Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эколого-гидрогеологический анализ состояния подземных вод при региональных исследованиях

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-гидрогеологический анализ состояния подземных вод при региональных исследованиях"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правахрукописи

Шварц Алексей Аркадьевич

ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ РЕГИОНАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Специальность 25.00.36 -геоэкология;

25.00.07 - гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 2004 г.

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор Кнатько Василий Михайлович (Санкт-Петербургский государственный университет)

Доктор геолого-минералогических наук,

профессор Короткое Алексей Иванович (Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)

Доктор геолого-минералогических наук,

профессор Питъева Клара Ефимовна (Московский государственный университет)

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А.П. Карпинского

Защита состоится 22 апреля 2004 г. на заседании диссертационного Совета Д.212.232.47 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9, ауд. 52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета

Автореферат разослан

Отзывы на диссертацию и автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д.7/9, геологический факультет, диссертационный совет Д.212.232.47, ученому секретарю.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук

Бугрова И.Ю.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду требует развития методов региональных эколого-гидрогеологических исследований, прогноза и предупреждения загрязнения. От правильной научно обоснованной оценки качества питьевой воды непосредственно зависит здоровье населения. Поэтому определение качества подземных вод превратилось в одну из самых актуальных ив то же время сложных проблем. Полная оценка качества воды должна включать детальный анализ естественного состава воды с учетом возможного его влияния на здоровье человека и проверку на наличие веществ антропогенного происхождения. Далеко не всякая пресная подземная вода может использоваться для питья, так как содержание в ней микрокомпонентов естественного происхождения может превышать установленные ПДК (предельно допустимые концентрации). С другой стороны, благодаря наличию микроэлементов, питьевая вода может быть не просто пригодной для питья, но и положительно влиять на элементный баланс человека. Таким образом, нужен новый подход к решению данной проблемы, который позволил бы в достаточно короткие сроки и с приемлемыми экономическими затратами определять экологическое качество подземных вод, то есть прогнозировать и оценивать суммарные эффекты воздействия всей совокупности имеющихся в исследуемой воде компонентов на живые организмы и, в частности, на человека.

Проблему региональной эколого-гидрогеологический оценки состояния пресных подземных вод можно разделить на две части. Первая -это собственно оценка качества воды и гидрогеологических условий водоносного горизонта, а вторая - это способы сбора, обработки и представления полученной информации.

Для принятия своевременных управленческих решений по обеспечению охраны и рационального использования подземных вод актуальны разработка и внедрение современных технологий сбора, обработки и представления эколого-гидрогеологической информации. В условиях постоянного взаимодействия человека и подземной гидросферы качество и ряд других характеристик подземных вод меняются очень быстро, и только оперативная обработка и представление всей информации дают возможность своевременно принимать необходимые управленческие решения.

Цели и задачи исследований. Основ!

3

О»

разработка концепции оценки экологического состояния подземных вод, используемых для питья, и развитие методологии прикладных геоинформационных систем в области экологической гидрогеологии. Основными задачами работы в этой связи стали:

- сбор и обобщение фактического материала по маломинерализованным подземным водам Санкт-Петербургского региона;

- исследование макро- и микроэлементного состава маломинерализованных подземных вод с точки зрения их возможного влияния на здоровье человека;

- разработка классификации качества подземных вод, используемых для питья;

- разработка методики оценки защищенности эксплуатируемых водоносных горизонтов, адаптированной к возможностям геоинформационных систем;

- обоснование принципов построения и структуры геоинформационных систем по экологической гидрогеологии;

- верификация разработанных классификаций и методик на примере Санкт-Петербургского региона.

Научная новизна исследований. Предложена классификация качества подземных вод, используемых для питья, опирающаяся на государственные нормативы для питьевой воды и учитывающая свойства воды, влияющие на физиологические процессы в человеческом организме, и специфику подземных вод

Разработана технология сбора, хранения, обработки и представления гидрогеоэкологической информации в рамках геоинформационных систем.

Проведен эколого-гидрогеологический анализ состояния пресных подземных вод Санкт-Петербургского региона. Впервые макро- и микрокомпонентный состав подземных вод рассмотрен с точки зрения его возможного влияния на микроэлементный баланс человека.

Исходные материалы и методики исследований. Исходными материалами работы послужили результаты исследований автора, проводившихся с 1991 года на территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Всего собраны и обработаны данные более чем по тысяче гидрогеологических скважин. Проведен полный гидрохимический анализ воды из 127 эксплуатационных скважин. Кроме того, использованы многочисленные опубликованные и фондовые материалы.

Методика исследований определялась с одной стороны особенностями Главного изучаемого объекта - пресных подземных вод,

приуроченных к различным гидрогеологическим структурам, а с другой -использованием современных компьютерных методов обработки и анализа информации.

Исследование опорных водопунктов включало гидрогеологическое опробование скважин, изучение их разреза и лабораторный анализ качества воды традиционными и новыми методами. Для хранения, статистической и картографической обработки информации и проведения расчетов использовались методы и средства пакетов программ Microsoft Excel, Access и Maplnfo.

Практическая значимость. Разработанные в диссертации положения и полученные результаты позволят административным органам решить задачи перспективного планирования и рационального использования ресурсов пресных подземных вод. Результаты исследований использованы при разработке курса лекций по экологической гидрогеологии и написании учебного пособия. Разработанная технология сбора, хранения, обработки и представления гидрогеоэкологической информации использовалась при проведении совместных работ с Дистанцией водоснабжения Октябрьской железной дороги, ГГП «Севзапгеология» и ГФУП «Петербургская комплексная геологическая экспедиция».

Апробация результатов: Основные положения работы докладывались на международных конгрессах «Вода: экология и технология» (Москва, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002); Пятых Толстихинских чтениях "Современные проблемы гидрогеологии" (Санкт-Петербург, 1996); международной конференции «Закономерности эволюции земной коры» (Санкт-Петербург, 1996); Ирландско-российском семинаре "Аспекты текущей гидрогеологической работы на Северо-Западе России и в Ирландии» (Дублин, Ирландия, 1997); XXVII кошрессе Международной ассоциации гидрогеологов «Groundwater in the Urban Environment» (Ноттингем, Англия, 1997); Всероссийской конференции «Геоэкологическое картографирование» (Москва, 1998); заседании Отделения медицинской географии Русского Географического общества (Санкт-Петербург, 1998); второй всероссийской семинар-конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности специалистов и оснащении лабораторий центров Госсанэпиднадзора» (Санкт-Петербург, 1998); X Всероссийской конференции по медицинской географии (Санкт-Петербург, 1999); Польско-Российском семинаре по геологии и гидрогеологии (Вроцлав, Польша, 1999); Международной

конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование» (Санкт-Петербург, 2000); Второй Всероссийской научно-практической конференции «Научно-методические основы и практика регионального гидрогеологического изучения и картографирования» (Москва, 2001); Международной конференции «Науки о Земле и образование» (Санкт-Петербург, 2002); Международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование» (Санкт-Петербург, 2003).

Работа обсуждалась на заседании кафедры гидрогеологии Московского государственного геолого-разведочного университета (Москва 2003).

Автор выражает глубокую благодарность за поддержку при выполнении работы заведующему кафедрой гидрогеологии СПбГУ профессору А.Н.Воронову, а также всему коллективу кафедры.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 190 страниц текста, 39 рисунков, 19 таблиц и список использованной литературы из 125 наименований.

Первая глава посвящена истории вопроса оценки качества подземных вод используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения. На протяжении последних десятилетий требования к качеству питьевой воды постоянно возрастали. Первоначально, вплоть до XIX века, оценка качества воды проводилась в основном по ее органолептическим свойствам, т.е. на вкус, цвет и запах. В XIX веке по мере все более широкого использования химического анализа воды в Европе появляются первые нормы, регламентирующие ее химический состав. К середине XX века в большинстве развитых стран действуют национальные стандарты, учитывающие уже более двух десятков параметров воды. К началу XXI века число нормируемых параметров превысило тысячу, и в нормирующие документы для ряда жизненно необходимых элементов введены рекомендуемые оптимальные концентрации. Рассматриваются российские, зарубежные и международные документы, нормирующие качество питьевой воды, проводится их сопоставление и анализ. Особое внимание уделено российским санитарным правилам и нормам "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества" и "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости.

Контроль качества".

Вторая глава посвящена вопросу влияния состава питьевой воды на элементный баланс человека. Рассмотрена биологическая роль макро- и микроэлементов, их биохимические свойства. Основное внимание уделено эссенциальным элементам, роли воды в элементном балансе человека.

Чтобы определить содержание, начиная с которого элементы, входящие в состав данной воды, необходимо учитывать при ее характеристике, предложено ввести термин "биологически значимая концентрация". Проведено сравнение рассчитанных нижних пределов биологически значимых концентраций для 49 элементов с максимальными и средними значениями их концентраций в маломинерализованных водах зоны гипергенеза.

В третьей главе рассматриваются методические вопросы оценки качества пресных подземных вод. В первой части обосновывается необходимость применения методов биотестирования. Дается обзор существующих методов, приводятся результаты собственных исследований по применению биотестирования для оценки качества подземных вод. Во второй части приводится разработанная автором общая классификация по качеству подземных вод, используемых для питья.

