Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения в районе сельскохозяйственной деятельности

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения в районе сельскохозяйственной деятельности"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе

На правахрукописи

ШАМАНЖЕ ЖОЗЕФ

ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ ГРУНТОВЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В РАЙОНЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА Р. БЕНУЭ В СЕВЕРНОЙ АДМИНИСТРАТИВНОЙ ПРОВИНЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАМЕРУН)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук (специальность 25.00.07- Гидрогеология)

МОСКВА-2004

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Московского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе

Научный руководитель доктор географических наук А.П. Белоусова

Официальные оппоненты:

1) Доктор геолого-минералогических наук, профессор Р. Г. Джамалов

2) Кандидат геолого-минералогических наук В. П. Закутин

Ведущая организация: ОАО «ВНИИЗарубежгеология»

Защита состоится 16 декабря 2004г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.121.01 в Московском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе, по адресу, 117997; Москва, ул. Миклую-Маклая, 23, ауд. 5-49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГРУ. Автореферат разослан ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геолого-минералогических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Высокая эффективность азотных удобрений для достижения высокой урожайности в связи с потребностями увеличивающегося населения и применение пестицидов для борьбы против вредных насекомых, растений и др. обусловливает в последние годы постоянный рост их использования и производства. В результате интенсивного использования азотных удобрений и пестицидов загрязняются подземные источники питьевой воды. Борьба с загрязнением, попавшим в водоносный горизонт — сложная задача, требующая дорогостоящих, часто труднореализуемых мероприятий даже в развитых странах. При большом накоплении в пласте загрязняющих веществ (нитратов и пестицидов), а также при низких фильтрационных свойствах водовмещающих пород время, необходимое для полного извлечения загрязнения из ПВ, может измеряться десятками и даже сотнями лет. Поэтому, как и во многих странах, загрязнение азотными удобрениями и пестицидами стало причиной нехватки питьевой воды. В связи с этим возникла необходимость охраны пресных грунтовых вод (ГВ) бассейна р. Бенуэ в административной провинции республики Камерун «Северная» от загрязнения нитратами и пестицидами. Грунтовые воды данного бассейна — единственный источник питьевой воды в районе. Эти воды уникальны по запасам и по химическим параметрам в данной части страны с тропическими климатическими условиями. На территории бассейна ведется сельскохозяйственная деятельность, сопровождающаяся использованием минеральных удобрений и пестицидов. В результате использования этих веществ ГВ могут загрязняться. Во избежание этого целесообразно проведение оценки защищенности ГВ от загрязнения нитратами и пестицидами, как наиболее возможных загрязнителей ГВ бассейна р. Бенуэ.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является оценка защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ от загрязнения нитратами и пестицидами.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Изучены природные факторы защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ и определен защитный потенциал защитной зоны, отделяющей ГВ от поверхностного загрязнения и имеющей двухуровенное строение (почвы и породы зоны аэрации). Выделены типовые участки, характеризующие строение защитной зоны по трем показателям: литолого-генетическому составу почвенного покрова, литолого-генетическому составу пород зоны аэрации (ЗА) и мощности защитной зоны (33).

2. Оценена защищенность ГВ от загрязнения нитратами путем определения времени, за которое нитраты могут продвинуться до уровня грунтовых вод (УГВ).

3. Оценена уязвимость ГВ к загрязнению нитратами через определение времени, за которое концентрация нитратов в ГВ достигнет ПДК.

4. Определена степень уязвимости ГВ к загрязнению нитратами при различной величине их использования.

I РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ (

I библиотека } 3

5. Оценена защищенность ГВ от загрязнения пестицидами: ДДТ и линданом путем определения времени их продвижения через защитную зону до УГВ.

6. Разработаны предварительные рекомендации по количеству использования нитратов и пестицидов.

7. Сформирована концепция мониторинга ГВ бассейна р. Бенуэ и обоснованы зоны санитарной охраны водозаборов (ЗСО).

Фактический материал

В основу данной работы положены результаты исследований следующих научно-исследовательских организаций: научно-исследовательского центра ORSTOM (Office de Recherche Scientifique des Territoires d'Outre-Mer), министерств минеральных, водных ресурсов и энергетики, сельского хозяйства, животноводства. Основными объектами исследований были ГВ мелового водоносного горизонта, сложенного песчаниками. Были использованы климатические данные и сведения о литологическом составе геологических разрезов, вскрытых гидрогеологическими скважинами и колодцами (около 300), оборудованных в последние 32 года; результаты химических анализов ГВ в г. Гаруа и других городах, проведенных в 2001 г (около 30 анализов).

В работе также использованы литературные данные.

Фактический материал обработан автором, в результате чего построены специальные карты и проведены оценки защищенности и уязвимости ГВ к загрязнению.

Научная новизна работы. Данная работа является первой, посвященной гидрогеоэкологии ГВ бассейна р. Бенуэ. В процессе выполнения работы получены следующие новые результаты:

1. Проведено районирование и картирование ГВ по степени уязвимости к загрязнению нитратами при различных нагрузках и установлены оптимальные нагрузки по нитратам на различных участках территории бассейна р. Бенуэ, что может служить основой для оптимального внесения азотных удобрений.

2. Проведено районирование и картирование ГВ бассейна р. Бенуэ по степени защищенности от загрязнения пестицидами: ДДТ и линданом.

3. Обосновано размещение наблюдательной сети и водно-балансовых участков в системе мониторинга ГВ на изучаемой территории.

4. Рекомендованы оптимальные периоды для внесения нитратов и пестицидов с учетом метеорологических факторов на изучаемой территории.

Практическая значимость работы

В настоящее время отмечается интенсивный приток населения из провинции «Дальний Север» на территорию исследований из-за нехватки питьевой воды и плодородных земель.

Результаты выполненных исследований могут быть использованы для:

— определения применяемой дозы минеральных удобрений с учетом реальной техногенной нагрузки по различным выделенным автором участкам;

— рационального выбора безопасных мест для размещения водозаборных сооружений и заселения населения на изучаемой территории;

— регулирования использования пестицидов и других ЗВ на изучаемой территории с учетом степени уязвимости ГВ к загрязнению нитратами на отдельном участке.

Защищаемые положения

1. Методы оценки защищенности и уязвимости ГВ к загрязнению нитратами и пестицидами, применительно к исследуемой территории.

2. Карта защитной зоны, построенная на основе обобщенных природных факторов, на которой показан защитный потенциал защитной зоны и выделены типовые участки по литологическому составу, мощности зоны аэрации (ЗА) и типу почв.

3. Карты защищенности и уязвимости ГВ от загрязнения нитратами, ДДТ и линданом.

4. Концептуальный подход к организации мониторинга ГВ на территории сельскохозяйственного освоения и рекомендации по организации режимной сети и по использованию азотных удобрений и пестицидов на исследуемой территории.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы доложены на межвузовском семинаре студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (г. Москва, 2004г).

По теме диссертации опубликовано 2 работы и одна находится в печати.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 165 страниц текста, 26 таблиц, 37 рисунков и состоит из введения, 4х глав, заключения и списка литературы из 92 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору А.П. Белоусовой за постоянное внимание и всестороннюю помощь при выполнении данной работы. Автор благодарен заведующему кафедрой гидрогеологии МГГРУ профессору В. М. Швецу, проректору по международным связям М. А. Емелину и декану по работе с иностранными учащимися профессору Ж. В. Бунину за возможность продолжения обучения в аспирантуре по государственной линии. Автор искренне признателен всем сотрудникам кафедры гидрогеологии МГТРУ за внимание и поддержку.

Глава 1. Природные особенности территории исследований

Бассейн р. Бенуэ — это пенеплен, находящийся в административной провинции «Северная» Республики Камерун. Его общая площадь около 7000 км2.

Бассейн р. Бенуэ находится в зоне тропического климата, характеризующегося чередованием сухого (с ноября по март) и влажного (с мая по сентябрь) сезонов. Апрель и октябрь — переходные месяцы. Чередование сезонов здесь обусловлено передвижением Гарматана — сухого и горячего ветра из Сахары, дующего к югу, и Муссона — влажного ветра, формирующегося на южном берегу Атлантики, дующего к северу. Количество атмосферных осадков составляет в среднем 1035 мм/год. В сухой сезон атмосферные осадки практически отсутствуют, их среднемесячное количество не превышает 4 — 5 мм. Наиболее влажные месяцы — август и сентябрь (300 мм осадков) 95% осадков расходуется на питание ГВ и испарение и лишь 5% образует поверхностные водотоки. Среднегодовая температура воздуха составляет 28°С. Минимальное ее значение составляет 11,2°С в декабре и максимальное 44,9°С в мае. Главные реки — Кеби, Бенуэ и Фаро, расходы которых колеблются от 18 MVC В засушливый сезон (в марте месяце) до 1240 м7с в сезон дождей.

