Анализ состояния подземных вод

Обобщение данных по техногенным гидрохимическим аномалиям на примере территории Воронежской области и г.Воронежа.

Экологическое состояние гидрогеологических систем (ГГС) зависит от защищенности водоносных горизонтов, вида и интенсивности техногенной нагрузки. На территории Воронежской области подземные воды характеризуются разнообразными условиями распространения, включая изолированные и открытые с поверхности системы. Наиболее подвержены воздействию первые от поверхности водоносные горизонты, относящиеся к зоне активного водообмена. Определяющим моментом техногенного воздействия на ГГС в условиях Воронежской области являются крупные водопотребители и техногенные системы, формирующие и накапливающие промышленные и бытовые отходы. Состояние подземных вод главным образом определяют эксплуатационный отбор подземных вод и поступление в водоносные горизонты техногенных стоков и инфильтрата.

В пределах Воронежской области подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения. На территории области взято на учет 1437 водопользователей и около 1.7 тыс. групповых и одиночных водозаборов, которые включают около 8.5 тысяч эксплуатационных скважин. Общее количество извлеченной подземной воды составляет 951,21 тыс.м³/сут или 27,1% от величины прогнозных ресурсов. Наиболее интенсивно эксплуатируется неоген-четвертичный водоносный комплекс, на который приходится 74% от общего количества извлекаемой подземной воды. Доля водоотбора от суммарных прогнозных эксплуатационных ресурсов этого комплекса составляет около 36%. Основная нагрузка приходится на г. Воронеж, где из неоген - четвертичного комплекса отбирается 53,4% от общей величины извлекаемых в области подземных вод. На наиболее крупных водозаборах г.Воронежа и области, охваченных наблюдательной государственной опорной сетью, истощение запасов подземных вод основных водоносных горизонтов не наблюдается, водозаборы работают в пределах допустимых понижений уровней подземных вод. Использование разведанных запасов подземных вод на водозаборах составляет 30-90%, сработка допустимых понижений - 4-63%.

В целом Воронежская область обеспечена ресурсами подземных вод, однако, отдельные крупные водопотребители ощущают значительный дефицит в хозяйственно-питьевой воде, что требует постановки геологоразведочных работ по изысканию источников водоснабжения.

Негативным фактором техногенного воздействия являются все возрастающие масштабы загрязнения подземных вод основных эксплуатационных и связанных с ними смежных водоносных горизонтов. Техногенные комплексы и объекты области представлены предприятиями различных отраслей тяжелой (машиностроительная, химическая, строительная, горно-добывающая и др.) и легкой (пищевая, перерабатывающая и др.) промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытовой сферы. Распределение техногенной нагрузки имеет преимущественно линейно-узловой характер: вдоль трасс транспортных магистралей, с повышением интенсивности нагрузки в узлах пересечения, как правило в районах крупных населенных пунктов. На этих участках в результате проникновения сбросов сточных вод или инфильтратов складируемых отходов, особенно в условиях, когда водоносные горизонты являются незащищенными, наблюдается загрязнение подземных вод. В последние годы это явление имеет прогрессирующий характер.

Наиболее стойкие и опасные загрязнения подземных вод находятся в г.Воронеже (некаль от бывших полей фильтрации завода СК им.Кирова в районе ВПС-6,9, тяжелые металлы и нитраты по многим ведомственным водозаборам г.Воронежа) на коммунальных водозаборах в городах области: Лиски, Острогожск, Россошь (нитраты), в г.Павловске (нитраты и аммиак), в г.Борисоглебске (тяжелые металлы), в райцентре Грибановский (верховодка - тяжелые металлы и пестициды), в с.Лещаное под райцентром Воробьевка (верховодка - нитраты), в пос.Нижний Кисляй (нитраты). Особую тревогу вызывают участившиеся случаи загрязнения подземных вод нефтепродуктами - это район нефтебазы г.Воронеж, появление нефтепродуктов в районе централизованного водозабора N9, разлив ГСМ на предприятии "Богатырь" г.Лиски, на предприятии АООТ "Графское" п.Краснолесный, загрязнение значительной площади газоконденсатной смесью под г.Острогожск и др.

В пределах многих сельских населенных пунктов развивается загрязнение грунтовых вод (верховодка) компонентами азотной группы (нитраты, нитриты, аммиак), вызванное бытовыми отходами. Традиционным источником хозпитьевого водоснабжения в селах и поселках являются колодцы, каптирующие эти горизонты и, как правило, не контролируемые инспекционными службами.

