Применение ИКС ГМГС для оценки природных аномалий состава подземных вод

На территории Московской области пресные подземные воды (с минерализацией до 1 г/л) обеспечивают более 90% воды, использующейся для питьевых целей. Нормативы, определяющие пригодность природных вод для питьевых целей уточняются в среднем каждые 10 лет, при этом перечень контролируемых показателей расширяется. Это обстоятельство каждый раз требует обновления подходов к оценке эксплуатационных запасов подземных вод и контролю их качества. Так, например, по требованиям ГОСТа 2874-82 "Вода питьевая" подземные воды на территории Московской области зачастую не удовлетворяют требованиям по жесткости, содержанию железа, фторидов, стронция [3]. Массовое определение этих показателей в практике контроля качества подземных вод позволило установить, что гидрохимическая аномалия по железу тяготеет к первому от поверхности водоносному горизонту, в то время как повышенные жесткость, концентрации фторидов наоборот возрастают по мере погружения горизонтов. Установление региональных закономерностей распространения жесткости, фторидов и железа в подземных водах позволяет находить подходы к разработке схем водоснабжения отдельных населенных пунктов с доведением концентраций этих компонентов до нормативных значений за счет смешения подземных вод различных водоносных горизонтов [1].

Относительно стронция эта проблема не была решена, в том числе и потому, что его определение не стало практикой в контроле качества подземных вод на тот период времени. К настоящему времени накоплен определенный объем информации по содержанию стронция в подземных водах, позволяющий приступить к решению задач мониторинга:

Совместное хранение пространственной и атрибутивной информации в единой базе данных, реализуемое в ИКС ГМГС, позволяет решать поставленные задачи на качественно новом уровне.

В МНПЦ "Геоцентр-Москва" в общей базе мониторинга создан блок фактографических данных о химическом составе подземных вод эксплуатируемых водоносных горизонтов, насчитывающий более 25 тысяч химических анализов за 50-летний период эксплуатации по 5500 скважинам из существующих 12000 эксплуатационных скважин, являющихся объектами мониторинга. Источников пополнения базы данных качества подземных вод существует несколько:

Для решения задачи изучения региональных закономерностей распространения стронция в подземных водах Московской области за недостижимый идеал следует принять базу данных с территориально равномерным и частым расположением скважин, в подземных водах которых осуществлялось определение стронция по единой гостированной методике; реальная ситуация совершенно иная. Простое сопоставление количества химических анализов в базе мониторинга и эксплуатационных скважин на территории области ориентировочно показывает неравномерность количественного заполнения базы данных: сведения о химическом составе подземных вод есть только по каждой второй скважине, но зато в количестве 4-5 анализов на различные моменты времени. В действительности неоднородность базы данных по химическим анализам в отдельных эксплуатационных скважинах значительно выше, а территориальная неравномерность наличия сведений о химическом составе подземных вод, учитывая тяготение эксплуатационных скважин к крупным населенным пунктам, еще выше.

Вместе с тем, использование ИКС ГМГС позволяет осуществлять управление качеством базы данных (как в количественном, так и в качественном отношении), так как картографический способ доступа к данным является самым наглядным и оперативным для большинства применений. Так, например, представленная на рис.1 карта наличия химических анализов подземных вод по эксплуатационным скважинам в Московской области на конец 1995 года (окончания периода "стихийного" формирования базы данных) показывает территории, по которым информации явно недостаточно и является руководством к действию по дополнительному сбору данных.

Рис.1 Карта изученности показателей качества подземных вод Московской области на конец 1999г

Оперативное извлечение из подготовленных баз данных параметров, содержащих информацию о гидрогеохимических характеристиках водоносных горизонтов и визуализация их в ГИС "Геолинк 2.0" являлось основой в совместной работе МНПЦ "Геоцентр-Москва" и НППФ "ГИДЭК" по переоценке запасов подземных вод на территории Московской области, так как позволяло принять быстрое и качественное решение об объектах опробования - скважинах, что также привело к увеличению информационного фонда ИКС ГМГС.

Аналогичным образом пятилетнее сотрудничество МНПЦ "Геоцентр-Москва" с МособлЦГСЭН позволяет службе мониторинга, используя ИКС ГМГС, визуализировать данные ЦГСЭН в виде доступных карт-схем (рис.2) и давать рекомендации об объектах опробования с точностью до административного района (как на рис.2), населенного пункта, водоносного горизонта, водозабора, скважины, так как любой объект, имеющий пространственные характеристики и отображаемый на карте, связан с его непространственными атрибутами в базе данных. Выполнение этих рекомендаций неминуемо приводит к пополнению фактографической базы мониторинга.

