Рациональное использование подземных вод в криолитозоне

Одной из важнейших составляющих проблемы охраны и рационального использования природной среды является защита подземных вод от загрязнения, которое сопровождает практически все виды хозяйственной деятельности человека. Характер негативного изменения состава различных категорий подземных вод определяется, с одной стороны, видами и интенсивностью техногенных воздействий, а с другой стороны, зависит от природной предрасположенности конкретных гидрогеологических структур к проникновению загрязняющих веществ в фильтрационные потоки. Понятно, что именно изучение естественной защищенности подземных вод (ПВ) в различных гидрогеологических структурах может служить основой для разработки и реализации действенных мер по охране подземных вод от загрязнения.

Условиям естественной защищенности ПВ от возможных техногенных загрязнений за пределами криолитозоны посвящены многочисленные исследования. Степень естественной защищенности обычно оценивается на основе так называемых факторов защищенности, под которыми понимаются природные барьеры, затрудняющие попадание в подземные водоносные тракты загрязняющих веществ. Такими факторами являются, например, наличие мощной зоны аэрации, распространение в разрезе выдержанных литологических водоупоров, гидродинамическая изолированность водоносного горизонта, возможность существования зон локальной интенсивной фильтрации и многие другие, вплоть до характера наземной растительности и особенностей исходного химического состава ПВ, влияющих на условия взаимодействия между водой и загрязнителями.

В то же время для области развития многолетнемерзлых пород известны лишь единичные работы, рассматривающие вопросы естественной защищенности и охраны ПВ в гидрогеологических структурах, подвергающихся криогенному преобразованию (Романовский, 1983, Романовский и др., 1985).

Многолетнее промерзание пород существенно, а часто и коренным образом изменяет исходную гидрогеологическую обстановку: условия питания и разгрузки, режима ПВ, длительность цикла водообмена и т. д. При этом естественная защищенность ПВ от загрязнения определяется в основном характером распространения криогенных водоупоров. Последние имеют сложную пространственную конфигурацию, которая определяется как условиями теплообмена пород с атмосферой (естественными или измененными техногенезом), так и в значительной мере тепловым взаимодействием фильтрационных потоков с мерзлыми толщами. Немаловажно, что криогенные водоупоры являются подвижными образованиями, особенно в области развития высокотемпературных многолетнемерзлых пород, где они могут заметно видоизменяться, возникать и исчезать всего за несколько лет. Кроме того, сам процесс промерзания водоносных пород (сезонный или многолетний) сопровождается криогенным метаморфизмом содержащихся в них вод, что может привести к заметному изменению их качества (как минерализации, так и химического состава).

Таким образом, оценка предрасположенности конкретных гидрогеологических структур к возможному проникновению в них загрязняющих веществ в пределах криолитозоны и выработка мер по охране ПВ предполагает детальное изучение геокриологической обстановки наряду с другими факторами природной среды (поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, поверхность земли и др.). По отношению к мерзлым толщам ПВ криолитозоны подразделяются на воды слоя сезонного оттаивания пород, воды таликов и воды подмерзлотного стока. Естественная защищенность обычно оценивается применительно к водам глубокого стока, поскольку именно они являются основным источником для централизованного водоснабжения. Кроме того, эти воды могут быть легче защищены от загрязнения, но в случае, если оно произошло, последствия его растягиваются на значительное время. Воды приповерхностного стока более подвержены техногенному загрязнению, что, с одной стороны, затрудняет их защиту, с другой — они легче могут подвергнуться очистке при введении рациональных норм природопользования. Следует однако учитывать, что ПВ неглубокого залегания (слоя сезонного оттаивания и таликов) являются промежуточным коллектором между поверхностными водами и ПВ глубокого подмерзлотного стока и представляют основную опасность в плане загрязнения в областях питания последних.

Можно охарактеризовать следующие основные аспекты влияния мерзлотных условий на гидрогеологическую обстановку, которые необходимо учитывать при разработке водоохранных мероприятий вод подмерзлотного стока (Романовский и др., 1985).

1. Многолетнемерзлые породы являются совершенными криогенными водоупорами. Их существование в гидрогеологических структурах затрудняет питание подмерзлотных вод, локализуя его по таликам. Одновременно с этим многолетнемерзлые толщи пород на площадях сплошного распространения предохраняют воды глубокого стока от загрязнения. Существенно, что многолетнемерзлые породы представляют собой достаточно динамичные образования. На участках, где их мощность невелика (первые десятки метров), они могут исчезать и вновь формироваться под влиянием хозяйственной деятельности человека за период от нескольких до первых десятков лет.

2. Питание и разгрузка ПВ осуществляется по таликам. Поэтому защита вод инфильтрационных и грунтово-фильтрационных таликов от загрязнения является важнейшим мероприятием при защите вод подмерзлотного стока.

