Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Научно-методические основы эколого-гидродинамического картографирования

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Научно-методические основы эколого-гидродинамического картографирования"

ОН

На крапах рукописи

Булычева Наталия Авснировпа

Научно-мегодическне основы эколого-гидродинамического картографирования.

Специальность 04.00.06 - гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук.

Москва - 1998г.

Диссертационная работа выполнена на кафедре гидрогеологии Московской государственной геологоразведочной академии.

Научный руководитель - доктор геолого-минералогичсскнх

наук,профессор И.К. Гавич. Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогнчсских наук В.Н. Чубаров,

кандидат гсолого-мнпсралогичсскнх

наук С.Д. Исаева, Ведущее предприятие - ЦРГЦ.

Защита состоится 30 нюня 1998г. в... часов на заседании

специализированного ученого совета К.063.55.04 в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 111485, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной геологоразведочной академии.

Автореферат разослан......... 1998г.

Ученый секретарь

специализированного совега, профессор В.М. Кононов.

/

Введение.

Актуальность исследовании.

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных богатств - одна из важнейших проблем современности. В настоящее время в системе человек-природа возникли новые условия взаимодсйсгвня, когда техногенная деятельность человека стала играть роль мощного геологического фактора, который приводит к изменению состояния и свойств природной геологической среды. Ныне экология рассматривается как комплексное научное направление, предметом которого является изучение, прогнозирование и управление факторами внешней среды в процессе их взаимодействия с живыми организмами на всех уровнях их организации.

Создание крупных водохозяйственных систем, строительство гидромелиоративных сооружений вызывают определенные изменения в установившемся природном равновесии, что может обусловить отрицательные последствия, следовательно предвидение техногенных гидрогеологических процессов, основанное на научных прогнозах, имеет большое практическое и теоретическое значение.

Во мног их областях страны подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения и, как правило, это сопровождается процессами их истощения и загрязнения, имеющими сложную и многообразную природу. Цель работы.

Целью выполненной работы являегся обоснование подходов и разработка общих принципов эколого-гидродинамического анализа и построение комплекса эколого-гидродинамических карт на примере двух природно-техиопенных гидрогеологических систем.

В сооответствии с этим решались следующие задачи: 1. Оценка имеющихся в наличии принципов и подходов при эколого-гидрогеологическом картографировании.

2. Разработка пршщнпов эколого-гидродинамического анализа и выделение объекта картографирования ( на примере Ташаузского оазиса).

3. Разработка методики построения комплекса эколого-гидродинамических карт.

4. Осуществление предварительного эколого-гидродинамического районирования (на примере Новомосковского промрайоиа). Научная новнзна.

1. Разработаны принципы экологи-гидродинамическою анализа и выделения объекта картирования.

2. Разработана методика построения эколого-гидродинамических карт:

а) типов гидродинамических структур потока,

б) типов гидродинамических взаимодействии латерального потока с внешней средой и их изменений во времени.

3. Дополнена методика построения карт гидроизогипс.

4. Разработано предварительное эколого-гидродинамнческое районирование.

В диссертации защищается содержание эколого-гидродинамического анализа и методика построения комплекса гидродинамических карг, с помощью которых о» осуществляется.

На защиту выносятся:

1. Принципы и содержание комплексного эколого-гидродинамического анализа и выделение объекта картирования.

2. Содержание и методика построения карт типов гидродинамических структур.

3. Содержание и методика построения карт типов гидродинамических взаимодействий латерального потока с внешней средой и их изменений во времени.

4. Результаты применения комплексного эколого-гидродинамического анализа для террширии Ташаузского оазиса.

5. Результаты применения комплексного эколого-гидродинамического анализа для территории Новомосковского промрайона.

Практическая значимость работы.

Реализация предложенной методики позволит повысить качество эколого-гидрогеологическнх исследований, так как их традиционная методика существенно дополнена, что повышает ее информативность.Предложенный комплекс исследований можно осуществлять на разных стадиях работ, и полученные результаты могут быть направлены на совершенствование планируемой сети мониторинга подземных вод, повышение достоверности

математических моделей, составление прогнозов состояния окружающей среды. Научно -мегодические результаты, полученные в процессе исследований для данных, гидрогеологических условии, могуг быть использованы п для других территории.

Аироблцмн работы и публикации.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях « Новые достижения в науках о Земле » в 199294гг., « Новые идеи в науках о Земле », 1997г., М., МГГА, ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова, опубликована сгатья в журнале « Геология н разведка », 1994г.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 3 частей, включающих 10 глав,заключения в виде выводов, библиографии из 73 наименований, 32 рисунков. Общий объем работы 152 страницы.

Содержание работы. Часть 1

Содержание эколого-гидродннамнческого анализа.

Эколого-гидрогеологические исследования по условиям, определяющим вероятность загрязнения подземных вод, требует рассмотрения таких факторов, как интенсивность инфильтрационного водообмена ( что в свою очередь включает оценку климатических, геоморфологических, гидрологических и гидрогеологических условий ), степени нарушенное™ техногенно измененных гидрогеологических условий, режима подземных вод, гидродинамических параметров и условий их изменений. Эти вопросы исследовались многими авторами (10.0. Зеегофер, В.Т. Трофимов, В.А. Кирюхин, B.C. Ковалевский, Н.В. Роговская, СМ. Семенов, В.М. Шестаков и др. ). Классификация объектов изучения подробно исследовалась В. А. Кнрюхиным и др. В работах по мониторингу используются карты изменения гидро1 еодинамических условий ( Л.Г. Соколовский ). В качестве основы характеристики экологического состояния подземных вод используется гидродинамика и функциональное использование территории (Л.Л. Островский и др. ).

Одной из главных проблем, с которой приходится сталкиваться при оценке эколого-гидрогеолопгческих условии и организации мониторинга подземных вод являегся именно многофакторность ситуации, влияющих на условия загрязнения подземных вод и экологическую обстановку конкретного района в целом. Мониторинг подземных вод представляется как целенаправленная система повторяющихся наблюдений за изменением состояния и качества подземных вод под воздействием природных и техногенных факторов, в пределах определенным образом выделенной эколого-гидрогеологическои системы.

Комплексный учет действия природных и техногенных процессов проявляется по площади и разрезу территории и может быть выполнен методом эколого-гидродинамического анализа. Он базируется на построении серии аналитических карт( гидродинамических, строения зоны аэрации и защищенности подземных вод).

Ведущая роль гидродинамических условий в массопереносе и формировании гидрохимической и санитарно-гигиенической обстановки общепризнана. При гидрогеологических и эколого-геологических исследованиях это традиционно сводится к построению карт пьезометрической поверхности, мощности зоны аэрации, мощностей водоносных горизонтов и разделяющих слоев, скоростей потока. Используется, но не определено, понятие эколого-гидродинамического анализа применительно к гидрогеологическим исследованиям, особенно к тем, которые связаны с эколого-гидрогеологнческим обоснованием агромелиоративных, градопромышленнмх и других проектов, срешением природно-охранных проблем, созданием различного назначения мониторинга подземных вод. Понятие эколого-гидродинамическнй анализ ( ЭГДА ) включает в себя совокупность исследований, позволяющих выяснить главные факторы, определяющие тенденции развития гидродинамических условий и выявить существующие и потенциальные опасные с экологической позиции зоны, выполнить эколого-гидродинамическое районирование. ЭГДА выполняется по комплексу гидродинамических карт, которые строятся по определенной методике.

В процессе исследований возникла необходимость уточнить ряд используемых и ввести новые понятия и определения. В

частности,в качестве основного таксона картирования предложен речной гидролитосферный бассейн ( РГЛБ ).