В четвертой главе рассмотрены геологическое строение и гидрогеологические условия как факторы, определяющие экологическое состояние пресных подземных вод. Основной упор делается на их рассмотрение с позиций влияния этих факторов на стабильность химического состава подземных вод в естественных и техногенных условиях. Проведен анализ существующих методик оценки защищенности подземных вод. Предложена своя методика, ориентированная на применение в геоинформационных системах.

Пятая глава посвящена использованию современных информационных технологий для проведения эколого-гидрогсологического анализа. Рассмотрены принципы построения геоинформационных систем. Дан обзор современных методических подходов и принципов создания электронных (цифровых) карт и баз данных эколого-гидрогеологической тематики. Предложены теоретические основы создания геоинформационных систем по экологической гидрогеологии. В основу предлагаемой концепции эколого-гидрогеологических геоинформационных систем положен подход, заключающийся в создании банка данных, связанного с векторными топографическими и гидрогеологическими картами. Рассмотрена структура банка данных, играющая роль легенды для

традиционных тематических гидрогеологических карт. Предложены алгоритмы расчета в банке данных важных экологических параметров подземных вод. Рассмотрена структура эколого-гидрогеологической геоинформационной системы Санкт-Петербургского региона. Охарактеризованы данные, положенные в ее основу.

В шестой главе представлены, гидрогеологические особенности Санкт-Петербургского региона. Дано описание основных водоносных горизонтов и комплексов. Проанализированы условия формирования химического состава подземных вод. Сделан вывод, что особенно сильно на современном составе подземных вод отразились процессы полиметаллического и уранового рудообразования. Минерализованные седиментогенные воды довольно легко вытесняются в современных гумидных условиях из зоны активного водообмена пресными инфильтрогенными водами, а следы рудной минерализации мы находим в микрокомпонентном составе подземных вод. Связанные с этим высокие содержания микрокомпонентов в пресных подземных водах венда и ордовика часто снижают их качество.

В седьмой главе приведены результаты эколого-гидрогеологического анализа состояния маломинерализованных подземных вод района исследований, используемых для централизованного водоснабжения. Кратко охарактеризована степень их загрязнения, основное внимание уделено их естественному составу. Представлено распределение подземных вод различных горизонтов согласно предложенным классификациям по качеству и защищенности. Выделены и охарактеризованы основные элементы, снижающие качество подземных вод в Санкт-Петербургском регионе.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ 1. Предложен на классификация качества подземных вод, опирающаяся на существующие государственные нормативы для питьевой воды, учитывающая свойства воды, влияющие на физиологические процессы в человеческом организме, и специфику подземных вод. При характеристике качества воды должны быть рассмотрены все элементы, поступление которых в организм с водой может сказываться на общем микроэлементном балансе человека.

В настоящее время качество воды, как правило, определяется путем сравнения величин содержания в воде различных компонентов с утвержденными их предельно допустимыми концентрациями. Если

превышений ПДК не обнаружено, вода считается годной к употреблению для питьевых целей.

Однако представляется, что для полной оценки качества питьевой воды необходимо от однозначных оценок типа "пригодна - не пригодна" переходить к определению ее природных свойств влияющих на здоровье человека. Предельно допустимые концентрации, установленные стандартами, определяют не столько высокое качество воды, сколько ее относительную безвредность для человеческого организма. В 1964 году профессор П.Е.Калмыков писал: "Вода, принимаемая внутрь, в натуральном виде или в виде напитков, а также в составе пищи, с полным основанием может рассматриваться как питательное вещество в точном смысле этого понятия". Повышенное содержание в пищевом рационе любого элемента вызывает различные отрицательные последствия. Однако низкие содержания целого ряда элементов также представляют опасность для организма человека. В.В .Ковальский к таким, биологически активным, элементам отнес К, Ca, Mg, Li, Rb, Fe, Си, Zn, Ga, Со, №, Mn, Mo, Cd, Сг, Т1, V, Sг, Ba, О, I, Б, Se, As. А.П.АВИЦИН с соавторами к наиболее жизненно необходимым (эссенциальным) микроэлементам относят Li, Бе, Си, Zn, Со, №, Мп, Мо, Сг, V, I, Б, 8е, As, Si, а к кандидатам Cd, РЬ, 8п и Rb. Ю.И. Москалев отмечает, что в организме человека содержатся все химические элементы периодической системы, биологическая роль многих из них еще не изучена, например Li, С8, Sc, А1, Ва, В, Rb, Ве, Ag, Ga, Ge, Hg, Р1, Bi, Ti, Sb, и, Те, Ra и многих других. Однако отсутствие такой информации еще не означает их биологическую инертность. Замещая биологически значимые элементы в различных важных в физиологическом отношении соединениях (белки, в том числе ферменты, нуклеиновые кислоты, гормоны, витамины) и структурных образованьях (оболочки клеток, матрица костной ткани и др.), они могут существенно влиять на протекание биохимических и физиологических процессов. Их избыток или недостаток может служить причиной многих болезней, вызывая нарушения на молекулярном и субмолекулярном уровнях.

Помимо этого, между элементами в процессе их усвоения организмом могут происходить различные взаимодействия. Например - аннигиляция, когда некоторые из элементов начинают активно "мешать" усвоению организмом других элементов или синергизм - положительное взаимовлияние элементов. Таким образом, необходимо рассматривать все элементы.

При выборе водоисточника, кроме ПДК, следует ориентироваться на

оптимальные содержания того или иного компонента, а также учитывать другие элементы, поступление которых в организм с водой может сказываться на общем микроэлементном балансе человека. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о необходимости классификации подземных вод по качеству с учетом содержания в них биологически активных компонентов. Так, наряду с просто незагрязненными водами, т.е. нетоксичными, имеющими положительный результат при различных видах биотестирования, следует выделять воды "высшего качества", содержание биологически активных компонентов, в которых близко к оптимальному значению. В этой связи интересно мнение Ю.А.Рахманина с коллегами, которые предложили ввести для питьевых вод понятие "яорректировочного качества". К этой категории предложено отнести пресную воду с повышенным (относительно ЦДК) содержанием тех или иных биологически активных компонентов. Использовать ее рекомендуется для лечебных целей или в районах, где содержание данных элементов понижено в почве и поверхностных водах. Вода корректировочного качества занимает промежуточное положение между питьевыми и минеральными водами. Систематизация подземных минеральных (лечебных) вод проводится, как правило, по лечебным факторам или специфическим компонентам по общепринятым классификациям.

Если качество воды не соответствует требованиям нормативных документов для питьевой воды, их классификация может быть проведена по степени опасности превышающих ПДК компонентов и сложности технологии требуемой очистки. Можно выделить две категории качества: удовлетворительное и плохое. К водам удовлетворительного качества относятся те, где превышены ПДК по органолептическим показателям и которым требуется простая очистка аэрированием (от сероводорода, радона или легко окисляемого железа), и/или простая реагентная очистки для обеззараживания (например, для воды с повышенным содержанием коли-бактерий). К плохим по качеству водам относятся те, где превышены ПДК по токсикологическим показателям и которым требуется комплексная, сложная реагентная очистка.

В таблице 1 сведены основные показатели естественного состава вод по которым различаются требования к качеству воды для централизованных систем питьевого водоснабжения, фасованной воды первой категории и высшей категории.

С учетом вышеизложенного, автором была разработана классификация качества подземных вод, используемых для питья, согласно

которой можно выделить:

1. Неудовлетворительное качество: превышение одним и более техногенными компонентами ПДК по токсикологическим и/или по органолептическим показателям, а также превышение ПДК по токсикологическим показателям одним или несколькими компонентами естественного состава подземных вод.

2. Удовлетворительное качество: превышение одним и более компонентами естественного состава ПДК по органолептическим показателям и/или несоответствие воды требованиям СанПиНа 2.1.4.107401 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества" по микробиологическим показателям.

3. Соответствие СанПиНу: вода должна отвечать требованиям СанПиНа 2.1.4.1074-01.

4. Первая категория: вода не должна содержать вещества антропогенного и техногенного происхождения. При проведении биотестирования оценка должна быть положительной. Концентрации компонентов естественного происхождения должны соответствовать требованиям, предъявляемым СанПиНом 2.1.4.1116-02 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества" к питьевой воде первой категории.

5. Высшая категория: при сохранении всех позиций предыдущей категории, концентрации компонентов естественного происхождения должны соответствовать требованиям, предъявляемым СанПиНом 2.1.4.1116-02 к питьевой воде высшей категории.

Исключение может составлять только оптимальное содержание йода, при его низких концентрациях предлагается проводить йодирование исходной природной воды. Это связано с тем, что в большинстве пресных подземных вод содержание йода существенно ниже рекомендованного нижнего предела содержания (40 мкг/л). Также к специфике подземных вод можно отнести требование отсутствия веществ антропогенного происхождения в водах первой и высшей категорий качества. СанПиН 2.1.4.1116-02 допускает их наличие, хотя и в незначительных количествах.

