки с засыпкой из Birm подается предварительно аэрированная вода. Доля растворенного в ней кислорода должна быть не менее 15 % доли железа (или железа и марганца). Высокая пористость материала и малая насыпная масса (0,7-0,8 г/см3) позволяют легко удалять осадки при обратной промывке. Щелочность в исходной воде должна быть в два раза больше, чем концентрация хлоридов и сульфатов. Недостатками материала Birm являются его высокая склонность к истиранию, из-за чего за год теряется до 10 - 15 % засыпки, и не самый широкий диапазон рабочих значений pH - 8,0 - 9,0. Его преимущество - невысокая стоимость. Также довольно широко применяются каталитические засыпки на основе природных минералов, таких как доломит, цеолит, глауконит. Используется и синтетический цеолит [11].

Рисунок 1.2 - Метод каталитического окисления с фильтрацией

Из глауконитового зеленого песка получают еще один широко распространенный материал для каталитической окислительной фильтрации- Glauconite Manganese Greensand. В процессе обработки глауконитового песка в состав Greensand вводятся высшие оксиды марганца, обеспечивающие дополнительную окислительную способность этого материала. К тому же кроме собственных каталитических и окислительных свойств Greensand связывает такие окисляющие агенты, как перманганат калия, хлор, растворенный кислород. Все это обеспечивает высокую скорость и полноту окислительных реакций. Greensand обладает высочайшей поглощающей способностью, эффективен при очистке воды с высокими концентрациями железа и марганца (суммарно до 10 мг/л) в широком диапазоне pH от шести до восьми. Системы с засыпкой из этого материала применяются для очистки воды из скважин любой глубины. Сероводород окисляется до нерастворимых сульфатов. Осадки фильтруются слоем Greensand и сопутствующими фильтрующими слоями. Сорбент не подвержен воздействию микроорганизмов, органических примесей, не требует дезинфекции. Регенерация среды проводится раствором перманганата калия с последующей промывкой исходной водой [11].

Существуют и другие материалы с каталитической и окислительной активностью применяемые в качестве засыпок для фильтров - обезжелезивателей, но на примере вышеуказанных можно получить представление об основных принципах удаления железа данным способом [Там же].

Для удаления железа ионообменным методом применяются катиониты. Причем все шире на смену цеолиту и другим природным ионитам приходят синтетические ионообменные смолы; эффективность использования ионного обмена при этом значительно возрастает. Любые катиониты способны удалять из воды не только растворенное двухвалентное железо, но также и другие двухвалентные металлы, в частности кальций и магний, для чего они в первую очередь и применяются. Теоретически методом ионного обмена можно удалять из воды очень высокие концентрации железа, при этом не потребуется стадии окисления растворенного двухвалентного железа с целью получения нерастворимого гидроксида. Однако на практике возможности применения данного метода значительно ограничены [11].

В первую очередь применение ионного обмена для обезжелезивания ограничивает присутствие трехвалентного железа, которое быстро «забивает» смолу и плохо оттуда вымывается. Поэтому любое присутствие в воде, проходящей через ионообменник, кислорода или других окислителей крайне нежелательно. Это же накладывает ограничение и на диапазон значений pH, в которых смола эффективна [Там же].

Во многих случаях использование ионообменных смол для обезжелезивания нецелесообразно, так как, обладая более высоким сродством к катионитам, железо значительно снижает эффективность удаления на них ионов кальция и марганца, проведения общей деминерализации. Наличие в воде органических веществ, в том числе органического железа, приводит к быстрому зарастанию ионообменной смолы органической пленкой, служащей питательной средой для бактерий. Поэтому ионообменные катиониты применяются для обезжелезивания обычно лишь в тех случаях, когда требуется доочистка воды по этому параметру до самых низких концентраций и когда возможно одновременное удаление ионов жесткости [11].

