Перспективы использования бат-келловейского водоносного комплекса юрских отложений для водоснабжения населения

Плешкова О.Н., Смирнова А.Я.

Рассматриваются перспективы использования бат-келловейского водоносного комплекса в Белгородской области.

Оценивается его экологическое состояние.

Антропогенное воздействие на окружающую среду в последнее десятилетие привело к загрязнению атмосферы, гидросферы и литосферы.

Воздушный бассейн, поверхностные и подземные воды, почвы, горные породы крупных промышленных центров и малых городов содержат токсичные для человека вещества (Pb, Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Cd и др.), концентрация которых нередко превышает допустимых значений для сферы обитания человека [5].

В Белгородской области для промышленного, коммунально-хозяйственного и питьевого водоснабжения населения используются подземные воды преимущественно современного, четвертичного и альб-сеноманского водоносных горизонтов. По данным Центрального регионального геологического центра (ЦРГЦ) Министерства природных ресурсов РФ водопотребление подземных вод в Белгородской области по состоянию на 1996 г. составило 883,6 тыс. м3/сут. [1]. Однако существует некоторый дефицит в водоснабжении населения водой питьевого качества.

В последние годы исследования по оценке экологического состояния водоносных горизонтов показали, что они активно загрязняются нитратами, железом; повышена сверх нормативов общая жесткость [5]. Учитывая неблагополучное для здоровья населения качество вод современных, четвертичных отложений, понижение уровня вод альб-сеноманского горизонта из-за интенсивной его эксплуатации перед гидрогеологами ставится вопрос о новом дополнительном источнике водоснабжения населения.

В целях рационального использования подземных вод большое значение имеет разведка и введение в эксплуатацию новых водоисточников, которые обеспечивали бы потребность населения и промышленности в водных ресурсах.

Таким водоисточником на наш взгляд может служить залегающий ниже по гидрогеологическому разрезу бат-келловейский водоносный горизонт.

В гидрогеологическом отношении Белгородская область с площадью около 27,1 тыс. км2 расположена в северо-восточной части Днепровско-Донецкого артезианского бассейна.

Климат области в целом умеренноконтинентальный с теплым летом и прохладной зимой. Среднегодовая температура воздуха достигает 6,3 – 6,9°С. Среднемноголетнее количество атмосферных осадков составляет 450 – 590 мм/год. На территории области протекают реки бассейна Дона и Днепра. Всего в Белгородской области насчитывается 466 водотоков с суммарной длиной 3807 км. К крупным рекам относятся рр. Оскол, Северский Донец, Тихая Сосна и Ворскла. Остальные - так называемые малые реки: Нежеголь, Айдар, Котел. Это мелководные извилистые реки, с медленным спокойным течением.

Белгородская область очень слабо обеспечена водными ресурсами, поэтому большое значение имеет строительство прудов и водохранилищ. Для водоснабжения г. Белгорода используются подземные воды. Чтобы исключить использование подземных вод для технических целей на реке Северский Донец построено Белгородское водохранилище. Для водоснабжения Старооскольского металлургического комбината на реке Оскол было сооружено Старооскольское водохранилище.

Подземные воды являются основным источником питьевого водоснабжения населения. Утвержденные ГКЗ и ТКЗ эксплуатационные запасы подземных вод составляют 1235 тыс. м3/сут. Используется 38% [1].

Перспективный бат-келловийский водоносный комплекс распространен повсеместно. Выходы его на земную поверхность наблюдаются в северозападных склонах ВКМ. Здесь они прикрыты маломощными слоями четвертичных пород. Водоносный комплекс постепенно погружается в направлении к оси Днепровско-Донецкого артезианского бассейна. В северо-восточной части области глубина залегания кровли составляет 0 – 8м, а затем она увеличивается в районе г.Валуйки до 248м, а к району г.Белгорода до 454км. Горизонт содержит напорные воды.

Взаимосвязь водоносных горизонтов и водоупоров указана в таблице 1. Большая роль при рекомендациях в целях водоснабжения водоносного комплекса принадлежит результатам исследования не только по водообилию горизонта, но и качеству подземных вод, оценке экологического состояния водоносного комплекса.

Химический состав воды, как известно, формируется за счет инфильтрации, питающих водоносный комплекс атмосферных осадков, горных пород и техногенных воздействий.

На формирование химического состава вод бат-келловейского горизонта оказывают воздействие источники, вещества, природные и техногенные факторы, комплекс физико-химических процессов. В качестве физико-химической модели формироваТаблица 1

Сводный гидрогеологический разрез мезо-кайнозойских отложений Белгородской области

Таблица 2

Источники поступления элементов в подземные воды

ния компонентного состава подземных вод для изучаемых водоносных комплексов рассматриваются: вещества атмосферных осадков; водовмещающие породы; газы; подземные воды глубинных водоносных комплексов, антропогенные вещества.

