CC BY
93
УДК 540.42:57.4(571.1)
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ И БОЛОТНЫХ ВОД ТАЁЖНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В ЕСТЕСТВЕННОМ И НАРУШЕННОМ СОСТОЯНИЯХ
О.Г. Савичев, О.А. Камнева Томский политехнический университет E-mail: osavichav@mail.ru, k_ok_al@mail.ru
Проведено обобщение данных по химическому составу подземных и болотных вод таёжной зоны Западной Сибири за период с 1960-х гг. по 2009 г. Показано, что наиболее важные, с точки зрения формирования химического состава вод заболоченных территорий, гидрогеохимические процессы протекают на окраинах болотных массивов. Установлено, что рекультивация болот приводит не к восстановлению исходного состояния водно-болотной системы, а к формированию новой. Выявлен зональный характер в изменении минерализации подземных вод, свидетельствующий о значительной роли
гидроклиматических факторов в формировании их химического состава. И болотные, и подземные воды в целом находятся в естественном состоянии и по природным причинам содержат в высоких концентрациях органические и биогенные вещества, содержание которых в подземных водах возрастает по мере усиления связи с болотными.
Ключевые слова:
подземные воды, болотные воды, химический состав, таежная зона, Западная Сибирь.
Key words:
underground water, swamp water, chemistry, taiga zone, Western Siberia.
Территория таёжной зоны Западной Сибири характеризуется высокой заболоченностью (более 30 % общей площади), являющейся мощным фактором формирования химического состава поверхностных и подземных вод данного региона [1]. Этот фактор во многом определяет специфику водно-экологической обстановки в регионе. В частности, с заболоченностью водосборов связывается повышенное содержание в природных водах целого ряда веществ, многократно превышающее допустимые нормативы качества, что обусловливает актуальность гидрогеохимических исследований механизмов взаимодействия болотных и подземных вод с учетом влияния хозяйственной деятельности на водно-болотные системы.
В данной работе изложены результаты одного из этапов подобных исследований, в рамках которого авторами было проведено обобщение материалов, полученных в разное время в ОАО «Томскгеомониторинг», Томском политехническом университете (ТПУ) и ряде других научных и производственных организаций. Целью работы является выявление тенденций распределения минерализации, величины рН, окисляемости и содержания азота аммонийного в подземных и болотных водах таёжной зоны Западной Сибири.
Методика исследований
Савичев Олег Геннадьевич, 1967 г.р., д.г.н., профессор
кафедры гидрогеологии,
инженерной геологии и гидрогеоэкологии ИГНД ТПУ. Р.т. 42-61-67.
E-mail: OSavichev@mail.ru
Область научных интересов: гидрология, гидрогеохимия, геоэкология.
Камнева Оксана
Александровна, аспирант кафедры гидрогеологии,
инженерной геологии и гидрогеоэкологии Томского политехнического университета, г. Томск, пр. Ленина, 2, строение 5. Р.т. (3822) 416256.
E-mail:k_ok_al@mail.ru
Область научных интересов: гидрогеология, гидрогеохимия, геоэкология.
Методика исследований включала в себя отбор проб болотных и подземных вод, обобщение полученных результатов и опубликованных данных. Схема расположения постов гидрохимических наблюдений представлена на рис. 1. Данные о составе подземных вод в значительной степени получены в результате обобщения материалов многолетних наблюдений (период с 1960-х гг. по 2009 г.) ОАО «Томскгеомониторинг», данные о болотных водах - по материалам исследований Томского политехнического университета (ТПУ) и ОАО «Томскгеомониторинг». Лабораторные работы по определению состава болотных вод выполнялись по аттестованным методикам в аккредитованных лабораториях ОАО «Томскгеомониторинг» и ТПУ.
Рис. 1. Схема расположения района исследований: 1 - границы участков гидрогеохимических наблюдений болотных вод; 2 - скважины гидрогеохимических наблюдений подземных вод
Описание используемых методов отбора проб и определения содержаний различных веществ, а также характеристика природных условий приведены в [2]. Полевые работы выполнены совместно с В.А. Базановым и А.А. Скугаревым; обобщение и анализ результатов исследований проводились при участии и поддержке Ю.В. Макушина, С.Л. Шварцева и В.А. Базанова.
Анализ полученных данных по химическому составу вод проведен с использованием методов математической статистики, включая расчет средних показателей за многолетний период и их погрешности определения. Среднее значение определяется в зависимости от числа лет наблюдений и рассчитывается как среднее арифметическое. Погрешность определения - через среднюю квадратическую погрешность или стандартное отклонение.
