Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Селезнев Константин Александрович
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ И ПРОГНОЗ ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В РАЙОНЕ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Специальность 25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук
Воронеж - 2012 Диссертационная работа выполнена на кафедре защиты растений и экотоксикологии ФГБОУ ВПО Орловский государственный аграрный университет Научный Лысенко Николай Николаевич - доктор сельскохоруководитель: зяйственных наук, ФГБОУ ВПО Орловский государственный аграрный университет, профессор Официальные Бочаров Виктор Львович - доктор геологооппоненты: минералогических наук, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет, профессор Корнилов Андрей Геннадьевич - доктор географи ческих наук, ФГАОУ ВПО Белгородский государственный национальный исследовательский университет, профессор Ведущая ФГБОУ ВПО Орловский государственный организация: университет
Защита состоится 15 мая 2012 г. в 13:30 на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете, по адресу: 394043 г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86, ауд. 408.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Воронежского государственного педагогического университета.
Автореферат разослан 14 апреля 2012 г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 394043 г. Воронеж, ул. Ленина, д.
86. Естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 55 27 27, E-mail:
shmykov@vspu.aс.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент В.И. Шмыков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Ресурсы подземных вод являются, как известно, основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения, Орловская область имеет значительные запасы этих вод. По данным Комитета природных ресурсов Орловской области, величина разведанных запасов на 01.01.2009 г. составляет 2590,7 тыс. м3/сут. Доля подземных вод в балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения - 100%. Степень разведанности прогнозных ресурсов подземных вод по состоянию на 01.01.2011 г. составляет 29,8%.
В регионах в условиях интенсивной хозяйственной деятельности, может происходить загрязнение подземных вод и соответственно ухудшение их качества.
На качество подземных вод Орловской области в значительной степени влияют животноводческие комплексы, природным загрязнителем является также стронций, поступающий в подземные воды в ходе миграции из обогащенных стронцием водовмещающих пород.
Поэтому изучение условий формирования подземных вод и оценка геологической защищённости верхних водоносных горизонтов от загрязнения, а также выбор математического аппарата и разработка программного обеспечения расчётов движения загрязнённых вод в районе животноводческих комплексов являются весьма актуальными для регионов с интенсивной хозяйственной деятельностью человека и недостаточной защищенностью верхних водоносных горизонтов от загрязнения, каковым является Орловская область.
Целю работы является изучение подземных вод Орловской области и прогноз их загрязнения в районе животноводческих комплексов. В соответствии с этим поставлены следующие задачи:
- изучить условия формирования подземных вод и геологическую защищённость верхних водоносных горизонтов на территории Орловской области;
- осуществить мониторинг методом отбора проб подземной воды в водозаборных сооружениях животноводческих комплексов, являющихся потенциальными источниками загрязнения;
- провести химический анализ проб по основным показателям, при обнаружении загрязняющих веществ установить основные гидрогеодинамические показатели водоносных горизонтов;
-изучить гидрогеологические условия и составить гидрогеологические карты и разрезы водозаборов предприятий, в которых содержатся некондиционные подземные воды;
- установить генезис загрязнителей, форму миграции и пути их поступления в водозаборы животноводческих комплексов;
- разработать программно-аналитический комплекс, на основании которого рассчитать основные гидрогеодинамические параметры, необходимые для прогноза массопереноса загрязняющих веществ;
- произвести прогноз движения загрязняющих компонентов и отобразить полученные результаты графически.
Объект исследований: подземные воды Орловской области.
Предмет исследования: источники, характер, масштабы и динамика загрязнения водозаборов подземных вод в районе животноводческих комплексов.
Теоретической и методологической основой исследования являются труды В.М. Гольдберга, В.М. Шестакова, И.Е. Жернова, Л.
ункера, В.А. Мироненко, А.А. Рошаля, Л.С. Язвина и других российских ученых посвященные моделированию и прогнозам загрязнения подземных вод. Работы С.Р. Крайнова, характеризующие качество подземных вод и рассматривающие геохимические модели прогноза.
Труды Б.В. Боревского, Н.И. Дробнохода, Н.Н. Бинденмана посвященные определению основных гидродинамических параметров водоносных горизонтов. Работы А.А. Дубянского посвященные гидрогеологической и геологической характеристике Орловской и Курской областей.
Материалы и методы исследования. В основу диссертационной работы положены авторские результаты, а также анализ банка данных службы ГМСН Орловской области, ОАО Геоцентр-Москва - филиалы Геоцентр-Брянск, ТЦ Орелгеомониторинг. Использованы материалы филиала по Орловской области ФГУ "ТФГИ по ЦФО".
Исследования проводились с использованием методов: мониторинга, картографического, полевых исследований, анализа и синтеза, математико-картографического моделирования, ГИС-технологий.
Достоверность результатов работы подтверждается использованием значительного объема исходных данных, которые получены в результате проведения мониторинга как собственно автором, так и при участии в работе службы ГМСН Орловской области ОАО, ГеоцентрМосква - филиал Геоцентр-Брянск, ТЦ Орелгеомониторинг.