На рисунке 1 представлена схема данной классификации.

При характеристике качества воды, помимо отнесения ее к соответствующей категории качества, должны быть рассмотрены все элементы, поступление которых в организм с водой может сказываться на общем микроэлементном балансе человека. Сейчас в пресных подземных

водах, на современном аналитическом оборудовании, количественно определяется около 80 химических элементов. Уровни их концентраций могут изменяться от десятков миллиграммов до тысячных долей микрограмма в литре.

Таблица 1.

Основные показатели естественного состава, по которым различаются требования к качеству воды для централизованных систем питьевого водоснабжения, фасованной воды первой категории и высшей категории

Показатель Единицы измерения Питьевая вода >

Централизованных систем Первой категории Высшей категории

РН 6-9 6,5 -8,5 6,5 -8,5

Минерализация мг/л 1000 1000 200-500

Жесткость мг-экв/л 7 7 1,5-7

Бикарбонаты мг/л - 400 30 - 400

Хлориды мг/л 350 250 150

Сульфаты мг/л 500 250 150

Нитраты мг/л 45 20 5

Кальций мг/л - 130 25-80

Магний мг/л - 65 5-50

Натрий мг/л 200 200 20

Калий мг/л - 20 2-20

Алюминий мг/л 0,5 0,2 0,1

Барий мг/л 0,1 0,7 0,1

Марганец мг/л 0,1 0,05 0,05

Молибден мг/л 0,25 0,07 0,07

Никель мг/л 0,1 0,02 0,02

Ртуть мг/л 0,0005 0,0005 0,0002

Серебро мг/л 0,05 0,025 0,025

Свинец мг/л 0,03 0,01 0,005

Сурьма мг/л 0,05 0,005 0,005

Хром (6+) мг/л 0,05 0,05 0,03

Бор мг/л 0,5 0,5 0,3

Мышьяк мг/л 0,05 0,01 0,006

Бромид ион мг/л 0,2 0,2 0,1

Фторид ион мг/л 1,5 1,5 0,6 - 1,2

Иодид ион мкг/л - 125 40-60

Чтобы определить содержание, начиная с которого элементы, входящие в состав данной воды, необходимо учитывать при ее характеристике, мы предлагаем ввести термин "биологически значимая концентрация" (БЗК). Это концентрация, при которой поступление элемента в организм с водой может сказываться на общем микроэлементном балансе человека.

В основу одного из возможных подходов к определению биологически значимых концентраций мы предлагаем положить результаты статистических исследований - среднесуточного потребления человеком различных элементов с пищей, водой и воздухом. За нижний предел биологически значимой концентрации (НПБЗК) нами принимается величина, при которой поступление элемента в организм с питьевой водой составляет 5% общего среднестатистического поступления. Ежесуточное потребление питьевой воды принято равным 2 л. Анализ работ Ю.И.Москалева, Дж.Эмсли, Доклада рабочей группы экспертов международного комитета по радиационной защите и ряда других публикаций позволил рассчитать НПБЗК для всех элементов по которым есть сведения об их среднесуточном потреблении организмом среднестатистического человека.

Вода, соответствующая требованиям СанПнНа 2.1.4.1074-01

Рис. 1. Классификация качества подземных вод, используемых для питьевых целей

В таблице 2 приведены среднесуточное потребление элементов, рассчитанные НПБЗК для воды, максимальные и средние значения

концентраций элементов в маломинерализованных водах зоны гипергенеза.

Все микроэлементы, содержащиеся в маломинерализованных подземных водах в различных концентрациях, можно разделить на две группы. Первая - элементы, содержащиеся в БЗК; вторая - элементы, содержащиеся в концентрациях, которые не могут оказать существенного влияния на микроэлементный баланс человека. При этом первую группу следует разделить на две подгруппы 1а - элементы с концентрациями, регионально повышенными по сравнению с ПДК, и 16 - элементы, концентрации которых не превышают ПДК.

Таблица 2

Среднесуточное потребление элементов, рассчитанные НПБЗКдля воды, максимальные и средние значения концентраций элементов в маломинерализованных водах зоны гипергенеза *

Элемент Среднее потребление, мг/сут ** НПБЗК, мг/л Порядок максимальных концентраций, мг/л*** Среднее значение для вод зоны гипергенеза, мг/л ****

Провинции выщелачивания Провинции засоления

1 2 3 4 5 6

Алюминий, А1 15 0,375 0,п; п 0.19 0.37

Барий, Ва 0,8 0,02 0,п 0.014 (1034

Бериллий, Ве 0,01 0,00025 0,00п 0.00016 £>,00033

Бор, В 1,3 0,0325 п 0.(Ш1 0.248

Бром, Вг 7,5 0,1875 0,п 0.0408 0.263

Ванадий, V 1 0,025 0,00п 0.001 0.002

Висмут, В| 0,01 0,00025 <0,00п - -

Вольфрам, W 0,01 0,00025 0,0п - -

Германий, Ое 1 0,025 0,00п - -

Железо, Бе 15 0,375 п-10 ол.ш

Иод, I 0,15 0,00375 0,п Ь.оой 0.010

Иттрий, У 0,016 0,0004 0,0п

Кадмий, Сс! 0,1 0,0025 0,0п 0.00022 0.00042

Калий, К 3000 75 п-10 1.84 18.4

Кальций, Са 1100 27,5 п-100 27.4 т

Кобальт, Со 0,3 0,0075 0,00п О.ОООЗЗ 0 00062

Кремний, Б! 10 0,25 п-10 Ш 2Ш

Литий, 1Л 1 0,025 0,п 0.0062 Ь.039.7

Магний, 300 7,5 п-100 Ш т

Марганец, Мп 3,7 0,0925 0,п 0.0343 В. 135

Медь, Си 3,5 0,0875 0,0п 0.004 0.012

Молибден, Мо 0,25 0,00625 0,0п 0.00116 0.00412

Мышьяк, Ав 0,05 0,00125 0,0п р:()0-124 6 00193

Натрий, Ыа 4500 112,5 п-100 13.8 т

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 1 5 | 6

Никель, N1 0,3 0,0075 0,0п 0.00311 0.00547

Ниобий, ]МЪ 0,25 0,0065 0,0п 0.00045 -

Олово, Эп 3 0,075 0,0п 0.00035 0.00054

Радий, ^Яа 2-10* 5,0-1 От" п-10"10 2.5-10''3 1.28-10"12

Ртуть, Нй 0,015 0,00037 0,00п 0.000041 -

Рубидий, ЯЬ 2,2 0,055 0,0п 0.00181 0.00205

Свинец, РЬ 0,4 0,01 0,0п 0.00218 0.00612

Селен, Бе 0,15 0,00375 0,0п 0.00045 0.00178

Сера, Б 850 21,25 п-100 4.13 ша

Серебро, Ag 0,05 0,00125 0,0п 0.00022 0.00044

Скандий, 8с 0,00005 0,000001 0,00п 0.00007

Стронций, вг 2 0,05 п-10 ШР1 ЙЗЙ

Сурьма, 8Ь 0,05 0,00125 0,0п 0.00064 0.00086

Тантал, Та 0,001 0,000025 0,00п - -

Титан, 0,8 0,02 0,п 0.00696 влет

Торий, ТЬ 0,0003 0,000007 0,0п 0.000« йзОШЗ

Углерод, С 300000 7500 п-100 28.72 68.65

Уран, и 0,0015 0,000037 0,0п 0.00056 №00433

Фтор.Р 2 0,05 п-10 0,33 ш

Хлор, С1 4000 100 п-100 10.1

Хром, Сг 0,15 0,00375 0,0п 0.00278 0.004031

Цезий, Се 0,01 0,00025 0,0п 0.00018

Цинк, 7п 13 0,325 0,п 0.0303 0.0856

Цирконий, 7л 2 0,05 0,00п 0.00016 0.000137

Полоний, Ро 7-10'12 1,75-10"1' - -

*- серым цветом выделены концентрации превышающие НПБЗК **- по данным Ю.И.Москалева, Дж.Эмсли и др. *** - Крайнев С.Р., Швец В.М. -1987 *♦**- Шварцев С.Л.-1998

Из приведенных в таблице 2 данных следует, что исходя из порядка максимальных концентраций химических элементов, обнаруживаемых в маломинерализованных подземных водах, подавляющее число элементов может содержаться в пресных водах в БЗК. Среднее содержание 22 элементов в подземных водах зоны гипергенеза превышает рассчитанные НПБЗК (а, F, Са, Mg, Si, Fe, Sr, Br, В, Mn, Ba, Ti, Li, J, Cr, As, U, Cs, Th, Be, Sc), из них 7 элементов характерны только для провинций континентального засоления (С1, Br, Mn, Т^ Li, Сг). При этом средние концентрации 5 элементов I, Fe, А1, Мп) не соответствуют требованиям установленным для питьевых вод высшей категории качества. Для подземных вод провинций выщелачивания таких элементов четыре I, Fe, К), а для подземных вод провинций засоления таких компонентов 12 (Э04, С1, ^ Вг, I, А1, Si, Fe, Мп, РЬ, Ве).

