Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экология и охрана поверхностных и подземных вод от антропогенного воздействия в регионе ЦЧО

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора географических наук, Смирнова, Алла Яковлевна, Москва

| наук \

5 Налалъхшк,У1гравлекия БАК России ; Смирнова Алла Яковлевна

Экология и охрана поверхностных и подземных вод от антропогенного воздействия в регионе ЦЧО

Специальность 11.00.11 —

охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (географические науки)

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени

н . и

доктора географических наук \\ лУ

Москва 1997

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Викторов Алексей Сергеевич; доктор геолого-минералогических наук, профессор Питьева Клара Ефимовна; доктор географических наук, профессор Смольянинов Владимир Митрофанович

Ведущая организация: Государственный комитет по охране

окружающей среды Воронежской области

Защита состоится т /¿^ с на

у.

заседании диссертационного совета Д'120.59.03 в Государственном университете по землеустройству по адресу: 103064, Москва, ул Казакова, 15.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета по землеустройству по адресу: 103064, Москва, ул.Казакова, 15.

Диссертация в виде научного доклада разослана У<г..-~..-- ¿-/^у- 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук З.В. Козелкина

Введение

В процессе научной работы автора в составе кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Воронежского Государственного Университета основным объектом исследований являлись подземные и поверхностные воды гидросферы, их геохимия, охрана и рациональное использование. Значение исследований по указанным проблемам, фундамент которых заложен В.И. Вернадским, постоянно возрастает, поскольку полученные новые данные являются основой, без которой невозможно совершенствование представлений о генезисе и закономерностях распространения подземных вод в земной коре, разработка прогнозно-оценочных критериев, создание мер рационального использования природных вод и их охраны.

Начиная с 1963 г., научные интересы автора были сосредоточены на проблемах геохимии подземных вод в связи с генезисом и гидрогеохимической зональностью вод северо-западного Предкавказья, а позднее Воронежской антеклизы (5, б, 7, 8,9, 10, И, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 20, 41, 43, 45, 49); охраны и рационального использования подземных вод, эволюции химического состава пресных вод зоны активного водообмена литосферы в природных и интенсивно техногенных условиях (1, 3, 5, 6, 18, 19, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 30, 48, 49, 56, 72, 74), формирования экологического состояния гидросферы на территории крупных и малых промышленно-городских агломераций ЦЧО (4, 28, 30, 33, 37, 41, 42, 43, 45, 46, 47, 52, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 60, 64,65, 68,69, 70, 71, 73, 74, 75, 77, 79),генетических особенностей, закономерностей формирования и распространения бальнеологических групп минеральных вод на территории Воронежской антеклизы (5, 6, 7, 56, 61, 62, 67, 69), региональной оценки естественной защищенности основных эксплуатационных горизонтов грунтовых и напорных вод Центрально-черноземного экономического района России, нашедшей отражение в построенном комплекте специальных экологических карт зоны аэрации и зоны насыщения (2, 3, 4, 32, 34, 35, 38, 39, 40, 48, 49, 50).

Результаты этих исследований составили основу настоящего научнрге доклада.

Актуальность проблемы .

Экологическое состояние гидросферы в настоящее время существенно трансформируется под давлением крупномасштабного антропогенного ?оз-. действия, вызывая дестабилизацию ее ресурсов и химического разнообразия. "(Этот процесс, наблюдающийся во всех регионах России наглядно прояв-|ляется в Черноземье, на территории которого размещаются развитые промышленные и сельскохозяйственные области: Воронежская, Белгородская, 'Липецкая, Тамбовская с предприятиями черной металлургии, тяжелого машиностроения, атомной тепло- и электроэнергетики, химической и горнодобывающей промышленности.

| Экологические последствия антропогенного воздействия на природ-1ную среду оказались весьма негативными. Строительство водохранилищ, цсброс неочищенных стоков, извлечение из карьеров КМА горных пород в |отвалы, забор подземных вод водозаборами, газо-дымовые выбросы пред-

г

приятии и транспорта в атмосферу, химизация сельского хозяйства привело к загрязнению атмосферы, литосферы, гидросферы.