Стратиграфия. На изучаемой территории залегают метаморфические породы докембрийского возраста, образующие кристаллический фундамент, на котором залегают песчаники среднего и верхнего мелового возраста и четвертичные отложения.

Докембрий сложен гнейсами и мигматитами, прорванными гранитом, базальтом и трахитами. Гнейсы и мигматиты имеют различные фации. Их основные минералы — биотит, амфибол, пироксен и гранат.

Породы среднего мелового возраста — крупные зернистые аркозовые песчаники морского и континентального происхождения, содержащие прослои глин и мергелей и включения галечникового материала. Их мощность составляет 350 м. На западе они перекрыты песчаниками верхнего мелового возраста.

Породы верхнего мела — в основном мелко- и крупнозернистые аркозовые песчаники и конгломераты. Конгломераты представлены галькой кварца, сцементированной окислами железа. Их общая мощность в районе Гаруа превышает 400 м. Породы верхнего мела отличаются от пород среднего мела отсутствием мергелей и имеют континентальное прохождение.

Четвертичные отложения представляют собой древние и современные аллювиальные, элювиальные, коллювиальные и пролювиальные отложения.

Древние аллювиальные отложения сложены глинами и песками. Они встречаются на речных террасах и в долинах рек. Вскрыты скважинами на глубинах до 32 м.

Современные аллювиальные отложения широко развиты вдоль рек Бенуэ, Фаро и Кеби — это пески, глины, суглинки и иногда супеси. Общая мощность составляет 50 м и выше.

Гидрогеологические условия. На изучаемой территории известно 3 водоносных горизонта: четвертичный, меловой и докембрийский, воды которых используются для питьевого водоснабжения.

Четвертичный водоносный горизонт представляет собой линзы супесей, включенных в глинистые толщи в долинах рек. Коэффициент фильтрации

супесей составляет 0,024 м/сут. Удельный дебит скважин составляет от 0,086 до 0,2 л/с. Питание ГВ осуществляется в основном за счет атмосферных осадков . Область разгрузки — поймы рек. Внутренняя разгрузка осуществляется через скважины и испарение.

Глубина залегания ГВ составляет 5 — 10 м (в среднем 7м). Вода пресная, гидрокарбонатная кальциевая с высоким содержанием органических веществ (98 мг Оперм) и кремния (7,5 мг/л). Общая минерализация в среднем составляет 350 мг/л. Гидравлический градиент составляет от 0,001 в районе г. Саски до 0,002 на востоке района Ниакира.

Медовый водоносный горизонт является важнейшим источником питьевой воды по запасам и объему его эксплуатации в провинции. Данный водоносный горизонт сложен песчаниками с прослоями глин. Коэффициент фильтрации песчаников составляет 1,9 — 9,5 м/сут, иногда 17,3 — 77,76 м/сут. С увеличением содержания глин в разрезе коэффициент фильтрации снижается до 0,035 м/сут. Дебит скважин высок и достигает 50 м3/час. Вода пресная гидрокарбонатная кальциевая с общей минерализацией 350 — 500 мг/л. Питание водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и притока вод из кристаллического фундамента. Область разгрузки — поймы рек. Внутренняя разгрузка осуществляется через скважины, колодцы и испарение. Гидравлический градиент составляет 0,008 — 0,01, достигая 0,5 в районе Гаруа.

В кристаллическом фундаменте ГВ залегают в коре выветривания до глубины 20 м. Коэффициент фильтрации составляет 0,5 — 0,75 м/сут. Дебит скважин колеблется от 0,43 до 3 м /час. Общая минерализация небольшая, сухой остаток менее 500 мг/л.

Почвы. На территории исследований преобладает железистая почва, мощность которой достигает 1 м (в среднем 0,5 м). Встречаются также аллювиальная почва вдоль рек, щебнистая почва на возвышениях и гидроморфная почва. Их мощность составляет не более 0,5 м. Основные минералы гидроморфной почвы — монтмориллонит и каолинит.

Глава 2. Методики оценки защищенности подземных вод

В главе 2 обосновывается выбор методики оценки защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ и описаны основные ее принципы. В России проблемой защищенности ПВ одним из первых начал заниматься В.М. Гольдберг. Проблемы защищенности рассмотрены в работах В.Г. Самойленко, В.А. Мироненко, В.Г. Румынина, И.С. Пашковского, И.С. Зекцера, А.И. Горшкова, И. Л. Зелинского, С.А. Арипова, В.Л. Ильина, Н.В. Карагодиной, К.Е. Питьевой, Н.В. Газенко, Р.А. Якубовой, А.С. Кахарова, О.В. Галактионовой, Н.П Ахметьевой, А.П. Белоусовой, Е.Е. Штритер и многих других.

За рубежом оценкой защищенности занимаются М. Albinet и J. Margat (первые в мире стали заниматься этой проблемой), Л. Аллен, Т. Беннетт, Дж. Лен и К. Нейкетт, J. Vrba, A. Zaporozec и многие другие.

Автором был проведен анализ существующих методик оценки защищенности ПВ от загрязнения. На основе этого анализа была выбрана методика оценки защищенности, разработанная Белоусовой А.П., как наиболее перспективная для изучаемой территории. Методология оценки защищенности ГВ от загрязнения заключается в следующем:

Дадим определение защищенности и уязвимости ГВ от загрязнения. Под защищенностью ГВ от загрязнения будем понимать способность защитной зоны препятствовать проникновению поверхностного загрязнения в ГВ. Под уязвимостью — соотношение техногенной нагрузки к защищенности ГВ от загрязнения.

Построение карты защитной зоны. В работе использовался модельно-картографический метод, разработанный А. П. Белоусовой, основанный на построении карты защитной зоны в масштабе 1: 200000. Карта защитной зоны строится путем совмещения трех карт (почвенной, зоны аэрации и глубин залегания УГВ) и является базовой для других построений (карты защищенности и уязвимости ГВ к загрязнению). На карте защитной зоны выделены типовые участки по следующему принципу: в один тип включены все участки, на которых глубина до УГВ, тип почв и литологический состав зоны аэрации одинаковы. Описание типовых участков дается в легенде или экспликации к карте защитной зоны. Кроме этого проводится оценка защитного потенциала защитной зоны на качественном уровне.

Построение карт защищенности ГВ от загрязнения нейтральными загрязняющими веществами. При оценке защищенности и построении карты защищенности ГВ от загрязнения веществами, которые практически не сорбируются почвами и породами зоны аэрации (ЗА), использовалась самая простая модель переноса ЗВ — модель поршневого вытеснения, когда интенсивность движения фронта инфильтрующейся влаги через защитную зону совпадает с интенсивностью миграции ЗВ. Оценка защищенности ГВ от загрязнения этим видом ЗВ проводится через время за которое ЗВ достигнет УГВ и которое определяется по формуле:

где W— величина инфильтрационного питания ГВ, мм /год; в — естественная влажность пород зоны аэрации в долях единицы, безразмерная величина; М— мощность зоны аэрации (или глубина залегания ГВ), м.

Если ЗВ малоопасные, то целесообразно оценить защищенность ГВ от загрязнения через время за которое их концентрация в ГВ достигнет ПДК. Можно использовать данный подход для оценки защищенности ГВ от загрязнения нитратами. Время достижения ПДК определяется по формуле:

где — соответственно предельно допустимая концентрация

нитратов, вносимая концентрация нитратов и начальная концентрация нитратов

поровом растворе пород зоны аэрации и в почвах, в г/л; X размерностью определяется по формуле: IV

Л =

МО'

параметр

(3)

— =-(1 + ЛЛ„),

IV 1Г '

(4)

Построение карт защищенности ГВ от загрязнения сорбируемыми загрязняющими веществами Оценка защищенности ГВ от загрязнения чрезвычайно опасными ЗВ, такими как пестициды, проводится через определение времени их просачивания в защитной зоне. Время определяется по следующей формуле: Ш МШ, Ш , IV

где 5 — объемная масса скелета грунта, т/м^; Кр — коэффициент распределения, характеризующий сорбцию ЗВ породой и почвой, л/кг; М — мощность 33; W— инфильтрационное питание; в — естественная влажность.