15

Введенное нами понятие "биологически значимая концентрация" позволяет определить круг микроэлементов в анализируемой воде, интересных с точки зрения влияния на здоровье человека, употребляющего данную воду для питья. НПБКЗ не представляет собой нормативной величины, а служит только ориентиром для гидрогеолога и может уточняться в процессе дальнейших исследований в области медицины человека. С другой стороны, представляется необходимым при характеристике качества воды указывать средние содержания не только макрокомпонентов, но и всех элементов, содержащихся в биологически значимых концентрациях.

Все вышесказанное говорит о необходимости тщательного исследования естественного макро- и микрокомпонентного состава подземных вод при оценке их экологических свойств.

2. Для геоэкологической характеристики гидрогеологических условий водоносного горизонта необходимо учитывать степень его защищенности от проникновения загрязнения с поверхности земли, величину водопроводимости и вероятность подтягивания или перетока вод другой категории качества в условиях эксплуатации.

Геологическое строение и гидрогеологические условия в значительной степени определяют экологическое состояние пресных подземных вод. В первую очередь ими определяется макро- и микрокомпонентный состав подземных вод. А во вторую — защищенность и буферность водоносных горизонтов в условиях антропогенного воздействия.

При рассмотрении факторов влияния геологического строения на химический состав подземных вод необходимо учитывать условия формирования различных геологических структур, их фациальный, литологический и минеральный состав, палео- и современные гидрогеологические условия. Следует иметь в виду, что в литологически сходных водовмещающих породах, имеющих различные условия формирования, может быть различный набор акцессорных минералов. Особенности геологического строения территории, наравне с палео- и современными гидрогеологическими условиями и физико-химическими условиями перехода элемента из твердой фазы в раствор, должны учитываться при разработке перечня элементов, которые необходимо определять в воде в первую очередь, или при поиске причин, вызывающих

ее токсичность в опытах по биотестированию.

Несмотря на вышесказанное, при региональной эколого-гидрогеологический оценке состояния пресных подземных вод, особенности геологического строения и гидрогеологических условий должны рассматриваться, в первую очередь, с позиций их влияния на стабильность химического состава подземных вод в естественных и техногенных условиях. Возможность загрязнения подземных вод с поверхности земли, в значительной степени, определяется защищенностью водоносных горизонтов.

Детальная оценка защищенности подземных вод, с учетом особенности влагопереноса в зоне аэрации и характера взаимодействия загрязнения с породами и подземными водами, требует, как правило, создания гидрогеохимической модели процессов проникновения загрязнения в водоносный горизонт. Качественная оценка может быть проведена согласно методике предложенной В.М.Гольдбергом в виде определения суммы условных баллов или на основании оценки времени, за которое фильтрующиеся с поверхности воды достигнут водоносного горизонта (особенности влагопереноса в зоне аэрации и процессы взаимодействия загрязнения с породами и подземными водами не учитываются).

При региональных исследованиях, имея как исходны гидрогеологические данные литологические разрезы скважин и положени уровней воды или пьезометрических поверхностей водоносных горизонто] можно оценивать степень защищенности через условное время фильтраци (Т) загрязнения через вышележащие отложения в самых экстремальны условиях, т.е. в условиях насыщенного потока и инертного загрязнителя Условное время фильтрации рассчитывается по формулам для фильтраци воды через слоистую толщу пород.

Данная методика наиболее хорошо подходит для характеристик защищенности эксплуатируемых водоносных горизонтов на участка расположения водозаборов. Для ее реализации требуются только данные п эксплуатационным и разведочным гидрогеологическим скважинам. Он легко реализуется в среде геоинформационных систем. Задавая различны значения положения уровня в скважинах можно оценивать защищенность подземных вод, как в естественных условиях, так и в условиях эксплуатации в том числе, и при значениях максимально допустимого понижения. По аналогичной схеме рассчитывается и условное время перетока воды и нижележащего горизонта.

Можно выделить следующие категории защищенности подземных вод эксплуатационных водоносных горизонтов.

- незащищенные (Т<400 суток);

- слабозащищенные (400<Т<4000 суток);

- защищенные (4000<Т< 10000 суток);

- хорошо защищенные (Т> 10000 суток или Т - отрицательная величина).

Временные рамки, для различных степеней защищенности, выбраны исходя из того, что 400 суток - максимальное время выживания в подземных водах болезнетворных бактерий, для развития которых нужен живой белок. 4000 суток ориентировочно соответствуют времени инфильтрации через десятиметровую толщу слабопроницаемых пород (суглинков) и разложения большинства органических загрязнителей, таких, как пестициды и гербициды. Указанная мощность выбрана в качестве критерия в связи с тем, что является общепринятой большинством исследователей для оценки степени защищенности грунтовых вод. 10000 суток - расчетное время эксплуатации водозаборных сооружений. Защищенными также считаются участки водоносных горизонтов, где фильтрация воды с поверхности земли невозможна из-за того, что в эксплуатируемом водоносном горизонте напор выше поверхности земли (Т - отрицательная величина). Однако в случае оценки защищенности подземных вод таких, горизонтов в условиях эксплуатации (при максимально допустимом понижении) степень их защищенности может резко изменится.

Необходимость учитывать при экологической характеристик гидрогеологических условий водоносного горизонта величину ег водопроводимости связана с тем, что данный показатель косвенн характеризует способность водоносного горизонта к разбавленш поступающих в него некондиционных вод.

Вероятность подтягивания вод другой категории качества в условиях откачки (в случае наличия таких вод) оценивается по формулам, аналогичным используемым при расчете зон санитарной охраны. Выделяется территория части водоносного горизонта, которая будет использоваться в течение 20 - 25 лет (расчетный срок эксплуатации водозабора), это площадь, ограниченная замкнутой линией, от любой точки которой вода будет двигаться до водозабора за время, не менее срока эксплуатации водозабора, т.е. контур зоны санитарной охраны. Размеры и конфигурация зоны санитарной охраны в плане определяются

гидрогеологическими условиями и характером самого водозабора. Методы нахождения зоны санитарной охраны широко известны, в основе большинства из них лежит определение времени подтягивания воды из заданной точки водоносного горизонта к водозабору.

Предлагаемые методы оценки защищенности водоносных горизонтов и вероятности подтягивания или перетока вод другой категории качества в условиях откачки адаптированы для применения в ШС-системах. Для их реализации необходимы только данные по эксплуатационным или разведочно-эксплуатационным скважинам.

3. Разработана. модель эколого-гидрогеологической геоинформационной системы, состоящая из банка данных, связанного с векторными топографической и гидрогеологической картами, структура Л банка данных играет роль легенды для традиционных тематических гидрогеологических карт. Основным видом визуализации эколого-гидрогеологической информации являются параметрические точечные карты, создаваемые автоматически - с помощью запросов.,

В настоящее время, при создании компьютерных гидрогеологических карт много внимания уделяется возможности вывода этих карт на печать в соответствии с действующими в этой области стандартами. Базы данных содержат только исходную (фактографическую) информацию. Для экологической гидрогеологии такой подход представляется неправомерным. На картах отображаются результаты обработки данных их осреднения и обобщения. В условиях постоянного взаимодействия человека и подземной гидросферы качество и ряд других характеристик подземных вод меняются очень быстро как в пространстве, так и во времени, и к моменту создания компьютерной карты информация на ней может быть неактуальной. Особенно это важно для отображения результатов полученных в процессе мониторинга подземных вод.

Проблема обоснования принципов построения и структуры геоинформационных систем должна решаться путем интеграции, на новом технологическом уровне, последних разработок в области эколого-гидрогеологического картографирования и современных методик определения таких важных параметров как качество воды используемой для питьевого водоснабжения, защищенность водоносных горизонтов, категории потребительской ценности подземных вод и др.

В основу предлагаемой структуры эколого-гидрогеологических геоинформационных систем положен подход, заключающийся в создании банка данных, связанного с векторными топографической и гидрогеологической картами масштабов 1:50000 - 1:500000. При этом с любого объекта на карте можно выйти на имеющуюся об этом объекте информацию в базе данных. И наоборот, любая запись в базе данных может быть одним щелчком мыши отображена объектом на карте. При этом ГИС изначально ориентирована на работу именно на компьютере в интерактивном режиме, а не на изготовление "твердых копий", хотя процедура печати карт, безусловно, предусмотрена и реализуема. При таком подходе отпадает необходимость в создании больших библиотек условных знаков.

Структура банка данных в геоинформационной системе играет роль легенды для традиционных тематических гидрогеологических карт. При этом важно правильно составить не только структуру банка данных, но и определить количество и формат вводимой и вычисляемой информации. Банк данных должен позволять оперативно создавать тематические эколого-гидрогеологические карты по запросу, сразу после введения вновь полученной информации по химическому составу, условиям эксплуатации подземных вод и т.д. Пользователь должен иметь возможность знакомиться как с первичным материалом, так и с результатами его обработки.

Большое значение имеет правильный выбор методик оценки важных экологических параметров подземных вод, которые можно получить в геоинформационной системе.

