Лисьева Наталья Михайловна

На правах рукописи
Лисьева Наталья Михайловна
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКИ
ЕСТЕСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕКОНДИЦИОННЫМИ ВОДАМИ
(НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ
КАМСКО-ВЯТСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА)
Специальность 25.00.07 – Гидрогеология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2009
Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургском государственном горном институте имени
Г.В. Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель:
доктор геолого-минералогических наук, c. н. с.
Сергей Михайлович Судариков
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Воронов Аркадий Николаевич
кандидат геолого-минералогических наук
Петров Владимир Викторович
Ведущая организация – Российский государственный
гидрометеорологический университет
Защита диссертации состоится « 25 » марта 2009 г. в
16.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.01
при Санкт-Петербургском государственном горном институте
имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу:
199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан «
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
к. г.-м. н.
» _______________ 2009 г.
И.Г. КИРЬЯКОВА
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
работы
определяется
назревшей
необходимостью усовершенствования некоторых существующих
методов изучения и оценки естественных ресурсов подземных вод,
их адаптации к современным условиям и задачам, в том числе
экологическим.
Сложные гидрогеологические условия, сравнительно
маломощная зона пресных подземных вод в восточной части
Камско-Вятского артезианского бассейна определили наличие в
регионе небольших месторождений подземных вод хозяйственнопитьевого назначения и связанную с этим проблему подтягивания
некондиционных вод из нижних горизонтов и в результате –
недостаточное водообеспечение населения и хозяйства ряда районов
и городов. Характерны случаи преждевременного истощения
запасов подземных вод питьевого качества до истечения срока
эксплуатации вплоть до их уничтожения (например, на
Туймазинском месторождении).
Проблема усугубляется тем, что водоснабжение в регионе
базируется, главным образом, на подземных водах (свыше 90%).
Слабое использование речных вод связано с их значительным
загрязнением – сельскохозяйственными загрязняющими веществами,
фенолами (до 54 ПДК), нефтепродуктами (до 48 ПДК) и др.
В настоящее время требует усовершенствования метод
расчета среднемноголетнего водного баланса, который до сих пор
мог служить лишь для ориентировочной оценки ресурсов
артезианских вод. Существующий метод нельзя использовать для
изучения динамики артезианских вод сравнительно небольших
регионов и построения для них гидродинамической карты.
Цель работы. Разработка более точной и детальной
методики изучения и оценки естественных ресурсов напорных
подземных вод, определения их динамических параметров на базе
метода среднемноголетнего водного баланса и создание методики
оценки опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных
вод некондиционными водами зоны затрудненного водообмена на
примере восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна.
3
Основные задачи исследований: 1) усовершенствование
метода среднемноголетнего водного баланса с позиций системного
подхода и теории моделирования; 2) оценка естественных ресурсов
подземных вод, расположенных ниже зоны пресных вод восточной
части Камско-Вятского артезианского бассейна с помощью двух
методик – существующей и новой, проверка и сравнительный анализ
полученных результатов; 3) построение серии карт в едином
масштабе 1 : 500 000; 4) выявление гидрогеодинамических и
гидрогеохимических закономерностей формирования подземных вод
верхнего гидрогеологического этажа; 5) разработка методики
региональной оценки и построения карт опасности загрязнения
пресных подземных и поверхностных вод минерализованными
водами; 6) оценка опасности загрязнения пресных подземных и
поверхностных вод минерализованными водами; 7) районирование
региона по степени опасности и факторам загрязнения пресных вод с
помощью разработанной методики.
Фактический материал и личный вклад автора.
Диссертационная работа построена на результатах теоретического
анализа и научно-практических работ, выполненных автором за 6летний период с 2002 по 2008 гг. на основе фактического материала,
собранного в Росгеолфонде, Башкирском республиканском центре
мониторинга состояния недр (ГУП «Башгеолцентр) и фондах
организации
«Башгидромет».
Автором
на
базе
метода
среднемноголетнего водного баланса разработаны: 1) методика
определения величины питания (разгрузки) артезианских вод,
гидродинамических характеристик, позволившая значительно
усовершенствовать и расширить водно-балансовый метод; 2)
методика количественной оценки степени опасности загрязнения
пресных подземных и поверхностных вод залегающими под ними
некондиционными водами.