Наконец, третий источник пополнения базы данных - контакты с водопользователями в рамках выполнения ими лицензионных соглашений. На сегодня это достаточно динамично развивающееся поле деятельности службы мониторинга, не все звенья цепочки взаимодействий отработаны, в идеальном варианте авторам представляется, что наиболее продуктивной будет следующая схема взаимодействий. При первичном получении лицензии на основе анализа информации составляется заключение о качестве подземных вод в скважинах водопользователя по имеющимся в базе данных анализам. Если данные по скважинам водопользователя отсутствуют или перечень определяемых компонентов недостаточен, то, выделив на карте скважины, расположенные вблизи от скважин водопользователя с достаточным набором определяемых компонентов и используя тот факт, что связь объектов на карте и в базе данных взаимно однозначная, проводится анализ информации в базе данных и в случае необходимости выдаются рекомендации водопользователю расширить перечень определяемых компонентов. И, наконец, при повторном получении лицензии на основе ведения единой распределенной фактографической и картографической базы данных мониторинга, включающей информацию объектного уровня, контролируется выполнение водопользователем условий лицензионного соглашения (рис.3). Кроме того, имея несколько источников пополнения фактографической базы данных существует возможность проконтролировать, на сколько представленные к лицензированию анализы сопоставимы с теми, что уже есть в базе данных.

Таким образом, применение ИКС ГМГС позволяет оперативно контролировать наполнение фактографической базы данных по химическому составу подземных вод эксплуатируемых на территории Московской области водоносных горизонтов и приступить к анализу региональных особенностей распространения микроэлементов (в частности стронция) в подземных водах.

На рис. 4 в качестве примера показана карта средних концентраций стронция за период 1996-2001 годов (которые условно можно отнести к одному временному срезу) в скважинах, эксплуатирующих подольско-мячковский водоносный горизонт в естественных геологических границах его распространения. Несмотря на территориально различное расположение точек опробования, приведенные данные показывают, что область повышенных концентраций стронция располагается вокруг г. Москвы и в юго-восточном направлении от нее. Аналогичное расположение зоны повышенной концентрации стронция наблюдается в подземных водах остальных водоносных горизонтов. Привлеченный анализ геологической информации позволяет сделать вывод, что область повышенных концентраций стронция расположена вдоль палеодолины, которая совпадает с простиранием флексуры, прослеживаемой по кревякинским глинам, разделяющим касимовский и подольско-мячковский горизонты. В этой зоне в породах подольско-мячковского горизонта по проведенным оценкам есть включения целестина. Это позволяет предполагать, что на остальной территории Московской области повышенные концентрации стронция в подземных водах также тяготеют к подобного рода структурам. В том случае, если предположение верно, гидрохимические данные будут индикатором наличия таких структур и присутствия целестиновой минерализации в породах.

Рис.4 Карта средних концентраций стронция в подземных водах подольско-мячковского водоносного горизонта за период 1996-2001гг.

Это способствовало постановке работ по изучению аномалий распространения стронция в породах и их взаимосвязи с обнаруженными в подземных водах.

Авторами была использована база данных, созданная в ГУП "Геосинтез-центр" с результатами спектрального анализа по породам осадочного чехла на территории деятельности ЦРГЦ [2]. Представление данных было исполнено в виде таблицы СУБД "PARADOX" (табл.1). Первый столбец таблицы - это номер скважины, второй - номер пробы, третий, четвертый - интервал опробования (от-до), пятый, шестой - закодированные возраст и литология соответственно, и, далее, концентрации химических элементов, приведенные в минус четвертой степени, мг/кг. К кодам возраста и литологии прилагались классификаторы. В таблице 2. систематизированы представления о соотношении геологических и гидрогеологических подразделений каменноугольной системы. В ней сознательно наименьшей стратиграфической единицей в геологическом плане является горизонт. Это вызвано тем, что и в исходной базе данных минимальное подразделение - горизонт. Наиболее характерным из проблематичных горизонтов является кревякинский геологический, который в гидрогеологическом смысле распадается на две части: верхнюю - кревякинский водоупор, и нижнюю (сложенную проницаемыми толщами) - и относящуюся к подольско-мячковскому водоносному комплексу. А в самом кревякинском геологическом горизонте невозможно даже с помощью литологических характеристик разнести данные: глины - к водоупору; карбонаты, песчаники - к водоносному горизонту. Та же ситуация наблюдается в добрятинском и каширском горизонтах. Для создания единой функциональной системы мониторинга геологической среды необходимо появление таких классификаторов, в которых связь между геолого-стратиграфическими и гидрогеологическими подразделениями будет жестко зафиксирована. В противном случае, во избежании искажения картины, приходится отбрасывать данные по спорным горизонтам, а это приводит к их уменьшению. Вероятно, нужна такая структура классификатора, которая будет позволять задействовать минимальные стратиграфические (свита, подсвита, толща) и гидрогеологические (подгоризонт, комплекс, серия) подразделения.

