И.И. Силин
Экология и экономика природных ресурсов бассейна р. Протва
(Калужская и Московская области)
Обнинск, 2003. - 302 с.

9. Загрязнение подземных вод

Механизмы загрязнения подземных вод

Загрязнение подземных вод прибрежных водозаборов в результате хозяйственной деятельности в условиях нарушенного режима происходит, в основном, следующими способами:

-путем инфильтрации загрязненных поверхностных вод в подземные водоносные горизонты;

- посредством восходящей фильтрации минерализованных вод из нижележащих  непромышленных водоносных пластов в промышленные горизонты вследствие интенсивного водоотбора;

- вследствие латеральных  инверсионных динамических подтоков загрязненных поверхностных вод из реки в подземные водоносные горизонты.

Защищенность от инфильтрации поверхностных загрязнений

Условия защищенности подземных вод от инфильтрации загрязнения каширского, протвинского и окско-тарусского горизонтов обычно оценивались по известной методике В. М. Гольдберга (ВСЕГИНГЕО).

 Водоносный каширский горизонт  дренируется речной системой бассейна р.Протвы на территории Московской и Калужской областей, имеет островной характер распространения в крайней северо-западной и северо-восточной частях бассейна и характеризуется  различной степенью  защищенности.

     В нижней части бассейна р. Протвы на водоразделе рек Тарусса-Протва на локальных участках, ограниченных границей распространения напорных вод, водоносный горизонт перекрыт толщей кимеридж-келловейских глин. Изучение фациально-литогогического состава толщи по простиранию и в вертикальном разрезе показало, что мощность глин крайне не выдержана и контролируется изопахитами мощности до 20  метров. Такие же мощности прослеживаются  и на крайнем северо-западе в средней и верхней части бассейна реки Протвы.

     Однако, учитывая, что вертикальный градиент напора на этих площадях имеет отрицательные значения, степень  защищенности горизонта здесь условна.

     На водоразделе рек Тарусса-Протва, Протва-Нара; Протва-Лужа, где водоносный горизонт находится в зоне дренирующего влияния этих рек каширский водоносный горизонт безнапорный. Степень защищенности безнапорных вод весьма слабая  и обусловлена наличием в зоне аэрации ненадежных  слабопроницаемых экранов-маломощных слоев покровных суглинков (до 4 м), суглинков, московских и перекшинской морен мощностью 5-10 м. Такая категория защищенности не обеспечивает с достаточной надежностью, предотвращение фильтрации загрязняющих веществ в каширский водоносный горизонт.

     Водоносный протвинский горизонт на преобладающей площади бассейна Протвы воды  обладает напором, дренируется на территории Московской и Калужской области. В долинах рек горизонт безнапорный. Роль верхнего водоупора выполняют верейские глины, которые, в основном, и обеспечивают защищенность водоносного горизонта от поверхностного загрязнения, а в местах их размыва – слабопроницаемые четвертичные отложения.     При оценке степени защищенности напорных вод горизонта учитывались все природные факторы защищенности, но определяющей все же была мощность разделяющего водоупора и его литологический состав.

На междуречье Нара-Протва горизонт относительно хорошо защищен.  Несколько ниже оценены условия защищенности на междуречьях Протва-Лужа,  где в качестве верхнего водоупора служат слабопроницаемые отложения четвертичного возраста (московской морены) суммарной мощностью до 10-30 м, при наличии фильтрационных «окон» от 3-5 до 25% от площади водоупора.

В долинах рек, Лужа, Протва, где водовмещающие породы горизонта выходят на дневную поверхность, преобладают воды грунтового типа. Интенсивная эксплуатация протвинского водоносного горизонта водозаборами гг. Боровска, Балабаново обусловила снижение уровня воды ниже уреза рек и привлечение дополнительного питания за счет вышележащих водоносных горизонтов и поверхностного стока.

Отсутствие верейского водоупора и небольшая мощность слабопроницаемых отложений четвертичного возраста не предотвращают фильтрацию загрязняющих веществ в грунтовые воды протвинского горизонта. В этих условиях они слабо защищены от загрязнения. К такой же категории защищенности относятся подземные воды на участках существующих водозаборов  Вереи, Боровска и Балабаново.

     Водоносный окско-тарусский комплекс дренируется р. Протвой на территории Калужской области и на в нижнем течении – на территории Серпуховского района Московской области.

 По степени защищенности водоносного комплекса отдельные части территории бассейна оцениваются неоднозначно, что определяется мощностью перекрывающих водоупорных толщ, обеспечивающих водам напор, а также величиной соотношения уровней грунтовых и напорных вод. На преобладающей площади своего распространения воды комплекса обладают напором

Анализ критериев естественной защищенности напорных вод показал, что общая мощность слабопроницаемых отложений, залегающих в кровле комплекса, не превышает 25-30 м, а местами не превышает 10 м.

В северо-восточной части рассматриваемой территории верхним водоупором являются стешевские глины, мощность их контролируется изопахитой 10м.

При изучении литологического состава перекрывающих водоносный комплекс водоупорных толщ установлено, что стешевские глины имеют фациальные «окна» около 5% площади водоупора.

По совокупности природных факторов защищенности выделены территории  условно защищенные и незащищенные.

     Условно защищен водоносный комплекс на участках, где в кровле его залегают моренные суглинки (московские и перекшинские) мощностью от 10 до 30 м, литологический состав которых по площади не выдержан. Отмечаются фациальные «окна» до 25% от площади слабопроницаемых пород.

 К этой категории отнесены участки распространения стешевских глин мощностью до 10-20 м, в разрезе которых отмечены прослои известняков и доломитов).

Соотношение уровней грунтовых и напорных вод здесь имеет отрицательные значения и загрязняющие вещества могут проникать из четвертичных водоносных горизонтов. Такие участки выделены на склонах долин рек Протвы, Лужи.

     Незащищен (или слабо защищен) водоносный комплекс в долинах рек Лужи. Протвы, где он перекрыт хорошо проницаемыми песками, супесями аллювиального водоносного горизонта современных и  погребенных долин.

Соотношение уровней грунтовых и напорных вод характеризуется отрицательным вертикальным градиентом напора и, несмотря на то, что на отдельных участках долин рек вертикальный градиент напора имеет положительные значения, вероятность фильтрации загрязняющих веществ за счет поверхностного стока не исключается, а  защищенность горизонта не гарантирована.

При оценке естественной защищенности действующих водозаборов важное значение имеет их расположение (в геоморфологическом плане) и степень изолированности эксплуатационного водоносного горизонта от горизонтов грунтовых вод.

Существующие водозаборы г. Малоярославца, Боровска, Балабаново, Обнинска расположены вдоль рек Протвы и Лужи. Аллювий этих рек на сравнительно больших площадях залегает непосредственно на размытой поверхности окско-тарусского водоносного комплекса и, таким образом, обеспечивает гидравлическую связь поверхностных вод с подземными. На таких участках  поверхностные воды рек Протвы и Лужи могут принимать участие в восполнении сработанных запасов подземных вод.

Достоверность наличия фильтрационных «окон» перетока подземных вод из вышезалегающих горизонтов подтверждается гидрогеологическими и геофизическими исследованиями.

Влияние восходящей фильтрации на загрязнение окско – тарусского водоносного горизонта

В региональном плане на горизонтальную и вертикальную зональность вод окско-тарусского горизонта влияет не только погружение пород в северо-восточном направлении, но и широкое развитие в осадочном чехле локальных тектонических структур и возникновение на их стыках зон повышенной трещиноватости и проводимости.

К зонам  трещин приурочены гидрогеохимические аномалии и повышенные концентрации в водах гелия, а также стронция, железа, марганца, фтора,  формирующиеся по-видимому как за счет восходящей фильтрации минерализованных сульфатных вод из нижележащих горизонтов, так и вследствие интенсивного выщелачивания последних из водоносных пород. Так, в пределах распространения сульфатно-гидрокарбонатных вод в районе  водозаборов г. Балабаново, вскрываются воды с концентрацией гелия от 110 до 240 * 10^-5 мг/л., а так же геохимические аномалии железа, фтора, стронция стабильного.

     Была исследована зависимость состава воды от глубины залегания водоносного горизонта на Белоусовском и Малоярославецком водозаборах. Отмечается, что в более глубоких горизонтах месторождений подземных вод,  возрастает общая минерализация вод за счет роста концентрации хлорид – иона и сульфат – иона.

Изменения содержания  других ионов сравнительно невелико. Предполагается, что изменение состава вод  с увеличением глубины водоотбора связано с притоком минерализованных вод из зоны замедленного водообмена на участках с повышенной проницаемостью  пород малевского  водоупора (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Зависимость состава воды от  глубины залегания горизонта (Белоусовский водозабор)

Влияние инверсионных латеральных динамических потоков на загрязнение подземных вод

 Модель оценки естественной защищенности подземных вод от антропогенного загрязнения фактически не учитывает инверсионный  горизонтальный перенос загрязнений вместе с речной водой, питающей водозаборы. Между тем, эксплуатация подземных вод заметно отражается на качестве и  водности малых рек. Так на территории  Московской области  порядка 25% стока бассейна р. Протвы формируется за счет подземных вод, а модуль подземного стока составляет примерно 2 л/с на км². Расчеты показывают, что больше половины  откачиваемых подземных вод составляют фильтрующиеся  речные воды, а сработка емкостных запасов подземных вод составляет меньше 20 %. Как уже отмечалось, на некоторых водозаборах г. Обнинска  инверсионный переток из реки обеспечивает восполнение до 90% запасов подземных вод. Такой баланс заставляет предъявлять особые требования к качеству поверхностных вод, по крайней мере в местах их фильтрации в глубокие водоносные горизонты. Существование описанного выше механизма  восполнения сработанных запасов водоносного горизонта за счет речной воды  позволяет объяснить загрязнение вод Центрального, Самсоновского и Вашутинского  водозаборов тритием, источник которого (могильник радиоактивных отходов, промзона ФЭИ) расположен  ниже водозаборов по течению реки на расстоянии 2,5-3 км.

В зимний период происходит накопление материала воздушных выбросов предприятий в снеговом покрове, а речной сток содержит, главным образом, коммунально –производственные сточные воды. В период весеннего половодья происходит сток накопившихся за зиму атмосферных выбросов, которые составляют основной объем антропогенных загрязнений талой воды. В летний период состав стока смешанный.

Сравнительный анализ  количества выпадающих осадков и продолжительности выпадения осадков  показал, что около половины  годового количества осадков выпадает летом за очень короткий промежуток времени (пятая часть годовой продолжительности). Зимой, наоборот, продолжительность выпадения осадков составляет  более 60%  от годовой, а  выпавшие осадки  составляют примерно треть  от  их годового количества, в том  числе в виде снега –15-20%.

Поскольку объем техногенных выбросов не зависит от погодных условий, то можно предположить, что уровень очистки приземной атмосферы от трития и других глобальных радионуклидов зимой  в 2.5 раза выше, чем летом. В то же время, выпавшие со снегом радиоизотопы, накапливаются на площади водосбора р. Протвы, а в период весеннего подъема уровня поступают в подземные водоносные горизонты.  Таким образом, добываемая на обнинских месторождениях вода является смесью подрусловой речной воды, паводковой снеговой воды и гравитационной  воды из вышележащих горизонтов.  На разных месторождениях соотношение «снеговой», «речной» и «гравитационной» воды будет разным. Более того, концентрация трития и ВХВ в извлекаемой  воде месторождений очевидно может изменяться по метеорологическим причинам, из–за режима реки, глубины  промерзания почв,  режима функционирования  РОО и др. Отмечено, что в паводок концентрация трития на обнинских водозаборах несколько возрастает, а  уровень концентрации  загрязняющих веществ, характерных для хозяйственно - бытовых и промышленных стоков, снижается.

На рис. 9.2 и 9.3  изображены сезонные графики мутности р. Протвы и обнинских водозаборов. Для сравнения приведен график мутности и стока р. Волги (рис. 9.4). Графики идентичны и отличаются только по срокам начала и окончания подъема воды и увеличения мутности.  При исследовании зависимости высоты подъема воды в окско – тарусском горизонте в период весеннего половодъя  в зависимости от расстояния водозаборной скважины до поймы реки, оказалось, что она (зависимость) не линейна и приближается к таковой только на интервале 0-3 км. Очевидно, на восполнение горизонтов определенным образом влияют структурные особенности водовмещающей толщи (рис. 9.5)

 В настоящее время наиболее сильное загрязнение подземных вод наблюдается на водозаборах, расположенных выше по течению р. Протвы от г. Обнинска ближе к центру  пьезометрической депрессии: Балабановском, Ермолинском, Вашутинском, Самсоновском, Центральном.

Качество воды на водозаборах, расположенных ниже города (Добринские, Карповский), сравнительно лучше.

Рис.  9.5. Зависимость высоты подъема  уровня воды в окско - тарусском водоносном горизонте от расстояния до поймы р. Протвы