Также достоверность обеспечивается применением гостированных и нормируемых методов исследования и математической обработкой информации.
Научная новизна и практическая значимость. Впервые для подземных вод Орловской области установлен ранее неизвестный загрязнитель природного характера, обусловленный продвижением стронция в водоносном задонско-оптуховском комплексе. Разработанная модель позволяет отслеживать продвижение фронта стронция на любой период времени, входящий в предел 27 лет, и прогнозировать его появление в местах возможного бурения скважин для водоснабжения. Проведенный анализ позволяет более точно рассчитать глубину бурения с целью использования кондиционный воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения на территории распространения природной аномалии.
Изученные гидрогеологическая обстановка, конструкция скважин, а также причина попадания нитратов в рабочий водозабор ОАО Орловская птицефабрика делает возможным водопотребление на данном предприятии, исключающее некондиционные подземные воды.
Разработаны программные продукты, которые позволяют во всех организациях, которые занимаются гидрогеологическими исследованиями, проводить расчеты для геофильтрацонного моделирования, гидрогеологических расчетов коэффициента фильтрации, скорости фильтрации, как в латеральном, так и вертикальном направлениях.
Защищаемые положения:
1. Результаты изучения условий формирования и загрязнения подземных вод Орловской области.
2. Результаты оценки качества подземных вод и прогноз движения стронциевого загрязнения в районе водозаборов животноводческих комплексов на территории Орловской области.
3. Программное обеспечение Filtercomplex v 1.0, позволяющее оптимизировать вычислительный процесс моделирования загрязнения подземных вод.
4. Рекомендации по улучшению качества подземных вод в районе животноводческих комплексов Орловской области.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на региональных научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов Неделя науки Орел ГАУ (Орел, 2010, 2011); Региональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской области (Орел, 2010); Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Пути повышения устойчивости растениеводства к негативным природным и техногенным воздействиям (Орел, 2011); XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011 (Москва, ВВЦ, 2011); региональных выставках (Орел, 2010, 2011).
Работа является победителем областного конкурса Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых - 2011 (Орел, 2011).
Результаты исследований послужили основой для создания программного обеспечения Filter Complex v1.0 - расчет массопереноса в почвенном и водоносных горизонтах в условиях сельскохозяйственного производства в вертикальном и горизонтальном (латеральном) направлениях, представленного на XI Всероссийской выставке научнотехнического творчества молодежи НТТМ-2011 (Москва, ВВЦ, 2011), где данная работа получила высокие отзывы и золотую медаль Лауреат ВВЦ.
ичный вклад автора. Автором лично разработана программа и план проведения научных исследований, выполнен отбор и химический анализ проб подземных вод водозаборов на территории животноводческих комплексов. Проведено изучение гидрогеологических условий, составлены гидрогеологические карты и разрезы водозаборов с зафиксированным загрязнением. Создана геофильтрационная модель продвижения фронта стронциевого загрязнения провинции в северозападной части Орловской области с установленным превышением ПДК в 1,2 - 4,8 раза.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, предложений производству, общим объёмом 155 страниц текста. Содержит 11 таблиц, 18 рисунков, 23 приложения. Список использованной литературы включает 170 наименований, в том числе 29 источников на иностранных языках.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Результаты изучения условий формирования и загрязнения подземных вод в Орловской области.
Орловская область расположена на юго-западе Средне-Русской возвышенности. По своей морфологии эта территория является типичной холмистой, глубоко расчленённой равниной.
Среднее многолетнее количество осадков 590-650 мм, а испарение с речных бассейнов приблизительно равно 520Ц530 мм. Соответственно среднегодовое количество осадков на 12-14% превышает среднюю испаряемость, что создает сравнительно удовлетворительные условия для питания подземных вод путём инфильтрации атмосферных осадков.
По геолого-гидрогеологическим условиям область подразделяется на два объединённых гидрогеологических комплекса или водоносных этажа, часто имеющих общие условия водообмена и формирования подземных вод.
Первый от поверхности водоносный этаж охватывает гидрогеологические подразделения мезозойских и четвертичных образований, в той или иной степени гидравлически взаимосвязанные. Водоносный этаж полностью прорезан современными долинами. Подошва этажа располагается на 20-60 м выше уреза основных рек территории. Лишь на самом западе и юге речные долины врезаются в гидрогеологические подразделения верхнего этажа, что обусловлено общим погружением мезозоя в юго-западном направлении. Верхний водоносный этаж получает питание исключительно с поверхности, за счёт атмосферных осадков. На основной части рассматриваемой территории водосодержащие породы первого от поверхности водоносного этажа представлены слабопроницаемыми четвертичными пылеватыми суглинками, алевритами и тонкозернистыми глинистыми песками, что характеризует невысокие фильтрационные параметры.
