Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Азотное техногенное загрязнение подземных вод и обоснование их охраны на месторождениях конусов выноса

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Азотное техногенное загрязнение подземных вод и обоснование их охраны на месторождениях конусов выноса"

ч о ■■: о

МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО)

На правах рукописи

УДК 556.388:2.044:(-925.22/23)

КОВАЛЕВСКИЙ Юрий Владимирович

АЗОТНОЕ ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОДЗЕМШХ ВОД И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ОХРАНА НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КОНУСОВ ВЫНОСА (НА ПРИМЕРЕ ВАХШСКОГО КОНУСА ВЫНОСА)

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1990

Работа выполнена во Всесоюзной научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) Министерства геологии СССР.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор В.Ы.Гольдберг.

Официальные оппонента: доктор геолого-минералогических

наук, профессор С.С.Бондаренко (ВЗПИ);

кандидат технических наук А.Б.Орадовская (ВОДГВО).

Ведущая организация - ПО "Цен*ргеология".

Защита диссертации состоится " " 1990 г. в

10 ч. на заседании специализированного совета К.071.11.01 по присуждению ученой степени кандидата геолого-минералогических наук при Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЁО) по адресу:142452, Московская область, Ногинский район, пос.Зеленый, ВСЕГИНГЕО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в работе специализированного совета или прислать Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан " " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, канд. геол.-ыин. наук 'Ы.Цнпина,— И.М.Цыпина

сертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема охраны подземных вод от загрязнения имеет особенно важное народнохозяйственное значение для районов, где подземные воды являются важнейшим, а подчас и единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения. К таким районам относятся конуса выноса предгорий Средней Азии, в том числе в долине р.Вахш в Таджикистане. В верхней части этой долины произошло загрязнение азотистыми соединениями крупнейшего в этом регионе Калининабадского месторождения пресных подземных вод, приуроченного к передовой части Вахшского конуса выноса. Основным источником загрязнения является промплошадка Вахшского аэотно-тукового завода (ВАТЗ). Вопросы, связанные с изучением загрязнения подземных вод на этом месторождении и борьбой с ним, явились темой настоящего исследования.

Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что, с одной стороны, она посвящена одному из наиболее распространенных видов загрязнений - нитратно-аммонийному, а с другой стороны, тем, что это загрязнение произошло на одном из крупнейших месторождений пресных подземных вод в Таджикской ССР, относящемся к типовым для этого региона месторождениям конусов выноса. Поэтому проведенные исследования имеют не только конкретное практическое значение применительно к данному месторождению, но и гораздо более широкое общее методическое значение в связи с частым проявлением нитратно-аммонийного загрязнения и распространенностью указанного типа месторождений подземных вод. Ьтим можно объяснить и тот факт, что загрязнение подземных вод исследуемого района явилось предметом активного обсуждения на страницах местной печати. О нем упоминалось также в ряде публикаций в центральной прессе.

Основные задачи исследований:

1) изучение закономерностей распределения нитратно-аммонийного азота в плане и в вертикальном разрезе конуса выносА;

2) изучение динамики загрязнения подземных вод в условиях работы защитного водозабора;

3) изучение структуры фильтрационного потока подземных вод конуса выноса в нарушенных условиях с применением цифрового моделирования как основы прогноза развития загрязнения;

4) разработка предложений по водоохранным мероприятиям для защиты подземных вод и основных положений по организации водоохранной зоны в передовой части Вахшского конуса выноса.

Методика исследований включала:

- обобщение и анализ фондового и опубликованного материала по условиям формирования и распространения загрязнения в подземных водах (Ф.М.Бочевер, Н.Н.Лапшин, А.Е.Орадовская, 1979; Ф.М. Бочевер, А.Е.Орадовская, 1972; В.М.Гольдберг, 1973, 1976, 1979; З.М.Гольдберг, С.Газ да, 1984; Е.Л.Минкин, 1967, 1972, 1973; ¿.И. Тютюнова и др., 1978; В.М.Шестаков, 1961, 1980; Е.В.Пиннекер, 1979; В.А.Мироненко, В.Г.Румынии, В.К.Учаев, 1980; В.А.Миронен-ко, Е.В.Мольский, В.Г.Румынии, 1988; В.И.Лялько и др., 1980; Ж.Фрид, 1981; Н.И.Плотников, С.Краевский, 1983; К.Е.Питьева,1984 и др.);

- получение аналитических зависимостей и моделирование с использованием ЬВМ с целью изучения структуры фильтрационного потока подземных вод в нарушенных условиях для различных вариантов геофильтрационных схем;.

- анализ условий распространения загрязняющих азотистых соединений в подземных водах при работе защитного водозабора с помощью построения серии погоризонтных карт содержания нитратов, аммония и суммарного азота.

