ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012
Г еология
Вып. 4 (17)
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 502.51:556.3 (470.5)
Г идрогеоэкологическое состояние территории Оренбуржья и мероприятия по его стабилизации
А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Е. Б. Савилова, Ю.М. Погосян
Институт экологических проблем гидросферы, 460018, Оренбург, ул. Терешковой 10/4, к.42. E-mail:[email protected]
(Статья поступила в редакцию 15 августа 2012 г.)
Гидрогеоэкологические особенности природных вод Оренбургской области сформировались под влиянием природных и техногенных факторов. Воды гидрокарбонатного состава в лесостепной ландшафтно-климатической зоне закономерно сменяются на сульфатные и хлоридно-гидрокарбонатные в степной и лесостепной зоне. В условиях техногенеза в водах накапливаются тяжелые металлы и супер-технофильные элементы. Разработаны мероприятия и технические решения (патенты) по стабилизации экологической ситуации.
Ключевые слова: экологическая ситуация, мониторинг, природные и техногенные факторы.
1.Расположение региона
Западная часть области приурочена к северному обрамлению Прикаспийской впадины, а восточная - к южным отрогам Уральских гор. Среднее за многолетие количество осадков в 2-3 раза уступает величине испаряемости (рис.1). В степных районах растительность и животный мир сосредоточены у водоемов. Качество транзитных вод, использУеЧйейНлН НЗзЬбУмМа^Дйы 21 промыш-
ственно-питьевого водосноеигиивриишз пе^ЙЖД5!-паа2бЬ0(%п6а2Ш И? ерхн°стных местных из неоген-палеогеновых и мезо-
70
зоиских пород, сохранивших реликты морского солевого комплекса от трансгрессии палеогенового и верхнемелового времени. В лесостепных раИонах более богатая растительность создает и более комфортные условия жизни (рис. 2).
Площадь области составляет 123,75 тыс. км2. ХозяИственно-питьевое водоснабжение на 88,8 % осуществляется за
60
50
40
30
20
10
0
61
33
2у у 30,3
14,8
43 1 43 3
— —
26,8 31,3 29,5
— Л'Х А
|—1 -
□ Ряді
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
месяцы
Рис. 1. Средние многолетние значения осадков
© Гаев А.Я., Алферов И.Н., Савилова Е. Б., Погосян Ю.М., 2012
90
Основная часть территории области приурочена к бассейну р. Урал, северо-запад области тяготеет к Волжскому бассейну, а на крайнем востоке расположены область внутреннего стока с озерами Шел-кар-Ега-Кара и Жетыколь и небольшой участок бассейна р. Тобол. Состав вод области формируется под влиянием естественно-исторических и техногенных факторов.
2. Экологическое воздействие на природные воды
Воздействие на природные воды проявляется через все компоненты природного комплекса и систему вода - порода - газ - живое вещество. Крупными источниками загрязнения служат энергетические предприятия типа Сакмарской ТЭЦ. Источники
1) на промышленные, 2) геотехнологиче-ские, 3) сельскохозяйственные агрохимические и зоотехнологические, 4) энергетические и гидротехнические, 5) транспортные, 6) селитебные или бытовые и 7) военные. На состав вод также влияют: 1) процессы растворения гипсово-соле-носных отложений и выноса на поверхность глубинных флюидов; 2) ореолы рассеяния от неразрабатываемых полезных ископаемых; 3) некондиционные воды и рассолы [2]. Каждой группе источников загрязнения вод соответствуют определенные загрязняющие вещества. На урбанизированных территориях установлено, в частности, интенсивное загрязнение водоемов и водозаборов супертехнофильными элементами (рис. 3).
Рис 2. Вид лесостепи
Рис. 3. Содержание супертехнофильных элементов в различных компонентах окружающей среды
Рассолы от разработки месторождений нефти и газа, каменной соли и выщелачивания подземных емкостей в платформенных районах не поддаются очистке. На нефтепромыслах стоки рекомендуется закачивать в глубокие горизонты, чтобы они не попадали на поверхность земли и в водоемы. Нашим творческим коллективом построена схема развития поглощающих горизонтов на исследуемой территории (рис.4), которая свидетельствует о том, что при невозможности использования нефтепромысловых вод в системах заводнения, их можно локализовать в поглощающих горизонтах.