Автором получены новые данные по динамике артезианских
вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна,
установлен ряд гидрогеодинамических и гидрогеохимических
закономерностей, построен комплекс тематических карт: 10 карт в
масштабе 1 : 500 000 и ряд карт в масштабе 1 : 2 500 00; среди них:
гидродинамическая
карта
минерализованных
вод
(по
усовершенствованному методу), карта опасности загрязнения
4
подземных и поверхностных вод зоны интенсивного водообмена
глубже
залегающими
минерализованными
водами,
карты
гидроизопьез основных водоносных горизонтов, карта областей
питания и разгрузки минерализованных подземных вод, элементов
водного баланса и др. Произведена оценка опасности загрязнения
пресных вод региона некондиционными водами и проведено
районирование региона по степени и факторам загрязнения пресных
вод с помощью разработанной методики. Автором оценены
естественные ресурсы подземных вод зоны затрудненного
водообмена с помощью водно-балансового метода.
Основные методы исследования: а) среднемноголетнего
водного баланса Б.И. Куделина, б) гидродинамический (на базе
уравнения Дарси); в) определения испарения А.Р. Константинова; г)
моделирования
(водно-балансового,
графического);
д)
статистические
обработки
данных
(определения
норм
гидрометеорологических характеристик по рядам наблюдений
разной
продолжительности,
различных
погрешностей
и
коэффициентов, корреляционно-регрессионный анализ – приведение
статистических параметров к многолетнему периоду, установление
зависимостей от факторов и т.д.) и др.
Научная новизна:
1. Разработана методика локально-региональной оценки
динамических
параметров
напорных
вод
и
построения
гидродинамической карты на базе метода среднемноголетнего
водного баланса.
2. Разработана методика оценки опасности загрязнения
пресных подземных и поверхностных вод глубже залегающими
некондиционными водами.
3.
Установлен
ряд
гидрогеодинамических
и
гидрогеохимических закономерностей для территории восточной
части Камско-Вятского артезианского бассейна, которые могут быть
характерны и для других регионов с аналогичными природными
условиями.
Практическая значимость. Предлагаемые методики
позволяют просто, но более детально и информативно определить: а)
динамику подземных вод, залегающих под пресными водами;
установить не только горизонтальное направление потока указанных
5
вод, но и вертикальный водообмен (направление и величину),
границы областей питания и разгрузки; б) выявить и объяснить
гидрогеохимические закономерности; в) оценить опасность
загрязнения
пресных
подземных
и
поверхностных
вод
некондиционными водами из нижележащих горизонтов, что дает
возможность выявить потенциально опасные участки с точки зрения
организации на них хозяйственно-питьевого водоснабжения и
истощения ресурсов пресных вод.
Достоверность
научных
положений
и
выводов
подтверждается: результатами сопоставления выполненных воднобалансовых расчетов и карт (гидродинамической карты, величины W
и
др.)
с
другими
гидрогеологическими
величинами
(гидрогеодинамическими – ΔН, I и др., гидрогеохимическими,
урезами воды в реках и др.) и материалами (разрезами, картами –
гидроизопьез, гидрогеологической, геологической, тектонической,
геоморфологической, карста, климатической и др., общим
гидрогеологическим
строением
и
т.д.),
значениями
W,
определенными с помощью формулы Дарси на 4 репрезентативных
участках, расположенных в различных условиях. Оценивалась
репрезентативность рядов гидрометеорологических наблюдений,
были вычислены и учтены относительные среднеквадратические
погрешности среднемноголетних величин, коэффициенты вариации
речного стока и его относительные среднеквадратические ошибки. В
расчеты внесены поправки, учитывающие влияние основных
антропогенных факторов и точность измерительных приборов
(осадкомеров) либо использовались данные с уже внесенными в них
поправками (например, на влияние карста и гидроплотин на речной
сток, потери речной воды в поймах рек и др.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты,
представленные в диссертации, были доложены на VIII
Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле»
(Москва, 2007), на IV Всероссийской научно-практической
конференции «Организация территории: статика, динамика,
управление» (Уфа, 2007), на научном семинаре в ИВП РАН (Москва,
2007), на Х ежегодной конференции «Сергеевские чтения».
Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии,
инженерной геологии и гидрогеологии» (Москва, 2008), на
6
заседании кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ
(ТУ) (Санкт-Петербург, 2008 г.).
Основные положения диссертации отражены в 11
опубликованных научных работах, в том числе 1 работе в издании,
входящем в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа
состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы,
содержащего 146 наименований; изложена на 208 страницах,
содержит 47 рисунков и 14 таблиц.