Значительное количество техногенных объектов располагаются в зоне влияния водозаборов крупных населенных пунктов, являются потенциальными источниками загрязнения подземных вод и в настоящее время не изучены. К ним относятся: полигоны и свалки ТБО, очистные сооружения в пределах селитебных зон, отстойники и поля фильтрации различных предприятий, склады ядохимикатов, нефтебазы и др.

По данным областной экологической службы в пределах Воронежской области из 571 действующих мест размещения отходов лишь 299 являются санкционированными и только 6 гидрогеологически обследованы. Эксплуатирующийся в г.Воронеже полигон ТБО в карьере Средний работает с нарушениями природоохранных требований. На большинстве свалок захоронение отходов ведется стихийно и бесконтрольно. Эти обстоятельства оказывают негативное влияние на состояние подземных вод, приводят к образованию очагов и областей загрязнения.

Под очагом загрязнения подземных вод понимается место сосредоточения некондиционных вод в пределах водоносного горизонта с повышенными концентрациями вредных веществ, сформировавшееся под влиянием техногенного воздействия. Распространение в пределах водоносного горизонта некондиционных подземных вод из очагов загрязнения образуют область загрязнения. Подземные воды в очагах и областях загрязнения, как правило, аномальны по отношению к естественно сложившимся гидрохимическим условиям района и зачастую, не пригодны для практического использования. Уровень техногенного изменения подземных вод обусловлен характером и интенсивностью техногенного воздействия и степенью защищенности водоносных горизонтов.

В системе ГВК "Подземные воды" службой мониторинга состояния недр по Воронежской области все выявленные и обследованные очаги загрязнения подземных вод взяты на учет. Следует отметить, что работы по выявлению и обследованию очагов загрязнения носили ограниченный характер, поэтому фактическое положение дел имеет более высокие масштабы, чем отражены в настоящей работе.

На территории Воронежской области зарегистрировано 91 очаг загрязнения подземных вод. Основная их часть приходится на промрайон г.Воронежа - 44 очага. Территориальное распределение объектов загрязнения подземных вод в пределах г.Воронежа, областей подземного стока показаны на схеме (рис.1).

При наличие большого количества объектов загрязнения возникает вопрос о сопоставительной оценке. Наиболее подходящим в этом отношении является геоэкологический подход, который оценивает ситуацию в ГГС с позиции вредности присутствующих ингредиентов. Для условий г. Воронежа использованы:

1. Обобщенные характеристики каждого очага загрязнения подземных вод в виде суммарного показателя загрязнения (СПЗ) по I, II, III, IV классам опасности и общенормируемым (не токсичным) компонентам. Результаты представляются в относительных к предельно-допустимым концентрациям (ПДК) значениях (рис.2, 5). При разбросе данных берутся максимальные концентрации присутствующих ингредиентов, что позволяет судить о наибольшей интенсивности их поступления в ГГС.
2. Поэлементная характеристика СПЗ каждого объекта с целью оценки вклада отдельных токсичных загрязняющих компонентов (рис.6). Для удобства сопоставительной оценки ингредиенты группируются по классам опасности и выражаются в относительных к ПДК значениях и (или) в весовых формах, как показано в таблице 1.
3. Распределение встречаемости вредных химических веществ в концентрациях превышающих ПДК, необходимое для установления преобладающей элементной структуры в пределах отдельных объектов обобщения (рис.3).

Для условий г. Воронежа объекты обобщения рассматриваются на четырех уровненной основе, включая:

• Территорию г. Воронежа
• Области подземного стока
• Районы по преобладающей техногенной нагрузке
• Участки очагов и областей загрязнения подземных вод

В связи с тем, что территория г. Воронежа относится к гидрохимическому региону с повышенным содержанием в пресных подземных водах железа и марганца, при проведении оценок эти элементы выделены в отдельную группу природно-техногенных аномалий, т.е. их присутствие обусловлено как природными, так и техногенными факторами, причем степень каждого из них установить весьма сложно.

В пределах 44-х зарегистрированных очагов техногенного загрязнения подземных вод г. Воронежа, веществ, относящихся к I классу опасности, не установлено. Высоко опасные элементы и соединения (II класс опасности) отмечены в 32 случаях. Опасные и умеренно опасные (III+IV классы опасности) выделены в пределах 33 очагов загрязнения, вредные нормируемые показатели - 20 проявлений. На диаграммах (рис.2) приведены обобщенные характеристики ингредиентного состава в пределах выявленных очагов загрязнения подземных вод по максимальным концентрациям с группировкой по II, III+IV классам опасности и общенормируемым показателям (сухой остаток, жесткость общая). В связи с аномально повышенными содержаниями нефтепродуктов 750 - 8600000 ПДК, т.е. чистый нефтепродукт, сопоставительная оценка этих очагов загрязнения на диаграммах не приводится. Наибольшую интенсивность загрязнения по веществам II класса опасности с суммарной концентрацией от 10 до 100 ПДК подземные воды имеют в 9-ти случаях. Для веществ III и IV классов опасности суммарные концентрации более 100 ПДК отмечены на 6-ти участках.