Установлено, что поглощающие горизонты развиты в тех районах, где приведенные напоры с глубиной не увеличиваются. Во внутренних частях артезианских бассейнов приведенные напоры увеличиваются с глубиной, и здесь проявляются восходящие минеральные и термальные
источники за счет перетоков рассолов из нижезалегающих горизонтов. При подземном строительстве и бурении в этих районах случаются аварии. Народному хозяйству наносится ощутимый экономический ущерб.
Для решения гидрогеоэкологических проблем в районах платформенного Оренбуржья рекомендуется использовать разработанные нами комплекс водоохранных мероприятий, способ и установку защитных сооружений, а также методические приемы по организации систем гидрогеоэкологического мониторинга [2, 5, 6].
На Урале в загрязненных водах преобладают сульфаты тяжелых металлов, которые поддаются очистке на геохимических барьерах. Интенсификация сельскохозяйственного производства с удобрениями и ядохимикатами увеличивает концентрации в водах нитратов,
Рис. 4. Гидрогеодинамическая модель развития поглощающих горизонтов в Оренбуржье и сопредельных районах: 1 — территории с развитыми поглощающими горизонтами, соответствуют областям питания водонапорной системы; 2 — территории, где поглощающие горизонты отсутствуют в связи с избыточным гидростатическим давлением и формированием областей разгрузки водонапорной системы; 3 — районы, где поглощающие горизонты недостаточно изучены. Надежность складирования отходов в поглощающих горизонтах: 4—отсутствует; 5 — практически отсутствует; 6 — имеется на локальных участках; 7 — высокая; 8 — очень высокая
сульфатов, пестицидов и др., особенно вблизи ферм и площадей с избыточным внесением удобрений. Концентрации азота в водах превосходят здесь ПДК в десятки и сотни раз. Загрязнение природных вод зависит от плотности распределения и масштабов проявления источников загрязнения и концентрации загрязняющих веществ в их ареалах.
Устойчивость в растворе загрязняющих веществ определяет возможности их обезвреживания. Воды с повышенной минерализацией относятся к трудно очищаемым. Они закачиваются в продуктивные и поглощающие горизонты. Слабо минерализованные воды утилизируются на земледельческих полях орошения. Наиболее загрязнены участки животноводческих и свиноводческих комплексов, птицефабрик, ферм и сельхозугодий с избыточным внесением мочевины и органических удобрений, где концентрации азота в водах превышают ПДК в сотни раз. Предприятия и хозяйства Оренбуржья нуждаются в больших объемах хозяйственно-питьевой и технической воды, являясь источниками загрязнения водоемов. Нефтедобывающие предприятия загрязняют воды в платформенной части области, а горнорудные - в горно-складчатой. Разведано 205 месторождений подземных вод и 65 % их запасов в бассейне р. Урал [3]. Прогнозные эксплуатационные ресурсы пресных подземных вод области составляют 5,38 млн м3/сут, с обеспеченностью разведанными запасами 0,91 м3/сут на 1 чел. Из них 44,7 % ресурсов сосредоточено в аллювиальном водоносном горизонте, 15,4 % - в татарском и 17,4 % - в казанском водоносном комплексе. Модули потенциальных ресурсов (1,0 л/с с км2) снижаются на востоке области (Домба-ровский, Светлинский, Ясненский и Ада-мовский районы) до < 0,1 л/с с км2. Дефицит воды усугубляется неравномерностью стока. До 96 % годового стока приходится на весеннее половодье [4]. Для аккумуляции паводкового стока в области построено 1758 водохранилищ.
Потребность в воде нефтепромыслов удовлетворяется на 71 % (50,135 тыс. м3), а на перспективу 2020 г. - менее, чем на 40 %. Объем водопотребления на нефтегазоносной части территории области составляет 427,455 тыс. м3/сут, а доля нефтяников в водопотреблении и сбросе сточных вод не превышает 12 %. Острый дефицит воды в 4508,5 тыс. м3/год ощущается в системах заводнения нефтяных месторождений. Используются некондиционные воды зоны активного водообмена и пресная вода из подрусловых водозаборов по р. Самаре в объеме до 360 тыс. м3/год. В зоне активного водообмена минерализация вод не превышает 1,0 г/л, но там, где у поверхности залегают отложения с сульфатными минералами или реликтами морского солевого комплекса минерализация вод достигает 1- г/л, а на юге региона - 8 г/л.