В первой главе диссертации приводится анализ современного
состояния региональных исследований естественных ресурсов
подземных вод. Во второй главе охарактеризованы природные и
антропогенные факторы и условия формирования подземных вод
восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна. Третья
глава посвящена вопросам вертикальной гидрогеологической
зональности и гидродинамического районирования указанной
территории. В четвертой главе приводится методика региональной
оценки естественных ресурсов подземных вод зоны затрудненного
водообмена и гидродинамического картирования. В пятой главе
рассматриваются гидрогеодинамические и гидрогеохимические
закономерности формирования естественных ресурсов подземных
вод восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна.
Шестая глава посвящена оценке опасности загрязнения пресных
подземных
и
поверхностных
вод
нижезалегающими
некондиционными водами.
Первое защищаемое положение обосновывается в четвертой
главе, второе – в пятой, третье – в шестой главе.
Благодарности.
Автор
выражает
искреннюю
признательность научному руководителю д. г.-м. н., проф. С.М.
Сударикову за помощь при подготовке диссертационной работы,
сотрудникам кафедры Г и ИГ и СПГГИ (ТУ). Автор благодарит д. г.м. н., проф. И.С. Пашковского за предоставленные материалы и
консультацию; зав. кафедрой гидрогеологии МГУ д. г.-м. н., проф.
В.А. Всеволожского и преподавателей кафедры, д. г. н. А.П.
Белоусову (ИВП РАН); сотрудников Башкирского республиканского
центра мониторинга состояния недр и Башгидромета за
предоставленные фактические материалы. Особую благодарность
7
автор выражает ректору БГПУ д. п. н., проф. Р.М. Асадуллину,
сотрудникам БГПУ и зав. кафедрой эконом. географии к. г. н., доц.
И.В. Голубченко за помощь и поддержку.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ
1. Разработанная на базе метода среднемноголетнего
водного баланса методика позволяет более точно и детально
оценивать естественные ресурсы напорных вод и строить
комплексную гидрогеодинамическую карту, отображающую
структуру подземного потока, направление движения подземных
вод по вертикали и горизонтали, значения питания и разгрузки,
границы между областями питания и разгрузки.
Метод среднемноголетнего водного баланса разработан в
середине 20 в. Б.И. Куделиным с целью региональной оценки
естественных ресурсов артезианских вод (зоны замедленного стока),
что являлось в то время весьма актуальным и представляло общую
практическую необходимость. В основе метода лежит уравнение,
состоящее из среднемноголетних величин
±W = Х – Y – Z,
(1)
где ±W – питание (разгрузка) артезианских вод, X – атмосферные
осадки, Y – речной сток, Z – испарение.
До сих пор с помощью водно-балансового метода лишь
ориентировочно оценивались естественные ресурсы артезианских
вод отдельных регионов (Б.И. Куделин, Н.А. Лебедева, И.В. Зеленин
и др.). Основной причиной одноцелевого использования метода, по
всей видимости, являются его ограничения, отмечаемые в работах
И.С. Зекцера, В.М. Шестопалова, В.А. Всеволожского и др.
Проведенное исследование для восточной части КамскоВятского артезианского бассейна с помощью данного метода
показало, что основная трудность заключается не столько в самой
модели (1), сколько в методике ее практической реализации,
принципах отображения балансовых элементов на физической
модели (картах).
До настоящего времени уравнение среднемноголетнего
водного баланса не рассматривалось как модель, а методика его
8
применения – как моделирование. В то же время за рубежом еще в
40-е годы 20-го века даже элементарные водно-балансовые формулы
физики рассматривались как водно-балансовые модели. К таким
моделям можно отнести и водно-балансовую модель (1). Одним из
свойств моделей такого типа является отсутствие в них
пространственных
координат
(в отличие, например,
от
гидродинамических моделей). Поэтому, как правило, их применяют
как модели с сосредоточенными параметрами, т.е. с осреднением по
площади всех элементов модели. При этом для получения более или
менее достоверного результата площадь изучаемого объекта должна
быть небольшой и с однородными природными условиями
(основной принцип построения моделей с сосредоточенными
параметрами).
Однако уравнение (1) создавалось Б.И. Куделиным для
изучения крупных территорий – артезианских бассейнов и их частей.
Поэтому в данном случае встает проблема определения
пространственной структуры территории, выделения в ее пределах
более мелких территориальных единиц, для которых такое
осреднение допустимо. Эта проблема выходит за рамки решения
модели и представляет отдельный, причем предварительный этап
исследования. Только после этого можно применять модель к
выделенным территориальным единицам. В их качестве по Б.И.
