Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Особенности формирования химического состава подземных вод зоны активного водообмена Юго-Запада Татарстана

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

кандидата геолого-минералогических наук

Нуриев Ильдар Саяхович

Пермь 2010

Работа выполнена на кафедре общей геологии и гидрогеологии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Казанский государственный университет им. В.И.Ульянова-Ленина”

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Торсуев Николай Павлович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук Абдрахманов Рафил Фазылович

кандидат геолого-минералогических наук Минькевич Ирина Игоревна

Ведущая организация: ГУП «НПО Геоцентр РТ»

Защита диссертации состоится 25 марта 2010 г. в 13.30 на заседании диссертационного совета Д 212.189.01 при Пермском государственном университете по адресу: г. Пермь, ул. Букирева 15, корпус1, этаж 4, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан “____ “ февраля 2010 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по адресу: 614990, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15, ПГУ. Ученому секретарю.

Факс: (342) 237-16-11. E-mail: geophysic@psu.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.189.01,

доктор технических наук, профессор В.А. Гершанок

Общая характеристика работы

подземный вода геохимический удобрение

Актуальность работы. В связи с ограниченностью запасов пресных подземных вод и стремлением Республики Татарстан переключиться на водоснабжение от этих источников большое внимание уделяется проблеме сохранения пресных водных ресурсов. За прошедшие 70 лет, вне зависимости от наличия в пределах территории Татарстана потенциальных источников загрязнения, происходит изменение состава подземных вод. Существенные изменения химизма гидросферы в целом характерны, прежде всего, для юго-восточных и восточных регионов республики, где на протяжении последних более чем 60 лет разрабатываются месторождения нефти. В меньшей степени последнее относится к территории Республики Татарстан, где основным производством являются иные отрасли народного хозяйства, включая сельское. Здесь, естественно, не происходит столь значительного изменения химического состава вод и трансформации почв. Тем не менее, на западе и юго-западе Республики Татарстан к основным гидрогеохимическим явлениям относится сельскохозяйственное загрязнение вод агрохимикатами, точечное загрязнение отходами животноводства, наконец, бытовыми сточными водами.

В последнее десятилетие в ряде муниципальных районов Юго-Запада Республики Татарстан осуществляется среднемасштабный мониторинг качества подземных вод. Отправной точкой для установления уровня их современного состояния явились материалы исследований, проводившихся здесь до начала 1960-х гг. Подобная информация дает представление об условном природном (естественноисторическом) гидрогеохимическом фоне подземных вод рассматриваемого региона. На этой “отправной базе” строится концепция тех изменений, которые произошли в подземной гидросфере на протяжении второй половины ХХ - начале XXI века.

Цель исследования - изучение причин и тенденций изменения химического состава подземных вод в зоне активного водообмена Юго-Запада Татарстана.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1. Сбор и анализ информации, касающейся результатов химических анализов подземных вод зоны активного водообмена, выполненных до начала 1960-х гг., как критерия оценки практического отсутствия антропогенного загрязнения.

2. Создание геоинформационного банка данных, позволяющего на основе электронной гидрохимической базы, обработать результаты анализов подземных вод временного интервала 1930-60 гг.

3. Сбор информации в процессе своих многолетних полевых исследований, осуществлявшихся в наименее обследованных частях и объектах Предволжья Татарстана (родники, колодцы, скважины) с последующим химическим анализом отобранных проб.

4. Анализ изменчивости качественного состава подземных вод начиная с 1970-х годов по настоящее время, их сопоставление с условным природным (естественноисторическим) геохимическим фоном.

5. Анализ литолого-фациальных особенностей региона, как одного из факторов дифференциации химического состава подземных вод.

6. Анализ изменчивости химического состава атмосферных осадков (1958-2007 гг.) как одного из факторов регулирования гидрохимического режима поверхностных вод, плюс поиск связи их проникновения в состав подземных вод.

7. Выявление уровня влияния используемых в сельскохозяйственном производстве удобрений на качественно-количественный состав подземных вод, а также поиск и выявление участков проявления вод категории “воды высшего качества”.

Объектом исследования является подземная гидросфера зоны активного водообмена Юго-Запада или Предволжья Республики Татарстан.

Предмет исследования - процессы, протекающие в качественном-количественном составе вод гидросферы, попытка подойти к анализу их единства, взаимопроникновения, включая, подземные воды зоны активного водообмена.

Фактический материал. Для выявления особенностей формирования состава подземных вод опробовались водопроявления практически всех муниципальных районов региона исследования (120 проб), использовались материалы всех площадных гидрогеологических, гидрогеоэкологических съемок территории различных лет. Обработано более 3000 анализов подземных вод временного интервала 1980-2003 гг., 300 анализов- 1932-1980 гг. Кроме того обработана аналитическая информация, касающаяся химического состава снега, поверхностных водоемов, образцов почв, донных отложений, а также, данные наблюдений за химическим составом осадков, периода 1958-2007 гг. (более 500 проб).

Основные защищаемые положения:

1. Состав подземных вод региона, формирующийся под воздействием природных факторов (литолого-фациальных характеристик водовмещающих пород, рельефа, осадков, поверхностных вод, растительных сообществ) и антропогенеза.

2. Методика определения фонового состава подземных вод, основанная на принципе возрастания концентраций, показала незначительную изменчивость их химического состава в пространстве и времени.

3. Методика поисков и оконтуривания территорий, перспективных на экологически чистые питьевые воды, позволяющая разработать рекомендации, касающиеся водопользования, в т.ч. водоснабжения населенных пунктов.

Научная новизна. Впервые осуществлен анализ временной изменчивости состава подземных вод юго-западной части Татарстана, в основу которого заложен максимально возможный временной срез (1932-2003 гг.). Выявлены тенденции межгодовой динамики варьирования показателей качества атмосферных осадков, подземных вод зоны активного водообмена в условиях преимущественного воздействия населенных пунктов и площадей сельскохозяйственного производства. Получены неопровержимые доказательства изменения состава подземных вод в основном под влиянием природных факторов.