Общая характеристика подземных и болотных вод
Таёжная зона Западной Сибири характеризуется широким распространением олиготрофных выпуклых и мезотрофных болот. Высока доля и евтрофных болот. Так, на территории Томской области, занимающей значительную часть рассматриваемого региона, общая заболоченность составляет 37 % (от 316,9 тыс. км2), доля общей территории, занятой олиготрофными болотами - 17 %, мезотрофных -15,6 %, евтрофных - 4,4 %. Средняя мощность торфяной залежи превышает 2 м. Суммарные запасы воды в болотах только в Томской области составляют около 220 км3 [2].
Болотные воды региона в естественном состоянии характеризуются как слабокислые (олиготрофные и мезотрофные, реже евтрофные) или нейтральные (евтрофные), пресные с малой и средней минерализацией (до 200 и 200..500 мг/л соответственно). Минерализация вод олиготрофных и мезотрофных болот обычно заметно меньше, чем евтрофных (табл. 1). Болотные воды региона характеризуются высоким содержанием органических веществ, азота аммонийного и ряда других веществ (не рассматриваются в работе). В связи с этим нарушение установленных в России нормативов качества наблюдается для болотных вод повсеместно и постоянно (рис. 2), что делает невозможным их использование в хозяйственно-питьевых целях.
Рис. 2. Средний химический состав болотных вод таежной зоны Западной Сибири в естественном, загрязненном и рекультивированном состояниях в сравнении с нормативами качества вод хозяйственно -питьевого водоснабжения
Таблица 1. Химический состав болотных вод________________________________________________________
Тип болота Состояние Пока- затель* pH Еи, мг/л NH4+, мг/л ХПК, мгО2/л Количество проб
ПДКхоз-пит 6-9 1000 2,0 -
Олиготрофный Естественное A 4,38 196,8 1,159 322,13 28
SA 0,26 85,3 0,257 52,53
Мезотрофный Естественное A 5,05 506,2 0,939 307,88 9
SA 0,37 343,1 0,341 151,55
Евтрофный Естественное A 5,81 114,2 1,653 228,51 45
SA 0,24 39,5 0,301 50,59
Все типы Естественное A 5,16 230,1 1,326 277,29 82
SA 0,18 83,2 0,177 42,72
Олиготрофный Загрязненное A 6,33 - 0,865 500,97 10
SA 0,33 - 0,190 432,99
Мезотрофный Загрязненное A 5,73 83,0 1,775 141,85 8
SA 0,37 22,7 0,491 27,90
Евтрофный Загрязненное A 7,25 1134,2 15,68 494,43 8
SA 0,13 182,1 9,369 165,25
Олиготрофный Осушенное A 5,70 270,1 2,209 214,20 3
SA 1,40 219,8 1,291 37,40
Олиготрофный Г арь на осушенном болоте A 5,27 284,9 1,553 338,60 3
SA 0,81 229,3 0,490 62,01
Олиготрофный Рекультивированный участок A 5,73 476,4 0,867 99,45 3
SA 1,98 415,3 0,051 36,25
Примечание - A - средний арифметический показатель; SA - погрешность определения.
Учитывая, что в пределах заболоченных участков рассматриваемой территории достаточно интенсивно добывается нефть и газ, целесообразно рассмотреть, какие изменения в состоянии болотных вод произошли в результате хозяйственной деятельности. С этой целью был выполнен анализ данных государственного и локального мониторинга, который показал, что при осушении или рекультивации загрязненных участков олиготрофных болот происходит трансформация химического состава болотных вод по типу, характерному не для олиготрофных, а для евтрофных болот (табл. 1). Кроме того, было установлено, что при сбросе сточных вод в болота или аварийных разливах нефти и минерализованных вод, используемых для поддержания пластового давления, изменения в химическом составе болотных вод обычно наблюдаются в пределах 100..300 м от источника загрязнения (табл. 2). Наиболее существенные отклонения содержаний от обычных для конкретного типа болот значений часто прослеживаются на локальных участках до нескольких десятков метров [3].