Научная новизна работы:

1) установлены закономерности поступления, накопления и переноса азотистых веществ в подземных водах Вахшского конуса выноса;

2) выполнена пространственно-временная характеристика распространения азотного загрязнения подземных вод на основе его картографического отображения;

3) установлено преимущественное загрязнение подземных вод Вахшского конуса выноса аммонийным азотом как по интенсивности, так и по площади (площадь распространения загрязнения нитратами существенно меньше);

4) изучена структура фильтрационного потока подземных вод Вахшского конуса выноса в нарушенных условиях, установлена возможность подтягивания загрязнения к существующему хозяйственно-питьевому водозабору;

5) разработаны предложения по созданию водоохранной зоны в передовой части Вахшского конуса выноса и комплекс мероприятий, направленных на локализацию и ликвидацию существующего очага загрязнения и предотвращения поступления новых порций загрязнения подземных вод.

Практическая значимость работы заключается в том, что исследованы закономерности развития ареала загрязнения подземных вод, разработаны мероприятия по локализации существующего очага загрязнения и предотвращению его дальнейшего развития на крупнейшем в Вахшской долине месторождении пресных подземных вод, разработана методика исследований и даны рекомендации по организации водоохранной зоны для месторождений конусов выноса, расположенных в аналогичных условиях.

Реализация работы. Научно-методические результаты работы переданы и внедряются в практику исследований Курган-Тюбинской ГТП ПО "Таджикгеология", используются Чирчикским филиалом ГИАП Минудобрений СССР при разработке проекта реконструкции Вахшского азотно-тукового завода с одновременной реализацией комплекса водоохранных мероприятий на промплощадке завода.

Апробация работы. Основные положения зашиваемой диссертационной работ докладывались и обсуждались на Всесоюзном гидрогеологическом семинаре "Гидрогеологические исследования межгорных впадин" (с.Курское, Киргизская ССР, 1984 г.); на республиканской научно-практической конференции "Итоги гидрогеологических и инженерно-геологических работ в Таджикистане и направления дальнейших исследований" (Душанбе, 1985 г.); на Всесоюзной школе передового опыта "Изучение загрязнения подавших вод на опытно-произво; ственных полигонах" на ВДНХ СССР (1987 г.); на 33-й конференции молодых ученых ВСЕГИНГЕО (1968 г.); на Азербайджанской республиканской конференции молодых ученых и специалистов по проблемам геологии и геофизики (Баку, 1988 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ и две находятся в печати.

Объем и структура работа. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на страницах машинописного текста, включает рис. и 18 табл. и список литературы из 80 наименований.

Автор глубоко благодарен доктору геолого-минералогических наук, профессору В.М.Гольдбергу за научное и методическое руководство работой. Автор также искренне признателен сотрудникам лаборатории математических методов ВСЕГИНГЕО А.А.Плетневу и JI.B. Семендяевой, авторам программы TOPAS , за помощь в методике пользования программой при выполнении моделирования на ЕС-1055 и ЕС-1046.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глаза I. ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ УСЛОВИЯ ВАХШСК0Г0 КОНУСА ВЫНОСА

Долина р.Вахш занимает пониженную часть ижно-Таджикской депрессии и представляет собой межгорную синклинальную впадину. Длина долины составляет примерно 95 км, ширина варьирует от 10 до 30 км. На исследуемом участке ширина долины составляет 25 км.

Главной водной артерией района является р.Вахш, сток которой полностью зарегулирован - расход реки зависит от режима сброса воды в створе Головной ГЭС. Максимальный среднемноголетний расход составляет 2170 i^/c, минимальный - 135 »Р/с.

Техногенная нагрузка на изучаемую территорию определяется следующими факторами: расположением здесь крупного Калининабадско-го хозяйственно-питьевого водозабора; широким развитием крупных магистральных и ирригационных каналов; наличием в головной части конуса выноса (в области питания месторождения пресных подземных вод) промышленной зоны, в которую входит несколько десятков предприятий (заводы, нефтебазы, заправочные станции, склады ядохимикатов, аэропорт и т.д.), являющихся потенциальными источниками загрязнения подземных вод и главного выявленного источника загрязнения - Вахшского азотно-тукового завода.

Калининабадский хозяйственно-пытьевой водозабор расположен на левом берегу р.Вахш в 1300-1700 м от её русла и в 2800 м от ВАТЗ. Запасы .месторождения утверждены в ГКЗ СССР в 1967 г. в количестве 223,7 тыс.м^/сут (2588 л/с). Водозабор состоит из 8 эксплуатационных скважин глубиной 45 м. Эксплуатация водозабора началась в 1967 г., к 1975 г. его расход достиг 500-600 л/с при понижении в центре водозабора 5-6 м. Дальнейшее увеличение производительности водозабора ограничивается из-за опасности подтягивания к нему загрязненных вод со стороны промплощадки ВАТЗ,находящейся выше по потоку подземных вод от водозабора.

В 600 м на запад от ВАТЗ и примерно в 2200 м от хозяйственно-питьевого водозабора, близ Вахшского магистрального канала, расположен защитный водозабор, в задачу которого входит локализация и ликвидация существующего очага загрязнения. Водозабор представляет собой линейный ряд из 10 скважин обшей протяженностью 395 м при расстояниях между скважинами от 35 до 65 м. Глубина скважин защитного водозабора составляет 98 м. Проектная производительность защитного водозабора 20-25 тыс.м^/сут. Фактический расход защитного водозабора значительно меньше и составлял 5-7 тыс.^/сут. Откачиваемые воды ..сбрасываются по бетонному лотку в р.Вахш. Начиная с 1988 г. водозабор практически не работает, что связано с опасностью загрязнения реки вследствие сброса в неё откачиваемых загрязненных подземных вод.

