Изучение пространственно-временной изменчивости железа и сопутствующих компонентов водозаборов Одинцовского района

Целью данной работы было изучение условий формирования повышенных концентраций железа и сопутствующих компонентов в подземных водах водозаборов Одинцовского района Московской области. Одинцовский район был нами выбран как типичный район с несколько повышенными относительно ПДК концентрациями железа, что характерно для многих районов Московской области.

Необходимость выявления пространственно-временной изменчивости повышенных концентраций железа обусловлена двумя причинами:

• только выявив закономерности этих изменений можно дать обоснование достоверного опробования водоносных горизонтов на содержание в воде железа
• только через понимание особенностей и аномалий этой изменчивости можно выйти на закономерности процесса образования повышенного содержания железа в воде при работе водозаборов и затем - на их описание и моделирование.

Рассмотрение химического состава вод каменноугольных отложений Одинцовского района производилось нами на основе фондовых данных анализов за последние 40 лет (с 1947 по 1997 г.г.), имеющихся в базе данных мониторинга подземных вод Московской области. При этом в 1947 г. имелась одна скважина, а большинство было пробурено в 60-80-е годы. Многолетние данные включают анализы, выполненные при разведочном бурении, а также многолетние опробования Одинцовского Водоканала.

Вся информация была разделена на две части по принадлежности скважин к окско-протвинскому и подольско-мячковскому горизонтам. По окско-протвинскому горизонту имеется 461 замер концентраций железа, по подольско-мячковскому - 977. Первичная статистическая обработка массива данных выявила наличие аномальных значений концентраций железа, сильно искажающих исходную выборку. Для удаления аномальных значений железа был использован критерий исключения (Урбах, 1964). Полученные по формуле значения t_max концентраций железа для обоих горизонтов оказались значительно выше критических для 5% уровня значимости, что указывает на наличие аномальных концентраций. Критические концентрации железа для подольско-мячковского горизонта составили 3,84 мг/л, для окско-протвинского 1,75 мг/л. Аномальные концентрации железа, превышающие данные значения, были удалены. Поскольку аномальные значения не встречаются дважды в одной и той же скважине, можно полагать, что они не отражают реальные концентрации железа в подземных водах, а являются следствием неправильного отбора проб или опечаток в тексте.

Для обоих водоносных горизонтов были построены гистограммы распределения концентраций железа. Как следует из анализа полученных данных, окско-протвинский и подольско-мячковский водоносные горизонты сильно отличаются по средним концентрациям железа, составляющим 0,24 мг/л и 0,67 мг/л, соответственно, причем средняя концентрация железа в С_2pd-mc горизонте более чем в два раза превышает ПДК для воды хозяйственно-питьевого назначения (рис.1, 2). Концентрации железа в обоих горизонтах распределены резко асимметрично. Принадлежность выборки к нормальному закону распределения проверялась по критерию X². Полученные значения критерия X² для обоих горизонтов значительно превышают критические (гипотеза Н_о отвергается), поэтому нельзя считать распределение железа в обоих горизонтах нормальным.

 

Также была проведена проверка гипотез о принадлежности данных выборок к логнормальному и экспоненциальному законам распределения. Ожидаемые теоретические кривые значительно ближе к реальному распределению концентраций железа в подземных водах по сравнению с кривой для нормального закона распределения, однако, поскольку полученные значения критерия X² больше критических, гипотеза Н_о отвергается. Полученное распределение концентраций железа в подольско-мячковском горизонте является бимодальным (с модами 0,21 и 0,83 мг/л), т.е. представляет собой наложение двух различных выборок. Это может быть связано с тем, что в массиве информации присутствуют две выборки с разными условиями формирования концентраций железа - с естественными и техногенными. В окско-протвинском горизонте распределение одномодальное, графически близкое к логнормальному распределению.

Для изучения влияния сезонного фактора на концентрации железа по критерию Стьюдента была проверена гипотеза о значимости различий летних и зимних концентраций железа. Полученные значения t-критерия не являются значимыми (при 5% уровне значимости), что не позволяет утверждать, что концентрации железа подвержены сезонной изменчивости.

