Геохимия подземных вод района Томского водозабора

Актуальность. Проблема чистой питьевой воды — одна из главнейших глобальных проблем нашего времени, — не случайно 2003 год объявлен ООН годом чистой воды. Так, С. Р. Крайнов отмечает, что «химический состав вод в ряде районов интенсивного водоотбора уже не соответствует химическому составу, полученному при разведочных гидрогеологических работах и оценке эксплуатационных запасов». Порой такие изменения носят необратимый характер. «Широкое использование подземных вод поставило перед гидрогеологией ряд специфических гидрогеохимических задач, связанных с выявлением их качества, анализом причин изменения химического состава воды в процессе эксплуатации месторождений, изучением геохимии некондиционных элементов и т. д. Крайне актуальной стала задача прогноза качества подземных вод» (Кирюхин, 1993).

Поскольку подземные воды Томской области часто содержат трудно удаляемые примеси, они являются малопригодными для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Поэтому вопрос сохранения кондиционных вод региона в условиях их постоянно возрастающего загрязнения приобретает особое значение.

Объектом нашего исследования является одно из крупнейших месторождений питьевых подземных вод Томской области, месторождение Томское, расположенное в северной части Обь-Томского междуречья. А предметом научного исследования является изучение геохимии подземных вод района Томского водозабора с целью оценки и прогнозирования их состояния и последующей охраны.

Томское месторождение подземных вод непрерывно эксплуатируется с декабря 1973 г. подземным водозабором. Уже в течение первого десятилетия эксплуатации Томского месторождения наметились небольшие изменения в качестве вод эксплуатируемого водоносного горизонта, что вполне естественно, учитывая происходящие гидродинамические изменения. Так, помимо изменений в микрокомпонентном составе подземных вод эксплуатируемого горизонта, на некоторых участках были отмечены тенденции к изменению макрокомпонентного состава, и даже геохимического типа подземных вод (с гидрокарбонатно-кальциевого на хлоридно-гидрокарбонатный натриево-кальциевый за счет «подтягивания» из нижележащих горизонтов хлоридно-натриевых минерализованных вод). Кроме того, было отмечено усиление вертикальной фильтрации близповерхностных вод на глубину, что привело к углублению, обмелению и даже осушению ряда мелких рек, болот и водоемов, расположенных в зоне максимального влияния водозаборного сооружения, а также к трансформации ландшафтов.

Сейчас можно сказать, что выводы, сделанные предыдущими исследователями на основе богатейшего фактического материала, характеризующего гидродиыамические и геохимические осоенности вод территории Томского водозабора, носят достаточно расплывчатый характер и не дают однозначного ответа на ряд актуальнейших вопросов. Естественно, в одном исследовании невозможно исчерпывающе дать ответы на все интересующие вопросы, однако на ряд наиболее актуальных в научно-исследовательском плане, автор попытался ответить. Цель работы. Изучение геохимии подземных вод района Томского водозабора, выявление признаков их загрязнения, оценка экогеохимического состояния, выявление процессов формирования состава вод в условиях природного и нарушенного режимов, прогноз состояния.

Основные задачи: 1) изучить геохимию вод района на всех этапах их формирования (атмогенном, биогенном и литогенном) — 2) выполнить эколого-геохимическую оценку состояния эксплуатируемого и смежных с ним водоносных комплексов- 3) изучить литолого-минералогический состав водовмещающих пород- 4) выявить источники химических элементов в подземных водах- 5) рассчитать равновесие подземных вод с основными породообразующими минералами методами физико-химическими термодинамики- 6) выявить временные тенденции в изменчивости состава подземных вод в областях с нарушенным и ненарушенным гидродинамическими режимами- 7) дать прогноз изменения качества подземных вод Томского месторождения и рекомендации по дальнейшему исследованию, эксплуатации и их охране. Методика исследования. Какими же способами вычленить природные гидрогеохимические флюктуации и наложенные на них антропогенные процессы? Вопрос упирается в методику решения.