Нижний, второй от поверхности водоносный этаж, включает в свой состав задонско-оптуховский и воронежско-ливенский водоносные комплексы, разделённые слабоводоносным задонским горизонтом. Водовмещающие породы водоносных гидрогеологических подразделений этажа по преобладанию представлены в различной степени трещиноватости известняками и доломитами. При этом в задонскооптуховском, составляющей объединённого комплекса, водосодержащие известняки и доломиты активно закарстованны, а у воронежсколивенского комплекса водовмещающие породы в нижней части являются существенно глинистыми.
Второй от поверхности водоносный этаж вскрыт современной эрозионной сетью и находится под активным дренирующим воздействием местной речной сети, что определяет его слабую защищенность и возможность потенциального загрязнения.
Под защищенностью подземных вод от загрязнения понимается перекрытость водоносного горизонта отложениями, слабопроницаемыми и препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли в подземные воды. Защищенность определяется природными параметрами и характеризуется физическими, химическими и биологическими свойствами пород, которые контактируют с подземными водами и могут быть загрязнены. Стоит отметить, что оценка условий защищенности осуществляется только для ионных форм некондиционных вод. Для более сложных форм (комплексов и др.) такие оценки нецелесообразны, так как для них необходимо знать процессы сложного химического взаимодействия некондиционные воды - порода, которое можно определить только при детальных исследованиях. Оценка защищенности по категориям приведена на рисунке 1 (Тимошинов И.А 1997 г).
Рис. 1. Категории условий защищенности подземных вод Орловской области.
Условные обозначения I до 5 IV 15-II 5-10 V 20-III 10-15 VI > (Цифрой указана сумма баллов данной категории защищенности) Химический состав подземных вод во многом определяется химическим составом водовмещающей породы, временем контакта с ней, а также составом атмосферных осадков, выпадающих на площади питания грунтовых вод. Так, основные особенности химического состава подземных вод Орловской области обусловлены присутствием сульфатов, а так же в составе водовмещающих пород - сидерита и железистых кварцитов, из-за которых в процессе выщелачивания повышается уровень содержания железа. Также в последнее время имеет место влияния стронциевой провинции, которая постепенно захватывает все большие площади запасов подземных вод и может давать фон превышающий 7 ПДК, а также и других природных загрязнителей (бром, бор), площади и концентрации которых незначительны..
2. Результаты оценки качества подземных вод и прогноз движения стронциевого загрязнения в этих водах в районе водозаборов животноводческих комплексов на территории Орловской области.
Исследования проводились в 2009 - 2011 гг. в рамках аспирантской подготовки. Работы по мониторингу животноводческих комплексов проводились по согласованию с ОАО Геоцентр-Москва - филиал Геоцентр-Брянск, ТЦ Орелгеомониторинг.
Анализируя крупные животноводческие комплексы, можно выделить 12 предприятий с достаточным объемом образования отходов и имеющих лицензию на добычу подземных вод, либо получивших гидрогеологические заключения. Такое ограничение необходимо из-за отсутствия информации по геолого-технической конструкции скважин, а также по самому месту нахождения водозаборных скважин по множеству малых предприятий (уровень образования отходов которых не превышает 0,5-0,9 тыс.т./год) и вследствие этого невозможности продолжения исследования в качестве прогноза загрязнения и поиска генезиса загрязнителей.
Список объектов, соответствующих необходимым условиям, представлен в таблице 1.
Для исследования использовался следующий алгоритм мониторинга: региональное опробование всех существующих скважин на водозаборах выбранных предприятий; локальный отбор на водозаборах с установленными элементами превышающими предельно допустимую концентрацию; повторный отбор установленных элементов, превышающих предельно допустимую концентрацию.
окальные исследования проводились с ежегодной периодичностью. Отбор проводился согласно ГОСТ Р 51593-2000 "Вода питьевая. Отбор проб". Требования, предъявляемые к качеству питьевой воды, а также нормативные показатели (предельно допустимые концентрации) содержатся в СанПиН 2.1.4.1074-01 Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
Таблица Крупные животноводческие комплексы Орловской области и объем образования ими отходов в 2009 г.
Наименование Объем отМощность Количество животноводческого ходов (тыс.голов) скважин комплекса (тыс.т./год) ОАО А/Ф Ливенское 14,8 25,2 мясо ООО Знаменский 108 183,6 СГЦ (Троснянский рн.) ЗАО Славянское 0,5 3,8 ООО Знаменский 26 44,2 СГЦ (Орловский р-н.) ОАО АПК Орловская 2,2 16,5 Нива Молочный комплекс СП Сабурово ОАО АПК Орловская 505,8 17,0 Нива ООО Фабрика по производству мяса птицы ЗАО тицефабрика 137,8 4,6 Орловская ОНО ОПХ 0,9 6,8 Стрелецкое А/Ф Мценская ПК 0,5 3,8 Мясо ООО Юпитер 1,2 9 ООО Знаменский 108 183,6 СГЦ (Верховский р-н.) ЗАО Орелсельпром 108 183,6 Химические анализы также проводились в соответствии с нормативными документами (табл. 2).