Таблица 2. Средний химический состав болотных вод в районе с. Мельниково
Показатель Данные за 1967 г. [5] В 25-300 м от выпуска стоков ЖКХ с. Мельниково [3]
рн 7,2 7,6
Еи, мг/л 515,0 1061,2
МН4+, мг/л 0,3 25,91
ХПК, мгО2/л - 420,14
Количество проб 8 2-5
В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что влияние антропогенных факторов на гидрохимические показатели болотных вод на большей части таёжной зоны Западной Сибири в значительной степени зависит от интенсивности водообмена в болотных биогеоценозах - чем она больше, тем больше зона загрязнения [2, 4].
В пределах таежной зоны Западной Сибири основной гидрогеологической структурой первого порядка является Западно-Сибирский артезианский бассейн, являющийся одним из наиболее крупных аккумуляторов подземных вод нашей планеты. В разрезе мезозойско-кайнозойских отложений бассейна выделяются два гидрогеологических этажа с резко различными условиями формирования подземных вод. Этажи разделены мощным региональным водоупором верхнемелового-палеогенового возраста [6, 7]. В рамках работы рассматривалась только верхняя часть разреза в пределах развития водовмещающих отложений неоген-четвертичного и палеогенового возраста. Отложения представлены песками, глинами, алевритами, песчано-гравийно-галечниковыми отложениями; в гидродинамическом отношении являются единой водонасыщенной системой с тесной гидравлической взаимосвязью.
Водоносный комплекс неоген-четвертичных отложений является первым от поверхности, его подземные воды тесно взаимосвязаны и циркулируют в зоне свободного водообмена, что делает их легкодоступными для процессов загрязнения. Естественные условия формирования грунтовых вод определяются в основном гидроклиматическими факторами. Для данных водоносных отложений наблюдается хорошо выраженное увеличение минерализации незагрязненных подземных вод с северо-востока на юго-запад (табл. 3). В нарушенном состоянии наблюдаются несколько повышенные минерализации подземных вод, но в целом зональность сохраняется.
По классификации О.А. Алекина грунтовые воды обычно пресные со средней и, реже, повышенной минерализацией, гидрокарбонатные кальциевые или гидрокарбонатные кальциевомагниевые, нейтральные [6, 7, 8].
Грунтовые воды непосредственно связаны с болотными, что определяет высокий уровень содержания органических веществ по окисляемости, отмеченный как для естественного, так и нарушенного состояния подземных вод. Повышенное содержание органических веществ приводит к формированию высоких концентраций азота аммонийного, образующегося при их частичном разложении в водной среде [9].
Средний уровень перманганатной окисляемости в таёжной части бассейна Средней Оби составляет 5,09 мгС/л (табл. 3).
Таблица 3. Химический состав подземных вод неоген-четвертичных и палеогеновых отложений
Населенный пункт Г оризонт Состояние Пока- затель рН мг/л №,+, мг/л ПО, мгС/л Количество проб
ПДКхоз-пит 6-9 1000 2,0 5,0
Воды неоген-четвертичных отложений
Александровское Отп естественное А 7,18 358,75 2,21 4,65 57
а 0,13 11,93 0,28 0,21
Бакчар Оп* естественное А 7,19 340,86 0,90 3,27 63
а 0,13 26,50 0,21 0,22
Белый Яр Ош+Оп* естественное А 6,85 181,67 1,03 5,54 72
а 0,12 4,87 0,12 0,33
Усть-Озерное От* естественное А 6,88 92,73 0,56 3,04 56
а 0,11 6,54 0,08 0,21
Каргасок °Ш+Рз естественное А 7,09 276,09 1,46 4,05 64
а 0,12 18,64 0,31 0,33
Продолжение таблицы на следующей странице
Колпашево О:у естественное А 7,18 307,77 1,12 3,31 76
а 0,10 13,96 0,16 0,30
Тегульдет Оту естественное А 7,36 425,24 2,68 8,96 64
а 0,13 7,79 0,28 0,69
Тегульдет Отії естественное А 7,27 500,28 2,83 9,36 60
а 0,10 13,50 0,32 0,70
Вне нас. пункта (у Кафтанчиково) Отії естественное А 6,86 562,35 1,52 3,61 67
а 0,33 25,22 0,66 0,56
Беляй Отії нарушенное А 7,22 678,01 0,50 0,10 10
а 0,06 243 0,40 0,05
Воды палеогеновых отложений
Александровское Р3пт естественное А 7,40 258,94 4,28 4,02 57
а 0,15 21,37 0,66 0,57
Белый Яр ЗД естественное А 7,10 193,04 1,51 6,20 73
а 0,11 10,55 0,20 0,33
Каргасок Р3пт естественное А 7,10 347,60 2,14 5,26 75
а 0,10 26,07 0,34 0,36
Каргасок естественное А 7,11 504,76 3,55 5,73 62
а 0,13 19,53 0,74 0,43
Каргасок Р^ естественное А 7,19 457,85 4,09 6,22 60