Вещества атмосферных осадков внутриконтинентальных платформенных регионов преимущественно с гумидным климатом, удаленных от морских акваторий, не являются источником компонентного состава подземных вод [2,5]. Атмосферные осадки характеризуются минерализацией менее 100мг/дм3, что часто в десятки и более раз ниже минерализации подземных вод с гидрокарбонатным кальциево-магниевым составом.

В качестве главного и повсеместного источника формирования компонентного состава рассматриваются горные породы зоны аэрации и зоны насыщения. Они поставляют в воду преобладающее количество анионов и катионов. Однако разные по литологическому составу породы неоднозначны по набору и характеру анионов и катионов, поступающих в воду.

В таблице 2 приведена общая систематизация пород Белгородской области в качестве источников компонентов подземных вод.

Таким образом, на формирование химического состава подземных вод будут влиять литологические особенности водовмещающих толщ верхнего и нижнего структурно-гидрогеологических этажей, выделяемых в гидрогеологическои разрезе Белгородской области. Породы, слагающие эти этажи, преимущественно являются терригенно-карбонатными. Из терригенных песчано-глинистых и карбонатных пород в подземную воду поступают такие компоненты как HCO3 -, Сa2+, SO4 2-, Mg2+, Cl- и Na+.

Из терригенных пород, в которых преобладают песчаные разности помимо HCO3 - в воду поступают SO4 2-,Ca2+,Mg2+. Из терригенных песчано-глинистых пород, где преобладают последние, обогащенные ионно-солевым и обменным комплексами, подземные воды получают Cl- и Na+. Из карбонатных пород в воду поступают компоненты, главными из которых являются Ca2+, HCO3 - и Mg2+.

Кислород и углекислый газ наиболее активно участвуют в формировании компонентов подземных вод. Первый - атмосферного происхождения; второй - атмосферного и биогенного. Количество атмосферного углекислого газа в подземных водах невелико, соответствует парциальному давлению в атмосфере (PCO2) около 10-3,5атм. Парциальное давление углекислого газа, образующегося биохимическим путем в почвах, составляет в почвенных водах 10-1,0-100,5атм. В подземных водах оно возрастает до величин PCO2=10-1,5-10-2,0атм. При участии кислорода в водах формируется SO4 2-, углекислого газа - HCO3 - . Общим условием для обоих газов является окислительная обстановка, свойственная зоне активного водообмена, где в равной мере потенциально активны и кислород, и углекислый газ. Однако реальное участие каждого газа определяется литологогеохимическими особенностями пород. Кислород необходим при формировании состава вод, взаимодействующих с породами, обогащенными сульфидными минералами. Углекислый газ присутствует при взаимодействии вод со всеми разностями терригенных и карбонатных пород, кроме гипса и ангидрита. Для выявления закономерности формирования химического состава подземных вод бат-келловейского водоносного комплекса по имеющимся фактическим данным была проведена статистическая обработка результатов анализа проб воды (табл.3).

Как видно рассматриваемый водоносный комплекс в пределах района работ повсеместно характеризуется развитием пресных подземных вод с общей минерализацией от 0,3 до 0,8г/л.

Минерализация воды связана в основном с HCO3-ионом, так как его количество в воде достигает 64-74%. Большая роль принадлежит и кальцию, содержание которого достигает 66-85%. Преобладание вод гидрокарбонатного кальциевого состава с минерализацией 0,4-0,5г/л наблюдается в области питания комплекса, совпадающей с центральными частями водоразделов северо-западной части ВКМ.

Источником HCO3 - и Ca2+ здесь, вероятно, являются песчаные алюмосиликатные породы с карбонатным цементом. Содержание HCO3 -иона изменяется от 231,8 до 488,0 мг/дм3, а Ca2+ от 94,8 до 137,0 мг/дм3.

Возрастание в водах хлоридов и натрия отмечается на участках, где вблизи расположены погребенные долины, врезанные в девон или карбон, или, где в результате подъема кровли кристаллического фундамента возможна взаимосвязь бат-келловейского водоносного комплекса с водами докембрия.

Таблица 3

Таблица химического состава вод бат-келловейского водоносного комплекса территории Белгородской области

Таблица 4

Характеристика гостируемых компонентов в воде бат-келловейского водоносного комплекса

Содержание хлоридов изменяется от 70,29 до

237,0 мг/дм3, а содержание (Na++K+) колеблется в пределах 69,0-206,67 мг/дм3.