Куделину выступают на первом более масштабном уровне области
питания и разгрузки артезианских вод, на втором более детальном и
замыкающем уровне – речные водосборы или их части, для которых
и применяется условие однородности.
В то же время, известно, что речной водосбор может
располагаться в различных гидрогеологических и других условиях,
что определяет неоднородность элементов модели даже на
качественном уровне. Проведенное автором исследование восточной
части Камско-Вятского артезианского бассейна подтвердило этот
вывод.
Изменив методику практического применения воднобалансовой модели, другими словами – способ графического
моделирования (по И.К. Гавич), можно не только добиться более
достоверного результата при существующей степени оснащенности
фактическим гидрометеорологическим материалом, но и перейти от
9
представления осредненных количественных соотношений к
изучению гидрогеологического процесса (динамики подземных вод),
что возможно с помощью моделей с распределенными параметрами.
Суть последних, как известно, состоит в нахождении величин
параметров в точках (или узлах) без пространственного осреднения.
Значительное снижение в настоящее время погрешностей
определения среднемноголетних значений X, Y, Z, а, следовательно,
и W в связи с удлинением рядов гидрометеорологических
наблюдений позволяет перейти к построению более точной
пространственной модели. Исследования показали, что отклонение
среднемноголетних величин речного стока от нормы для более
половины гидрометрических постов не превышает 5%. Известны
также способы снижения таких погрешностей (И.В. Зеленин).
Неудовлетворенность
автора
водно-балансовыми
результатами, полученными в ходе исследования восточной части
Камско-Вятского артезианского бассейна по существующей
методике, привели к идее создания другой методики.
По новой методике все элементы правой части уравнения (1)
определяются не как средне-площадные величины, а в точках, в
качестве которых служат метеостанции, где измеряют осадки и
другие метеорологические характеристики, по которым вычисляется
испарение. Значения речного стока и недостающие данные по
испарению для этих точек устанавливаются по предварительно
построенным картам в изолиниях. Затем в этих точках вычисляются
значения W по уравнению (1) и строится карта способом изолиний,
названная гидродинамической (рис. 1, вклейка). Выбор такого
названия карты основан на существующих гидрогеодинамических
зависимостях
(И.К. Гавич,
В.А. Мироненко,
В.М. Шестаков,
А.А. Лучшева, С.М. Семенова-Ерофеева и др.):
Qг = f (Ht),
(2)
где Qг – расход потока на его границе, Н – уровень потока, и
W = Wгл = υг = k (H0 – Hг)/m,
(3)
где Wгл – величина (интенсивность, или скорость) глубинного
перетекания через слабопроницаемый слой, υг – скорость
фильтрации, направленная по нормали к
границе со
слабопроницаемым слоем, k, m – коэффициент фильтрации и
мощность разделяющего слоя, H0 – уровень воды основного
10
горизонта, Hг – уровень в соседнем «питающем» горизонте (напор по
граничному контуру). Следствием данных равенств является: Н =
f (W).
По гидродинамической карте (рис. 1, вклейка) можно
определить горизонтальное и вертикальное направления движения
вод и его интенсивность, установить границу областей питания и
разгрузки напорных вод, в качестве которой служит изолиния со
значением 0 мм/год, структуру потока подземных вод.
Сравнительный анализ построенных карт и результатов,
полученных по существующей и предлагаемой методикам для
восточной части Камско-Вятского артезианского бассейна, и
сопоставление их с картами гидроизопьез показали, что
гидродинамическая карта (рис. 1, вклейка) более точно и рельефно
отображает пространственную неоднородность значений W, чем
карта величины W, составленная по прежней методике. При этом
значительно экономится время на первом этапе исследования.
Распределение областей питания и разгрузки артезианских
вод, установленное на основе усовершенствованной методики,
подтверждается разностями напоров в смежных горизонтах и
градиентами вертикальной фильтрации. С возрастанием величины
питания или, наоборот, разгрузки подземных вод вертикальные
напорные градиенты удаляются от нулевого значения. Воднобалансовые
результаты
хорошо
соотносятся
и
с
гидрогеохимическими
показателями,
а
также
общими
геоструктурными и геоморфологическими условиями региона.