Под РГЛБ понимается некоторый объем литосферы, содержащий региональный поток подземных вод, морфологически совпадающий с речным бассейном определенного поряда, Региональный поток включает в себя один или несколько гидравлически связанных водоносных горизонтов, имеющих общий базис дренирования. Последний определяегся глубиной эрозионного расчленения бассейна и положением регионального водоупора. Число, границы и гидрогеологические свойства водоносных горизонтов определяются условиями залегания и литолого-фациальным составом пород, структурно-тектоническими и геоморфологическими особенностями данного участка литосферы. Все это формирует пространственную гидродинамическую структуру потока подземных вод, определяет условия его питания и разгрузки, особенности движения подземных вод, их режим, баланс, ресурсы, химический состав и минерализацию. Различные инженерно-технические и водохозяйственные объекты, располагающиеся на площади и вблизи границ РГЛБ, так или иначе связанные с ним и воздействующие на пот1е подземных вод, формируют определенную эколого-техногенную обстановку в самом потоке и окружающей его среде. Площадь, где расположены такие техногенные объекты, и на которую распространяется их техногенно-экологическое воздействие на поток подземных вод, целесообразно по аналогии с РГЛБ назвать бассейном техногенно-экологического воздействия, а суммарную интенсивность этого воздействия но аналогии с речным стоком именовать техногенно-экологическпм стоком. Считая гидродинамический фактор ведущим, границы бассейнов речного, подземного и техногенно-экологического стоков должны согласовываться с границами регионального потока подземных вод.Несовпадение границ бассейнов позволяет выявить участки внешнего дополнительного энергетического воздействия окружающей среды на РГЛБ.

Под эколого-гидродннамическим картированием понимается построение комплекса специальных гидродинамических карт. В зависимости от проектной задачи число карт может варьировать. Совместно с И.К. Гавич автором была разработана методика построения следующих карт: 1) регионального и локальных потоков,

€

2) типов гидродинамических структур потока,

3) типов гидродинамических взаимодействий латерального потока с внешней средой и их изменений во времени,

4) градиентов или относительном гидродинамической плотности потока,

5) единичных расходов потока. Часть 2

Методика построения гидродинамических карт и их описание.

Фактическим материалом для построения всех вышеназванных карт служит карта пьезометрической поверхности потока, которая рассматривается как плановая гидродинамическая сетка потока, на которой дополнительно к нзопьезам показаны: 1) границы зон глубин до уровня грунтовых вод ( УГВ ), выделенных как зоны, характеризующиеся определенным типом гидродинамических взаимодействий латерального грунтового потока с окружающей средой, 2) водотоки ( естественные и искусственные ), проинтерпретированные как гидродинамические границы со связью а) гидравлической, б) инфильтрационио-гидравлической, в) инфнльтрацноннон, 3) границы с окружающей средой (другими системами ).

Пространственная гидродинамическая структура потока представляется

в плановом изображении в виде серии срезов.

Карта локальных потоков.

Согласно принятых позиций региональный поток подземных вод рассматривается как основа для установления границ в объеме гидрол1ггосферного пространства, образующего речной гидролитосфернын бассейн. Поэтому выделение локальных потоков есть не только установление некоторого гидролитосферного пространства, где формируется подземный сток, но и тех элементов речного и техногенного бассейнов сгока, с которыми связан данный локальный поток.Выделение локальных гидродинамических потоков предопределяет и выделение локальных гидрохимических и тепловых потоков. Карты локальных потоков, построенные отдельно от гидрохимической и геотермической систем дадут возможность выяснить, насколько

границы и характер действующих в них процессов согласуются между собой и как тесно они связаны.

Па основе карты локальных потоков подземных вод решаются следующие задачи: 1) устанавливаются число, особенности и характер размещения в пространстве локальных потоков, образующих изучаемый региональный поток, 2) выявляется степень их гидродинамической связи или независимости, 3) оцениваются отдельные элементы водно-тепло-солевого режима и баланс каждого локального потока, 4) планируется размещение и конкретизируются задачи сеги мониторинга подземных вод, 5) устанавливаются потоки, в пределах которых возникаег наиболее сложная экологическая обстановка, 6) планируются и обосновываются опытные и другие работы при изысканиях. Форма, размеры и характер размещения локальных потоков на площади регионального

потока могут во времени существенно меняться под влиянием внешних факторов.

Картирование локальных потоков проводится в следующей последовательности. По карте изопшс принятого масштаба анализируют форму регионального потока и, проводя ортогонально к изогипсам раздельные линии тока, делят поток на самостоятельные в гидродинамическом отношении части. При этом каждая линия тока начинается н заканчивается по возможности на внешних границах регионального потока, рпедставляющих его основные внешние области питания и разгрузки. Целесообразно раздельные линии тока совмещать с водораздельными линиями тока, с трассой основных водотоков, являющихся источниками питания грунтовых вод, формируя тем самым локальные потоки. Важно выявить изменчивость локальных потоков во времени. Для этого строят последовательно на принятое число опорных моментов времени соответствующие карты локальных потоков, по возможности сохраняя унаследованное расположение основных раздельных линий тока. Путем сопоставления построенных карт, выясняют места смещения границ локальных потоков и факторы, вызывающие эти изменения.

В соответствии с принятым масштабом картирования в пределах исследуемой части регионального потока подземных вод не все слагающие его локальные потоки могут быть представлены всей своей площадью. Такая же неясность может быть и в согласовании

а

контуров локальных потоков с контурами локальных бассейнов речного и техногенного стоков. Для получения целостной картины пользуются более мелкомасштабной основой.

Карта типов гидродинамических структур потока подземных вод.

Назначение карты состоит в том, чтобы выяснить все гидродинамические особенности потока подземных вод: форму, размеры, строение его в плане и разрезе, основные направления движения, распределение градиентов и скоростей. Под гидродинамической структурой потока понимаем форму и взаимное ортогональное расположение в выделенном объеме систем линий напора и линий тока, которые образуют так называемую гидродинамическую сетку движения.Тип гидродинамической структуры определяется характерной геометрической формой линий напоров и линий токов.Предлагается использовать для названий структур в первую очередь уже принятую в гидродинамике терминологию типов потоков и выделять плоскопараллельные, радналыю-расходящиеся, планово-радиальные и пр.

Таким образом проводится типологическое районирование площади распространения потока по типу структуры. Применительно к проблемам загрязнения подземных вод это означает, что мы получаем возможность достаточно ясно представить: а) как будут загрязнения перемещаться в пределах каждого района вместе с объемом фильтрующейся воды, б) какие условия и почему,с точки зрения гидродинамики, будут наиболее благоприятными для аккумуляции загрязнений в пласте или, наоборот, для их быстрой транспоргировки по пласту, в) в каких гидродинамических условиях загрязнения могут проникать глубоко в пласт. В силу вышеизложенного, карта типов гидродинамических структур может быть использована для решения таких задач, как: 1) оценка общей гидродинамической обстановки условий массопереноса различных веществ, 2) оценка влияния гидродинамики на условия формирования минерализации и химического состава подземных вод, 3) для построения карт эколого- гидродинамического районирования, 4) для планирования размещения наблюдательной сети мониторинга подземных вод и размещения точек опробования водоносных горизонтов.

Карга типов гидродинамических структур является одной из базовых карт, которая позволяет резко повысить достоверность оценки территории по степени экологической напряженности и опасности загрязнения потока подземных вод.

Методика построения карты включает следующие этапы: 1. Установление гидродинамической роли поверхностных водотоков. В зоне прямой гидравлической связи по положению изогипс и направлению движения подотока определяют специальным знаком его гидродинамическую роль: а) как зоны питания, б) как зоны дренирования, в) как зоны транзита.

2. Установление списка типов гидродинамических структур. Анализом геометрических форм изогипс выявляют области с разной конфигурацией потока. Установив количество типологических зон, определяют названия выявленным типам гидродинамических структур.

3. Определение площадей с принятыми типами гидродинамических структур. Для этого аналпруют форму изогипс и наносят характерные линии тока. Затем в соответствии с известными правилами построения гидродинамических сеток проводят раздельные линии напора и линии тока, выделяя зоны с однотипной структурой потока согласно принятого списка.

4. Выделение гидродинамических ловушек.Под гидродинамической ловушкой понимаем такой участок потока, где наблюдаются гидродинамические условия, весьма благоприятные для аккумуляции в потоке различных химических компонентов и, в первую очередь, загрязняющих. Такие условия создаются в зонах: а) где происходит ре-жос уменьшение градиента потока ( на порядок и более ), б) где скорость фильтрации равна нулю ( происходит смена направления движения потока на противоположное ), в)где наблюдается разветвление потока на три и более направлений, г) где латеральная скорость фильтрации сменяется на вертикальную ( или наоборот).

