ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Принципы оценки и картирования уязвимости подземных вод

Защищенность подземных вод (или, наоборот, их уязвимость к загрязнению) зависит от многих факторов, которые можно подразделить на три группы: природные, антропогенные и фи­зико-химические. Природные факторы включают: глубину под­земных вод, наличие полупроницаемых слоев, мощность и водопроницаемость пород, перекрывающих подземные воды, сорбционные свойства пород, гидродинамические условия, оп­ределяющие направление и скорость фильтрации, темпы водо­обмена подземных вод различных горизонтов. Антропогенные факторы включают: наличие и условия хранения загрязняющих веществ на поверхности земли, распределение по площади сточ­ных вод, в том числе с полей орошения, различного рода нару­шения поверхности земли (строительные котлованы, колодцы, карьеры и т. п.), определяющие возможность проникновения заг­рязняющих веществ в водоносные горизонты. Физико-химиче - ские факторы характеризуют: сорбционные и миграционные свойства загрязняющих веществ и характер взаимодействия между загрязняющими веществами, породами и подземными водами. Все эти факторы следует рассматривать при оценке уяз­вимости подземных вод к загрязнению. Однако, выбор основ­ных факторов для рассмотрения зависит от конкретных гидро­геологических и антропогенных условий рассматриваемой тер­ритории, цели исследования и масштаба оценочных карт.

Следует отметить, что природные факторы, определяющие уязвимость подземных вод к загрязнению, являются различны­ми для безнапорных и напорных вод. Для безнапорных вод та­кими факторами, в первую очередь, являются: мощность зоны аэрации (или глубина до уровня безнапорных вод), литологи - ческий состав этой зоны, питание подземных вод (обычно ис­пользуется среднегодовая величина питания за многолетний период), время водообмена подземных вод, водопроводимость безнапорных водоносных горизонтов. При этом степень влия­ния указанных факторов на защищенность подземных вод явля­ется различной и зависит от конкретных геолого-гидрогеологи­ческих условий исследуемых территорий.

Характеристики структуры и проницаемости строения и фильтрационных свойств зоны аэрации являются наиболее важ­ными для оценки уязвимости безнапорных водоносных гори­зонтов. Однако данные по проницаемости пород зоны аэрации часто весьма ограничены. В этих случаях для региональных оце­нок анализируется литологический состав пород зоны аэрации, на основании которого условно выделяются различные катего­рии пород, например, хорошо проницаемые, проницаемые, по­лупроницаемые, практически непроницаемые. Важным факто­ром, определяющим природную уязвимость подземных вод к загрязнению, является величина их инфильтрационного пита­ния. Для количественной характеристики величины питания могут быть использованы результаты региональной оценки и картирования подземного стока в л/с-км2 или в мм в год.

Анализируя влияние природных факторов на защищенность подземных вод, И. Зекцер, J1. Эверетт и С. Кален в 1991 г. вы­полнили ориентировочную количественную оценку защитных свойств безнапорных и слабонапорных водоносных горизонтов территории штата Калифорния и составили карту уязвимости подземных вод в масштабе 1:2000000. При этом влияние каждо­го фактора в зависимости от конкретных природных условий обозначалось различными "показателями" (Numbers), которые определялись экспертным путем. Например, мощность вадоз - ной зоны до 30 м - Number 3, от 30 до 60 м - Number 6; величина инфильтрационного питания менее 15 мм в год - Number 10, от 15 до 30 мм в год - Number 8, от 30 до 60 мм в год - Number 6 и т. д. Такой подход придает некоторую условность полученным выводам. Естественная защищенность подземных вод характе­ризуется суммой показателей (Numbers) и отображена на карте фиксированными градациями (рис. 6.2.1, вклейка). Кроме того, на карте специальными символами показано влияние конкрет­ных факторов на защищенность подземных вод. Эту карту сле­дует рассматривать как первую весьма приближенную оценку степени защищенности подземных вод штата Калифорния от загрязнения.

В целом, анализ влияния различных природных факторов на защитные свойства безнапорных и слабонапорных водоносных горизонтов позволяет сделать вывод, что чем больше мощность вадозной зоны, чем более плотными (менее проницаемыми) породами она сложена, чем меньше величина инфильтрацион­ного питания и величина водопроводимости водоносного гори­зонта, чем больше время водообмена, тем лучше природная за­щищенность подземных вод и, следовательно, меньше их уяз­вимость к загрязнению.

Для напорных подземных вод основными природными фак­торами, определяющими их защищенность от загрязнения, яв­ляются: соотношение уровней (напоров) оцениваемого водонос­ного горизонта и вышележащего безнапорного водоносного горизонта, определяющее возможность поступления сверху загрязненных вод; мощность и проницаемость (литологический состав) верхнего водоупорного слоя, определяющие возможную величину перетекания сверху загрязненных вод; водопроводи - мость, величина инфильтрационного питания и время водооб­мена оцениваемого водоносного горизонта.