Единичный элемент (запись) эколого-гидрогеологической базы данных представляет собой модифицировашгую учетную карточку буровой скважины на воду. Все параметры (поля) записи можно подразделить на исходные, вводимые с клавиатуры, и их производные, которые рассчитываются в банке данных автоматически. Исходные параметры можно подразделить на четыре группы: географические, геологические, гидродинамические и гидрохимические. К производным параметрам относятся: защищенность водоносных горизонтов, коэффициент водопроводимости, возможность увеличения объемов использования подземных вод, оценка качества воды по категориям и рекомендации по ее использованию, а при необходимости - и методам очистки, оценка различных видов агрессивности воды и др. Расчет и идентификация производных параметров ведутся автоматически. В банк данных также может быть включена база данных по основным промышленным и

сельскохозяйственным предприятиям, которые являются

водопользователями и потенциальными источниками загрязнения подземных вод или могут выступать в качестве таковых.

Банк данных созданной модели эколого-гидрогеологической геоинформационной системы Санкт-Петербургского региона содержит информацию более чем по тысяче водопунктов.

При формировании структуры баз данных основное внимание было уделено не только характеру вводимой информации, но и тому, в каком формате она вводится. Необходимо максимально использовать числовой формат, не боясь из-за этого увеличивать число атрибутивных полей.

Опыт эколого-гидрогеологического анализа состояния пресных подземных вод в Санкт-Петербургском регионе показал, что при полной характеристике качества воды и гидрогеологических условий водоносного горизонта в районе эксплуатационной скважины мы получаем такую пеструю картину, даже в пределах отдельных участков одного водоносного горизонта, что любое обобщение с выделением каких-либо полей неизбежно ведет к искажению отображения природной ситуации. Представляется, что наиболее правильным подходом в данном случае является создание тематических точечных карт по интересующим нас параметрам.

Точечный подход имеет ряд преимуществ:

- Максимальная объективность получаемой картины. Данные по составу воды, геологическому разрезу, фильтрационным параметрам горизонта, уровенному режиму изначально мы получаем по результатам бурения и опробования гидрогеологической скважины, то есть в точке.

- Максимальная оперативность внесения изменений в связи с получением новой информации (изменяются атрибуты уже имеющегося объекта или добавляется новый объект).

- Визуальные обобщения на карте точечных объектов, с одной стороны наглядно демонстрируют преобладающие диапазоны эколого-гидрогеологических параметров, а с другой - оставляют возможность просмотреть первичные данные по аномальным точкам.

- Карты точечных объектов можно использовать совместно с электронными картами, и снимками оцифрованными с различных масштабов в пределах точности координатной привязки скважин.

В качестве примера можно привести характер изменения

содержания радона в воде вендских отложений на территории

Карельского перешейка. В пределах одного водозабора, в отдельных

водозаборных скважинах, концентрация радона может различаться в несколько раз. В региональном плане какие-либо поля выделить практически невозможно.

С другой стороны карта точечных объектов дает возможность наглядно рассмотреть имеющуюся информацию, выделить районы, где повышенные концентрации встречаются наиболее часто, и где они практически не отмечаются. Создание такой карты занимает незначительное время, параметрические данные (по координатам опробованных водопунктов) могут быть автоматически вынесены в рамках ГИС на карту любого масштаба или космический снимок с координатной привязкой.

Расчет и выделение полей по отдельным параметрам в рамках эколого-гидрогеологических ГИС актуален и необходим при создании прогнозных карт. Однако такие карты не могут быть построены автоматически.

4. Большинство эксплуатируемых водоносных горизонтов Санкт-Петербургского региона достаточно хорошо защищены от поверхностного загрязнения. Основными компонентами естественного состава подземных вод, регламентирующими их качество, являются ионы хлора, кальция, магния, натрия, железа, марганца, бария, бора, фтора, алюминия и свинца.

В качестве полигона для апробации предложенных методик был выбран Санкт-Петербургский регион. Отличительной чертой данной территории, находящейся на стыке Балтийского щита и Русской платформы является значительная изменчивость геологического строения и гидрогеологических

условий и, как следствие, разнообразие макро- и микрокомпоиентного состава подземных вод.

Распространение основных водоносных горизонтов и комплексов представлено на рисунке 2.

На рассматриваемой территории эксплуатируются воды следующих водоносных горизонтов и комплексов (характеристика состава подземных вод дается для участков их эксплуатации с целью хозяйственно-питьевого водоснабжения):

1). Нижнепротерозойско-архейский (РЯГЛЯ) комплекс сложен разнообразными кристаллическими сланцами, гранито-гнейсами, гнейсами и другими метаморфическими и интрузивными горными породами; воды в

северной части рассматриваемой территории, как правило, пресные и ультраиресные с минерализацией 0,1 - 0,4 г/л, гидрокарбонатные и хлоридно-гидрокарбонатные натриевые и кальциево-натриевые.

2). Вендский (V) водоносный комплекс сложен песчаниками и алевритами, перемежающимися с глинами и аргиллитами. Минерализация вод горизонта плавно увеличивается с севера на юг. Причем в северозападной части территории, где происходит интенсивный водообмен (питание и разгрузка), минерализация вод низка и колеблется от 0,1 до 0,2 г/л, воды гидрокарбонатные со смешанным катионным составом. В восточном и юго-восточном направлениях, где разгрузка вод прекращается и водоносный горизонт углубляется, она последовательно возрастает до 1 г/л. Южнее линии г. Сестрорецк - ст. Песочная - ст. Пери - пос.Никулясы (бывшие) минерализация превышает 1 г/л, а воды становятся хлоридными натриевыми.

3). Нижнекембрийский (еИш) водоносный комплекс сложен мелко-и среднезернистыми песчаниками, переслаивающимися тонкими прослоями алевролитов и глин. В юго-западной части рассматриваемой территории горизонт содержит пресные воды гидрокарбонатного натриевого состава с минерализацией 0,5 - 0,7 г/л. В северо-западной части территории горизонт содержит пресные воды гидрокарбонатного и хлоридно-гидрокарбонатного натриево-калыдиевого состава с минерализацией 0,1 - 0,6 г/л.

4). Кембро-ордовикский (е-О) водоносный горизонт сложен песками и слабосцементированными песчаниками тонко- и мелкозернистыми с маломощными прослоями глин и алевролитов. Как источник водоснабжения горизонт наибольшее значение имеет в приглинтовой полосе, где распространены пресные воды с минерализацией 0,3 - 0,5 г/л, гидрокарбонатного магниево-кальциевого состава.

5). Ордовикский (О) водоносный комплекс приурочен к трещиноватым закарстованным известнякам ордовикского возраста. На большей части территории подземные воды ордовикских отложений пресные, с минерализацией 0,3 - 0,5 г/л гидрокарбонатные магниево-кальциевые и кальциево-магниевые, умеренно жесткие и жесткие.

6). Девонский (Б) водоносный комплекс на большей части территории сложен песчано-глинистыми породами, менее распространены мергели, известняки и доломиты. Подземные воды гидрокарбонатные кальциево-магниевые и магниево-кальциевые с минерализацией 0,2 - 0,6 г/л.

7). Водоносный комплекс отложений карбона (С) приурочен к трещиноватым известнякам карбонового возраста. Воды пресные, жесткие, гидрокарбонатные кальциево-магниевые с минерализацией 0,4 - 0,6 г/л.

8). Четвертичный (р) водоносный комплекс в местах эксплуатации приурочен в основном к межморенным отложениям. Воды гидрокарбонатные со смешанным - катионным составом. Минерализация 0,15-0,3 г/л.

Защищенность от загрязнения сверху у большинства эксплуатируемых водоносных горизонтов весьма высокая/ На рисунке 3 представлены результаты распределения скважин по категориям защищенности подземных вод основных эксплуатируемых горизонтов Санкт-Петербургского региона.

0 незащищенные Ш слабозащищенные В защищенные 0 хорошо защищенные

Рис. 3. Категории защищенности эксплуатируемых подземных вод Санкт-Петербургского региона (по 670 скважинам)

1 - в естественных условиях

2 - в условиях эксплуатации (при максимально допустимом понижении)

Из представленных данных видно, что в естественных условиях к защищенным и хорошо защищенным относятся 74 % скважин, а в условиях эксплуатации (при максимально допустимом понижении) - 56 %. В таблице

3 представлено распределение скважин по категориям защищенности

25

эксплуатируемых подземных вод для основных водоносных горизонтов. Наиболее защищенными являются подземные воды приуроченные к вендским и кембрийским отложениям. Даже в условиях эксплуата-ции к защищенным и хорошо защищенным относятся 94 % и 86 % скважин соответственно. Наименее защищенными являются подземные воды приуроченные к архей-протерозойским и каменноугольным отложениям. Даже в естественных условиях к защищенным и хорошо защищенным относятся только 45 % и 19 % скважин соответственно. Зависимость степени защищенности от условий эксплуатации наиболее ярко выражена для подземных вод четвертичных отложений. Если в естественных условиях к защищенным и хорошо защищенным относится 61 % скважин, то в условиях эксплуатации (при максимально допустимом понижении) только 12 %.