Через изучаемую территорию проходят крупные оросительные каналы: Вахшский магистральный канал, канал "Северная ветвь" и другие, широко развита сеть мелких ирригационных каналов. Каналы представляют собой естественные дрены в гравийно-галечниковых отложениях и практически не имеют бетонной гидроизоляции. Наиболее крупным является Вахшский магистральный канал - его ширина 25 м, глубина 5 м. Ширина канала "Северная ветвь" так-же 25 м, а глубина - 3 м. Средняя величина расхода по Вахшскому магистральному каналу составляет до 10 млн.vr/год при максимальных расходах в головной части канала до 180-200 кР/с и минимальных - 140 ы^/с. Потеря воды на фильтрацию из каналов составляет до 16-27 % <Пла-нин, 1971).

Впервые загрязнение подземных вод Вахшского конуса выноса азотистыми веществами было обнаружено в 1970 г. по скважинам,рас-

положенным вблизи ВАТЗ. Изучение причин загрязнения подземных вод позволило выявить следующие основные источники загрязнения: промплошадка ВАТЗ, коллектор условно чистых стоков (проложен от северной границы ВАТЗ к р.Вахт), коллектор хозяйственно-фекальных стоков (проложен от г.Калининабада к очистным сооружениям г.Курган-Тюбе через территорию ВАТЗ), пруды-отстойники очистных сооружений г.Калининабада (расположены в головной части конуса выноса восточнее коллектора условно чистых стоков).

В сточных водах ВАТЗ преобладает аммонийный и нитратный азот, поэтому загрязнение подземных вод обусловлено повышенным содержанием в них азотистых веществ, главным образом аммонийного и нитратного азота.

Для изучения закономерностей распространения загрязнений на территории месторождения создан опытно-производственный гидрогеологический полигон "Вахтский".

Глава 2. ГЕ0Л0Г0-ГИЦР0ГЕ0Л0ГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПЕРЕДОВОЙ ЧАСТИ ВАЖНОГО КОНУСА ВЗНОСА (УЧАСТОК ОШТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПОЛИГОНА "ВАХШСКИЙ")

Изучаемая территория занимает северную часть левобережья,к которой приурочен конус выноса, сложенный аллювиальными отложениями четвертичного возраста. Непосредственно исследуемый участок сложен отложениями аму-дарьинского комплекса ( £^у), которые широко распространены в Вахшской долине и слагают первую надпойменную террасу, высокую и низкую поймы и современные русловые отложения р.Вахш.

Верхняя часть разреза конуса выноса сложена мелкозернистыми песками, супесями и, западнее хозяйственно-питьевого водозабора, суглинками. Так^м образом, строение верхней части разреза конуса выноса не обеспечивает естественной защищенности подземных вод от проникновения в них с поверхности земли загрязнений. Нижняя часть разреза представлена мощной гравийно-галечниковой толщей, к которой и приурочен эксплуатируемый и загрязняемой водоносный горизонт. Мощность отложений конуса выноса закономерно увеличивается с востока на запад от 15-20 м в головной его части, резко возрастая в районе ВАТЗ до 150-200 м. В районе хозяйственно-питьевого водозабора вскрытая мощность составляет 473 м (скв.202).

Полная мощность гравийно-галечниковых отложений не установлена.

Формирование подземных вод происходит в головной и центральной частях конуса выноса. Главным источником питания подземных вод конуса выноса является инфильтрация пресных речных вод. Кроме того, широко развитая сеть ирригационных каналов и поливных сельскохозяйственных угодий также служит источником питания подземных вод. Атмосферные осадки в питании подземных вод имеют подчиненное значение.

Движение подземных вод в естественных условиях осуществляется вдоль осевой линии конуса выноса и имеет юго-западное направление. По мере удаления от головной части конуса выноса поток подземных вод в естественных условиях приобретает существенно "веерообразный" характер, градиент его составляет 0,006-0,008.

Разгрузка подземных вод в естественных условиях осуществляется за счет дренирования водоносного горизонта реками Вахш -и Шурдарья ниже участка исследований. В значительно меньшей степени разгрузка подземных вод происходит за счет испарения и транс-пирации.

В пределах водоносного горизонта можно выделить два слоя, различавшихся по своим фильтрационным свойствам. Верхний слой мощностью до 30-40 м в районе ВАТЗ представлен хорошо промытыми гравийно-галечниковыми отложениями с разнозернистам песчаным заполнителем; удельные дебита скважин - от 6-12 до 30-50 л/с«м, коэффициенты фильтрации - от 20-30 до 100-140 ц/сут. Нижний слой слагается галечниками с разнозернистам песчаным заполнителем, в котором отмечается повышенное содержание суглинистых частиц, отмечается увеличение уплотнения галечниковых отложений, и появление прослоев галечниковых конгломератов на карбонатном цементе. Нижний слой характеризуется удельными дебитами 3-8 л/с«м и коэффициентами фильтрации 10-13 м/сут. В целом для Вахшского конуса выноса характерно ухудшение фильтрационных свойств по вертикали и по мере удаления от реки.