Хорошие результаты в этом направлении исследований показывают вероятностно-статистические методы исследований. Кроме того, для теоретического изучения источников вещества подземных вод, давно и достаточно плодотворно применяется методика расчета термодинамических равновесий, призванная ответить на вопрос: «За счет каких минералов и в каких геохимических условиях может сформироваться современный состав вод эксплуатируемого комплекса?» Этой методикой решаются как ретроспективная, так и прогнозная задачи формирования состава подземных вод. Поскольку данные методы способны дать ответы на поставленные вопросы, они и легли в основу методологии работы. Анализ, систематизация и эколого-геохммическая оценка материалов гидрогеохимических исследований проводились с учетом рекомендаций или инструкций ВСЕГИНГЕО, ГОСТов, СанПиН и ряда других специализированных изданий, с применением большого числа вероятностно-статистических методов. Для решения поставленных задач выполнялись расчеты термодинамических равновесий в системе «вода-порода» и изучение форм массопереноса элементов в составе вод района с применением методов физико-химической термодинамики. В частности, применялся метод физико-химических равновесий, разработанный в 1960;х годах P.M. Гаррелсом и Ч. Л. Крайстом (1968). Гидрогеохимический прогноз был выполнен на основе методов множественной регрессии и временных серий. В работе были активно использованы возможности пакетов программ Statistica, Surfer, Corel Draw, Excel, Access, Word, а также результаты расчетов в авторском пакете программ HydrGeo (автор — Букаты М.Б.).

В результате гидрогеохимических исследований выявлены основные факторы формирования химического состава подземных вод с ненарушенным режимом и антропогенно-инициированные источники химических веществ подземных вод, а также дана оценка и прогноз качества подземных вод Томского месторождения. Исходные материалы. Для написания диссертационной работы были использованы научные материалы, собранные автором в процессе работы в лаборатории гидрогеологии и гидрогеохимии ТО ОИГГиМ СО РАН, переименованного в 1998 г. в ТФ ИГНГ СО РАН. Кроме того, для выполнения данной работы были использованы данные многочисленных отчетов и ежегодников ТКГРЭ за 1968;1995гг., накопленные в результате съемочных работ, режимно-мониторинговых наблюдений, фондовых материалов ГК г. Томска и ГУПР Томской области, данные режимных гидрогеохимических и гидродинамических наблюдений, предоставленные автору ОГУП ТЦ «Томскгеомониторинг», данные МП «Томскводоканал», информация, полученная в результате комплексного гидрогеохимического опробования, проведенного в 1993;94гг. ТО ОИГГиМ при непосредственном участии автора, личные материалы, предоставленные автору Н. А. Ермашовой, а также данные единичных опробований, выполненных автором в течение 1996;2003гг. в составе полевого отряда ТФ ИГНГ. Также широко привлекались данные, опубликованные в научной литературе.

Всего в процессе наших исследований было изучено 220 литолого-минералогических анализов, 96 химических анализов горных пород района Обь-Томского междуречья, свыше 1000 анализов вод отложений палеогенового, неоген-четвертичного и верхнемелового возраста, отобранных начиная с 1973 по 1999гг., а также порядка 30 анализов проб воды из коллектора станции водоподготовки МП «Томскводоканал» за 1999;2001гг., тысячи наблюдений гидродинамических напоров в режимных скважинах. Значительная часть гидрогеохимических данных была отбракована как непредставительная.

Работа автора заключалась в участии в периодическом отборе гидрогеохимических проб, в сборе, отбраковке, обобщении и систематизации данных по химическому составу подземных вод района Томского водозабора, проведении расчетов и статистической обработке, а также — в интерпретации полученных в ходе вероятностно-статистических процедур и термодинамического моделирования результатов.

В работе защищаются следующие положения:

1.В исследуемом районе наблюдается обычная вертикальная гидрогеохимическб?^ зональность, причина которой состоит в смене условий водообмена с активного промывного на относительно замедленный. Это обеспечивает формирование разных по составу, но в основном пресных качественных вод (кроме содержаний Fe и Мп), за исключением верхнемелового комплекса, в котором встречаются солоноватые воды.

2. Основным источником химических элементов в составе пресных подземных вод района Томского водозабора является континентальная толща водовмещающих отложений (более 50% вещества), значительный вклад вносит также органическое вещество (до 40%). При этом доля антропогенной составляющей в настоящее время незначительна и не превышает 3%.

3. Основными факторами техногенной трансформации состава подземных вод являются процессы ускоренной миграции загрязнителей в зонах влияиия эксплуатационных скважин, изменение интенсивности водообмена в пределах верхнего водоносного комплекса, а также процессы су б вертикального подтягивания некондиционных вод из нижележащего комплекса.

Практическая значимость работы заключается в оценке перспектив развития природно-техногенной системы Томского месторождения подземных вод и возможности инженерно-технического управления качеством подземных вод, а также — в выдаче рекомендаций по защите, дальнейшей эксплуатации и исследованиям. Научная новизна работы заключается в применении методов термодинамического моделирования и математической статистики для выявления источников происхождения вещества в составе вод эксплуатируемого месторождения подземных вод, основных тенденций в изменении состава вод в процессе эксплуатации за продолжительный период времени — 30 лет, в приложении к конкретному объектуТомскому месторождению.