Практическое значение. Работа позволила создать, базирующийся на экосистемных принципах, подход к оценке воздействия на подземную гидросферу и сложившееся изменение качественного состава подземных вод.

Выделенные подземные водосборные бассейны, представляющие собой в различной степени гидродинамически изолированные элементы гидросферы и определяющие их гидрогеохимическую индивидуальность, позволяют более корректно оценить регион с учетом его локальных особенностей.

Выявленные на основе изучения литолого-фациальных особенностей концентрационные градиенты позволяют прогнозировать гидрогеохимические условия в разрезе зоны активного водообмена и, следовательно, рационально размещать эксплуатационные скважины.

В процессе исследований оконтурены участки (территории), характеризующиеся экологически чистыми питьевыми водами, которые могут быть использованы для более детальной разведки, поисков и получения подземных вод для целей водоснабжения населенных пунктов Предволжья Республики Татарстан, а также промышленного розлива.

Апробация работы. Основные защищаемые положения и отдельные результаты работы докладывались на: Республиканском конкурсе научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.И. Лобачевского (Казань, 2000), Межрегиональной научно-практической конференции “Актуальные географические проблемы регионов” (Чебоксары, 2000), V Международной конференции “Новые идеи в науках о Земле” (Москва, 2001), конференции “Проблемы гидрогеологии XXI века: наука и образование” (Москва, 2003), Всероссийской научной конференции “Современные глобальные и региональные изменения геосистем” (Казань, 2004), Международной конференции “Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов” (Казань, 2007), Международной конференции “Экологические аспекты применения органических и минеральных удобрений в компонентах биосферы лесостепной зоны Республики Татарстан” (Н.Новгород, 2008), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием “Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование” (Оренбург - Пермь, 2008), IX Международной конференции “Новые идеи в науках о Земле” (Москва, 2009), Всероссийской научная конференция “Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований” (Казань, 2009), а также на ежегодных итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (2000-2009 гг.).

Материалы диссертации используются в учебном процессе университета для студентов нефтяной, гидрогеологической, поисковой и геофизической специальностей в дисциплинах “Гидрогеология” и “Минеральные воды”.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 2 статьи в журналах перечня ВАК.

Структура и объем работы: диссертация объемом 162 страницы состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 17 рисунков, 30 таблиц, 15 текстовых приложений и список использованных источников, состоящий из 110 наименований.

Работа выполнена на кафедре общей геологии и гидрогеологии геологического факультета Казанского государственного университета. Автор благодарен научному руководителю профессору Н.П.Торсуеву за руководство, доценту М.Е.Королеву, ныне покойному, за постановку задач, ценные замечания и плодотворное сотрудничество. Благодарности автора адресуются также доценту Р.Х.Мусину за помощь в математической обработке, Ф.А. Муравьеву за замечания и дополнения, а также всему коллективу кафедры общей геологии и гидрогеологии за консультации и всестороннюю поддержку.

Содержание работы

Во введении подчеркнута актуальность проблемы, рассматриваемой в работе, сформулированы ее цель и задачи, обоснована научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы делается краткий обзор предшествующих гидрогеологических исследований анализируемого региона, зоны его активного водообмена. Наиболее значимый вклад в изучение гидрогеологических условий Юго-Запада Татарстана внесли геологи П.П.Шатилов, М.С.Кавеев, С.Г.Каштанов, Е.Ф.Станкевич, Н.А.Головкинский, А.Я.Щербаков, А.А. Штукенберг, В.Д.Орлов, А.В.Нечаев, П.И.Кротов, М.Э.Ноинский. Изучение подземных вод региона началось в основном после 1917 года: проводились гидрогеологические работы, направленные на решение вопросов водоснабжения и мелиорации. На основе полевых исследований П.П.Шатиловым, М.Э.Ноинским, Н.Н.Форшем, были построены первые гидрогеологические карты. Позже проводились инженерно-геологические съемки разных масштабов (С.И.Кравцов, В.И.Стурман). Кроме того, в регионе велись поиски лечебных минеральных вод (Б.В.Анисимов, К.Н.Доронкин). В 90 гг. XX ст. В.В.Кузнецовым и др.(1995) была составлена гидрогеологическая карта Татарстана масштаба 1: 500000.

В последующем десятилетии (1995-2004 гг.) в связи с ростом потребностей в пресных подземных водах проводятся более крупномасштабные съемки южных и центральных районов Юго-Запада Татарстана. В 2002 г. был закончен отчет (А.В.Солнцев и др.) о проведении эколого-гидрогеологической съемки масштаба 1:200000 на территории Предволжья Республики Татарстан, явившийся первой по данной тематике для рассматриваемого региона.

В целом гидрогеоэкологическая изученность недр региона, весьма пестра, поскольку исследования проводились различными организациями, преследующими самые разные цели и задачи. Синтезирующие, обобщающие работы, выполненные в крупном масштабе и охватывающие все Предволжье, к сожалению, по сей день отсутствуют. Роль антропогенного фактора в формировании и изменчивости химического состава подземных вод начали изучаться лишь в последние 5-7 лет, причем фрагментарно.

Вторая глава посвящена анализу природных условий и факторов эволюции подземных вод зоны активного водообмена. Рассмотрено влияние на формирование пресных подземных вод практически всех физико-географических составляющих и, прежде всего, геологического строения региона.

В тектоническом отношении Юго-Запад Татарстана является частью Волжско-Камской антеклизы и приурочено к зоне сочленения ряда крупных структурно-тектонических элементов: восточного склона Токмовского свода, южной части Казанско-Кировского авлакогена и западного борта Мелекесской впадины. При характеристике геологического разреза основное внимание уделяется пермским отложениям, как главным и наиболее перспективным вместилищам вод, в частности зоны активного водообмена. В меньшей степени оно уделено мезозойским и неоген-четвертичным отложениям.