В естественных условиях подземные воды Вахшского конуса выноса на большей части исследуемой территории пресные, о минерализацией 0,5-0,9 г/л, сульфатно-гидрокарбонатно-кальциёвые. В целом пресные воды занимают локальную область, внутри которой находится ВАТЗ и другие техногенные объекты.

Глава 3. УСЛОВИЯ НМОШЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ АЗОТИСТЫХ

СОВДИНЕНШ В ПЩЭДЭД ВОДАХ ВАХШСКОГО КОНУСА

Интенсивное загрязнение подземных вод Вахюского конуса выноса началось после того, как здесь был построен Вахшский азот-но-туковый завод, размешенный в области питания подземных вод конуса выноса. Отсутствие естественной защищенности подземных вод от проникновения загрязнений с поверхности земли, расположение завода выше по потоку подземных вод относительно водозабора, периодические утечки и аварийные сбросы в скважины промышленных стоков привели к образованию постоянного очага загрязнения подземных вод азотистыми веществами. По наблюдательным скважинам опытно-производственного полигона загрязнение прослеживается на глубину 250 м. Есть основания предполагать, что загрязнение распространяется и на большие глубины.

Вследствие различной интенсивности водообмена в верхней и нижней частях разреза, различий в фильтрационных свойствах,наблюдается тенденция к дифференциации загрязнения по вертикали: в верхах разреза, в окислительной обстановке, происходит накопление и перенос нитратов; в нижней части разреза, в восстановительной обстановке, преобладает аммоний.

В целях изучения динамики загрязнения подземных вод в плане и разрезе была построена серия специальных карт. Карта загрязнения выполнялись отдельно для аммония, нитратов, нитритов и суммарного азота в масштабе 1:25 ООО. В дальнейшем было установлено, что карты последнего типа фактически дублировали карты, построенные для аммония, содержание которого в подземных водах значительно превышает концентрации нитратов и, тем более, нитритов, то есть изменения в содержаниях нитратов и нитритов оказались несущественными на фоне режима концентраций аммония.

Для изучения динамики загрязнения карта по каждому компоненту строились на различные периоды времени; были построены карты по кварталам каждого года за весь период изучения. Были построены карты максимальных содержаний аммония, нитратов и нитритов на каждый год исследований в целях изучения наиболее неблагоприятных ситуаций в распространении загрязнения и карта усредненных харак-

теристик для каждого из загрязняющих компонентов также на каждый год исследований.

В целях изучения характера распространения загрязнения подземных вод не только по плошади, но и в разрезе были построены все виды вышеперечисленных карт для глубин 15, 30, 60 и 90 м. Здесь следует отметить, что наиболее информативными оказались карты, построенные для глубин 15 и 30 м, что определялось малым количеством глубоких скважин (особенно до начала строительства Вахшского опытно-производственного полигона).

Таким образом, анализ динамики области загрязнения базировался на обширной и представительной картографической основе.

В вертикальном разрезе отмечается дифференциация видов загрязнений. Анализ данных определений концентраций загрязняющих азотистых веществ по наблюдательным скважинам и гидрохимическим кустам и по построенным картам распространения загрязнения позволяет выделить в вертикальном разрезе три основные зоны, характеризующиеся различной степенью и типом загрязнения подземных вод.

В верхней зоне, простирающейся до глубин 30-35 м от дневной поверхности, воды не загрязненные или слабо загрязненные. Концентрации аммония составляют в основном десятые доли иг/л, нитратов - единицы и первые десятки мг/л, нитритов - тысячные и сотые доли мг/л. Предельно допустимые концентрации (ВДК) по азотным соединениям здесь практически не превышаются. Исключение составляют лишь скважины, расположенные на территории ВАТЗ, в очаге загрязнения, где концентрации превышают ЦЦК, что является доказательством наличия постоянных утечек на поверхности земли с технологических сетей завода. Минерализация.подземных вод в верхней зоне варьирует в пределах 0,4-0,В г/л. В очаге загрязнения она достигает 7-10 г/л, рН ■ 6,8-7,8.

В средней зоне, располагающейся в интервале от 30-35 до 7075 м, минерализация подземных вод составляет 0,7-0,9 'г/л, а рН= 7,0-6,2. Концентрации аммония в этой зоне составляют первые сотни мг/л, а в очаге загрязнения отмечаются концентрации до и свыше I г/л. Концентрация нитратов составляет десятки мг/л, реже первые сотни мг/л.

Нижняя зона наиболее изучена до глубины 100-150 и. Минерализация подземных вод в ней изменяется в пределах от 0,5 до 1,2 г/л, рН=6,8-&,2, а в очаге загрязнения возрастает до 7,69,1, причем с увеличением глубины также отмечается увеличение значений рН. Концентрации аммония, накопление которого преимущественно осуществляется в глубоких частях разреза, повсеместно превышает предельно допустимые значения, достигая сотен мг/л в очаге загрязнения.