Апробация работы. Отдельные разделы работы были доложены на региональной научно-практической конференции «Естественные науки» ТГУ, 1994; на международном научном конгрессе «Молодежь и наука — третье тысячелетие», ТПУ, 1997; на второй международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М. А. Усова, ТПУ, 1998; на научно-практической конференции молодежи «Проблемы региональной экологии» в ТФ Института леса, 1998; на 10-м международном конгрессе «Гидрогеология и управление использованием земель» в Братиславе, 1999; на международной научной конференции «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия», ТФ ИГНГ, 2000; на международном симпозиуме «Гидрогеология и окружающая среда» в Китайском университете геонаук, 2000, 2003; на франко-российском семинаре «Загрязнение окружающей среды и управление природными ресурсами», ТПУ, 2000; на региональной конференции геологов Сибири и Дальнего Востока, Томск, 2000; на III Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» ИОМ, Томск, 2002; на конференции «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург, 2002; на годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения», Москва, 2003. Также некоторые положения работы опубликованы в журналах «Обской вестник», 1999, «Вестник ТГУ», 2003 и в монографии «Эколого-биогеохимические исследования в бассейне Оби», 2002. Кроме того, часть работы была выполнена при поддержке гранта № 1777 ОИГГиМ СО РАН и доложена на двух заседаниях Научного Совета этого Института, двух заседаниях кафедры ГИГЭ ТПУ, а также на заседаниях Научного Совета ТФ ИГНГ СО РАН.

Работа выполнена под чутким руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора С. Л. Шварцева, которому автор особенно признателен за постоянную помощь. В процессе исследований автор также активно пользовался консультациями к.г.-м.н. Н. А. Ермашовой, д.г.-м.н. М. Б. Букаты, к.г.-м.н. В. А. Зуева, д.г.-м.н. Н. М. Рассказова и многих других ученых, влияние которых на научное мировоззрение автора весьма значительно. В проведении работ, сборе данных помощь автору оказали доценты кафедры ГИГЭ ТПУ Н. А. Ермашова, Н. М. Шварцева и О. Г. Савичев, за что автор приносит им свою глубочайшую благодарность. За предоставленные материалы хочется поблагодарить сотрудников ОГУП ТЦ «Томскгеомониторинг» В. А. Льготина, Ю. В. Макушина, В. П. Шинкаренко, сотрудников МП «Томскводоканал», ГУПР Томской области и ТКГРЭ. Только благодаря поддержке коллективом ТФ ИГНГ СО РАН стала возможной эта работа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе детально изучена геохимия природных вод района, начиная от атмосферных осадков и заканчивая трещинными водами палеозойских отложений, исследован химический и минералогический состав водовмещающих пород. На основе полученных данных построена термодинамическая модель, включающая все возможные в данной геохимической обстановке реакции: растворения первичных минералов и формирования вторичных. Сделан вывод о непрерывности процесса растворения первичных минералов, особенно минералов тяжелой фракции осадочных пород (роговые обманки, пироксены, биотит и пр.) и формирования новых карбонатных и глинистых минералов (каолинита, иллитов, бейделлитов, монтмориллонитов, кальцита и сидерита).

С помощью созданной физико-химической модели оценена степень равновесия подземных вод района Томского водозабора относительно карбонатных и алюмосиликатных минералов в пластовых условиях, выполнено моделирование взаимодействия вода-порода. Особенно детально изучено формирование повышенных содержаний нормируемого компонента (железа) с помощью современного инструмента — термодинамического моделирования и физико-химических равновесий. На основе термодинамического моделирования сделаны выводы, что основными источниками макрокомпонентов (Са, Na, К, Mg, Si) в составе вод являются полевые шпаты, слюды и минералы тяжелой фракции, а источниками нормируемых компонентов, таких как железо, служат главным образом минералы тяжелой фракции. Подсчитано, что первичные минералы, слагающие водовмещающие породы имеют околокларковые содержания железа (4,2%), в то время как вновь формируемая минеральная фаза имеет несколько меньшие содержания (4,1%). Однако имеющейся разницы вполне достаточно чтобы воды имели сверхнормативные содержания данных компонентов. Таким образом, количественно и качественно оценены основные источники вещества в подземных водах.

Изучен гидрогеохимический режим вод района на основе данных за 25-летний период наблюденийвыявлено, что их состав изменялся неравномерно на разных участках водозабора. На юго-востоке Обь-Томского междуречья произошел небольшой, но статистически значимый рост общей минерализации, в то время как на северо-западе района минерализация либо уменьшалась, либо не подвергалась серьезным изменениям. В целом, в водах водозабора общая минерализация воды незначительно возросла из-за «продвижения» скважин водозабора в сторону погружения водоносного горизонта, где воды находятся в относительно застойном режиме и в несколько большей степени насыщены относительно пород. Кроме того, в области максимального развития воронки депрессии из-за интенсификации водообмена произошел рост концентраций кремния и параметра ХПК, характеризующего содержание в воде растворенного органического вещества.