В случае многослойного строения зоны аэрации — представляют

суммарное время проникновения загрязняющего вещества через все слои. Под слоем надо понимать литологическую разность пород в разрезе зоны аэрации и почвенный покров.

Построение карты уязвимости ПВ к загрязнению нитратами по времени Дальнейшим этапом является оценка уязвимости грунтовых вод к загрязнению нитратами и построение соответствующих карт. Суть данного этапа заключается в определении оптимальной нагрузки по нитратам, которую возможно применять на изучаемой территории. Для этого на каждом типовом участке на карте защитной зоны даются различные нагрузки по нитратам. Время полученное при определенной нагрузке, позволяет построить карту уязвимости ГВ к загрязнению нитратами. Построение карты уязвимости выполняется путем сопоставления полученного времени со сроком действия водозаборов (25 лет). Располагая картами уязвимости изучаемой территории по различным нагрузкам по нитратам, можно определить оптимальную нагрузку по нитратам и дать рекомендации по использованию нитратов.

Глава 3. Оценка защищенности грунтовых вод бассейна р. Бенуэ от сельскохозяйственного загрязнения

Данная глава посвящена изучению природных факторов и оценке защищенности и уязвимости ГВ к загрязнению нитратами и оценке их защищенности от загрязнения ДЦТ и линданом.

Построение карты защитной зоны. Качественная оценка защищенности ГВ от любого типа загрязнения выполнялась через определение защитного потенциала защитной зоны (33) на изучаемой территории, зависящего от литологического состава и мощности ЗА и типа почв. Рисунок 1 отражает карту защитной зоны, на которой показан защитный потенциал 33. В таблице 1 дана характеристика типовых участков, слагающих 33.

Соспвш 4 Шпылн*-с

Рнс.1. Карта защитной зоны изучаемой территории Масштаб: 1:200000 (с уменьшением в 4,77 раза)

Условные обозначения: 1—5 — степень защитного потенциала (ЗП) защитной зоны: 1 — ЗП отсутствует; 2 — чрезвычайно слабый ЗП, 3 — слабый ЗП; 4— средний ЗП; 5— сильный ЗП; 6 — номера типовых участков.

Таблица I Характеристика типовых участков

1 - Цифры означают номера участков, выделеных на карте (рис 1)

Для построения этой карты использовались три карты (почвенная, зоны аэрации и гл>бин залегания ГВ). В результате этого построения территория разделена на 45 типовых участков, каждый из которых характеризуется определенной глубиной залегания ГВ, определенным литологическим составом пород ЗА и определенным типом почвы.

Всего лишь на 5 участках (10, 11 и 12, 17 и 18), находящихся на севере г. Питоа и на границе изучаемой территории с Нигерией, где мощность глинистых отложений превышает 8 м и почва гидроморфная. ГВ сильно защищенные. На большей части изучаемой территории 33 не способна защитить ГВ от поверхностного загрязнения.

Особенности нитратного загрязнения. Соединения азота в ГВ существуют в минеральных и органических формах. Минеральные формы соединений азота в ГВ представлены ионом аммония, нитрит и нитрат-ионами. Источниками нитратов в ПВ являются минеральные и органические удобрения (навоз и жижа), поверхностные воды с высоким содержанием азота, используемые для орошения, атмосферные осадки.'

В зависимости от окислительно-восстановительных условий среды и типа удобрений, органические удобрения при разложении преобразуются в аммоний (КН4 ), нитриты (N0? )., нитраты (N0}') и газообразную форму — азот (N2) и аммиак (КЫ3). Нитрат-ион более распространен и более мобилен в водном потоке.

Миграция нитратов в ЗА сопровождается их усваиванием корнями растений и деструкцией. Распад протекает, главным образом, путем денитрификации с участием денитрифицирующих бактерий. Постоянное использование удобрений усиливает интенсивность процессов нитрификации, денитрификации, минерализации органических соединений почвы и уменьшения азотфиксации. Оставшиеся соединения азота попадают в ГВ. В условиях промывного режима почв перенос нитратов происходит в основном конвективным путем. Физико-химические особенности нитратов заключаются в их условной несорбируемости при продвижении в 33 до УГВ. Коэффициент распределения сорбции низкий и составляет около 0,2. Нитраты быстро мигрируют с инфильтрационным потоком. Таким образом, нитраты представляют большую угрозу в отношении загрязнения источников питьевой воды. На процессы образования минерального и органического N почвы (минерализация органического N и иммобилизация минерального N влияет изменение метеорологических и физико-химических условий — температуры, содержания кислорода и рН.

Оценка защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ от загрязнения нитратами. Защищенность ГВ от загрязнения нитратами оценивается для случаев, когда нитраты условно распространяются на всей изучаемой территории в не зависимости от их количественного содержания. Оценке защищенности ГВ от загрязнения различными ЗВ предшествовало районирование территории по величине инфильтрационного питания. Для этого автором по данным режимных наблюдений по одиночным скважинам были определены величины инфильтрационного питания ГВ, которые затем

были прорайонированы в зависимости от геолого-литологических особенностей территории и глубине залегания ГВ. Диапазон изменения инфильтрационного питания на изучаемой территории изменяется в широких пределах: от 75 до 975 мм/год. Расчеты времени проникновения ЗВ до УГВ из-за недостатка фактических данных проводятся в годовом временном интервале и поэтому в расчетах используются среднегодовые величины инфильтрационного питания. В результате получаются долгосрочные прогнозные оценки загрязнения ГВ, которые носят приближенный характер. В результате построения карты защищенности ГВ от загрязнения нитратами установлено, что время миграции нитратов до УГВ, определенное по формуле

(1), на большинстве участков не превышает 10 лет. На всех участках с величиной инфильтрационного питания 600 мм/год и выше время составляет от 0,3 до 3,88 лет. При инфильтрационном питании, равном 250 мм/год, ^ составляет от 4,36 лет для участка 44 до 14,49 лет для участка 39, а при инфильтрационном питании 250 мм/год — 5,82 — 29 лет для участков 4 и 7 и 52 — 88 лет для участков 11 и 12. За критерий категоризации принято 25 лет, соответствующий сроку действия водозаборных скважин. Значения указывают на возможность ЗВ мигрировать до УГВ на большей части изучаемой территории. По принятой градации на 35 участках ГВ чрезвычайно незащищенные, на 7 участках (9, 10, 15, 26, 31, 38, 39) ГВ сильно незащищенные, на участке 16 ГВ незащищенные и лишь на двух участках ГВ защищенные (11 и 12).

Даже при минимальной величине инфильтрационного питания получена неблагоприятная картина загрязнения ГВ нитратами. Поэтому на большей части территории нитраты могут попасть в ГВ, причем в очень короткое время.

Оценка уязвимости ГВ к загрязнению нитратами. Оценка уязвимости ГВ к загрязнению проводится с учетом конкретной техногенной нагрузки (дозы внесения нитратов) по исследуемому ЗВ.

При оценке уязвимости ГВ к загрязнению нитратами не учитывалось их количество, усвоенное сельскохозяйственными культурами, а также периодичность (ежегодность) их внесения. Это обусловлено тем, что до 50% нитратов усваивается сельскохозяйственными культурами и каждый следующий год в защитной зоне будет оставаться до 50% нитратов, поэтому считалось, что ежегодно будут участвовать в миграции нитраты в количестве равном дозе их внесения.

Расчет времени достижения ПДК нитратами в ГВ проводился по формуле

(2) при различных дозах. Принято, что начальная концентрация нитратов в поровом растворе

Концентрация нитратов в загрязняющем растворе определялась по следующей формуле:

где С„ — концентрация нитратов в инфильтрующемся растворе, кг/м3; D — вносимая доза нитратов, кг/га/год; Р — величина атмосферных осадков, м/год;

— площадь 10000 М" (1га). На исследуемой территории ОСНОВНЫМ!' сельскохозяйственными культурами являются хлопчатник, арахис, сорго и рис. Величина атмосферных осадков составляет 1035 мм/год. Потребность хлопчатников в минеральных нитратных удобрениях составляет 250 — 300 кг/га/год и для остальных культур 180 кг/га/год. Используя эти данные при оценке уязвимости ГВ от загрязнения нитратами, показано, что при применении дозы нитратов ниже 300 кг/га/год ГВ на изучаемой территории загрязняться не будут, если принять, что единственным источником нитратов являются внесенные минеральные азотные удобрения. Кроме этого, рассчитана доза внесения нитратов, при которой загрязнение ГВ нитратами может достигнуть ПДК. Такой дозой является 463,5 кг/га/год.