Продвижение загрязнения осуществляется тремя "языками": I) от основного очага загрязнения в сторону хозяйственно-питьевого водозабора; 2) вдоль трассы хозяйственно-фекального коллекг тора из района г.Калининабада через промплощадку ВАТЗ в сторону г.Курган-Тюбе; 3) от района очистных сооружений г.Калининабада и коллектора условно чистых стоков ВАТЗ по направлению к хозяйственно-питьевому водозабору.

Первый "язык" характеризуется наибольшими концентрациями аммония и нитратов в подземных водах. Продвижение второго "языка" осуществляется по потоку подземных вод, причем наличие загрязнения выше по потоку подземных вод относительно основного очага загрязнения в районе г.Калининабада, а также значительно ниже очага загрязнения и района хозяйственно-питьевого водозабора по потоку подземных вод в районе г.Курган-Тюбе свидетельствует о повсеместности утечек бытовых стоков из хозяйственно-фекального коллектора. Перенос загрязнения подземными водами в третьем направлении также в целом соответствует потоку подземных вод в естественных условиях. Значения концентраций загрязняла их веществ в этом "языке" в несколько раз ниже, чем в основном очаге, что, тем не менее, не позволяет его недооценивать.

Продвижение фронта загрязнения осуществляется неравномерно, носит "пульсирующий" характер, ухудшение гидрохимической обстановки чередуется с периодами улучшения. Это объясняется влиянием ряда факторов: прежде всего периодичностью утечек загрязняющих подземные воды промышленных стоков в очаге загрязнения, а также увеличением инфильтрационного питания подземных вод в период интенсивного полива сельскохозяйственных угодий, увеличением питания подземных вод в период паводков из поверхностных водотоков, влиянием периодической работ защитного водозабора.

Была выполнена оценка масштабов загрязнения подземных вод в условиях работы защитного водозабора (за период его работы с 1981 по 1987 гг.). В результате установлено, что работа защитного водозабора даже с производительностью значительно меньше проектной, с перерывами в эксплуатации способствует локализации области загрязнения. Можно сделать вывод об относительной стабилизации области загрязнения и о проявлении тенденции к сокращению площади загрязнения и уменьшению концентрации аммония и нитратов в подземных водах. Для закрепления тенденции улучшения гидрохимической обстановки необходимо обеспечить эффективную и постоянную работу защитного водозабора и утилизацию откачиваемых вод, в том числе рассмотреть возможность их использования для целей орошения, обеспечить герметизацию коллектора хозяйственно-фекальных стоков и технологических сетей ВАТЗ, перенос коллектора условно чистых стоков вниз по течению за пределы месторождения пресных подземных вод или ликвидацию его.

Глава 4. СУЩЕСТВУЮЩИЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ВЛИЯНИЯ НЕСОВЕРШЕНСТВА РЕКИ НА ПРОЮШДЙТЕЛЬНОСТЬ ВОДОЗАБОРОВ И Mil ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРА ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Для рассматриваемых природных техногенных условий характерны резкое несовершенство вреза реки в мощную водоносную толщу и формирование структуры фильтрационного потока под влиянием водозаборов, реки и естественного движения подземных вод. Данному вопросу посвящены исследования В.М.Григорьева (I960, 1966); В.М. Шестакова (1964, 1979); Ф.М.Бочевера (1965, 1966); Ф.М.Бочевера, М.М.Гнлнбова(1966); Ф.М.Бочевера, Н.Н.Лапшина, Э.М.Хохлатова (1968); Е.Л.Минкина (1967, 1972, 1973, 1976); М.С.Хантуша (1968); Р.С.Штенгелова (1978, 1981).; Н.Н.Лапшина (1978); Э.М.Хохлатова (1979) и ряда других авторов.

Эти исследования основаны на предпосылке фильтрационной однородности на обоих берегах реки. В них не учитывается реальное строение заиленного слоя и величина фильтрационных потерь при вертикальной фильтрации в горизонт. Для водоносных горизонтов большой мощности, с резким различием фильтрационных характеристик в горизонтальном и вертикальном направлениях, значительно возра-.

стает роль вертикальной составлявшей потока. Роль этого фактора становится особенно существенной при несовершенстве эксплуатационных и опытных скважин. Аналитические решения получены вышеуказанными авторами с учетом многих допущений и пригодны для оценочных расчетов в простых гидрогеологических условиях. В реальных сложных гидрогеологических условиях расчеты и прогнозы должны базироваться не только на имеющихся решениях, но и в значительной степени на моделировании. .

В диссертационной работе приведены приближенные аналитические зависимости, полученные с помощью теории функций комплексного переменного для случаев работы двух совершенных водозаборов в условиях потока для неограниченного и полуограниченного с контуром постоянного напора пластов - схем, близких к реальным условиям Вахшского конуса выноса.

