CC BY
379
УДК 55:504 (550.424)
Е.А. Вивенцова
ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУРОРТНОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Территория Курортного района Санкт-Петербурга в геолого-гидрогеологическом отношении достаточно изучена. Однако существуют некоторые гидрогеологические характеристики, требующие постоянного мониторинга, в силу своей изменчивости. К изменчивым гидрогеологическим характеристикам относится химический состав подземных вод.
Начиная с 60-тых годов XX в., проводится планомерное изучение месторождений подземных вод Курортного района. Одним из первых, в 1968 г., выходит отчет о результатах гидрогеологических работ с целью организации водоснабжения г. Зеленогорска [1].
Последние исследования подземных вод Курортного района были направлены на изучение гидрохимического и радиологического состава подземных вод месторождений, используемых для водоснабжения Санкт-Петербурга [2]. В рамках данных исследований использовался многолетний материал (данные на момент бурения, данные опробования за многие годы, режимные наблюдения), что позволило проследить изменение гидрохимического состава подземных вод и их динамических показателей.
Территория Курортного района расположена в зоне избыточного увлажнения (годовое количество осадков по многолетним данным — 673 мм), что способствует формированию благоприятных условий для питания подземных вод. Особенность орографии территории — значительная расчлененность равнин и склонов возвышенностей, что способствуют инфильтрации атмосферных осадков, а также стимулирует пополнение запасов подземных вод и формирование пресных вод зоны свободного водообмена. Питание рек, озер и болот территории осуществляется за счет талых вод (более 50 %), атмосферных осадков (20 -30 %) и подземных вод (15 -20 %).
В пределах изученного геологического разреза в четвертичных и дочетвертичных отложениях выделяются: горизонт грунтовых вод; межморенный водоносный комплекс; гдовский водоносный горизонт.
Грунтовые воды, залегающие на глубине 1-3 м связаны с песчаными разностями озерно-ледниковых отложений, а также спорадически распространены в прослоях и линзах песков лужской морены. Водообильность грунтовых вод, как правило, низкая. Грунтовые воды не защищены и, подвержены интенсивному антропогенному воздействию, что сказывается на их химическом составе. В целом их можно охарактеризовать как загрязненные, непригодные для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Межморенный водоносный комплекс (состоящий из верхнего и нижнего водоносных горизонтов) содержит напорные воды.
Верхний межморенный водоносный горизонт, носящий название «полюстровский», приурочен к песчаным разностям нерасчлененных отложений верхневолжского и курго-ловского межстадиалов. Водоупором, отделяющим верхний межморенный водоносный
© Е.А. Вивенцова, 2008
горизонт от нижнего, служат валунные суглинки московской морены и суглинки курго-ловского-верхневолжского межстадиала.
Нижний межморенный горизонт приурочен к погребенным палеодолинам и перекрыт водоупорными отложениями московской морены. Общее понижение кровли идет с севера на юг, в сторону Финского залива. Нижним водоупором служат суглинки днепровской морены.
Водоносные горизонты межморенного комплекса имеют ограниченное по площади распространение и мощности от 0,3 до 46,7 м; водообильность их также сильно изменяется: удельные дебиты скважин составляют 0,025-6,9 л/с. Величина напора верхнего межморенного горизонта составляет 6,9-55,0 м, нижнего — 23,2-78,0 м. Пьезометрические уровни в скважинах устанавливаются на глубине 0,79-9,37 м, причем в понижениях рельефа уровни нижнего комплекса устанавливаются выше уровней верхнего. Общее снижение уровней направлено к р.Неве и Финскому заливу. На участках размыва лужской и московской морен имеется гидравлическая связь с грунтовыми водами и поверхностным стоком, а также возможность инфильтрации загрязненных атмосферных осадков и стоков. В основном подземные воды межморенных водоносных горизонтов пресные (с сухим остатком 164-230 мг/л), хотя в древних погребенных долинах, в условиях затрудненного водообмена, встречаются воды с повышенным содержанием железа. Железистые воды межморенного комплекса используются как минеральные на месторождении “Полюстрово”. По химическому составу воды гидрокарбонатные кальциево-натриевые, реже — магниево-кальциево-натриевые. В воде отмечается повышенное содержание закисного железа (от 0,6 до 2,1 мг/л), марганца (0,11 мг/л) и фтора. По данным других источников можно отметить, что с конца 70-х до начала 90-х годов ХХ в. (в период интенсивной эксплуатации) наблюдается повышение концентраций железа в подземных водах межморенного водоносного комплекса [3, 4].