Микрофильтрационные мембраны пригодны для удаления коллоидных частиц гидроксида железа (III). Мембраны способны удалять кроме этого коллоидное и бактериальное органическое железо, а метод обратного осмоса позволяет удалять до 98% растворенного в воде двухвалентного железа. Однако мембранные методы достаточно дорогостоящи и не предназначаются конкретно для обезжелезивания. Кроме того, мембраны легко подвергаются зарастанию органической пленкой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами, в том числе ржавчиной, а также поглощают растворенное двухвалентное железо и теряют способность эффективно задерживать другие вещества. Фирмы-производители обратноосмотических мембран гарантируют сохранение их технологических свойств в период эксплуатации при содержании общего железа в воде не более 0,1 - 0,3 мг/л, взвешенных примесей - не более 0,5 -0,6 мг/л, перманганатной окисляемости не более пяти миллиграмм кислорода на один литр и коллоидном индексе от двух до четырёх единиц (параметры, учитывающие содержание органического железа). Поэтому перед мембраной очисткой необходима предварительная фильтрация. Однако применение мембранных методов оправдано только там, где просто необходима высокая степень очистки воды, в том числе и от железа, например, в медицинской или пищевой промышленности. Этот метод является самым эффективным. Для подготовки питьевой воды из магистральных и частных водопроводов [11].

Метод биологического обезжелезивания подразумевает использование железобактерий, окисляющих двухвалентное растворенное железо до трехвалентного, в целях очистки воды, с последующим удалением коллоидов и бактериальных пленок в отстойниках и на фильтрах. В некоторых случаях это оказывается единственным приемлемым способом снизить содержание железа в воде. Прежде всего когда концентрации железа в воде особенно велики, свыше 40 мг/л. Также применяют биологическое обезжелезивание, если в воде высоко содержание сероводорода и углекислоты. Такая вода с очень низким показателем pH не может быть очищена от избыточного железа методом упрощенной аэрации. Ее подвергают фильтрации через колонии бактерий на медленных фильтрах с песчано-гравийной загрузкой. Затем подвергают сорбционной очистке для задержания продуктов жизнедеятельности бактерий и ультрафиолетовому обеззараживанию [11].

Жесткость выражается в мг-экв/л Са2+ и Mg2+, один мг-экв/л жесткости соответствует 20,04 мг Са2+ или 12,16 мг Mg2+ в 1 л воды. Оценка вод по степени жесткости приводится по О. А. Алекину приведена в таблице 1.3 [11].

Таблица 1.3 - Классификация вод по степени жесткости

Воды	Общая жесткость, мг-экв/л
Очень мягкие	До 1,5
Мягкие	1,5-3,0
Умеренно жесткие	3,0-6,0
Жесткие	6,0-9,0
Очень жесткие	Более 9,0

В подземных водах газы содержаться в растворенном виде. Наиболее распространены в подземных водах кислород (02), углекислота (С02), сероводород (H2S), азот (N2), метан (СН4), благородные газы (гелий, аргон, радон) [12].

Газы заметно влияют на органолептические показатели подземных вод. Насыщенность воды свободной углекислотой придает ей способность разрушать бетон. В подземной воде почти всегда содержатся органические вещества и микроорганизмы. Некоторые их виды представляют серьезную опасность для питьевой воды [12].

На основании всего вышесказанного следует сделать следующие выводы о том, что подземные воды, находящийся в земной коре могут быть в твердом, жидком, газообразном состояниях. По условиям залегания существуют следующие типы подземных вод: верховодка, грунтовые, межпластовые ненапорные и артезианские. Физический и химический состав подземных вод во многом зависит от количества попадающих на земную поверхность загрязняющих веществ. Газовый состав подземных вод напрямую влияет на органолептические показатели подземных вод.

2. Материалы и методы исследования

В качестве исходных материалов для написания дипломной работы были использованы следующие материалы: фондовый материал отдела геологии департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области, картотека эксплуатационных скважин на воду кафедры геоэкологии и инженерной геологии ВоГУ, библиотечный материал. При сборе информации в глобальной сети Интернет были использованы поисковые системы Yandex и Свободная энциклопедия Википедия.