Проведенный мониторинг водозаборов сельскохозяйственных предприятий выявил химические компоненты, превышающие ПДК (табл. 3).
Таблица Анализируемые показатели и соответствующий ему нормативный документ.
Определяемый показатель и его количе- Нормативный докуственная характеристика мент Температура в момент взятия пробы, 0С ГОСТ 3351 - Запах при 20 0С качественно и в баллах ГОСТ 3351 - Цветность ( в градусах) ГОСТ 3351 - Мутность мг\дм3 ГОСТ 3351 - Железо общее (Fe) мг\дм3 ГОСТ 4011 - Нитраты (NO3) мг\дм3 ПНДФ 14.1:2:4 157 - Нитриты (NO2) мг\дм3 ПНДФ 14.1:2:4 157 - Аммиак ионы аммония (NH+4) мг\дм3 ГОСТ 4192 - Окисляемость перманганатная мг\дм3 ПНДФ 14.2:4 154 - Хлориды (Cl) мг\дм3 ПНДФ 14.1:2:4 157 - Сульфаты (SO4) мг\дм3 ПНДФ 14.1:2:4 157 - Сероводород (H2S) мг\дм3 РД - 52.24 432 - Водородный показатель (pH) СанПиН2.1.н.1074- Жесткость общая ГОСТ 4151 - Таблица Животноводческие предприятия Орловской области, водозаборы которых имеют превышения ПДК.
Загрязни ПревыНазвание пред- Значение ПДК тель шение, приятия мкг\дм3 мкг\дмраз.
ЗАО Sr2+ 34000 7000 4,Орелсельпром Sr2+ 15000 7000 2,Sr2+ 8600 7000 1,NO3- 51,29 45,0 1,ЗАО NO3- 63,79 45,0 1,Птицефабрика Feобщ. 0,77 0,3 2,Орловская Fe общ. 3,19 0,3 10,Fe общ. 0,61 0,3 2,На территории Орловской области стронций содержится в подземных водах задонско-оптуховского водоносного комплекса, отделенного от второго по значимости воронежско-ливенского комплекса слабоводоносным задонским горизонтом. Он является основным источником водоснабжения крупных предприятий и селитебных зон.
Основная часть стронциевой провинции находится вне пределов Орловской области. Значения стронция, превышающие ПДК, установлены только в Мценском, Болховском и Знаменском районах.
Для сравнения соседние Тульская и Калужская области имеет большие площади влияния стронциевой провинции и гораздо более высокие концентрации (рис. 2).
До 2009 года (к началу настоящего исследования) из-за недостаточной изученности влияние стронциевой провинции обнаружено не было, и высокие содержания стронция на территории Орловской области не фиксировались.
Рис. 2. Влияние стронциевой провинции на качество подземных вод в пределах Орловской области (по данным ОАО Геоцентр-Москва).
Условные обозначения Содержание стронция по площади в мг/л <2, от 2,6 до 6,0,от 7 до Опорные скважины (цифрой указаны содержания в мг/л >ПДК стронция - 7мг/л, фоновое значение - 2,6 мг/л Линии изоконцентраций Основными используемыми водоносными комплексами согласно разрезу являются плавский и задонско-оптуховский (рис. 3).
Рис. 3. Гидрогеологический разрез по линии А-Б в районе водозабора ЗАО Орелсельпром.
Водоносный плавский карбонатный комплекс (D3pl) распространён повсеместно. Водовмещающими породами служат серые трещиноватые, иногда закарстованные плитчатые доломиты мощностью до 65 м. Воды безнапорные. Питание комплекса осуществляется за счёт атмосферных осадков и перетока из вышележащих водоносных горизонтов, разгрузка - в современную овражно-балочную сеть. Водоносный комплекс изучен слабо, используется для водоснабжения совместно с задонско-оптуховским комплексом.
Водоносный задонско-оптуховский карбонатный комплекс (Dzd-op) также распространён повсеместно. Водовмещающая толща сложена неравномерно трещиноватыми, а верхней части иногда закарстованными светло-серыми известняками мощностью 100-132 м. Трещиноватость и закарстованность карбонатных пород с глубиной резко уменьшается. В пойменных частях рек и ручьёв водоупорная кровля практически отсутствует. На водоразделах и их склонах этот комплекс перекрывается глинистыми известняками и мергелями (киселёвоникольского относительного водоупора D3ksn). Водоупорным ложем служат плотные разности глинистых известняков и глин задонского горизонта (D3zd) мощностью до 12 метров. Подошва и мощность горизонта устанавливались по скважине № 54200027 (номер согласно ГВК) глубиной 614 метров, с учетом падения 2,14 м на 1 км в сторону скважины 54200027 (расчеты проводились по аналогии с подошвой лебедянского горизонта). Водоносный комплекс вскрыт и опробован в районе исследования многими эксплуатационными, разведочными и наблюдательными скважинами. Воды комплекса безнапорные. Коэффициент фильтрации изменяется от 1 до 15 м/сутки.