Интенсивное использование водных ресурсов в густонаселенных районах, прессинг техногенеза способствовали загрязнению и истощению неоген-четвертичных, меловых и девонских эксплуатационных водоносных горизонтов, что повысило дефицит в чистых, питьевых водах в регионе ЦЧО.

Рациональное использование поверхностных и подземных вод во многом определяется опасностью их загрязнения. Загрязнение грунтовых и напорных вод эксплуатационных горизонтов тесно связано с загрязнением окружающей среды в целом. Это основополагающее положение концепции водоохранных мероприятий по защите подземных вод от загрязнения послужило основанием для исследования и картирования естественной защищенности грунтовых и напорных вод. Естественная защищенность подземных вод определяется совокупностью природных факторов, препятствующих проникновению поверхностного загрязнения в водоносные горизонты; главные из которых - глубина залегания уровня грунтовых вод, мощность и дитолого-фациальная изменчивость слабопроницаемых отложений в зоне аэрации, мощность разделяющего водоупора грунтовых и напорных вод. Очевидно, что выявление закономерностей изменчивости в плане и разрезе природных факторов, является весьма актуальной задачей при региональной оценки естественной защищенности подземных вод. Наконец, все еще остаются недостаточно изученными очаги фильтрации, представляющие собой фильтрационные "окна" в водоупорных горизонтах. Раскрытие этих вопросов возможно в рамках проведения исследований естественной защищенности подземных вод от загрязнения на территории Воронежской ан-теклизы.

Использование водных ресурсов в целях водоснабжения населения малых и крупных промыпшенно-городских агломераций и в сельской местности в соответствий с требованиями сегодняшнего дня невозможно без выяснения влияния антропогенных факторов на гидрохимический режим формирования подземных вод, без обоснования прогнозирования изменения пространственно-временных характеристик качества питьевых вод. Важно отметить, что несмотря на длительную историю исследований водных ресурсов и множество публикаций (работы B.C. Ильина, A.A. Дубянского, И.В. Гармонова, М.Г. Валяшко, М.И. Львовича, Н.И. Коронкевича,В.С. Самариной, А.Е. Ходькова, Е.В . Посохова, И.А. Федосеева, Ф.И. Тютюновой, С.Р.Крайнова, Е.А. Лушникова, В.В. Иванова, К.Е. Питьевой, И.Я. Фурмана, К.Б. Жаггара, ЮЛ. Скурлатова и многих других) в целом проблемы эволюции химического состава подземных вод в природных и техногенных условиях, их охраны от загрязнения и истощения все еще остаются недостаточно изученными. Это в полной мере касается территорииЦЧО, где вопросы анализа формирования природной гидрохимической зональности подземных вод и ее изменение под влиянием антропогенного фактора требуют более тщательного изучения. Выявление всего многообразия химического состава подземных и гидравлически с ним взаимосвязанных поверхностных вод, детальная характеристика их типов и подтипов, генетического сходства и различия, характера их размещения в региональном плане. Решение этих вопросов является одной из основополагающих задач, раскрывающих пути

генезиса и эволюции природной и техногенной гидрохимической зональности подземных и поверхностных вод.

Другой проблемой, имеющей актуальное значение при генетических построениях, является установление закономерностей преобразования компонентного состава грунтовых вод в обстановке техногенного влияния, поскольку техногенез в конечном счете приводит к глубоким изменениям макро- и микроэлементного состава вод, определяет новые геохимические условия водной среды, обусловливает формы нахождения, миграцию химических элементов, масштабы накопления элементов-загрязнителей и в конечном итоге способствует формированию техногенно-геохимических провинций на территории малых и крупных промышленно-городских агломераций.

