Закономірності формування підземних вод на ділянках водозаборів Придонців’я

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка

УДК 556.3(282.247.364)

Закономірності формування підземних вод на ділянках водозаборів Придонців'я

04.00.06 - гідрогеологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Чомко Дмитро Федорович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, Міністерство освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться “16” травня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д. 26.001.32 при Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету ім. Тараса Шевченка за адресою: 01017, м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий “16 ” квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Мандрик Б.М.

Анотація

Чомко Д.Ф. Закономірності формування підземних вод на ділянках водозаборів Придонців`я. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.06 - гідрогеологія. - Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, 2001.

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню актуальної задачі - дослідженню закономірностей формування прісних питних вод в мер-гельно-крейдяному водоносному горизонті в умовах його експлуатації.

Об`єктом досліджень являється мергельно-крейдяний водоносний горизонт середньої течії р. Сів. Донець.

Мета роботи заключається в виявленні гідрогеологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту та розробці балансової моделі водовідбору, методики прогнозування хімічного складу підземних вод.

Основними видами досліджень є: гідрохімічні дослідження, багатовимірна матстатистика, моделювання на IBM PC Pentium.

В дисертації досліджені закономірності формування прісних питних вод в мергельно-крейдяному водоносному горизонті. Розроблена методика вияву гідрогеологічних вікон за гідрохімічними даними, балансова модель водовідбору, методика прогнозу показників хімічного складу водоносного горизонту, зроблено районування долини р. Сів. Донець за головними джерелами балансу водовідбору.

Ключові слова: мергельно-крейдяний водоносний горизонт, гідрогеологічні вікна, водозабір, водовідбір, баланс, експлуатаційні запаси, хімічний склад, стохастична модель, прогноз, районування.

Аннотация

Чомко Д.Ф. Закономерности формирования подземных вод на участках водозаборов Придонцовья). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.06 - гидрогеология. Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, Киев, 2001.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи - закономерностям формирования пресных питьевых вод в мергельно-меловом водоносном горизонте в условиях его эксплуатации.

Объектом исследования является мергельно-меловой водоносный горизонт бассейна среднего течения р. Сев. Донец.

Цель работы заключается в определении гидрогеологических окон в кровле мергельно-мелового водоносного горизонта, разработке балансовой модели водоотбора, методики прогнозирования химического состава подземных вод в условиях их эксплуатации.

Основные виды исследований - гидрохимические исследования, многомерная матстатистика, моделирование на IBM PC Pentium.

В диссертационной роботе детально исследованы основные факторы формирования подземных вод мергельно-мелового водоносного горизонта в бассейне среднего течения р. Северский Донец: физико-географические, геологические, гидрогеологические, физико-химические. Этот водоносный горизонт рассматривается как открытая гидродинамическая система, находящаяся в тесной гидравлической связи с аллювиальным водоносным горизонтом и поверхностными водами р. Сев. Донец, озер и стариц.

На примере мергельно-мелового водоносного горизонта выявлены региональные закономерности формирования месторождений подземных вод Придонцовья в природных условиях и в условиях их эксплуатации.

Исследованы закономерности формирования эксплуатационных запасов подземных вод. По гидрохимическим данным разработано балансовую модель эксплуатационных запасов подземных вод II Донецкого водозабора в условиях его эксплуатации (атмосферное питание, фильтрация из реки, озер, стариц, притоки за счет емкостных ресурсов в разных соотношениях).

Разработано методику определения гидрогеологических окон по данным многомерной статистической обработки химического состава подземных вод смежных водоносных горизонтов. Для этого предложено методику, которая базируется на использовании кластерного анализа химического состава подземных вод. Кластерный анализ выполняется с использованием агломеративной иерархической процедуры с построением дендрограммы - одномерного графа, отображающего взаимные связи между объектами. Суть агломеративной иерархической процедуры состоит в вычислении функции расстояния между всеми парами объектов (химические составы подземных и поверхностных вод) и объединение на каждом шаге той пары объектов, для которых достигается минимум функции евклидового расстояния в n-мерном пространстве, то есть объединение различных вод близких по химическому составу. Впервые по гидрохимическим данным определены гидрогеологические окна в кровле мергельно-мелового водоносного горизонта. Предлагается выделить их как зоны 2-го пояса санитарной охраны с ограничением любой хозяйственной деятельности.

По гидрохимическим данным определены основные составляющие баланса водоотбора II Донецкого водозабора. Показано, что питание водо-заборных скважин происходит за счет пластовых вод мергельно-мелового водоносного горизонта, перетоков из аллювиального водоносного горизонта и притоков воды из реки и озер в разных соотношениях.

Проведено районирование мергельно-мелового водоносного горизонта в долине р. Сев. Донец по главным составляющим баланса водоотбора. Границы выделенных зон примерно совпадают с границами поймы и надпойменных террас.