3. Результаты исследований экологического состояния подземных вод
На территории области выделены артезианские бассейны и своды, гидрогеологические массивы и адмассивы. Наиболее водообильны районы, сложенные закарстованными карбонатными породами, зарегулированность стока из которых выше, чем в незакарстованных, в 2-3,5 раза. Водообильность карбонатных пород возрастает на локальных, уна-следованно тектонически развивающихся поднятиях. Основное водохозяйственное значение имеет аллювиальный водоносный горизонт в бассейнах рек Урала и Самары с мощностью аллювия до 3 0 м. Аллювий состоит из песков, гравия и галечников, переслаивающихся с глинами и суглинками. Коэффициент фильтрации в песках варьирует в интервале 0,5-30 м/сут, а в гравии и галечниках - 20-200 м/сут. Дебиты скважин достигают 50-100 л/с, а групповых водозаборов 2-3 тыс. м3/сут.
На горно-складчатом Урале пресные воды сульфатного и карбонатного типов по классификации Н.С. Курнакова -
М.Г. Валяшко развиты до глубин 500-800 м с температурой 4-6°С и водорастворенными газами с азотом, кислородом и углекислотой. При погружении в краевых и внутренних областях в составе вод появляются метан и сероводород. Эффективность взаимодействия ин-фильтрационных вод с породами зависит от длительности их контакта. От лесостепной зоны к сухостепной увеличиваются минерализация вод и концентрации хлор-иона (до 32-620 мг/л) и сульфат-иона (120-1945), щелочных металлов (до 63-413 мг/л), кальция (до 30-600) и магния (17156 мг/л). Растет и относительная роль хлоридов и сульфатов до 35-74 % и щелочных металлов — до 18-54 %. В приподнятых районах Южного Урала, сложенных древними хорошо промытыми от солей морского солевого комплекса породами, содержание хлоридов и сульфат-ионов составляет соответственно 5 и 15 мг/л, а щелочных металлов — 10-13 мг/л при минерализации 0,24 - 0,35 г/л. При смене в предгорьях карбонатного типа вод на сульфатно-натриевый и хлоридно-магние-вый содержание хлоридов и сульфатов растет соответственно до 100-455 и 340360 мг/л, а щелочных металлов — до 245 мг/л при минерализации до 1,5 г/л.
На горно-складчатом Урале до глубины 10-60 м развиты регионально-трещинные воды зоны выветривания, играющие роль области питания трещинно-жильных и трещинно-карстовых вод. Открытые тектонические трещины прослежены до глубин 400800 м. Наиболее водоносны карстующиеся известняки в зонах с активными тектоническими движениями и в зонах контактов с некарстующимися породами. Трещинные воды разгружаются в долинах рек и в аллювиальный водоносный горизонт. И карстовые, и аллювиальные воды имеют большое практическое водохозяйственное значение.
В Магнитогорско-Орском горнодобывающем районе установлено три типа вертикальной химической зональности вод. В вулканогенно-осадочных породах
преобладают пресные воды сульфатно-натриевого подтипа с небольшими дебитами, которые возрастают в случае трещинно-жильных вод до 10-30 л/с. Воды в мезозойских и кайнозойских отложениях относятся к тому же подтипу, но их минерализация достигает 10-20 г/л. Из анионов преобладают хлориды и сульфаты, а из катионов - натрий. Из-за слабой водоносности они несущественно влияют на химический состав вод водоемов и палеозойских пород. Карбонатные массивы относительно невелики, но активные суффо-зионно-карстовые процессы за период с верхнепермской эпохи сформировали карстовые коллекторы значительной емкости. Благодаря пониженному в рельефе положению они аккумулируют значительные ресурсы вод. В карстовых пустотах есть остаточные продукты суффозии с реликтами морского солевого комплекса от периодов морских трансгрессий. Их жесткость и минерализация повышены, но в пределах санитарных норм.