Рис. 1. Карта типов гидродинамических структур.

£.00

40,09

и*

1-2 - тип гидродинамической струюуры: 1-радиальная, 2-1шоско-параллслы1ая, 3-5 - тип гидродинамической ловушки: З-инфилмрациошшя ложбина стока, 4-■юдоратделмш зона ( плато ), 5- фильтрационный полюс: 6-8 - тип пзанмосияэн груигопых и поверхностных под: 6- прямая шдрапличоская, 7 - капшлярко-груптопая, 8 - инфшплранктпая: 9-10 - (раиицм: 9 - типов гидродинамических струиур, 10 - совместная гидродинамической и гидрологической систем: И-13 -зоны глубин зллепшия (руююпыхвод, м: 11- менее 5 м, 12 - К) м, 13 - более 10 м: 14 -гилроизошиса и ее отметка, м.

Карта типов гидродинамических взаимодействий потока грунтовых вод с зоной аэрации и изменений гидродинамических обстаноаок.

Под гидродинамическим взаимодействием латерального ( горизонтального ) грунтового потока с вертикальными потоками влаги, поступающими из зоны аэрации на его поверхность, понимается совокупный процесс вертикального водообмена подземного потока с атмосферой, поверхностью земли, почвой, растительностью и поверхностными водотоками, который протекает в определенной инфильтрациониой обстановке, существующей в зоне аэрации и самом потоке по всей площади его распространения.

Из этого определения видно, что эти взаимодействия, во-первых, рассматриваются в пределах определенных горизонтальных границ, во-пторых, представляется как обощепный процесс, в-третьих, зависит не толькоот условий на поверхности земли, но и от условий, существующих непосредственно на поверхности грунтового потока, в-четвсртых, зависят от обстановки, существующей в самой зоне аэрации.

В качестве горизонтальных границ площади, которая картируется, принимаются, как и ранее, границы регионального и локальных потоков грунтовых вод.

Под совокупным процессом понимается ведущая тенденция водообмена, как результат совместного действия многих факторов, определяющая его интенсивность, направление и главный механизм протекания.

Геофильтрационная обстановка характеризуется типовым составом пород, мощностью и строением зоны аэрации, преобладающим влажностным и температурным состоянием, в которых протекают процессы инфильтрации. !>га обстановка и сам процесс водообмена, идущий через зону аэрации, принимается существенно зависящим от характера поля скоростей /

фильтрационного потока, идущего в насыщенной зоне. Поле скоростей горизонтального потока влияет, как нижняя граница, на распределение по его площади вертикального инфильтрационного потока, поступающего из зоны аэрации, и определяет интенсивность его отвода грунтовым потоком.

Назначение карты типов взаимодействий состоит в том, чтобы показать, как изменяются по площади условия взаимодействия потоков и какие в результате этого создаются условия, а) для накопления и транспортировки загрязняющих компонентов грунтовым потоком, б) для формирования санитарно-гигиенической обстановки, в) формирования техногенных процессов ( подтопление, засоление и др.).

Типы гидродинамических взаимодействий могут существенно изменяться во времени, если действие ландшафтно-гндрологических и техногенных факторов, формирующих эти взаимодействия, а также мощность зоны аэрации меняются во времени. Площадь таких участков на опорные интервалы времени показывается па карте изменении гидродинамических

-/г

обстянпппк Опорный момент вррмецп отвечает гутр.отпе.ннрй перестройке гидродинамической обстановки вследствие изменения действия техногенных, экологических и гидрологических факторов

Названные карты дают информацию к выделению, а) наиболее опасных с экологических позиций зон в пределах картируемой плошали, б) зон. наиболее сложных с гидрогеологических и технологических позиций для удаления пли локализации загрязнений, в) участков, где в.первую очередь могут развиваться неблагоприятные для окружающей среды процессы, г) локальных потоков, на площади которых может существовать наиболее небда гоприяти ая обстановка, требующая первоочередного внимания, а именно, проведения гидрохимического и санитарно-гигиенического рпрбования, размещения сети режимных наблюдений, проведения дополнительных работ по определению геофильтраиионных и геомиграционных параметров и других характеристик.

Фактическим материалом для построения карты гидродинамических взаимодействий является а) карта гидроизогипе, глубин залегания и гидродинамического взаимодействия грунтовых вод с поверхностными водотоками, б) карта строения зоны аэрации, в) карта локальных потоков,

Для построения карты типов изменения гидродинамических обстановок необходимо иметь несколько карг гидродинамических взаимодействий, построенных на опорные моменты времени.

Построение карты типов гидродинамических взаимодействий латерального регионального грунтового потока езоной аэрации ведется в следующей последовательности:

1) на бланк картируемой площади, где показаны опорные горизонтали рельефа, с карты ги.дроизогннс переносятся опорные гидроизогипсы, а также границы зон глубин, которыми выделяются три интервала мощностей зоны аэрации а) менее 5 метро« б) от 5 до Ю метро«, в) более 10 метров.

2) В соответствии с этими градациями мощностей зоны аэрации устанавливается следующая классификация типов взаимодействий А - для мощности менее 5 метров - гидравлический. Б - для мощности от 5 до 10 метров - капиллярно- инфильтраиионный, В - для мощности более 10 метров - инфильтрациопный

3) По длине поверхностных водотоков выделяются аналогичные участки гидродинамической связи водотоков с грунтовыми водами

-о

путем соотношения средних отметок уровня воды в водотоке, глубины воды-в нем и глубины залегания грунтовых вод вблизи водотока.

4) Затем крапом показывается результат районирования зоны аэрации по степени проницаемости и преимущественному составу пород, ее слагающих. В качестве исходной используется информация с карты строения зоны аэрации.

Рис. 2. Карта типов гидродинамических взаимодействий латерального потока с окружающей средой.

1-3 - тип гидродинамического иэанмодеИотпня грунтовых под и поим аэрации: I -гнд^плическое, 2 - каппллярпо-ипфшпл рационное, 3 - инфилмрациопное: 4- 6 - тип шдродннимического нзаимодеМония грунтовых и поверхностных вод: 4 - прямое гн^шнлнческое ( 1-М род ), 5 - каинлляршьгнлрашшчсское ( 3-й род ), 6 -инфшп.трациоиное ( 2-й род ): 7-8 - тин разре'й :юим аэрации и проницаемость: 7 -прспмущсстнснно песчаный, хорошая, 8 - преимущественно сушшшстмН, средняя п штая: 9-11 -мощность юны ачрации, м: 9 - минее 5 м, 10 - 5 - 10 м, 11 - («нее 10 м: 12 - п1Л|н)НтоП1ис11 и ее отмака: 13 - поверхностный но лоток: 14 - граница тиной ратрс ы чош.1 аэрации.

Карта типов изменений гидродинамических обегановок строится путем сопоставления, построенных на два опорных момента времени, соответствующих карт гидродинамического взаимодействия грунтовых вод и зоны аэрации. Результат сопоставления

У*

представляется графически на бланке, где выделяются районы, характеризующие наиболее важные аспекты этих изменений применительно к массоиереносу загрязняющих компонентов а) длительность существования одних и тех же тенденций взаимодействия на данном участке и б) последовательность смены типов взаимодействий во времени. Затем на картируемую площадь с карты строения зоны аэрации переносятся границы областей с преимущественно однородным строением зоны аэрации, что показывается крапом. С карты гидроизогипс и глубин залегания грунтовых вод на второй опорный момент времени переносятся участки водотоков, имеющие разный, но стабильный тип связи с грунтовым потоком, а подразделения участков с нестабильной связью на различные варианты выполняется по границам водотоков, снятых с карты гидроизогипс па первый момент времени. 7) Наложив карту локальных потоков на построенную карту изменений гидродинамических обстановок, получают представление, какие изменения произошли на площади каждого потока.