3. Талики и таликовые зоны в структурах со сплошным и прерывистым распространением многолетнемерзлых пород сложены преимущественно породами с высокой водопроницаемостью, поскольку отепляющее влияние интенсивных потоков подземных вод зачастую является основной причиной устойчивого существования таликов в этих условиях. Процессы естественной очистки подземных вод в таких породах ослаблены.

Гидрогеологические структуры криолитозоны подразделяются на две категории. К первой отнесены структуры сплошного промерзания, где питание ПВ осуществляется через подозерные и подрусловые инфильтрационные талики, главным образом, за счет поверхностных вод. Следующим звеном между поверхностными водами и водами глубокого стока служат аллювиальные воды подрусловых и пойменных сквозных и несквозных таликов. От свойств пород, слагающих эти талики, зависит интенсивность инфильтрации (инфлюации), а также процессы естественной очистки ПВ. Они находятся в обратной зависимости: чем выше фильтрационные свойства пород, тем слабее идет очистка, и наоборот. Воды сезонноталого слоя попадают в подмерзлотную часть гидрогеологического разреза через талики, предварительно трансформируясь в поверхностные или грунтовые воды.

Во вторую категорию гидрогеологических структур объединены структуры прерывистого и островного промерзания, где помимо таликов под озерами и в долинах рек (под руслами и поймами) существуют так называемые дождевально-радиационные талики на террасах, склонах долин и междуречьях. Через дождевально-радиационные талики происходит непосредственное пополнение дождевыми водами ПВ глубокого стока. Промежуточным звеном могут быть воды слоя сезонного оттаивания пород и верховодка на сезонном криогенном водоупоре (воды слоя сезонного промерзания отложений).

В первой группе структур водоохранные мероприятия должны обеспечивать защиту от загрязнения поверхностных вод в долинах рек, где существуют очаги питания ПВ глубокого стока. Во второй — должны охраняться речные, озерные и грунтовые воды в долинах рек и поверхности дождевально-радиационных таликов. Последнее весьма важно, поскольку территории, занятые этим видом таликов, как правило, по природной обстановке и инженерно-геологическим условиям удобны для строительства. Обычно это сухие, выровненные участки, сложенные хорошо промытыми рыхлыми или трещиноватыми скальными породами. В связи с этим на площади распространения и вблизи таликов этой категории должны вводиться строгие регламентированные правила природопользования, исключающие возможность загрязнения поверхности и инфильтрации загрязненных дождевых и поверхностных, а также бытовых, технологических и других вод в глубь гидрогеологической структуры.

ПВ приповерхностного стока (воды сезонноталого и сезонномерзлого слоев) также по разному влияют на процесс загрязнения вод глубокой циркуляции в пределах выделяемых категорий гидрогеологических структур. В структурах сплошного промерзания воды сезонноталого слоя скатываются в долины рек и ручьев и, смешиваясь с поверхностными и аллювиальными водами, сильно разбавляются. В случаях значительного загрязнения вод сезонноталого слоя частые паводки в реках способствуют очищению ПВ подрусловых таликов.

Загрязнение вод сезонноталого (сезонномерзлого) слоя, как уже отмечалось, весьма опасно в пределах гидрогеологических структур с прерывистым и островным промерзанием. При непосредственном загрязнении и в пределах, и вблизи дождевально-радиационных таликов продукты загрязнения весьма быстро (от одного года до 5—10 лет) попадают в глубокую (подмерзлотную) часть гидрогеологического разреза и сказываются на качестве ПВ в прилегающих частях долин, где обычно устраиваются водозаборы.

Существенное загрязнение вод слоя сезонного оттаивания может происходить на сложенных дисперсными льдистыми отложениями днищах долин, низких междуречьях и других поверхностях при строительстве на них гражданских и промышленных объектов за счет попадания бытовых и промышленных стоков, содержащих легкорастворимые соли. Вследствие процесса криогенного концентрирования эти соли будут накапливаться в подошве сезонноталого слоя, образуя линзы высококонцентрированных незамерзающих криогалинных вод. В период максимального сезонного протаивания стекающие по сезонноталому слою надмерзлотные воды будут загрязняться за счет вод, подвергшихся криогенной концентрации и отжатых к подошве этого слоя. В многолетнем аспекте последние будут постепенно смещаться вниз, образуя внутримерзлотные линзы, существенно ухудшающие условия строительства и устойчивость свайных фундаментов, а также приводящие к гибели растительности. Эти явления широко известны на территории городов и поселков, построенных на многолетнемерзлых породах и не имеющих хорошего канализационного хозяйства. Так, в Якутске существуют линзы незамерзших вод у подошвы сезонноталого слоя с минерализацией до 300 г/л и специфическим антропогенным составом (хлористый натрий, аммиак, различные кислоты и пр.), которые постоянно, из года в год, смещаясь вниз, переходят в линзы внутримерзлотных вод, залегающие неглубоко от поверхности земли. При наличии маломощных мерзлых пород (10—20 м), водопроницаемых в талом состоянии, возможна миграция таких линз через всю мерзлую толщу и прорыв криогалинных вод в подмерзлотные горизонты.