Изучены основные природные (хлоридно-натриевые, микрокомпонентов) и антропогенные гидрогеохимические аномалии в пределах трех верхних комплексов. Выявлены основные факторы формирования состава подземных вод района Томского водозабора, их антропогенной или антропогенно-инициированной трансформации. На базе прогноза, выполненного на основе методов математической статистики, сделан вывод, что вмешательство человека в ход естественных гидрогеохимических процессов находится на начальной стадии, а сам Томский водозабор имеет хорошие перспективы. Установлено, что факторами, ускоряющими антропогенную трансформацию состава вод, являются пространственно-временная неравномерность водоотбора и несоблюдение СанПиН в районах, прилегающих к зонам санитарной охраны скважин Томского водозабора, даны рекомендации по дальнейшей эксплуатации и исследованиям.

Выполнен комплексный гидрогеохимический прогноз, основанный на методах множественной регрессии и временных серий, который показал, что при сохранении современных уровней водоотбора и загрязнения (без учета катастрофических явлений), состав подземных вод со временем изменится незначительно.

Итак, резюмируя все вышесказанное, можно однозначно утверждать, что состав подземных вод Томского месторождения подземных вод за 30 лет его эксплуатации изменился незначительно, большинство показателей находится в пределах установленных нормативов. Очевидно, природная система Томского месторождения справляется с оказанной на нее антропогенной нагрузкой. Очаги загрязнения в составе вод эксплуатируемого палеогенового водоносного горизонта распространены локально, и не сказываются на качестве вод, поступающих для питьевого водоснабжения г. Томска.

Наиболее актуальной проблемой в настоящее время является необходимость локализации хлоридно-натриевой аномалии палеогеновых вод, распространяющейся в южном направлении в результате сложившейся природно-геохимической обстановки и интенсивного водоотбора на севере Обь-Томского междуречья, а также — поиск способов снижения концентраций кремния в питьевой воде.

Если приток некондиционных вод хлоридно-натриевого состава является результатом водоотбора, то очевидно что необходимо разработать систему мероприятий по снижению и предотвращению притока соленых вод к скважинам Томского водозабора.

Поскольку сейчас в северной части водозабора (район д. Козюлино) для предотвращения притока некондиционных вод широко используется метод временного отключения эксплуатируемых скважин, то на первом этапе можно порекомендовать изучить время притока соленых вод к фильтровой зоне конкретных засоленных скважин после пуска их в эксплуатацию. Затем, по мере их засоления, необходимо переключаться на резервные скважины, расположенные в безопасных зонах водозабора для того, чтобы состав воды скважины восстановился в результате естественных гидродинамических процессов.

Затем, если хлоридно-натриевая аномалия будет продолжать наступать в южном направлении, придется перейти к более активным водоохранным мероприятиям. Наиболее простым методом здесь может являться уменьшение водоотбора из скважин с повышенной минерализацией воды (Бабушкин, 2003), раздельная добыча (дренаж солоноватых и параллельная эксплуатация пресных вод), а также использование некондиционных для хозяйственно-питьевого назначения вод в виде лечебно-столовых (Н.А. Ермашова, 2003) или технических, для обеспечения нужд населения, проживающего на севере Обь-Томского междуречья и нужд водозабора. Возможен также вариант обратной закачки, который обойдется несравненно дороже. Такая раздельная эксплуатация приведет к постепенному формированию подвижного подземного водораздела, который должен быть пространственно углублен в область распространения пресных вод. Эти меры позволят предотвратить распространение аномалий солоноватых вод и продлить время службы имеющихся эксплуатационных скважин водозабора с минимальными затратами.

Первоочередной задачей для дальнейших исследований являются, на наш взгляд, выявление источника повышенных концентраций хлора и натрия в пределах аномалий, развитых во всех водоносных комплексах Томского месторождения и поиск способов их безопасной локализации, а также — изучение происхождения микрокомпонентов, содержания которых в водах района приближаются или превышают предельно допустимые (Мп, Li, Hg, А1), а также — сложных органических микропримесей. Особо следует подчеркнуть предпочтительность применения гидродинамических методов и методов химической термодинамики для понимания гидрогеохимических процессов, происходящих в недрах эксплуатируемого месторождения. Успешный опыт 30-летней эксплуатации Томского водозабора показывает, что установление равновесия в системе «потребности человека — возможности самовосстановления природных систем» возможно на практике.