RJOAS February 2012
Селезнев К.А., соискатель, Лысенко Н.Н., доктор сельскохозяйственных наук, Плыгун С.А., кандидат сельскохозяйственных наук, Орловский государственный аграрный университет, Орёл, Россия
В регионах с интенсивной хозяйственной деятельностью отмечается значительное многообразие форм техногенного нарушения экологического равновесия в геологической среде, а также проявление в геологической среде природных негативных процессов, обусловленных подземными водами. Они порождают изменения окружающей среды, как в глобальном, так и локальном масштабах. Степень риска при этом определяется в значительной мере процессами, массированно протекающими в геологической среде, как правило, имеющими инерционный характер и скрытыми от непосредственных наблюдений. Впервые для подземных вод Орловской области установлен ранее неизвестный загрязнитель природного характера, обусловленный продвижением стронция в водоносном задонско-оптуховского комплексе, и составлена геофильтрационная модель, позволяющая осуществить прогноз распространения фронта загрязнения стронцием на 27 лет. Разработана радиальная модель подтягивания нитратов групповым водозабором для установления пути попадания загрязнителя в водозаборные скважины.
Орловская область имеет значительные ресурсы подземных вод, на которых базируется хозяйственно-питьевое и частично промышленное водоснабжение. 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%. На территории Орловской области разведано 55 месторождений и участков пресных подземных вод, запасы семи из них утверждены ГКЗ РФ в 2010 г.
В регионах с интенсивной хозяйственной деятельностью отмечается значительное многообразие форм техногенного нарушения экологического равновесия в геологической среде (загрязнение, включая целенаправленную закачку токсичных и радиоактивных стоков), а также проявление в геологической среде природных негативных процессов, обусловленных подземными водами, включая и катастрофические (оползневые, суффозионные, карстовые, процессы, связанные с многолетней мерзлотой и т.д.). Они порождают изменения окружающей среды, как в глобальном, так и локальном масштабах. Степень риска при этом определяется в значительной мере процессами, массированно протекающими в геологической среде, как правило, имеющими инерционный характер и скрытыми от непосредственных наблюдений.
В значительной степени влияют на качество подземных вод Орловской области животноводческие комплексы и миграция стронция в районе влияния стронциевой гидрогеохимической провинции.
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.
Исследования проводились в 2009-2011 гг. на базе ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет». Анализ проб осуществлялся в Инновационном научно-исследовательском испытательном центре ФГБОУ ВПО Орёл ГАУ. 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 имеющими лицензию на добычу подземных вод, либо получившие 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 табл. 1. Информация о производительности животноводческих комплексов и объеме образования отходов предоставлена Департаментом сельского хозяйства Орловской области.
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.
Локальные 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 централизированных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».
Проведенный мониторинг водозаборов сельскохозяйственных предприятий выявил химические компоненты, превышающие ПДК (табл. 2).
Для сравнения соседние Тульская и Калужская области имеет большие площади влияния стронциевой провинции и гораздо более высокие концентрации (рис. 1). 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.
Основными используемыми водоносными комплексами согласно разрезу являются плавский и задонско-оптуховский (рис. 2).
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 (D3 zd-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 (киселёво-никольского водоупора D3ksn).
Водоупорным ложем служат плотные разности глинистых известняков и глин задонского горизонта (D3 zd) 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.
Согласно проведенным расчетам, продвижение фронта стронциевой провинции через 10000 суток (27 лет) составит 1058 метров. Результаты расчета для геофильтрационной модели с шагом 500 на 500 метров (рис.3) представлены в табл. 3.
Оценка влияния диффузии на движение границы раздела стронциевых вод и вод в кондиционном состоянии проводилась согласно В.М. Шестакову. Прохождение при расчетной скорости без учета дисперсии будет равно 1058 метра. 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.
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 v1.0 - расчёт фильтрации загрязнителей почвенного и водоносных горизонтов» (свидетельство о государственной регистрации программ ЭВМ №2011613400);
– «MFilter v1.0 - 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 0,25 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».
Основываясь на анализе гидрогеохимической обстановки и данных, полученных в результате настоящего исследования, можно предложить следующие рекомендации производству:
- Для водоснабжения размещенного производства в зоне влияния стронциевой провинции, использовать мощности локально залегающего плавского горизонта (D3pl), предварительно оценив запасы пресных подземных вод, а также использовать водоносные горизонты, залегающие выше задонского-оптуховского комплекса (D3zd-op). Приблизительные высоты простирания кровли которого по Балтийской системе в районе водозабора ОАО «Орелсельпром» составляют 150 м.
- При выборе места строительства производственных комплексов следует учитывать зону влияния стронциевой провинции, а также необходимо проводить гидрогеологические работы с применением бурения для более детального определения местоположения и динамики стронциевого 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.
Original paper, i.e. Figures, Tables, References, and Authors' Contacts available at https://rjoas.com/issue-2012-02/i002_article_2012_04.pdf