Установленная доза нитратов, внесение которой может угрожать ГВ на территории исследований, является минимальной, поэтому целесообразно провести оценку уязвимости ГВ к загрязнению нитратами на изучаемой территории для более высоких их доз внесения. Была рассмотрена уязвимость ГВ к загрязнению нитратами при различных дозах их применения: 495,506,25 и 675 кг/га/год. Рисунок 2 отражает карту уязвимости ГВ к загрязнению нитратами.

Получено, что время достижения нитратами ПДК снижается по мере увеличения их дозы и при увеличении интенсивности инфильтрационного питания. За критерий категоризации степени уязвимости ГВ к загрязнению принят срок действия водозабора 25 лет. Были приняты следующие градации уязвимости: чрезвычайно уязвимые от 0 до 5 лет); сильно уязвимые — 10 лет); уязвимые (/дда 10 — 25 лет); слабо уязвимые {¡¡щк 25 — 50 лет) и условно неуязвимые более 50 лет).

Условно неуязвимыми к загрязнению являются ГВ участков, на которых инфильтрационное питание равно 100 мм/год и ЗА которых сложена слабопроницаемыми отложениями. Наиболее уязвимыми являются ГВ на участках с инфильтрационным питанием выше 600 мм/год. Для данных величин инфильтрационного питания нитраты быстро мигрируют в ГВ в среднем через три года при дозе 495 кг/га/год. При инфильтрационном питании 250 мм/год ГВ на некоторых участках (10, 26, 38, 39) являются слабо уязвимыми при дозе 495 кг/га/год, а уже при дозе 506,25 кг/га/год ГВ относятся к уязвимым.

Оценка защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ от загрязнения пестицидами

Пестициды являются чрезвычайно опасными ЗВ. Для оценки степени защищенности ГВ от загрязнения ими необходимо принять время за которое пестициды продвинутся до УГВ. Время определяется по формуле (4). Оценка защищенности ГВ от загрязнения пестицидам проводилась по двум пестицидами: ДДТ и линдану. Параметры сорбции брались из литературных источников.

Особенности ДДТ и линдана. Это хлорорганические пестициды (ХОП), которые являются высоко стойкими и токсичными в окружающей среде.

Рис. 2. Карта уязвимости грунтовых вод бассейна р. Бенуэ к загрязнению нитратами (доза внесения в почву —495 кг/га/год). Масштаб 1: 200000 (с уменьшением в 6 раз)

1_5 _ Степень уязвимости. 1 — чрезвычайно уязвимые ГВ 0 пдк < 5

лет); 2 - сильно уязвимые ГВ (5 < I Пдк < Ю лет); 3 - уязвимые ГВ (10 < I пдк < 25 лет); 4— слабо уязвимые ГВ (25 < I пдк < 50 лет) 5— условно неуязвимые ГВ (I пдк > 50 лет), 6 - номера типовых участков.

В качестве критерия категоризации целесообразно принять максимальный срок распада пестицида. Автор объясняет такой выбор тем, что если принять время полураспада за критерий оценки защищенности, то это не обеспечило бы достаточно жестких мер по охране ГВ на изучаемой территории от чрезвычайно опасных веществ. Время распада ДДТ составляет 12 —30 лет (принято 30 лет при оценке) и линдана от несколько дней до 7 лет (принято 7 лет при оценке). На основе полученных значений времени продвижения ДТТ и линдана до УГВ были построены карты защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ от загрязнения ДДТ и линданом (рис. 3 и 4). Минимальное t3, для линдана составляет 7 лет (рис. 3). Поэтому по нашим расчетам линдан не представляет угрозу для ГВ на большей части территории работ. Складирование пестицидов на участках с ГВ, залегающими на глубине менее 2 м, не рекомендуется.

Карта защищенности ГВ от загрязнения ДДТ (рис. 3) показывает, что опасность загрязнения ГВ к ДДТ не одинакова по выделенным типовым участкам.

ДДТ может загрязнять ГВ, глубина залегания которых ниже 1 — 2 м, а также при глубине залегания ГВ от 2 до 4 м при отсутствии в литологическом составе ЗА слабопроницаемых отложений и при инфильтрационном питании равном 600 — 900 мм/год. Для этих отложений время проникновения ДДТ до УГВ практически не отличается от времени проникновения нитратов до УГВ. Инфильтрационное питание играет основную роль в растворимости ХОП и их вымывании вниз по разрезу. В связи с малым инфильтрационным питанием и присутствием суглинков и глин в ЗА, степень защищенности ГВ вблизи пойм р. Бенуэ и ее притоков высока. Но иногда, из-за малой глубины залегания ГВ, устойчивости ДДТ до 30 лет и подтока загрязненных ГВ ДДТ из других частей территории некоторые участки необходимо относить к чрезвычайно незащищенным. По отношению к загрязнению ГВ ДДТ, защищенными можно назвать ГВ, залегающие под мощными слоями глин и суглинков на правом берегу р. Бенуэ, на востоке и на западе территории исследований. Здесь время достижения ДДТ УГВ составляет от 60 до 300 лет, т.е. в 2 — 10 раз выше времени распада этого вещества. Автор считает, что при любых обстоятельствах ГВ на этих участках будут защищены от загрязнения ДДТ. Минимальный срок просачивания линдана до УГВ равен его времени распада 7 годам, т.е. опасность загрязнения ГВ линданом небольшая.

Глава 4. Концепция мониторинга подземных вод бассейна р. Бенуэ

В главе 4 формулируется концепция мониторинга ГВ бассейна р. Бенуэ.

Под мониторингом понимается «комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений ее состояния под влиянием антропогенного воздействия». В мониторинг гидросферы следует включить взаимосвязанные с ней подсистемы мониторинга атмосферы (MAC), литосферы (МЛС) и техносферы (МТС) (А.П. Белоусова). Структура

Рис. 3. Карта защищенности грунтовых вод бассейна р. Бенуэ от загрязнения ДДТ. Масштаб 1: 200000 (с уменьшением в 6 раз)

Условные обозначения 1 — чрезвычайно незащищенные ГВ с 5 лет), 2 — сильно незащищенные ГВ (5 < и < 10 лет), 3 — средне незащищенные ГВ (10 < I Пдк < 20 лет), 4 — незащищенные ГВ (20 < < 30 лет), 5 — условно защищенные ГВ (30 < Ъ < 50 лет), 6 — защищенные ГВ 50 лет), 7 — номера типовых участков

Рис. 4. Карта защищенности грунтовых вол бассейна р. Бенуэ от загрязнения линданом. Масштаб 1: 200000 (с уменьшением в 6 раз)

Условные обозначения: 1 — условно защищенные ГВ (7 < 1,< 10 лет); 2 — защищенные ГВ (1,> 10 лет); 3 — номера типовых участков.

мониторинга включает: вход в систему — сбор исходной информации, систему мониторинга гидросферы (МГС) и выход из системы, вход в систему управления (рис. 5). В МГС входят подсистемы наблюдений, оценок и прогноза.

Рис.5. Структура мониторинга гидросферы

Вход в систему МГС и сбор исходных материалов. Климатические и геологические условия изучаемой территории достаточно изучены. Дополнительно необходимо определение фильтрационных параметров водовмещаюших пород и 33, миграционных параметров ЗВ, техногенной нагрузки и построение соответствующих карт. Объектами изучения должны являться сельскохозяйственные земли, фермы, города и населенные пункты, водозаборы, места выпаса скота, находящиеся на территории исследований.

Подсистема наблюдений. При организации наблюдательной сети необходимо провести определение фильтрационных параметров водовмещающих пород и миграционных параметров ЗВ и установить границы зон мониторинга. Наблюдения необходимо проводить на сети наблюдательных скважин и на водно-балансовых участках (рис. 6). На изучаемой территории необходимо оборудовать два режимных створа, состоящих из уже имеющихся наблюдательных скважин, дополнительно проектируется оборудование 5 скважин (2 в одном створе и 3 в другом) и 4 водно-балансовых участка.