Таблица 3

Распределение скважин по категориям защищенности

эксплуатируемых подземных вод для основных водоносных горизонтов

Скважины по категориям защищенности в естественных условиях, % Скважины по категориям защищенности в условиях эксплуатации, %

Горизонты Незащищенные Слабо-защищенные Защищенные Хорошо защищенные Незащищенные Слабо-защищенные Защищен -ные Хорошо защищенные

0 23 16 9 52 25 64 12 0

С 32 49 8 И 34 57 6 4

О 5 19 14 61 6 42 11 41

О 17 34 10 40 20 49 7 25

е 0 0 10 90 0 14 3 83

V 0 1 2 97 0 6 7 87

АЯ-РИ 39 16 6 39 45 39 13 3

На первом этапе были выявлены макро - и микроэлементы, содержащиеся в пресных подземных водах региона в биологически значимых концентрациях. Фактический материал, которым мы располагаем в настоящее время, представлен в объеме около 700 проб, в которых был определен макрокомпонентный состав, в 386 пробах было определено содержание общего железа, в 127 пробах были определены 22 микроэлемента Л1, Аз, Ba, Be, Cd, Со, Сг, Си, Fe, К, Mn, №, РЪ, V, Т^ Zn, Бг, Бе, БЪ, Бп). В 24 пробах был определен 226Яа, в 96 - 222Яп, в 70 - F, в 60 - В, в 11 пробах были проанализированы концентрации еще 43 элементов естественного состава подземных вод различных водоносных

горизонтов (Ы, В, Бе, ва, ве, Вг, ЯЬ, У, Яи, ЯИ, Рё, Те, I, Сб, Ьа, Се, Рг, Ш, Бш, Еи, вё, ТЬ, Бу, Но, Ег, Тш, УЬ, Ьи, ИГ, Та, ^ Яе, Об, 1г, И, Аи, Щ, Т1, В1, ТИ, и). В результате обработки полученных и фондовых материалов было выявлено, что 24 элемента могут содержаться в концентрациях, значимых для организма человека при употреблении им данной воды (в их число входят Са, Мб, Ка, Б1, Бе, Мп, Сг, N1, Со, Ва, Сё, РЬ, Мо, Аб, В,С1, Вг, Б, I, Б, У, И, Яа, Яп). Остальные элементы в пресных подземных водах региона содержатся в концентрациях, которые не могут оказать существенного влияния на элементный баланс человека.

На втором этапе была проведена оценка соответствия качества воды новым нормативным документам в соответствии с классификацией по качеству подземных вод используемых для питьевых целей.

Также определены семь основных микроэлементов (Бе, Мп, Ва, В, Б, А1 и РЬ) регламентирующих качество воды в водоносных горизонтах. В таблице 4 приводится их распределение по концентрациям, определяющее отнесение воды к той или иной категории качества. В отдельных водоносных горизонтах отмечаются повышенные, относительно существующих нормативов, концентрации Вг, Яп и Яа.

Наибольшие концентрации Бе (до 30 мг/л) отмечаются в подземных водах, приуроченных к четвертичным отложениям в местах, где они перекрыты водоупорными породами и, соответственно, в горизонтах имеют место восстановительные условия (ЕИ = 50-100). Увеличению концентрации железа способствует наличие в воде органических веществ гумусового ряда. С одной стороны они способствуют понижению значений ЕИ, а с другой - образуют устойчивые комплексы с Бе3*. Мигрирует железо при восстановительных условиях в основном в виде ионов Бе2+ и БеНСО3, а в окислительных условиях - в виде ионной ассоциации Бе(ОН)3 , Бе(ОН)4 и БеФК+.

Распределение концентраций Мп благодаря общности геохимических свойств подчиняется тем же закономерностям, что и Бе. Однако распространение Мп содержащих минералов несколько отличается. Повышенные концентрации данного элемента, отмечены в напорных водоносных горизонтах, приуроченных к четвертичным отложениям (до 1,5

мг/л). Мигрирует Мп в основном в виде иона Мп2+ (до 90 %) и ионных

ассоциаций с анионом СО3 и НСО3 и, в значительно меньшей степени, 2-

so4 .

Таблица 4

Концентрации микроэлементов в маломннералнзованных подземных водах Санкт-Петербургского региона

Содержание микроэлементов Q С D О е-о е V AR-FR Всего

Кол. проб. V. Кол. проб. У. Кол. проб. */• Кол. проб. У. Кол. проб. % Кол. проб. % Кол. проб. % Кол. проб. % Кол. проб. У.

Fe, мг/л

<0,3 26 40.6 5 20.0 21 26.3 31 43.1 1 п.! 10 62.5 42 42.» 5 22.7 191 49.5

0,3-1 15_ 23.4 12 48.0 33 41.3 30 41.7 5 55.6 3 (8.8 36 36.7 8 36.4 92 23.8

1-10 17 26.6 8 32.0 25 31.3 11 15.3 3 33 3 3 18 8 20 20.4 9 40.9 95 246

>10 6 94 0.0 1 U 0.0 0.0 0.0 0.0 0 0.0 8 2.1

Г, мг/л

«0,6 1 3.7 t 9.1 0.0 0.0 0 0.0 0.0 2 2.9

0,6-1,2 14 51.9 4 364 7 63.6 2 100.0 3 20.0 1 25.0 26 371

1,2-1,5 6 22.2 5 45.5 3 27.3 0.0 5 33.3 2 50.0 22 31.4

>1,5 6 22.2 1 9.1 1 9.1 0.0 7 46.7 1 25.0 20 28.6

AI, мг/л

<0.1 6 100.0 7 87.5 13 81 3 12 80.0 1 100.0 1 100.0 33 86.8 5 71.4 78 84.8

0.1-0,2 1 12.5 0.0 2 13.3 4 10.5 2 28.6 9 9.8

0,2-0,5 0 0.0 3 188 1 6.7 0 0.0 0.0 4 43

>0,5 0 0 0.0 О 0.0 1 2.6 0.0 1 1.1

Ва, мг/л

<0,1 4 36.4 5 615 11 47.8 6 25.0 1 25.0 3 60.0 8 17.8 6 85.7 44 34.6

0,1-0,7 6 54 5 3 37.5 7 30.4 15 62.5 2 50.0 2 40.0 28 62.2 1 14.3 64 50.4

>0,7 1 9.1 0 5 21.7 3 12.5 1 25 О 9 20.0 0.0 19 15.0

Мп.мг/л ■

0,05 5 45.3 б 75.0 16 £9 6 20 83.3 3 75.0 4 80.0 21 46.7 1 14.3 76 59.8

0,05-0,1 1 91 2 25.0 4 17.4 1 4.2 0.0 0.0 11 24.4 1 14.3 20 15.7

0.1-0,5 0 0 0 0.0 Э 13.0 Э 12.5 1 25 0 б 13.3 5 71.4 18 14.2

>0,5 5 45.5 0 0 0 0.0 0 0.0 0 1 20 7 15.6 0.0 13 10.2

РЬ, мг/л

<0,005 9 81 S 5 62.5 20 87.0 20 83.3 3 75.0 2 40 40 88.9 6 85.7 105 82.7

0,005 - 0,01 1 9.1 0 0 0 0.0 3 12.5 0.0 3 60 1 2.2 1 14.3 9 7.1

0,01 - 0,03 1 9.1 2 25 3 13.0 1 4.2 1 25 0 4 8.9 0.0 12 9.4

>0.03 0 00 1 12.5 0 0.0 0 00 0 0 0.0 0.0 1 0.8

В, мг/л

<0,3 2 100.0 7 87.5 3 27.3 7 100.0 о 0 21 70.0 2 100.0 42 70.0

0,3 - 0,5 1 12.5 3 27.3 0 0 1 3.3 5 8.3

>0,5 0 5 45 5 0 0 8 26.7 13 21.7

Повышенные концентрации Ва связаны с наличием Ва-содержащих минералов. Основные из них - бариевые полевые шпаты гиалофан [K,Ba][Al(Al,Si)Si2O8] и цельзиан Ba(Al2Si2O8); барит BaSO4 витерит ВаСОз и баритокальцит Ва,Са(СО3)2. Содержание бария в воде лимитируются, наличием сульфатов и гидрокарбонатов из-за низкой, растворимости барита и баритокальцита. Максимальные концентрации, отмеченные в вендском водоносном комплексе, -до 1,2 мг/л, ордовикском водоносном горизонте - до 2,7 мг/л, в водах девонского комплекса - до 1,7 мг/л, в кембро-ордовикском водоносном комплексе - до 1,7 мг/л, в водах четвертичных отложений - до 0,9 мг/л. Следует отметить, что в большинстве проб по всем водоносным горизонтам концентрация. Ва превышает ПДК, установленную для питьевых вод высшей категории качества (0,1 мг/л), однако меньше величины принятой в последнее время для централизованного водоснабжения в России (0,7 мг/л). Мигрирует Ва в

основном в виде иона Ва2+ (до 90%), комплексного иона Ва(НСО3)+ и

ионной ассоциации BaSO40.

