Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Эколого-гидрогеологические условия северной части Перекопского перешейка
ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Тихоненко, Юрий Эрнстович, Москва

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОГЕОЛОГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

(ВСЕГИНГЕО)

Удк: 550:502.7 (477.75)

На правах рукописи

ТИХОНЕНКОВ ЮРИЙ ЭРНСТОВИЧ

ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ПЕРЕКОПСКОГО ПЕРЕШЕЙКА

Специальность 04.00.06 - гидрогеология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители: д. г.-м. н. Барон В.А., к. г.-м. н. Голицын М.С.

Москва 1999 год

Содержание

Введение 4

1. Природно-геологические условия 7

1.1. Физико-географические условия 7

1.1.1. Рельеф, почвы, растительность 7

1.1.2. Климат 7

1.1.3. Гидрография 11

1.1.4. Экономико-географическое положение 14

1.2. Геологическая и гидрогеологическая изученность 14

1.3. Стратиграфия 2 О

1.4. Тектоника 28

1.5. История геологического развития 3 О

1.6. Геоморфология 3 2

1.7. Гидрогеология 3 3

1.7.1. Общая характеристика 33

V.

1.7.2. Гидрогеологические подразделения 36

1.7.3. Общие гидрогеологические закономерности 47

2. Техногенные объекты и экогеохимия северной части Перекопского перешейка 51

2.1. Характеристика техногенных объектов 51

2.2. Эколого-геохимическая характеристика компонентов окружающей среды 66

2.2.1. Атмосфера у 66

2.2.2. Педосфера 68

2.2.3. Биосфера 69

2.2.4. Естественная поверхностная гидросфера 71

2.2.5. Гидролитосфера 72

3. Эколого-гидрбгеологические условия района 79

3.1. Предпосылки изучения эколого-гидрогеологических условий 79

3.2. Эколого-гидрогеологические условия 90

3.3. Обоснование используемой теории движения подземных вод 92

4. Особенности оценки гидрогеодинамических условий районов развития разноплотностных подземных вод 100

5. Математическое моделирование геофильтрации 120

5.1. Математическая модель 120

5.2. Методика 126

5.3. Характеристика программы 128

5.4. Исходные данные 133

5.5. Результаты 145

V.

Заключение 166

Литература 173

Список литературы по теме диссертации 188

Приложение 1. Геологическая карта Перекопского перешейка. Масштаб 1:200000.

Приложение 2. Гидрогеологическая карта Перекопского перешейка. Масштаб 1:200000.

Приложение 3. Схема эколого-гидрогеологических условий северной части Перекопского перешейка. Масштаб 1:50000.

«

Введение

Актуальность работы. Экологическая гидрогеология является одним из разделов экологической геологии - научного направления, изучающего литосферу в экологических целях. Подземные воды, являясь самым динамичным компонентом геологической среды, оказывают существенное влияние как на собственно экосистемы, так и на геологическую среду. Закономерности движения подземных вод важны для изучения водного баланса территории, миграции химических элементов. Изучение гидрогеодинамики района является обязательным этапом его исследований в экологических целях. Необходимость учета плотности воды при гидрогеодинамических расчетах возникает в условиях активного водообмена в приморских областях, в зоне континентального засоления, в местах сброса высокоминерализованных промышленных стоков и др. Все эти условия имеются на Перекопском перешейке Крыма, где расположены рапохранилища и накопители-испарители. На участке, прилегающем к кислотонакопителю КПО "Титан", давно проводятся детальные исследования с целью изучения влияния химических предприятий на окружающею среду и подземную гидросферу, в том числе и с помощью математического моделирования физико-химических процессов и геофильтрации. Однако, исследователи так и не предложили четкой схемы формирования солености подземных вод, а также гидрогеодинамической структуры района, отвечающей на основные вопросы эколого-гидрогеологических исследований.

Целью работы являлось изучение эколого-гидрогеологических условий территории и влияния на них природных и техногенных факторов для оценки условий работы Исходненского водозабора и других гидротехнических сооружений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить структуру и характер эколого-гидрогеологических исследований района;

2. Обобщить имеющуюся информацию об изучаемом районе с точки зрения оценки эколого-гидрогеологических условий;

3. Определить влияние Западного Сиваша на эколого-гидрогеологические условия;

4. Изучить гидрогеодинамическую структуру района;

5. Обосновать расчетную схему геофильтрации района исследований, охарактеризовать зону питания Исходненского водозабора и влияние на него кислотонакопителя КПО "Титан";

6. Обосновать направления дальнейших исследований.