Исследованы закономерности изменения химического состава подземных вод в условиях эксплуатации водозаборов, рассмотрены основные факторы и источники загрязнения. Разработана методика прогноза основных компонентов химического состава подземных вод (общая минерализация, общая жесткость, сульфаты, железо, кальций). Долгосрочный прогноз химического состава подземных вод составлены на основании закономерностей его колебания в прошлом, что в общем виде отображает влияние на него основных режимообразующих факторов. В связи с этим представляется целесообразным отыскать в рядах таких колебаний закономерные составляющие, которые можно прогнозировать. Для прогноза химического состава подземных вод предлагается стохастическая модель гидрохимического процесса.

Разработанные методики и результаты исследований использованы при выполнении научно-исследовательских тем (Гос. регистр. №0194U012797 и №0197U002453), посвященных режиму и прогнозу химического состава подземных вод мергельно-мелового водоносного горизонта.

Перечисленные результаты исследований полностью отвечают цели диссертационной роботы.

Ключевые слова: мергельно-меловой водоносный горизонт, водозабор, водоотбор, баланс, эксплуатационные запасы, химический состав, стохастическая модель, прогноз, районирование, гидрогеологические окна.

Summary

D. F. Chomko Formation of groundwater in the process of its exploitation of Pridontsovie's water intakes. - Manuscript.

The dissertation for academic degree of Technical silences on speciality 04.00.06 - hydrogeology. - Kiev National Taras Shevchenko University, Kiev, 2001.

Dissertation is devoted to the problems of fresh drinking water's formation in the marly-chalk aquifer water bearing layer. The balance model of water selection, the methods of discovery of hydrogeologycal windows according to the hydrochemical facts, the forecast of the chemical aquifer composition are worked out. The valley of the Siversky Dinets river is divided into districts according to the main sources of water selection balance.

The investigation's object is the basin of the Siversky Dinets river's medium stream.

The aim of the work is to elaborate the balance model of water selection, the forecast's methods of the roofing of water horizon.

The main kinds of investigations are hydrochemical ones, the multimeasured mathematical statistics, the model by IBM PC Pentium.

Key words: marly-chalk aquifer, water bearing layer, water intake, water selection, balance, operating reserves, forecast, division into districts, hydrogeologycal windows.

мергельний водозабір підземний

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Стан якості підземних і поверхневих вод, які використовуються для питного водопостачання, викликає хвилювання у фахівців і громадськості. Це пов'язано з техногенним впливом на навколишнє середовище в цілому, та на поверхневі і підземні води зокрема. Забруднення атмосферних та поверхневих вод, ґрунтів широко сприяє забрудненню підземних вод, в основному, через їх слабку природну захищеність.

Мергельно-крейдяний водоносний горизонт розповсюджений в долині р. Сів. Донець. Тут він інтенсивно експлуатується десятками великих і середніх водозаборів і сотнями одиночних свердловин. Видобуток значних обсягів води нами розглядається як могутній техногенний фактор, що сприяє зміні просторово-часових характеристик водоносного горизонту і приводить до зміни хімічного складу підземних вод.

Незважаючи на велику кількість матеріалів по хімічному складу підземних і поверхневих вод Придонців`я, вони мало використовувалися для прогнозів якості води, при оцінці експлуатаційних запасів підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту, при розробці водоохоронних заходів.

В умовах дефіциту екологічно чистих питних вод велике значення набувають проблеми визначення за гідрохімічними даними гідро-геологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного гори-зонту, через які можливе його живлення і забруднення, балансової струк-тури відбору води водозаборами та прогнозування якості підземних вод.

Усе це обумовлює актуальність теми дисертаційної роботи.

Роботу виконано у відповідності з державною програмою “Оцінка навколишнього середовища України”. Здобувач брав участь у виконанні 2 науково-дослідних робіт (Держ. реєстр. №0194U012797 і №0197U002453), присвячених режиму і прогнозу хімічного складу підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційного дослідження є вивчення гідродинамічних і гідрохімічних особливостей мергельно-крейдяного водоносного горизонту долини р.Сів. Донець в природних умовах і при його експлуатації великими водозаборами для виявлення закономірностей формування кількісного і якісного складу підземних вод і обґрунтування водоохоронних заходів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:

1. Встановити регіональні закономірності формування підземних вод Придонців`я .

2. Визначити закономірності зміни хімічного складу підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту в умовах експлуатації.

3. Для обґрунтування водоохоронних заходів розробити методику визначення гідрогеологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту за гідрохімічними даними.

4. На основі гідрохімічних даних розробити балансову модель відбору підземних вод на ділянках водозаборів.

5. Виконати районування мергельно-крейдяного водоносного горизонту за балансовою структурою водовідбору.

6. Розробити методику прогнозування якісного складу підземних вод в умовах експлуатації водоносного горизонту водозаборами.

Об'єкт дослідження - мергельно-крейдяний водоносний горизонт в долині р. Сів. Донець.

Предмет дослідження - хімічний склад поверхневих та підземних вод, атмосферних опадів Придонців'я.

В основу написання дисертаційної роботи покладені матеріали, зібрані і проаналізовані автором за період навчання в аспірантурі з 1996 по 1999 рр. Використано понад 1,5 тис. повних хімічних аналізів проб води, виконаних в хімлабораторії ДП “Донбасводтрест”.

