Геоэкология родниковых вод Сергиево-Посадского района Московской области

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Геоэкология родниковых вод Сергиево-Посадского района Московской области

Васильева Екатерина Юрьевна

Москва-2009

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов на кафедре геоэкологии экологического факультета

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Рассказов Андрей Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

Чепалыга Андрей Леонидович

кандидат географических наук, доцент

Алексеев Борис Александрович

Ведущая организация

Владимирский Государственный Университет

Защита состоится «16» апреля 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.155.12 при Московском государственном областном университете по адресу: 107005, Москва, ул. Радио, д. 10а, ауд. 82

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета.

Автореферат разослан «16» марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук, доцент А.В. Сердюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В связи с увеличением техногенной нагрузки на окружающую среду в последние годы все больше внимания уделяется проблеме загрязнения природных вод.

В качестве индикаторов загрязнения подземных вод могут быть использованы родники в связи с их исключительной чувствительностью к воздействию техногенных факторов. При мониторинге источников оцениваются не только санитарно-техническое состояние каптажа, санитарно-экологическая характеристика площади водосбора, но и токсикологические и физико-химические показатели качества родниковой воды. При этом для комплексной геоэкологической оценки состояния родников и их защищенности от загрязнения необходимо учитывать не только особенности природных условий, но и характер техногенных нагрузок на территорию.

Особенно важное значение при изучении условий загрязнения родниковых вод приобретает их исследование в Сергиево-Посадском районе, где в результате сильной расчлененности рельефа широко распространены естественные выходы подземных вод на поверхность.

Традиционно вода родников здесь считается очень чистой. Происхождение ряда источников связывают с именами православных святых, и воде родников приписывают целебные и очищающие свойства. Местное население и многочисленные паломники употребляют родниковую воду в питьевых целях, поэтому в условиях все возрастающей антропогенной нагрузки на окружающую среду возникает необходимость контроля качества родниковой воды в эпидемиологических и санитарных целях.

Питание большинства родников происходит за счет вод, приуроченных к верхнему мощному покрову рыхлых четвертичных (QI-IV) отложений, наиболее подверженных техногенному воздействию и загрязнению, что сказывается на их состоянии. В частности, по физико-химическим характеристикам воды родников можно судить о загрязнении питающих их грунтовых вод, о степени антропогенной нагрузки на территорию.

Особенности происхождения и защищенности подземных вод, питающих родники, рассмотрены в ряде работ, среди которых важное значение имеют труды Н.А. Маринова, Н.И. Толстихина, А.М. Овчинникова, М.С. Орлова, В.В. Пиннекера, А.П. Белоусовой и др. Для родников Московского региона известны работы Соколова В.Д. (начало ХХ века), а также современных авторов (В.М. Швец, А.Б. Лисенков, Е.В. Попов, О.А. Лиманцева). Исследований, посвященных проблеме изучения и охраны родниковых вод на территории Сергиево-Посадского района сравнительно немного, чем, наряду с выше перечисленными причинами, и обусловлена актуальность настоящей работы.

Цели и задачи исследования

Целью данной диссертационной работы явилось определение степени защищенности родниковых вод Сергиево-Посадского района от загрязнения.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение природных и техногенных условий формирования родниковых вод на исследуемой территории;

2. Анализ изменения режима и состава родниковых вод;

3. Классификация родников по физико-химическим и микробиологическим показателям качества воды;

4. Построение карт районирования территории по степени антропогенного влияния на подземные воды, питающие родники.

5. Разработка рекомендаций по мониторингу и охране родниковых вод.

Объектом исследования являются родниковые воды Сергиево-Посадского района Московской области.

Предмет исследования - современные геоэкологические условия формирования родниковых вод на территории района исследований.

Научная новизна родниковый вода техногенный геоэкология

В ходе проведенного исследования впервые определены современные гидродинамические, химические и микробиологические характеристики состояния родниковых вод на исследуемой территории; выделены области максимального антропогенного воздействия на места расположения родников и проведено районирование территории по степени защищенности родниковых вод от загрязнений. Разработаны рекомендации по мониторингу и охране родниковых вод с учетом антропогенного воздействия на исследуемую территорию.

Фактический материал

При выполнении работы были использованы данные, полученные автором лично в ходе подробных исследований серии родников на территории Сергиево-Посадского района с 2001 по 2007 гг., а также результаты лабораторных исследований районных гидрогеологических организаций.

Диссертация базируется на 750 анализах родниковой воды по 16 показателям (общие колиформные бактерии, температура, цветность, мутность, рН, жесткость общая, нитраты, нитриты, хлориды, сульфаты, железо общее, тяжелые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd), нефтепродукты).

Кроме того, автором был обработан обширный картографический материал, построены и подробно описаны гидрогеологические разрезы участков расположения родников. По результатам ландшафтных наблюдений и полевых работ, проведенных в ходе экспедиций в составе гидрогеологической группы под руководством к. г.-м. н. Макеева В.М. (июнь 2006 г., июль 2007 г.), были составлены карты и схемы гидрогеологических условий формирования родниковых вод на исследуемой территории, а также их защищенности от загрязнения.

Методика исследования

Сбор информации о физико-химических и микробиологических характеристиках родниковых вод на территории района исследований проводился в ходе режимных наблюдений. Автором лично проводилось изучение поверхностей водосбора и мест выхода родниковых вод на поверхность, регулярное (сезонное) измерение дебита и температуры воды источников, а также отбор проб для последующего определения химических и бактериологических показателей качества воды на базе лаборатории Сергиево-Посадского филиала ФГУ «Менделеевский ЦСМ». Определение концентраций веществ, в частности, содержание нитратов и тяжелых металлов, проводилось спектрофотометрическим (ФЭК-56) и атомно-адсорбционным методами (спектрофотометр Varian CARY-100).

Впоследствии составлялась электронная база данных, описывающая физико-химические и микробиологические характеристики родниковых вод. Далее проводилась статистическая обработка информации с применением методов корреляционного и кластерного анализа. Была построена серия карт и схем района (в количестве 8 шт.) с выделением областей с различной степенью антропогенного воздействия на участки формирования родниковых вод. Работа проводилась с использованием современных методов обработки численной и графической информации, с помощью программных комплексов Excel, Access, Statistika, Corel Draw.

Практическая значимость

Научные и практические результаты, полученные автором в процессе проведения исследования, внедрены в практику работы местных органов Стандартизации и метрологии (использованы при уточнении набора необходимых физико-химических и микробиологических параметров для проведения экспресс-анализа родниковых вод, что подтверждено Актом внедрения № 11-20/725 от 02.11.2007 г.), а также используются для составления ежегодных отчетов о состоянии окружающей среды Экологическим отделом администрации Сергиево-Посадского района.

Личный вклад автора

В период с 2001 по 2007 гг. были проведены геоморфологические и геологические исследования с построением гидрогеологических разрезов и карт. Автором производился отбор проб родниковых вод, их анализ на базе лаборатории филиала ФГУ Сергиево-Посадский ЦСМ, а также статистическая обработка полученных результатов, составление картографических материалов и разработка практических рекомендаций по экологически безопасному хозяйственному использованию территории с учетом формировании родниковых вод.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - доктору геол.-мин. наук, профессору А.А. Рассказову, заведующей кафедрой геоэкологии экологического факультета РУДН, профессору Е.В. Станис и всем сотрудникам кафедры за ценные советы и помощь в написании работы. Автор также признателен В.М. Макееву (ИГЭ РАН им. Е.М. Сергеева), М.С. Орлову, Н.И. Алексеевскому (МГУ им. В.М. Ломоносова), В.М. Швецу, А.Б. Лисенкову, О.А. Лиманцевой (МГГРУ), А.П. Белоусовой (ИВП) и другим коллегам за поддержку и ценные замечания при обсуждении работы.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований неоднократно докладывались на научных конференциях Экологического факультета РУДН «Актуальные проблемы экологии и природопользования» в 2004-2008 гг.; на III-ем Международном Симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси» в 2006 г.; Областной межвузовской экологической конференции (г. Сергиев Посад) в 2007 г.; на круглом столе в рамках I-ого Всероссийского конкурса «Экологическая опора России» в 2007 г.

Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Основные защищаемые положения

В результате проведенного районирования по степени защищенности родниковых вод от загрязнений выделено 4 района с различным защитным потенциалом (способностью препятствовать проникновению загрязняющих веществ в горизонт грунтовых вод, питающих родники).

Установлены корреляционные связи геоэкологических условий территории с конкретными компонентами в составе родниковых вод: пылевого загрязнения снегового покрова с SO42- (r = 0,49), NO32- (r = 0,45), Cd (r = 0,41); загрязнения почв с Pb (r = 0,68); и, наконец, обратной зависимости удаленности от селитебных территорий с общей жесткостью (r = -0,59).

Использование методов кластерного анализа (по 16-ти признакам) позволили выделить три группы родников, отличающихся генетическими особенностями территорий (селитебные, сельскохозяйственные, рекреационные).

Построение серии карт геоэкологических условий формирования родниковых вод позволило выделить области максимального техногенного воздействия на участки расположения родников с последующей разработкой рекомендаций по мониторингу и охране родниковых вод.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, включая 37 таблиц, 21 рисунок и 5 приложений. Библиография содержит 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, охарактеризованы научная новизна, а также научная и практическая ценность работы.

Глава 1. Анализ условий формирования родниковых Сергиево-Посадского района

Объектом исследования данной работы являются родники Сергиево-Посадского района, расположенного на северо-востоке Московской области. Описываемая территория занимает площадь 2026,6 квадратных километров.

В геоморфологическом отношении территория Сергиево-Посадского района находится в пределах Смоленско-Московской моренно-эрозионной возвышенности.

Наличие на территории района двух резко различных типов рельефа: холмистый моренный рельеф московского оледенения, представленный Клинско-Дмитровской грядой и выровненный рельеф зандровых равнин Верхневолжской и Мещерской низменностей, также связанный с московским оледенением, способствует формированию большого числа родников.

Места выхода исследуемых родников, в основном, приурочены к населенным пунктам (рис. 1). Вода большинства из них активно используется местным населением в питьевых целях. Такие родники как Святой источник Саввы Сторожевского (№ 2), источник Николая Чудотворца (№ 3), источник Сергия Радонежского (водопад «Гремячий ключ») (№ 25), родник возле храма в селе Радонеж (№ 10) и др. имеют культурное, историческое и геоэкологическое значение.

Описываемые родники в основном приурочены к долинам рек (р. Веля, р. Пажа, р. Воря), а также к оврагам. Все исследуемые родники являются нисходящими с инфильтрационным типом питания.

Подземные воды района относятся к южному склону Московского артезианского района, представляющего систему водоносных и относительно водоупорных горизонтов и комплексов, взаимосвязанных между собой и с поверхностными водами. Питание родников происходит за счет повсеместно распространенных грунтовых вод, приуроченных к четвертичным и частично мезозойским (верхнемеловым) отложениям. Их формирование происходит в верхней части зоны активного водообмена, включающей в себя 4-5 водоносных горизонтов, приуроченных к аллювиальным, флювиогляциальным песчаным слоям в четвертичных отложениях, а также к морским пескам мелового возраста.

Рис. 1. Схема расположения родников и объектов загрязнения родниковых вод

Водоносные слои разделены слабопроницаемыми (водоупорными) слоями. Два из них представлены горизонтами московской и днепровской морен, один - верхнеальбскими глинами. Суглинки московской морены имеют региональное распространение на территории района за исключением участка, где он размыт крупными палеоводотоками (юг района, участки расположения городов Сергиев Посад и Хотьково). Мощность верхней толщи обводненных пород изменяется от 10 до нескольких десятков метров. Коэффициенты фильтрации водовмещающих толщ горизонтов, питающих родники, изменяются от 2,5 до 12 м/сут. Породы представлены в основном песками разной зернистости.

В экономическом отношении Сергиево-Посадский район является разносторонне развитой территорией: здесь сконцентрированы промышленные предприятия различных отраслей, сельскохозяйственные комплексы, военно-промышленные предприятия, развита сеть автомобильных и железных дорог. На территории района расположены 4 города (Сергиев Посад, Хотьково, Краснозаводск, Пересвет), 5 поселков городского типа, 290 сельских населенных пунктов. Общая численность населения составляет около 240 тыс. человек, 79% которого проживает в городах и поселках городского типа.

Пополнение запасов подземных вод, питающих родники на рассматриваемой территории, происходит в результате инфильтрации атмосферных осадков через толщу почв и зоны аэрации (верхняя часть земной коры между ее поверхностью и зеркалом грунтовых вод). В связи с этим, антропогенное воздействие как на воздушную среду, так и на породы, слагающие зону аэрации негативно сказывается на качественных и количественных характеристиках родниковых вод.

Основными видами загрязнения воздушной среды на территории Сергиево-Посадского района являются выхлопные газы автотранспорта, а также выбросы промышленных предприятий. Основная часть загрязняющих веществ приходится на оксиды азота, диоксид серы, углеводороды и летучие органические соединения, попадающие впоследствии в снеговой покров. Согласно исследованиям Экологического отдела администрации Сергиево-Посадского района основными веществами-загрязнителями снегового покрова в пределах городских территорий являются: растворимые соединения Ca и Mg, хлориды, нитриты, Pb, Cr. Максимальный уровень загрязнения характерен для центральной части г. Сергиев Посад, для участков размещения родников №№ 2-4. Остальные области разгрузки имеют средний (пригород Сергиева Посада, города Хотьково, Краснозаводск, село Богородское) и низкий (остальная часть территории) уровень загрязненности снегового покрова (рис. 2).

На территории Подмосковья устойчивый снеговой покров сохраняется достаточно долго -- в течение 4,5-5 месяцев, и в период снеготаяния накопившиеся в снежном покрове загрязнители просачиваются в верхние горизонты подземных вод, питающие родники. Так, отмечается периодическое превышение значений предельно допустимых концентраций (ПДК) по содержанию Cd, Pb в период половодья в водах родников №№ 2-4, 13.

Загрязненные грунты являются одним из долговременных индикаторов экологического неблагополучия урбанизированных территорий. Загрязнение почв тяжелыми металлами происходит в основном за счет пылевых выпадений. При этом форма зон загрязнения часто определяется метеорологическими и орографическими условиями.

Рис. 2. Загрязнение снегового покрова на территории исследований

По суммарному показателю загрязнения (СПЗ) почв исследуемые территории подразделяются на очень сильно загрязненные - места расположения родников №№ 2-5, сильно загрязненные - родники №№ 6, 8, средне загрязненные - 1, 19, 22. Все остальные источники относятся к районам со слабой загрязненностью почв.

Кроме того, в ходе исследования был зафиксирован рост общей жесткости грунтовых вод, питающих родники в пределах городских территорий, в результате утечек из водопроводной сети. Так, жесткость общая воды родников №№ 2-4, расположенных на территории г. Сергиев Посад периодически колеблется в интервале от 10 до 11 мг-экв./л, что превышает значение ПДК для данного показателя (7 мг-экв./л согласно СанПиН 2.1.4.559-96) и ухудшает питьевые качества воды. Кроме того, повышенное содержание (более 10 мг-экв./л) в воде растворенных солей кальция и магния негативно влияет на органы пищеварения.

Характерной чертой Московской области и, в частности, Сергиево-Посадского района, является повсеместное распространение частной жилой застройки с приусадебными хозяйствами, коттеджных поселков и т.д. Следует отметить неконтролируемое внесение удобрений, отсыпку загрязненных грунтов, наличие несанкционированных свалок твердых бытовых отходов (ТБО) в пределах данных участков, что приводит к загрязнению подземных вод, питающих родники, тяжелыми металлами, а также к повышению содержания в их водах азота в форме нитрат-иона.

Основными источниками поступления азотистых и органических соединений являются бытовые стоки с территорий частной застройки. По степени загрязнения нитратами были выделены следующие группы родников, приуроченных к различным типам территорий: NO32- 70 -100 мг/л - родники №№ 2, 3, 7, 15, 19, 27; 45-70 мг/л - родники №№ 4, 5, 12, 13, 14, 16-18, 22, 24, 28; в остальных источниках содержание нитрат-иона стабильно остается в пределах значений ПДК, то есть ниже 45 мг/л.

В результате анализа условий мест расположения родников, были определены основные причины ухудшения состояния подземных вод родников Сергиево-Посадского района по химическим показателям. Сводные данные по видам и степени загрязнения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Виды загрязнения родниковых вод на территории Сергиево-Посадского района

Вид техногенного загрязнения	Загрязняющие вещества	№№ Родников	Значение ПДК	Содержание в родниковой воде
Загрязнение атмосферы и снегового покрова выбросами автотранспорта	Cd Pb	2-4, 13 2-4, 13	<0,001 мг/л <0,001 мг/л	1,2 ПДК 1,5 ПДК
Загрязнение почв нефтепродуктами	Бензин, мазут, и др.	2, 3, 13, 15, 19, 27	<0,005 мг/л	1,1 - 1,4 ПДК
Загрязнение поверхности водосбора (свалки ТБО)	Pb Cu Zn Cd	15, 19, 27	<0,001 мг/л <0,001 мг/л <0,01 мг/л <0,001 мг/л	1,2 - 1,9 ПДК
Загрязнение бытовыми стоками	NO32-	2-5, 7, 12-19, 22, 24, 27, 28	45 мг/л	1,5 - 2 ПДК
Утечки из водонесущих коммуникаций	Растворимые соли Ca и Mg	2-4	7-10 мг-экв./л	1,2 ПДК

Таким образом, было установлено, что на родниковые воды в пределах исследуемой территории действует комплекс техногенных факторов различного генезиса, определяющий загрязнение ряда родников тяжелыми металлами, нитратами, нефтепродуктами, а также обуславливает повышенное содержание в воде растворимых солей кальция и магния. Максимальный уровень загрязнения характерен для участков расположения родников в наиболее урбанизированных районах, а именно в пределах городов Сергиев Посад, Хотьково, Краснозаводск и прилегающих к ним территорий.