При проектировании новых водозаборных скважин необходимо обосновать третий пояс ЗСО от загрязнения нитратами и пестицидами.

Если принять расчетный период эксплуатации скважин 25 лет, то третий пояс ЗСО должен охватывать зону влияния скважин, где не должно быть источников их потенциального химического загрязнения, в частности, азотных минеральных удобрений и пестицидов.

Рис. 6. Карта размещения наблюдательной сети и водно-балансовых участков в бассейне р. Бенуэ Масштаб 1:200000 (с уменьшением в 6 раз)

Условные обозначения: 1—5 — Степень уязвимости: I — чрезвычайно уязвимые ГВ (( пдк < 5 лет); 2 — сильно уязвимые ГВ (5 < I пдк < 10 лет): 3 — уязвимые ГВ (10 < I пдк < 25 лет); 4— слабо уязвимые ГВ (25 < I пдк < 50 лет) 5— условно неуязвимые ГВ (I пдк > 50 лет); 6 — створ наблюдательных скважин; 7 — действующие наблюдательные скважины в створе 8 — проектируемые наблюдательные скважины в створе. 9 — водозабор в г. Гаруа; 10 — проектируемые типовые участки для определения миграционных и других параметров; 11 — номера типовых участков; 12 — зона подтопления; 13 — зона с большим количеством населенных пунктов; 14 — зона выпаса крупного рогатого скота; 15 — зона выращивания хлопчатника.

В нашем случае загрязнение имеет площадной характер. Поэтому необходимо учитывать время миграции ЗВ через 33. Кроме того, необходим учет времени достижения ПДК нитратами. Поэтому автором предлагается применить при расчетах не ^ а 1пдк. Таким образом, опасность попадания ЗВ в скважину может возникать, когда меньшее срока действия скважины.

При меньше 25 лет возникает риск загрязнения ГВ на водозаборе притоком ГВ из агромелиоративного участка.

Я — протяжение ЗСО вверх по потоку определяется по следующей формуле (Бочевер, 1979):

Для учета времени просачивания ЗВ в защитной зоне в формуле (6) необходимо заменить (оставшееся время до окончания срока работы

водозабора после попадания ЗВ на УГВ и достижения его ПДК, сут.); 1М определяется по формуле (7).

= 10000-(ПДк (7)

t. =-

n„h„

x+R

(8)

-[Д-х1п-? *

где па активная пористость пород, в долях единицы; Иср — средняя мощность водоносного горизонта, м; д — единичный расход потока м^сут на м понижения; х и Я протяжение ЗОС вверх и вниз по потоку ГВ, м;

где Q — производительность водозабора, м3/сут.

В таблице 2 приведены результаты: расчетов ЗСО при внесении нитратов для некоторый районов. Из таблицы следует, что размеры зоны санитарной охраны (ЗСО) в основном зависят от времени достижения ПДК ЗВ, от пористости водовмещающих пород, от коэффициента фильтрации и удельного расхода.

Таблица 2. Результаты расчета ЗСО

Название района

Гашига Гаруа Ниакира Нконг

к

(м/сут)

L9 2

зд M

0,25 0^25

0ДГ

Ô23

*ПДК

(сут.)

нитратов

73(Ю

5475

7300

7305

tu

(сут.)

2700 4525"

тШ

27СЮ

(м /сут/м)

1,24 10,22

2d* (м)

187,5

600 73,4

х(м)

30 87,6 96 11,68

R(m)

510 НЮО

T2ÔÔ 7ЙГ

F(ra)

10,13 59,79 77,76 5j~

*В таблице 2(1 означает ширину грунтового потока

В г. Гаруа находится единственный водозабор на изучаемой территории. По расчетам, установлено, что площадь ЗСО составляет около 60 га, причем вверх по потоку нельзя вносить нитраты на расстоянии до 1 км от водозабора. Данный водозабор эксплуатируется уже 50 лет и имеет круглую ЗСО радиусом 400 — 500 м. Расстояние зоны захвата вверх по потоку составляет половину полученного размера. Но, несмотря на разницу между рассчитанным и существующим размером ЗСО и на тот факт, что данный водозабор был сооружен очень давно и что ГВ на данном участке сильно уязвимые к загрязнению нитратами, ГВ не загрязнены нитратами (концентрация нитратов составляет всего 0,02 мг/л). При отсутствии сведений о количестве внесенных удобрений, можно предполагать, что перегрузка по нитратам отсутствует.

Подсистема оценок. Подсистема оценок связывает подсистемы наблюдений и прогноза. Эта подсистема предназначается для оценки существующего (наблюдаемого) состояния ГВ и 33, а также вероятного будущего состояния (прогнозного) под влиянием природных и техногенных факторов. Автором построены карты защитной зоны, защищенности и уязвимости ГВ. Эти карты служат исходной информацией для дальнейших работ на исследуемой территории.

Подсистема прогноза. В данной работе приведены сведения по предварительному прогнозу изменения экологической ситуации при загрязнении нитратами и пестицидами, что отражено на картах защищенности, уязвимости и рекомендуемой нагрузки по нитратам, на картах защищенности от загрязнения пестицидами.

Выход из системы мониторинга — рекомендации по улучшению экологического состояния объекта исследований: На основе проведенных исследований, изложенных в главах 2 и 3 и результатов предварительных прогнозов загрязнения ГВ можно дать следующие рекомендации.

Рекомендация по внесению нитратных удобрений на изучаемой территории. При обработке сельскохозяйственной пашни азотными удобрениями установлено (рис.7), что суммарное количество азота, благоприятное по отношению к загрязнению ГВ, должно быть менее 463 кг/га/год на участках с чрезвычайно уязвимыми, сильно уязвимыми и уязвимыми ГВ. На этих участках рекомендуется вносить дозу 250 — 300 кг/га/год. На участках, на которых ГВ являются слабо уязвимыми, можно увеличить дозу до 463 кг/га/год (если это необходимо). Суммарная нагрузка ни гратов на участках с условно неуязвимыми ГВ может достигать 675 кг/га/год.

Рекомендации по использованию пестицидов на изучаемой территории. Разработать меры по защите ГВ и поверхностных вод от загрязнения пестицидами — вопрос, на который многие организации пытаются найти ответы. Необходимо соблюдать существующие универсальные меры по охране ГВ от загрязнения пестицидами. Из них можно рекомендовать следующие меры: 1 — запретить использование стойких пестицидов, таких как ДДТ; 2 — сажать траву между полями, где применяются пестициды и водозабором;

Рис. 7. Карга оптимальной нагрузки по нитратам на грунювые волы бассейна р. Бенуэ. Масштаб 1: 200000 (с уменьшением в 6 раз)

Условные обозначения. 1—3 — участки с рекомендуемой дозой нитратов 1 — 250 — 300 кг/га/год. 2 — 300 — 495 кг/га/год; 3 — 495 — 675 кг/га/год; 4 — номера типовых участков

3 — запретить дальнейшее использование неизвестного пестицида, при его обнаружении в ГВ; 4 — отказаться от использования пестицидов в районе расположения водозаборных скважин и других источников питьевой воды, а также соблюдать ЗСО; 5 — при отсутствии качественного лабораторного оборудования лучше не использовать пестициды, определение концентраций которых затруднено; 6 — уменьшить количество используемых пестицидов. Вносимая доза пестицидов должна быть определена в зависимости от чувствительности вредителей к пестицидам. Если данная доза не известна, надо проводить опыты для ее определения при мониторинге; 7 — период внесения пестицидов не должен совпадать с периодом интенсивных дождей; 8 — время внесения пестицидов не должно совпадать с моментом сильного ветра, вносить пестициды вблизи от населенных пунктов, водозаборов, животноводческих ферм и других важных объектов с учетом розы ветров.

Выводы и рекомендации

1. Геологическое строение (литологический состав пород 33) является одним из основных факторов, который может препятствовать проникновению нитратов до УГВ на большей части изученной нами территории. Другими основными факторами могут являться количество атмосферных осадков и нагрузка по нитратам, которая не должна превышать 463,5 кг/га/год, иначе ГВ будут находиться под угрозой загрязнения нитратами.

