Гидрогеоэкологическое состояние территории Оренбуржья и мероприятия по его стабилизации

Гидрогеоэкологическое состояние территории Оренбуржья и мероприятия по его стабилизации

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 супертехнофильные элементы. Разработаны мероприятия и технические решения (патенты) по стабилизации экологической ситуации.

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, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, лучше местных из неоген-палеогеновых и мезозойских пород, сохранивших реликты морского солевого комплекса от трансгрессий палеогенового и верхнемелового времени. В лесостепных районах более богатая растительность создает и более комфортные условия жизни (рис. 2).

Рисунок 1 — Средние многолетние значения осадков.

Рисунок 2 — Вид лесостепи Площадь области составляет 123,75 тыс. км². Хозяйственно-питьевое водоснабжение на 88,8% осуществляется за счет пресных подземных вод, а промышленное на 73% за счет поверхностных вод [1]. Основная часть территории области приурочена к бассейну р. Урал, северо-запад области тяготеет к Волжскому бассейну, а на крайнем востоке расположена область внутреннего стока с озерами Шелкар-Ега-Кара и Жетыколь и небольшой участок бассейна р. Тобол. Состав вод области формируется под влиянием естественноисторических и техногенных факторов.

Экологическое 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 загрязнения подразделяются на: 1) промышленные, 2) геотехнологические, 3) сельскохозяйственные агрохимические и зоотехнологические, 4) энергетические и гидротехнические, 5) транспортные, 6) селитебные или бытовые и 7) военные. На состав вод влияют так же: 1) процессы растворения гипсово-соленосных отложений и выноса на поверхность глубинных флюидов; 2) ореолы рассеяния от не разрабатываемых полезных ископаемых; 3) некондиционные воды и рассолы [2]. Каждой группе источников загрязнения вод соответствуют определенные загрязняющие вещества. На урбанизированных территориях интенсивное загрязнение водоемов и водозаборов установлено, в частности, супертехнофильными элементами (рисунок 3).

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 (рисунок 4), которая свидетельствует о том, что при невозможности использования нефтепромысловых вод в системах заводнения, их можно локализовать в поглощающих горизонтах.

Рисунок 3 — Содержание супертехнофильных элементов в различных компонентов окружающей среды 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 ниже залегающих 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, разработанный 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, 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.

Рисунок 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 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 (Домбаровский, Светлинский, Ясненский и Адамовский 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% (50,135тыс.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- 5 г/л, а на юге региона — 8 г/л.

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 не закарстованных в 2−3,5 раза. Водообильность карбонатных пород возрастает на локальных, унаследованно тектонически развивающихся поднятиях. Основное водохозяйственное значение имеет аллювиальный водоносный горизонт в бассейнах рек Урала и Самары с мощностью аллювия до 30 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 инфильтрационных 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 (17−156мг/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-магниевый содержание хлоридов и сульфатов растет соответственно до 100−455 и 340−360 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 400−800 м. Наиболее водоносны карстующиеся известняки в зонах с активными тектоническими движениями и в зонах контактов с не карстующимися породами. Трещинные воды разгружаются в долинах рек и в аллювиальный водоносный горизонт. И карстовые и аллювиальные воды имеют большое практическое водохозяйственное значение.

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 так же 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 закисные соединения. Высокий кларк железа в обломочных породах (5−6%) обеспечивает его концентрации в водах до 24 мг/л. Регион относится к остро дефицитным 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 обусловлено наличием в составе руд и пород сульфидов и дисульфидов. При их окислении формируются сернокислые 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 закисное железо переходит в окисное, ускоряя окисление пирита. Рудничные воды содержат высокие концентрации сульфатов и тяжелых металлов. При взаимодействии кислых вод с породами, они 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.

Заключение

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] (рисунки 5, 6).

Рисунок 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 Для успешного применения этих технологий нами выполнена оценка уязвимости территории к загрязнению с использованием методов экспертной оценки [2]. Устойчивость подземных вод к загрязнению уменьшается от лесостепной ландшафтно-климатической зоны к степной и сухостепной зонам 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.

Рисунок 6 — Установка вертикального дренажа с целью перехвата загрязняющих веществ (патент РФ № 47 914 [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.

Список использованных источников

• 1. О состоянии поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Оренбургской области за 2007 год. Инф. бюллетень Правительства Оренбургской обл.: Оренбург, 2008. 197 с.
• 2. Гаев А. Я. Экологические основы водохозяйственной деятельности (на примере Оренбургской области и сопредельных районов)/ Гаев А. Я., Алферов И. Н., Гацков В. Г и др./ Пермь: изд. Перм. ун-та, 2007. 327 с.
• 3. Информационный бюллетень о состоянии геологической среды на территории Оренбургской области в 1997;2006 гг. Вып. 1−10. Оренбург: ОАО «Вотемиро» 1997;2006.
• 4. Чибилев, А. А. Бассейн Урала: история, география, экология. Екатеринбург: УрО РАН, 2008. 312 с.
• 5. Клейменова И. Е., Беликова Н. Г., Гаев А. Я. Система для очистки загрязненного нефтью или нефтепродуктом грунта. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ. № 66 702. Опубл. 27.09.07 г. Бюл. № 27 — 2 с.
• 6. Гаев А. Я., Кузнецова Е. В., Фоминых А. А., Почечун В. А. Способ локализации загрязнений при эксплуатации водозаборов хозяйственно-питьевого назначения. № 130 071. Федеральный институт промышленной собственности. Москва, 2006.
• 7. Гаев А. Я., Алферов И. Н., Алферова, Н.С., Лихненко Е. В. Устройство барьерного типа перед водозабором пресных подземных вод. Патент № 55 382, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.08.06.
• 8. Гаев А. Я., Алферов И. Н., Лихненко Е. В., Локоткова Н. С. Установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа при локализации загрязненных флюидов. № 47 914. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2005 г.