При изучении движения стронциевого фронта можно исходить из двух подходов. Первый, более простой, предусматривает механизм поршневого вытеснения и предполагает простое движение без образования лязыков. Другой учитывает дисперсию между двумя жидкостями (между той, что содержит стронций и без него). Она обусловлена микронеоднородностью порового пространства. Такой процесс по В.М. Шестакову (1982 г.) называется фильтрационной диффузией.
Изученные гидрогеологические характеристики позволяют провести расчеты по принципу поршневого вытеснения, с использованием основного закона фильтрации (Дарси), коэффициент фильтрации рассчитывался для безнапорного пласта в условиях установившейся фильтрации с учетом несовершенства скважины.
Продвижение фронта стронциевой провинции через 10000 суток (27 лет) составит 1058 метров. Результаты расчета для геофильтрационной модели с шагом 500 на 500 метров представлены на рисунке 4.
Оценка влияния диффузии на движение границы раздела стронциевых вод и вод в кондиционном состоянии проводилась согласно условиям плоско-паралельного прямолинейного движения по В.М.
Шестакову. Результаты расчетов при максимуме и минимуме коэффициента молекулярной диффузии в пористой среде приведены в таблице 5.
В итоге при разных параметрах D0 размах дисперсии будет составлять от 0,5 до 3,8 %. Следовательно, ошибка в оценке расстояния перемещения стронциевой границы будет незначительной.
Проведенный мониторинг состояния подземных вод, так же выявил загрязнение водозабора ЗАО Птицефабрика Орловская по показателям, представленным в таблице 3.
Нитрат (NO3-) и общее железо в количествах, превышающих ПДК, по данным ОАО Геоцентр-Москва - филиал ГеоцентрБрянск, ТЦ Орелгеомониторинг фиксируются с 2003 года. Но из-за перерыва в работе животноводческого комплекса с 2006 года отчетность по химическим пробам подземных вод не поступала. Нитратное загрязнение носит антропогенный характер.
Рис. 4. Геофильтрационная модель с прогнозируемым продвижением стронциевого фронта через 104 суток.
Таблица Результаты расчетов для l.
Dm, м2/сут. D0, м. l, м Погрешность, % 10-3 0,001 40,2 3,10-5 0,002 7,06 0,10-3 0,002 40,42 3,10-5 0,001 5,7 0,Проведенный анализ показал, что основными эксплуатируемыми водоносными комплексами в районе водозабора являются карбонатные задонско-оптуховский (D3zd-op) и воронежско-ливенский (D3vr-lv).
Водоносный лебедянско-плавский терригенный комплекс (D3lbpl) распространен повсеместно. В толще водовмещающих пород выделяются две пачки. Верхняя пачка сложена отложениями плавской и оптуховской свит, представленных переслаивающимися трещиноватыми, часто закарстованными доломитами с прослоями глин, песков, реже песчаников, доломитовой муки, общей мощностью 11-45 м.
Нижняя пачка сложена отложениями лебедянской свиты. Она представлена неравномерно трещиноватыми, часто глинистыми известняками с прослоями мергелей и глин мощностью от 11 до 25 м. Нижний региональный водоупор также отсутствует. Относительным водоупорным ложем для них служат плотные глинистые известняки нижней части лебедянской свиты. Воды горизонта широко используются для водоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий, как правило, совместно с елецким водоносным горизонтом.
Водоносный елецкий карбонатный горизонт (D3el) распространен повсеместно. Водовмещающими породами являются трещиноватые, кавернозные, иногда закарстованные известняки мощностью 1013 м. Регионального верхнего и нижнего водоупоров нет. Относительной водоупорной кровлей служат плотные разности известняков с прослоями глин нижней части лебедянского горизонта, подошвой - невыдержанные прослои глин в кровле задонского горизонта и плотные разности подошвы елецких известняков. Воды горизонта являются одним из важнейших источников централизованного водоснабжения хозяйственно-питьевого назначения. Ввиду отсутствия регионального водоупора водоносные елецкий и лебедянско-плавский водоносные горизонты в районе исследования составляют единый водоносный задонско-оптуховский карбонатный (D3zd-op) комплекс с общей свободной поверхностью залегания подземных вод, причем верхняя часть карбонатной толщи безводна.
Водоносный воронежско-ливенский карбонатный комплекс (Dvr-1v) на участке исследования сложен в верхней части доломитизированными кавернозными известняками, в нижней - известняками с прослоями глин; кавернозность известняков к подошве горизонта затухает. Глубина залегания кровли водоносного комплекса 104-110 м. Общая мощность водоносного комплекса 68-75 м. Воды этого комплекса в естественных условиях обладают напором порядка 50-60 м.
На основе особенностей гидрогеологической обстановки, рассчитаны зоны захвата пресных подземных вод скважинами исследуемого водозабора, что позволяет судить об источнике загрязнения. Для расчета использована гидрогеодинамическая характеристика подземных вод ЗАО Птицефабрика Орловская приведенная в таблице 5.