2. Площадь с уязвимыми ГВ к загрязнению нитратами составляет около 80% от общей площади изучаемой территории даже при нагрузке 495 кг/га/год. Более уязвимыми являются ГВ на первых и вторых надпойменных террасах и на водоразделе.

3. На западе изученной территории и в районе Джалинго, даже при нагрузке 675 кг/га/год по нитратам 1пдк > 50 лет ГВ будут защищенными. Поэтому эти участки, могут являться наиболее перспективными для размещения сельскохозяйственных угодий или переселения населения. Здесь также можно применять при необходимости повышенные дозы внесения нитратов.

4. Необходимо организовать систему мониторинга за ГВ и 33 на территории исследований. Для этого запроектирована дополнительная режимная наблюдательная сеть, состоящая из двух створов и четырех водно-балансовых участков, на которых необходимо проведение специальных геофильтрационных и геомиграционных исследований с целью определения параметров процессов фильтрации и миграции ЗВ. Расстояние между водозаборами пресных питьевых вод и сельскохозяйственными полями должно составляет не менее 700 м — 1000 м в районах, где используют нитраты, в районе применения пестицидов можно уменьшить размер ЗСО из-за способности пестицидов к сорбции почвами и породами, но наиболее целесообразно определять размеры ЗСО по данным о загрязнения нитратами,

5. Рекомендуется запрещение использования ДДТ и принятие законов, регулирующих применение пестицидов.

Список публикаций по теме диссертации

1. А.П. Белоусова, Ж. Шаманже. Оценка защищенности грунтовых вод бассейна р. Бенуэ от загрязнения нитратными соединениями. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. Обзорная информация. ВИНИТИ, выпуск № 7,2004г. С. 80 — 88.

2. Ж. Шаманже, А.П. Белоусова. Особенности загрязнения грунтовых вод бассейна р. Бенуэ пестицидами (Республика Камерун). Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. Обзорная информация. ВИНИТИ, выпуск № 9, 2004г. С. 43 — 49.

3. Ж. Шаманже. О загрязнении подземных вод в бассейне р. Бенуэ (Республика Камерун). Известия высших учебных заведений «Геология и разведка» (в печати).

Подписано в печать № U.lCcH Объем А.О п.л. Тираж loo Заказ fj (.<£

Редакционно-издательский отдел МГГРУ Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23

»238 31

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Шаманже, Жозеф

Наименование разделов Стр.

Введение

1. Природные особенности территории исследований

1.1 Географическое положение

1.2 Гидрография

1.3 Климатические условия

1.4 Растительность

1.5 Геоморфология

1.6 Геологическое строение

1.6.1 Породы докембрийского возраста

1.6.1.1 Эктиниты

1.6.1.2 Мигматиты

1.6.2 Плутонические и вулканические породы

1.6.3 Породы мелового возраста

1.6.3.1 Породы среднего мелового возраста

1.6.3.2 Породы верхнего мелового возраста

1.6.4 Породы четвертичного возраста

1.6.4.1 Древние аллювиальные отложения

1.6.4.2 Современные аллювиальные отложения

1.6.4.3 Пролювиальные отложения

1.6.4.4 Элювиальные и коллювиальные отложения

1.6.5 Тектонические особенности

1.7 Гидрогеологические условия изучаемой территории

1.7.1 Четвертичный водоносный горизонт

1.7.2 Меловый водоносный горизонт

1.7.3 Водоносный горизонт кристаллического фундамента

1.7.4 Режимные наблюдения за уровнем грунтовых вод на изу- 31 чаемой территории

1.8 Характеристики зоны аэрации

1.8.1 Породы зоны аэрации

1.8.2 Почвы *

1.8.2.1 Аллювиальная почва

1.8.2.2 Железистая почва

1.8.2.3 Гидроморфная почва

1.8.2.4 Щебнистая почва

2. Методы оценки защищенности подземных вод

2.1 Современное состояние проблемы защищенности грунтовых вод 49 от загрязнения, анализ и обобщение выбора методик для бассейна р. Бенуэ

2.2 Методика оценки защищенности грунтовых вод бассейна 61 р. Бенуэ

2.2.1 Общий подход

2.2.2 Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения ма- 65 лоопасными загрязняющими веществами

2.2.3 Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения 67 чрезвычайно опасными загрязняющими веществами

3 Оценка защищенности грунтовых вод бассейна р. Бенуэ от сельскохозяйственного загрязнения

3.1 Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения нитратами 70 3.1.1 Особенности нитратного загрязнения

3.1.2 Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения нит- 73 ратами

3.1.2.1 Качественная оценка защищенности грунтовых 73 вод бассейна р. Бенуэ от загрязнения

3.1.2.2 Количественная оценка защищенности грунто- 80 вых вод бассейна р. Бенуэ от нитратного загрязнения

3.1.2.3 Оценка уязвимости грунтовых вод к загрязне- 84 нию нитратами

Выводы

3.2 Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения пестици- 95 дами

3.2.1 Особенности загрязнения пестицидами

3.2.2 Оценка защищенности грунтовых вод бассейна р. Бенуэ 108 от загрязнения пестицидами

Выводы

4 Концепция мониторинга грунтовых вод бассейна р. Бенуэ

4.1 Структура мониторинга гидросферы

4.1.1 Изучение и сбор исходных материалов

4.1.2 Обоснование зон санитарной охраны водозаборов

4.1.3 Мониторинг защитной зоны

4.1.4 Мониторинг подземных вод 136 4.2. Подсистема наблюдений

4.3 Подсистема оценок

4.4 Подсистема прогноза

4.5 Выход из системы мониторинга

4.6 Рекомендации по использованию удобрений и пестицидов на 153 исследуемой территории

4.6.1 Рекомендация по внесению нитратных удобрений на изу- 153 чаемой территории

4.6.2 Рекомендации по использованию пестицидов на изучав- 153 мои территории

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения в районе сельскохозяйственной деятельности"

Актуальность

Высокая эффективность азотных удобрений для достижения высокой урожайности в связи с потребностями'увеличивающегося населения и применение пестицидов для борьбы против вредных насекомых/ растений и др. обусловливает в последние годы постоянный рост их использования и производства: В результате интенсивного использования азотных удобрений и пестицидов загрязняются подземные источники: питьевой воды. Борьба с загрязнением, попавшим в водоносный горизонт — сложная задача; требующая дорогостоящих, часто труднореализуемых мероприятий даже в развитых странах. При; большом накоплении в пласте загрязняющих веществ (нитратов и пестицидов), а также при низких фильтрационных свойствах водовмещающих пород время, необходимое для полного извлечения загрязнения из ПВ, может измеряться десятками и даже сотнями лет. Поэтому, как и во многих странах, загрязнение азотными удобрениями и? пестицидами стало причиной нехватки питьевой > воды. В связи с этим возникла необходимость охраны, пресных, фунтовых, вод! (ГВ) бассейна р. Бенуэ в административной провинции республики; Камерун «Северная» от загрязнения* нитратами и пестицидами: Грунтовые воды данного бассейнам — единственный источник питьевой воды в районе. Эти воды уникальны по запасам и по химическим параметрам в данной части страны с тропическими климатическими условиями. На территории бассейна ведется сельскохозяйственная деятельность, сопровождающаяся использованием минеральных удобрений и пестицидов. В результате использования этих веществ ГВ могут загрязняться. Во избежание этого целесообразно проведение оценки защищенности ГВ от загрязнения нитратами и пестицидами, как наиболее возможных загрязнителей ГВ бассейна р. Бенуэ.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является оценка защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ от загрязнения нитратами и пестицидами. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Изучены природные факторы защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ и определен защитный потенциал защитной зоны, отделяющей ГВ от поверхностного загрязнения и имеющей двухуровенное строение (почвы и породы зоны аэрации). Выделены типовые участки; характеризующие строение защитной зоны по трем показателям: литолого-генетическому составу почвенного покрова, литолого-генетическому составу пород зоны аэрации (ЗА) и мощности защитной зоны (33).

2. Оценена защищенность ГВ от загрязнения нитратами путем определения ? времени, за которое нитраты могут продвинуться до уровня грунтовых вод (УГВ).

3. Оценена уязвимость ГВ к загрязнению нитратами через определение времени, за которое концентрация нитратов в ГВ достигнет ПДК.

А. Определена степень уязвимости ГВ к загрязнению нитратами при различной величине их использования.