Гдовский водоносный горизонт является единственным водоносным горизонтом в разрезе дочетвертичных пород, имеющим значительные запасы и повсеместное распространение (мощностью 75-100 м, уменьшаясь к востоку и северо-западу). Он залегает на глубине 65-200 м и перекрыт региональным верхнекотлинским водоупором — котлин-скими глинами (мощностью 45-70 м), защищающими от проникновения загрязняющих веществ с поверхности. Лишь в древних погребных долинах есть вероятность негативного воздействия антропогенных факторов на качество подземных вод гдовского водоносного горизонта. Удельные дебиты скважин составляют от 0,27 л/с до 2-3 л/с и более. Коэффициент водопроводимости, рассчитанный по результатам опытно-эксплуатационных наблюдений из совершенных бесфильтровых скважин составляет на преобладающей площади 200 -500 м2/сут.
Для режима уровня гдовского водоносного комплекса характерна небольшая годовая амплитуда колебаний — 0,2-0,5 м, синхронность кратковременных колебаний уровня и изменений атмосферного давления, а также согласованность хода уровней в пласте: Финском заливе (прибрежные районы) и грунтовом потоке (на Карельском перешейке). В среднем изменения атмосферного давления на 20 Мб определяют колебания уровня подземных вод с обратным знаком на 8-10 см. Приливы-отливы также изменяют нагрузку на водоносные пласты, простирающиеся под дном моря. Повышение уровня Балтийского моря приводит к повышению уровня подземных вод. В период нагонных наводнений в районе г. Сестрорецка самописцами зарегистрированы повышения уровня напорных вод гдовского водоносного горизонта и межморенных водоносных комплексов на 0,7-0,8 м. Нарушенный
режим подземных вод гдовского водоносного комплекса формируется, главным образом, под влиянием интенсивной их эксплуатации в пределах Карельского перешейка. Пресные подземные воды Карельского перешейка используются для хозяйственно-питьевых нужд, слабо- и маломинерализованные воды — для производственно — технических и бальнеологических целей (Сестрорецкий Курорт).
Многолетними наблюдениями за режимом подземных вод установлена связь колебаний уровня от условий и размеров водоотбора. Как известно, с режимом колебания уровней неразрывно связаны и изменения гидрохимического режима подземных вод, поэтому необходим постоянный мониторинг подземных вод. Гидрохимический состав подземных вод гдовского водоносного горизонта изменяется с севера на юг, в соответствии с направлением погружения горизонта от гидрокарбонатного натриевого до хлоридного натриевого. В соответствии с этим изменяется общая минерализация от 0,1-0,5 до 3-6 г/л. Установлено, что концентрации ряда нормируемых микрокомпонентов превышают действующие нормативы [5]. В первую очередь, к ним относятся (по результатам опробования 2006 г.): общее железо, содержание которого составляет 0,3 мг/л; марганец, концентрации которого составляют 0,21 мг/л; 0,12 мг/л; 0,55 мг/л. Содержание радона варьирует от 11,0 до 24,7 Бк/л (в среднем — 17,5 Бк/л), что ниже ПДК. Концентрация радона соответствует региональной фоновой величине, характерной для этого участка распространения гдовского комплекса.
Граница пресных вод гдовского водоносного горизонта по линии минерализации 1 г/л проходит в южной части Карельского перешейка. В районе г. Сестрорецка воды гдовского комплекса обогащены радоном до 100 Бк/л и более. Область питания гдовского водоносного горизонта находится в пределах центральной возвышенности Карельского перешейка, где отсутствие верхнекотлинского водоупора благоприятствует взаимосвязи подземных и поверхностных вод. Пьезометрические уровни водоносного комплекса здесь устанавливаются на абсолютных отметках 92- 96 м. Движение подземных вод направлено на юг в сторону Финского залива. На участках древних погребенных долин, возможна гидравлическая связь его с межморенными водоносными горизонтами.