а 0,13 25,54 0,66 0,59
Пудино Р3пт естественное А 7,42 305,98 1,60 5,16 60
а 0,12 25,11 0,28 0,50
Малиновка Р3пт естественное А 7,06 455,33 0,59 2,67 78
а 0,10 21,95 0,14 0,22
Томск Р)г нарушенное А 6,69 543,88 0,34 1,83 38
а 0,05 28,73 0,05 0,13
Колпашево Р3пт+Рг]г нарушенное А 7,12 334,74 1,58 5,52 10
а 0,25 26,70 0,21 0,00
Тогур Р)Г нарушенное А 7,52 317,69 1,40 3,62 10
а 0,13 28,05 0,22 0,52
Моряковский Затон Р)г нарушенное А 6,93 659,31 0,61 1,41 10
а 0,53 53,65 0,51 0,51
Естественные условия формирования напорных вод палеогеновых отложений определяются в основном степенью изолированности их от поверхности земли, обусловленной глубиной залегания и наличием водоупоров в перекрывающей толще.
Как и в случае грунтовых вод, для незагрязненных подземных вод неогеновых и палеогеновых отложений характерно увеличение минерализации с северо-востока на юго-запад, а также в вертикальном разрезе по мере увеличения возраста водоносных отложений [8]. В нарушенном состоянии эти закономерности также сохраняются.
Подземные воды данных отложений в естественных условиях обычно пресные со средней и повышенной минерализацией, гидрокарбонатные кальциевые или гидрокарбонатные кальциевомагниевые, нейтральные, а в районах размещения населённых пунктов и крупных предприятий -пресные с повышенной минерализацией и солоноватые с разнообразным катионным и анионным составом.
Для рассматриваемых отложений характерна меньшая взаимосвязь с болотными водами, что определяет и меньшие значения окисляемости и иона аммония (по сравнению с грунтовыми водами). Ввиду тесной взаимосвязи и свободного водообмена внутри всего водоносного комплекса, уровень содержания органических веществ остается достаточно высоким и составляет в среднем 4,89 мгС/л (табл. 3).
Качество подземных вод, также как и болотных, не соответствует установленным в РФ нормативам (рис. 3). Нарушение качества отмечается по содержанию ионов аммония и по перманганатной окисляемости. Без специальной водоподготовки использование подземных вод таежной зоны для хозяйственно-питьевых целей невозможно.
Рис. 3. Средний химический состав подземных вод неоген-четвертичных (Ы-р) и палеогеновых отложений (Р) таежной зоны Западной Сибири в естественном (1) и нарушенном (2) состояниях в сравнении с нормативами качества вод хозяйственно-питьевого водоснабжения
Таким образом, подземные воды зоны свободного водообмена региона имеют выраженный зональный характер изменения минерализации и в естественном, и в нарушенном состояниях. Для данных вод характерны высокие содержания органических веществ (как следствие, азота аммонийного), что объясняется преимущественно природными факторами, в частности, заболоченностью областей питания и тесной связью с болотными водами.
Обобщение данных о химическом составе болотных и подземных вод в таёжной зоне Западной Сибири показало, что в естественных условиях суммарное содержание растворённых солей на территориях распространения олиготрофных болот убывает в ряду «подземные воды - речные воды -болотные воды», а на территориях распространения евтрофных болот - «подземные воды - болотные воды - речные воды» (рис. 4, табл. 4).
Рис. 4. Соотношение суммарного содержания растворённых солей в подземных, болотных и речных водах на территориях распространения евтрофных и олиготрофных болот
При этом следует отметить, что на границе болотных и лесных ландшафтов происходит интенсивное насыщение поверхностных вод различными неорганическими и органическими веществами, что объясняется (в случае олиготрофных болот), во-первых, контактом кислых болотных вод, содержащих большое количество фульвокислот, с минеральным грунтом и последующим образованием водорастворимых и коллоидных комплексов. Во-вторых, на окраинах болот (и олиготрофных, и евтрофных) скапливаются значительные количества воды и формируются направленные потоки, с которыми и выносятся образовавшиеся соединения. В-третьих, при движении потоков воды происходит размыв почвогрунтов и формирование стока взвешенных и влекомых наносов, сопровождающееся увеличением площади контакта воды и частиц породы, сорбцией на поверхности последних некоторых растворенных и коллоидных веществ и т.д. [2].