Источником бора в подземных водах могут служить горные породы - соленосные отложения и скарны, а также глины, в которых может присутствовать бор, сорбированный из морской воды. В целом для всех водоносных горизонтов коэффициент корреляции между минерализацией, и содержанием бора составляет 0,62, а для наиболее изученного вендского водоносного комплекса - 0,75. По всей видимости, это связано с наличием этого элемента в водах морского генезиса, встречающихся в комплексах водовмещающих пород. И, как следствие, повышения концентраций бора приурочены к местам наименьшей промытости инфильтрационными водами. Мигрирует бор в основном (около 90 %) в виде иона дигидробората (Н2ВО3) и комплексных ионов дигидробората с катионами кальция и магния.

Данные по концентрации фтора у нас имеются не по всем эксплуатируемым водоносным горизонтам и комплексам. В целом, на рассматриваемой территории связи концентрации фтора с химическим составом воды не установлено. Все парные коэффициенты корреляции имеют незначимую величину, что может свидетельствовать о том, что величина концентрации фтора, в данном случае, контролируется неравномерностью распределения фторсодержащих минералов. Исключение составляют воды, приуроченные к ордовикским отложениям. Здесь наблюдается прямая парная корреляция концентрации фтора с концентрациями ионов хлора, сульфата и магния (коэффициенты

корреляции 0,68; 0,70 и 0,71 соответственно) и отсутствие связи с величинами концентрации ионов гидрокарбоната и кальция (коэффициенты корреляции 0,39 и 0,02 соответственно). Это может свидетельствовать о том, что в данном случае существенную роль в увеличении концентрации фтора играют воды морского генезиса. Однако полученные результаты нельзя считать полностью корректными из-за небольшой величины выборки по водам ордовикских отложений (11 проб). Мигрирует фтор в основном в виде аниона F (более 90 %), а также в виде комплексных ионов с катионами алюминия, магния, кальция и других металлов.

Величины концентраций алюминия в подземных водах региона в целом невелики, и до введения новых нормативов качества питьевой воды алюминий, как правило, не рассматривался. Однако введение новых ПДК (0,1 мг/л для воды категории высшего качества) привело к тому, что теперь при оценке качества воды содержание алюминия может определить, к какой категории качества относится та или иная вода. В воде алюминий может находиться в истинных растворах и в коллоидной форме. Концентрации более 0,1 мг/л встречаются в подземных водах региона в 15% проб. Мигрирует алюминий в основном в виде комплексных соединений с гидроксильной группой и ионом фтора.

Величины концентраций свинца в подземных водах региона в целом незначительны, и, до введения новых нормативов качества питьевой воды, свинец, также как и алюминий, как правило, не рассматривался. Однако введение новых ПДК (0,005 мг/л для воды категории высшего качества) привело к тому, что теперь при оценке качества воды содержание свинца может определить, к какой категории качества относится та или иная вода. Концентрации более 0,005 мг/л встречаются в подземных водах региона в 17 % проб. Мигрирует свинец в основном в виде комплексных соединений с гидроксильной группой и ионами карбоната и гидрокарбоната, ионы РЬ2+ составляют, как правило, не более 10 % от общего содержания элемента в воде.

Повышенные концентрации Вг отмечаются в водах вендского комплекса, причем они возрастают вместе с минерализацией и достигают максимальных значений для пресных вод (до I г/л) при переходе от НСО3-№ состава вод к 0-№. По всей видимости, это связано с наличием этого галофильного элемента в водах морского генезиса, встречающихся в комплексе водовмещающих вендских песчаников и прослоях аргиллитов и алевритов. И, как следствие, повышения концентраций приурочены к местам наименьшей промыт ости инфильтрационными водами.

Высокие концентрации в воде 226Яа и 222Яп тесно связаны друг с другом, однако прямой корреляции не установлено. По-видимому, это

связано с более высокой миграционной способностью радона. Наиболее

226

высокие концентрации Ка приурочены к подземным водам вендских отложений в местах, где они залегает непосредственно на архейско-протерозойских породах фундамента, а воды имеют хлоридно-натриевый состав и минерализацию более 1 г/л (до 5,7 Бк/л). Наиболее высокие концентрации радона встречаются в подземных водах приуроченных к отложениям кемброордовика и гранитным интрузиям (до 700 Бк/л). Поскольку концентрация радона в воде в первую очередь определяется содержанием радия в водовмещающих породах, ее распределение в пределах отдельного водоносного горизонта может быть очень неравномерно.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что основными факторами, определяющими уровень концентрации выделенных микроэлементов в подземных водах, являются неоднородность минерального состава водовмещающих пород, палеогидрогеологические условия и физико-химические условия перехода элемента из твердой фазы в раствор.

5. Наиболее благоприятные условия для формирования подземных вод высшей категории качества существуют в комплексах карбонатных пород перекрытых слабопроницаемыми породами и содержащих воду преимущественно ннфильтрационного генезиса. В пределах Санкт-Петербургского региона подземные

маломинерализованные воды, соответствующие требованиям высшей и первой категорий качества, являются дефицитным, особо ценным ресурсом.

Существующие в настоящее время требования к питьевой воде высшей и первой категорий качества настолько строги, что подземные маломинерализованные воды, соответствующие этим требованиям, являются дефицитным, особо ценным ресурсом. По мере увеличения числа определяемых компонентов процент водопунктов, содержащих воду высшей и первой категорий качества, уменьшается.

На рисунке 4 представлено распределение по категориям качества маломинерализованных подземных вод Санкт-Петербургского региона. Из приведенных данных видно, что если по макрокомпонентному составу высшей и первой категориям качества соответствует вода 75 %

эксплуатируемых скважин, то с учетом 25 основных микроэлементов -менее 20 %. Следует учесть, что в число рассматриваемых микроэлементов не входят радиоактивные элементы, содержание которых в воде ряда водоносных горизонтов региона иногда превышает существующие нормативы. Как отмечалось выше, при отнесении воды к высшей категории качества, не учитывается содержание йода.

При оценке качества воды с позиций соответствия ее состава требованиям к воде высшей категории качества среди макрокомпонентов наибольший процент превышения ПДК характерен для ионов натрия (62%), на втором месте суммарная концентрация ионов кальция и магния (общая жесткость 30 %) а на третьем - гидрокарбонаты (12,8%) и ионы хлора (12,6%).

Воды с содержанием натрия менее 20 мг/л преобладают только в каменноугольных карбонатных отложениях и в гранитах и гранито-гнейсах

архей-протерозойского возраста. Вообще в целом для региона можно отметить возрастание концентрации натрия (и хлора) по мере уменьшения промытости водовмещающих пород инфильтационными водами.

В процент проб, несоответствующих требованиям к воде высшего качества по общей жесткости, основной вклад вносят мягкие воды с жесткостью менее 1,5 мг-экв/л (25%).

При рассмотрении отдельных водоносных горизонтов наиболее часто воды высшей и первой категории качества встречаются в водопунктах, эксплуатирующих подземные воды каменоугольных отложений - 38%, наименее часто в водах приуроченных к архей-протерозойским и вендским породам - менее

1% и 9% соответственно. Таким образом, следует констатировать, что при полном учете требований СанПиН 2.1.4.1116-02 к воде высшего качества вода данного качества в Санкт-Петербургском регионе практически отсутствует. Если не учитывать содержание йода, количество водопунктов содержащих воду высшей категории качества составляет 3 -4%.

Наиболее благоприятные условия для формирования подземных вод высшей категории качества существуют в комплексах карбонатных пород, перекрытых слабопроницаемыми породами и содержащих воду преимущественно инфильтрационного генезиса. В качестве примера наличия таких условий на исследуемой территории можно привести юго-западную часть карбонового плато. Здесь в районе станции Ефимовская подземные воды инфильтрационного генезиса приурочены к стешевскому горизонту нижнего карбона и перекрыты верейскими глинами и четвертичными суглинками. Карбонатные водовмещающие породы обеспечивают оптимальный макро- и микрокомпонентный состав, отсутствие вод морского генезиса и хорошая промытость - низкие концентрации таких компонентов как хлор, натрий, бор и бром, а наличие в разрезе глинистых отложений - отсутствие антропогенного загрязнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему. 1. Разработана концепция оценки экологического качества подземных вод используемых для питьевых целей, включающая в себя оценку микроэлементиого состава воды, проведение биотестирования и отнесение воды к той или инои категории качест

классификации.

2. Исследован микроэлементный состав маломинерализованных подземных вод с точки зрения их возможного влияния на здоровье человека. Введено и обосновано понятие биологически значимой концентрации элемента в воде.

3. Обоснованы принципы построения и структура геоинформационных систем по экологической гидрогеологии. Разработана технология сбора, хранения, обработки и представления гидрогеоэкологической информации в рамках геоинформацион-ных систем.

4. Предложены методики и способы оценки производных (расчетных) эколого-гидрогеологических параметров используемых в рамках геоинформационных систем. В первую очередь - категории качества и степени защищенности подземных вод.

5. Проведен эколого-гидрогеологический анализ состояния эксплуатирующихся пресных подземных вод Санкт-Петербургского региона. Выявлен дефицит подземных вод, соответствующих требованиям высшей и первой категорий качества. Определены основные компоненты естественного состава подземных вод региона, регламентирующие их качество, а также микрокомпоненты, которые могут содержаться в биологически значимых концентрациях и на которые необходимо обращать внимание при химическом анализе воды.

