ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Современное состояние региональных исследований

Как известно, подземные воды во многих регионах являют­ся наиболее важным, экологически безопасным, а часто и един­ственным источником питьевого водоснабжения.

Однако, значительное антропогенное воздействие на окру­жающую среду, включая подземные воды как ее компонент, по­служило причиной того, что подземные воды в ряде регионов нельзя использовать для водоснабжения. Это особенно относит­ся к неглубоким подземным водам верхней гидродинамической зоны.

Изменение качества подземных вод под влиянием человека часто выражается в увеличении содержания растворенных твер­дых веществ, а также некоторых химических элементов и со­единений (хлора, сульфатов, кальция, магния, железа, фтора и некоторых других), в появлении в подземных водах токсичных субстанций искусственного происхождения (например, пести­цидов, нефтепродуктов и радионуклидов), в изменении темпе­ратуры и рН, в появлении запаха и цвета и т. д. Во многих райо­нах воздействие человека на подземные воды приобрело регио-

Нальный характер вследствие общего загрязнения окружающей среды, особенно загрязнения атмосферы, почвы и поверхност­ного стока. Ухудшение качества подземных вод особенно замет­но в промышленных регионах и в районах интенсивного при­менения химических удобрений. Ухудшение качества подземных вод в результате загрязнения представляется даже большей опас­ностью, чем нехватка воды. В этих условиях охрана подземных вод от загрязнения становится одной из актуальных задач.

Концепция уязвимости подземных вод основана на предпо­ложении, что геологическая среда может обеспечить некоторую степень защиты подземных вод от природного и антропогенно­го воздействий. Термин "уязвимость подземных вод по отноше­нию к загрязнению" был введен французским гидрогеологом Ж. Марга (1968) в конце 60-х годов. Первая синоптическая кар­та уязвимости водоносного горизонта по отношению к загряз­нению в масштабе 1:1 000000 была опубликована во Франции (Albinet, 1970).

Хотя, концепция уязвимости подземных вод существует уже три десятилетия, все еще не выработано четкого определения этого понятия. Однако широко используется следующее опре­деление: "Под уязвимостью подземных вод подразумеваются природные свойства системы подземных вод, которые зависят от способности или чувствительности этой системы справлять­ся с природными и антропогенными воздействиями" (Vrba, Zaporozec, 1994).

Комитет по Технологии для оценки уязвимости подземных вод при Национальном Исследовательском Комитете США оп­ределил уязвимость подземных вод как тенденцию или вероят­ность достижения загрязнителями определенной концентрации в подземных водах после попадания в зону над верхним водо­носным горизонтом. Однако, позже, этот Комитет выделил два основных типа уязвимости: специфическая уязвимость (имеет­ся в виду какой-либо конкретный загрязнитель или несколько загрязнителей) и присущая уязвимость, которая не зависит от свойств и поведения специфических загрязнителей.

Основой концепции уязвимости подземных вод является понимание того, что в некоторых областях, благодаря особен­ностям природных условий (прежде всего, геолого-гидрогеоло­гических) подземные воды легко подвержены воздействию за­грязнения и поэтому являются наиболее уязвимыми, а в других - нет. Поэтому главным при оценке естественной защищенно­сти и уязвимости подземных вод является анализ конкретных природных особенностей изучаемого региона. Исходя из этого, можно сформулировать следующие определения.

Защищенность подземных вод - это свойство природной системы, позволяющее сохранить на прогнозируемый период состав и качество подземных вод соответствующими требова­ниям их практического использования.

Противоположный термин - уязвимость подземных вод. Чем больше защищенность подземных вод, тем меньше их уязви­мость к загрязнению.

Оценка уязвимости подземных вод к загрязнению является по существу гидрогеологическим обоснованием мер по их за­щите в различных природных и антропогенных условиях. По опыту ряда стран (Россия, США, Германия, Италия и др.) мож­но осуществить региональную оценку и картирование природ­ной уязвимости водоносных горизонтов, используемых для во­доснабжения и ирригации. Эта оценка обычно основана на ана­лизе и обработке всех имеющихся гидрогеологических данных и прежде всего данных, характеризующих защитные свойства зоны аэрации.

Оценка уязвимости подземных вод к загрязнению осуществ­ляется в двух направлениях:

- качественная оценка территории, заключающаяся в опре­делении степени влияния различных природных и антропоген­ных факторов на уязвимость водоносных горизонтов, что по­зволяет сравнивать различные части территории с точки зрения защищенности подземных вод от загрязнения.

- количественная оценка, заключающаяся в расчете време­ни (скорости) проникновения конкретного загрязнителя в водо­носный горизонт с учетом природных свойств водовмещающих и перекрывающих пород и миграционных свойств загрязни­теля.

Иными словами, следует различать два различных подхода: первый - оценка и картирование защитных свойств или уязви­мости подземных вод какой-либо территории без учета характе­ристик и свойств конкретных загрязнителей и второй - оценка и картирование защитных свойств природной системы приме­нительно к конкретному виду загрязнения.

Рассмотрим кратко современные методические подходы к оценке и картированию естественной защищенности подземных вод. Как уже отмечалось, исследования в этом направлении в последние годы значительно активизировались.

Первые попытки в разработке методов оценки уязвимости подземных вод были предприняты в конце 60-х годов. В на­стоящее время существует большое разнообразие различных способов оценки и картирования уязвимости подземных вод (табл. 6.1.1, составлена по данным О. И. Гроздовой (1987)).

Большинство методологий основываются либо на качествен­ном, либо на количественном анализе влияния различных фак­торов на уязвимость подземных вод. Обычно оценивается сте­пень защиты безнапорных подземных вод или вод верхнего на­порного водоносного горизонта.

При оценке степени защиты безнапорных грунтовых вод рас­сматривается прежде всего влияние мощности и литологичес - кого состава пород зоны аэрации, а в ряде методик учитываются также влияние на уязвимость фильтрационных свойств водонос­ного горизонта и его питания и данные о литологическом ха­рактере водоносных пород.

J. I (окончание)

Авторы ряда методик учитывают сорбционные свойства как пород зоны аэрации, так и водоносных пород оцениваемого во­доносного горизонта. Например, К. Питьева (1984) определяет категории защищенности подземных вод, испоЯьзуя специаль­ную схему, в которой учтена способность пород удалять физи­ко-химические загрязнители из подземных вод в результате ад­сорбции, ионного обмена, осаждения и разложения органичес­кого вещества кислородом и микроорганизмами. Автором выделены восемь категорий защищенности, включающие харак­теристики состава, водопроницаемости и мощности пород зоны аэрации.

Карта уязвимости подземных вод Фландрии (Западная Бель­гия), составленная Джоутом и Госсеном (1990), основана на анализе данных о мощности и литологии пород зоны аэрации состава водоносных пород. На карте показаны 16 участков, ха­рактеризующихся комбинацией трех указанных факторов. На­пример, участки водоносного горизонта, сложенные высоко проницаемыми сильно трещиноватыми породами, перекрыва­ющимися сверху маломощным (до 5 м) слоем хорошо фильтру­ющих пород, считаются наиболее уязвимыми. Участки, где во­доносный горизонт сложен с глинистыми песками и сверху пе­рекрывается глинами, рассматриваются как наименее уязвимые.

Примером качественной оценки защищенности верхнего напорного водоносного горизонта является метод, предложен­ный Гольдбергом и Газдой (1984), включающий анализ двух показателей - мощности верхнего водоупорного слоя и соотно­шения уровней изучаемого напорного водоносного горизонта и залегающего выше безнапорного водоносного горизонта. В за­висимости от сочетания этих двух факторов, выделяются три класса напорных подземных вод: защищенные, условно защи­щенные и незащищенные.

В. Гольдберг (1993) является одним из основных авторов отечественной методологии оценки защищенности подземных вод, основанной на балльной оценке влияния различных при­родных факторов на уязвимость подземных вод. При этом каж­дому из анализируемых факторов присваивается определенный балл в зависимости от степени его воздействия в конкретных природных условиях. Сумма баллов характеризует определен­ную категорию защищенности подземных вод. Чем больше эта сумма, тем лучше защищены подземные воды от загрязнения.

Остановимся более подробно на работе американских уче­ных J1. Аллена, Т. Беннетта, Дж. Лена и К. Нейкетта, которые в 1987 г. разработали стандартизированную систему региональ­ной оценки уязвимости подземных вод к загрязнению, получив­шую название Drastic. Авторы рассматривают влияние на уязви­мость подземных вод следующих природных факторов: глубина до уровня грунтовых вод (УГВ), питание подземных вод, состав и строение почвы и водоносного горизонта. Каждый фактор характеризуется постоянным заранее определенным весовым вкладом, например, глубина до уровня подземных вод характе­ризуется весом 5, а строение почвы весом 2 и т. д. Далее приме­нительно к конкретным геолого-гидрогеологическим условиям устанавливается рейтинг (вклад) каждого фактора. Так, напри­мер, различные интервалы глубины до уровня подземных вод (вес фактора 5) характеризуются разными значениями рейтинга (глубина до 5 м - один рейтинг, 5-10 м - другой рейтинг и т. д.). Умножая "вес" на "рейтинг" авторы получают "показатель" (Number), который количественно характеризует влияние на уязвимость подземных вод оцениваемого фактора. Сумма "по­казателей", называемая "Драстик-индекс", отражает совокупное влияние всех указанных факторов и отображается на карте. Кон­кретный пример, заимствованный из работы указанных авторов, приведен в таблице 6.1.2.

Используя изложенный выше подход, авторы выполнили количественную оценку уязвимости подземных вод к загрязне­нию для большинства регионов территории США и составили

Карты, отражающие "Драстик-индекс". Авторы проделали ко­лоссальную работу по сбору, анализу и обобщению имеющихся фактических данных, отражающих влияние конкретных фак­торов на уязвимость и защищенность подземных вод. Однако методика оценки и картирования уязвимости подземных вод к загрязнению ("Drastic"), не получила широкого использования. Вероятно, это связано с ее некоторыми ограничениями, среди которых следует отметить следующие:

- "Drastic" использует постоянное значение весовой роли фактора, (заранее заданный, назначенный вес), в то время как вклад каждого фактора в конкретных природных условиях явля­ется различным. Например, одна и та же глубина до уровня грун­товых вод по разному влияет на их уязвимость в аридных и гу - мидных условиях. Это обстоятельство придает результатам оцен­ки защищенности по "Drastic" условный характер;

- "Drastic" не разделяет факторы, влияющие на уязвимость подземных вод к загрязнению для безнапорных и напорных во­доносных горизонтов, которые, как будет показано ниже, явля­ются разными;

- не очень понятно, почему влияние почвы рассматривается практически дважды, как фактора "строение почвы" и как одно­го из компонентов фактора "влияние зоны аэрации".

Несмотря на указанные ограничения "Drastic" следует рас­сматривать как первую крупную работу, направленную на коли­чественную региональную оценку природной защищенности подземных вод от загрязнения.