По ряду признаков разработана типизация источников загрязнения природных вод (Романовский и др., 1985). По времени действия источники загрязнения разделены на постоянно и периодически действующие, а также случайные. К постоянно действующим относятся источники загрязнения, действующие на всем протяжении существования объекта с момента его введения в строй. Таковыми могут являться сбросы хозяйственно-бытовых и промышленных стоков и др. К периодически действующим источникам загрязнения отнесены источники, действующие в течение года с перерывами (транспорт) и сезонно (разработка россыпей, сельскохозяйственные работы). Кроме того, в процессе хозяйственной деятельности могут возникнуть случайные источники загрязнения: аварийные прорывы и утечки сырья на предприятиях, лесные пожары и т. д.

По характеру влияния источников загрязнения на химический состав природных вод их можно разделить на 3 группы. К первой группе относятся источники, загрязняющие подземные воды минеральными и органическими веществами без существенного изменения их химического состава. К этой группе можно отнести разработку россыпных месторождений и другие виды деятельности, приводящие в основном к загрязнению природных вод механическими примесями. Ко второй группе относятся источники загрязнения, приводящие к изменению химического состава подземных вод и содержащие неорганические примеси со специфическими токсическими свойствами. Так, в окрестностях крупных городов, перерабатывающих предприятий, электростанций, ТЭЦ и пр. неизбежно загрязнение воздуха:

— от работы автотранспорта: окисью углерода, сернистым газом, окислами азота, углеродами, альдегидами, органическими кислотами, взвешенными частицами;

— при работе электростанций и теплоцентралей от сжигания каменного угля: альдегидами, окисью углерода, окислами азота, углеводородами, сернистым газом, ртутью, взвешенными веществами;

— от сжигания городских отбросов: аммиаком, альдегидами, органическими веществами, сернистым газом;

— от работы горно-металлургических комбинатов: серой, хлором, летучими металлами, сернистым газом.

Все эти ингредиенты с атмосферными осадками проникают в почву и грунтовые воды, причем некоторые из них: сера, хлор, летучие металлы, сернистый газ — приводят к гибели растительности, коренной перестройке почвы, другие — ртуть, свинец — чрезвычайно токсичны и канцерогенны. Промышленные стоки с комбинатов черной металлургии, рудообогатительных фабрик содержат различные соли, щелочи, кислоты, медь, свинец и другие металлы, окислы и гидроокислы металлов, сернистые соединения, сероводород. Стоки обогатительных фабрик руд и цветных металлов — опасные и сильные загрязнители природных вод, а хвостохранилища являются серьезным источником загрязнения.

К третьей группе относятся источники загрязнения подземных вод, изменяющие химический состав последних и заражающие их органическими веществами, пестицидами, поверхностно-активными веществами со специфическими токсическими свойствами. К этой группе относятся сельскохозяйственные работы, городские хозяйственно-бытовые стоки, стоки целлюлозной промышленности.

В зависимости от степени изменения качества подземных вод в очагах (площадях) загрязнения они подразделяются на: 1) слабозагрязненные — показатели загрязнения превышают природные (фоновые) значения, но ниже предельно допустимых концентраций (ПДК) для определенного вида использования (например, для питьевого водоснабжения); 2) загрязненные — показатели загрязненности превышают ПДК по одному или нескольким компонентам в несколько раз; 3) сильнозагрязненные — показатели содержания загрязнителя существенно превышают ПДК и близки к показателям состава в источнике загрязнения.

Наиболее действенным методом борьбы с возможным загрязнением ПВ в криолитозоне, где самоочищение подземных вод и водовмещающих пород от загрязняющих ингредиентов ослаблено в связи с низкой биологической активностью в условиях низких температур, является создание специальных водо-охранных зон — ВОЗ. Под термином ВОЗ следует понимать территории, предназначенные для создания (организации) в их пределах комплекса мероприятий с целью защитить подземные воды от техногенного загрязнения. В пределах ВОЗ регламентируется хозяйственная деятельность человека по двум основным направлениям. Во-первых, на определенные виды природопользования или хозяйственной деятельности накладывается запрет — это формы пассивной защиты ПВ. Примером может служить запрет на рубку лесов, размещение поселков или промышленных предприятий на площади ВОЗ. Во-вторых, вводится как обязательная система специальных мероприятий (активные средства защиты), которая призвана исключить или снизить до уровня ПДК техногенное загрязнение ПВ. Активные средства защиты включают в себя размещение в ВОЗ предприятий с безотходным производством, с системами очистки промстоков, поселки и города с сооружениями по очистке бытовых вод.

 

Литература

Романовский Н.Н. Подземные воды криолитозоны. М.: Изд-во МГУ, 1983. 231 с.

Романовский Н.Н., Афанасенко В.Е., Волкова В.П. Естественная защищенность подземных вод в криогидрогеологических структурах. Якутск: Изд. СО АН СССР, 1985. 118 с.