При выполнении работы применялись следующие методы исследований:

• изучение, анализ и обобщение опубликованной литературы и фондовых материалов;

• формально-логический и математический анализ;

• математическое моделирование стационарной геофильтрации вод с переменными физическими свойствами.

Научная новизна.

1. В акватории Западного Сиваша в районе Перекопского перешейка количественно установлено наличие инфильтрации соленых вод из поверхностных водоемов в понт-мэотис-сарматский водоносный комплекс, являющейся основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения в районе;

2. Модифицирована формула свободной плотностной конвекции в пористой среде и рассмотрены условия ее применения;

Практическое значение и реализация работы. Результаты моделирования могут быть использованы для определения источников загрязнения подземных вод и, в частности для прогноза изменения качества воды водозабора.

Разработанная автором компьютерная программа моделирования стационарной напорно-безнапорной фильтрации подземных вод с переменной плотностью и вязкостью может быть использована для других объектов со сходными гидрогеологическими условиями.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались автором на международном симпозиуме "Управление и охрана побережий северо-западного Причерноморья" (Одесса 1996 г.), на III международной конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва, МГГА 1997 г.), на НТС лаборатории региональной гидрогеологии и съемки во ВСЕГИНГЕО.

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре работы и одна находится в печати. Список работ прилагается.

Благодарности. Научное и методическое руководство работой осуществляли д-р. геол.-мин. наук. В.А. Барон и канд. геол.-мин. наук М.С. Голицын, которым автор выражает свою глубокую признательность. Автор также искренне благодарен канд. геол.-мин. наук Е.Г. Тихоненковой, главному гидрогеологу Крымской ГГЭ Н.С. Бурдуковой, главному гидрогеологу СевероКрымской ГГП КГГЭ H.H. Капинос, д-ру. геол.-мин. наук A.B. Лущику, за содействие в сборе исходных материалов; д-ру. геол.-мин. наук профессору И.К. Гавич, д-ру. тех. наук Е.А. Яковлеву, д-ру. геол.-мин. наук профессору И.И. Крашину, канд. геол.-мин. наук Э.П. Тихоненкову, канд. геол.-мин. наук В.И. Соболеву, преподавателю кафедры математики МГГА A.B. Михайловой за внимание и ценные советы; канд. тех. наук Е.А. Полшкову, канд. геол.-мин. наук И.Н. Полшковой, канд. тех. наук JI.B. Семендяевой, главному специалисту-гидрогеологу АЭПа А.Е. Тюнину за ценные советы и консультации по методике математического моделирования, главному геологу ВНИПИИ-стромсырье Л.Д. Ефимову за техническое обеспечение процесса выполнения данной работы, сотрудникам ОИЗа ВНИПИИстромсырье (В.Л. Ефимову, A.C. Цебрикову, М.А. Ефимовой) за помощь в оформлении работы.

1. Природно-геологические условия

г,

1.1. Физико-географические условия

1.1.1. Рельеф, почвы, растительность

Центральная и южная части рассматриваемого района относятся к равнинному Крыму, а именно к Перекопскому перешейку, соединяющему Крымский полуостров с Причерноморской низменностью (рис. 1.1). Северная часть - к Причерноморской низменности.

Согласно физико-географическому районированию территории Украины (по Попову А.П.) характеризуемый район расположен в пределах южной подзоны степной зоны. Абсолютные отметки поверхности земли изменяются от 0.Ом до 30.Ом. Присивашская равнина плавно повышается к югу, где переходит в центральную возвышенную равнину, слаборасчлененную оврагами. Однообразие широкого степного равнинно-волнистого пространства нарушается немногочисленными балками и подами, извилистыми заливами Сиваша, местами далеко врезающимися в материк.

Почвы малогумусированные, темно-каштановые. Растительность: типчак, ковыль, полынь и др. Вдоль побережья Черного моря и Сиваша, а также в подах почвы каштановые, солонцеватые и солонцы; здесь произрастают лисохвост, пырей, молочай и др.

1.1.2. Климат

Климат района является приморско-степным и имеет переходный характер от мягкого климата западной Европы к континентальному восточноевропейских областей. Он обусловлен деятельностью циклонов и смягчается частыми южными ветрами.

рис. 1.1. Схема расположения района исследований

iwr Масштаб 1:200000

„ 800о в 1см 2 км ,

lili I

Условные обозначения [ i Моделируемая область.

Административная граница между Крымской республикой и Херсонской областью. ---- Дамбы.

Цифрами на схеме обозначены:

1 - Крымское производственное объединение "Титан".

2 - Сивашский анилино-красочный завод.

3 - Огаркохранилище.