Глава 2. Анализ микробиологического и химического загрязнения родниковых вод на территории Сергиево-Посадского района

Возможность использования воды родников в эпидемиологическом отношении связана с отсутствием любых биологических загрязнителей. По сравнению с поверхностными водами подземные горизонты, питающие родники оказываются более защищенными как от химического, так и микробного загрязнения.

Одним из микробиологических критериев качества воды нецентрализованного водоснабжения (в том числе воды родников) является наличие/отсутствие в воде общих колиформных бактерий - ОКБ (грамотрицательные, оксидазоотрицательные, не образующие спор палочки, способные расти на дифференциальных лактозных средах, ферментирующие лактозу до кислоты, альдегида и газа).

По результатам лабораторных исследований, проводившихся в период с 2001 по 2007 гг., вода семнадцати родников периодически не соответствует гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям. Сводные результаты исследования 28 родников представлены в таблице 2.

Таблица 2

Сводная таблица превышений значений ПДК по микробиологическим показателям качества воды родников

Годы	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007
Общее число проб	56	56	84	100	84	110	105
% несоответствия по микробиологическим показателям	19,6	12,5	16	11	8,3	13,6	16,2

Наибольшее число неудовлетворительных проб отмечается в родниках, расположенных в пределах городских территорий: г. Сергиев Посад (родники №№ 2-6, 8), г. Хотьково (родник № 13), г. Краснозаводск (родник № 22).

Самое высокое содержание колиформных бактерий было отмечено в воде родника № 22 (проба от 28.06.05 - 100 бактерий, что в 100 раз превышает ПДК для данного показателя).

На протяжении всего периода наблюдения (2001 - 2007 гг.) установлено сезонное ухудшение качества воды по микробиологическим показателям, регистрируемое ежегодно с июня по октябрь, что связано с постоянно действующим природным фактором и циклом жизнедеятельности микроорганизмов.

В воде ряда родников (№№ 2, 8, 13) отмечается превышение значений ПДК для колиформных бактерий и в зимний период, что можно объяснить снижением самоочищающей способности родников. Следствием этого является более длительная выживаемость патогенных микроорганизмов в холодной воде.

Основным источником микробного загрязнения родниковых вод являются сточные воды. На территории района исследований, загрязнение родниковых вод происходит за счет сточных вод следующих видов:

хозяйственно-бытовые сточные воды (родники №№ 2, 3, 5-8, 12, 17, 26-28);

городские смешанные (промышленно-бытовые) сточные воды (родники №№ 4, 22);

сточные воды инфекционных больниц (родник № 13);

сточные воды от животноводческих и птицеводческих объектов (родники №№ 15, 16);

поверхностно-ливневые стоки (характерно для участков расположения большинства родников).

Присутствие в родниковой воде возбудителей кишечных инфекций приводит к риску возникновения заболеваний (острые кишечные инфекции, гепатит А) среди населения при использовании воды без предварительного кипячения. При этом следует отметить повышение риска в летний период.

Таким образом, при анализе микробиологических показателей воды родников Сергиево-Посадского района были установлены единые закономерности изменения качества родниковой воды:

наличие сезонных максимумов микробного загрязнения родниковых вод, соответствующих весенним половодьям и осенним паводкам, что объясняется жизненным циклом микроорганизмов;

превышение значений ПДК по количеству общих колиформных бактерий в зимний период в воде родников №№ 2, 8, 13.

отсутствие на территории района исследований постоянно действующих источников биологического загрязнения.

Анализ химического состава родниковой воды позволил выявить превышение ПДК следующих показателей: железо, свинец, медь, цинк, кадмий, нефтепродукты, жесткость общая, азот в форме нитрат-иона.

Регулярный характер поступления загрязняющих элементов (тяжелые металлы (Cu, Cd, Pb, Zn), Fe, нитраты, нефтепродукты и др.) в родниковые воды зафиксирован на участках расположения 13 источников.

Изучение изменения концентраций микро- и макрокомпонентов родниковых вод во времени позволили выявить:

наличие практически по всем компонентам максимумов их содержания с апреля по май, который совпадает со временем весеннего таяния снега;

повышение концентраций ряда элементов (Cu, Fe, NO32-) в осенний паводок (сентябрь-октябрь);

периодическое превышение концентраций нитратов в 1,5-2 раза в водах родников №№ 2, 3, 7, 15, 19, 27 по сравнению со значениями ПДК.

максимальные значения жесткости общей характерны для весеннего половодья для всех родников.

Кроме того, в ходе изучения свойств родниковых вод нами были выполнены исследования суммарной альфа- и бета-активности. Установлено превышение суммарной альфа-активности в пробах воды из родника № 19 в 10 раз. Были проведены дополнительные исследования радионуклидного состава воды данного родника. В результате была установлена повышенная радиотоксичность по цезию. Подобное загрязнение объясняется наличием на территории водосбора крупного полигона ТБО. Радиотоксичность воды других родников установлена не была.

В ходе исследования нами был проведен корреляционный анализ данных по родникам. Установлена значимая парная линейная зависимость между рядом гидро- и геохимических условий с отдельными компонентами родниковых вод. Полученные основные результаты представлены в таблице 3:

Таблица 3

Значения парных коэффициентов корреляции между признаками и уровни их значимости

Признаки	Коэффициенты корреляции	Уровни значимости
Сульфаты, пылевое загрязнение	0,49	1 - 3,98Е - 09
Нитраты, пылевое загрязнение	0,45	1 - 6,24Е - 12
Кадмий, пылевое загрязнение	0,41	1 - 9,42Е - 11
Свинец, загрязнение почв	0,68	1 - 6,20Е - 23
Жесткость общая, удаленность от селитебных территорий	-0,59	1 - 4,07Е - 11

Таким образом, при оценке химического состава родниковых вод было установлено наличие динамики изменения характеристик, как по сезонам, так и в целом по годам.