СШзИ'0 ПП№ И"

1

ЕШ7 Е>

Ы - риМпн и-шоиечнМ тдрпдштшчсскпН оГкппнопкн: I - стабшн.пия ( инфилм-рацншшыН тип н-шимолсПсион ), 2 - 4 - нестабильная си смшшК ишшпдсКсптя: 2 - иифшм.працношюи) клпштярпо-иифилкгрцциоииим, 3 -иифнльтрацитиют гадривличоским: 5 - 6 - доминирующий ахп.-ш пород в тони а1рацтг. 5 - псс'шиыП, 6 - суишинстиИ,- 7 - 9 - тони пгу(ши -шпшэпня фушопих под.

Рис. 3. Карта смены гидродинамических обстановок.

<з.са

а со

м: 7 - менее 5 м, 8 - 5 - 10 м, 9 - Солее 10 м: 10 - 11 - спяэь пояерхностшдх и |р)'!Ггопых 1«>д: 10 - сохрашшшамся, 11 - измененная: 12-нопсрхпостт.)М водоток: 13 - гадртмпопшел и ее отменен, м: И - |раши(Д юн аэрации о различным составом пород.

Карты граднентов (относительной гидродинамической плотности ) н единичных расходов потока подземных вод.

Назначение и принципы построения карты граднентов ( относительной гидродинамической плотности).

Относительный характер изменения градиента потока по площади отображается картон изопьез. Для грунтовых вод пьезометрическая поверхность является общей границей, на которой происходит взаимосвязь двух потоков воды, несущих различные химические и другие компоненты: а) вертикального ннфильтрационпого потока, идущего через зону аэрации и б) латерального фильтрационного потока, движущегося в зоне насыщения.

Таким образом, градиент латерального потока I в обощенном виде характеризует гидродинамическую обстановку, в которй осуществляется перенос влаги из зоны аэрации в грунтовый поток и движение воды в самом латеральном потоке.

Если принять во внимание, что в зоне активного водообмена перенос загрязняющих веществ подземным потоком осуществляется в основном конвективным путем, то тогда общее количество движущегося вещества (^с порпорционально расходу потока О.

С?с = СЗ*С, где С - суммарное количество всех веществ, находящихся в объеме воды, идущем через данное сечение, или количество какого-либо загрязняющего компонента ( сорбция и другие гидрохимические процессы не учитываются).

Расход потока согласно Дарен равен:

О = у*1? ~ к I т В, где В - ширина потока в плане, т -мощность потока.

В этом случае главной энергетической характеристикой водо- и массопереноса является градиент потока .

Из уравнения Дарси градиент можно выразить, как I = у/к = д/Р*к = ч/к и, возвращаясь к уравнению Ос = (2*С - относительное изменение по площади количества переносимого потоком вещества.

то

Итак, величина и характер изменения напорного градиента потока: а) являются базовыми элементами при анализе движения латерального потока, поскольку отражают рельеф его „ пьезометрической поверхности, характеризуя тем самым изменение скорости и расхода потока по площади его распространения; б) отражают также интенсивность процесса поступления вертикального потока влаги ( т.е. условия ннфильтрациопного питания ); в) характеризуют относительное распределение по площади количества вещества, поступающего из зоны аэрации и движущегося вместе с подземным потоком.

Карта относительной гидродинамической плотности потока может использоваться: 1) как базовая при построении карт скоростей и единичных расходов потока; 2) для каргы динамических запасов ( естественных единичных расходов ) подземных вод согласно методики Г.Н.. Каменского; 3) при анализе и картировании местоположения гидродинамических ловушек; 4) при построении каргы защищенности грунтовых вод от загрязнения; 5) при эколого-гндродннамическом районировании; 6) при решении экологических задач с целью выделения участков с наиболее сложной обстановкой; 7) при / планировании мониторинга и гидрогеологических изысканий; 8)

при изучении геохимических процессов формирования состава и минерализации подземных вод; 9) при построении известных карт ионного стока.

Фактическим материалом для построения карты градиентов потока служггг карта гидроизогипс и типов гидродинамической связи грунтовых и поверхностных вод, на которой должны быть показаны основные и дополнительные изогипсы, а также отметки общего уровня по всем водомерным постам и расчетным точкам вдоль поверхностных водотоков, что позволяет вычислить градиент потока с достаточной степенью надежности.

Методика построения карты относительной гидродинамической плотности потока заключается в следующем. Вначале составляется расчетная схема для вычисления значений градиента. Для этого изучаемая площадь разбивается на блоки. Шаг сетки выбирается в соответствии с масштабом, конфигурацией потока и должен обеспечить достоверное вычисление градиента в пределах всей площади потока и особенно на участках с его минимальными значениями. . Блоковая система дает возможность вести расчет градиентов вручную или использовать компьютерную технику.

Вычисление градиента в блоке ведется аналогично тому, как определяются исходные средние значения параметров при численном моделировании. Все вычисленные значения градиентов выносятся на расчетную сетку. Затем, анализируя изменение числовых значений градиентов ( их диапазоны ) и принимая во внимание целевое назначение карты, устанавливают число зон, которые будут отражены на карте.

Как уже упоминалось, имея расчетную блоковую сетку со средними значениями градиентов ( для каждого блока ) и карту водопроницаемости, можно построить карту гидродинамической плотности потока.

Последовательность ее построения следующая.

1.В пределах расчетной сетки, используя карту гидроизогипс, перпендикулярно к ним проводят систему линии токов так, чтобы они, по возможности, проходили через центры блоков.

2.Путем наложения расчетной сетки на карту подо проводи мости определяют для центров блоков расчетное значение коэффициента фильтрации и , умножив его на значение среднего градне!гга, получают исходное значение скорости фильтрации, которое и проставляют в центре блока. / З.Через все цещры блоков проводят касательные к линиям токов и

в принятом масштабе отмечают на касательных величину скорости фильтрации н ее направление.

4.Систематизируя направления и величины модулей векторов выявляют главные направления массопереноса и характер его изменения по плошади, а также однотипные зоны.

Назначение и принципы построения карты единичных расходов,

Карга единичных расходов грунтового потока является базовой картой для анализа условий формирования естественных ресурсов грунтового потока, а также для анализа геохимической и экологической обстановок на площади его развития.

Карта позволяет ориентировочно оценить количество транспортируемого загрязняющего вещества.

Карта единичных расходов строится согласно методике, разработанной п 30-е годы Г Н. Каменским ( ). Принимая ширину потока в плане В = 1, в соответствии с формулой ( ) имеем:

q = krnl = TI, где Т - водопроводимость потока, м /сут, определяется по данным 1

разведочных и опытных скважин или но карте водопроводнмосги,

/¿р.

I - градиент патока, оценивается по карте гидрошогипс или карге относительной гидродинамической плотности потока.

Эти данные являются исходной информацией для построения карты.

Методика построения карты единичных расходов следующая.

1.Расчетная сетка, использованная ранее для определения градиента потока, размещается на карге водоироводимост и.

2.Совместив расчетную схему водопроводнмости с расчетной схемой числовых значений градиента потока в узловых точках расчетной сетки, определяют исходные числовые значения единичного расхода потока.

3.Анализируя диапазон изменений единичного расхода потока, с учетом требований к оценке шага сечений или зон, изложенных в разделе ( ), выбирают расчетный шаг изолиний или число зон и строят по известным правилам интерполяции карту единичных расходов.

Сопоставив эту карту с гидрохимическими картами ( минерализации и химического состава подземных вод, распространения загрязняющих компоне1ггов ), можно дать качественную и количественную характеристику условиям формирования химического и экологического стоков на площади развития локальных потоков и всего речного гндролнтосферного бассейна в целом.

Описание карт типового РГЛБ ( Ташаузского оазиса ).

Задача описания карт состоит в том, чтобы убедиться в действительной возможности снять с них всю информацию, кторая нужна для решения названных выше задач при характеристике целевого назначения карт.