Для территории характерен возвышенный рельеф (Приволжская возвышенность), глубоко расчлененный речными долинами, балками и оврагами. Главной чертой её устройства является наличие четко выраженной системы древних поверхностей выравнивания. В целом преобладающие отметки водоразделов имеют 160-220 м абс., а относительные превышения подчас достигают 200 и более метров (урез Куйбышевского водохранилища 53 м абс.).

Третья глава посвящена рассмотрению основных методов исследования защищаемых положений. Специфика работ заключалась в сборе, систематизации и анализе разбросанной по разнообразным структурным подразделениям, разнородной гидрогеохимической информации. При анализе последней использовался метод группировки проб по принципу возрастания концентраций, а также метод статистической обработки [10]. На этой основе выделены группы подземных вод по химическому составу, характеризующие временной интервал 1932-65 гг., рассматриваемый как условный природный (естественноисторический) геохимический фон. Далее, с выделенными в результате анализа группами вод этого временного интервала, проводилось сравнение и сопоставление современного состояния подземной составляющей гидросферы [11].

Обработка гидрогеохимической информации преследовала задачи:

- установление особенностей изменения состава подземных вод в пространстве-времени;

- осреднение гидрогеохимических параметров по бассейнам подземного стока;

- выявление водопунктов с водами, соответствующими водам высшего качества.

Варьирующие показатели состава вод зоны активного водообмена привели к необходимости генерализации информации для выявления закономерностей изменения химического состава подземных вод. Процедурой генерализации выбрано осреднение анализов по площадям отдельных подземных водосборных бассейнов [5]. Осредненные характеристики являются своеобразными реперами, позволяющими не только сравнивать отдельные подземные бассейны, но и

судить о дифференциации в них условий формирования подземных вод.

Рис. 1. Подземные водосборные бассейны Юго-Запада Татарстана

Выделение бассейнов выполнено по орографическому признаку, что обуславливает проведение границ по крупным водоразделам, которые, как известно, отражают водоразделы ПВ зоны активного водообмена [7]. В итоге в Предволжье выделено 24 таких бассейна подземных вод этой зоны (рис.1).

Кроме того, каждая гидропроба сопровождалась информацией, отражающей степень качественного влияния на состав воды антропогенного фактора (в первую очередь населенных пунктов), физико-географические или природные особенности водосборных площадей в виде соотношения сельскохозяйственных и лесных участков, а также гидрогеологические особенности в виде учета положения каждого водопроявления в области питания, транзита или разгрузки [13, 14].

Учет перечисленных параметров позволил достаточно корректно определить:

1. Характер и степень влияния используемых в сельскохозяйственном производстве удобрений на состав подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта;

2. Особенности влияния природного фактора на состав подземных вод;

3. Роль литолого-фациального фактора в формировании состава подземных вод.

Рис. 2. Типы водовмещающих сред

1 - плиоцен-четвертичных отложений;

2 - мезозойских отложений;

3 - уржумско-вятских отложений;

4 - казанских отложений;

Гидрогеохимические и, в определенной степени, гидрогеодинамические особенности зоны активного водообмена определяются, прежде всего, литолого-фациальными характеристиками водовмещающих пород, которые в Предволжском регионе довольно контрастны [8]. На основе этого выделены 4 типа водовмещающих сред (рис.2.).

В связи с преимущественным проявлением природных факторов в формировании состава подземных вод региона стало необходимым получение количественных оценок протекания и изменения различных гидрогеохимических процессов и параметров. Гидрогеологическая изученность территории позволила нам определить градиенты изменения отдельных параметров состава вод при их вертикальной нисходящей фильтрации по формуле:

где gradC - градиент концентраций (мг/дм³*м, ммоль/дм³*м и т.д.); С₂ и С₁ концентрации (значения) компонентов (параметров) в водах на глубинных уровнях, соответственно, h₂ и h₁ .

Данные градиенты рассчитывались на основе результатов опробования скважин, расположенных на основных орографических водоразделах, которые в регионе являются и водоразделами подземных вод верхней части разреза [15].

Для характеристики эколого-гидрогеологических условий региона построен ряд карт: геологическая, гидрогеологическая, гидрогеологические разрезы, источников загрязнения, схематические гидрохимические карты по основным гидрогеологическим подразделениям, подтипов снеговых вод и распределения концентраций нитрат иона и иона аммония, распределения значений водородного показателя снеговых вод, подтипов поверхностных вод, загрязнения поверхностных вод по отношению к ПДК, карты распределения концентраций SO₄^2-, Cl^-, NO₃^-, минерализации атмосферных осадков за период 1991-1995 и 2001-2005 гг., водопунктов соответствующих категории экологически чистые питьевые воды, наконец, защищенности с поверхности грунтовых вод, плюс геологические и гидрогеологические колонки.

В процессе исследований выявлялись водопункты с экологически чистыми питьевыми водами. Под последней понимается вода, имеющая состав и физические характеристики, благоприятные для организма человека и не требующая химводоподготовки [4]. В зависимости от содержания в подземных водах отдельных компонентов, органолептических и вкусовых качеств экологически чистые питьевые воды подразделяются на две группы:

а) экологически чистые питьевые воды обычного качества;

б) экологически чистые питьевые воды высшего качества.

Для вод значительных территорий Предволжья Татарстана были выявлены параметры, по которым они не подходят к группе экологически чистых питьевых вод обычного или к группе питьевых вод высшего качества. Составы вод каждого водопроявления сопоставлялись с величинами ПДК. Устанавливалась связь распределения по площади водоисточников с качеством воды не удовлетворяющим требованиям нормативных документов. Проводилось определение гидрогеологических подразделений, характеризующихся оптимальным составом вод. Наконец, выделены благоприятные в экологическом отношении территории, которые являются перспективными на выявление экологически чистых питьевых вод [6].

В процессе обработки и анализа имеющихся материалов встала необходимость выявления загрязнения химического состава осадков и окружающей среды в результате, как воздушного переноса, так и местных выбросов, а также выявление степени влияния на химический состав, как поверхностных, так и подземных вод зоны активного водообмена. В обработке участвовали материалы химического состава осадков, разбитые на три временных интервала 1958-1980, 1980-1998 и 1998-2007 гг. Полученная информация послужила основой при выявлении степени влияния метеорологического фактора на химизм подземных вод и последующего расчета концентрационных градиентов.

Четвертая глава рассматривает антропогенное загрязнение и современную гидрогеоэкологическую обстановку региона исследования.

Согласно классификации источников загрязнения, выделяют 6 его типов (промышленные, горные, транспортные, сельскохозяйственные, коммунальные, энергетические). По площади же воздействия на окружающую среду, в т.ч. на подземные воды они структурируются на классы (точечные, линейные, площадные), в пределах которых выделяются виды конкретных источников загрязнения. Влияние всех категорий источников загрязнения для региона неоднозначно. Одни из них (промышленные) расположены в основном за его пределами, и загрязняющие вещества поступают за счет атмосферного переноса. Другие (горные, транспортные, энергетические) имеют локальное значение. Третьи носят региональный характер (сельскохозяйственные, коммунальные).

Формирование химического состава подземных вод, как известно, начинается еще в атмосфере. Атмосферные осадки характеризуются следующим составом: сульфатные аммонийно-кальциевые, гидрокарбонатно-сульфатные аммонийно-кальциевые, магниево-кальциевые, сульфатно-гидрокарбонатные кальциевые, гидрокарбонатно-сульфатные кальциевые.

В период 1958-2007 гг. основными загрязняющими веществами осадков в пределах Европейской территории России, равно как и в Предволжье Татарстана, являлись сульфат-(SO₄^2-), гидрокарбонат-ионы (НСО₃^-) и ионы кальция (Са²⁺). Эти примеси имеют континентальное происхождение. Преобладающая роль сульфат - или гидрокарбонат - ионов определяется вкладом основных источников загрязнения атмосферы, содержащих пыль и газообразные примеси. Повышенное в ряде случаев содержание соединений азота (аммонийного и нитратного), хлоридов, высокая щелочность осадков объясняются главным образом местными факторами.

Обследованы поверхностные и снеговые воды, а также почвенные и донные осадки, оказывающие влияние непосредственно на подземную гидросферу. Воды поверхностных водотоков в основном HCO₃, Mg-Ca или Ca-Mg пресные, нейтральные со средними значениями pH и минерализации 7,6 и 0,45 г/дм³ [1].

Большей частью поверхностные воды характеризуются допустимым (по ПДК) уровнем загрязнения - 85,3% точек наблюдения, к умеренно опасным - 13,4%, опасным - 0,7% и чрезвычайно опасным 0,6%. Наиболее загрязненными по химическому составу являются воды бассейнов р. Цильна, Мал.Цильна, Карла, Бездна, Якла (система р. Свияги), водотоки близ г.Тетюши и пгт Камское Устье.

По результатам анализов снеговых вод установлено, что они ультрапресные, нейтральные - фоновые значения pH и минерализации составили 6,47 и 6,1 мг/дм³ и определен как нитратно-сульфатно-гидрокарбонатный аммонийно-кальцевый.

Одним из наиболее чутких индикаторов геохимической обстановки любого региона является почва. Исследованиями установлено, что нормируемые элементы в почвах региона присутствуют в основном в умеренно опасных концентрациях. А в итоге, по суммарному показателю загрязнения, экологическая ситуация почв Юго-Запада Татарстана характеризуется как относительно удовлетворительная[12].

Изучение донных отложений водотоков и водоемов показало, что аномальные содержания V, Li, Zn, Cr обнаружены в непосредственной близости к источнику загрязнения, а широкое территориальное распространение этих аномалий, говорит в целом об уровне загрязнения окружающей среды.

В пятой главе анализируются современные гидрогеологические условия региона, степень обеспеченности подземными водами, и главное защищаемые положения.

К зоне активного водообмена относятся водоносные горизонты четвертичных, неогеновых, меловых, юрских и пермских отложений. Особенностью гидрогеологических условий территории Предволжья Татарстана является то, что, если на юге водоупорами, разделяющими зоны активного водообмена и замедленного водообмена, являются оксфорд-кимериджский и келловейский, то на севере-это “лингуловые глины” и тастубский водоупор. В результате на юге зона активного водообмена охватывает гидрогеологические подразделения четвертичных, неогеновых, меловых и верхневолжских (верхняя юра) отложений,

а на севере-четвертичных, неогеновых, северодвинских, уржумских и казанских отложений. Состав вод здесь зависит от литологических особенностей и отражает общие геохимические условия верхних горизонтов осадочной толщи.

В связи с разнородностью комплекса пород, районы характеризуются различной степенью обеспеченности подземными водами. Территория региона может быть разделена на несколько гидрогеологических районов: вполне обеспеченные, обеспеченные и слабо обеспеченные ПВ.

Первое защищаемое положение Состав подземных вод региона, формирующийся под воздействием природных факторов (литолого-фациальных характеристик водовмещающих пород, рельефа, осадков, поверхностных вод, растительных сообществ) плюс антропогенеза.