Глава 3. Анализ режима родниковых вод на территории Сергиево-Посадского района

Изучение режима источников (оценка изменений во времени их дебита, состава и температуры) позволяет установить природу источников, условия их питания, а также возможность использования родниковых вод в хозяйственно-питьевых целях.

В ходе исследования были установлены и проанализированы гидродинамические характеристики родникового стока на территории Сергиево-Посадского района.

По изменению дебита (по классификации А.М. Овчинникова) родники относятся к классам постоянных и весьма постоянных (отношение минимального дебита к максимальному 1:2 и 1:1 соответственно).

Для всех родников характерны сезонные колебания дебитов в течение года. Наименьшие значения дебита наблюдаются в осенне-зимний период - с ноября по март. С апреля регистрируется увеличение объема родниковой воды, что связано с активной инфильтрацией во время снеготаяния.

Минимальное значение дебита (0,4 л/с) зарегистрировано для родника № 14, максимальное (8 л/с) - для родника № 25.

По температурному режиму воды исследованных родников относятся к холодным. Температура их в течение года колеблется незначительно: от +6,5 до +9 °С, в среднем составляя +7,7 °С.

На основе полученных в ходе исследования данных нами проведена комплексная классификация родников исследуемой территории.

Все рассматриваемые родники по типу питания относятся к источникам поровых грунтовых вод. Большинство исследуемых родников относятся к типу «эрозионных». Это объясняется активными процессами эрозии, происходящими на территории исследований, в основном в южной части района. Вся территория района изрезана балками, оврагами, долинами рек.

По дебиту и характеру режима большинство родников рассматриваемой территории относятся к классам малодебитных постоянных с отношением минимального дебита к максимальному 1:2 (таблица 4).

Таблица 4

Классификация родников по дебиту

№ родника	Дебит родника, среднее значение за год, л/с	Класс родника по дебиту*	Изменение дебита и классификация родников по данному показателю**
1	0,27	Малодебитные	2	Постоянные
2	0,24	Малодебитные	2	Постоянные
3	0,45	Малодебитные	2	Постоянные
4	0,13	Малодебитные	2	Постоянные
5	0,18	Малодебитные	1	Весьма постоянные
6	0,21	Малодебитные	1	Весьма постоянные
7	0,34	Малодебитные	2	Постоянные
8	0,28	Малодебитные	2	Постоянные
9	0,6	Малодебитные	1	Весьма постоянные
10	0,5	Малодебитные	1	Весьма постоянные
11	0,68	Малодебитные	2	Постоянные
12	0,55	Малодебитные	2	Постоянные
13	-	-	-	-
14	0,04	Малодебитные	2	Постоянные
15	0,14	Малодебитные	2	Постоянные
16	0,12	Малодебитные	2	Постоянные
17	0,67	Малодебитные	1	Весьма постоянные
18	0,2	Малодебитные	1	Весьма постоянные
19	0,15	Малодебитные	2	Постоянные
20	-	-	-	-
21	-	-	-	-
22	0,8	Малодебитные	2	Постоянные
23	0,85	Малодебитные	1	Весьма постоянные
24	0,68	Малодебитные	2	Постоянные
25	8	Среднедебитные	1	Весьма постоянные
26	0,3	Малодебитные	2	Постоянные
27	0,35	Малодебитные	1	Весьма постоянные
28	0,34	Малодебитные	2	Постоянные

* По классификации Н.А. Маринова и Н.И. Толстихина

** По классификации А.М, Овчинникова

По ландшафтным условиям участки расположения родников были отнесены к следующим типам:

Селитебные территории (№№ 2-6, 8, 13, 15, 16, 17, 19, 20, 22)

Сельскохозяйственные районы (№№ 9-12, 14, 18, 21, 23, 24, 26-28)

Рекреационные районы (№№ 1, 7, 25)

По санитарно-техническому состоянию каптажа родника и подхода к нему были выделены следующие группы:

Хорошо оборудованные родники с удобным подходом к месту забора воды (№ 2, 3, 5, 15,16, 21,23, 25)

Родники, с удовлетворительным состоянием каптажа (№№ 6-8, 9, 10-14, 17, 18, 22, 26, 27)

Родники с неудовлетворительным состоянием каптажа (№№ 1, 4, 8, 19, 20, 28)

По уязвимости к загрязнению были выделены следующие группы родников:

высокая опасность загрязнения (родники №№ 2-4, 8, 9, 10, 13, 15, 28)

средняя опасность загрязнения (№№ 19, 20, 22)

защищенные от загрязнений (№№ 1, 5-7, 11, 14, 16-18, 21, 23-27)

По загрязнению родниковых вод химическими элементами:

Сильно загрязненные (№№ 2-4, 12, 13, 19)

Загрязненные (№№ 5-7, 14-18, 20, 22, 24, 26, 28)

Условно чистые (№№ 1, 8-11, 21, 23, 25, 27)

В частности, по показателю «жесткость общая» источники можно разделить на 3 группы:

Источники с высоким содержанием солей Ca и Mg, превышающим значения ПДК (10-11 мг-экв./л). К данной группе относятся родники №№ 2-4, 19, 28.

Вода большинства родников характеризуется средним значением жесткости общей (6-8 мг-экв./л): №№ 1, 5, 6, 8-10, 12-16, 18, 20-23, 25, 27.

Родники, в воде которых содержание солей Ca и Mg меньше нормы (3-5 мг-экв./л): №№ 7, 11, 17, 24, 26

По безопасности в бактериологическом отношении были выделены две группы родников (по ОКБ):

Безопасные (№№ 1, 9-11, 20, 21, 23, 25)

Опасные (№№ 2-8, 12-19, 22, 24, 26-28)

Таким образом, родники были сгруппированы по физико-химическим, микробиологическим и геоэкологическим признакам. Подобная классификация, учитывающая не только характеристики родников, но и геоэкологические условия формирования питающих их вод, позволяет корректировать задачи по изучению и охране родников в рамках природоохранных мероприятий, проводимых на территории Сергиево-Посадского района, а именно:

организация зон санитарной охраны на участках расположения родников, не имеющих природной защиты;

проведение мероприятий по улучшению экологического состояния территорий водосбора родников и обустройство каптажей в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1175-02;

Кроме того, методами кластерного анализа нами выделены однородные группы (кластеры) и найдены эталонные точки в каждом из них.