4 - Исходненский водозабор

5 - г.Армянск.

(\ _ ГТ ГТрППА^Л'ЦГГ'ТОиТГ/ГиПТЛ^О

Среднегодовая температура 9.2-11.9 °С. Самый холодный месяц - январь со средней температурой -5 °С, самый жаркий месяц - июнь со средней температурой +24 °С. Число часов солнечного сияния от 2100 до 2500 в год.

Зима теплая, малоснежная, с частыми туманами, со средней дневной температурой 2 - минус 3 °С. Лето жаркое, сухое; дневная температура 25-26 °С. Весна и осень очень кратковременные, дневная температура 4-12 °С.

Район расположен в "продуваемой" зоне с осью вдоль Геническ-Черноморское и характеризуется большой повторяемостью слабых и умеренных ветров. Суммарная продолжительность ветра со скоростью более 13 м/с не превышает 13-15 суток. На летне-осенний период приходится большая часть штилей. Минимум скоростей приходится на сентябрь и составляет 3-5 м/с. На величину скорости ветра оказывает влияние акватория Сиваша, увеличивая ее при ветрах со стороны водоема. Ветры северо-восточного, восточного и северного направлений составляют около половины всех ветров.

В годовом ходе повторяемости направлений ветра наблюдаются следующие особенности:

• в зимне-весенний период преобладает восточный и северовосточный ветер (февраль-март скорость ветра 6-8 м/с);

• летом и осенью увеличивается повторяемость неустойчивого по направлению ветра, и преобладание какого-либо направления явно не выражено (скорость 4-5.6 м/с).

Среднегодовое количество осадков 316-364 мм/год, максимальное 503580 мм/год, минимальное 177-247 мм/год. Осадки в году распределяются крайне неравномерно. Большая их часть - 230-240 мм - выпадает в летний и осенний периоды в виде кратковременных дождей, между которыми наблюдается период засушливой погоды. Сведения об атмосферных осадках с 1971 по 1994 гг. приведены в таб. 1.1. Длительность обильных осадков (30 мм и

более за сутки) не более одного-двух дней. Среднее количество дней с осадками не превышает 86 из них снежных 24. Из анализа многолетнего хода сумм осадков, количество лет с последовательно большим значением осадков составляет один-три года.

Относительная влажность воздуха невысокая и резко понижается в летние месяцы (май-сентябрь): в районе пос. Аскания-Нова 35-50 %, в приморских районах (с. Хорлы) 55-70 %.

I *.

Таб. 1.1.

Количество осадков на территории Западного Сиваша. [114]

Год Осадки, мм Год Осадки, мм

1971 205.2 1984 344.8

1972 173.1 1985 467.9

1973 427.4 1986 234.1

1974 301.6 1987 311.6

1975 245.5 1990 320

1976 726.4 1991 300

1977 470.0 1992 305

1978 493.1 1993 300

1979 357.8 1994 192

1980 341.3

Снежный покров незначительный и неустойчивый, мощностью до 20 см. Средняя продолжительность его залегания 5-10 дней. Среднее испарение с поверхности воды 934 мм/год; для рапы Сиваша 870 мм/год; то же за вычетом осадков соответственно составит 630 и 573 мм/год. По данным Вознесенского A.B. (1929) испаряемость рапы Сиваша составила 1000-1100 мм/год. Годовые суммы испарений на территории степного Крыма составляют: 314 мм/год (пгт. Черноморское) - 460 мм/год (Кленино).

Район находится в зоне недостаточного увлажнения.

1.1.3. Гидрография

Гидрографическая сеть района развита слабо. Имеются только два постоянных водотока (реки Каланчак и Чатырлык). Временными водотоками являются балки, большинство из которых впадает в Сиваш. Широко представлены морские водоемы: Западный Сиваш (залив Азовского моря), Кар-кинитский залив Черного моря. В юго-восточной части расположен ряд соленых озер: Янгул, Красное, Старое, Круглое, Киятское, Кирлеутское.

Река Чатырлык имеет хорошо выраженную широкую долину и впадает в восточную часть Каркинитского залива. В настоящее время фактически является сбросным каналом для дренажных вод.

Река Каланчак местами пересыхает в сухое время года. Впадает в Ка-ланчакский лиман Каркинитского залива.

В районе исследований естественные гидрографические условия сильно изменены хозяйственной деятельностью человека. Искусственные объекты: Северо-крымский канал и отводящие каналы, Исходненское водохрани-

ч

лище, бессточный кислотонакопитель жидких промышленных отходов.