В связи с тем, что состав геологического разреза оказывает прямое влияние на химизм подземных вод, автором рассматривались литолого-фациальные характеристики [8]. На основе именно этих особенностей водовмещающих толщ (рис.3) в пределах региона выделены:

1) поровые среды, представленные рыхлыми, участками, слабо сцементированными плиоцен-четвертичными терригенными отложениями аллювиального генезиса;

2) порово-трещинные среды, образованные карбонатно-терригенными мелководно-морскими образованиями юры и мела;

3) порово-трещинные среды на стратиграфическом уровне уржумского, северодвинского и вятского ярусов биармийского и татарского отделов перми, сложенные сульфатно-карбонатно-терригенными континентальными отложениями;

4) порово-каверно (карстово)-трещинные среды, образованные терригенно-карбонатно-сульфатными (сульфатно-карбонатными) морскими образованиями казанского яруса.

По результатам расчетов градиентов концентраций отдельных параметров состава вод в пределах выделенных водовмещающих толщ, можно сделать следующие выводы:

Формирование состава подземных вод начинается с взаимодействия атмосферных осадков с почвенным горизонтом. Предволжский регион входит в состав районов близких к оптимальному увлажнению. Величина атмосферных осадков по годам здесь варьирует в пределах 450-600 мм/год. Их минерализация по непрерывному ряду наблюдений 1990-1998 гг. колеблется от 5 до 1261 мг/дм³, при преобладающих значениях 10-60. Состав осадков, в основном, SO₄-HCO₃/Ca и HCO₃^-SO₄/Na-Ca [15].

При взаимодействии последних с почвами и породами зоны аэрации происходит быстрая трансформация их состава и рост минерализации. Так родники, дренирующие близповерхностную верховодку, характеризуются минимальной величиной сухого остатка 0,15 г/дм³. В связи с этим, целесообразно выделение вертикальных концентрационных градиентов для двух глубинных уровней - до 30-50 м и второго более этих параметров. Для первого параметр С₁ ранее приводимой формулы отражает характеристики атмосферных осадков, а h₁

равно 0. Для второго уровня в формуле участвуют параметры разноглубинных водоносных горизонтов. При расчете концентрационных градиентов первого глубинного интервала было принято, что по всей площади региона осадки характеризуются одним и тем же составом [8, 15].

Таблица 1. Значения концентрационных градиентов при вертикальной нисходящей фильтрации.

Параметр	Первый глубинный уровень (до 30-50 м)	Второй глубинный уровень (более 30-50 м)
	Разрезы J-K	Разрезы P2ur-P3vt	Разрезы J-K	Разрезы P2ur-P3vt (незагипсованные)	Разрезы P2ur-P3vt (в разл. степени загипс.)	Разрезы P2kz
Минерализ.	7,9-15,0	6,4-8,5	3,5	0,9-2,0	4,5-34,7	36,0-42,4
Общ. жест.	0,1-0,17	0,12-0,21	0-0,02	0-0,04	0-0,35	0,15-0,41
HCO3	7,2-15,6	8,4-11,6	(-2,0)-5,3	0-0,92	(-4,0)-0	(-4,0)-0
SO4	(-0,1)-0,1	(-0,2)-0,6	0,34-1,6	(-0,2)-0,43	2,9-22,5	25-31,2
Cl	(-0,04)-0,5	(-0,1)-0,11	0,2-1,1	0,25-1,0	0-2,5	0,1-2,5
Ca	1,5-2,7	1,1-3,9	(-0,5)-0,14	(-1,0)-0,5	0,3-7,7	2,2-3,6
Mg	0,22-0,83	0,17-0,9	(-0,2)-0,1	(-0,4)-1,0	(-0,4)-0,3	0,5-2,8
(Na+K)	1,2-2,7	0-0,4	0-2,0	0-0,4	0,5-3,5	3,3-10,2

Примечание. Единицы измерения общей жесткости - ммоль/дм³*м, остальных параметров - мг/дм³*м.

На основе информации таблицы 1 и построенных эпюр следует:

1) базовый (основной) уровень минерализации подземных вод формируется уже до глубин 30-50 м, при этом скорость роста минерализации максимальна для морских отложений мезозоя, что связано как с большей продолжительностью взаимодействия в системе “вода-порода” за счет крайне затрудненной фильтрации через преимущественно глинистый мезозойский матрикс, так и достаточно хорошей промытостью верхней части разреза уржумско-вятских образований (рис.3);

2) различия в концентрационных градиентах основных компонентов состава подземных вод в разрезах мезозоя и перми определяются, в первую очередь, их литологической спецификой (рис. 4);

3) отрицательные значения градиентов связаны, главным образом, с процессами высаливания (отложением, преимущественно, CaCO₃) и сорбции.



Рис. 3. Эпюра минерализации

Рис. 4. Эпюра общей жесткости

Выявленные концентрационные градиенты позволяют прогнозировать гидрогеохимические условия в разрезе зоны активного водообмена и, следовательно, рационально располагать эксплуатационные на воду скважины.

Помимо участия литолого-фациального фактора формирования химического состава подземных вод, большое влияние, подчеркнем, оказывают практически повсеместно используемые разнообразные ядохимикаты и удобрения [17, 18].

Доля пашни в структуре земельных угодий составляет - 60%, тогда как лесистость - 12,5%. Для поддержания плодородия почв здесь используются как минеральные (действующие активные вещества - азот, фосфор, калий), так и органические (навоз) удобрения [2].

По данным центра агрохимической службы Татарстана, в период с 1976 по 2004 гг. на посевные площади анализируемого региона внесено ~12 млн. т органических и ~0,24 млн. т действующего вещества минеральных удобрений, при этом наиболее активно они использовались в 1986-1995 гг. Средняя интенсивность внесения удобрений за отмеченные 29 лет варьирует, по муниципальным районам Предволжья Республики Татарстан, в пределах: для минеральных - 11,8-20 кг/га*год; органических - 0,6-1,0 т/га*год.