Для формирования групп использована программа Statistica 5.0, в которой реализованы иерархические аггломеративные методы формирования кластеров. Для формирования кластеров выбран метод одиночных связей.

В результате анализа было получено три значимо разнородных кластера. Эталонными точками кластеров №№ 1, 2, 3 являются родники №№ 3, 22, 20 соответственно.

Результаты представлены на дендрограмме (рис.3). Основное отличие между этими кластерами вызвано расхождениями по шестнадцати показателям: физические показатели (среднегодовая температура, дебит); химические показатели (рН, жесткость общая, нитраты, хлориды, сульфаты, железо общее, тяжелые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd), нефтепродукты); микробиологические показатели (КОЕ); тип ландшафта (селитебный, сельскохозяйственный, рекреационный), состояние каптажа (удовлетворительное/неудовлетворительное).

Чем ближе происходит объединение объектов (родников), тем более схожи их свойства по выбранному набору характеристик. Самый крупный кластер С_1 состоит из 17 объектов. Родники данной группы характеризуются периодическим превышением значений ПДК как по химическим, так и по микробиологическим показателям. Родники, составляющие данный кластер, довольно сильно отличаются по своим характеристикам от родников двух других групп (межкластерное расстояние 125,9). В то же время кластеры С_2 и С_3 находятся гораздо ближе друг к другу (межкластерное расстояние 76,1).

Рис. 3. Группы родников по результатам кластерного анализа

Таким образом, в результате проведенного анализа было установлено не только наличие значимых связей гидро- и геохимических условий с отдельными компонентами родниковых вод, но и были выделены группы родников по различиям, как в химическом составе вод, так и в особенностях антропогенного воздействия на участки их расположения.

Глава 4. Особенности геоэкологических условий формирования родникового стока

При оценке геоэкологических условий формирования родниковых вод нами определены границы и тщательно изучены поверхности водосборных бассейнов родников (рис.4).

В первую очередь оценивалось наличие на поверхности водосбора опасных объектов - источников загрязнения родниковых вод. В частности, промпредприятий, сельскохозяйственных объектов (гаражи сельхозтехники, животноводческие фермы), дачных поселков с выгребными ямами, свалок ТБО, крупных автодорог и др.

Так, на водосборных поверхностях пяти родников (№№ 2, 3, 4, 13, 19) выявлено наличие опасных объектов, поставляющих загрязняющие вещества в питающие их воды. В частности, родники №№ 2, 3, 4 расположены в пределах города Сергиев Посад - урбанизированной территории, характеризующейся напряженной экологической ситуацией практически по всем показателям. Среди основных источников загрязнения указанных выше родников нами были выделены сточные воды промпредприятия «Звезда» (родник № 4), поступление тяжелых металлов вблизи автодорог (родники №№ 2, 4), утечки из водонесущих коммуникаций (родники №№ 2-4).

Участок расположения родника № 13 (г. Хотьково) характеризуется наличием выше по склону инфекционной больницы. Загрязнение родника происходит в результате утечек сточных вод из канализационной сети. Кроме того, расположенная на расстоянии 150 метров от места выхода родника крупная автомобильная развязка определяет повышенное содержание в родниковой воде ряда тяжелых металлов, в частности, Pb (1,8 ПДК), Cu (1,3 ПДК), Zn (1,2 ПДК), а также нефтепродуктов (1,5 ПДК).

Наибольшее техногенное воздействие испытывает участок расположения родника № 19 (д. Парфеново). На поверхности его водосбора находится отработанный песчаный карьер, в котловане которого организован крупнейший в районе полигон ТБО. В ходе разработки карьера был удален слой суглинков московской (glQIImsk) и днепровской (glQIIdnp) морен, защищавших от загрязнений нижележащие водоносные горизонты (московско-днепровский межморенный (fgQIIdnp-msk), сантонский (K2st)). В результате, стоки с полигона ТБО попадают в подземные воды, питающие родник, привнося целый спектр загрязняющих элементов, в частности, тяжелых металлов (Pb, Cu, Zn), сульфатов, нитратов.

Большинство родников (№№ 5-9, 11, 12, 14-18, 20, 22, 26, 18) характеризуются умеренным техногенным воздействием на поверхность водосбора. А именно, опасные объекты расположены на периферии и могут являться потенциальными источниками загрязнения при просачивании загрязняющих элементов из смежных водоносных горизонтов через гидрогеологические окна. Основную опасность для перечисленных выше родников представляют бытовые стоки с дачных и коттеджных участков, а также с животноводческих ферм (поступление азота в форме нитрат-иона и бактериологическое загрязнение); поступление тяжелых металлов и нефтепродуктов в родниковые воды в непосредственной близости от крупных автодорог и др. Наибольшее негативное воздействие в данной группе родников испытывает родник № 22, расположенный в пределах города Краснозаводск. В частности в воде данного источника отмечалось превышение значений ПДК по содержанию Cd (проба от 09.04.02), Cu (проба от 15.04.03). Кроме того, периодически регистрируется превышение значений ПДК по содержанию колиформных бактерий.

Несмотря на то, что большинство родников исследуемой территории испытывают интенсивное техногенное воздействие на поверхность водосбора, определены пять родников (№№ 1, 21, 23-25, 27), расположенные в условно благоприятных зонах. Поверхности водосбора данных источников характеризуются наличием лесных насаждений, что благоприятствует поддержанию постоянного незагрязненного состава родниковых вод.