В работе использовались следующие методы: расчетный (оценка потенциального риска здоровью при комбинированном воздействии загрязнения окружающей среды), картографический (ситуационная карта расположения скважин). Картографический метод исследования - метод исследований, основанный на получении необходимой информации с помощью карт для научного и практического познания изображенных на них явлений. Также в данной работе были использованы описательный метод и метод анализа. Методы анализа - синтеза, сравнения и обобщения, метод ретроспективного анализа.

Описательный метод в данной работе использовался при составлении геоэкологической обстановки в Верховажском районе. Описательный метод - вид научного метода, который используются во всех общественно-исторических и естественных науках, стоит на первом месте по широте применения и является одним из самых актуальных методах. Описательный метод предполагает соблюдение ряд требований которые необходимо соблюсти:

- четкое представление об избранном предмете изучения;

- последовательность описания;

- систематизация, группировки или классификации, характеристики материала (качественная, количественная) в соответствии с поставленной исследовательской задачей. Был использован метод ретроспективного анализа. С помощью данного метода анализа, было четко отображено содержание таблиц, взятых из литературных источников [13].

Метод анализа заключается в том, что предмет изучения мысленно или практически расчленяется на составные элементы (части объекта, его признаки, свойства). Каждая из выделенных составных частей исследуется в отдельности как часть целого [13].

Синтез - метод основан на соединении частей предмета, расчлененного в процессе анализа, установлении внутренних связей и познании предмета как единого целого. Метод анализа и синтеза взаимно связаны [Там же].

Посредством сравнения классифицируются и оцениваются объекты исследований в целях выявления сходных и отличительных признаков. Сравнение является наиболее распространенным методом. В естественных науках широко применяется сравнительно-географический метод. Обобщение подразумевает мысленный переход от частного к общему и позволяет выявлять общие принципы, законы явлений [Там же].

Программа и методика исследований включали следующие этапы:

- подготовительный этап. На данном этапе были изучены литературные источники по теме работы, собран необходимый материал для написания работы, дана общая характеристика подземных вод;

- на основном этапе исследований выполнено изучение факторов формирования подземных вод, а также эколого - гидрохимические особенности Верховажского района.

Указанные методы достаточны для раскрытия темы исследования.

3 Факторы формирования химического состава подземных вод Верховажского района

Рельеф, климат, почвы, гидрологическое строение района, растительность, животный мир и геологическое строение являются факторами, которые имеют наибольшее воздействие на формирование состава подземных вод. Каждый из этих факторов оказывает существенное влияние на химический состав подземных вод, а так же на качество подземных питьевых вод.

3.1 Физико-географические условия Верховажского района

Верховажский район находится на севере Вологодской области. На рисунке 3.1 наглядно можно увидеть местоположение района. Видны также районы с которыми проходит граница.

Рисунок 3.1 - Схема географического положения Верховажского района

Район имеет достаточно выгодное экономическое положение, так как соседствует с крупными района области, а так же имеет границу с Архангельской областью. На западе проходит граница с Вожегодским районом, на юге - с Тотемским, на востоке - с Тарногским, на севере - с Архангельской областью. Верховажский район простирается с севера на юг примерно на 69 километров, а с запада на восток на 87 километров. Площадь района равна 4,46 тысячам квадратных километров [14].

Согласно региональной схеме ландшафтного районирования, территория изучаемого района расположена в пределах обширной аккумулятивной равнины севера Восточно-Европейской платформы. Равнина представляет собой слабо террасированную поверхность с флювиальным, склоновым, ледниковым и биогенным типом рельефа. Абсолютные отметки поверхности в пределах рассматриваемого района от 67,0 метров (урез реки Вага) до 180 метров. Гидрографическая сеть относится к бассейну Белого моря. Роль основной дрены выполняет река Вага, пересекающая район в субмеридиональном направлении. Средняя ширина русла реки в окрестностях села Верховажье изменяется от 50 до 120 метров, глубина от 0,8 до 1,0 метра. Скорость течения в межень не превышает 0,5 метра в секунду.