Взаимосвязь между вносимыми удобрениями и качеством грунтовых вод определялась по анализу количества и типа, внесенных на посевные площади удобрений, и особенностей состава грунтовых вод, массово опробованных в меженные периоды начала 2000-х годов. Расчеты проводились в пределах подземных водосборных бассейнов (рис. 1) [7]. Для каждого из них, на основе данных об использовании удобрений по муниципальным районам, были рассчитаны параметры, отражающие количество и интенсивность внесения минеральных и органических удобрений. Кроме того, водосборные бассейны характеризовались средними показателями состава грунтовых вод уржумских и северодвинско-вятских отложений, как характеризующихся максимальным площадным распространением в регионе. При выявлении гидрогеохимических особенностей подземных вод использовались лишь анализы родниковых вод, их водосборные площади представлены исключительно агрикультурными участками, не испытывающими какого-либо техногенного воздействия, если не считать возможного влияния сельскохозяйственных удобрений. В дальнейшем средние величины гидрогеохимических и агрохимических показателей водосборных бассейнов анализировались статистическими методами.

Рис. 5. Вариации по водосборным бассейнам Юго-Запада Татарстана минерализации подземных вод и интенсивности внесения удобрений

В целом, составы подземных вод приповерхностных частей уржумских и северодвинско-вятских отложений слабо отличаются друг от друга, и они довольно стабильны по всему региону, отмечается слабый рост тренда минерализации в южном направлении (рис. 5) [9]. Последний обусловлен, скорее всего, природными факторами. Уменьшение количества осадков по мере продвижения с севера на юг обеспечивает малое подпитывание подземных вод и соответственно повышение их минерализации в этом направлении. Рост последней может быть связан с частичным питанием рассматриваемых подземных вод водами, профильтровавшимися через мезозойские отложения, а также влиянием почвенного слоя, мощность которого также растет в южном направлении, при этом параллельно происходит увеличение доли черноземов. В поведении же параметров удобрений подобной согласованности не отмечается, что свидетельствует о том, что вариации интенсивности внесения удобрений никак не отражаются на минерализации подземных вод.

Аналогичный результат получен по данным корреляционного анализа. Из показателей химического состава подземных вод значимо коррелирует с параметрами, отражающими интенсивность внесения удобрений, лишь перманганатная окисляемость, при этом данный показатель нигде не превышает предельно-допустимых значений для вод питьевого качества [2].

Таким образом, умеренное и научно обоснованное (а рекомендации по внесению разнотипных удобрений в Республике Татарстан разрабатываются ФГУ ЦАС “Татарский”) использование удобрений в агропромышленном комплексе не приводит к изменению состава подземных вод, не оказывая заметного влияния на их качество[7].

Физико-географические особенности территории оказывают здесь определяющее влияние на состав подземных вод. При анализе химического состава подземных вод северодвинско-уржумских отложений, выявлено, что лесные массивы воздействуют на них, довольно интенсивно “минерализуя” эти воды. Дело в том, что практически повсеместное увеличение минерализации и общей жесткости в пробах, отобранных из водопроявлений, расположенных в пределах лесных участков по сравнению с водосборными площадями сельскохозяйственных угодий (рис.6, 7). Увеличение общей минерализации и повышенное содержание некоторых компонентов в составе подземных вод на водосборных площадях лесных массивов можно объяснить взаимодействием атмосферных осадков с растительным покровом и лиственным опадом.

Рис. 6. Изменение общей жесткости родниковых вод в зависимости от физико-географических особенностей

При контакте с поверхностью листьев дождевые осадки насыщаются по HCO₃^- и водорастворимым компонентам, которые покрывают поверхность листьев в виде налета. В дальнейшем повышение их минерализации может быть связано с фильтрацией через слой лиственного опада и почвенного горизонта. Повышенные концентрации угольной кислоты увеличивают агрессивность инфильтрационных вод по отношению к водовмещающей породе.

Рис. 7. Изменение минерализации родниковых вод в зависимости от физико-географических особенностей

В результате происходит более интенсивное выщелачивание, как карбонатов, так и сульфатов. Эти компоненты попадают в водоносные горизонты, что приводит к увеличению общей минерализации и общей жесткости. Все выше сказанное в меньшей степени проявляется на площадях сельскохозяйственных угодий [14].

Второе защищаемое положение. Методика определения фонового состава подземных вод, основанная на принципе возрастания концентраций, показала незначительную изменчивость их химического состава в пространстве-времени.

Проведенные нами исследования позволили выявить условный естественноисторический фон, значение которого рассматривается в качестве своеобразной точки отсчета при изучении состава подземных вод. На основе обработки анализов методом группировки проб по принципу возрастания концентраций выделены группы: 1) HCO₃^--Mg²⁺-Ca²⁺; 2) HCO₃^- (реже SO₄^2-) Ca²⁺- Mg²⁺; 3) SO₄^2--Mg²⁺-Ca²⁺, а также другие их разности. По величине минерализации среди них условно выделено 7 групп (табл.2). Каждая из них включает воды определенного химического состава [10].

Таблица 2. Минерализация подземных вод (мг/дм³) Юго-Запада Татарстана с выделением условных групп

№ условных групп и их минерализация	1 (0.1-0.3)	2 (0.3-0.5)	3 (0.5-0.7)	4 (0.7- 1.0)	5 (1.0- 3.0)	6 (3.0-5.0)	7 (> 5.0)
Объем выборки	35	135	26	17	24	9	9
Мax значение (мг/дм3)	299.8	497.6	660.1	976.1	2792.4	4660.2	35000
Min значение (мг/дм3)	155.3	300.4	502.3	716.2	1003.8	3074.1	6553.9

Воды первых двух групп являются типичными для зоны активного водообмена. По анионному составу они относятся к гидрокарбонатным (содержание иона HCO₃^- - 90%/экв). Содержание ионов SO₄^2- и Cl^- не превышает 20%/экв. Для них характерна минерализация 250-400 мг/дм³, редко более. Такая минерализация типична для вод рассматриваемой зоны зоны, вне полей распространения эвапоритов. По катионному составу воды большинства проб кальциево-магниевые и магниево-кальциевые хотя встречаются и другие соотношения катионов [11].