На изучаемой территории регионального потока выделено 4 локальных потока, разных по конфигурации и площади распространения, практически не изменяющих свое положение. Это объясняется стг.5'.:^1.;;ссть:о техногенной гндросети и агромелиоративного воздействия, преимущественным распространением зоны с глубиной до УГВ 5 и менее метров в течение всего периода от 1962 по 1989п\ Переход к площади РГЛБ позволяет для второго, третьего и четвертого потоков четко

потоки практически независимы, как гидродинамически, так и гидрохимически, и соединяются только транзитными каналами и коллекторами.

Карты гидродинамических структур показывают существенную гидродинамическую неоднородность регионального потока. Тем самым объективно устанавливаются различия в гидродинамических условиях поступления, аккумуляции и транзита загрязняющих компонентов. Гидродинамические ловушки выделяют наиболее уязвимые зоны потока. Совместив эти карты с картами локальных потоков видим, что потенциально наиболее опасными с санитарно-гигиенических позиций являются площади третьего, затем второго й первого латеральных потоков в области перьевых и радиальных структур с гидродинамическими ловушками фильтрационного типа.

Карты типов изменений гидродинамических обстановок позволпи четко выделить площади латерального грунтового потока с различной гидродинамической обстановкой и назвать свойственные каждой обстановке гсофильтрациоиные и геомпграцнонные процессы и характер их развития во времени. Они позволили установить: а) зоны, где в грунтовом потоке будет /

наблюдаться пордолжение преимущественно вертикального движения воды и химических компонентов, поступающих из зоны аэрации (участки подземных водоразделов), б) зоны, где при переходе в грунтовый поток произойдет резкое изменение направлений движения потоков влаги зоны аэрации и уменьшение скорости движения воды ( участки плоских пространств на пьезометрической поверхности с малой величиной градиента потока), в) зоны, где будет наблюдаться быстрое перемещение с фунтовым потоком загрязняющих компонентов ( участки высоких латеральных градие!ггов ).

11а основе карты относительной гидродинамической плотности потока была сделана краткая оценка изменений градиента и выделены три характерные зоны. Распределение градиентов и скоростей движения потока в сочетании с фильтрационной характеристикой водосодержащих пород позволило в первом приближении намегить участки с разной схемой массопереноса и возможного проявления гидрогеохимических взаимодействий в системе вода-порода. Одновременно появляется возможность выделить наиболее опасные с экологических позиций площади, где необходимо первоочередное опробование, наметить места

¿и

расположения сети разведочных, опытных и наблюдательных скважин. Сопоставляя карту единичных расходов с выделенными на ней зонами, с каргой локальных потоков и гидрохимическими картами можно дать качественную и количественную характеристику условиям формирования химического и экологического стоков на площади развития локальных потоков и всего РГЛБ в целом.

Часть 3.

Оценка эколого-гндрогеологнческнх условии Новомосковского промрайоиа специальным гидродинамическим анализом.

В Новомосковском промрайопе рассматриваются проблемы оценки загря-знения подземных вод , используемых для водоснабжения. Интенсивная многолетняя эксплуатация и осушение шахтных полей привели к значительному истощению подземных вод на территории Новомосковского промрайоиа. Территория расположена в пределах южного крыла Московского артезианского бассейна . Гидрогеологические условия характеризуются распространением основных водоносных горизонтов в карбоновых и девонских отложениях. В четвертичных и мезозойских отложениях содержатся грунтовые безнапорные и слабонапорные воды .

Глубины залегания грунтовых вод определяются рельефом местности распространением или отсутствием местных водоупоров а водоносных горизонтов карбона и девона - рельефом местности и погружением слоев в северо-восточном направлении к центру Московской синеклизы . Основным источником водоснабжения в Новомосковском промрайоне является напорный упинский водоносный горизонт нижнего карбона .Подземные воды приурочены к трещиноватым местами кавернозным закарсгованным известнякам .Средняя мощность водоносного горизонта 20-25 метров величина напора - примерно 20-40 метров - растет в северном направлении .В кровле залегают бобриковские глины , нижним водоупором служат малсвские глины. На участках размыва этих глин существует гидравлическая связь с нижележащим заволжским водоносным горизонтом. На участках размыва бобриковских глин в кровле нередко залегают

нижележащим заволжским водоносным горизонтом. На участках размыва бобриковских глин в кровле нередко залегают нижнетульскне и бобриковские пески. Питание водоносного горизонта происходит за счёт инфильтрации атмосферных осадков и перетекания из вышезалегающих и нижсзалегающих водоносных горизонтов. Коффициент фильтрации изменяется от 0.01 метра в сутки на водоразделе ДО 85.0 метров в сугки в долинах рек. Качество воды отвечает требованиям питьевого водоснабжения за исключением повышенной концентрации Ре общ. Упинский водоносный горизонг является одним из основных источников водоснабжения.Он же оказывает основное влияние на обводненность угольных месторождений Режим горизонта сильно нарушен эксплуатацией водозаборов и шахтным осушением. В результате многолетней интенсивной эксплуатации образовались обширные депрессионные воронки с понижением до 30 метров.

Для решения поставленной задачи был проведен анализ пространственной гидродинамической структуры упинского водоносного горизонта представленной в плановом изображении в виде каргы пьезоизогипс. Пространственная гидродинамическая структура потока подземных вод формируется благодаря условиям залегания и лиголото-фациалыюму составу пород структурно-тектоническим и геоморфологическим особенностям территории что и определяет гидрогеологические свойства водоносных горизонтов. Помимо карты пьезоизишпс были построены опорные гидрогеологические разрезы, позволяющие лучше понять вертикальную связь потока с вышележащими горизонтами оценить мощность и относительную проницаемость верхнего разделяющего слоя. Поскольку вышезалегающий яснополянский водоносный комплекс имеет значительную гидравлическую связь с упинским горизонтом, был проведен анализ его карты пьезоизигипс. Использовались карты пьезоизогипс на два опорных момента времени. Первый момент времени характеризует условия ненарушенного режима этих водоносных горизонтов.

По картам пьезоизогипс была проанализирована форма регионального потока. Карта локальных потоков позволила выделить в пределах принятого к изучению и картированию регионального потока подземных вод систему образующих его локальных и элементарных потоков находящихся в определенной зависимости и взаимодействии между собой и окружающей их

гг.

гидролитосферной средой. Таким образом на основе этой карты может быть выполнено гидродинамическое районирование регионального потока и членение ею на взаимосвязанные подсистемы другого ранга Согласно принятых позиций региональный поток подземных вод рассматривается как основа для установления границ и объема гидролитосферного пространства, образующего эколого-гидрогеологический таксон со своими закономерностями процессов водообмена, то есть здесь формируется не только подземный сток но и учитываются элементы речного и техногенного бассейнов стока, с которыми связан данный локальный поток. Выделение локальных гидродинамических потоков предопределяет выделение гидрохимических и тепловых потоков, хогя последние и не всегда могут совпадать по форме и размерам с гидродинамическими потоками.

Обратимся к карте локальных потоков упинского водоносного горизонта в естественных условиях. Мы видим два крупных потока, которые приурочены к реке Дон, являющейся естественной дреной. Аналогичные потоки имеет и река Шат, также обладющая дренирующими свойствами. Между этими двумя реками, принадлежащими к разным речным системам располагается крупное водораздельное пространство, имеющее плоскую поверхность.

Река Уперта (протекающая па крайнем Юго-Западе территории) также имеет два локальных потока и отделена от Дона водоразделом .Таким образом наблюдается следующая картина : имеется серия парных локальных потоков, для которых раздельные линии токов совпадают с естественными дренами - реками ( областями разгрузки ) , а другие линии - проходят по водоразделам, являющимся областями шггания (за счёт инфильтрации атмосферных осадков и просачивания из вышележащих водоносных горизонтов ) . Если обратиться к карте локальных потоков яснополянского водоносного комплекса, то в распределении локальных потоков наблюдается та же закономерность, однако, поскольку этот комплекс расположен ближе к поверхности земли, появляется большее количество парных потоков н водоразделов , обязанных своим существованием более мелкой речной сети.