Средний уклон реки составляет 0,3 метра на километр. Водный режим характеризуется высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меженью, резкими колебаниями стока. Питание реки смешанное, но основная его доля приходится на период снеготаяния.

В районе села долина реки достаточно узкая (максимальная ширина достигает 250 метров), с одной надпойменной террасой, которая прослеживается как в правобережной, так и в левобережной части. Терраса крутыми уступами опускается к реке - превышение бровки над меженным уровнем реки достигает два - три метра, характеризуется плоским рельефом с абсолютными отметками 82 - 85 метров. Основная застройка села располагается выше отметок долины на всхолмленной равнине. Склон равнины обращенный к речной террасе, довольно крутой с отметками 175 - 85 метров, расчленен глубокими врезами непересыхающих ручьев. В целом, рельеф Верховажского района является благоприятным для сооружения индивидуальных частных построек.

Климат имеет четко выраженные сезоны года. Продолжительная умеренно холодная зима, короткая весна, умеренно теплое лето, дождливая осень. Северное расположение Верховажского района отражается на климатических условиях. Климат района умеренно - континентальный, в котором четко выражены сезоны: продолжительной умеренно холодной зимой, короткой весной и умеренно теплым летом, дождливой осенью.

Зимний период достаточно долгий и продолжается 172 - 175 дней. Средняя величина снежного покрова в зимний период составляет 55 мм, глубина промерзания почвы не превышает одного метра [15].

Каждую весну во время вскрытия льда Вага разливалась, затопляя улицы села и окрестные пойменные луга. На рисунке изображена река Вага. Особенно сильное наводнение произошло в 1909 году. Оно нанесло большой урон селу. Почти весь посад сгорел во время пожара 31 августа 1879 года. После пожара население значительно уменьшилось: в 1860-х годах оно составляло около 1000 человек, а к 1889 году осталось только 589. Торговля стала затихать, Верховажье потеряло былое торговое значение [16].

Территория относится к зоне избыточного увлажнения. Годовое количество осадков составляет 440 мм. На вегетационный период (май - сентябрь) приходиться 68% осадков, на холодный период - 32%. Число дней с осадками 86 - 87. Преобладающее направление ветров в январе - юго-западное и южное, в июле - западное и юго-западное [15].

Изучением влияния климата на подземные воды занимался доктор геолого - минералогических наук Ефим Васильевич Посохов. Он считал, что такие климатические элементы, как атмосферные осадки, непосредственно воздействуют на состав вод.

При перемене температуры атмосферного воздуха объединены процессы промерзания и оттаивания почв и пород в зоне годичных колебаний температуры, это влияет на условия питания грунтовых вод и, таким образом, на их минеральный и химический состав. Температура атмосферного воздуха считается условием режима подземных вод и их развития и оказывает влияние на подземные воды в многолетнем, сезонном, нерегулярном разрезе [17].

Рисунок 3.2 - Река Вага

Самый холодный месяц - считается январь (максимальная температура - 50С), самый теплый - июль (максимальная температура +36С). Среднегодовая температура воздуха положительна и составляет плюс один градус Цельсия в соответствии с таблицей 3.1 [19].

Таблица 3.1 - Средние температуры воздуха Верховажского района

Показатель	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
Средняя температура, °C	-11,9	-10,6	-5,3	1,8	9,3	15,6	18	14,6	8,9	2,2	-6,5	-10,4

В первую очередь климат устанавливает метеорологические условия, в зависимости от которых существует режим грунтовых и поверхностных вод, кроме того вод, которые более глубоко залегают. Огромное число осадков, которые выпадают при малых температурах воздуха и, таким образом, испарении в небольшом количестве создает большое увлажнение местности. Интенсивный сток содействует формированию малой минерализации воды из-за значительного ее разбавления. К основным метеорологическим элементам, воздействующим на состав природных вод, относятся атмосферные осадки, температура и испарение. На рисунке 3.3 представлена роза ветров района [20].