Рассматривая гидрогеологический разрез (рис. 5), а также общую схему предприятия (рис. 6), на котором отображены очистные сооружения и направление сбросов сточных вод, можно установить участок с недостаточной защищенностью подземных вод, который находится ниже по направлению сброса.
Исходя из гидрогеологической обстановки и предположения о пути попадания нитратов в водозабор, можно произвести расчеты с целью нахождения истинного пути загрязнения. Гидрогеологический разрез показывает, что перекрывающий слой участка местности с наименьшей защищенностью в зоне захвата скважины с зафиксированным загрязнением NO3- сложен суглинками мощностью 8 м., а мощность водоносного горизонта составляет в среднем 37 м.
Таблица Гидрогеодинамическая характеристика скважин в районе водозабора ЗАО Птицефабрика Орловская.
Мощность Пор Расчетное Эксплуа№ скважины Дебет водоносного ивремя ра- тируемый согласно ГВК м3/ сут. горизонта, стос боты, сут. горизонт м. ть 54200168 (1) 380,16 13870 D3 zd-op 33 0,54200172 (2) 345,60 12045 D3 vr-lv 56 0,54200169 (3) 380,16 13870 D3 zd-op 37 0,54200173 (4) 190,08 12045 D3 vr-lv 56 0,54200170 (5) 216,00 13870 D3 zd-op 35 0,54200171 (6) 216,00 13870 D3 zd-op 37 0,54200174 (7) 259,20 12045 D3 vr-lv 47 0,54200175 (8) 216,00 10950 D3 vr-lv 55 0,Расчеты времени фильтрации выполнены по формулам Л. Лункера и В.М. Шестакова (1986 г).
Процесс фильтрации для суглинков рассматривается с полным заполнением пор водой, а под суглинками образуется зона инфильтрации с неполным заполнением пор. Время фильтрации через зону аэрации для однородного пласта определялось по формуле Цункера.
Просачивание в зоне инфильтрации идет с постоянной скоростью и время просачивания на определенную глубину рассчитывалось по формуле Н.Н. Биндемана, принимая, что начальная влажность соответствует количеству связанной воды.
Рис. 5. Гидрогеологический разрез по линии А-Б в районе ЗАО Птицефабрика Орловская.
Рис. 6. План расположения скважин и очистных сооружений ЗАО Птицефабрика Орловская.
Значение коэффициента фильтрации для гидрогеологического комплекса устанавливаем для безнапорного пласта в условиях установившейся фильтрации с учетом несовершенства скважины. Произведя расчеты для верхнего горизонта, сложенного суглинками, по принятому математическому аппарату, время прохождения через суглинки толщиной 8 м составит 73,9 сут., а через зону инфильтрации мощностью 24 м - 17 сут. В общей сложности до контакта некондиционных вод с эксплуатируемым водоносным горизонтом составит t = 73,9+17 = 91 сутки.
При вертикальной фильтрации флюида, содержащего загрязнитель в виде ионов, необходимо учитывать сорбцию, влияние которой существенно замедляет движение. Нитраты в растворе представлены анионом NO3-, который подвержен физической сорбции, особенно в глинах. Хемосорбция не рассматривается в силу того, что, как правило, породы заряжены также отрицательно, как и сам анион. Расчеты делались с допущением, что реакция сорбции происходит мгновенно, то есть не берется в расчет кинетика сорбции. Для учета сорбции вместо активной пористости, бралась эффективная, которая зависит от сорбционной емкости породы.
Исходя из этого, общее время контакта с эксплуатируемым водоносным горизонтом с учетом сорбции составит 1267 сут.
Время подтягивания к скважине некондиционных вод с учетом сорбции по пути движения (оценивалось работам В.М. Гольдберга, 1976 г), составит 11864 сут.
Согласно табл. 6 время работы скважины с начала бурения составляет 13870 сут, а расчетное время инфильтрации и время подтягивания с учетом сорбции 11864 сут. Следовательно, зона с самой слабой защищенностью является локном попадания нитратов в рабочий водозабор.
Также нельзя исключать залив флюида, содержащего нитраты, минуя фильтрацию, во время обильного выпадения осадков и смыва непосредственно в створ скважины. Исследование этого процесса требует дополнительных гидрогеологических изысканий и длительных натурных наблюдений.
3. Программное обеспечение Filtercomplex v 1.0, позволяющее оптимизировать вычислительный процесс моделирования загрязнения подземных вод.
Практическим аспектом разработки проблематики исследования загрязнения подземных вод явилось создание компьютерной программы для ЭВМ Filter Complex v1.0 - расчет массопереноса в почвенном и водоносных горизонтах в условиях сельскохозяйственного производства в вертикальном и горизонтальном (латеральном) направлениях, которая позволяет существенно оптимизировать расчеты при моделировании движения подземных вод.