Полученные решения довольно громоздки и их затруднительно использовать для оценок размеров "области захвата" водозаборов. Тем не менее, аналитические решения, получаемые, как для работа одиночного водозабора, так и для системы взаимодействующих между собой водозаборных скважин в различных условиях позволяют,с достаточной точностью, оценить размеры "области захвата" водозабора и, следовательно, дать ответ на вопросы - будет или нет загрязнение подтянуто к водозабору, попадет ли вся область загрязнения в "область захвата" или только её часть или вообще не попадет. Важность получения ответа очевидна. По этим аналитическим зависимостям можно также оценить время подтягивания области загрязнения к водозабору. Тем самым аналитические оценки позволяют получить представление о наиболее существенных моментах, определяющих дальнейшую методику исследований, направленных на защиту водозаборов хозяйственно-питьевого назначения от подтягивания к ним загрязненных подземных вод.

Таким образом, аппарат теории функций комплексного переменного даёт возможность получить решение для достаточно простых схем двумерных задач течения в стационарных условиях,исследовать структуру потока подземных вод, получить аналитические решения для оценки скорости течения подземных вод, времени подтягивания некондиционных вод к водозабору.

В диссертационной работе теоретически рассмотрены задачи движения некондиционных вод к водозаборам применительно к схематизированным расчетным условиям Вахшского конуса выноса; движение подземных вод при работе двух водозаборов в неограниченном и полуограниченном с контуром постоянного напора пластах в условиях наличия естественного потока подземных вод. Полученные аналитические зависимости для указанных схем дают возможность описать всю сетку движения подземных вод и определить скорости фильтрации в общем виде и вдоль главной линии тока.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМШХ ВОД В УСЛОВИЯХ РАБОЙ иКСГШЖГАЦИОННЫХ ИЗАШИГНОГО Щ03АБ0Р0В МЕТОДАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭВМ

Цель выполнявшегося моделирования - изучение возможности подтягивания загрязненных азотистыми соединениями подземных $од к существующему и прогнозному хозяйственно-питьевым водозаборам в условиях работы защитного водозабора в сложной гидрогеологической обстановке. При этом решались следующие задачи:

1) Построение фильтрационной схемы изучаемого участка на основе имеющихся фактических материалов.

2) Прогноз возможного характера загрязнения и условий его распространения при различной техногенной нагрузке.

3) Оценка условий загрязнения в различных вариантах природных условий (различная генерализация фильтрационных параметров

и граничных условий) и различной техногенной нагрузки.

При решении фильтрационных задач, учитывая низкую сорбируе-мость нитратов и аммония, а также высокие скорости фильтрации (при коэффициенте фильтрации порядка 100 ц/сут скорость фильтрации в естественных условиях может достигать I м/сут), принималось, что перенос загрязнения осуществляется исключительно конвективным путем.

Решение задач методом моделирования осуществлялось в два этапа:

На первом этапе изучения структуры фильтрационного потока решались обратные плановые стационарные задачи для следуювих схем:

I) однослойный, однородный по' водопроводимости пласт;

2) однослойный неоднородный пласт; водопроводимость при этой задавалась по выделенный ранее зонам;

3) двуслойный пласт с перетеканием между условно выделяемыми водоносными горизонтами: верхний водоносный горизонт с водо-проводимостью в среднем, 6500 м^/сут и нижний водоносный горизонт с водопроводимостью не выше 1000 м^/сут. Вертикальная проводимость условного разделяющего слоя определялась подбором.

На втором этапе исследований выполнялось решение тестовых прогнозных стационарных и нестационарных задач для однослойного пласта. При этом изучалась структура фильтрационного потока,тенденции её изменения при включении в работу проектного водозабора на противоположном берегу р.Вахш при различных комбинациях фильтрационных свойств и граничных условий. Были рассмотрены следую-шие схемы:

1) Неограниченный пласт. Влиянием р.Вахш пренебрегали. Водоносный горизонт принимался как однородным, по водопроводимости, так и неоднородным - задавалась карта водопроводимости, полученная на основании результатов решения обратной задачи. Рассматривались варианта, не учитывающие влияние внутренних границ по ирригационным каналам, прудам и озерам, и варианты с заданием по их контурам граничных условий третьего рода.

2) Полуограниченный пласт с контуром постоянного напора по р.Вахш. Для данной схемы рассмотрена серия задач, аналогичная схеме неограниченного пласта.

3) Пласт с внутренними границами третьего рода по р.Ьахш,каналам, прудам и озерам с одновременной работой как двух существующих водозаборов, так и с добавлением на модели проектного водозабора на противоположном берегу р.Вахш.

Кроме того, были рассмотрены нестационарные .задачи для двухслойного пласта с заданием фактического и проектного водоотбора на всех трех водозаборах.

При решении тестовых задач принималось допущение о совершенстве скважин водозаборов по степени вскрытия водоносного горизонта.

Результаты, полученные при решении стационарных тестовых задач, позволили выполнить ряд прогнозных нестационарных задач.