Рисунок 3.3 - Роза ветров Верховажского района

В зоне избыточного увлажнения невысокие концентрации ионов хлора в грунтовых водах, объединены с труднорастворимыми породами, полностью берутся из атмосферных осадков. Как правило, такие концентрации проявляются однообразными цифрами порядка один - три мг/л, надлежащими точности химического анализа, исполняемого посредством титрования раствором AgN03.

Колебания сезонных температур отчетливо отмечаются в химическом составе. Когда температура раствора снижается от 40 до 7° С, то растворимость Na2S04 опускается приблизительно в семь раз, a Na2C03 - в девять раз. По этой причине уже в осеннее время года наступает кристаллизация мирабилита в сульфатных озерах и соды - в содовых, что сопутствуется радикальной метаморфизацией химического состава озерных рассолов [21].

Безусловно, но аналогичные процессы имеют все шансы осуществляться в соляных озерах с минерализацией, значительно превышающей соленость морской воды, так как растворы, имеющие значительно растворимые соли такие как: NaCl, Na2C03, Na2S04, MgCl2 и остальные, добиваются стадии насыщения при концентрации в несколько десятков или сотен граммов в литре. Воздействие температуры воздуха способно отображаться и на составе пресных поверхностных вод. В данном случае метаморфизация совершается в результате выпадения из воды карбонатов кальция вследствие разложения Са(НС03)2 с повышением температуры. По этой причине, в жарком климате, возможно происхождение садка кальция в мелкодонных водоемах. Но данному ходу как правило противодействует биологическая активность микроорганизмов, сопровождающаяся продуцированием С02 и усиливающаяся в теплой воде [20].

Присутствующее в водоеме органическое вещество, способствует повышению в воде нахождения гидрокарбонатных ионов. Находящийся в некоторых случаях сульфат кальция, в солоноватых и соляных водоемах в повышенных концентрациях, недостаточно проявляет реакцию на перемены температуры; растворимость при значительной температуре в том числе снижается. На грунтовые воды воздействие температуры распространяется неглубоко - до пояса стабильных годовых температур [22].

Рельеф Верховажского района сложился в главном под влиянием аккумулятивной и абразионной деятельности озерно-ледниковых водоемов, существенную значимость представляли движения биогенной аккумуляции. Доминирующий тип рельефа - плоская и волнистая аккумулятивная озерно-ледниковая равнина. В некоторых зонах равнина заболочена, расчленена эрозией. Равнина сложена песками, реже супесями [19].

Относительные колебания высот достигают здесь 25 - 30 метров, уклоны от десяти до 15. Вдоль долин рек Ваги, Терменьги, Кулоя наблюдаются участки мелко- и средне-, а также средне- и крупнохолмистого увалистого эрозионного рельефа. Участок холмисто-котловинного рельефа наблюдается южнее Верховажья, где высота холмов примерно от трех до 15 метров. На рисунке 3.4 представлен моренный холм [19].

Рисунок 3.4 - Моренный холм

Рельеф является косвенным фактором формирования состава вод. Он оказывает влияние на условия водообмена, а от последних зависят минерализация и химический состав природных вод. Мощная расчлененность рельефа предоставляет усиленный водообмен, что содействует подходящему развитию. В условиях равнинной местности, в том числе и мелкобугристого рельефа, проявляется неоднородность минерализации и состава грунтовых вод [17].

3.2 Биологические факторы

Леса занимают 85 % (366213 га) площади Верховажского района, из них четыре процента занимают лесные пастбища. Почти половина лесных образований произрастает на заболоченных почвах, это объясняется малой естественной расчлененностью массива доминирующих моренных и озерно-ледниковых равнин, сложенных суглинками. Количества тепла вполне достаточно для произрастания главных лесных пород - ели, сосны, березы, осины [20].

На рисунке 3.5 показан хвойный лес в Верховажском районе.