В современных условиях особое место в социально-экономической структуре Воронежской антеклизы приобретают ресурсы пресных и минеральных вод, сосредоточенные в трещиноватых водоносных зонах докем-брийского кристаллического фундамента и осадочном чехле. В связи с этим решение вопросов формирования, генетической эволюции химического состава бальнеологических групп минеральных вод, особенностей их распространения в геологических недрах Воронежского края, их освоение исключительно актуально.

Цель и задачи исследований

Целью работы является дальнейшее развитие представлений о взаимодействии литосферы, гидросферы, атмосферы ЦЧО в естественных и нарушенных антропогенной деятельностью условиях. Региональная оценка естественной защищенности подземных вод от загрязнения. Выявление экологических изменений в водных системах и донных отложениях в условиях динамики речного стока, закономерностей формирования и распространения пресных и минеральных вод, их экологической дестабилизации, использование и охрана.

В свете основной цели решались следующие задачи:

- изучение региональных геолого-литологических, гидродинамических и гидрогеохимических условий формирования и распространения генетических типов пресных и минеральных вод в геологическом разрезе Воронежской антеклизы и возможности их рационального использования;

- оценка глубины залегания уровня грунтовых вод в зависимости от рельефа местности, мощности и литологии слабопроницаемых отложений зоны аэрации и разделяющих напорные и безнапорные водоносные горизонты водоупоров;

- анализ закономерностей формирования естественной защищенности подземных вод эксплуатационных горизонтов в связи с их охраной от загрязнения;

- исследование современной трансформации химического состава поверхностных и грунтовых вод в природных и нарушенных техногенезом условиях;

- исследование экологического состояния гидросферы, поверхностной литосферы в пределах крупных промышленно-городских агломераций и малых городов и формирование техногенно-геохимических провинций;

- анализ последовательности формирования генетических химических типов и бальнеологических групп минеральных вод Воронежской области.

Фактический материал, методы исследования и личный вклад автора

В основу диссертации положен фактический материал, полученный автором в процессе многолетних (1965-1996)гг.комплексных литолого-фациальных, гидродинамических, гидрогеохимических и экологических региональных исследований, всесторонне характеризующий различные генетические типы подземных вод разновозрастных отложений геологического разреза Воронежской антеклизы, их ресурсы и охрану от загрязнения. Исследования проводились по комплексным программам и планам, разрабатывавшимся в Воронежском государственном университете, научно-исследовательским темам, гидрогеохимическими и эколого-гидрогеологическими разделами которых автор руководил или являлся ответственным исполнителем. В 1973-1980 гг. проводился ряд комплексных госбюджетных и хоздоговорных гидрогеохимических исследований по изучению подземных вод магматических пород докембрия и терригенно-карбонатных пород палеозоя и мезозоя в целях решения государственной проблемы сброса промстоков в глубокозалегающие горизонты на территории Воронежской, Липецкой, Тамбовской, Брянской, Тульской, Пензенской областей и Мордовской республики. Изученные подземные воды геологических недр отражают все многообразие и последовательность формирования генетических и химических типов в зависимости от климатических, физико-географических, литологических, тектонических, неотектонических и гидродинамических природных факторов. Они характеризуются широкими вариациями минерализации (от пресных до крепких рассолов), химического состава, рН,ЕЬ условиями водной среды, сульфатности и газовой компоненты.