Достаточно очевидно, что первые два из названных факто­ров являются определяющими, поскольку они в совокупности характеризуют потенциальную опасность проникновения сверху загрязненной воды в напорный водоносный горизонт. Весьма важно при оценке уязвимости напорного горизонта использо­вать сведения о коэффициенте перетекания. Как известно, коэф­фициент перетекания А представляет собой отношение коэф­фициента фильтрации Кф к мощности Мо верхнего водоупорно­го слоя. Чем больше мощность этого слоя и чем меньше его коэффициент фильтрации, тем выше природная защищенность напорного водоносного горизонта. Однако, часто данные о ко­эффициенте перетекания отсутствуют. В этих случаях анализи­руется литологический состав этого водоупорного слоя, кото­рый определяет его фильтрационные свойства.

Важным природным фактором, определяющим защитные свойства как безнапорных, так и напорных подземных вод, яв­ляется сорбционная способность как водовмещающих, так и, особенно, вышележащих пород.

В заключение этой главы, посвященной одной из важней­ших проблем - охране подземных вод от загрязнения, автор счи­тает нужным высказать несколько соображений принципиаль­ного характера.

1. Существенным недостатком рассмотренной выше мето­дологии оценки природной защищенности подземных вод яв­ляется трудность и неопределенность в оценке действительно­го вклада каждого из рассматриваемых факторов (иными слова­ми их весовой роли) в формирование защитных свойств подземных вод. При этом используется экспертный подход, ког­да на основании имеющегося опыта без конкретных количествен­ных оценок одним факторам придается большая роль (и соот­ветственно, большая сумма баллов), а другим - меньшая. Такой подход, присущий большинству методик, использующих оцен­ку по баллам, является качественным и придает результатам оцен­ки и картам защищенности весьма условный характер. Это за­мечание относится ко многим ныне весьма популярным мето­дикам, включая Drastic, методику В. Гольдберга и др. Поэтому составление такого рода карт защищенности следует рассмат­ривать только как первый, весьма важный и необходимый этап количественной оценки уязвимости подземных вод к загрязне­нию, который позволяет получить общие региональные пред­ставления о степени природной защищенности подземных вод в том или ином районе.

2. Второй этап, часто более важный в практическом отноше­нии, заключается в оценке времени, в течение которого загряз­нитель (или загрязненный инфильтрующийся с поверхности зем­ли поток) достигает уровня подземных вод. Это время, а также скорость миграции загрязнителя в водоносный горизонт, могут быть оценены только при более детальных исследованиях, если имеются данные о сорбционных свойствах вадозной зоны и во­доносного горизонта и о миграционных параметрах. В этих слу­чаях для расчета времени, в течение которого загрязнитель дос­тигает водоносного горизонта, могут быть использованы суще­ствующие математические модели и известные компьютерные программы, например, такие как последние модификации Modflow, СНЕМ, PATH, HydrogeoCHEM и другие.

В качестве примера использования такого подхода для оцен­ки защищенности подземных вод можно привести работу А. Бе - лоусовой и О. Галактионовой (1994), в которой выполнена ре­гиональная оценка и картирование защищенности от радиоак­тивного загрязнения для некоторых районов Европейской части России. Исследования выполнялись для цезия-137 и стронция-90; рассчитывалось время, в течение которого эти радионуклиды с поверхности земли "дойдут" до зеркала грунтовых вод. Затем это время сравнивалось с периодом полураспада этих радионук­лидов и выделялись территории, где рассчитанное время мень­ше периода полураспада (т. е. территории, где подземные воды не защищены от радиоактивного заражения), где это время боль­ше периода полураспада в 1-2 раза (относительна защищенные территории) и где это время больше периода полураспада ра­дионуклидов более чем в 2 раза (хорошо защищенные террито­рии). В общем виде, время в течение которого эти радионукли­ды могут достичь водоносного горизонта, прямо пропорцио­нально мощности перекрывающих отложений (или мощности вадозной зоны) и эффективной пористости пород (Белоусова, Галактионова, 1994; Зекцер и др. 1995).

3. Степень влияния рассмотренных выше природных факто­ров на уязвимость подземных вод является различной. Так, до­статочно очевидно, что для безнапорных вод основными факто­рами, определяющими возможность проникновения загрязни­теля в подземные воды с поверхности земли, являются мощ­ность, состав и сорбционная способность пород вадозной зоны, а для напорных - соотношение уровней (напоров) оцениваемо­го и вышележащего безнапорного (т. е. потенциально подвер­женного загрязнению) водоносных горизонтов и фильтрацион­ные свойства разделяющего их водоупора. Поэтому региональ­ная оценка и картирование уязвимости подземных вод должны проводиться отдельно для основных водоносных горизонтов, воды которых используются сейчас или будут использоваться в перспективе для водоснабжения или для орошения. При этом на картах уязвимости помимо количественных характеристик отражаются также гидрогеологические условия оцениваемых территорий и, прежде всего, основные факторы (условия), оп­ределяющие природную защищенность подземных вод от за­грязнения.

4. Следует иметь в виду, что в нарушенных, по сравнению с естественными или уже сложившимися (сформировавшимися) условиями, влияние основных факторов на защищенность под­земных вод может значительно меняться. Так, интенсификация отбора подземных вод из безнапорного горизонта приводит к увеличению глубины залегания фунтовых вод (увеличению мощ­ности вадозной зоны), что меняет (во многих случаях улучша­ет) их защищенность от загрязнения с поверхности земли.

Иная картина при интенсификации водоотбора из напорно­го горизонта. Например, если в определенных естественных условиях перетекание сверху в напорный водоносный горизонт потенциально загрязненных подземных вод практически отсут­ствует, то в условиях эксплуатации при снижении напоров оце­ниваемого горизонта может произойти изменение соотношений уровней напорного и вышележащего безнапорного горизонта, что значительно увеличит опасность загрязнения рассматрива­емого водоносного горизонта и даже может привести к тому, что он из защищенного превратится в незащищенный.

5. Опасность загрязнения подземных вод зависит не только от природных факторов, определяющих защищенность подзем­ных вод, но также и от общего антропогенного воздействия на окружающую среду, т. е. от содержания загрязняющих веществ антропогенного характера в окружающей среде. Для коли­чественной оценки общего загрязнения окружающей среды рекомендуется использовать модуль техногенной нагрузки m (выраженный в тоннах в год на квадратный километр), пред­ставляющий собой отношение среднего объема выбрасывае­мых ежегодно загрязняющих веществ, к площади исследуемого района.

Для характеристики взаимодействия загрязнения подземных вод и окружающей среды В. М. Гольдберг предложил в 1987 г. ввести индекс чувствительности подземных вод к загрязнению Р, определяемый, как отношение модуля техногенной нагрузки ш к показателю защищенности подземных вод S, выраженный в цифрах, т. е. P=mt/S (где t - время накопления определенного количества загрязняющих веществ на оцениваемой территории, в годах). Показатель защищенности S определяется из суммы цифр, характеризующих влияние определенного фактора (см. выше). Таким образом чувствительность подземных вод к заг­рязнению прямо пропорциональна антропогенному воздействию на окружающую среду и обратно пропорциональна природной защищенности подземных вод. Индекс Р показывает взаимосвязь между загрязнением окружающей среды и возможностью за­грязнения подземных вод. Этот индекс может быть также от­ражен на карте защищенности подземных вод в различных гра­дациях.

6. Региональная оценка и картирование защищенности под­земных вод основаны на анализе и обработке только имею­щихся геологических, гидрологических и гидрогеологических данных без проведения специальных дорогостоящих буровых, опытно-фильтрационных или лабораторных работ. Следователь­но, эти исследования обычно не требуют больших финансовых затрат.

Результаты количественной оценки и картирования уязвимо­сти подземных вод к загрязнению имеют важное практическое значение. Они могут быть использованы в следующих направ­лениях:

- для разработки стратегии использования и защиты подзем­ных вод в районах с различной природной уязвимостью;

- для обоснования планов размещения и развития крупных промышленных и сельскохозяйственных проектов с опасными отходами и сточными водами;

- для обоснования использования подземных вод для водо­снабжения и ирригации и выбора мест для размещения водоза­боров питьевой воды, также как для прогноза изменения каче­ства подземных вод под антропогенным воздействием;

- для гидрогеологического обоснования различных водоза­щитных мероприятий;

- для обоснования выбора мест для аккумулирования и хра­нения стоков.

Одним из важнейших практических результатов оценки и картирования защищенности подземных вод является возмож­ность сравнить различные территории в отношении защищен­ности подземных вод от загрязнения и решить, какая террито­рия лучше защищена от загрязнения, где существует большая опасность для загрязнения скважин, эксплуатирующих подзем­ную воду для водоснабжения, где в первую очередь необходимы водоохранные мероприятия.

Кроме того эти карты могут использовать различные водо­хозяйственные организации для планирования мероприятий по улучшению экологической ситуации.

Своевременная оценка защищенности подземных вод позво­ляет принять необходимые меры по предотвращению негатив­ного изменения их качества и загрязнения. Как правильно отме­чает Vrba (Vrba, Zaporozec, 1994), если уязвимость подземных вод не оценена вовремя и не определена стратегия использова­ния и охраны подземных вод, то стоимость восстановления уже загрязненных подземных вод будет намного превышать сто­имость мероприятий, направленных на их защиту. Оценка и кар­тирование уязвимости подземных вод должны являться состав­ной частью политики и стратегии использования и охраны под­земных вод конкретных регионов. Эти работы должны быть тесно увязаны с общим текущим и перспективным планом ох­раны окружающей среды.