Рисунок 3.5 - Сосновый лес в Верховажском районе

Еловые леса занимают примерно 44 %, березовые около 28 %, осиновые три процента лесной территории. В северо - восточной части района, доминируют ельники и березняки. На юге Верховажского района на камах, главным образом тяготея к болотным массивам Кулойской низины и Шиченгскому озеру попадаются сосновые леса, преимущественно сфагновые сосняки, местами брусничные и долгомошные [20].

Леса, представляющие ценность занимают площадь лесного пространства в 11660 га, обладающие научным или историческим значением, находящиеся вдоль водных объектов, нересто-охранные полосы. Верховажский район имеет значительные запасы лесных ресурсов, общее количество которых составляет 52, 792 млн.м3, из них преимущественно ценных - хвойных пород 68 %. Расчетная лесосека приблизительно 831,25 тыс.м3, в этом количестве по хвойному хозяйству 404,9 тыс.м3. В целевом предназначении делятся на защитные леса, занимающие 29217 га (около восьми процентов) и эксплуатационные леса 336,996 га (92%). Среди объектов животного мира здесь обитают: лоси, кабаны, медведи, волки, лисы, зайцы, рыси, росомахи, выдры. Так же здесь большое число птиц: глухарь, тетерев, рябчик, белая куропатка [Там же].

С точки зрения воздействия данных факторов на состав подземных вод значима вся совокупность живых организмов, которую русский ученый академик В.И. Вернадский назвал живым веществом. В том месте, где выражается развитие активного вещества - это своего рода оболочка Земли - биосфера.

С прекращением жизнедеятельности животные и растения дают почве минеральные вещества, которые впитываюся в подземные воды. Воздействие деятельности растений на состав подземных вод выражается и в том, что растения накапливают большое число влаги, селективно вбирают химические компоненты из подземных вод.

3.3 Почвенный покров

В Верховажском районе преобладают следующие типы почв: суглинистые подзолистые почвы, болотные. Моренные суглинки являются почвообразующими породами. На севере преобладают бескарбонатные моренные суглинки а на юге карбонатные. На территории Кулойской низменности озерно - ледниковые суглинки, камовые пески и супеси.

Еловые леса создают средне и сильно подзолистые почвы. В березовых лесах чаще всего наблюдаются дерновые средне - подзолистые суглинки. Дерново-торфянистые, дерново-подзолистые, редко перегнойно-подзолисто-глееватые и глеевые заболоченные почвы находятся в основном в понижениях рельефа где произрастают данные леса. На камовых песках сформировались сосновые леса которые имеют песчаные, супесчаные, среднеподзолистые почвы. Подзолисто - торфянисто - глееватые и глеевые почвы могут быть обнаружены в заболоченных сосняках. На рисунке 3.6 показаны основные типы почв Верховажского района.

Е.В. Посохов изучал воздействие почвы на качество подземных вод [20]. Он считал, что почва, насыщает воду ионами, газами, органическим веществом. Влияние почвенного покрова на развитие вод имеет своего рода двойственное значение: с одной стороны, почвы с большой вероятностью могут повысить минерализацию фильтрующихся через них выпадающих атмосферных осадков, а с другой - метаморфизовать уже сложившийся химический состав подземных вод, имеющих связь с почвами. Численная сторона этих процессов обуславливается типом почв. В том случае, если вода проникает в торфянисто-тундровые или болотные почвы, которые содержат самое минимальное количество соли, то подземная вода насыщается органическими веществами и только в очень малом количестве ионами.

Стоит отметить, что выделялось особое внимание на способность грунтовых вод засолять почвы и данная проблема глубоко изучалась в гидрогеологии и почвоведении. Ряд проблем, связанных с изменением содержания в грунтовой воде солей, органических веществ, в настоящее время не решены полностью.

Метасоматоз - это явление при котором происходит метаморфизация качественного состава вод под действием ионного обмена при взаимодействии грунтовых вод с почвой. Активный метасоматоз может наблюдаться, в благоприятных для этого условиях. Замещение минерального состава в воде другими минералами так же является метасоматозом [14].