Методи дослідження - аналіз і узагальнення фондових і опублікованих матеріалів, математична обробка хімічного складу вод з використанням багатомірного статистичного аналізу на базі комп'ютера IBM PC Pentium.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше розроблено методику визначення гідрогеологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту за гідрохімічними даними.

2. За гідрохімічними даними вперше розроблено балансову модель відбору підземних вод на ділянках водозаборів.

3. Виконано районування мергельно-крейдяного водоносного горизонту за балансовою структурою водовідбору підземних вод.

4. Розроблено методику прогнозу хімічного складу підземних вод (загальна мінералізація, загальна жорсткість, сульфати, хлориди, гідрокарбонати, кальцій, залізо) в умовах експлуатації водозаборів.

Практичне значення одержаних результатів

Виявлені закономірності формування балансової структури водовідбору дозволять значно поліпшити якість питних вод. Районування мергельно-крейдяного водоносного горизонту за балансовою структурою водовідбору дозволить раціонально розташовувати водозабірні свердловини. Просторово-часові закономірності формування підземних вод в умовах багаторічної експлуатації дозволять переоцінити експлуата-ційні запаси підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту і, враховуючи гідрогеологічні вікна, розробити водоохоронні заходи.

Розроблені методики можуть використовуватися і для досліджень в інших гідрогеологічних умовах.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем сформульовані мета та задачі досліджень, оброблений фактичний матеріал з застосуванням методів багатомірної статистики, виявлені основні закономірності формування підземних вод на ділянках водозаборів Придонців'я. Результати і висновки отримані здобувачем самостійно і відображені в статтях:

1. Методика виявлення гідрогеологічних вікон за даними багатомірної статистичної обробки хімічного складу підземних вод розроблена нами у статті в Геологічному журналі. №4, К-2000 і в тезах доповідей.

2. Дослідження, що дозволило за гідрохімічними даними вперше розробити балансову модель експлуатаційних запасів підземних вод на ділянках водозаборів розглянуто нами у статті в віснику Харк. ун-ту, серія Геологія-географія-екологія, №455. -1999, та в матеріалах і тезах доповідей на різних наукових конференціях.

3. Районування мергельно-крейдяного водоносного горизонту в долині р. Сів. Донець за основними складовими балансу відбору підземних вод розглянуто в тезах доповіді.

4. Питання прогнозу якості підземних вод в умовах експлуатації мергельно-крейдяного водоносного горизонту розглянуто нами у статті в віснику Харк. ун-ту, серія Геологія-географія-екологія, №402.-1998. (співавтори Решетов І.К. і Чомко Р.Ф.) та в тезах доповідей.

Впровадження результатів роботи. Науково-методичні розробки, що містяться в дисертації, впроваджені в практику проведення гідрогеологічних робіт ДП “Донбасводтрест”, ДГП “Донбасгеологія”, а також використовуються при виконанні науково-дослідних робіт і включені в лекційні курси по гідрогеохімії та оцінці запасів підземних вод в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна.

Апробація результатів дослідження. Основні теоретичні, методологічні та практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародному симпозіумі по прикладній геохімії (Москва, 1997 р.); на міжнародній конференції “Экологическая геология и рациональное недропользование” (Санкт-Петербург, 1997, 2000 р.); на науково-практичній конференції Воронезького університету (Вороніж, 1999 р.); на VIII-ій міжнародній науково-технічній конференції “Экология и здоровье человека. Охрана водного і воздушного бассейнов. Утилизация отходов” (Щолкіне АР Крим, 2000 р.); на науково-практичній конференції “Екологія Харківщини: стан, проблеми, перспективи” (Харків, 2000 р.); на Соболівських читаннях, на засіданні кафедри гідрогеології геолого-географічного факультету Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна (1997 - 2000 р.).

Обгрунтованість висновків та результатів досліджень досягнута значним обсягом первинного матеріалу (більше 1,5 тис. аналізів), застосуванням сучасних методик багатомірного статистичного аналізу та опрацювання даних на IBM PC.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 14 друкованих робіт, в тому числі 5 у фахових виданнях і 2 без співавторів.

Структура та обсяги дисертації. Дисертація загальним обсягом 197 стор. складається з вступу, 5 розділів, висновку і містить 25 мал., 18 табл. Список використаних матеріалів включає 235 найменувань, в тому числі 2 на іноземних мовах.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі дисертаційного дослідження, наукову новизну, практичну цінність і основні результати, що виносяться на захист.