Таким образом, в результате проведенного анализа геоэкологических условий участков формирования родниковых вод было установлено наличие потенциально опасных объектов на поверхности водосбора родников (№№ 2, 3, 4, 13, 19), что позволяет прогнозировать периодическое несоответствие воды данных источников требованиям качества воды хозяйственно-питьевого назначения.

Геологическое строение участков формирования родниковых вод принципиально при оценке их защищенности от поверхностного загрязнения. Согласно работам В.М. Гольдберга, А.П. Белоусовой под защищенностью грунтовых вод от загрязнения понимается перекрытие водоносного горизонта водоупорными слоями, препятствующими проникновению загрязняющих веществ (ЗВ) с поверхности земли в подземные воды. При этом вещество считается загрязняющим, если его концентрация превышает фоновую, в роли защитной зоны выступают почвы и зона аэрации.

Для определения степени защищенности родниковых вод от загрязнений использованы следующие сведения о защитной зоне и грунтовых водах: рельеф местности; литологическое строение защитной зоны; глубина залегания грунтовых вод.

В результате исследования нами проведено районирование территории по типам литологического строения участков расположения родников. На схеме выделены типовые районы, характеризующиеся определенным строением защитной зоны (рис.5). Описание данных районов приведено в таблице 5.

Таблица 5

Типы литологического строения защитной зоны участков расположения родников

№ района	Литологическое строение	Описание (сверху вниз)	Защитный потенциал
Район I		Суглинки Пески разнозернистые Суглинки Пески разнозернистые	Высокий
Район II		Суглинки Пески разнозернистые Известняк	Средний
Район III		Пески разнозернистые Суглинки Известняк, трепела	Слабый
Район IV		Пески разнозернистые Пески разнозернистые Известняк, трепела	Очень слабый

Рис. 4. Геоэкологические условия площадей водосбора родников

Рис. 5. Районирование территории по типам литологического строения участков расположения родников

По типу литологического строения и глубине залегания грунтовых вод были определены следующие категории защитного потенциала участков расположения родников:

высокий;

средний;

слабый;

очень слабый защитный потенциал (рис.5).

Слабые защитные свойства обусловлены ниличием в разрезе защитной зоны проницаемых пород при малой глубине залегания грунтовых вод. Подобное строение характерно для участков расположения родников №№ 2-4, 8, 9, 10, 13, 28 (район IV на рис.5), где глины и суглинки московской и днепровской морен были размыты крупными палеоводотоками. Верхняя часть разреза представлена разнозернистыми флювиогляциальными песками. Крупнейшие города района Сергиев Посад (родники №№ 2, 3, 4, 8) и Хотьково (родник № 13) расположены на этом участке, оказывая негативное воздействие на незащищенные подземные воды.

Для участков расположения родников в пределах района IV характерен следующий тип разреза (рис.6).

Рис. 6. Гидрогеологический разрез в районе расположения родника № 2

(Источник Саввы Сторожевского)

По мере увеличения глубины залегания грунтовых вод и появления в разрезе слабопроницаемых пород защитный потенциал этой зоны усиливается. В частности, на участке расположения родника № 15 присутствуют суглинки днепровской морены, защищающие нижележащие горизонты от загрязнений. Однако формирование вод, питающих родник происходит выше этого горизонта. Они приурочены к аллювиальным отложениям, не имеющим природной защиты. В результате в воде данного родника отмечается периодическое превышение значений ПДК по ряду показателей, в частности нитратов, поступающих в воды с расположенных выше по склону участков с частной жилой застройкой.

Суглинки московской морены имеют региональное распространение, в связи с чем участки расположения большинства родников характеризуются высоким потенциалом защитной зоны. Однако в районе расположения родника № 19 загрязняющие вещества с крупного полигона ТБО, расположенного в отработанном карьере, проникают в водоносный горизонт, питающий родник.

Таким образом, при изучении условий участка расположения родников необходимо оценивать не только наличие или отсутствие слабопроницаемых отложений в верхней части разреза, но также характер и величину техногенных нагрузок на территорию.

Приведенная выше характеристика родниковых вод исследуемой территории позволяет рекомендовать проведение следующих мероприятий по мониторингу и охране родниковых вод:

осуществление мероприятий по охране родниковых вод, включающих улучшение экологической обстановки в областях водосборных бассейнов;

организация зон санитарной охраны на участках расположения родников, не имеющих природной защиты;

проведение мониторинга состояния родниковых вод, включая радиационный мониторинг на участке расположения родника № 19;

проведение мероприятий по улучшению экологического состояния водосборных бассейнов родников (ликвидация в их пределах несанкционированных свалок, санация или ликвидация животноводческих ферм, коммунальное благоустройство населенных пунктов и т.д.);

контроль качества родниковых вод, используемых в питьевых целях местным населением и многочисленными паломниками, в том числе в зимний период.

В связи с необходимостью разработки и проведения долговременных мероприятий по мониторингу и охране родниковых вод от загрязнений в ходе исследования были проведены следующие работы:

1. Инвентаризация родников и источников их загрязнения.

2. Анализ влияния опасных в экологическом отношении объектов на качество родниковых вод с учетом защищенности или уязвимости территорий их формирования.

Решение поставленных задач по мониторингу и обеспечению сохранения питьевого качества родниковых вод может быть реализовано путем выполнения следующих мер:

расширение региональных систем мониторинга для оценки качества родниковых вод в зоне повышенного техногенного воздействия;

формирование соответствующих баз данных с использованием ГИС-технологий;

обоснование мероприятий по охране территорий формирования родниковых вод и снижения риска ухудшения их качества;

обоснование предельно допустимых техногенных нагрузок на подземные воды;

своевременное оповещение населения о наличии в родниковой воде загрязняющих элементов.

ВЫВОДЫ

1. Изучение геоэкологических условий формирования родникового стока на территории Сергиево-Посадского района позволило установить техногенные факторы, вызывающие загрязнение родниковых вод региона тяжелыми металлами (Cd, Pb, Cu, Zn), нитратами, сульфатами, Fe, нефтепродуктами, а именно: загрязнение атмосферы и снегового покрова выбросами автотранспорта (превышение значений ПДК по Cd, Pb, нефтепродуктам); подтопление территории в результате утечек из водонесущих коммуникаций (растворимые соединения Ca и Mg); загрязнение поверхностей водосбора несанкционированными свалками (Pb, Cu, Zn, Cd); загрязнение бытовыми стоками (территории с частной жилой застройкой); бактериальное загрязнение в месте забора воды.