В основу программы заложены использованные в настоящей работе математические модели. Filter Complex v1.0 (свидетельство о государственной регистрации программ ЭВМ №2011614248). Структурно она состоит из двух частей:
- RFilter v 1.0 - расчёт фильтрации загрязнителей почвенного и водоносных горизонтов (свидетельство о государственной регистрации программ ЭВМ №2011613400);
- MFilter v 1.0 - расчет массопереноса в почвенном и водоносных горизонтах в условиях сельскохозяйственного производства (свидетельство о государственной регистрации программ ЭВМ №2011613401).
Применение программного комплекса оптимизировало процесс расчетной части в 2 раза, что сократило время вычислений до 0,чел./день, и общее отведенное время на этот вид работы снизилось до 3,60 чел./день (1 категория сложности) и 7,79 чел./день (2 категория сложности). Это позволило более рационально и эффективно распределять рабочее время. Распределение времени дает экономический эффект в виде экономии денежных средств: при расчетах зон санитарной охраны 1 категории сложности на 1373 рубля и 2 категории сложности на 1833 рубля. Затраты времени на проектирование взяты по аналогии с проектом на выполнение работ по объекту Ведение государственного мониторинга состояния недр на территории ЦФО.
4. Рекомендации по улучшению качества подземных вод в районе животноводческих комплексов Орловской области.
Основываясь на анализе гидрогеохимической обстановки и данных, полученных в результате настоящего исследования, можно рекомендовать производству размещенному в зоне влияния стронциевой провинции, рекомендуется использовать мощности локально залегающего плавского комплекса (D3pl), предварительно оценив запасы пресных подземных вод, из-за его низкой водообильности и недостаточной изученности. Использовать водоносные горизонты, залегающие ниже задонского-оптуховского комплекса (D3zd-op). Приблизительные высоты простирания кровли которого по Балтийской системе в районе водозабора ОАО Орелсельпром 150 м (рис.7). К таким комплексам относится воронежско-ливенский и саргаевско-семилукский. Их использование как целевых для хозяйственно-питьевого водоснабжения осложняется общим погружением девона на север, в связи с чем абсолютные отметки залегания кровли водоносных комплексов также снижаются.
При выборе места строительства производственных комплексов, необходимо учитывать зону влияния стронциевой провинции. Проводить гидрогеологические работы с применением бурения для более детального определения местоположения и динамики стронциевого загрязнения, не зависимо от того, что расчеты показывают относительно незначительную скорость его продвижения. Уже существующим предприятиям, расположенным в северной части Орловской области, а именно в Болховском, Мценском, Корсаковском, Знаменском, Хотынецком районах, необходимо провести опробование своих водозаборов на стронций, так как в перечень химических компонентов определяемых санитарно- эпидемиологической службой Орловской области этот элемент не входит.
Рис. 7. Гидрогеологический разрез по линии В-Г в районе водозабора ЗАО Орелсельпром.
Исходя из анализа нитратного загрязнения, для дальнейшего функционирования водозабора ЗАО Орловская птицефабрика необходимо провести переоборудование очистных систем и использовать в дальнейшем более современное оборудование для водоподготовки, чтобы исключить влияние подтягивания некондиционных вод в эксплуатируемый водозабор для водоснабжения в хозяйственно-питьевых целях.
Необходимо использовать скважины, ориентированные на эксплуатацию только воронежско-ливенского водоносного комплекса, исключая участки, поражённые нитратным загрязнением. Данные рекомендации можно применить на любом предприятии Орловской области, имеющим нитратное загрязнение антропогенного характера, так как для большинства из них целевым источником водоснабжения является задонско-оптуховский карбонатный комплекс с недостаточной защищенностью. Однако существует большая вероятность каптировать воды с повышенным содержанием железа, обусловленным факторами химического формирования подземных вод.
В заключении приводятся основные выводы по результатам проведенных исследований:
1. Защищенность второго от поверхности водоносного этажа Орловской области, активно используемого для водоснабжения, недостаточна.
2. Зафиксированное превышение стронция до 4,8 ПДК (согласно СанПиН 2.1.4.1074-01) в водозаборе ОАО Орелсельпром имеет природный характер и связано с влиянием региональной стронциевой провинции, масштабы который в пределах Орловской области ранее недооценивались. Некондиционные воды с превышением по стронцию содержатся в задонско-оптуховском водоносном комплексе, залегающим повсеместно в районе водозабора ОАО Орелсельпром, на глубине ниже 150 м.
3. Принятая математическая модель, анализ составленных гидрогеологических карт, геофильтрационной модели и разрезов позволяют прогнозировать продвижение стронциевого фронта на 1058 м за лет (104 сут).
4. При расчете долгосрочного прогноза в условиях водозабора ОАО Орелсельпром (условия плоско-параллельного прямолинейного движения), эффект диффузии оказывает минимальное влияние, и отклонение составляет от 0,5 до 3,8% от общего пути продвижения.