Одновременно выполнялись исследования по региональной комплексной программе "Биоценоз и охрана Воронежского водохранилища" коллективом сотрудников биолого-почвенного и геологического факультетов ВГУ. Автором впервые для г. Воронежа положено начало изучения изменения гидрогеологических условий территории под влиянием водохранилища, формирования экосистемы: поверхностные воды водохранилища - грунтовые воды техногенных - химических типов и загрязненности поверхностных и грунтовых вод. В период 1975-1985 гг. автором лично или совместно с коллегами геологического и химического факультетов в качестве научного руководителя и ответственного исполнителя выполнен ряд комплексных исследований в рамках тем, проводившихся по заданию ГКНТ 01-05, по программе Минвуза России "Человек и окружающая среда", по госбюджетной теме НИЧ-55 "Водные ресурсы ЦЧЭР, их охрана и рациональное использование", по планам важнейших тематик "Программа КМА". Автором изучены грунтовые воды неоген-четвертичных, меловых и напорные воды девонских отложений на территории промышленно-городских агломераций Ли-

пецка, Воронежа в условиях влияния техногенеза, водохранилищ и поверхностных вод крупных рек Воронежа, Дона и малых рек: Потудань, Усмань, Ивница и др. Изучены месторождения вод плиоцен-четвертичных отложений, эксплуатируемые водозаборами г. Воронежа, Липецка, меловых отложений района КМА.

Подземные воды этих месторождений характеризуются восполнением запасов инфильтрацией поверхностных вод рек бассейна Дона, водохранилищ и, в связи с этим, проявлением загрязнения тяжелыми металлами, органическими веществами, сине-зелеными водорослями, азотными соединениями.

В период 1988-1990 гг., в рамках программы "Человек и окружающая среда" автором совместно со специалистами геологического факультета и производственных организаций ПО «Центргеологии», института "ВСЕГИНГЕО" выполнено исследование природных факторов естественной защищенности грунтовых и напорных вод эксплуатационных горизонтов от загрязнения в Центральном черноземном регионе (Липецкая, Тамбовская, Воронежская области) и прилегающей территории (Рязанская, Калужская, Тульская области). Оценка антропогенных и техногенных источников загрязнения способствовала раскрытию причин влияния техногенеза на окружающую среду. Изучение глубины залегания уровня грунтовых вод, анализ мощности слабопроницаемых отложений зоны аэрации и разделяющих грунтовые и напорные воды водоупоров на столь обширной территории нашло отражение в составленном комплекте карт естественной защищенности подземных вод от загрязнения в масштабе 1:500000,

В 1990-1996 гг. по программе Воронежской областной администрации "Георесурсы" и в рамках программы госбюджетной темы НИЧ-55 "Экология, рациональное использование и мониторинг водных экосистем региона ЦЧЭР" проведено исследование минеральных вод Воронежской области в девонских и докембрийских отложениях на месторождениях "Белая Горка", "Углянец", "Икорец" и перспективных площадях северо-восточной части Воронежской области. Выполнены работы в рамках программы научно-исследовательских работ по теме 'Теория и методы эколого-геохимического прогнозирования изменения гидросферы ЦЧЭР", по программам конкурсных грантов Воронежской областной администрации, по хоздоговорным темам, финансируемым комитетами экологии и охраны природных ресурсов г.г. Воронежа и Усмани.

В этот период автором, как ответственным исполнителем, проведено исследование источников загрязнения тяжелыми металлами экогидроси-стемы грунтовые воды - воды Воронежского водохранилища - воды бассейна р. Воронеж. Изучен весь спектр генетического и геохимического разнообразия загрязняющих элементов в атмосферных осадках, почво-грунтах, поверхностных и подземных водах. Загрязняющие элементы (тяжелые металлы, азотные соединения) характеризуются широкими масштабами распространения по территории, проявляя тенденцию к формированию техно-генно-геохимических провинций.

Для решения поставленных задач возникла необходимость широкого комплексирования исследований, методологической основой которых являлся системный подход. Применяемые методы заключались:

- в информационно-поисковых исследованиях, в анализе и обобщении фондовых и опубликованных материалов по региональной геологии, литологии, тектонике, гидрогеохимии и гидрогеологии;

- в привлечении наряду с традиционными методами гидрогеохимии, гидрогеохимического и эколого-гидрогеохимического картирования, палео-гидрогеологического анализа для изучения региональных закономерностей формирования и эволюции химического состава по