6. Выявлены основные факторы, определяющие уровень концентрации микроэлементов в подземных водах региона. Прежде всего, это -неоднородность минерального состава водовмещающих пород, палеогидрогеологические условия и физико-химические условия перехода элемента из твердой фазы в раствор. Из палеогидрогеологических факторов особенно сильно на современном микроэлементном составе подземных вод отразились процессы полиметаллического и уранового рудообразования.

7. Определены наиболее благоприятные гидрогеологические условия для формирования подземных вод высшей категории качества. Прежде всего, это комплексы карбонатных пород, перекрытые слабопроницаемыми породами и содержащие воду преимущественно инфильтрационного генезиса. Карбонатные водовмещающие породы обеспечивают оптимальный макро- и микро-компонентный состав, отсутствие вод морского генезиса и хорошая промытость водовмещающих пород - низкие концентрации таких компонентов как хлор, натрий, бор и бром, а наличие в разрезе глинистых сложений - отсутствие антропогенного загрязнения. Работа выполнена при поддержке программы "Университеты России", проекты, УР. 09.01.009 и УР. 09.01.055.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Voronov A.N., Kozlova E.V. and Shvarts A.A. The problem of ground water protection in the agricultural suburbs of St. Petersburg./ Hydrological science and technology, V.9, Number 1-4 USA , American Institute of Hydrology, 1993. Pp.191-194

2. Воронов А.Н., Шварц А.А. Проблема сравнительной оценки экологического состояния подземных вод. Труды Датско-Латвийского семинара. Рига-Копенгаген. 1994.

3. Воронов А.Н., Шварц АЛ. К вопросу об оценке качества пресных подземных вод. // Вести. С.-Петербург, ун-та. Сер. 7.1994. Вып. 4

4. Воронов А.Н., Шварц А.А. Новые экологические аспекты оценки качества пресных подземных вод.//Геоэкология №2,1995

5. Воронов А.Н. Кузьмицкая О.В. Шварц А. А. Эколого-гидрогеологические проблемы водоснабжения города Севастополя. //Вестн. С.-Петербург, ун-та. Сер.7. вып.2 (№ 14). 1995.

6. Voronov A.N., Shvarts АЛ. Ways of improvement of groundwater quality assessment. In: Water Resources at Risk. W. R. Hotchkiss, J. S. Downey, E. D. Gutentag, and J. E. Moore (Eds.). American Institute of Hydrology, Minneapolis, MN. 1995 LL 112-115.

7. Voronov A.N., Shvarts A.A. Use of hydrogeochemical simulation for the evaluation and management of the quality of underground waters/ Proceedings of International seminar on environment modelling. Vol. Riga, Copenhagen, 1995. LL 65-69

8. Воронов А.Н., Шварц А.А. Экологическая оценка и картирование качества подземных вод/ Мат. научно-метод. конф. Современные проблемы гидрогеологии. Пятые Толстихинские чтения. СПб 1996

9. Воронов А.Н., Шварц А.А. Комплексная оценка экологического качества подземных вод./ Тез.докл. междунар. конф.Закономерности эволюции Земной коры СПб 1996

10. Шварц А.А. Экологическая гидрогеология. СПб., 1996.60 с.

11. Воронов А.Н., Шварц А.А. Развитие методов комплексной оценки качества подземных вод.// Тезисы 2 конгресса "Вода: экология и технология" Москва, 1996.

12. Voronov A.N., Kuzmitskaya O.V and A.A. Shvarts Groundwater discharge contamination to the Baltic sea and plan of its study./ Proceedings of an international symposium "Groundwater discharge in

the coastal zone" Netherlands 1996

13. Воронов А. Н., Шварц. A.A., Бирон А.А. Гелий и радон в подземных водах нижнепкотлинского водоносного горизонта. //Вестн. С.-Петербург, ун-та. Сер. 7.1997 Вып. 3

14. Ковалев В.В. Кузнецова Е.Л. Шварц А.А., Шувалова Н.Е Комплексная оценка качества подземных вод используемых для питьевого водоснабжения // Вестн. С.-Петербург, ун-та. Сер. 7. 1997 Вып. 1

15. Кузнецова Е.Л., Шварц А.А. Геоинформационная система по экологической гидрогеологии Ленинградской области// Вестн. С.Петербург, ун-та. Сер. 7.1997. Вып. 4

16. Воронов А.Н., Барвиш М.В., Шварц А.А. Особенности микрокомпонентного состава подземных вод нижнекотлинского горизонта.//Разведка и охрана недр, 1998, №7-8, стр.40-41

17. Воронов А.Н., Шварц А.А. Использование геоинформационных систем для оценки и прогноза изменения качества подземных вод/ Матер. II всероссийской конф. "Информационные технологии в проф. деятельности специалистов и оснащении лабораторий центров Госсанэпиднадзора" СПб. 1998.

18. Воронов А.Н., Шварц А.А. Необходимость и методы дифференциации ресурсов пресных подземных вод при региональных исследованиях./ Материалы научно-практ.конф. (VII Толстихинские чтения) СПб. 1998

19. Воронов А.Н., Шварц А.А. Методы эколого-гидрогеологического картирования и дифференциации ресурсов маломинерализованных подземных вод по их экономической значимости. Тезисы конференции "Геоэкологическое картографирование, Москва, 1998,4 II. стр. 40-41.

20. Шварц А.А. Структура и методика создания информационной системы по экологической гидрогеологии Ленинградской области /Тезисы докладов, Всероссийская научно-практическая конференция "Геоэкологическое картографирование" 1998, Часть III, стр. 19-21

21. Воронов АН., Шварц А.А. Необходимость и методы дифференциации подземных вод по их эколого-экономической ценности./ Тезисы 3 конгресса "Вода: экология и технология" Москва, 1998.

22. Барвиш М.В., Шварц А.А. Микрокомпоненты в подземных водах

Санкт-Петербургского региона. //Вестн. С.-Петербург, ун-та. Сер. 7.1998 Вып. 3

23. Шварц А.А. Особенности микрокомпонентного состава подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения в Санкт-Петербургском регионе./ Материалы X Всероссийской конференции по медицинской географии. СПб., 1999

24. Barvish M.V., Shvarts A.A. Barium in groundwater of the St Petersburg region./ Proceedings of the XXIX IAH Congress on Hydrogeology and land use management, Bratislava, SR, 6-10 September 1999, Edit. M. Fendekova and M. Fendek, pp. 595-599, Bratislava 1999

25. Shvarts A.A., Voronov A.N. Main directions for improvement of groundwater quality assessment. Abstracts of 30th international Geological Congress. Beijing, China, 1999.

26. Voronov A.N., Shvarts Л.А. and O.V. Kuzmitskaya. Hydrogeological problems in the St.Petersburg region. // Groundwater in the Urban Environment, Selected City Profiles, Ed. John Chilton, / A.A. Balkema/ Rotterdam / Brookfield / 1999. P. 69-74

27. Voronov A.N., Vinograd N.A. and Shvarts A.A. The karstic aquifer of the Izora plateau (Russia) and problems of its use under anthropogenic pressure. / Contribucion del estudio cientifico de las cavidades karsticas al conocimiento geologico. - B.Andreo, F.Carrasco у JJ.Duran (Eds), pp. 563-571. Patronato de la Cueva de Nerja, 1999, Nerja (Malaga).

28. Барвиш М.В., Шварц А.А. Новый подход к оценке микрокомпонентного состава подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения.//Геоэкология №5,2000 с. 467- 473

29. Воронов А.Н., Шварц А.А. Ресурсы подземных вод Санкт-Петербургского региона и перспективы их использования./ Тезисы 4 конгресса "Вода: экология и технология" Москва, 2000.

30. Шварц А.А. Эколого-гидрогеологический анализ состояния пресных подземных вод при региональных исследованиях./ Материалы межд. конференции "Экологическая геология и рациональное недропользование" СПб., 2000

31. Шварц А.А. Принципы построения геоинформационных систем по экологической гидрогеологии при региональных исследованиях. //Материалы Второй Всеросийской научно-практической конференции Научно-методические основы и практика регионального гидрогеологического изучения и

картографирования. М. 2001. Ч II с.25-27.

32. Эколого-гидрогеологический словарь /А.Н. Воронов, Т.Бохенска, А.А. Шварц и др., Под ред. А.Н.Воронова, СПб., 2001.202 с.

33. Шварц А.А. Использование . современных информационных технологий для проведения эколого-гидрогеологического анализа./Материалы международной конференции "Науки о Земле и образование" СПб, 2002.

34. Шварц А.А. Особенности микрокомпонентного состава подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения в санкт-петербургском регионе Тезисы 5 конгресса "Вода: экология и технология" Москва, 2002.

35. Шварц. А.А. Геоинформационные системы» в экологической гидрогеологии. /Материалы международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование», СПб 2003, с. 153-154

Подписано в печать 12.01.2004. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2.00. Тираж 100 экз. Заказ №.' 2. Полиграфический участок НИИЗК. 199034, С.Петербург, Университетская наб., 7/9

*~ 4 04 £