В правобережной части города, в области подземного стока в Воронежское водохранилище находятся 22 очага загрязнения подземных вод, а в области подземного стока в р.Дон - 14 очагов (рис.2). В первом случае они территориально приурочены к площадям 20-ти промышленных предприятий тяжелой, легкой и пищевой промышленностей и к 2-м объектам крупных транспортных артерий (ж/д станциям). Во втором случае к полигонам и свалкам ТБО - 3 объекта, к очистным сооружениям, полям фильтрации, открытому хозфекальному коллектору, 5 объектов - к сельским населенным пунктам свалкам, юго-западному кладбищу, 3 объекта - к промышленным предприятиям.

На левобережной части города, в области подземного стока в Воронежское водохранилище, располагаются 8 очагов загрязнения. Это территории трех промышленных предприятий, бывшие поля фильтрации завода СК им.Кирова, район отстойников и шламонакопителей ТЭЦ-1, два крупные хранилища нефтепродуктов, южный фланг водозабора N 9.

Основное количество очагов загрязнения подземных вод сконцентрировано в пределах промышленной и городской селитебной зон правобережной (центральной) части г.Воронежа образуя обширную область загрязнения. В целом область насчитывает около 18 техногенных гидрохимических аномалий с невыдержанными по площади и составу проявлениями.

В левобережной части г.Воронежа наибольшее развитие очаги загрязнения подземных вод получили на южной и юго-восточной окраинах г.Воронежа. В районе бывших полей фильтрации завода СК им.Кирова расположена обширная область загрязнения подземных вод некалем.

На юго-восточной окраине г.Воронежа в районе крупных нефтебаз ВФ АООТ "Воронежнефтепродукт" и комбината "Красное Знамя" установлено наличие линзы чистого нефтепродукта и некондиционных подземных вод по содержанию нефтепродуктов.

С целью установления превалирующей элементной (вещественной) структуры в пределах техногенных гидрохимических аномалий - очагов загрязнения неоген-четвертичного комплекса проведена оценка распределения встречаемости вредных химических веществ в концентрациях, превышающих ПДК (рис.3).

Основными химическими элементами и соединениями в пределах 44 выявленных очагов загрязнения подземных вод территории г.Воронежа являются: NO₃, B, Cd, Li, Cl, NH₄, Br, Na. Из общего числа 92-х элементо-проявлений на их долю приходится 72, что составляет в целом 78.3% встречаемости. На долю Cr⁺⁶ , нефтепродуктов (н.п.), Pb, Ni, СПАВ приходится 15 элементо-проявлений или 16.3% встречаемости. Co, F, Ba, Al, NO₂ характеризуются единичными проявлениями, на их долю приходится 5.4% встречаемости. Следует отметить высокую частоту превышения нормативов по общенормируемым показателям: сухой остаток и жесткость общая, по 14 проявлений или 31.8% от общего числа очагов загрязнения.

Структура встречаемости элементов в очагах загрязнения по областям подземного стока несколько отличается от обобщенного вида. В пределах междуречья Дон-Воронеж выделен следующий перечень основных вредных химических веществ по порядку частоты проявления (рис.3): NO₃, B, Li, Cd, Cl, Br, Na, NH₄, Cr⁺⁶. В пределах левобережной части структура элементного ряда частоты проявления следующая: нефтепродукты, B, Cd, Pb, NH₄, Cl, СПАВ.

Наиболее интенсивные и токсичные загрязнения подземных вод происходят в пределах крупных свалок, полигонов ТБО и коммуникаций очистных сооружений.

Проблема удаления ТБО и обеспечение санитарной очистки городской территории Воронежа стоит весьма остро. До 1993 года специально подготовленного места не было. Захоронения велись стихийно на необорудованных площадях: карьер ТОО "Формматериалы", свалка ТБО юго-западная и др. С вводом полигона ТБО в карьере "Средний" южнее г. Семилуки положение со складированием отходов г.Воронежа несколько нормализовалось. Тем не менее работа полигона происходит с нарушениями природоохранных требований. Система сбора высоко токсичного инфильтрата из тела свалки не обеспечивает его изоляцию от водоносных горизонтов, что приводит к значительному загрязнению подземных вод.