Многолетняя изменчивость железа.

По всем скважинам были построены графики изменения концентраций железа во времени с вычисленной линией тренда. В окско-протвинском горизонте тенденция к дальнейшему увеличению концентраций проявляется на отдельных участках с повышенными концентрациями железа. В подольско-мячковском горизонте тенденция к увеличению концентраций железа проявляется как в зонах с повышенными концентрациями железа, так и с пониженными. В то же время в ряде скважин с высокими концентрациями железа идет их снижение во времени. Из-за небольшого числа замеров по многим скважинам нельзя сделать однозначный вывод о тенденции изменения железа. По имеющейся информации в целом по обоим горизонтам происходит небольшое снижение концентраций во времени, хотя в целом по Московской области происходит увеличение концентраций железа во времени.

Пространственная изменчивость железа.

Окско-протвинский горизонт характеризуется относительно низкими концентрациями железа. Средние концентрации железа в большинстве скважин не превышают 0,3 мг/л. Исключение составляют локальные участки, в которых средние концентрации железа в скважинах в 2 - 3 раза превышают фоновые.

Подольско-мячковский горизонт. Высокие концентрации в этом горизонте фиксируются не только по железу, но и по другим компонентам химического состава подземных вод. Концентрации железа в большинстве скважин превышают ПДК. В целом наблюдается большая пестрота в распределении концентраций железа по площади. Наибольшие концентрации железа наблюдаются в районе КНС "Переделкино", Ромашково, на северо-западе г. Одинцово (рис.3). На большей части территории содержание железа находится в пределах 0,21-0,82 мг/л, лишь на северо-восточной части города содержание железа менее 0,21 мг/л. Закономерных изменений содержания железа в водозаборных скважинах по площади не прослежено.

Многолетняя изменчивость компонентов химического состава подземных вод

Подземные воды окско-протвинского и подольско-мячковского горизонтов являются типичными водами каменноугольных отложений. Для них характерны слабощелочные рН, повышенная жесткость, относительно низкие концентрации хлора, соединений азота, низкая окисляемость подземных вод связанная с незначительным содержанием органического вещества.

В окско-протвинском горизонте происходит закономерное снижение рН с 7,8 в 60-е годы до 7,4 в настоящее время. Как было показано в работе (Котлов, 1962), рН нижнекаменноугольных отложений вод в начале 20 века был равен 8,14, а к середине века произошло снижение рН до 7,88.Концентрации хлора за последние 40 лет возросли в 1,5 раза с 6 мг/л до 10 мг/л в настоящее время. Окисляемость подземных вод в целом невелика. За последние 40 произошло некоторое увеличение окисляемости с 1 мг О/л до 2мг О/л и более, что может быть связано с поступлением в результате перетекания вод с повышенной концентрацией С_орг. Концентрации сульфатов за последние 40 лет увеличились незначительно - с 40 мг/л до 50 мг/л, однако средняя концентрация сульфатов в окско-протвинском горизонте в целом выше, чем в подольско-мячковском. За последние 40 лет общая жесткость возросла с 5,7 до 6,8 мг-экв/л, приблизившись к величине ПДК. Величина сухого остатка составляет 347 мг/л. Тенденций к изменению не прослеживается. Концентрации аммония несколько повышены, что типично для условий восстановительной среды. Наблюдается тенденция к увеличению концентраций с 0,2 мг/л в 60-е годы до 0,3 мг/л в настоящее время.

Наиболее значимыми в окско-протвинском горизонте следует считать снижение рН и увеличение концентраций Cl, окисляемости, жесткости и NH₄. Концентрации NO₂, NO₃, SO₄ и величина сухого остатка изменились незначительно.

Подольско-мячковский горизонт. По имеющимся данным, воды подольско-мячковского горизонта имеют слабощелочную реакцию среды, но в окско-протвинским горизонте рН выше. В настоящее время происходит снижение величины рН с 7,7 в 60-е годы до 7,3 в настоящее время. Как показано в работе (Котлов, 1964), в начале 20 века рН подземных вод среднекаменноугольных отложений составлял 7,94. К середине 20 века произошло снижение рН до 7,82.Концентрации хлора невелики, но по сравнению с окско-протвинским горизонтом они выше. Концентрации хлора за последние 40 лет увеличились более чем в 3 раза (с 3-5 мг/л до 13 мг/л). Величина окисляемости подземных вод в целом не велика, но в среднем несколько выше, чем в окско-протвинском горизонте. Величина окисляемости за последние 40 лет увеличилась с 1 - 2 до 3 - 4 мг/л. Концентрации сульфатов невелики и в среднем меньше, чем в окско-протвинском горизонте. За последние 40 лет концентрации сульфатов значительно увеличились с 5-10 мг/л до 30 мг/л. Средняя величина общей жесткости превышает ПДК для вод хозяйственно-питьевого назначения. По сравнению с окско-протвинским горизонтом она значительно выше. Общая жесткость возросла за последние 40 лет с 6 мг-экв/л до 7,5 мг-экв/л. Величина сухого остатка в целом типична для подземных вод каменноугольных отложений. Наблюдается незначительная тенденция к его увеличению - с 320 до 340 мг/л. Концентрации аммония в подольско-мячковском горизонте близки к его содержанию в окско-протвинском горизонте. Наблюдается их возрастание с 0,2 мг/л до 0,25 - 0,3 мг/л.

Наиболее значимыми для подольско-мячковского горизонта следует считать снижение рН и увеличение концентраций Cl, окисляемости, SO₄, общей жесткости. Концентрации NH₄, NO₂, NO₃ и величина сухого остатка изменились незначительно.

Таким образом, в целом в обоих водоносных горизонтах по многим компонентам наблюдаются тенденция ухудшения качества подземных вод. Однако средние концентрации данных компонентов (за исключением жесткости и Fe_общ в подольско-мячковском горизонте) в настоящее время не превышают ПДК.

Корреляция железа с химическим составом подземных вод

Для изучения взаимосвязи железа с другими компонентами химического состава подземных вод нами были получены корреляционные матрицы химического состава подземных вод для двух водоносных горизонтов.

Окско-протвинский горизонт. Как следует из полученных данных, железо не коррелирует с большинством компонентов химического состава подземных вод. Относительно небольшие, но значимые для длинных рядов наблюдений, коэффициенты корреляции выявлены лишь с Cl (0,31) и сухим остатком (0,2). Обращает на себя внимание факт низких коэффициентов корреляции между основными компонентами химического состава подземных вод. Например, корреляция между различными формами азота хотя и значима, но абсолютные величины их коэффициентов корреляции невелики для этих взаимосвязанных компонентов. Исключение составляют высокие коэффициенты корреляции между Cl и Na и Са и Na.

Подольско-мячковский горизонт. Как следует из полученных данных, железо связано небольшими, но значимыми для длинных рядов коэффициентами корреляции с NH₄ (0,21), NO₂ (0,1), NO₃ (0,1), Cl (0,17) и сухим остатком (0,13).

Факторный анализ

Факторный анализ был проведен методом главных компонент. Исследовалась взаимосвязь железа с компонентами химического состава подземных вод, имеющими по данным корреляционного анализа с ним наибольшие коэффициенты корреляции.

Окско-протвинский горизонт. Факторная модель представлена двумя факторами, на которые приходится 25,95% и 23,85% общей изменчивости переменных, соответственно. Собственные значения главных компонент являются значимыми (превышают 1) и составляют 1,55 и 1,43, соответственно. Полученные данные позволяют выделить две группы компонентов. В первую группу входят Fe_общ, Cl и сухой остаток, во вторую - NH₄, NO₂, NO₃. Как следует из полученных данных, значимая (>0,7) нагрузка на первый фактор получилась лишь для железа. Близка к значимой нагрузка для хлора (0,69).Для второго фактора значимая нагрузка с отрицательным знаком получилась только для NH₄. Другие формы азота (NO₂, NO₃) также имеют отрицательный знак факторной нагрузки, но характеризуются небольшими величинами.

Результаты факторного анализа, выполненные с помощью вращения факторных осей по методу нормализованного варимакса, представлены на рис.5. Значимые нагрузки на первый фактор имеют Fe_общ и Cl, на второй фактор - NH₄.

Подольско-мячковский горизонт. Факторная модель представлена двумя факторами, на которые приходится 30,4% и 20,96% общей изменчивости переменных, соответственно. Собственные значения факторов составляют 1,67 и 1,41. Как следует из полученных данных, Fe_общ и Cl выделяются в одну группу, однако нагрузки на факторные оси не являются значимыми.

При вращении факторных осей методом нормализованного варимакса выделяются две группы. В первую группу входят компоненты, имеющие нагрузки на первый фактор - Cl, сухой остаток, Fe_общ и в меньшей степени NO₃, во вторую - NH₄ и NO₂. Факторные нагрузки являются значимыми для Cl, сухого остатка, NO₂ и NH₄ (рис.6).

Взаимосвязь железа с хлором и в меньшей степени с сухим остатком, полученная в результате факторного анализа для обоих водоносных горизонтов, может свидетельствовать об общности процессов их формирования под действием гидродинамического фактора. При перетекании через разделяющую толщу юрских глин кислородсодержащих грунтовых вод происходит окисление сульфидов, что вызывает поступление в подземные воды карбона двухвалентного железа накоплению которого способствует общее снижение рН подземных вод. Одновременно идет поступление в подземные воды в процессе перетекания несорбируемого глинами хлора.

Выводы:

1. Распределение концентраций в подольско-мячковском горизонте является бимодальным, в окско-протвинском горизонте - одномодальным. Бимодальность свидетельствует о том, что в массиве информации присутствуют две выборки с различными условиями формирования железа - с естественными и техногенными.
2. Концентрации железа в подольско-мячковском горизонте более чем в два раза выше, чем в окско-протвинском. Концентрации большинства компонентов химического состава подземных вод в подольско-мячковском горизонте также выше.
3. Изучение многолетней изменчивости концентраций железа показало, что, в целом, в обоих горизонтах происходит небольшое снижение концентраций железа. Скважины, расположенные в пределах одной и той же ВНС, имеют однонаправленные тенденции изменения концентраций железа.
4. Анализ пространственного распределения концентраций железа показал, что в окско-протвинском горизонте на большей части территории концентрации железа невелики и не превышают ПДК. Исключение составляют локальные участки с повышенными концентрациями железа, причем именно на этих участках наблюдается тенденция увеличения концентраций железа. В подольско-мячковском горизонте концентрации железа в большинстве скважин превышают ПДК. Закономерных изменений концентраций железа не выявлено.
5. Изучение многолетней изменчивости компонентов химического состава подземных вод показало, что в обоих водоносных горизонтах происходит снижение рН и увеличение концентраций Cl, окисляемости и жесткости. В подольско-мячковском горизонте происходит также увеличение концентраций сульфатов. Тенденция ухудшения качества подземных вод в подольско-мячковском горизонте проявляется сильнее, что связано с его меньшей защищенностью от загрязнения. Его воды в настоящее время некондиционны по содержанию железа.
6. Проведенная корреляция железа с другими компонентами химсостава подземных вод показала, что железо не коррелирует с большинством компонентов. Относительно небольшие, но значимые для длинных рядов наблюдений, коэффициенты корреляции выявлены в окско-протвинском горизонте с хлором и сухим остатком, в подольско-мячковском горизонте - с NH₄, NO₂, NO₃, Cl и сухим остатком. Проведенный факторный анализ выявил общие факторы для железа с хлором и, в меньшей степени с сухим остатком.