Верхнесакмарско-Саринский район расположен в неширокой полосе оренбургского Урала в пределах бассейна р. Урал и частично внедряется в южную часть Башкортостана и Челябинской области. Он приурочен к поднятиям Зилаир-ского и Саринского плато с осадочно-метаморфическими образованиями вторичных кварцитов, кристаллических сланцев, кварцитопесчаников и пр. К западу они сменяются структурами Западно-Уральской зоны складчатости, где нижнепалеозойские образования моноклинально перекрываются средне- и верхнепалеозойскими породами вплоть до пермских. В составе этих пород большую роль играют карбонатные и терригенно-карбонат-ные разности, дебиты источников в которых составляют 3-20 м3/ч, а на Бля-винском карьере давали водопритоки в 1000 м3/сут. Химический состав подземных вод отличается пестротой за счет недостаточной промытости пород от солей морского солевого комплекса. Минерализация сверху вниз по разрезу возрастает и при достижении 1 г/л карбонатный
тип переходит в сульфатный (с преобладанием сульфатов). В вулканогенно-осадочных породах, содержащих > 4% сульфидов, воды приобретают кислую реакцию среды и сульфатный состав. Вниз по разрезу их минерализация возрастает до 5-9 г/л, и они приобретают хлоридный тип. В осевой зоне Урала преобладают весьма пресные воды карбонатного типа, сменяющиеся в предгорьях и в южном направлении сульфатно-натриевыми, хло-ридно-магниевыми водами и даже водами хлоридного типа. От возвышенных участков к понижениям рельефа, а также от лесостепной зоны к сухой степи растет степень карбонатности пород - от 5-10 до > 30%. Карбонаты и сульфаты входят в состав ионно-солевого комплекса карбонатно-глинистого цемента пород и в виде зерен и агрегатов кальцита, доломита, гипса и пирита. В сухостепной зоне растут минерализация вод, общая жесткость, концентрации сульфатов и хлоридов, превращая воды в некондиционные для использования. На границе с Прикаспием большую роль играет соляная тектоника. Пресные воды гидрокарбонатного и суль-фатно-гидрокарбонатно-натриевого состава сосредоточены здесь в триасовых отложениях. При их погружении воды приобретают хлоридно-натриевый состав и минерализацию у соляных куполов до 35 г/л.
Качество вод также определяется составом пород. В контакте с юрскими глинами состав вод изменяется от пресных гидрокарбонатных до сульфатно-хлорид-ных с минерализацией до 26,9 г/л. Дефицит атмосферных осадков (250-300 мм/год) при испарении с водной поверхности до 800-850 мм, низкая проницаемость пород и слабая расчлененность рельефа затрудняют формирование ресурсов пресных подземных вод. Но и на юге региона пресные гидрокарбонатные воды выявлены в нижнетриасовых, татарских и казанских отложениях. На западе, в бортовой части нижнеказанского некомпенсированного прогиба, где выклиниваются пласты сосновской и гидрохимической
свит с гипсами и ангидритами, хлоридные воды и рассолы повышают даже минерализацию вод рек Чаган, Башкирка, Каневская Башкирка, Солянка и Грязнушка до 2 г/л при пестром химическом составе вод.
Ингрессия моря по долинам рек в плиоцене способствовала формированию естественных барражей подземных вод в верхнепермских и мезозойских породах, в связи с чем сформировался бассейн пресных вод с перетоком их в более глубокие горизонты. На северо-востоке платформы в загипсованных породах казанского возраста сформировались воды гидрокарбонатносульфатного, сульфатно-кальцие-вого и магниево-кальциевого состава с минерализацией 1-5 г/л, а на юге территории и в Предуральском прогибе до 8 г/л с суль-фатно-хлоридным и хлоридно-натриевым составом.
На возвышенностях Общего Сырта и на горно-складчатом Урале хорошо проявляется высотная поясность. Минерализация вод в южном направлении растет, и гидрокарбонатные и гидрокарбонатносульфатные воды сменяются на гидрокар-бонатно-хлоридные и хлоридные. Более приподнятые в рельефе районы характеризуются меньшей минерализацией и содержанием сульфатов и хлоридов, но наличием органических веществ. На формирование вод влияет и литологический фактор: в известняках доминирует гидро-карбонатно-кальциевый состав, а в доломитах и доломитизированных известняках содержание магния в водах достигает 2590 мг/л вместо обычных 8-16 мг/л.