5. Обнаруженное нитратное загрязнение в водозаборе ЗАО Птицефабрика Орловская до 1,42 ПДК (согласно СанПиН 2.1.4.1074-01) носит антропогенный характер и является причиной несовершенства применяемых на предприятии природоохранных мер (несоблюдение зон санитарной охраны). Попадание нитратов в эксплуатируемый водозабор происходит по причине существования зоны, на пути сброса отходов на рельеф от очистных сооружений до реки с самой слабой защищенностью перекрывающих слоев (в местах просачивания мощность покровных суглинков составляет не более 8 м).
6. Влияние процесса сорбции имеет решающие значение даже при условии, что сорбируется анион, имеющий одинаковый заряд с сорбирующей породой. Расчеты с учетом сорбции показали, что для просачивания флюида, содержащего нитрат (NO3-), через установленную слабозащищенную зону и зону инфильтрации потребуется 12сут., что в 14 раз больше для времени без учета сорбции (91 сут.).
7. Разработанное программное обеспечение Filter Complex v1.0 позволяет оптимизировать процесс расчетной части, что сокращает время расчетной части до 0,25 чел./день и общее отведенное время на этот вид работы снижается до 3,60 чел./день (1 категория сложности) и 7,79 чел./день (2 категория сложности), что позволило более рационально и эффективно распределять рабочее время и дает экономический эффект в виде экономии денежных средств, при расчетах зон санитарной охраны.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Селезнев, К.А. Влияние крупных животноводческих комплексов на состояние подземных вод на примере ЗАО Птицефабрика Орловская / К.А. Селезнев, Н.Н. Лысенко // Вестн. ОреГАУ. - 2011.
Ц №1(28). - С. 65-70.
2. Селезнев, К.А. Гидрологическое строение Орловской области и качество подземных вод / К.А. Селезнев.- Пути повышения устойчивости растениеводства к негативным техногенным воздействиям. Сб. материалов Международной науч.-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов.-Орел: ОреГАУ, 2011.- С.296299.
3. Селезнев, К.А. К вопросу о важности мониторинга и прогнозирования загрязнения окружающей природной среды отходами животноводства / К.А. Селезнев, Н.Н. Лысенко.-Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской области.-Материалы региональной науч.-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов.- Орел: ОреГАУ, 2010.- С.279-282.
4. Селезнев, К.А. Особенности формирования химического состава подземных вод Орловской области / К.А. Селезнев, Н.Н. Лысенко, В.Т. Лобков, С.А. Плыгун // Вестн. ОреГАУ. - 2011. - №2(29). - С. 48-61.
5. Селезнев, К.А. Прогноз продвижения стронциевой провинции в районе водозаборов сельскохозяйственных предприятий Орловской области / К.А. Селезнев, С.А. Плыгун // Вестн. ОреГАУ. - 2011. - №3(30). - С. 69-72.
6. Селезнев, К.А. Результаты мониторинга основных химических элементов в области водозабора подземных вод животноводческих комплексов Орловской области / К.А. Селезнев, Н.Н. Лысенко.Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской области.-Материалы региональной науч.-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов.- Орел: ОреГАУ, 2010.-С.282284.
7. Селезнев, К.А. Стронций в подземных водах Орловской области / К.А. Селезнев.- Пути повышения устойчивости растениеводства к негативным техногенным воздействиям. Сб. материалов Международной науч.-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов.- Орел: ОреГАУ, 2011.-С.299-301.
8. Селезнев, К.А. Filter Complex v1.0 - расчет массопереноса в почвенном и водоносных горизонтах в вертикальном и латеральном направлениях в условиях интенсивного сельскохозяйственного производства / К.А. Селезнев, Н.Н. Лысенко, С.А. Плыгун, В.Т.
обков // Электронный бюллетень Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных микросхем. - №3(76). - 2011. - С. 374. (RU ОБПБТ №3(76) 20.09.2011).
9. Селезнев, К.А. MFilter v1.0 - расчет массопереноса в почвенном и водоносных горизонтах в условиях сельскохозяйственного производства / К.А. Селезнев, С.А. Плыгун// Электронный бюллетень Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных микросхем. - №3(76). - 2011. - С. 174. (RU ОБПБТ №3(76) 20.09.2011).
10. Селезнев, К.А. RFilter v1.0 - расчёт скорости фильтрации загрязнителей почвенного и водоносных горизонтов в условиях сельскохозяйственного производства / К.А. Селезнев, С.А. Плыгун // Электронный бюллетень Программы для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных микросхем. - №3(76). - 2011. - С. 173-174.
(RU ОБПБТ №3(76) 20.09.2011).
11. Селезнев К.А. Подземные воды Орловской области и прогноз их загрязнения в районе животноводческих комплексов/ К.А. Селезнев, Н.Н. Лысенко, С.А. Плыгун // Russian Journal of Agricultural and Socio-Economic Sciences [Электронный ресурс]. - Орел: 2012. - №.2(2).URL (дата обращения: 12.01.2012).
Работы №1; №4; №5 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ.