Оценка гидрохимического состава подземных вод и разработка новых сценариев эксплуатации для целей водоснабжения (Таджикистан)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка гидрохимического состава подземных вод и разработка новых сценариев эксплуатации для целей водоснабжения (Таджикистан)

Вивенцова Екатерина Алексеевна

Ермаков Александр Валерьевич

Аннотация

Основная задача исследования продиктована темпами роста водопотребления, а именно - разработка новых сценариев эксплуатации подземных вод для целей водоснабжения. Оценка качества поверхностных и подземных вод исследуемой территории, показала тенденцию роста минерализации, жесткости, целого набора химических компонентов (вплоть до превышения предельно допустимых концентраций, ПДК). Анализ и интерпретация многолетних данных химического состава подземных вод, а также интенсивности поверхностного стока, в пределах исследуемой территории, позволили выявить антропогенное влияние на величину ионного стока. Согласно результатам исследования, рост инфильтрационного питания (за счет расширения площадей орошения) отражается на ухудшении качества и поверхностного стока, и подземных вод. К тому же, действующие водозаборы расположены в пределах городской черты, что создаёт дополнительную угрозу бактериального и органического загрязнения. В основу новых сценариев эксплуатации подземных вод заложены особенности гидрогеологического разреза, результаты гидрохимических исследований, величина запасов подземных вод отдельных водоносных горизонтов, расчёты зон санитарной охраны водозаборов. Для оценки запасов подземных вод использовался модуль Amwells (программного комплекса ANSDIMAT) и на основе фактического материала была создана аналитическая модель. Полагаясь на результаты этой оценки, запасы нижней части Ташкентского комплекса (Qiit) можно считать обеспеченными и удовлетворяющими темпам водопотребления. Изучив химический состав подземных вод в пределах исследуемой территории, можно заявить, что для хозяйственно-питьевого водоснабжения также пригодны воды нижней части Ташкентского комплекса (Qiit). Таким образом, проведена чрезвычайно востребованная детальная характеристика подземных вод, лишь часть которых пригодна для эксплуатации в качестве хозяйственно-питьевых.

Ключевые слова: загрязнение подземных вод, водоснабжение, экологическое состояние природных вод, поверхностный сток

Assessment of the hydrochemical composition of groundwater and development of new operating scenarios for water supply (Tajikistan)

Ekaterina A. Viventsova, Alexander V. Ermakov

Annotation

The main study task was dictated by the growth rate of water consumption, namely the development of new scenarios for the exploitation of groundwater for water supply purposes. The assessment of surface and groundwater quality in the area showed a tendency to increase mineralization, hardness, a number of chemical components (up to exceeding the limited concentration). Analysis and interpretation of long-term groundwater chemical data, as well as the intensity of surface runoff, within the study area, allowed us to identify anthropogenic influence on the amount of runoff. According to the results of the study, the growth of infiltration nutrition (due to the expansion of irrigation areas) is reflected into deterioration of groundwater quality. In addition, the existing water intakes are located within the city limits, which creates an additional threat of bacterial and organic pollution. The new scenarios of groundwater exploitation are based on the features of the hydrogeological section, the results of hydrochemical studies, the amount of groundwater reserves of individual aquifers, calculations of sanitary protection zones of water intakes. The Amwells module (ANSDIMAT software package) was used to estimate groundwater reserves, so an analytical model was created based on the actual material. Thus, an extremely demanded detailed characterization of the groundwater of the studied area was carried out, some of which are suitable for use as drinking water.

Keywords: groundwater pollution, water supply, ecological state of natural waters, surface runoff

Постановка проблемы

подземный вода ионный сток

В качестве территории исследования выступает г. Худжанд (Таджикистан) и его окрестности, где помимо активного развития экономики, отмечен колоссальный рост водопотребления. Так, за последние 50 лет водопотребление в пределах указанной территории, возросло в четыре раза, при этом экологическое состояние гидросферы испытывает постоянную нагрузку со стороны сельскохозяйственного комплекса.

Водоснабжение территории осуществляется за счет подземных вод, гидравлически связанных с водами р. Сырдарья. Действующие водозаборы являются береговыми, дебит которых увязан с величиной привлекаемых ресурсов за счет р. Сырдарья. Соответственно, качество эксплуатируемых водоносных горизонтов тесно связано с качеством поверхностных вод. В то же время, наблюдается расширение площади орошаемых земель, что привело к усилению поверхностного стока и инфильтрационного питания грунтовых вод. В силу повышенной минерализации ирригационных вод, фиксируем ухудшение качества поверхностных и подземных вод. Так, согласно результатам проведенного исследования и имеющимся архивным данным, за период с 1976 г. по 2020 г., произошла деградация качества и речных (р. Сырдарья), и подземных вод. В указанный период увеличились: а) минерализация речных вод до 3 г/л и подземных вод до 2 г/л; б) жесткость речных вод до 15 мг-экв/л и подземных вод до 18 мг-экв/л. К тому же, ряд показателей не соответствует требованиям к качеству питьевых вод систем централизованного водоснабжения. В исследовании использовались данные действующих водозаборов (глубина эксплуатируемых скважин до 350 м) и створов в р. Сырдарья, р. Ходжабакирган, архивные материалы гидрографической сети (Алямов И., 2009). Надо отметить, что архивный материал достаточно разрозненный и ощутим недостаток сведений о фильтрационно-миграционных параметрах местности, поэтому актуальность исследования неоспорима.

С учетом особенностей канализационных систем и мусоросборников в пределах территории, существует угроза бактериального загрязнения по отношению к действующим водозаборам, расположенным в пределах городской черты.

Таким образом, очевидна необходимость в оценке, прогнозе и постоянном контроле качества природных вод района г. Худжанд, в первую очередь - для целей водообеспечения. И основная цель исследования - разработать оптимальные сценарии водообеспечения территории, с учетом вышесказанного.

Методика исследования и фактический материал

В качестве исходного материала использовались данные по действующим водозаборам и архивные данные (Отчет Таджикской геолого-съемочной партии по результатам инженерно-геологических исследований, 2007; Отчет Таджикской геологосъемочной партии по результатам инженерно-геологических исследований оползнеопасных склонов, 1990; Механизм посредничества Конвенции о биологическом разнообразии, 2008), в том числе разрозненные данные из опубликованных работ о гидрогеологических, геологических, гидрологических особенностях территории.

В геологическом строении исследуемой территории выделяется комплекс пород от палеозоя до современных четвертичных отложений. Выходы известняков палеозойского времени отмечены на правом берегу реки Сырдарьи в пределах гряды «Фархатских скал» и возвышенности Юмалак-Тепе.

Наиболее распространенными и обводненными следует считать - четвертичные отложения (рис.1, рис.1а), среди которых выделяются три стратиграфо-генетических комплекса: Ташкентский (Qiit), Голодностепский (Qiiigl), и Сырдарьинский (Qivsd). Исследование ориентировано на детальное изучение толщи именно четвертичных отложений.

Отложения Сырдарьинского комплекса (Qivsd), в пределах рассматриваемого района, представлены аллювиальными отложениями речных долин (aQivsd). Они слагают молодые террасы долин р. Сырдарьи, р. Ходжабакирган. Литологический разрез этих отложений состоит из суглинков, супесей, песков, мелкой гальки и гравия с песчаным заполнителем.

К отложениям Голодностепского комплекса (Qiiigl) исследуемого района, относятся: аллювиальные отложения речных долин и аллювиально-пролювиальные отложения конуса выноса р. Ходжабакирган. Аллювиальные отложения речных долин (aQiiigl) развиты в долинах рек - Сырдарьи и Ходжабакирган и представлены галечниками разной крупности (с гравием и валунами). Аллювиально-пролювиальные отложения (apQiiigl) представлены крупногалечным и валунно-галечным материалом с песчано-суглинистым заполнителем.

К отложениям Ташкентского комплекса (Qiit) относятся: аллювиальные отложения речных долин, аллювиально-пролювиальные отложения конуса выноса р. Ходжабакирган. Аллювиальные отложения речных долин (aQiit) представлены галечником различной крупности с валунами, гравием и песчаным заполнителем. Аллювиально-пролювиальные отложения (apQiit) занимают головную часть конуса выноса и представлены грубообломочными материалом с песчаным заполнителем. В периферической части конуса выноса наблюдается переслаивание суглинков и галечников.

Отложения Ташкентского комплекса (Qiit) и Голодностепского комплекса (Qiiigl) наиболее развиты и имеют наибольшую мощность, нежели остальные отложения четвертичной системы.

Отложения неоген - четвертичного возраста (Nii-Qi) представлены песчаником и алевритом.

В гидрогеологическом отношении в пределах исследуемой территории выделяются следующие водоносные горизонты и комплексы: а) Сырдарьинский водоносный горизонт (aQivsd), b) Голодностепский водоносный горизонт (apQiiigl), c) Ташкентский водоносный комплекс (apQiit), d) водоносный комплекс, приуроченный к отложениям неоген-четвертичного возраста (Nii-Qi) (рис. 1).

В формировании водоносного горизонта грунтовых вод аллювиальных отложений Сырдарьинского комплекса (aQinsd), основную роль играют поверхностные воды р. Сырдарья и региональный поток вод предгорного шлейфа. Поток грунтовых вод направлен параллельно руслу реки, на участках расширяющейся долины происходит поглощение речных вод, а на участках сужения русла наблюдается выход родников. В последние десятилетия, химический состав подземных вод видоизменился за счет влияния речных вод. Так, минерализация возросла до 2 г/л, жесткость до 18 мг- экв. Химический состав вод сульфатно-натриевый.

Основными источниками питания подземных вод аллювиальнопролювиальных отложений Голодностепского комплекса (apQiiigl) являются поверхностный сток и, частично, оросительные воды. Питание происходит за счет селевых потоков, атмосферных осадков, оросительных вод. Резкое увеличение водообильности горизонтов подземных вод и степени проницаемости отложений объясняется их тесной связью с водами р. Сырдарьи. По химическому составу подземные воды - сульфатно-гидрокарбонатные и сульфатно-хлоридные кальциево-магниевые. Предгорный шлейф является областью поглощения и рассеивания временных потоков поверхностных и подземных вод. Разгрузка подземных вод осуществляется за счет скрытого дренирования р. Сырдарья и через источники.

Подземные воды, приуроченные к аллювиально-пролювиальным отложениям Ташкентского комплекса (apQiit), вскрываются на разных интервалах. Горизонт является достаточно водообильным. По составу воды гидрокарбонатно-кальциевые или сульфатно-кальциевые. Уровни подземных вод тесно зарегулированы р. Сырдарья. Основным источником питания водоносного комплекса служат воды р. Сырдарья. Атмосферные осадки имеют подчинённое значение.

Подземные воды, приуроченные к неоген-четвертичным отложениям (Nii-Qii), распространены повсеместно. Наиболее обводнена верхняя часть отложений неоген-четвертичного возраста. Химический состав вод сульфатно-кальциевый, сульфатно-натриевый и сульфатно-магниевый. Формирование подземных вод происходит за счет подземного и поверхностного стока. Нижнюю часть разреза можно считать относительно водоупорной (Алямов И., 2009).

Исследовав особенности геолого-гидрогеологических условий территории, изучив химический состав поверхностных и подземных вод (отдельно по каждому водоносному горизонту), проведена оценка запасов подземных вод. Анализ гидрогеохимических данных подземных вод, а также величина запасов, позволили выделить перспективные для водоснабжения комплексы. Оценка запасов подземных вод проведена на основе данных о понижении при заданном сроке эксплуатации (25 лет) и заданной нагрузке. Исходя из понижения в каждой скважине, по удельному дебиту рассчитан коэффициент фильтрации с использованием программного комплекса ANSDIMAT.

На основе фактического материала была создана аналитическая модель. Для правого берега р. Сырдарья была выбрана схема «пласт полоса» (река и предгорный шлейф Могол-Тау) - уравнение 1. Для левого берега выбрана схема «полуограниченный пласт» (река) - уравнение 2, что позволяет учитывать контур постоянного питания и несовершенство скважин. Река Сырдарья является границей обеспеченного питания для левого и правого берега.

Уравнения 1, 2 - нестационарной фильтрации, построены на основе решения Хантуша (Hantush M.S., 1961). Затем были проанализированы коэффициенты фильтрации, полученные по удельному дебиту и согласно аналитическому решению.

Плановая граница фильтрационного потока незначительно влияет на стабилизацию уровня мощных водоносных горизонтов, а в основном, влияет лишь емкость пласта. Для проверки этого утверждения была выбрана схема напорного водоносного пласта с несовершенной по степени вскрытия скважиной, расположенной в водоносном пласте неограниченной мощности.

В некоторых скважинах, расчетные и фактические понижения отличаются - это связанно с тем, что более глубокие скважины расположены в наименее проницаемой части водоносного пласта, где значения занижены (коэффициент фильтрации, водоотдача).

Результаты исследований

Исследование многолетних данных позволили получить следующие результаты: вероятность значимого падения уровня р. Сырдарья и сформировавшийся гидрогеохимический облик не позволяют использовать эти воды в качестве питьевых. Соответственного, единственным источником водоснабжения г. Худжанд выступают подземные воды. Однако, существующие водозаборы в г. Худжанд, обустроены на Сырдарьинский (aQivsd) и Голодностепский (Qiiigl) водоносные горизонты, где с 2006 года фиксируют рост минерализации, жесткости, концентрации ряда компонентов (сульфатов, кальция, магния, нитратов). Даже, если учесть проведенные нами расчеты зон санитарной охраны (ЗСО) действующих водозаборов, изменить негативные изменения химического состава не удастся. К тому же определенная сложность связана с реальным построением этого сооружения, т.к. в г. Худжанд плотная застройка и реализовать построение ЗСО крайне трудно.

Таким образом, согласно результатам исследования, следует отметить, что для хозяйственно-питьевого водоснабжения пригодны лишь воды нижней части Ташкентского водоносного комплекса (Qiit). Остальные водоносные горизонты территории менее защищены от поверхностного загрязнения, соответственно, имеют ряд показателей, которые не удовлетворяют или критически приближены к нормам СанПин.

Исследования позволили выделить несколько рабочих интервалов, оптимальных для эксплуатации подземных вод Qiit в зависимости от фильтрационных параметров толщи и химического состава подземных вод. Таким образом, говоря о новых сценариях водоснабжения города Худжанд, целесообразно эксплуатировать Ташкентский водоносный комплекс в пределах глубин 140-180м. Расчёты показали, что запасы Qiit обеспечены и удовлетворяют темпам водопотребления.

Обсуждение результатов

Изменение концентраций микро - и макрокомпонентного состава речных и подземных вод связаны не только с климатическими факторами и физико-химической обстановкой, а в большей степени с антропогенным влиянием. В подтверждение этому служит искажение величины ионного стока (2.5-2.7 т/год). И никаких сомнений не возникает, что использовать поверхностные воды (р. Сырдарья) для централизованного водоснабжения в пределах исследуемой территории, не рекомендуется. Однако, специальная многоуровневая очистка позволяет использовать эти воды для хозяйственных нужд. А это крайне нерентабельно. Но, кроме компонентного состава, антропогенное влияние искажает уровень речных вод. Так перехват речного стока для оросительных целей приводит к падению уровня в реке (в 70х гг. произошло падение уровня на 9 м) и образованию зоны осушения, что сказывается на условиях питания подземных вод Сырдарьинского и Голодностепского водоносных горизонтов. В то же время, в периоды орошения, формируется зона опреснения, достигая глубин залегания подземных вод. Объемы дренажно-оросительных вод и наличие коллекторов ниже по течению влияют на минерализацию речных вод. Очевидна зависимость минерализации речных вод от объемов орошения. При минимальных расходах реки (март-апрель), зафиксированы максимальные значения минерализации, что объясняется отсутствием разбавления с более пресными оросительными водами. А при максимальных расходах реки (май-август) - минимальные значения минерализации. Но, режим полива сказывается не только на речных водах, но и на подземных (Механизм посредничества Конвенции о биологическом разнообразии, 2008).

Не стоит забывать, что пестрый химический состав верхней части разреза может быть связан с континентальным засолением. И дальнейший рост минерализации и уровня грунтовых вод, способствует дополнительному засолению почв. В данном контексте необходимы - постоянный мониторинг и прогноз изменения химического состава, уровней грунтовых вод. А глубинах, более 180 метров - опять-таки увеличивается минерализация, и содержание сульфатов растет. Очевидно, что значимые концентрации сульфатов в Nii-Qi, связаны с наличием загипсованных пород.

Кристаллизация гипса происходила в условиях гидрокарбонатных вод и дефицита СО2, впоследствии состав подземных вод преобразовывался в сульфатно-натриевый. Не исключена роль бактерий, способствующих ускорению процессов окисления сульфидных минералов и появлению сульфат-иона в водах.

Поэтому, в качестве перспективных выделены участки в пределах комплекса Qiit, где отсутствует антропогенное влияние, в силу защищенности водоносной системы и фильтрационных параметров.

Выводы

Повышенные концентрации ряда компонентов и минерализация природных вод, в целом, определяются влиянием сельскохозяйственного комплекса и системы орошения. Существующие водозаборы в г. Худжанд, которые эксплуатируют Сырдарьинский и Голодностепский водоносные горизонты, требуют модернизации. Учитывая плохую защищенность этих водоносных горизонтов и неудовлетворительное качество вод, их эксплуатация нецелесообразна.

Оценив химический состав подземных вод исследуемого района, следует отметить, что для хозяйственно-питьевого водоснабжения пригодны воды нижней части Ташкентского комплекса. Во избежание подтока более соленых или загрязненных вод, следует придерживаться заданного режима эксплуатационных скважин и обустроить скважины с положением фильтров на глубинах в пределах 140-180 м. Кроме того, схемы водозаборов должны учитывать зоны санитарной охраны (ЗСО), соблюдая регламент, тем самым защищая водозаборы от загрязнения.

Литература

1. Алямов, И., Содиков, М. (2009). Южно-Таджикская геолого-разведочная экспедиция: опыт и итоги работы. Горный журнал.

2. Механизм посредничества Конвенции о биологическом разнообразии, (2008). Отчет Узбекского Национального координационного центра.

3. Отчет Таджикской геолого-съемочной партии по результатам инженерно-геологических исследований оползне-опасных склонов, (1990).

4. Отчет Таджикской геолого-съемочной партии по результатам инженерно-геологических исследований, (2007).

5. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.4.004-07. (2007). Министерство здравоохранения Республики Таджикистан. Душанбе.

6. Синдаловский, Л.Н. (2014). Аналитическое моделирование опытных опробований водоносных пластов и скважинных водозаборов (программный комплекс ANSDIMAT). Санкт-Петербург: Наука.

7. Hantush, M.S. (1961). Drawdown around a partially penetrating well. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. Vol. 87 (N HY4), 83-98.

References

1. Alyamov, I., Sodikov, M. (2009). South Tajik geological exploration expedition: experience and results of work. Mining magazine. (In Russian).

2. Mediation Mechanism of the Convention on Biological Diversity, (2008). Report of the Uzbek National Coordination Center. (In Russian).

3. Report of the Tajik geological survey party on the results of engineering and geological studies of landslide-dangerous slopes, (1990). (In Russian).

4. Report of the Tajik geological survey party on the results of engineering and geological studies, (2007). (In Russian).

5. Drinking water. Hygienic requirements for the water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control. Sanitary rules and regulations SanPiN 2.1.4.004-07. (2007). Ministry of Health of the Republic of Tajikistan. Dushanbe. (In Russian).

6. Sindalovsky, L.N. (2014). Analytical modeling of experimental testing of aquifers and borehole water intakes (ANSDIMAT software package). Saint Petersburg: Nauka Publ. (In Russian).

7. Hantush, M.S. (1961). Drawdown around a partially penetrating well. Journal of the Hydraulics Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. Vol. 87 (N HY4), 83-98.

Рисунки

Рис. 1. Схематический гидрогеологический разрез в пределах исследуемой территории (Отчет Таджикской геолого-съемочной партии по результатам инженерногеологических исследований, 2007). Условные обозначения: 1 - водоносный горизонт aQivsd, 2 - водоносный горизонт apQiiigl, 3 - водоносный горизонт apQiit, 4 - водоносный горизонт Nii-Qi , 5 - суглинистые отложения, 6 - щебнисто-галечниковые отложения с суглинистым заполнителем, 7 - щебнисто-галечниковые отложения с песчаным заполнителем, 8 - галечник с суглинистым заполнителем, 9 - алеврит с суглинистым заполнителем, 10 - песчаник, 11 - глубина скважины, 12 - положение уровня водоносного горизонта apQiit

Рисунок 2. Схематическая гидрогеологическая карта исследуемой территории. Условные обозначения: 1 - водоносный горизонт aQivsd, 2 - водоносный горизонт apQiiigl, 3 - водоносный горизонт делювиально-пролювиальных и аллювиально-пролювиальных отложений dapQiiigl, 4 - водоносный горизонт Qiit , 5 - водоносный горизонт Nii-Qi, 6 - отложения Палеозоя, 7 - суглинки, 8 - щебнистые отложения с суглинистым заполнителем, 9 - конгломераты, 10 - гранодиориты, 11 - галечник с щебнисто-песчаным заполнителем, 12 - заболоченный участок современной долины р. Сырдарья (переслаивание супесей, песков, суглинков), 13 - опорные точки на линиях разреза

(1) Уравнение для схемы «пласт-полоса»

(2) Уравнение для схемы «полуограниченный пласт», где a - пьезопроводность водоносного пласта [м2/сут.], к - коэффициент фильтрации [м/сут.], lw - длина фильтра опытной скважины [м], m - мощность водоносного пласта [м], Q - расход опытной скважины [м3/сут.], r - радиус опытной скважины [м], , - понижение в опытной скважине [м], t - время от начала откачки [сут.], “w , “w - расстояние от кровли водоносного пласта до фильтра опытной скважины [м], р - расстояние между опытной и фиктивной скважинами [м], р - расстояние между опытной и j-й фиктивной скважинами, отраженной от левой (i = 1) или правой (i = 2) плановой границы [м], - функция влияния u скважины, - функция влияния скважины с учетом перетекания. Размещено на Allbest.ru