Различные инженерно-технические и водохозяйственные объекты (а в нашем случае - водозаборы и шахты), так или иначе

связанные и воздействующие на поток подземных вод, формируют определенную эколого-техногенную обстановку в самом потоке и окружающей eco среде. Форма, размеры и характер размещения локальных потоков на площади регионального потока существенно изменились под влиянием этих внешних факторов. Карта локальных потоков упииского водоносного горизонта, построенная на 1992 год представляет собой сложную картину га большого числа локальных потоков образовавшихся, благодаря появлению крупных областей искусственной разгрузки в центре, на юго-западе и на севере территории.

Пьезометрическая поверхность на этот период времени имеет сложную конфигурацию. Анализ геометрических форм изопьез позволяет определить радиалыюсходящийся и

раднальнорасходящийся тип гидродинамических структур. Он связан с наличием локальных водораздельных зон, формирующихся на участках усиленной искусственной разгрузки под влиянием интенсивного осушения и водоотбора.

Для такого типа структур наблюдаются гидродинамические условия, весьма благоприятные для аккумуляции и нахождения в потоке различных химических компонентов.

Местоположение этих зон устанавливается из анализа карты пьезоизогипс, а сами зоны являются гидродинамическими ловушками. Так, ложбины стока связаны с радиальносходящейся структурой потока и располагаются во внутренней ее части, где занимают плоское дно (участок с минимальным градиентом является зоной аккумуляции). В месгах слияния верховий нескольких элементарных радиальносходящихся и расходящихся потоков образуются так называемые седловины, имеющие относительно плоскую поверхность. В формировании подземных водоразделов основное участие принимает вертикальный поток фильтрации, который идет через вышезапегающие слои, отделяющие упннский горизонт от земной поверхности. Местонахождение их зависит от расположения и формы объектов ( поверхностных водотоков - рек Шат и Дон ) естественного и искусственного ( Шатское водохранилище ) происхождения, формирующих вертикальный поток фильтрации. Крупный подземный водораздел находится в центре промрайона ( согласно карте пьезоизогипс 1992 года ) под дном Шатского водохранилища.

Для выяснения гидродинамического воздействия вертикального потока влаги, поступающего в упинскин водоносный горизонт ( совокупный процесс водообмена с атмосферой, поверхностными водотоками, вышележащими водоносными горизонтами ), была проведена оценка влияния поверхностных водотоков па формирование его пьезометрической поверхности. Исходя из соотношения положения пьезоизогипс к рекам Шат Дон, Уперта ( для естественных условий ), приходим к выводу, что эти реки играли дренирующую роль. Крупный подземный водораздел в центре района претерпел существенную трансформацию за счег влияния искусственных факторов. С одной стороны -это объекты осушения ( шахты ), с другой - Шатское водохранилище, питающее опосредованно через проницаемые разделяющие слон уаииский водоносный горизонт. Степень проницаемости разделяющего слоя качественно оценивается по его мощности, а также условиями изолированности упинского горизонта от горизонтов грунтовых вод, как наиболее подверженных загрязнению. Эти условия определены пространственной выдержанностью юрского и бобриковского водоупоров.

Использование описанных выше гидродинамических карт позволяет качественно конкретизировать возможные гидрохимические и экологические обстановки и увидеть их распространение по площади. На их основе создается схематическая карта эколого-гидродинамнческого районирования, предназначенная для комплексной оценки гидродинамической обстановки в пределах области развития подземных вод. С гидродинамических карт используются такие характеристики и показатели: 1) тип гидродинамических структур, 2) типы гидродинамических ловушек, 3) характеристика гидродинамических взаимодействий с вышележащими слоями и атмосферой.

На крупных водозаборах и в районах, шахтного осушения происходит увеличение минерализации жесткости и концентрации сульфатов вследствие подсоса более минерализованных вод заволжского водоносного горизонта и фильтрации загрязненных вод из водохранилищ. Приводится карта, на которой выделены участки локального загрязнения, обусловленные проникновением загрязнителей сверху площади искусственной разгрузки подземных вод через скважины групповых водозаборов ( в долинах рр. Любовки и Дон ), где происходит подсос вод заволжского

горизонта и ухудшение качества питьевой воды, площади формирования химического состава подземных вод за счет поверхностных ( вод водохранилищ и пверхностных водотоков ). Она служит дополнением к схематической карге эколого— гидродинамического районирования Новомосковского иромрайона.

Выводы.

Разработаны методические рекомендации и комплекс оригинальных зколого-гидродинамических карт, которые могут строиться по результатам эколого-геологической съемки общего назначения масштаба 1 : 200 ООО - 1 : 50 ООО, а также по результатам гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий разного целевого назначения, в которых экологические аспекты занимают важное место, и в первую очередь - при обосновании и проектировании мониторинга подземных вод, реконструкции региональной и локальной наблюдательной сети.

Группа карт оценивает гидродинамические свойства и особенности потока подземных вод и включает в себя:

1) каргу гидроизогипс, глубин залегания и типов гидродинамической связи грунтовых и поверхностных вод,

2) каргу типов гидродинамических сгрукгур потока,

3) карту типов взаимодействий латерального потока с вертикальным из зоны аэрации,

4) карту типов изменений гидродинамических обстановок,

5) карту относительной гидродинамической плотности потока,

6) карту единичных расходов,

7) карту локальных потоков,

8) каргу эколого-гидродинамического районирования.

Базовой для построения всех гидродинамических карт является карта гидроизогипс, глубин залегания и типов гидродинамической связи грунтовых и поверхностных вод, информация с которой обрабатывается по специальной методике, что позволяет на ее основе 6 типов аналитических гидродинамических карт и карту районирования.

Показано, что разработанный комплекс карт и специальных разрезов позволяет получить важнейшую для экологической и общей гидрогеологической оценок информацию:

¿ь

1) выделить различные типы гидродинамических ловушек, т.е. структурных зон, где создаются благоприятные гидродинамические условия для аккумуляции и последующей транспортировки поступающих » латеральный поток загрязнений,

2) определить положение региональной поверхности экологического равновесия пространственного потока грунтовых вод, ниже которой внедрение техногенных воздействий наиболее опасно, так как трудно устранимо,

3) выделить в пределах региональною потока локальные потоки, каждый из которых характеризуегся своей историей развития, режимом, балансом, а, следовательно, гидрохимической и экологической обстановкой,

4) установгпъ изменение во времени типов гидродинамических обегановок, что позволяет выделить наиболее сложные по массопереносу и санитарно-гигиеническим условиям зоны,

5) провести эколого- гидродинамическое районирование и обоснованно выделить наиболее опасные с экологических позиций участки, требующие первоочередного внимания, организации наблюдений и разработки мер к улучшению этих условий.

Предлагаемая методика эколого-гндродннамшгеского картирования базируется на системном подходе и ориентирована на то, что основным объектом изучения является некоторый объем гидролитосферного пространства, включающий связанные определенной иерархией бассейны поверхностного речного, подземного и эколого-техногенного стоков, кторый и назван основной картируемой единицей - речной гидролнтосферный бассейн. Эта таксонометрическая единица увязывается с принятой классификацией речных, гидрогеологических бассейнов, водохозяйственных и техногенных объектов, что позволяет при составлении карт учесть возможность использования их как базовых при прогнозировании эколого-техногенцых обстановок и разработки рекомендаций по рациональному управлению развитием различных техногенно-гидрогеологических. и. других процессов.

Предполагается в дальнейшем продолжить разработку системных принципов гидрогеологического картирования применительно к проблемам мониторинга подземных вод.

Список опубликованных по теме диссертации работ.

2Г

(Булычева H.A. Методика построения карт типов гидродинамических структур и локальных потоков ( Тез. докл. конф « Новые достижения в науках о Земле » ), М., МГГА, 1992.

2.Булычева И.Л. К методике построения и анализа карты относительной гидродинамической плотности потока ( Тез. докл. конф. « Новые достижения в науках о Земле » ), М„ МГГА, 1993.

3.Булычева H.A., Гавич И.К.,Забродин А.И., Михайлова A.B. Прикладная система для решения гидрогеологических задач при обосновании мониторинга подземных вод ( Тез. докл. конф. « Новые достижения в науках о Земле » ), М., МГГА, 1994.