Таблица 1. Представление базы данных ГУП "Геосинтез-центр".

N_SKV	AVT_N	INT_OT	INT_DO	VOZR_	LITOL	MN	NI	CO	TI	V
1468	ms02961	127	128	160	338	200	6	2	500	10
1468	ms02962	128	130	160	187	80	2	1	300	20
1191	ms03401	22	24	54	114	100	30	30	500	200
1191	ms03402	24	26	54	431	300	10	8	600	100

Таблица 2. Схема соотношений стратиграфических и гидрогеологических подразделений каменноугольной системы.

В связи с тем, что второй столбец базы данных - номер пробы - индивидуален, это позволило импортировать данные по химическому составу порода в ИКС ГМГС и обрабатывать их.

На рис.5 показано картографическое отображение базы данных по скважинам, в которых имеются определения стронция по всей каменноугольной системе. Видно, насколько неравномерно по территории и, главное, несоответственно друг с другом расположены скважины. Например, на юге Московской области довольно много скважин по породам, и очень мало скважин по подземным водам. В таких местах и желательно проводить планируемый мониторинг.

Рис.5 Карта наличия определений стронция по каменноугольной системе.

Применение ИКС ГМГС позволяет осуществить переход от информации в точке к пространственно обобщенной информации путем решения задач интерполяции и экстраполяции (восстановление сложной пространственной функции по измерениям в нескольких редко расположенных точках).

Специально для решения этой задачи специалистами компании "Геолинк" был разработан математический метод "Заполнение пустот по Вороному". Суть метода заключается в том, что каждой точке сетки дается значение, совпадающее со значением ближайшей опорной точки. С помощью этого метода были построены карты распространения химических элементов. Конечно, утверждать, что в каждой точке построенной сетки находится истинное значение нельзя, но, учитывая небольшое количество исходных данных, на базе этих карт можно говорить о статистической обработке.

На рис.6 и 7 показано распространение стронция в карбонатных и глинистых породах касимовского водоносного горизонта. На карты вынесены также скважины эксплуатационные, отранжированные по содержанию стронция в подземных водах. Видно, что в зону повышенного содержания в карбонатных породах попадают практически все эксплуатационные скважины с максимальным значением стронция. А в глинистых породах этого же горизонта картина совершенно иная: зоны максимальных значений в породах не совпадают с максимальными значениями в воде. Таким образом, даже на визуальном уровне можно утверждать, что содержание стронция в подземных водах касимовского водоносного горизонта зависит от его содержания во вмещающих карбонатных породах.

Рис.6 Распространение стронция в карбонатных породах касимовского водоносного горизонта.

Рис.7 Распространение стронция в глинистых породах касимовского водоносного горизонта.

В подтверждение того, что "метод заполнения пустот по Вороному" применим к данной задаче можно проделать некий опыт. Если построить карты распространения стронция в карбонатных породах (рис.6) и подземных водах (рис.8) касимовского водоносного горизонта, а затем разделить значение в каждой точке одной карты на значение в той же точке другой карты, то получим карту соотношения содержания стронция (рис.9). При построении гистограммы по этой карте (рис.10) наличие максимального пика свидетельствует, что искомая линейная регрессионная связь между содержанием стронция в подземных водах и карбонатных породах существует.

Рис.8 Распространение стронция в подземных водах касимовского водоносного горизонта.

Рис.9 Карта соотношений содержания стронция в карбонатных породах и подземных водах касимовского водоносного горизонта.

Введение в действие СанПиНа 2.1.4.559-96 по контролю качества вод, используемых для питьевого водоснабжения, привело к обнаружению в подземных водах Московской области повышенных концентраций лития, бора, бария, несвязанных с техногенным загрязнением подземных вод. Имеющаяся к настоящему времени информация позволяет предположить, что повышенные по сравнению с фоном концентрации указанных компонентов также имеют региональные особенности распространения, изучение которых станет задачей будущих исследований с применением ИКС ГМГС.

Рис.10 Гистограмма соотношений содержания стронция в карбонатных породах и подземных водах касимовского водоносного горизонта.

Применение ИКС ГМГС для оценки природных аномалий состава подземных вод на примере Московской области