Принцип обобщения данных на уровне отдельного очага загрязнения подземных вод рассматривается на примере полигона ТБО, расположенного в отработанной части карьера ТОО "Формматериалы" (Тамбовский карьер). Полигон располагается на территории Подгоренского месторождения формовочных песков (рис.4) в пределах западной окраины города практически примыкая к жилой зоне. Месторождение разведано в 1954г., и с 1957г. разрабатывается ТОО "Формматериалы". За время эксплуатации месторождения нарушено около 50 га земель, из них 40 га отработанного пространства преимущественно занята бытовыми и промышленными отходами. Используемый до 1995г. в г.Воронеже полигон ТБО в Тамбовском карьере сооружен с нарушениями природоохранных требований. Главным образом это отсутствие системы изоляции фильтрата образующегося в теле складируемых отходов.

В гидрогеологическом отношении в пределах участка повсеместно распространен водоносный неоген-четвертичный комплекс. Представлен средне- и крупнозернистыми песками. Мощность водовмещающих пород 12-20м, воды безнапорные. Питание комплекса осуществляется за счет атмосферных осадков и талых вод. Поток грунтовых вод имеет северо-западное направление, в сторону р.Дон. Подошвой неоген-четвертичного комплекса являются верхнедевонские глины. С поверхности комплекс не защищен и подвержен загрязнению.

На полигоне накапливались бытовые и промышленные отходы. В основном это умеренно опасные и не токсичные вещества. В результате отсутствия контроля за привозимыми отходами и химических преобразований в теле ТБО образовались токсичные вещества 2-го и 3-го классов опасности. Наиболее опасным является жидкий фильтрат, образующийся путем проникновения атмосферных осадков и ливневых стоков в накопленную массу ТБО. Фильтруясь, вода накапливает большое количество вредных веществ, превращаясь в высоко концентрированный раствор многих токсичных веществ. В основании полигона отсутствует система гидроизоляции и сбора фильтрата, что определяет его прямое попадание через песчаные отложения в продуктивный водоносный горизонт и загрязнение подземных вод. Это привело к образованию очага загрязнения в водоносном неоген-четвертичном комплексе и обострению экологической ситуации.

Наибольшая интенсивность загрязнения подземных вод отмечена на северо-западном борту карьера (рис.4) в области выхода потока подземных вод с территории свалки ТБО (скважина N2). Подземные воды имеют аномально повышенную концентрацию солей и щелочную реакцию среды, сухой остаток достигает 2,03 г/дм³, pH = 9,14 (таблица1). Как показано на диаграмме (рис.5), очаг загрязнения подземных вод в основном определен содержанием опасных и высоко опасных химических веществ. Суммарное содержание веществ 3 класса опасности достигает 146,99 ПДК; 2 класса -до 29,23 ПДК; 4 класса - до 4,74 ПДК; не токсичные - до 8,73 ПДК.

Основные химические элементы и соединения, присутствующие в подземных водах в концентрациях более 10 ПДК являются: железо, аммоний, бор (рис.6). Причем по сравнению с предыдущими годами отмечается тенденция к увеличению концентрации ингредиентов.

Дальнейшее обобщение результатов по техногенным гидрохимическим аномалиям на территории Воронежской области и г. Воронежа целесообразно продолжить в виде их паспортизации и картографирования, включая техногенные объекты - потенциальные источники загрязнения. Паспортизацию желательно проводить в рамках стандартных площадей (топопланшеты среднего и крупного масштабов) и по административным районам, что позволит произвести обобщение информации на любом уровне. С целью оперативной оценки и получения сопоставительных параметров о качественном составе подземных вод по различным объектам обобщения необходима выработка и включение стандартного подхода в состав задач решаемых информационно - компьютерными системами мониторинга состояния недр.

Приведенные в настоящей работе данные доказывают высокую степень техногенного преобразования ГГС на площади г. Воронежа. Учитывая особое положение г. Воронежа в пределах региональной области формирования подземного стока основных артезианских бассейнов Центрального региона России вопрос о создании крупного природно-техногенного полигона в его границах является весьма актуальным. Организация комплексной геологоэкологической системы слежения на участках крупных промышленно-селитебных зон с целью комплексной оценки состояния всех компонентов ГГС, динамики их развития и факторов их определяющих.

Эффективность проводимых природоохранных мероприятий во многом определяется созданием оптимальной системы слежения за состоянием недр и техногенных объектов. В настоящее время большинство участков преобразования недр не имеют специализированную наблюдательную сеть, что требует дальнейшего решения, особенно в зонах крупного техногенеза.