5. Оценена защищенность ГВ от загрязнения пестицидами: ДДТ и линданом путем определения времени их продвижения через защитную зону до УГВ.

6. Разработаны предварительные рекомендации по количеству использования нитратов и пестицидов. .

7. Сформирована концепция мониторинга ГВ бассейна р. Бенуэ и обоснованы зоны санитарной охраны водозаборов (ЗСО).

Фактический материал

В основу данной работы положены результаты исследований следующих научно-исследовательских организаций: научно-исследовательского центра ORSTOM (Office de Recherche Scientifique des Territoires d'Outre-Mer), министерств минеральных, водных ресурсов и энергетики, сельского хозяйства, животноводства. Основными объектами исследований были ГВ мелового водоносного горизонта, сложенного песчаниками. Были использованы климатические данные и сведения о литологическом составе геологических разрезов, вскрытых гидрогеологическими скважинами и колодцами (около 300), оборудованных в последние 32 года; результаты химических анализов ГВ в г. Гаруа и других городах, проведенных в 2001г. (около 30 анализов).

В работе также использованы литературные данные.

Фактический материал обработан автором, в результате; чего построены специальные карты и проведены оценки! защищенности и уязвимости ГВ к зафязнению.

Научная новизна работы.

Данная работа является первой, посвященной гидрогеоэкологии ГВ бассейна р. Бенуэ. В процессе выполнения работы получены следующие новые результаты:

1: Проведено районирование и картирование; ГВ по степени уязвимости к зафязнению нитратами при* различных нафузках и установлены оптимальные нафузки по нитратам на различных участках территории бассейна р. Бенуэ, что может служить основой для оптимального внесения азотных удобрений.

2. Проведено районирование и картирование ГВ бассейна р. Бенуэ по степени защищенности от зафязнения пестицидами: ДДТ и линданом.

3. Обосновано размещение наблюдательной сети и водно-балансовых участков в системе мониторинга ГВ на изучаемой территории.

4. Рекомендованы оптимальные периоды для внесения нитратов и пестицидов с учетом метеорологических факторов на изучаемой территории.

Практическая значимость работы.

В настоящее время отмечается интенсивный приток населения из провинции «Дальний; Север» на территорию исследований из-за нехватки питьевой воды и плодородных земель.

Результаты выполненных исследований могут быть использованы для: определения применяемой! дозы минеральных удобрений с учетом; реальной техногенной нафузки по различным выделенным автором участкам; рационального выбора безопасных мест для размещения; водозаборных сооружений и заселения населения на изучаемой территории; регулирования использования: пестицидов и других; ЗВ на изучаемой территории с учетом степени уязвимости ГВ к зафязнению нитратами на отдельном участке.

Защищаемые положения

1. Методы оценки защищенности и уязвимости ГВ к зафязнению нитратами и пестицидами, применительно к исследуемой территории.

2. Карта защитной зоны, построенная, на основе обобщенных природных факторов, на которой показан защитный потенциал защитной зоны и выделены« типовые участки по литологическому составу, мощности зоны аэрации (ЗА) и типу почв.

3. Картьь защищенности и уязвимости ГВ от загрязнения нитратами, ДДТ и линданом.

4. Концептуальный подход к организации мониторинга ГВ на территории сельскохозяйственного освоения и рекомендации по организации режимной сети и по использованию азотных удобрений и пестицидов на исследуемой территории.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы доложены на межвузовском семинаре студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (г. Москва, 2004г).

По теме диссертации опубликовано 2 работы и одна находится в печати.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 165 страниц текста, 26 таблиц, 37 рисунков и состоит из введения, 4х глав, заключения и списка литературы из 92 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Шаманже, Жозеф

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Геологическое строение (литологический состав пород. 33) является одним из основных факторов, который может препятствовать проникновению нитратов до УГВ на большей части изученной нами территории: Другими основными факторами могут являться количество атмосферных, осадков и нагрузка по нитратам, которая не должна превышать 463,5 кг/га/год, иначе ГВ будут находиться под угрозой загрязнения нитратами.

2. Площадь с уязвимыми ГВ к загрязнению нитратами составляет около 80% от общей площади изучаемой территории даже при нагрузке 495 кг/га/год. Более уязвимыми являются ГВ на первых и вторых надпойменных террасах и на водоразделе.

3. На западе изученной территории и в районе Джалинго, даже при»нагрузке 675 кг/га/год по нитратам tr^K > 50 лет ГВ будут защищенными. Поэтому эти участки, могут являться < наиболее перспективными для размещения сельскохозяйственных угодий или переселения населения. Здесь также можно применять при, необходимости повышенные дозы внесения нитратов.

4: Необходимо организовать систему- мониторинга за: ГВ и; 33 на» территории исследований. Для этого запроектирована дополнительная режимная наблюдательная сеть, состоящая из двух створов и; четырех водно-балансовых: участков, на которых необходимо проведение специальных геофильтрационных и г геомиграционных исследований! с целью, определения параметров процессов фильтрации и миграции ЗВ. Расстояние между водозаборами пресных питьевых вод : и сельскохозяйственными полями должно составляет не менее 700 м — 1000 м в районах, где используют нитраты, в районе: применения пестицидов можно уменьшить размер ЗСО из-за способности пестицидов к сорбции' почвами и породами, но наиболее целесообразно определять размеры ЗСО по данным о загрязнения нитратами.

5. Рекомендуется запрещение использования ДДТ и принятие законов, регулирующих применение пестицидов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Шаманже, Жозеф, Москва

1. Ахметьева Н.П., Лола М.В. Влияние органических удобрений на качество грунтовых вод водоохранной;зоны Иваньковского водохранилища // Водные ресурсы, 1996. № 4: С. 438 — 443.

2. Арипов С.А. О миграции пестицидов в зоне аэрации и влиянии их на загрязнение грунтовых вод // Гидрогеология ноосферы. Ташкент, 1976. Вып. 1. С. 42—48.

3. Белоусова А.П. Проблемы окружающей среды и. природных ресурсов // ВИНИТИ. Обзорная информация, вып. 11. М. 2002. С. 117 — 125.

4. Белоусова А.П. Основные принципы и> рекомендации по оценке; и картированию защищенности поземных вод от загрязнения // Водные ресурсы. 2002.Т. 30. № 6. С 667— 677.

5. Белоусова А.П. Изменение химического состава подземных вод нефтяного месторождения под влиянием техногенеза // Водные ресурсы. 2001. Т. 28. № 1. С.88 — 98.

6. Белоусова А.П., Галакгионова О.В. Загрязнение радионуклидами подземных вод европейской части России (на примере Калужской и Тульской областей) // Водные ресурсы. 1996. Т. 23. № 3. С. 307 — 313.

7. Белоусова А.П., Захарова Т.В., Швец В.М/ Мониторинг гидросферы в районах расположения АЭС // Водные ресурсы. 1992. № 3. С. 127— 134:

8. Биндеман; Н.Н. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 203 с.

9. Бочевер; Ф.М., Лапшин Н.Н., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения. М.: Недра, 1979. 254с.

10. Брагинский А.П. Пестициды и жизнь водоемов. Киев: Наукова думка, 1972. 227с.

11. Вавилин В.А, Локшина Л.Я., Рытов С.В. К проблеме защиты водных объектов от загрязнения свалками бытового мусора // Водные ресурсы. 2000. Т. 27. № 1. С. 82 — 86.

12. Вакар Н.Г., Зеегофер Ю.О. Методика районирования территории подземных вод // Водные ресурсы. 2000. Т.27. № 1. С. 21 — 31.

13. Вакар Н.Г, Зеегофер Ю.О. Методика районирования территории по опасности загрязнения диоксинами подземных вод (на примере Московской области) // Водные ресурсы. 2002. Т.27. № 1. С. 21 —23.

14. Гавич И.К., Данилов В.В:, Крысенко А.М., Ленченко Н.Н., Филиппова: Г.А. Практикум по динамике подземных вод. Учебное пособие. М.: МГРИ, 1984. 127 с.

15. Гидрогеологические аспекты выбора площадок для атомных электростанций // Сер. Изданий по безопасности № 50-CS-S7. Руководство МАГАТЭ по безопасности. Международное агентство по атомной-энергетике. Вена, 1986; 98с.

16. Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод и природной среды Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 284 с.

17. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М.: Недра, 1984. 262 с.

18. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. М.: Недра, 1986. 161 с.