В целом по химическому составу воды бат-келловейского водоносного комплекса гидрокарбонатные кальциевые и гидрокарбонатные натриевые. Отдельными скважинами района Чернянского месторождения вскрыты гидрокарбонатно-сульфатные натриевые воды. Содержание сульфатов в воде бат-келловейского комплекса очевидно связано с разложением пирита, скопления которого отмечают в песчано-глинистых отложениях юрского возраста [3]. Отличительной особенностью является то, что химический состав вод бат-келловейского комплекса не остается постоянным. Так, в районе Яковлевского месторождения в 1958 г. одна из скважин вскрыла воду гидрокарбонатно-сульфатного натриево-кальциевого типа с минерализацией 0,4 г/дм3, (Na + K)63Ca24 M HCO368SO423 0,4 . Химический анализ пробы воды, отобранной из этой же скважины в 1961 г., указал на трансформацию состава, связанную с появлением хлоридов (Na + K)94 M HCO354Cl33 0,3 , то есть вода стала гидрокарбонатно-хлоридной натриевой с минерализацией 0,3 г/дм3. Подобное изменение состава в процессе эксплуатации наблюдалось и по другим скважинам. Вероятно, изменение состава и минерализации воды объясняется воздействием техногенного фактора. Длительная эксплуатация обеспечила, по-видимому, подток вод из смежных горизонтов во многих скважинах исследуемой территории. По мере погружения водоносного комплекса отмечается переход гидрокарбонатных кальциевых вод в гидрокарбонатные натриевые с повышенным содержанием сульфатов, что связано с изменением условий водообмена и, следовательно, метаморфизацией вод, характерной для зоны затрудненного водообмена. Исследования мезо- и микрокомпонентного состава вод показали, что железо в водах обычно отсутствует, но в отдельных скважинах его содержание может достигать 2,4 мг/дм3. В некоторых скважинах отмечается повышенное содержание аммония (NH4 +) до 2,0-3,0 мг/дм3. Нитраты присутствуют в количествах от 0,02 - 0,5 мг/дм3 до 1,6 мг/дм3. Общая жесткость колеблется от 4,01 до 10,64 ммоль/дм3. В составе пород водовмещающей толщи спектральным анализом выявлено наличие титана, вольфрама, хрома, никеля, кобальта, свинца, стронция, бария, марганца с наибольшим их содержанием в глинах. Наличие этих микрокомпонентов, видимо, в значительной мере определяет их фоновые содержания в воде комплекса. Из микробиологических показателей при проведении санитарного анализа определялся коли-титр. Полученные данные вполне удовлетворительные. Коли-титр менее или равен 3, что соответствует достаточно чистой воде. По принятому стандарту, бактериологически безвредной считается вода, имеющая коли-титр не более 3 для городов России [4]. Для экологической оценки воды в целях водоснабжения населения, имеющиеся данные по химическому составу подземных вод бат-келловейского водоносного комплекса сравнивались с требованиями ГОСТа 2874-82 “Вода питьевая” (табл. 4). Избыток концентрации какого-либо компонента воды, сверх нормируемого, указывает на загрязнение вод питьевого назначения.

Как видно из таблицы, по некоторым компонентам наблюдаются отклонения в концентрациях от требований ГОСТа “Вода питьевая”, поэтому перед употреблением воду необходимо будет подвергать обезжелезиванию. Содержание иона NH4 + по ГОСТу “Вода питьевая” не должно превышать следов а, в водах бат-келловейского комплекса оно иногда достигает 3,0мг/дм3. Непостоянной для вод комплекса является и жесткость. Она колеблется в широких пределах от 4,01 до 10,64ммоль/дм3, в то время как по ГОСТу “Вода питьевая” жесткость должна быть равна 7,0ммоль/дм3. Поэтому перед употреблением воду в отдельных местах необходимо будет подвергать специфическим обработкам.

В целом же, подземные воды бат-келловейского водоносного комплекса в перспективе являются прекрасным источником для водоснабжения Белгородской области. Качество воды хорошее, режим в основном зависит от климатических факторов.

1. Лазаренко В.Н., Григорьева З.И. Современное состояние хозяйственно-питьевого водоснабжения населения Центрального и Центрально-Черноземного районов // Геол. вестн. Центральных районов России. -1998. -№2-3. -С. 18-21.

2. Смирнова А.Я. Экология и охрана поверхностных и подземных вод от антропогенного воздействия в районе ЦЧО: Дисс. в виде научн. докл. ... докт. географ. наук.- М, 1997. -87 с.

3. Питьева К.Е. Гидрогеоэкологические исследования в районах нефтяных и газовых месторождений. -М., 1999. -С.78-79.

4. Справочник гидрогеолога. -М., 1962. -С.153-178. 5. Формирование пресных подземных вод Волго-Камского артезианского бассейна / Ред. К.Е.Питьева. -М, 1986. -С.28-34.

6. Доклад о состоянии окружающей природной среды Белгородской области в 1995 г. / Ред. Е.Г.Глазунов. -Белгород, 1996. -С.10