У першому розділі дисертації наведено аналіз стану вивчення гідродинамічних та гідрогеохімічних умов мергельно-крейдяного водоносного горизонту в умовах експлуатації водозаборів Придонців`я. Детально проаналізовані роботи відомих вчених, фахівців та інженерів з:

- формування балансу експлуатаційних запасів підземних вод, експлуатації водозаборів Придонців`я. Детально проаналізовані роботи: (Щеголєва Д.І., Вовка І.Ф., Солякова І.П., Гаврика С.І., Язвіна Л.С., Боревського Б.В., Крисенка А.М., Мартинова В.С., Власовського О.Н., Каширіної Н.П., Філіпової Г.О., Круглікової Г.О., Решетова І.К., Бута Ю.С, Брікса А.Л., Бабінця А.Е., Огняника М.С., Янчева В.К., Дробнохода М.І, Мандрика Б.М., Шестакова В.М., Шестопалова В.М. та ін.);

- прогнозування хімічного складу підземних вод (Вернадський В.І., Овчиніков А.М., Дробноход М.І., Фаловський О.О., Пелешенко В.І., Шестопалов В.М., Бут Ю.С., Решетов І.К., Кайсла Ч., Суярко В.Г. та ін.);

- математичної статистики (Ситников А.Б., Чесалов С.М., Хаустов О.П., Дж. Девіс, Гавришин А.І., Цайтц О.Е., Нємець К.А. та ін.)

Незважаючи на велику кількість досліджень, хімічний склад підземних і поверхневих вод Придонців`я майже не використовувався для визначення гідрогеологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту та балансової структури відбору підземних вод водозаборами, а також при розробці водоохоронних заходів.

Нами зроблена спроба частково ліквідувати цей пробіл.

У другому розділі приведено коротку характеристику природних умов долини р. Сів. Донець, яка знаходиться на північному сході України в лісостеповій і степовій зонах.

Район досліджень відноситься до Дніпровсько-Донецької западини та Донецького басейну. В геологічній будові беруть участь відклади від архейського до четвертинного періодів.

В гідрогеологічному відношенні район досліджень відноситься до Дніпровсько-Донецького артезіанського басейну і Донецького басейну пластових вод. На північно-західних окраїнах Донбасу в синклінальних структурах виділяються малі артезіанські басейни.

В роботі охарактеризовані водоносні горизонти і комплекси кайнозою та мезозою, із них найбільш детально - мергельно-крейдяний та алювіальний водоносні горизонти, на яких ґрунтується водопостачання.

В третьому розділі описано літологію та фізичний стан водоносних і водотривких порід, проаналізовано режим і умови формування підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту в природних умовах і при його експлуатації, викладена спроба розробити методику визначення гідрогеологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту за гідрогеохімічними даними.

Гідрогеологічні вікна це невеликі ділянки на площі поширення мергельно-крейдяного водоносного горизонту з напірними водами, де водотривка покрівля (зона елювію) відсутня. На цих ділянках напірні води переходять у ґрунтові води. Через гідрогеологічні вікна можливе живлення мергельно-крейдяного водоносного горизонту за рахунок перетоку води із алювіального горизонту, що сприяє його забрудненню.

Мергельно-крейдяний водоносний горизонт відноситься до тріщинуватої зони порід верхньої крейди, потужність якої досягає 50-70 м. В ній виділяють підзони максимальної і затухаючої тріщинуватості. Зверху тріщинувата зона перекрита елювієм крейдяних порід потужністю 0-10 м. В межах заплави і на контакті її з 1-ю надзаплавною терасою елювій не має суцільного поширення, утворюючи гідрогеологічні вікна. Алювіальний водоносний горизонт розповсюджений в межах заплави, I-ї та частково II-ї надзаплавних терас, потужністю від 0,2 до 20 м. Типова геофільтраційна схема водоносного горизонту приведена на рисунку 1.

Класично місця розташування гідрогеологічних вікон визначаються при бурінні свердловин з відбором керну, або шляхом порівняння рівнів підземних вод суміжних водоносних горизонтів. Там, де відсутня покрівля, спостерігається один рівень для двох суміжних водоносних горизонтів.

Нами пропонується інший підхід для вирішення цієї проблеми: порівняти хімічні склади води експлуатованого горизонту і підземних вод суміжних горизонтів, визначити місця розташування гідрогеологічних вікон.

В основу методу покладений той факт, що подібність хімічного складу води із водозабірних свердловин і води із суміжних горизонтів говорить про те, що за відсутності підтоку води із суміжного горизонту через позатрубний простір, у цьому місці знаходиться гідрогеологічне вікно, через яке відбувається перетік води із суміжного горизонту .

Для виявлення подібності хімічного складу підземних вод із водозабірних свердловин із хімічним складом вод поверхневих та суміжних горизонтів пропонується кластерний аналіз. Цей аналіз виконується з використанням агломеративної ієрархічної процедури з побудовою дендрограми - одномірного графа, що зображує взаємні зв'язки між об'єктами (хімічними складами води). Сутність агломеративної кластерної процедури складається в обчисленні функції відстаней між усіма парами об'єктів і об'єднання на кожному кроці тієї пари об'єктів, для якої досягається мінімум функції евклідової відстані в n-мірному просторі, тобто об'єднання вод із водозабірних свердловин та залучених близьких за хімічним складом.

Евклідова відстань обчислюється для будь-якої кількості гідрохімічних показників. Вплив окремого показника на їх взаємозв'язок не залежить від його абсолютного значення, а залежить від відносної різниці за цим показником між залученими водами і підземними водами мергельно-крейдяного горизонту, оцінюваного по його “внеску” у показник ваги. Вага компонента визначається як відношення середнього значення цього показника до середнього значення всіх показників, розрахованих окремо для всіх об'єктів.

Методика визначення гідрогеологічних вікон в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту розроблена за матеріалами гідрохімічних досліджень на II Донецькому водозаборі. Цей водозабір складається з 96 експлуатаційних свердловин, розташованих на лівому і правому берегах р. Сів. Донець в межах її заплави. По характеру розташування свердловин на водозаборі виділяються кілька груп: Пришибська нова і стара, Сидорівська правобережна, Маяцька правобережна і лівобережна, правобережна і лівобережна Центральна, Щурівська і Райгородська стара і нова.

Для реалізації цього методу використані одночасні дані про хімічний склад води із 23 водозабірних і 10 спостережних свердловин, обладнаних на мергельно-крейдяний горизонт, води із 10 спостережних свердловин, що контролюють алювіальний водоносний горизонт і води із р. Сів. Донець, озер Підпісочне, Красноярське і Біле Пришибського водозабору.

За результатами кластерного аналізу побудована дендрограма (рис.2).

На ній чітко видно, що хімічні склади води із водозабірних свердловин, залученої води із алювіального і мергельно-крейдяного водоносних горизонтів, води із ріки та озер були розбиті на три кластери.

Аналіз цієї дендрограми і карти розташування свердловин (рис.3) дозволив зробити висновок про те, що в районі розташування пар спостережних свердловин А-3677 і 3677, обладнаних на алювіальний і мергельно-крейдяний водоносні горизонти знаходиться гідрогеологічне вікно, тому що хімічні склади води із цих свердловин з мінімальною евклідовою відстанню об'єдналися в один кластер. Гідрогеологічні вікна виявлені також на ділянках розташування пар спостережних свердловин А-3599 і 3676, обладнаних на алювіальний і мергельно-крейдяний водоносні горизонти, спостережних свердловин А-3602 і 3602 і водозабірної свердловини 84, обладнаних на ці ж горизонти, та на місці розташування спостережної свердловини А-3524 і водозабірної свердло-вини 96. Наявність гідрогеологічних вікон визначається не тільки подібним хімічним складом, а також підтверджено гідрогеологічним розрізом.

Таким чином, чисельно оцінивши подібність між хімічними складами вод суміжних водоносних горизонтів, на Пришибському водозаборі виявлені чотири ділянки з гідрогеологічними вікнами в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту. Для захисту водоносних горизонтів від забруднення ми пропонуємо виділити ці ділянки на території водозабору як зони суворого режиму, а за його межами - як зони 2-го поясу санітарної охорони з обмеженням господарської діяльності.

Визначення гідрогеологічних вікон дозволить не тільки виявити джерела живлення мергельно-крейдяного водоносного горизонту, захистити його від забруднення, а також, при необхідності, організувати через них штучне поповнення запасів підземних вод.

В четвертому розділі дано аналіз різних методик визначення джерел формування експлуатаційних запасів підземних вод, приведений розроблений нами новий підхід визначення джерел формування експлуатаційних запасів підземних вод за гідрохімічними даними.

Визначенню джерел формування експлуатаційних запасів підземних вод в Придонців'ї присвячені роботи Мартинова В.С., Дробнохода М.І., Мандрика Б.М., Огняника М.С., Бута Ю.С., Решетова І. К., Язвіна Л.С., Гаврика С. І. та ін. Для досягнення мети автори використовують балансовий метод, математичне моделювання, дані гідрологічних спостережень і багаторічної експлуатації водозаборів.

Нами пропонується новий підхід до визначення джерел формування експлуатаційних запасів. Пропонується порівняти хімічні склади підземних вод із водозабірних свердловин і води із спостережних свердловин, обладнаних на мергельно-крейдяний і алювіальний водоносні горизонти, і води із рік, озер і стариць, що живлять підземні води при експлуатації водозабору, а потім оцінити складові балансу водовідбору.

Методика оцінки складових балансу відбору підземних вод водозаборами розроблена за матеріалами гідрохімічних досліджень на II Донецькому водозаборі. Водозабір працює тривалий час (з 1954 р.). Дані по ньому приведені в третьому розділі. Це привело до зміни характеру, інтенсивності і спрямованості взаємозв'язків мергельно-крейдяного водоносного горизонту із суміжними водоносними горизонтами і поверхневими водами.

Поверхневі води і води алювіального горизонту, які є джерелом живлення (а також джерелом можливого забруднення) підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту в межах депресійної воронки, мають відмінності в хімічному складі. Потрапляючи в зону інфільтрації, в цих водах внаслідок контакту з породою і змішування із пластовими водами відбуваються зміни хімічного складу. Ці зміни спрямовані до зближення їхнього хімічного складу з хімічним складом підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту. Очевидно, що чим більше час інфільтрації цих вод, тим меншими будуть розходження в хімічному складі. Однак, в межах депресійної воронки великих водо-заборів час інфільтрації цих вод малий і тому в водах алювіального горизон-ту і в поверхневих водах великих змін хімічного складу не відбувається. Очевидно, що хімічний склад підземних вод в кожній водозабірній свердловині є результатом змішування в тій чи іншій пропорції пластової води мергельно-крейдяного водоносного горизонту із залученими водами алювіального горизонту і поверхневими водами ріки, озер та стариць.

В умовах непорушеного режиму водоносний горизонт є збалансованою системою. В процесі експлуатації водозабору істотно змінюється баланс водовідбору. Для компенсації водовідбору, що є додатковою статтею витрати у водному балансі, в водоносному горизонті неминуче відбуваються зміни. Це приводить до збільшення живлення водоносного горизонту в області депресійної воронки. Додаткове живлення характери-зує залучені ресурси, що повністю витрачаються на забезпечення водовід-бору. Тому експлуатаційні запаси підземних вод ділянок водозабору фор-муються за рахунок генетично різних за хімічним складом об'ємів води.

Для виявлення близькості чи віддаленості хімічного складу підземних вод із свердловин водозаборів з водами суміжних горизонтів і поверхневих вод ми застосували також кластерний аналіз.

Для реалізації цього методу використані одночасні дані про хімічний склад води із 40 водозабірних свердловин і 32 спостережних свердловин на мергельно-крейдяний горизонт, води із 34 спостережних свердловин, обладнаних на алювіальний водоносний горизонт, дані про хімічний склад води із р. Сів. Донець, озер Підпісочне, Красноярське, Біле і Криве Пришибської, Маякської правобережної і Райгородської нової груп II Донецького водозабору.

В результаті кластерного аналізу всі хімічні склади води із водозабірних свердловин Пришибського водозабору, залучених вод із алювіального і мергельно-крейдяного водоносних горизонтів, води із ріки та озер були розбиті на кілька кластерів, що у свою чергу розпадаються на кілька дрібних груп (рис.2). В одному кластері знаходяться води подібного хімічного складу.

З дендрограми видно, що водозабірні свердловини 92, 96 і 84 живляться тільки за рахунок вод алювіального горизонту. Свердловини 85, 94, 87, 88, 89, 93, 95 живляться за рахунок перетоків води із алювіального водоносного горизонту з незначним надходженням пластової води, атмосферних опадів і води із озера Красноярське. Свердловини 74, 81, 82, 86 живляться пластовою водою мергельно-крейдяного горизонту з незначним надходженням атмосферних опадів. В свердловини 75, 78, 76, 77, 83 води надходять із алювіального горизонту. А свердловини 79, 80, 90 і 91 живляться за рахунок води із р. Сів. Донець і озер Біле і Підпісочне. Ці висновки зроблені на основі того, що хімічні склади води із цих водозабірних свердловин об'єдналися в один кластер із поверхневими і підземними водами з мінімальною евклідовою відстанню. В окремий кластер виділилися хімічні склади двох спостережних свердловин, пробурених на алювіальний водоносний горизонт, води яких не приймають участі в живленні водозабірних свердловин.

Балансова структура джерел живлення водозабірних свердловин При-шибського водозабору наведена в табл.1. Експлуатаційні витрати водо-заборів взяті на липень місяць як сума дебітів водозабірних свердловин.

Аналогічним способом визначені джерела живлення водозабірних свердловин Маякського правобережного і Райгородського нового водозаборів та проведено районування мергельно-крейдяного горизонту.

Таким чином, за гідрохімічними даними встановлено, що в липні місяці експлуатаційні запаси II Донецького водозабору формуються за рахунок:

· пластової води мергельно-крейдяного водоносного горизонту (на лівобережжі - 53,1%, на правобережжі - 33,9%, у середньому - 44,5%);

· фільтрації води із р. Сів. Донець (на лівобережжі - 17,1%, на правобережжі - 57,8%, у середньому - 37,9%);

· фільтрації води із озер (на лівобережжі - 8,8%, на правобережжі -14,6%, у середньому - 11,7%);

· перетоків із алювіального горизонту (на лівобережжі -21,0%, у середньому - 5,9%).

Отримані показники експлуатаційних запасів II Донецького водозабору добре узгоджуються з даними Мартинова В.С., Філіпової Г.О., Бута Ю.С., Решетова І.К., Дробнохода М.І., Мандрика Б.М. та ін., отриманих для різних водозаборів Придонців`я на різний час іншими методами.

За даними кластерного аналізу хімічного складу підземних і поверхневих вод і виявленою балансовою структурою джерел живлення водозабірних свердловин проведено районування мергельно-крейдяного водоносного горизонту. На території Пришибської групи водозабірних свердловин виділено кілька зон з різним живленням (рис.3.).

Уздовж р. Сів. Донець розташовуються свердловини (зона І), живлення яких відбувається за рахунок ріки і озера Біле. У центрі водозабору знаходяться свердловини (зона ІІ), живлення яких відбувається за рахунок пластових вод мергельно-крейдяного горизонту. На периферії розташовуються свердловини (зона ІІІ), живлення яких здійснюється за рахунок перетоків води із алювіального горизонту і частково за рахунок пластових вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту.

За результатами кластерного аналізу хімічного складу підземних і поверхневих вод на всіх водозаборах виділились групи спостережних свердловин, пробурених на мергельно-крейдяний і алювіальний горизонти, вода яких не бере участі в живленні водозаборів. Вода із цих свердловин відповідає ДСПН “Вода питна”. Тому ми пропонуємо в місцях їх знаходження пробурити нові водозабірні свердловини для збільшення видобутку прісних підземних вод.

П'ятий розділ присвячено формуванню хімічного складу і розробці методики прогнозу якості підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту.

Важливим фактором, що впливає на зміну якості підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту є інтенсивний водовідбір. Відбір води приводить до зниження рівнів підземних вод, внаслідок чого створюється гідродинамічна передумова для вертикального перетікання (зверху вниз) і надходження забруднених вод з алювіального водоносного горизонту і поверхневих вод із ріки і озер в мергельно-крейдяний горизонт. За час експлуатації II Донецького водозабору спостерігається постійне збільшення основних показників хімічного складу підземних вод. Величина мінералізації в воді із водозабірних свердловин збільшилася на 259 - 728 мг/дм3, сульфатів - на 98 - 479 мг/дм3, кальцію - на 79 - 188 мг/дм3, заліза - на 3,5 - 5,4 мг/дм3 (табл. 2). Збільшення цих показників пов'язується із розчиненням гіпсу і кальциту водовміщуючих порід та із загальним забрудненням повітря і поверхневих вод.

Нами зроблена спроба розробити методику довгострокового прогнозу хімічного складу підземних вод водоносного горизонту в умовах його експлуатації.

Довгострокові (на один рік і більше) прогнози хімічного складу підземних вод складені на основі вивчення закономірностей його коливань у минулому, що в загальному виді відбиває вплив на нього основних режимоутворюючих чинників. В зв'язку з цим представляється доцільним відшукати в рядах таких коливань закономірні складові, котрі можна прогнозувати.

Для прогнозу хімічного складу підземних вод пропонується стохастична модель гідрохімічного процесу, котра може бути подана сумою кількох гармонійних складових, ускладнених випадковим компонентом.

Ця модель реалізована на ПК IBM PC Pentium. Інформація дається у виді дискретних даних гідрохімічних спостережень, наприклад, добові, середньомісячні чи середньорічні величини мінералізації чи будь-якого іншого показника хімічного складу води.

Ця методика випробувана за даними зміни мінералізації та загальної жорсткості на Щуровському водозаборі (св. №13) і Маякському водозаборі (св. №9). Використовувалися дані гідрохімічного режиму цих свердловин з 1955 по 1990 р.

Аналізуючи графік (рис. 4) дійдемо висновку, що на протязі прогнозованого року мінералізація підземних вод в свердловині №13 буде продовжувати рости, а потім незначно знизиться, залишаючись вище 1000 мг/дм3. Величина співвідношення дорівнює приблизно 0,38, а це свідчить про те, що прогноз добрий.

Приблизно такі ж результати отримані і для свердловини №9.

Аналізуючи графік (рис. 5) дійдемо висновку, що на протязі прогнозованого року значення жорсткості підземних вод в свердловині №13 буде коливатися, а потім незначно знизиться, залишаючись біля позначки 14 мг-екв/дм3. Величина співвідношення S/ дорівнює приблизно 0,4, а це також свідчить про те, що прогноз добрий.

Таким чином, якщо вихідний ряд коливань мінералізації та жорсткості розкладається на періодичні складові цілком чи з невеликим по амплітуді залишком, то прогноз не викликає значних труднощів. Якщо ж після виді-лення складових залишається випадковий компонент із значною амплі-тудою, то можна скласти прогноз про загальну спрямованість процесу.

Запропонована методика може застосовуватися також для прогнозу будь-якого показника хімічного складу підземних вод.

Висновки

Основні результати досліджень можна сформулювати так:

1. В роботі детально досліджені основні фактори формування підземних вод мергельно-крейдяного водоносного горизонту: фізико-географічні, геологічні, гідрогеологічні, фізико-хімічні. Цей водоносний горизонт розглядається як відкрита гідродинамічна система, яка знаходиться в тісному зв`язку з алювіальним водоносним горизонтом і поверхневими водами р. Сів. Донець, озер та стариць.

2. На прикладі мергельно-крейдяного водоносного горизонту встанов-лено регіональні закономірності формування родовищ підземних вод При-донців`я. В природних умовах, в різні сезони року, підземні води цього горизонту формуються за рахунок фільтрації атмосферних опадів на терасах та заплавах, частково за рахунок перетоків води із суміжних горизонтів і перетоків із ріки і озер. А в умовах експлуатації великих водозаборів - за рахунок перетоків води із алювіального горизонту та із ріки і озер.

3. Розроблено методику виявлення гідрогеологічних вікон за даними багатомірної статистичної обробки хімічного складу підземних вод суміжних водоносних горизонтів. Вперше за гідрохімічними даними виявлені гідрогеологічні вікна в покрівлі мергельно-крейдяного водоносного горизонту.

4. За гідрохімічними даними вперше визначені складові балансу водовідбору II Донецького водозабору в умовах його експлуатації . Для цього запропоновано методику, яка базується на використані кластерного аналізу хімічного складу підземних вод. Виконано районування мергельно-крейдяного водоносного горизонту в долині р. Сів. Донець за головними складовими балансу водовідбору. Визначені місця буріння нових водо-забірних свердловин для збільшення видобутку прісних підземних вод.

5. Розроблено і випробувано методику прогнозу основних ком-понентів хімічного складу підземних вод. Для прогнозу хімічного складу підземних вод пропонується стохастична модель гідрохімічного процесу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Решетов И.К., Чомко Д.Ф. Миграция химических элементов в процессе эксплуатации водозаборов Придонцовья. // Тезисы докладов международного симпозиума по прикладной геохимии стран СНГ. -Москва. -ИМГРЭ. -1997

2. Решетов И.К., Чомко Ф.В., Чомко Д.Ф. Формирование химического состава подземных вод и условия загрязнения водоносного горизонта при эксплуатации водозабора. // Тезисы докладов международного симпозиума по прикладной геохимии стран СНГ. -Москва. -ИМГРЭ -1997 -с.184-185.

3. Решетов И.К., Чомко Ф.В., Чомко Д.Ф. Определение условий питания и загрязнения водоносного горизонта по изменению химического состава подземных вод при эксплуатации водозабора. // Тезисы докладов международной конференции “Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образования”. -Санкт-Петербург -1997 -с.152-153.

4. Абрамов И.Б., Чомко Ф.В., Чомко Д.Ф. Влияние техногенно преобразованных атмосферных осадков на изменение генетической природы лессовых грунтов. // Вісник Харківського університету, с. Геологія-Географія-Екологія, №402. -1998. -с.75-77.

5. Решетов И.К., Чомко Д.Ф., Чомко Р.Ф. Долгосрочный прогноз качества подземных вод мело-мергельного водоносного горизонта в процессе его эксплуатации. // Вісник Харківського університету, с. Геологія-Географія-Екологія , № 402. -1998. -с.68-71.

6. Чомко Д.Ф. Методика определения основных источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод по гидрохимическим данным. // Вісник Харківського університету, с. Геологія-Географія-Екологія, № 455. -1999. -с.75-82.

7. Решетов И.К., Чомко Ф.В., Чомко Д.Ф. Оценка структуры эксплуатационных запасов подземных вод действующих водозаборов по гидрохимическим критериям. //Материалы юбилейной научной конфе-ренции кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Воро-нежского госуниверситета. -Воронеж. -Изд-во ВГУ. -1999. -с. 49-56.

8. Абрамов И.Б., Чомко Ф.В., Немец К.А., Чомко Д.Ф. Влияние золо-отвалов на работу водозаборов и прилегающую территорию. // Науково-технічний журнал. -Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань. -Киев.-Товариство “Знання” України. 1999. -с.35-37.

9. Решетов И.К., Чомко Д.Ф., Чомко Р.Ф., Чомко Ф.В. Прогноз качества подземных вод при длительной эксплуатации водозаборов. // VIII международная научно-техническая конференция: “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов” -Щелкино. -АР Крым. -12-16 июня 2000г. -с. 520-524.

10. Решетов И.К., Чомко Д.Ф., Чомко Р.Ф., Чомко Ф.В.Определение гидрогеологических окон по гидрохимическим критериям. // Тезисы докладов международной конференции “Экологическая геология и рациональное недропользование”. -Санкт-Петербург. -2000. -с. 330-331.

11. Журавель Н.Е., Клочко П.В., Чомко Д.Ф. Оптимизация мониторинга природных вод. // Тезисы докладов международной конференции “Экологическая геология и рациональное недропользование.” -Санкт-Петербург. -2000. -с. 177-178.

12. Решетов И.К., Чомко Д.Ф., Чомко Р.Ф. Современные аспекты охраны подземных вод мергельно-мелового водоносного горизонта в бассейне р.Сев.Донец. Тезисы докладов научно-практической конференции “Екологія Харківщини: стан, проблеми, перспективи”. Харьков, 2000,с. 62-63.

13. Чомко Д.Ф. Визначення гідрогеологічних вікон за гідрохімічними критеріями. // Геологічний журнал. Київ. 2000, №4, с. 93-97.

14. Клочко П.В., Журавель М.Ю., Чомко Д.Ф. Особливості забруднен-ня природних вод в районах нафтовидобутку у Прикарпатті. /Державний міжвідомчий науково-технічний збірник “Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ”, Івано-Франківськ, Вип. 37, т. 1, 2000, с. 30-33.

Размещено на Allbest.ru

...