19. Гончарук Е.И. Санитарная охрана почв> от загрязнения химическими веществами // Киев: Здоровье. 1977. С. 158.

20. Григорьев В.М., Долгинов^ Е.А., Поникаров В.П; и др. Геология: и полезные ископаемые Африки. М.: Недра 1990. 543 с

21. Дакштейн Л., Амбус Ш. Дейвис Д.Р. Требования по разведке прогнозов. Гидрогеологическое прогнозирование. М.: Мир, 1988. 716с.

22. Дедю И.И; Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии, 1988. 408с.

23. Израэль Ю.А. Состояние и комплексный мониторинг природной; среды и климата; пределы изменений. М.: Наука, 2001. 242 с.

24. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Недра, 1984; 48 с.

25. Израэль Ю.А: Глобальная система наблюдений. Прогноз и оценка изменений состояния окружающей природной среды. Основы мониторинга // Метеорология и гидрогеология, 1974. С. 3 — 8;

26. Имамапиев A.M. Научные основы увеличения производства и повышения качества хлопка-сырца // Вестник сельскохозяйственной науки. 1980. № 12. С. 72 — 78.

27. Карагодина Н.В. Геологический; аспект состояния региональных схем охраны природы // Тез. Докл. Первого Всесоюзного съезда инженеров геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев, 1986. Ч. 6. С! 75—77.

28. Каримова О.А. Оценка защищенности грунтовых вод района Кавказских вод от загрязнения хлорорганическими пестицидами // Водные ресурсы. 2003. Т. 30. № 1. С. 111—116.

29. Кац. Д М. Контроль режима грунтовых вод на орошаемых землях. М.: Колос, 1967. 183 с.

30. Кирюхин В.А., Коротов А.И. Шварцев С.Л; Гидрогеохимия. М.: Недра, 1993. 383 с.

31. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрохимия. Учебник для вузов М.: Недра, 1992. 463 с.

32. ЗЭ.Крайнов С.Р., Швец В: М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. М.: Недра, 1987. 236 с.

33. Маринов Н.А. Гидрогеология Африки. М.: Недра, 1978. 371 с.

34. Мельников Н; Н., Волков А.Н., Короткова О. А. Пестициды и окружающая среда. М.: Химия. 1977. 240 с.

35. Мироненко В.А., Румынии В.Г. Опытно-миграционные работы в водоносных пластах; М.: Недра 1986. 236 с.

36. Пашковский И.С. Принципы оценки защищенности подземных вод от загрязнения // Сб. докл. Конф. «Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики».- СПБ., 2002. С. 122 — 131

37. Питьева К.Е., Газенко Н.В., Фокина Л.М. Методическое руководство, по созданию экологического мониторинга за; гидрогеологическими условиями в районах месторождений газовой промышленности. М.: МГУ, 1993. 143с.

38. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. СанПин 2. 1. 4. 1074-01. М.: Госкомсанэпидназдор. Россия, 2001. 15 с.

39. Протасов В.Ф. Экология^ здоровье и охрана окружающей среды в России. Учебное и справочное пособие. М: финансы и статистика, 2001. 672 с.

40. Орлов Д.С. и др. Экология и.охрана биосферы при химическом загрязнении М.: Высшая школа, 2002. 334 с.

41. Самой лен ко В.Г, Якубова Р.А, Кахаров АС. Охрана подземных вод от загрязнения агрохимикатами. Ташкент: Мехнат,1987. 187 с.

42. Самойленко В.Г, Горшков А.И. Методические рекомендации по типизации; условий; защищенности водоносных горизонтов от загрязнения ядохимикатами, применяемыми; в сельском хозяйстве. Ташкент: САИГИМС, 1981. 25 с.

43. Сытник К.М, Брайон А.В, Гордецкий А.В. Биосфера, экология, охрана природы, справочное пособие. Киев: Науква думка, 1987. 523.C.

44. Трофимов В.Т., Епишин В.К. Литомониторинг — содержание, структура, роль инженерной геологии в его развитии //Тез. Докл. Первого Всесоюзного съезда;инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев, 1988. Ч. 6. С. 159 —161.

45. Федоров ЛЛ. Диоксины, как экологическая опасность: Ретроспектива и перспективы. М.: Наука. 1993. 266 с.

46. Черепанов Г.Г. Удобрение и качество окружающей среды // Химия в сельском хозяйстве. 1980. № 10. С. 14 — 22.

47. Шестаков В.М. принципы гидродинамического мониторинга // Разведка и охрана недр. 1988. № 8; С. 45 — 46.

48. Юрченко А.И, Собина Н.А. Формирование и контроль качества поверхностных вод // Наук думка, 1976. Вып.З. С. 28.

49. Albinet М., Margat J, Carthographie. de la vulnerabilite: a la - pollution - des - nappes d'eau souterraine. Orleans, 1970. 4p.

50. Aller L., Bennet Т., et al. DRASTIC: A standardized system for evaluating groundwater pollution; potential using hydrogeological setting; US Env. Prot. Agency, Ada, OK, 1987. 455 p.

51. Cahiers O.R.S.T.O.M. serie hydrologie. Vol. XV, № 1 et 2. O.R.S.T.O.M. Paris, 1978. 210 p.

52. Etono Ngah A. PANNA Cameroon Pesticides or Sustainable Agriculture. Global Pesticide Campaigner, June 1995. Volume 5, Number 2.

53. Cf 66.Gustafson A: Lackage av. kvave fran aker till grundvatten.- Nord. Jordbrugsforks,1978; №.1. S. 133 — 134;

54. International; Programme on chemical safety. Geneva: World Health Organization. 1991. № 54: P. 100.

55. Kay B.D., Elrick D.E. Adsorption and movement of lindane in soils. Soil science. 1967. V.105. №. 5. P. 135—171.

56. Koch P. Notice explicative de la feuille Garoua Ouest. Carte geologique de reconnaissance 1/500 000. Paris, 1959.70:Kundler P., Matzel: W., Golitz H. Miheraldungung. Berlin: VED Dt. Landwirstschaftverlad, 1970. 517 s.

57. Margat J. Vulnerable des nappes; d'eau souterraine a la pollution: bases > de la carthographie. Orleans, 1968.123 p.

58. Margat J., Suais- Parascandola M.F. Mapping the vulnerability of groundwater to pollution: some lessons from experience in France. Vulnerability of soil and groundwater to pollutions // Proc. Inform. Haque, 1987. № 38; P. 433 — 436.

59. Martin D: Reconnaissances pedologiques dans le departement du de la • Benoue. IRCAM, Yaounde. 1962.74: Martin D. Etude pedologique du Casier de Sanguere. IRCAM, Yaounde. 1962.

60. Ndjock J., Watat S., Souley Abdoul. Projet Camerouno-Japonais d'hydraulique rurale 2e phase, rapport des forages 1994/1995. Ministere des Mines, de I'Eau et de I'Energie Yaounde, 1995.137 p.

61. Policy and practice for protection of groundwater. L: Environ. Agency U.K., 1998.57 p.

62. Quentin K.E., WelM Z. Grundwasserverunreinigungendurch or ganische umweltchemikalien // Deutshe Geologische Geselschaft Zeitschrift, 1975, Bd. 124. №. 2. S. 417 — 424:

63. Regnoul J.M. Synthese geologique du Cameroun. Ministere des Mines, de I'Eau et de I'Energie. Yaounde 1986. 113 p.

64. Schwoerer P. Notice explicative de la feuille Garoua Est. Carte geologique de reconnaissance 1/500 000. Republique du Cameroun. Paris, 1965.

65. Starks Th. H. A model approach for RCRA groundwater regulations // Chemometrics and Intil. Lab system. 1988. № 1/2. P. 151 —157.

66. Tillement B. Hydrogeologie du Nord Cameroun. These de Doct-lngenieur. Lyon, 1970. 294p.

67. Vrba J. Zaporozec A. Guidebook on mapping groundwater vulnerability. V. 16. r Hannover, 1994.131 p.

68. WAKUTI. Etudes hydrogeologiques au Nord-Cameroun. Bassin de la Benoue. Republique du Cameroun, ministere du Plan et du Developpement. Yaounde, 1968.

69. Groundwater & Pesticides Section 51 Dealing with New Information.92.www.Cemagref.fr/informations/Ex-rechr/systemes-aqua/herbe-pest/herbe-exemple