Воды третьей и четвертой групп имеют сульфатный, сульфатно-гидрокарбонатный, гидрокарбонатный, реже хлоридно-гидрокарбонатный состав. Они распространены на локальных участках рассматриваемой зоны. Их формирование происходит при ведущей роли местных областей питания и разгрузки. Сульфатные кальциевые воды являются следствием естественных процессов растворения сульфатов водовмещающих пород, что особенно характерно для вод сакмарского яруса приуральского отдела пермской системы, а также водоносных пород казанского, меньше уржумского и северодвинского ярусов. Здесь же в некоторых пробах проявляется ион Cl^-, содержание которого заметно увеличивается с глубиной. Хлоридно-гидрокарбонатные воды, по-видимому, появляются в зоне активного водообмена в результате бытового загрязнения на территориях селитьбы. По катионному составу эти воды магниево-кальциевые, магниево-натриево-кальциевые и т.д [11].

Воды пятой, шестой и седьмой групп характерны, либо для участков наиболее подверженных загрязнению, либо для проб, отобранных из более глубоких частей разреза. Они не характерны для региона, о чем говорит малый объем выборки.

Для анализа временной изменчивости состава подземных вод анализируемого региона использовались результаты химических анализов вод временного интервала 1970-2003 гг. из разновозрастных отложений. На этой основе построены гидрохимические карты. В пределах Юго-Запада Татарстана выделены гидрохимические районы и подрайоны. Для разновозрастных подразделений характерны: гидрокарбонатные воды с преобладающей минерализацией до 0,5 г/дм³ и жесткостью до 4-9 ммоль/дм³. Они обладают максимальным площадным распространением, занимая более 80% всей территории. Формирование состава подземных вод здесь обусловлено, главным образом, процессами углекислотного выщелачивания карбонатно-терригенных пород [5].

Анализ геолого-структурных и геоэкологических условий Предволжья Татарстана позволяют утверждать, что в пределах распространения гидрокарбонатных и сульфатных вод преобладает группа природных факторов формирования состава вод, а встречающиеся в их пределах отдельные водопункты с аномальным составом, являются следствием техногенного воздействия, отчетливо проявившегося на протяжении последних 15-20 лет [14]. В области гидрокарбонатных вод в виде небольших полей распространены сульфатные, гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-гидрокарбонатные разности с минерализацией 0,7 иногда более г/дм³ и жесткостью до 28 ммоль/дм³. Они обычно тяготеют к отдельным участкам крупных речных долин (Свияга, Бирля, Аря, Бия, Черемшан), сельскохозяйственным угодьям и обрамлению глубоких неогеновых палеоврезов. Формирование вод с повышенной долей сульфат иона связано, во-первых, с большой загипсованностью нижней части уржумского яруса, а во-вторых, с взаимодействием отложений северодвинского яруса с водоносным комплексом верхнеказанского подъяруса. В пределах этой зоны выделяются локальные участки и с водой хлоридно-гидрокарбонатного состава, обладающие минерализацией 0,5-0,8 г/дм³ и жесткостью 7-13 ммоль/дм³, и нитратно-гидрокарбонатного с преобладающей минерализацией до 0,7 г/дм³ и жесткостью 5-12 ммоль/дм³. Некондиционность подземных вод в питьевом отношении здесь определяется не только взаимодействием с глубинными водами, но и, прежде всего с бытовым и сельскохозяйственным загрязнением, отмечаемом на локальных участках. Оно выражается, прежде всего, в повышенным содержанием в водах азотных соединений - нитрат-иона, реже общего железа и органических веществ [7, 13].

В формировании вод основных групп главенствующую роль играют природные факторы. В дальнейшем первые условно будут именоваться природными водами, а вторые - природно-антропогенными. Природные воды в свою очередь подразделяются на две подгруппы: относительно чистые (слабо загрязненные), обладающие гидрокарбонатным и сульфатно-гидрокарбонатным составом, и загрязненные (т.е. некондиционные в питьевом отношении)- гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатные. В группе природно-антропогенных вод выделяются единичные пробы с водами аномального состава, отобранные из родников и скважин, подверженных влиянию источников загрязнения: относительно слабо загрязненные - хлоридно-гидрокарбонатные, сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатные, хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатные и загрязненные - гидрокарбонатно-хлоридные, сульфатно-хлоридные, хлоридно-сульфатные, нитратно-гидрокарбонатные, гидрокарбонатно-нитратные, нитратно-хлоридно-гидрокарбонатные [14].

Рассмотрение осредненного химического состава вод в пределах бассейнов подземных вод и анализ схематических гидрохимических карт показывает следующее:

1. Площади распространения природных относительно чистых и загрязненных, природно-антропогенных слабо загрязненных и загрязненных вод на территории региона составляют, соответственно- 86%, 8% и 6% (“слабо загрязненные” и “загрязненные” воды объединены в связи с малым количеством проб) [5].

2. Гидрогеохимическая неоднородность разреза Предволжья Татарстана определяется рядом природных и антропогенных факторов. Из них важнейшими в определении неудовлетворительного питьевого качества подземных вод являются загипсованность отложений и незначительное, правда, влияние фактора агропромышленного комплекса.

3. По катионному составу воды большей части бассейнов являются магниево-кальциевыми. Отношение Ca/Mg в любых разностях вод обычно находится в пределах 1-2. Подземные воды с преобладанием Mg-иона распространены фрагментарно.

Третье защищаемое положение. Методика поисков и оконтуривание территорий перспективных на экологически чистые питьевые воды, позволяющая разработать рекомендации касающиеся водопользования в т.ч. водоснабжения населенных пунктов.

Нами в регионе четко выявлены микрорегионы с экологически чистыми питьевыми водами, которые отвечают требованиям по качеству. Основной характеристикой последних являются особенности их состава. Задача выявления таких вод сводится к определению стратиграфических уровней распространения наиболее чистых вод и выделению благоприятных в экологическом отношении участков распространения этих гидрогеологических подразделений (рис.8). Высокая доля некачественных ПВ обусловлена более интенсивной загипсованностью верхнепермской водовмещающей толщи.

Рис. 8. Месторождения пресных подземных вод и проявления высококачественных питьевых вод в пределах Юго-Запада Татарстана

На этом фоне фиксируются и немногочисленные водопроявления с водами высшего качества. Жесткость требований к составу экологически чистых питьевых вод обусловила крайне низкую вероятность их выявления, не превышающую 1-3%. Более того, существующая гидрогеохимическая обстановка зоны активного водообмена определяет непригодность даже к обычной воде питьевого качества (по количеству водопунктов) около 40% объема подземных вод [6]. Данная оценка будет лучше, если исключить из расчетов, информацию по колодцам, где вода в 20-100% случаев более минерализованная, более жесткая, плюс обогащена нитрат-ионом. Главными особенностями территориального размещения, условий формирования и состава вод высшего качества, проявления которых представлены исключительно нисходящими родниками, являются:

- высококачественные воды приурочены к части гидрогеологического разреза, расположенного выше базиса дренирования (уровень Куйбышевского водохранилища - 53 м абс.), мезозойского и татарского возраста, и характеризующегося нисходящей фильтрацией подземных вод;

- рельеф водосборных площадей (областей питания вод высшего качества) характеризуется достаточно высокой степенью расчлененности;

- наиболее значимым фактором латерального распределения этих вод является экологический - формирование вод высшего качества возможно при низком уровне техногенного воздействия при обязательном развитии хотя бы на части водосборных площадей лесных массивов;

- питание перспективных водоносных комплексов осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, либо перетекания воды из вышележащих гидрогеологических подразделений;

- расходы продуктивных источников варьируют в пределах 0,01-2,0 л/с. Большая часть не используется. Величины водосборных площадей - 3-15 км²;

- состав вод высшего качества гидрокарбонатный (доля гидрокарбонат-иона составляет не менее 85-90%), разнообразный по катионам. Подавляющая часть показателей качества выявленных вод обладает оптимальными для них значениями. Исключение составляют общая жесткость и водородный показатель. Величины первой в большей части водопунктов превышают предпочтительный диапазон значений, а в случае с рН - наоборот;

- осредненные составы вод всех гидрогеологических подразделений не отвечают составу вод высшего качества. При таком минимальным наборе лимитирующих параметров отвечают требованиям лишь воды северодвинского и уржумского ярусов. К таким показателям относятся - общая жесткость, минерализация, содержание SO₄^2-, NО₃^- , окисляемость [4, 16].

- осредненные составы вод четвертичных и плиоценовых отложений по качеству нередко не подходят к обычной питьевой воде из-за повышенной общей жесткости, плюс эти стратиграфические уровни являются наименее защищенными от поверхностного и глубинного загрязнения;

- воды казанской сульфатно-карбонатной серии также не представляют интереса в отношении вод высшего качества. Последнее связано с тем, что с глубиной увеличивается минерализация (>0.6 г/дм³) и общая жесткость (>5 ммоль/дм³). Основными параметрами, определяющими непригодность вод казанской сульфатно-карбонатной серии к водам высшего качества, являются - высокие значения общей жесткости, повышенные концентрации ионов SO₄^2-, реже Сl^- и NO₃^-, а также сухого остатка. Последнее связано с загипсованностью казанских отложений. Анализ данных по пробам вод из казанской сульфатно-карбонатной серии свидетельствует, что величина общей жесткости выступает в качестве ограничительного фактора в 80% случаев, содержание сульфат иона - в 75% .

Заключение

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Проведенные исследования показывают, что Предволжье Республики Татарстан в настоящее время характеризуется относительно благоприятной гидрогеоэкологической обстановкой. Для большей части региона имеются надежные источники водоснабжения (родники), а химические свойства вод незначительно изменены по сравнению с 1960-ми гг.

2. На основе метода группировки проб по принципу возрастания концентраций анионного состава выделены три пространственные и генетические области подземных вод: 1) HCO₃^-- Mg²⁺-Ca²⁺ 2) HCO₃^- (реже SO₄^2-) Ca²⁺- Mg²⁺; 3) SO₄^2-- Mg²⁺-Ca²⁺. В Предволжье Республики Татарстан главное значение имеют первые из перечисленных. Для них характерна минерализация 250-400 мг/дм³, реже более. Состав подземных вод периода 1930-1940-х-начала 1960-х гг. был принят как естественный фон, как своеобразная точка отсчета.

3. Для анализа временной изменчивости состава подземных вод Предволжья Республики Татарстан использовались результаты химических анализов вод временного интервала 1970-2003 гг. Выявлены гидрогеохимические области и подобласти (по анионному составу вод). По имеющимся материалам автором построены гидрохимические карты, позволившие выявить особенности формирования химического состава подземных вод. Природные воды подразделяются на две подгруппы: относительно чистые (слабо загрязненные), обладающие HCO₃ и SO₄-HCO₃ составом, и загрязненные (т.е. некондиционные в питьевом отношении) - HCO₃-SO₄, SO₄. В группе природно-антропогенных вод выделяются: относительно слабо загрязненные - Cl-HCO₃, SO₄-Cl-HCO₃, Cl-SO₄-HCO₃ и загрязненные - HCO₃-Cl, SO₄-Cl, Cl-SO₄, NO₃-HCO₃, HCO₃-NO₃, NO₃-Cl- HCO₃.

...