4. Система мониторинга и результаты контроля за деятельностью техногенных объектов
Мониторинг поверхностных вод в области проводится на 15 реках, двух водохранилищах, в 23 пунктах и 35 створах по 42 показателям. Воды повсеместно загрязнены тяжелыми металлами, соединениями азота, нефтепродуктами, сульфатами, хлорорганическими пестицидами и органическими веществами. .
Хорошее качество установлено только для подземных вод на площадях с лесонасаждениями и зонами рекреации. Лесные насаждения в области уцелели на площади чуть больше 4 % и чаще встречаются на севере. При загрязнении утрачивается качество вод, а их устойчивость к загрязнению вместе с модулем водного стока снижается к южным районам, где строительство экологически опасных сооружений ведет к более серьезным последствиям. Наиболее опасными источниками загрязнения служат нефтепромыслы. Здесь теряется до 0,5 % добываемой нефти. В регионе разрабатывается 107 месторождений нефти и газа. Установлена высокая аварийность на продуктопроводах с утечками нефти в водоемы. Ежегодно в области происходит от 3 до 5 тыс. порывов продуктопроводов с загрязнением десятков тыс. м2 и уничтожением почвы.
Содержание нитратов в водах региона достигает умеренно опасного уровня (до 240 мг/л), особенно в водах колодцев и родников (до 130,5 мг/л). Нитрат-, нитрит-ионы и аммоний-ион, поступающие с сельскохозяйственными и бытовыми загрязнениями, относятся к III и II классам опасности, вызывая у детей и молодняка животных метгемоглобинемию (синюю болезнь) и нарушение обмена веществ. В водах также выявлены железо, медь, свинец, цинк, молибден, мышьяк. В естественных условиях на основе 700 анализов установлено, что содержание меди, свинца, цинка, молибдена и мышьяка в водах с минерализацией > 1 г/л возрастает. При наличии органических веществ содержание железа (III класс опасности) превышает ПДК. При снижении Eh железо переходит в хорошо растворимые за-кисные соединения. Высокий кларк железа в обломочных породах (5-6 %) обеспечивает его концентрацию в водах до 24 мг/л. Регион относится к остродефицитным по содержанию фтора в питьевой воде (0,01-0,97 мг/л, в среднем 0,32, а в 11 районах 0,16-0,28 мг/л).
В районах разработки твердых полезных ископаемых загрязнение вод обу-
словлено наличием в составе руд и пород сульфидов и дисульфидов. При их окислении формируются серно-кислые воды. На Гайском медно-колчеданном месторождении минерализация рудничных вод достигла 270 г/л, а глубины развития зоны окисления > 600 м. Воды насыщены сульфатами, свободной серной кислотой, металлами и компонентами пород. Площадь депрессионной воронки вокруг Гайского месторождения достигла 35 км2. Сформировались воды, по составу неизвестные в природе. В трещинных водах месторождения наряду с кислотами накапливаются и щелочные металлы, переходя в раствор из вмещающих пород; образуется свободная серная кислота, и за-кисное железо переходит в окисное, ускоряя окисление пирита. Рудничные воды содержат высокие концентрации сульфатов и тяжелых металлов. При взаимодействии с породами кислые воды обогащаются щелочными металлами и приобретают нейтральную реакцию среды и карбонатный тип. При свободном доступе кислорода окисление сульфидов интенсифицируется. Минерализация вод при этом возрастает на два-три порядка. Тяжелые металлы образуют вокруг рудных тел ореолы медистых опалов, малахита, азурита, каламина, хризоколлы и зону вторичного обогащения руд.