Перекопский перешеек омывается с запада Каркинитским' заливом Черного моря, с востока Сивашем - заливом Азовского моря, имеющим с ним затрудненную связь.

Средняя глубина Сиваша 0.5-1.0 м, максимальная глубина - 1.5 м. Дно иловатое, сильновязкое. Режим Сиваша непостоянен, наиболее низкий уровень бывает летом. С ноября по декабрь он постепенно повышается. Максимальный уровень весной и зимой. Уровни в Сиваше представлены в таб. 1.2. В настоящее время Западный Сиваш - искусственно зарегулированный бассейн [98]. На востоке он ограничен Кугаранской дамбой, которая соединяет м. Кугаран с м. Джангор. В Западный Сиваш насосной станцией № 1 Пере-

копского бромного завода перекачиваются рассолы из Среднего Сиваша. На 10.1993 г. уровень в Западном Сиваше составил 0.95 м.

Температура воды средняя +13.9 °С, максимальная +30 °С, минимальная -2.5 °С. Ледяной покров тонок и непрочен.

Высота нагонной волны в Сиваше достигает 0.5 м при скорости ветра 13-15 м/с; отметка дна акватории -0.8 м. Минерализация воды в Сиваше в

Таб. 1.2

Изменение среднемесячных уровней воды в Сиваше за 1947 г. [131]

Проливы месяцы сред, год

I II III IV V VI VII VII IX X XI XII

Чонгарский 0.39 0.41 0.55 0.49 0.52 0.48 0.37 0.31 0.19 0.21 0.43 0.45 0.36

Гениче-ский 0.91 0.91 1.10 1.11 1.19 1.14 1.08 1.00 0.96 0.85 0.59 0.80 0.96

разные годы изменяется от 282 до 337 г/л. Соленость повышается в период с мая по ноябрь. Это обусловлено тем, что испарение почти в три раза, в это время, превосходит поверхностный сток и атмосферные осадки.

Дно Каркинитского залива песчано-илистое, местами иловатое. Водный режим непостоянен. В осеннее время уровень воды в заливе понижается на 0.9 м ниже уровня моря. Залив обычно замерзает. Появляется лед в середине декабря и исчезает во второй половине марта.

Берега озер обрывистые высотой от 3 до 14 м. Глубина от 0.5 до 2.0 м. Уровни (за исключением озер накопителей промстоков и рапохранилищ) на 3.0 - 4.0 м ниже уровня моря. Озера Старое и Янгул превращены в рапохра-нилища, а оз. Красное в накопитель-испаритель промышленных отходов. Информация об абсолютных отметках уровня воды в водоемах и ее минерализации приведена в таб. 1.3.

Северо-крымский канал, имеющий ширину до 50 м, глубину до 3 м, скорость течения до 0.5 м/с, пересекает весь описываемый район с севера-

запада на юго-восток. В нем течет вода из Каховского водохранилища (р. Днепр) на Крымский полуостров.

Исходненское водохранилище расположено в северной части Перекопского перешейка и заполняется водой из Северо-Крымского канала. Водоем поделен дамбой на две части. Северная часть является источником технического водоснабжения КПО "Титан", а южная - Сивашского анилино-красочного завода.

Кислотонакопитель образован в акватории Сиваша и отделен от него дамбой. Проектная абсолютная отметка уровня жидкости +2.0 м.

таб. 1.3

Данные о водных объектах [112,119 и др.]

Тип водоема Наименование водоема Абсолютная отметка уровня воды, м Минерализация воды, г/л

Морские объекты Сиваш 0.67-0.95 190 -337

Каркинитский залив -0.4 17-22.5

Озера Янгул 5-7 316-346 ^

Красное 1.97 46-460

Старое , -2.87 230-322

Круглое -1.51 215-244

Кирлеутское -3.2

Киятское -193

Водохранилища. КПО "Титан" 8.4 0.7

САКЗ 7.2 14.5

Другие техногенные объекты Кислотонакопитель 1.3-3 50-164

Огаркохранилище 2.5-4.7 7,5-9,9

СКК 14 0.2-0.4

1.1.4.Экономико-географическое положение Характеризуемый район расположен в пределах Крымской автономной республики (юго-восточная часть) и Херсонской области Украины (северная

у

и северо-западная части). В целом район отличается высокой степенью осво-инности и населенности. На территории расположены несколько городов и пгт. с населением более 2000 человек [95] (Армянск, Каланчак, Краснопере-копск, Мирное, Чаплинка) и более мелкие населенные пункты. Развиты химическая, строительная, пищевая и др. виды промышленности, которые в основном сосредоточены в городах. Химическая промышленность представлена Крымским производ