Таблица 1
Распределение значений ±W в % от осадков по точкам и участкам
±W, % от осадков
до 5 %
Кол-во точек,
абсолютн. знач. 16 (32)
(%)
Кол-во участков,
абсолютн. знач. 20 (~53)
(%)
Всего
точек и
участков
5 – 10 %
10 – 20 %
> 20 %
13 (26)
20 (40)
1 (2)
50 (100)
10 (~26)
7 (18,5)
1 (2,5)
38 (100)
Результаты показали, что амплитуда значений W,
полученных в точках, более контрастная, чем по участкам. Значения
11
W в точках показывают в целом значительную удаленность от нуля,
что в определенной мере обеспечивает их бóльшую достоверность.
Об этом же говорят данные таблицы 1.
Количественная проверка водно-балансовых результатов по
усовершенствованному методу была проведена по формуле Дарси
для 4 репрезентативных участков, расположенных в различных
условиях. Проверка показала, что значения, определенные по Дарси,
близки к значениям, найденным водно-балансовым методом.
2. Подземные воды зоны затрудненного водообмена, кроме
региональных потоков подземных вод образуют потоки местного
значения; в качестве дрен этих вод, кроме рек II порядка,
выступают реки III и IV порядков; на направление и
интенсивность вертикального водообмена между зонами
пресных и минерализованных вод решающее значение оказывают
карст и характер залегания водоносных горизонтов.
Выявлена недостаточная изученность закономерностей
формирования и распределения естественных ресурсов подземных
вод исследуемого региона, его гидрогеодинамических особенностей.
Восточная часть Камско-Вятского артезианского бассейна занимает
восточную часть Русской равнины. На бóльшей части территории
преобладают абсолютные отметки водоразделов 150-300 м, в югозападном районе – 300-400 м. Преобладающая глубина эрозионных
врезов 50-150 м, на возвышенностях – 100-200 м. Большую часть
занимает бассейн р. Белой (приток р. Камы). Значительная часть
бассейна р. Белой лежит за пределами территории. Карст влияет в
основном на режим меженного стока малых, в меньшей степени
средних и больших рек восточных районов (главным образом,
правые притоки р.р. Белой и Быстрого Таныпа). Влияние
антропогенных факторов на подземные и речные воды проявляется:
очаговым загрязнением пресных подземных вод нефтяными
рассолами и нефтепродуктами (район г.г. Нефтекамска, Туймазы, п.
Шкапово на западе региона), региональным сельскохозяйственным и
др., что лимитирует расширение водоотбора инфильтрационными
водозаборами.
Наибольшей
степенью
искусственной
12
зарегулированности характеризуются реки с площадью водосбора
менее 500 км2 зоны недостаточного увлажнения.
Изучение гидрогеологических разрезов, анализ соотношения
уровней подземных вод в этажно залегающих горизонтах,
вертикальных
гидравлических
градиентов,
данных
по
минерализации и химическому составу подземных
вод
(поинтервального опробования скважин), мощности, структуры и
литологического состава слабопроницаемых пластов показали, что
на территории Прибельской равнины в качестве слабопроницаемого
пласта, разделяющего две верхние гидродинамические зоны, служит
пласт бураевских отложений (уфимский ярус). Построенные
графики изменения минерализации и химического состава
подземных вод с глубиной показали, что приблизительно на
половине закартированной площади под бураевскими слоями
скачкообразно
изменяются
гидрохимические
условия,
минерализация возрастает на 2,5-10,5 г/л при разности в
минерализации бураевского и вышележащего горизонтов в тех же
скважинах, соответственно 0,1-3 г/л. Бураевский горизонт в пределах
Прибельской равнины расположен приблизительно на уровне днищ
основных дрен региона – рек Камы и Белой.
Тщательный анализ фактического материала, построенных
графиков, результатов различных исследований гидрогеологов и
геологов позволили выделить ряд критериев, которые в комплексе
учитывались при установлении вертикальной гидрогеодинамической
зональности региона: 1) наличие и расположение региональных
слабопроницаемых толщ и пластов – кунгурского и бураевского, на
кровле которых происходит скачкообразное изменение химического
состава и динамики подземных вод; 2) гидрогеохимические
показатели – на основании их связи с динамикой подземных вод
территории; 3) соотношения уровней в ярусно залегающих
водоносных горизонтах и пьезометрические градиенты; 4) уровни
основных эрозионных врезов (р.р. Кама и Белая); 5) количественные
данные о скоростях движения и темпах водообмена подземных вод,
вычисленные В. Г. Поповым (1985 г.); 6) строение и состав
гидрогеологического разреза (учитывались преобладание глинистых
пород в составе уфимского яруса (60-70% от мощности), участки
закарстованности и трещиноватости и др.). Автор также опирался на
13
рекомендации исследователей, рассматривавших в своих трудах
проблему вертикальной гидродинамической зональности в целом и
Камско-Вятского артезианского бассейна в частности (Б.И. Куделин,
В.А. Всеволожский, В.И. Дюнин, В.Г. Попов, В.В. Ткачев, Н.Н.