4.Булычева H.A., Гавич И.К. Методика построения и анализа эколого-гидродинамических карт. « Геология и разведка », № 5,

5.Булычева H.A., Гавич И.К. Особенности гидродинамического анализа агротехногенных систем. Сб. научи, тр. ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова. М., 1996, с. 67-69.

6.Булычева H.A. Оценка эколого-гидрогеологичсских условий Новомосковского промрайона специальным гидродинамическим анализом (Тез. докл. международн. конф. « Новые идеи в науках о Земле »), М., МГГА, 1997.

1994.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Булычева, Наталия Авенировна, Москва

Московская государственная геологоразведочная академия

Н.А. Булычева.

Научно методические основы эколого гидродинамического

картографирования.

Москва» 1998г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение, стр ...3

Часть 1. ГЛАВА 1. Эколого-гидродинамический анализ, основные понятия.

1.1. Роль гвдродинамических условий. .. .7

1.2. Выделение речного гидролитосферного бассейна и объекта картирования. ... 14

1.3. Эколого-гидродинамический анализ как инструмент картирования....23

ГЛАВА 2. Оценка принципов и подходов при эколого-гидрогеологическом

картографировании.. ...27

Часть 2. ГЛАВА 1. Особенности гидрогеологических

условий Ташаузской эколого- гидрогеологической системы. ...33

ГЛАВА 2. Карта гидроизогипс, глубин залегания и типов

гидроднами ческой связи поверхностных и грунтовых вод. . .. 41

2.1. Назначение и принципы построения. ... 41

2.2. Методика построения карты. ...43

ГЛАВА 3. Карта локальных потоков подземных вод. ...51

3.1 Назначение и принципы построения. ... 51

3.2. Методика построения карты локальных потоков. ... 5 3

ГЛАВА 4. Карта типов гидродинамических структур потоков

подземных вод. ...59

4.1 Назначение и принципы построения. ...59

4.2. Методика построения карты. ...63

ГЛАВА 5. Карта типов гидродинамических взаимодействий потока грунтовых вод с зоной аэрации и изменений гидродинамических

обстановок. ...72

5.1 .Назначение и принципы построения. ... 72

5.2.Методика построения карт типов гидродинамических взаимодействий потока грунтовых вод с зоной аэрации и изменений гидродинамических обстановок. ...77

ГЛАВА 6. Карты относительной гидродинамической плотности и единичных расходов потока подземных вод. ... 86

6.1 Назначение и принципы построения карты относительной гидродинамической плотности. ... 86

6.2.Методика построения карты относительной гидродинамической плотности потока. . ..90

6.3.Назначение и принципы построения карты единичных расходов. ... 100

6.4 Методика построения карты единичных расходов. ... 102

ГЛАВА 7. Описание карт Ташаузского оазиса. . ..103

7.1. Описание карт локальных потоков. ... 103

7.2. Описание карт типов гидродинамических структур для

Ташаузского оазиса. ... 107

7.3. Описание карт типов гидродинамических взаимодействий потока грунтовых вод с зоной аэрации и изменений гидродинамических обстановок. ...109

7.4. Краткая оценка особенностей изменения градиентов и скоростей потока. ...112

7.5. Краткая характеристика особенностей изменения единичных расходов потока. ... 114

Часть 3. ГЛАВА 1. Оценка эколого-гидрогеологических условий Новомосковского промрайона специальным гидродинамическим анализом. ...116

Заключение и выводы. . . . 144

Список рисунков. ... 144

Список литературы. ... 149

о

Введение.

Охрана окружающей среды (включая и гидрогеологические системы) и рациональное использование природных богатств - одна из важнейших проблем современности. В настоящее время в системе человек-природа возникли новые условия взаимодействия, когда техногенная деятельность человека стала играть роль мощного геологического фактора, который приводит к изменению состояния и свойств природной геологической среды. Ныне экология рассматривается как комплексное научное направление, предметом которого является изучение, прогнозирование и управление факторами внешней среды в процессе их взаимодействия с живыми организмами на всех уровнях их организации.

Создание крупных водохозяйственных систем, строительство гидромелиоративных сооружений вызывают определенные изменения в установившемся природном равновесии, что может обусловить отрицательные последствия, следовательно предвидение техногенных гидрогеологических процессов, основанное на научных прогнозах, имеет большое практическое и теоретическое значение.

Во многих областях страны подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения и, как правило, это сопровождается процессами их истощения и загрязнения, имеющими сложную и многообразную природу.

Целью выполненной работы является обоснование подходов и разработка общих принципов эколого-гидродинамического анализа и построение комплекса эколого-гидродинамических карт на примере двух природно-техногенных гидрогеологических систем.

В сооответствии с этим решались следующие задачи:

1. Оценка имеющихся в наличии принципов и подходов при эколого-гидрогеологическом картографировании.

2. Разработка принципов эколого-гидродинамического анализа и выделение объекта картографирования ( на примере Ташаузского оазиса).

3. Разработка методики построения комплекса эколого-гидродинамических карт.

4 Осуществление предварительного эколого-гидродинамического

районирования (на примере Новомосковского промрайона). В диссертации защищается содержание эколого- гидродинамического анализа и методика построения комплекса гидродинамических карт, с помощью которых он осуществляется, т. е.

1 Принципы и содержание комплексного эколого-гидродинамического анализа и выделение объекта картирования.

2 Содержание и методика построения карт типов гидродинамических структур.

3 Содержание и методика построения карт типов гидродинамических взаимодействий латерального потока с внешней средой и их изменений во времени.

4. Результаты применения комплексного эколого-гидродинамического анализа для территории Ташаузского оазиса.

5. Результаты применения комплексного эколого-гидродинамического анализа для территории Новомосковского промрайона. Реализация предложенной методики позволит повысить качество

эколого-гидрогеологических исследований, так как их традиционная методика существенно дополнена, что повышает ее информативность.Предложенный комплекс исследований можно

осуществлять на разных стадиях работ, и полученные результаты могут быть направлены на совершенствование планируемой сети мониторинга подземных вод, повышение достоверности математических моделей, составление прогнозов состояния окружающей среды. Научно -методические результаты, полученные в процессе исследований для данных гидрогеологических условий, могут быть использованы и для других территорий. Организации мониторинга подземных вод осложняется многофакторностью ситуаций, влияющих на условия загрязнения подземных вод и экологическую обстановку конкретного района в целом. Комплексный учет действия природных и техногенных процессов проявляется по площади и разрезу территории и может быть выполнен методом эколого-гидродинамического анализа. Он базируется на построении серии аналитических карт ( гидродинамических, строения зоны аэрации и защищенности подземных вод).

Под эколого-гидродинамическим картографированием понимается построение комплекса специальных гидродинамических карт. В зависимости от проектной задачи число карт может варьировать. Совместно с И.К. Гавич автором была разработана и реализована для двух объектов методика построения следующих карт:

1) регионального и локальных потоков,

2) типов гидродинамических структур потока,

3) типов гидродинамических взаимодействий латерального потока с внешней средой и их изменений во времени,

4) градиентов или относительной гидродинамической плотности потока,

5) единичных расходов потока.

Краткая характеристика картируемых объектов.

Апробация эколого-гидродинамического анализа как метода исследований проводилась на двух примерах гидрогеологических обстановок. К рассмотренным гидрогеологическим условиям относятся два района. Первый - аридный район с весьма активным инфильтрационно-стоковым режимом грунтовых вод. Инфильтрационный водообмен создается техногенными факторами -фильтрацией и инфильтрацией из коллекторно-дренажной сети, а также инфильтрационным потоком от орошения (Ташаузский оазис). Второй -район с умеренным климатом, расположенный в пределах Среднерусской возвышенности, на южном крыле Московского артезианского бассейна, где: а) уровенный режим не только грунтовых, но и артезианских вод зависит от метеорологических факторов, б) кроме того, основную техногенную нагрузку создает все возрастающий водоотбор подземных вод, как для нужд водоснабжения, так и для шахтоосушения.

Часть ГЛАВА i Экодошо-видроЯин&мичвский внапиз основные понятая.

1- /. Роль гидродинамических условий.

Экологические аспекты в гидрогеологических исследованиях заняли в настоящее время одно го главных мест ввиду того, что экологическое состояние окружающей среды стало определять жизнь к деятельность людей В соответствии с новыми задачами требуется внести существенные изменения в традиционные приемы гидрогеологических исследований, в частности, в гидрогеологическое картирование. Эти изменения связаны в первую очередь с тремя особенностями экологических воздействий; их локализацией, способностью развиваться и оказывать неблагоприятное влияние на окружающую среду, в том числе на гидролигосферу. Экологические процессы возникают под воздействием самого человека, поскольку пезультаты его

ё/ Л ш.'

хозяйственной деятельности изменяют пр иродно-социал ь ную обстановку. Эти процессы охватывают ландшафтную оболочку ( приземную часть атмосферы, водные объекты, растительность, рельеф, почвы, подпочвенный слой), верхнюю часть гидролитосферы, главным обвазом зош активного водообмена и элементы техноссЬевы (

Л > < JL А V

водозаборы, гидротехнические сооружения,, шахты, городские и промышленные агломерации и т.п.. У Это означает, что развитие процессов в верхней зоне гидролитосферы в этих условиях не может регулироваться естественными факторами и нуждается в управлении. В значительной мере это относится к гидрогеологической обстановке, для которой техногенные воздействия наиболее ощутимы. Однако управлять этими процессами, це зная характера и зоны их развития нельзя, и

и

поэтому необходимо выявить, особенности развития этих процессов и определить тот природно-техногенный таксон, в пределах которого управление эколого-природно-техногенными процессами возможно, целесообразно и эффективно

Важно отметить, что эколого-техногенные воздействия неравномерны в пространстве и времени и локализуются далеко не всегда вблизи объекта, их вызвавшего. Техногенно-экологичсское воздействие на изменение механических, физических, химических свойств и состояний самой горной породы не такое, как на содержащуюся и дешкущуюся в ней воду или на объект, с которым связаны процессы водо-, тепло- и массообмена (их переноса, транспортировки V Результат воздействия на горную породу локализуется обычно вблизи инженерно-хозяйственного объекта, тогда как результаты водо- , тепло- > массопереноса охватывают значительно большие площади. и объемы гидролитосферного пространства, оказывая нередко существенное косвенное влияние на соседние инженерно-хозяйственные и природные гидрогеологические объекты.

Ведущая роль гидродинамических условий в массопершосе и формировании гидрохимической и санитарно гигиенической обстановок общепризнана ,

Однако, при гидрогеологических и эколого-геологических исследованиях традиционно выполняют, как правило, построение карт пьезометрической поверхности, глубин залегания грунтовых вод,( мощности зоны аэрации ) и скоростей потока Требования к качеству и количеству используемой информации, содержательном}' анализу перечисленных карт практически определяются только

профессиональным опытом и интуицией гидрогеолога. Используется, но не определено, 'понятие экологоч идродинамический анализ применительно к гидрогеологическим исследованиям, особенно связанным с зколого-гидрогеологическим обоснованием агромелиоративных, градопромышленных и других проектов, решением природоохранных проблем, созданием различного назначения мониторинга подземных вод.

Возросшая научная и практическая значимость эколого-шдрогео-логических исследований требует развития гидродинамических

исследований. В 1990 - 92 гг. И . К . Гавйч предложено ввести понятие «эколого-гцдро динамический анализ».

ЭГДА - совокупность исследований, результаты которых позволяют выяснить факторы, формирующие основные тенденции в развитии гидродинамической обстановки и выделить существующие и потенциально опасные с экологических позиций участки после выполнения экологоггидродинамического районирования. ЭГДА производится по комплексу специально построенных карт ( гидродинамических ). Они характеризуют пространственно-временной тип структур латерального потока подземных вод, типы его гидродинамических взаимодействий с окружающей средой, распределение по площади единичных расходов потока (я - Т*Г), относительной плотности (или градиентов 1 = у/к) и скоростей потоков

( v ^ V х У •

Комплекс таких карг позволяет выделить региональный и слагающие его локальные и элементарные потоки ЦЩ, провести гидродинамическое районирован^ и выявить действующие механизмы

массопереноса вещества и возможные количества загрязняющих компонентов^ перемещающихся или накапливающихся в исследуемом потоке подземных вод.

Основным объектом эколого-гидрогеологического картирования является речной гидролитосфврный бассейн

Если принять за базис выделения подсистем, определяющих эколого-гидрогеологический таксон, закономерности локализации процессов водообмена (в первую очередь - фильтрации ), то можно полагать, что в пределах этих границ будут локализованы зоны влияния и всех других процессов, то есть подсистем.

РйЗВИВйй СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ПрИГуг^НЙ'ШДЪНО К | Д |3 С) I С О Л ОI ИЧ С С КИ м

исследованиям, еще в начале 70-х гг. И. К. Гавич было предложено в качестве гидрогеологических таксонов гидролитосферы использовать понятие «гидрогеологическая система» - некоторая целостная

совокупность гидрогеологических элементов, определенным образом взаимодействующих между собой и с внешней окружающей средой. Следуя А. М. Овчинникову ( 1947, 1953 ), Г. Н. Каменскому ( 1947, 1959 ), иерархия гидрогеологических систем связывается с иерархией речных бассейнов и гидрогеологических структур. Так как развитие и протекание всех процессов в гидрогеологической системе, в первую очередь, определяется гидродинамическими процессами, следуя Г. Н. Каменскому ( 1935,1943 ) иерархия гидрогеологических систем связывается с типами потоков подземных вод ( И. К. Гавич, 1964, 1973, 1978, 1988).

Речные бассейны и, связанные с ними, потоки подземных вод позволяют выделить объемы гидролитосферного пространства, которые

рассматриваютс-я как гидрогеологические системы определенного

**олтттгго^о г»лсгооттттт.та .г» гт/лп¿тл/тт<ллтттт.тллх плпафлт^о*иI таг/\ тхтттаг ттттлрл 1>1^ииаиа5 ч/оЯ^зиххххгму V ниоурлш;^ 1 понуш 1ш и ги'игх ппих у

т7ллсгтт1го ТТттг» ттгч тт гт!тгплгалплгт-птархл1та ^олиртб о олтглилг»ихт v глт-гзлтггло

ич/улдгчи. -1_ГЛЧ/.>АЧ/ XX I Ч/Ч^А^А ХА' У1>Л/Х11ь' А А>С* А* АIV/^АААЭА /V 1

и комплексов, входящих в эту систему, определяются условиями залегания горных пород, литолого-фациалькым составом, структурно-тектоническими и геоморфологическими особенностями. Эти условия определяют в значительной мере пространственно-объемную форму гидрогеологической системы. Им отвечают определенные формы и виды питания и разгрузки, связи подземных вод с атмосферой, наземной гидросферой, определенные закономерности в условиях их движения и режима, формирования баланса и ресурсов, химического состава и минерализащш. Такой бассейн целесообразно назвать речным гидролитосферным бассейном.

Предлагаемая бассейновая таксономия в известной степени отвечает иерархии систем биофитоценоза и бассейновому водохозяйственному и территориально-производственному районированию, при котором конечным таксоном является хозяйственный или территориально-производственный оръект в границах некоторого водосбора.

Обратим внимание, что техногенно-экологические воздействия на гидрогеологический объект и окружающую среду формируются и проявляют себя по видам и механизмам переноса энергии и вещества в двух аспектах: а) проявление этих взаимодействий идет как развитие фильтрационных гидрохимических процессов гидрогеологической среды, б) многие аспекты техногенных взаимодействий обусловлены технологическими особенностями инженерных сооружений. Однако, первое обстоятельство позволяет приближенно оценивать масштабы влияния техногещю-экологических процессов по аналогии с

гидрогеологическими, включая перенос специфических компонентов. В таком случае, применительно к вертикально-латеральному ( штфильтрационно-фшшграциошюму ) переносу загрязнений и развитию экологически опасных процессов можно использовать понятие экологического стока, а водосбор, в пределах которого формируется и аккумулируется этот сток, назовем бассейном экологического стока.

Итак, речной эшлого-гадролишсферный бассейн включает определенный объем гидролитосф