При этом водоотбор хозяйственно-питьевого, защитного и проектного водозаборов задавался ступенями, среднегодовыми значениями за период с 1967 г. по 2005 г. Были заданы все озера, пруды,отстойники очистных сооружений г.Калининабада, Вахшский магистральный канал и канал "Северная ветвь", а также предусмотрена возможность отрыва уровня от всех поверхностных водотоков. В про-, грамме TOPAS для этой цели задается массив критических значений понижений уровня, после превышения которых осуществляется автоматическая смена граничных условий - отрыв уровней. Критические значения понижения уровня определялись на основании геологической и гидротехнической информации и составили: для прудов, озер и отстойников - 3 м, для р.Вахш и канала "Северная ветвь" -5 м, для Вахшского магистрального канала - 5 и.

В результате решения нестационарных прогнозных задач установлено, что при включении в работу проектного водозабора с производительностью, равной потребности в воде хозяйственно-питьевого назначения, происходит отрыв уровня подземных вод от р.Вахш; отключение защитного водозабора приведет к загрязнению хозяйственно-питьевого водозабора.

Глава 6. ОБОСНОВАНИЕ ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Основным принципом организации водоохранной зоны в передовой части Вахшского конуса выноса является ограничение техногенной нагрузки на территорию и подземные воды. С этой целью предлагается осуществить следующие мероприятия:

I. При размещении, проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию новых и реконструировании старых предприятий, сооружений и других объектов, а также при внедрении новых технологических процессов, влияющих на состояние вод, должно обеспечиваться рациональное использование вод при условии первоочередного удовлетворения питьевых и бытовых нужд населения ("Основы водного законодательства СССР", статья 10). Отсюда следует, что строительство и размещение в пределах водоохранной зоны новых грязе-емких производств должно быть прекращено. В первую очередь должен быть рассмотрен вопрос о предотвращении расширения ВАТЗа в пределах существующей промплощадки.

- 1Ь -

2. В пределах водоохранной зоны необходимо предотвратить поступление новых порций загрязнений с существующих предприятий. В первую очередь это относится к предотвращению утечек на территории ВАТЗ - основного источника загрязнения подземных вод Вахш-екого конуса выноса азотистыми соединениями. С целью предотвращения утечек с технологических сетей ВАТЗ нужно вынести их на эстакады, а также ликвидировать или перенести ниже по течению р.Вахш коллектор условно чистых стоков. Для ликвидации утечек и увеличения пропускной способности коллектора хозяйственно-фекальных стоков необходимо его переложить. На ВАТЗ должен быть организован систематический контроль за утечками промстоков с технологических сетей с целью немедленного их устранения. При проектировании размещения нового производства аммиака и очистных сооружений ВАТЗ следует предусмотреть их расположение в местах с благоприятными условиями с точки зрения естественной защищенности подземных вод.

Кроме того, в пределах водоохранной зоны необходимо осуществить комплекс мероприятий, направленных на выявление потенциальных источников загрязнения подземных вод среди предприятий промышленной зоны. Следует выполнить серию профилактических работ, направленных на ликвидацию возможности поступления с поверхности земли новых видов загрязнений, в частности, заасфальтировать территории многочисленных нефтебаз, автохозяйств, складов ядохимикатов.

3. Для локализации и ликвидации основного очага загрязнения необходима постоянная работа защитного водозабора в течение нескольких лет (при условии прекращения сосредоточенных утечек стоков с поверхности земли). Самым сложным здесь является безопасное удаление откачиваемых загрязненных подземных вод. Один из вариантов утилизации - отведение откачиваемых загрязненных вод на очистные сооружения г.Курган-Тюбе после их реконструкции и увеличения мощности, а также после перекладки коллектора хозяйственно-фекальных стоков. Другой вариант, разработанный Чирчикским филиалом ГИА11 на основании наших рекомендаций, предусматривает их использование после очистки для технического водоснабжения собственно ВАТЗ. [3 настоящее время исследуется также возможность исполь-

зования загрязненных подземных вод, откачиваемых защитным водозабором, для орошения сельскохозяйственных угодий, рассматривается возможность создания опытного участка и сооружение специального водовода, обеспечивающего предотвращение использования этих загрязненных вод в питьевых целях. По этому водоводу загрязненные воды будут отводиться от защитного водозабора на орошение. Наконец, в качестве временной меры не исключается сброс откачиваемых загрязненных подземных вод в р.Вахш при условии, что концентрация по каждому из загрязняющих компонентов в речной воде не превысит предельно допустимую норму. Выполненный аналитический рас-

вод, причем сброс должен осуществляться согласно рассчитанному графику, учитывающему режим расходов р.Вахш.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, сводятся к следующему.

1. Установлены' закономерности поступления, накопления и переноса загрязняющих азотистых веществ в подземных водах Вахшско-го конуса выноса от промплощадки Вахшского азотно-тукового завода. Выявлена вертикальная зональность в распределении загрязняющих азотистых веществ в подземных водах Вахшского конуса выноса: в верхней части разреза в зоне интенсивного водообмена в окислительной обстановке происходит преимущественное накопление нитратов, а в глубоких частях разреза, в восстановительной обстановке, происходит накопление аммонийного азота.