Водоснабжение ряда населенных пунктов до сих пор осуществляется за счет поверхностных вод низкого качества. Рекомендуется перейти к магазинированию подземных вод у водохранилищ, способных восполнять их ресурсы. Разработаны патенты по локализации загрязнения у водохозяйственных объектов: система
для очистки загрязненного нефтью грунта [5], способ локализации загрязнений при эксплуатации водозаборов [6], устройство барьерного типа перед водозабором [7] и установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа при локализации загрязненных флюидов [8] (рис. 5, 6). Для успешного применения этих технологий нами определена степень уязвимости территории к загрязне-
нию с использованием методов экспертной оценки [2]. Устойчивость подземных вод к загрязнению уменьшается от лесостепной ландшафтно-климатической зоны к степной и сухостепной и от приподнятых в рельефе районов к пониженным. Воды, обладающие значительными напорами в татарском ярусе верхней перми, могут служить резервом питьевых вод для Оренбурга и ряда районов области.
1
4 2
Рис. 5. Схема комплексного барьера. Источник загрязнения расположен в долине реки (а - план; б - разрез)
1 - водоем чистых вод; 2 - источник загрязнения; 3 - водозаборные скважины чистых вод; 4 - дренаж загрязненных вод; 5 -комплексный барьер; 6 - статический уровень грунтовых вод; 7 - динамический уровень грунтовых вод; 8 - установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа
Библиографический список
1. Гаев А.Я., Алферов И.Н., Гацков В.Г. и др. Экологические основы водохозяйственной деятельности (на примере Оренбургской области и сопредельных районов)/ Перм. гос. ун-т. Пермь, 2007. 327 с.
2. Гаев А.Я., Алферов И.Н., Лихненко Е.В., Локоткова Н.С. Установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа при локализации загрязненных флюидов. Патент РФ № 47914. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.09.05.
3. Гаев А.Я., Алферов И.Н., Алферова, Н.С., Лихненко Е.В. Устройство барьерного типа перед водозабором пресных подземных вод. Патент № 55382. Зарегистрирован
5 4 6 1 3 2 10 6 5
10 9 10 1 3 2 10 10 9 10
Рис. 6. Установка вертикального дренажа с целью перехвата загрязняющих веществ (патент РФ № 47914 [8]): 1 - горизонтальная дренажная выработка с трубой, заполненная ПГС или щебнем; 2 - дренажная труба с перфорацией; 3 - выводная труба; 4 — эксплуатационные скважины с погружными насосами; 5 - специальные скважины с щебнистой засыпкой; 6 — наблюдательная скважина-пьезометр; 7 - интервалы перфорации фильтра в эксплуатационных и наблюдательных скважинах; 8 - колодец для сбора загрязненных вод; 9 — обсадные трубы; 10 — щебнистый заполнитель
в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.08.06.
4. Гаев А.Я. Кузнецова Е.В., Фоминых А.А., Почечун В.А. Способ локализации загрязнений при эксплуатации водозаборов хозяйственно-питьевого назначения. Патент № 130071. Федеральный институт промышленной собственности. М., 2006.
5. Информационный бюллетень о состоянии геологической среды на территории Оренбургской области в 1997-2006 гг. Оренбург: ОАО «Вотемиро», 1997-2006. Вып. 1-10.
5. Клейменова И.Е., Беликова Н.Г., Гаев А.Я. Система для очистки загрязненного нефтью или нефтепродуктом грунта. Патент № 66702. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ. 27.09.07.
6. О состоянии поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Оренбургской области за 2007 год// Информ. бюл. Правительства Оренбургской обл. Оренбург,
2008. 197 с.
7. Чибилев А.А. Бассейн Урала: история, география, экология/ УрО РАН. Екатеринбург, 2008. 312 с.
Hydrogeoecological Situation and Measures of them Stabilization in Orenburg Region
A.Ya. Gayev, I.N. Alferov, E.B. Savilova, Yu.M. Pogosyan
Hydrosphere Ecology Institute, 460018, Orenburg, Tereshkova st. 10/4, bild. 42. E-mail: gayev@mail .ru
Chemical composition and hydrogeoecological features of natural water in Orenburg region have been formed under influence of natural and technogenic factors. The water is of hydrocarbonate composition are regulary changed by sulphate and chloride-hydrocarbonate ones. The accumulation of super technophile elements has been determined in water in conditions of techno genesic. The technical solutions are given to make the ecological situation stable.
Key words: the ecological situation, monitoring, natural and technogenic factors.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук И.Н. Шестов