2. Максимальный уровень загрязнения характерен для участков расположения родников в пределах городов Сергиев Посад, Хотьково, Краснозаводск и прилегающих к ним территорий (родники №№ 2-4, 13, 22 соответственно).

3. Изучение изменения концентраций компонентного состава родниковых вод по времени позволили выявить:

а) наличие практически по всем компонентам максимумов их содержания с апреля по май, что связано с интенсивной инфильтрацией талой воды, содержащей химические вещества, накопленные в зимний период;

б) повышение концентраций ряда элементов (Cu, Fe, NO32-) в осенний паводок (сентябрь-октябрь), что видно на примере родников 2-4, 15, 16, 27;

в) сезонное (в весенний и осенний периоды) превышение концентраций нитратов в 1,5-2 ПДК раза в водах родников №№ 2, 3, 7, 15, 19, 27, приуроченных к районам с частной жилой застройкой.

4. Анализ динамики микробиологических показателей воды родников Сергиево-Посадского района позволил установить:

наличие максимумов микробного загрязнения родниковых вод в периоды с апреля по июнь и с сентября по ноябрь, что связано с циклом жизнедеятельности микроорганизмов;

превышение значений ПДК по количеству общих колиформных бактерий в зимний период в воде родников №№ 2, 8, 13, что обусловлено недостаточной обустроенностью каптажей, а также снижением самоочищающей способности родниковых вод;

отсутствие на территории района исследований постоянно действующих источников биологического загрязнения.

5. В результате проведенного анализа было установлено наличие корреляционных связей гидро- и геохимических условий с компонентами родниковых вод, в частности:

1) пылевого загрязнения снегового покрова с SO42- (r = 0,49), NO32- (r = 0,45), Cd (r = 0,41);

2) загрязнения почв с Pb (r = 0,68); 3) обратной зависимости удаленности от селитебных территорий с общей жесткостью (r = -0,59).

6. По результатам кластеризации по 16-ти показателям было выделено 3 группы родников, различия между которыми обусловлены как в химическом составе вод, так и в геоэкологических условиях участков расположения. Родники первой группы характеризуются принадлежностью к селитебным территориям и периодическим превышением ПДК по ряду показателей. Вторая группа приурочена к районам с частной жилой застройкой, третья группа принадлежит к зонам рекреации.

7. Проведенное районирование территории по геоэкологическим условиям участков расположения родников позволило выявить районы интенсивного поступления загрязняющих элементов (тяжелые металлы, нитраты), что является основой планирования постановки мониторинга и мероприятий по защите водоносных горизонтов.

8. Комплексная оценка причин и механизмов поступления загрязнений в родниковые воды рассматриваемой территории, позволяет использовать методику проведения исследования в районах со сходными условиями.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Васильева Е.Ю. Динамика изменения качества воды родниковых подземных источников на территории Сергиево-Посадского района // Актуальные проблемы экологии и природопользования. Сборник научных статей, - М., изд-во РУДН, 2005, - с. 4-7

2. Васильева Е.Ю. Влияние геоэкологических факторов на особенности загрязнения родниковых вод Сергиево-Посадского района // Актуальные проблемы экологии и природопользования. Сборник научных статей, - М., изд-во РУДН, 2006,- с. 146-150

3. Васильева Е.Ю., Рассказов А.А. Оценка качества воды родников г. Сергиева Посада // Сборник тезисов 3-го Международного научно-практического Симпозиума «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси», - г. Сергиев Посад Московской обл., ГУП МО «Мытищинская типография» «Загорская типография», 2006, - с. 70-72

4. Васильева Е.Ю., Рассказов А.А. Оценка качества воды родников г. Сергиева Посада // III Международный научно-практический Симпозиум «Природные условия строительства и сохранения храмов Православной Руси». Сборник научных трудов, - г. Сергиев Посад Московской обл., ГУП МО «Мытищинская типография» «Загорская типография», 2006, - с. 173-176

5. Рассказов А.А., Васильева Е.Ю. Геоэкологические аспекты изучения и охраны родниковых вод Подмосковья (на примере территории Сергиево-Посадского района) // Вестник РУДН. Серия Экология и безопасность жизнедеятельности, - М, изд-во РУДН, 2006, - с. 140-145

6. Васильева Е.Ю. Изучение формирования родникового стока в рамках геоэкологического мониторинга (на примере территории Сергиево-Посадского района) // Актуальные проблемы экологии и природопользования. Сборник научных статей, - М., изд-во РУДН, 2007, - с. 87-90

7. Васильева Е.Ю. Основные факторы загрязнения родниковых вод урбанизированных территорий Московской области (на примере Сергиево-Посадского района) // Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий. Сборник научных трудов, 2008, - с 67-72.

8. Васильева Е.Ю., Рассказов А.А. Геоэкологические факторы изменения состава родниковых вод на территории Сергиево-Посадского района Московской области // Сергеевские Чтения. Выпуск 10. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (20-21 марта 2008 г.). - М: ГЕОС, 2008, - с. 298-302

9. Васильева Е.Ю. Анализ геоэкологических условий формирования родниковых вод на территории Сергиево-Посадского района Московской области // Актуальные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности. Материалы годичных научных чтений факультета охраны труда и окружающей среды РГСУ (Москва, 4-5 февраля 2008 г.). - М.: Изд-во Независимого исследовательского института развития рыночных реформ (НИИ РРР), 2008 - с. 113-125

10. Васильева Е.Ю. Районирование территории Сергиево-Посадского района по степени опасности загрязнения подземных родниковых вод // Актуальные проблемы экологии и природопользования. Сборник научных статей, - М., изд-во РУДН, 2008, - с. 86-90

Размещено на Allbest.ru

...