2. Установлено, что продвижение в плане загрязненных подземных вод осуществляется тремя "языками" от различных техногенных объектов. Продвижение фронта загрязнения осуществляется неравномерно, носит "пульсирующий" характер, ухудшение гидрохимической обстановки чередуется с периодами улучшения, что должно учитываться в методике опробования водоносных горизонтов.

3. Показано, что вопреки существующему широкому представлению о большей подвижности нитратов по отношению к другим формам нахождения азота в подземных водах, на территории Вахшского конуса выноса наибольшие площади в плане з'анимает загрязнение аммоний-

чет показал возможность

таких

ным азотом. Поэтому правильнее говорить не о нитратном, а об аммонийно-нитратноы загрязнении подземных вод.

4. Для изучения динамики области загрязнения предложена и применена методика составления на различные периода времени специальных погоризонтных карт по отдельным компонентам загрязнения. Анализ изменения площадей загрязненных подземных вод по этим картам показал, что в условиях работы защитного водозабора происходит стабилизация и даже относительное сокращение площадей ореола загрязнения подземных вод Вахшского конуса выноса. Здесь следует учесть, что защитный водозабор из-за отсутствия возможности утилизации сточных вод работает периодически и не на полную мощность (10-20 % от проектной производительности).

5. На основе моделирования и расчетов по предложенным аналитическим зависимостям изучена структура потока подземных вод Вахшского конуса выноса при различной техногенной нагрузке в условиях несовершенного вреза реки и для разных вариантов схем природных условий. Установлена возможность подтягивания загрязнения к существующему хозяйственно-питьевому водозабору при работе его с проектной производительностью по глубоким частям разреза (глубже 100 м от поверхности земли) или к проектному водозабору на противоположном берегу реки при работе его с производительностью, соответствующей заявленной потребности на перспективу. Перенос загрязнения к хозяйственно-питьевым водозаборам по верхней, наиболее проницаемой части разреза маловероятен.

6. Получены приближенные аналитические зависимости, описывающие сетку движения подземных вод для случаев работы двух совершенных водозаборных скважин в неограниченном и полуограниченном

с контуром постоянного напора пластах в условиях потока.

7. Выполнена оценка возможности работы защитного водозабора и разных вариантов отведения и утилизации откачиваемых загрязненных подземных вод.

8. Проанализированы возможности использования откачиваемых загрязненных азотистыми соединениями подземных вод для целей орошения.

9. Разработаны основные положения по организации водоохранной зоны в передовой части Вахоского конуса выноса, включающие меро-

приятия, направленные на прекращение строительства грязеемких объектов в пределах водоохранной зоны, предотвращение.поступления новых порций загрязненных промышленных стоков с существующих предприятий; локализацию и ликвидацию существующего очага загрязнения подземных вод. Показана необходимость тщательного контроля за выполнением мероприятий за охраной подземных и поверхностных вод от загрязнения.

Исходя из вышеизложенного, основными защищаемыми положениями диссертационной работы являются:

- закономерности поступления, накопления и распространения загрязняющих азотистых соединений в подземных водах Вахшского конуса выноса;

- методика картирования загрязнения подземных вод для целе<* оценки динамики области загрязнения в результате техногенного воздействия на подземные воды;

- исследования структуры потока подземных вод и полученные аналитические зависимости, описывающие сетку движения подземных вод для случаев работы двух водозаборных скважин в неограниченном и полуограниченном с контуром постоянного напора пластах в условиях потока;

- комплекс водоохранных мероприятий, методические положения по организации водоохранных зон на объектах защиты подземных вод от загрязнения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Условия миграции азотистых соединений в подземных водах Вахшского конуса выноса. - В сб.: Гидрогеологические исследования межгорных впадин. Фрунзе: Илим, 1985, с. 195-201 (в соавторстве с В.М.Гольдбергом).

2. Анализ динамики области загрязнения подземных вод под влиянием защитного водозабора (на примере Вахшского конуса выноса). - Водные ресурсы, 1989, № 3, с. 58-63 (в соавторстве с З.М. Гольдбергом, А.П.Барановым, Л.А.Серебряковой).

3. Загрязнение подземных вод азотистыми.соединениями. - В сб.: Изучение условий защищенности подземных вод. М.: ВСЕГИНГЕО, 1986, с. 53-60.

4. Изучение структуры потока подземных вод при работе водозаборов вблизи реки на примере Захшского конуса выноса. - В сб.: Вопросы гидрогеологии, инженерной геологии и геокриологии. Материалы 33-й конференции молодых ученых ВСЕГИНГЁО. Деп. в ВИНИТИ № 2050-В89 от 29.03.89.

5. Загрязнение подземных вод Вахшского конуса выноса и обог снование водоохранных мероприятий. - В сб.: Материалы республиканской конференции молодых ученых и специалистов по проблемам геологии и геофизики. Баку: Ьлм, 1988, 198-199.

Л. - 34112. Подписано в печать 22.02.90. Зак.вЗ

Формат 60x90^/16. Уч.-изд.л. - 1,0. Тираж 100 экз. Ротапринт ВСЕГИНГЕО Московская обл., Ногинский р-н, пос.Зеленый