Результаты анализа химического состава подземных вод показали, что для данной местности характерно повышенное содержание железа в водах межморенного водоносного комплекса и гдовского водоносного горизонта. Железо мигрирует в природных водах в ионной, молекулярной и коллоидной формах. Главнейшими факторами, контролирующими содержание железа в водах является окислительно-восстановительный потенциал (Eh), растворенное органическое вещество и рН вод. При рН > 2,5 Fe3+ неустойчиво и выпадает в осадок, а при рН 6,5 закисное железо (Fe2+) становится неустойчивым. Вследствие того, что природные воды имеют чаще всего нейтральную или слабокислую реакцию содержание ионного железа в них обычно не превышает первых единиц мг на литр. В окислительной геохимической обстановке железо быстро окисляется и гидролизуется с образованием труднорастворимого гидрооксида.
Железистые воды формируются независимо от стадии их взаимодействия с породами, так как высокий кларк железа обеспечивает высокие концентрации его в воде уже на самых ранних этапах такого взаимодействия. Дело в геохимической среде, которая определяет возможность накопления железа в растворе в той или иной форме или его связывания формирующейся вторичной фазой.
Изучаемый район принадлежит к провинции железосодержащих вод. Такие провинции характеризуются высоким уровнем фоновых концентраций железа. Главные
особенности химического состава околонейтральных подземных вод, определяющих формирование железосодержащих гидрогеохимических провинций: высокие концентрации органических веществ гумусового ряда, а при их отсутствии или малых концентрациях — низкие (100-200 мВ) положительные значения ЕЙ. Можно предположить, что продолжение эксплуатации месторождений не приведет к снижению концентраций железа в водах, а в некоторых случаях будет способствовать его увеличению.
Поведение марганца в подземных водах во многом тождественно поведению железа. Гидрохимия марганца определяется его химическими свойствами, к числу которых относятся: малая растворимость гидрооксидных форм и относительно высокая — гидрозакис-ных. Марганец, как и железо, принадлежит к числу элементов, окисленные формы которых гораздо менее растворимы, чем восстановленные. Окисление марганца и последующий гидролиз приводит к осаждению гидроксидных и оксидных соединений марганца. Другое свойство — малая растворимость карбонатов марганца и слабая способность к комплек-сообразованию. Рассмотренные свойства марганца означают, что в физико-химических условиях подземных вод, среди его форм резко преобладает простой катион Мп2+. При этом, чем меньше величина рН подземных вод, тем большие концентрации марганца они могут содержать. Среди подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения различают два основных геохимических типа: грунтовые воды с высоким содержанием органических веществ и бескислородно-бессульфатные воды, причем оба типа одновременно являются и марганецсодержащими и железосодержащими водами. Распределение провинций марганецсодержащих подземных вод во многом тождественно распространению провинций железосодержащих вод. Предельно-допустимые концентрации марганца в водах хозяйственно-питьевого назначения согласно СанПину составляют 0,1 мг/л. Это значение обычно превышено в месторождениях межморенного комплекса. Регионального тренда в распределении марганца не обнаружено. Намечается положительная корреляция с концентрацией железа.
Анализ полученных результатов показал, что на ряде месторождений выявлены превышения нормируемых показателей качества вод, используемых для водоснабжения. Для месторождений гдовского горизонта — это, прежде всего, железо. Превышение наблюдается почти в 70 % случаев. Спутником железа выступает марганец, распределение которого практически тождественно распределению железа. Повышенные концентрации марганца преобладают на месторождениях подземных вод межморенного водоносного комплекса.
Необходимо продолжить исследования месторождений подземных вод Карельского перешейка для подтверждения полученных результатов и организации режимных наблюдений.
Summary
Viventsova E. A. Hydrochemical special features of deposit groundwater composition in the Kurortnij district of St Petersburg.
The deposit groundwater in the Kurortnij district can be characterized by some hydrochemical special features. First of all there is contribution of Fe, Mn, Rn, etc. The composition of groundwater depends on different conditions: pH, Eh, organics, etc. Solving the problem of groundwater hydrochemical changes there is a need to continue the investigation of groundwater on the territory of St.Petersburg. It allows to improve the organization of the central water supply system.
Литература
1. Николаев А. С. Информационный отчет о состоянии подземных вод на территории Санкт-Петербурга. СПб., 2005.
2. Воронов А. Н., Вивенцова Е. А. Характеристика подземного стока в Финский залив // Водные Ресурсы. М., 2004. Том 31. № б. 3. Николаев А. С., Блохин В. С. Информационный отчет о состоянии подземных вод на территории Санкт-Петербурга. СПб., 2001. 4. Водоснабжение Санкт-Петербурга / Под ред. Ф.В.Кармазинова. СПб., 2003. 5. Гигиенические нормативы / Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. ГН 2.1.5.1315-03.