Толстунова и др.).
Установлено, что на водоразделах Прибельской равнины
граница между зонами интенсивного и затрудненного водообмена
соответствует глубинам 120-160 м, Белебеевской возвышенности –
200-270 м, в долинах рек – 30-70 м. Данная граница проходит
(местами совпадает) несколько ниже подошвы зоны пресных
гидрокарбонатных вод. Минерализация вод зоны затрудненного
водообмена обычно не превышает 10-14 г/л, лишь под долиной р.
Белой может достигать 20-25 г/л.
Построенные карты гидроизопьез двух основных водоносных
горизонтов – бураевского и камышинского и нижнеказанского
водоносного комплекса и составленная с их помощью карта
областей питания и разгрузки в масштабе 1 : 500 000 позволили
выполнить гидродинамическое районирование региона и описать
условия дренирования подземных вод эрозионной сетью.
Определены
значения
пьезометрических
уклонов,
соотношений уровней в смежных горизонтах, вертикальных
напорных градиентов и проанализирован характер их изменения по
территории. Установлены основные закономерности формирования
и распределения подземных вод с различной минерализацией,
жесткостью и химическим составом.
Водно-балансовая оценка и построенные карты показали, что
на распределение и формирование естественных ресурсов
подземных вод зоны затрудненного водообмена в большей степени
влияет положение различных по составу и фильтрационным
свойствам пород в разрезе верхнего этажа, а также характер
залегания пород, в меньшей степени – геоморфология.
Преобладание хорошо проницаемых, в первую очередь,
карстующихся пород в зоне интенсивного водообмена определяет
нисходящий переток подземных вод в зону затрудненного
водообмена (например, в районе Белебеевской возвышенности на
юго-западе, где карст развит в казанских известняках (W достигает
110 мм/год и более). Для этого же района характерны максимальные
14
значения коэффициента стока (до 15%). В остальных районах они в
основном не превышают 10%. По причине сульфатного карста,
развитого в верхнем интервале разреза, в некоторых случаях,
например, в прирусловой части р.р. Дема и Белая, наблюдается
слабое нарушение общей гидродинамической обстановки – в
пределах области разгрузки отмечаются отдельные точки,
фиксирующие слабое питание артезианских вод (W = (+4)-(+6)
мм/год).
Замечено, что самая высокая величина разгрузки характерна
для участков с максимальными размерами карстовых пустот (по
данным геологов-нефтяников, В.Г. Попова и др.) в породах кунгура.
Сильная зависимость величины и знака W от карста и степени его
развития и распространения по площади и в разрезе характерна для
всего региона. Карст и направление падения слоев на некоторых
участках весьма заметно нарушают закономерность, общеизвестную,
как схема А.Н. Мятиева.
Изучение зависимости величины W от геоморфологических
факторов и фильтрационных свойств пород проводилось также
путем установления корреляционных связей. Наиболее тесная связь
установлена между величинами W и водопроводимости
камышинского горизонта (зона затрудненного водообмена) (r = –0,9
(–0,88)). Меньшая связь установлена между ±W и площадями
водосборов (r = 0,82). Коэффициент корреляции W с абсолютными
отметками рельефа составил около 0,7 (0,68).
Полученные результаты показали, что на территории региона
подземные воды зоны затрудненного водообмена формируются в
пределах относительно небольших междуречий, приуроченных к
рекам не только II (Кама), но и III (Белая, Буй, Ик) и IV (Б. Танып,
Чермасан, Дема, Усень и др.) порядков, образующих замкнутые
бассейны стока местного значения. Построенные карты, кроме роли
рельефа в формировании потоков данных подземных вод, наглядно
отобразили влияние геолого-гидрогеологических факторов, таких
как карст, палеодолины, характер залегания слоев, мощность
кунгурского относительного водоупора и др.
Проведенное исследование показало, что величина разгрузки
подземных вод зоны затрудненного водообмена в сравнительно
небольшие реки с площадью водосбора от 2500 км2 (например, р.р.