Таблица 4. Средний химический состав природных вод Васюганского болота и прилегающих территорий
Показатель Подземные воды палеогеновых отложений с. Чажемто Участки Васюганского болота р. Бакчар п. Горе-ловка р. Чая с. Подгорное
евтроф- ный мезо- трофный олиго- трофный
рн 6,93 6,00 5,34 4,70 7,20 7,33
Еи, мг/л 610,5 439,2 139,9 75,7 333,8 411,0
NH4+, мг/л 1,79 2,02 1,10 1,51 2,28 0,86
ХПК, мгО2/л - 182,6 160,2 296,6 50,6 43,4
Количество проб 3 3 7 11 34 22
Выводы
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, наиболее важные, с точки зрения формирования химического состава вод заболоченных территорий, гидрогеохимические процессы протекают на окраинах болотных массивов. Во-вторых, осушение и рекультивация загрязненных участков верховых болот приводят к трансформации химического состава их вод по типу, характерному для низинных болот. В-третьих, в изученных природных водах практически повсеместно, независимо от степени и характера антропогенного воздействия, в повышенных концентрациях присутствуют органические вещества (по величине окисляемости) и ион аммония NH4+. В-четвертых, значительное химическое загрязнение болотных вод в регионе пока ограничено локальными участками.
В пределах таёжной зоны Западной Сибири сосредоточены значительные ресурсы пресных подземных вод. Рассмотренные подземные воды неоген-четвертичных и палеогеновых отложений имеют хорошо выраженный зональный характер в изменении минерализации, наблюдаемый как в естественном, так и в нарушенном состояниях. Такая зональность свидетельствует о значительной роли в формировании химического состава подземных вод гидроклиматических условий.
Для подземных вод таежной зоны характерны высокие содержания органических веществ и азота аммонийного, наблюдаемые и для грунтовых вод неоген-четвертичных отложений, и для напорных вод палеогеновых отложений. Такие концентрации обусловлены преимущественно природными условиями формирования подземных вод, в частности, заболоченностью территории и областей питания и тесной связью с болотными водами.
В большинстве случаев рассматриваемые подземные воды не соответствуют установленным нормативам качества по величине перманганатной окисляемости и по содержанию азота аммонийного. С учётом этого на большей части региона использование подземных вод без специальной водоподготовки невозможно. В целом же, подземные воды в сравнении с поверхностными в таежной зоне отличаются более высоким качеством. Приоритетное использование пресных подземных вод - хозяйственно-питьевое водоснабжение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болота Западной Сибири. Их строение и гидрологический режим. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 447 с.
2. Савичев О.Г. Водные ресурсы Томской области. - Томск: Изд-во Томского политехи. ун-та, 2010. - 248 с.
3. Льготин В.А., Савичев О.Г. Оценка допустимых сбросов загрязняющих веществ в болота Томской области // Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - №5. - С. 33-38.
4. Савичев О.Г. Химический состав болотных вод на территории Томской области (Западная Сибирь) и их взаимодействие с минеральными и органоминеральными соединениями // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 1. - C. 72-77.
5. Рассказов Н.М., Удодов П.А., Назаров А.Д., Емельянова Т.Я. Болотные воды Томской области // Известия Томского политехнического института, 1975, Т.297, С. 102-117.
6. Ресурсы пресных и маломинерализованных подземных вод южной части Западно-Сибирского артезианского бассейна / под ред. Е.В. Пиннекера, И.П. Васильева, Н.А. Ермашовой и др. - М.: Недра, 1991. - 262 с.
7. Состояние геологической среды (недр) территории Сибирского федерального округа в 2008 г.: Информационный бюллетень / под ред. В.А. Льготина. - Вып. 5. - Томск: ОАО “Томскгеомониторинг”, 2009 г. - 166 с.
8. Ермашова Н.А. Геохимия подземных вод зоны активного водообмена Томской области в связи с решением вопросов водоснабжения и охраны. Автореф. на соиск. учен. степ. к.г.-м.н. - Томск: Томск. политехн. ун-т, 1998. - 44 с.
9. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза / С.Л. Шварцев. - 2-е изд. - М.: Недра, 1998. - 366 с.