Рисунок 3.6 - Схема типов почв Верховажского района

Усиленная метаморфизация находится в непосредственной зависимости от типа почвы, а также от количества в ней коллоидов, которые имеют способность адсорбировать ионы, в том числе обменивать вобранные ионы на ионы водных растворов. Состав коллоидной фракции формируется главным образом из Si02, а также остальных частиц с отрицательным зарядом, по этой причине они вбирают преимущественно положительно заряженные ионы [25].

Помимо адсорбции катионов, в отдельных вариантах способно происходить и адсорбция почвой анионов и, вследствии этого, реакции анионного обмена между почвой и водой. К сожалению, этот процесс изучен недостаточно. Единое число катионов, адсорбированное 100 г почвы, приобрело название емкости поглощения или емкости обмена почвы [26].

Адсорбированные катионы часто называют поглощенными, или обменными, катионами, а комплекс коллоидов, находящихся в почве и принимающих участие в поглощении катионов, - почвенным поглощающим комплексом. В связи от числа и свойств коллоидов, которые составляют почвенный поглощающий комплекс, различные почвы достаточно основательно различаются друг от друга по величине емкости поглощения. Подзолистые слои почв северо-западной лесной зоны как правило обладают емкостью обмена от шести до восьми миллиграммэквивалентов на 100 г почвы, черноземные почвы - от 40 до 60 миллиграммэквивалентов торф - от 60 до 100 миллиграммэквивалентов и даже более [27].

В северных широтах почвы сильно выщелачиваются и в поглощенный комплекс вместе с остальными катионами вступают ионы водорода. В том случае, когда почва подвергается выщелачиванию дождевыми водами, то из ее поглощенного комплекса сначала выходят ионы щелочноземельных металлов, потом ионы натрия и в итоге создается кислая почва, имеющая поглощенный водород. Когда засоление почв происходит в непосредственной связи от состава накапливающихся солей, совершаются надлежащие преображения в поглощенном комплексе, какой со временем обогащается ионами натрия. В случае если тип почвы подзолистый, тогда почва промывается разными по составу атмосферными осадками и при взаимодействии дождей с низким числом рН совершается усиленный вынос из почвы катионов [28].

3.4 Геологические условия

В геологическом отношении район слагают породы казанского и татарского яруса верхней перми, а также Северодвинский и Уржумский горизонт, четвертичные отложения среднерусского и валдайского надгоризонтов представлены на рисунке 3.7.

Отложения казанского яруса (Р2 kz) обладают вездесущим продвижением и вскрыты скважинами на абсолютных отметках глубин от 20 до 14 м. Отображают собой толщу серых, реже белых известняков с прослоями мергеля подобного цвета. Мощность, имеющая максимальное значение составляет 30 м.

Татарский ярус верхней перми показан нижнеустьинской свитой (Р2 nu), обладающей таким образом же повсеместное распространение. В разрезе имеют преимущество следующие породы: глины, аргиллиты, алевролиты, песчаники, частично проявляются мергели. Для данных пород свойственны разнообразные цвета красного и бурого. В нижнеустьинской свите, подошва формируется согласно замене сероцветных карбонатных пород на красноцветные терригенные. Кровля залегает на различных гипсометрических отметках - от 120 до 30 м. В соответствии с этим мощность пород может изменяться от 21 до 103 м.

Четвертичные отложения на территории Верховажского района обусловлены толщей, которая имеет состав из различных генетических и литологических образований, мощность данных образований меняется как по площади, так и в разрезе. Общая мощность четвертичных пород приблизительно 23 - 80 метров. Четвертичные отложения представлены:

1) вехнечетвертичные - современные аллювиальные отложения (а III - IV), слагают первую террасу р. Вага и ее пойму. Имеют разнозернистые пески с редкой галькой, которые обладают прослоями суглинка и глины. Мощность отложений может достигать приблизительно 13,8;

2) озерно-ледниковые и аллювиальные отложения верхневалдайского возраста (lg, a III vd3) - пески, песчано - гравийные отложения, супеси мощностью до 1 - 17 м.