15
Усень, Кармасан) при определенных гидрогеологических условиях
вполне может быть сопоставима с размерами перетока в русла
крупных рек. Анализ полученных результатов заставляет задуматься
о том, какие воды – зоны интенсивного или затрудненного
водообмена следует относить к зоне дренирования подземных вод
местной эрозионной сетью. По-видимому, в зависимости от
конкретных гидрогеологических условий того или иного района
(участка) в это понятие может вкладываться различный смысл.
На основе построенной гидродинамической карты,
гидрогеохимического анализа, соотношений напоров в ярусно
залегающих горизонтах и других материалов выявлена
закономерность распределения подземных вод
различной
минерализации в зоне затрудненного водообмена в районах древних
речных долин.
Построенная карта величины W методом зон в начале
исследования позволила оценить естественные ресурсы (питание)
подземных вод основного шешминского водоносного комплекса,
общая величина которых на площади около 31 тыс. км2, составила
1,1 км3/год, или 35,3 м3/сек, средний модуль ресурсов равен
1,1 л/сек·км2. Величина разгрузки на площади 7 тыс. км2 составляет
около 0,3 км3/год, т.е. в 4 раза меньше, чем питания.
3. Разработанная методика региональной оценки
опасности загрязнения пресных подземных и поверхностных вод
глубже залегающими минерализованными водами позволила
районировать исследованный регион по степени опасности и
факторам загрязнения и выявить наиболее опасные районы.
Согласно данной методике определяется характеристика Т по
формуле:
Т = L/W,
(4)
где Т – время, за которое могло бы произойти полное заполнение
минерализованными водами (за счет их разгрузки) пространства
высотой, равной мощности зоны пресных подземных вод, единица
измерения – годы; L – мощность зоны пресных подземных вод, м; W
– интенсивность разгрузки минерализованных вод (мм/год). Чем
больше величина Т, тем меньше опасность загрязнения пресных вод.
16
Путем наложения гидродинамической карты (см. рис. 1) на
карту мощности зоны пресных вод, составленной в изолиниях, была
построена карта опасности загрязнения пресных подземных и
поверхностных вод минерализованными водами для восточной части
Камско-Вятского артезианского бассейна в масштабе 1 : 500 000
(рис. 2 на вклейке).
Кроме величины T (см. изолинии), на этой карте показаны
границы девяти зон загрязнения. Эти зоны отображают различные
сочетания трех малых интервалов значений L и W (рис. 3). В
зависимости от задач и детальности исследования количество зон
может быть больше или меньше.
Очевидно, что самой неблагоприятной с точки зрения
водоснабжения является I зона, а самой благоприятной – IX зона.
Зоны II, III, IV и VII – сложные, так как для первых двух характерны
высокие значения разгрузки вод из нижних горизонтов (более 80
мм/год), а для IV и VII – низкие значения мощности зоны пресных
подземных вод (0-30 м).
Рис. 3. График определения
опасности загрязнения пресных
вод минерализованными водами
Данная карта показала, что в пределах региона T варьирует
от первых сотен до нескольких тысяч лет, III и VI зоны полностью
17
отсутствуют, а самыми распространенными являются IV и VII зоны
с низкими значениями мощности зоны пресных вод. При этом в
более сложных по гидрогеологическим условиям районах
наблюдается частое чередование различных зон, которые нередко
представляют собой локальные участки (восточные районы); для
районов с более простым гидрогеологическим строением
характерны плавные переходы от одной зоны к другой (главным
образом, западные районы).
По карте можно не только установить время (темпы)
загрязнения Т, но и характер распределения по территории того или
иного
типа
(комплекса)
гидрогеодинамических
и
гидрогеохимических условий в виде зон загрязнения, сложившихся в
природных условиях за многие десятки и сотни тысяч лет.
Изменение L и (или) W повлечет и изменение Т. Следовательно, Т –
показатель, учитывающий влияние целого комплекса различных
факторов.
Заключение
 Анализ метода среднемноголетнего водного баланса с точки
зрения общей теории моделирования позволил глубоко раскрыть его
достоинства, ограничения, возможности и усовершенствовать его.
 Показано, что метод среднемноголетнего водного баланса,
усовершенствованный с помощью новой методики, может служить
не только для оценки естественных ресурсов подземных вод, но и
для изучения структуры, направления (вертикального и
горизонтального)
и
интенсивности
потока
этих
вод,
гидродинамического районирования, выявления региональных и
местных
гидрогеодинамических
и
гидрогеохимических
закономерностей, основой для разработки других методов
(например, региональной оценки опасности загрязнения пресных вод
природными некондиционными водами) и построения новых карт.
 Полученные гидродинамические данные показали, что в
условиях исследованного региона подземные воды зоны
затрудненного водообмена первого этажа образуют в основном
18
местные, а не региональные потоки и дренируются реками II, III и IV
порядка.
 Показано, что на конфигурацию изолиний ±W и гидроизопьез в
пределах
рассматриваемого
региона
решающим
образом
воздействуют геолого-гидрогеологические условия такие, как карст
(фильтрационные свойства пород) и характер залегания
геологических слоев. Установлено, что на участках развития карста
достаточно часто наблюдается нарушение общих закономерностей.
 Выполненная региональная оценка опасности загрязнения
пресных подземных и поверхностных вод минерализованными
водами и проведенное районирование территории на основе
разработанной
методики
позволили
установить
основные
закономерности распределения значений характеристики Т и зон
загрязнения, что может служить полезной информацией при
организации хозяйственно-питьевого водоснабжения, в том числе в
решении экологических вопросов.
 Показана необходимость и возможность пересмотра известных
методов изучения и оценки естественных ресурсов подземных вод,
их усовершенствования с целью адаптации к современным условиям
и требованиям, расширения круга решаемых с их помощью задач,
увеличения
количества
получаемой
научно-практической
информации, упрощения методики их практического использования
и т.д.
Список публикаций по теме диссертации
1. Лисьева Н.М. Современные проблемы обеспечения населения
Республики Башкортостан ресурсами подземных вод хозяйственнопитьевого назначения // Научные и технические аспекты охраны
окружающей среды. ВИНИТИ, 2004, № 2. С. 45-49.
2. Лисьева Н.М. Некоторые аспекты проблемы оценки
естественных ресурсов пресных подземных вод восточной части
Волго-Камского артезианского бассейна // Материалы VI
Международного конгресса «Экватэк-2004. Вода: экология и
технология». Москва, 1-4 июня 2004 г.
3. Лисьева Н.М. Моделирование как современный метод познания
гидрогеологических процессов // Проблемы окружающей среды и
природных ресурсов. ВИНИТИ, 2004, №12. С. 44-52.
19
4. Лисьева З.М., Лисьева Н.М. Использование научных методов
познания в образовании и науке в Республике Башкортостан //
Материалы Международной научно-практической конференции.
Уфа, 14-15 декабря 2006 г. С. 227-231.
5. Лисьева Н.М. Особенности региональной оценки и картирования
глубокого подземного стока на примере Южного Приуралья //
Материалы VIII Международной конференции «Новые идеи в
науках о Земле». РГГРУ, Москва, 10-13 апреля 2007 г. С. 176-179.
6. Лисьева Н.М. Новые подходы в изучении динамики и оценке
ресурсов артезианских вод // Материалы IV Всероссийской научнопрактической конференции «Организация территории: статика,
динамика, управление». Уфа, 29-31 марта 2007 г. С. 5-13.
7. Лисьева Н.М. Изучение процессов водообмена с помощью
метода среднемноголетнего водного баланса (на примере Южного
Приуралья) // Отечественная геология, 2007, №6. С.67-71.
8. Лисьева Н.М. Оценка загрязнения пресных подземных и речных
вод минерализованными водами зоны замедленного водообмена в
Южном Приуралье // Проблемы окружающей среды и природных
ресурсов. ВИНИТИ, 2007, № 12. С. 73-83.
9. Лисьева Н.М. Загрязнение пресных подземных и поверхностных
вод природными некондиционными водами глубоких горизонтов в
Южном Приуралье // Тезисы докладов научной конференции
молодых ученых «Водные ресурсы, экология и гидрологическая
безопасность». ИВП РАН, Москва, 5-7 декабря 2007 г. С. 51-54.
10. Лисьева Н.М. Региональная оценка опасности загрязнения
пресных
подземных
и
поверхностных
вод
глубокими
минерализованными водами // Сергеевские чтения. Международный
год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и
гидрогеологии. Выпуск 10. Москва, 20-21 марта 2008 г. С. 331-335.
11. Лисьева Н.М. Гидрогеодинамические и геоэкологические
исследования Южного Приуралья: монография. Уфа: Вагант, 2008.
176 с.
20