3) ледниковые отложения верхнемосковского возраста (gllms3) представленные суглинками с гравием, галькой, редкими валунами. Мощность отложений восемь метров (правобережье) - 40 м (левобережье);

4) флювиогляциальные, озерно-ледниковые, озерные отложения среднемосковского возраста (f, g, IIIms2), представленные глинами, глинистыми песками. Мощность осадков 3 - 17 м.

5) ледниковые отложения нижнемосковского возраста (gIIms1), представленные валунными суглинками темно-серого цвета, мощностью от 0 до 28 м.

6) нерасчлененные флювиогляциальные, озерно-ледниковые, аллювиальные отложения днепровско-московского оледенения (f, lg, aIIdn - ms). Представлены песками, песками с гравием, галькой (содержание гальки до 20%), единичными валунами. В песках наблюдаются малой мощности прослои глин. Мощность отложений меняется от нескольких метров до 30 м (в долине реки Вага), в пределах данного участка на правой части берега нерасчлененные флювиогляциальные, озерно-ледниковые, аллювиальные отложения днепровско-московского оледенения отсутствуют [9].

Состав геологических пород показывает динамику, а одновременно с ней минерализацию и состав подземных вод. При распределении подземных вод по минерализации и составу, значение которых четко выражается при сравнении структурных элементов по раскрытости, проточности, промытости или интенсивности водообмена. Подземные воды закрытых структурных элементов могут быть с большей минерализацией, однако по составу главным образом хлоридными натриевыми или кальциевыми. В раскрытых структурных элементах подземные воды наименее минерализованы и обладают обычно гидрокарбонатный кальциевый состав [Там же].

Рисунок 3.7 - Схема геологического строения Верховажского района. P2sh - Водоносный комплекс московских отложений верхней перми. P2kz - Водоносный комплекс московских отложений. Казанский ярус. P2nu - Водоносный комплекс московских отложений. Нижнетатарский подъярус

Нижнеустьинская свита.

В тех случаях, когда геологическая структура и тектонические движения имеет отношение к косвенным факторам развития состава подземных вод, то горные породы и минералы напрямую создают вещество подземной гидросферы. Вещественный состав пород - прямой фактор первостепенного значения, на что указывали ещё Аристотель и Плиний Старший, которые говорили, что вода такая, какие породы, согласно которым она течет. Следует, выделить, что взаимосвязь между составом вод и пород довольно непростая, как считали Аристотель и Плиний Старший. Воздействие состава пород на химический состав подземных вод в особенности наиболее ярко, когда пресная вода имеет связь с легкорастворимыми минералами и породами: галитом, гипсом, доломитом, известняком. Галит предоставляет хлоридные натриевые воды, гипс - сульфатные кальциевые, доломит - гидрокарбонатные магниево-кальциевые, известняк -- гидрокарбонатные кальциевые. Однако, такие же гидрокарбонатные воды, как в известняках, имеют все шансы залегать и очень часто залегают в кварцево-полевошпатовых песках. В этом случае ионы Са2+ и НСО3- проявляются в водах за счёт углекислого выветривания полевых шпатов, в то время как в известняках - за счёт растворения кальцита (СаСО) [9].

3.5 Гидрогеологические условия

В ходе изучения материалов региональных работ, результаты бурения и эксплуатации водозаборных скважин в Верховажском районе была дана характеристика гидрогеологических условий. Также использовались литературные источники для подробного описания района.

Пойма в долине реки Вага сложена верхнечетвертичным аллювиальным горизонтом (QIII-IV). Основными водовмещающими породами в данном районе являются пески, супеси с прослоями гравия. Мощность горизонта достигает в некоторых местах до 14 м. Поверхностные воды определяют уровень подземных вод, который коррелирует с уровнем поверхностных вод. Средняя глубина залегания подземных вод 2,0 - 2,6 метра в летний период, когда глубина реки минимальна за счет малого количества осадков [29].

...