ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГРУНТОВ НА ШИРИНУ ВОДООХРАННЫХ ЗОН

Лисицын П.В.

ORCID: 0000-0002-4595-3804, Аспирант кафедры «Инженерная геодезия», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет»

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГРУНТОВ НА ШИРИНУ ВОДООХРАННЫХ ЗОН

 Аннотация

В статье описаны вопросы, связанные с определением водоохранных зон озер на примере Северо-Западного Федерального округа с учетом проницаемости грунтов прибрежных территорий. На сегодняшний день, согласно статье 65 Водного Кодекса Российской Федерации - основным показателем, влияющим на ширину водоохраной зоны является площадь зеркала водоема, что не является достаточным, так как каждое озеро индивидуально по-своему и проблема его экологического состояния складывается и из других показателей. На основе программного комплекса ModFlow построена модель движения и проницаемости загрязняющих веществ до озера, а также рассчитаны периоды достижения этих флюидов водного объекта. 

Ключевые слова: водоохранная зона, озера северо-запада, экологическое состояние озер, определение ширины водоохранных зон, размер водоохранной зоны, прибрежные грунты, проницаемость грунтов.

Lisitsyn P.V.

ORCID: 0000-0002-4595-3804, Postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University

EVALUATION OF THE EFFECT OF PERMEABILITY OF SOILS THE WIDTH OF WATER PROTECTION ZONES

 Abstract

The article describes issues related to the determination of water protection zones of lakes in the North-West Federal district taking into account the permeability of the soil of coastal areas. To date, according to article 65 of the Water Code of the Russian Federation - the main factor determining the width of the water protection area is the surface area of the reservoir that is not sufficient, as each lake individually in its own problem and its environmental condition and the sum of other indicators. On the basis of the software package ModFlow the model of movement and permeability of pollutants to the lake, and calculated the periods of these fluids reach a water body.

Keywords: water protection area, lakes of the North-West, the ecological status of lakes determines the width of water protection zones, the size of water protection zones, riparian soils, permeability of soils.

На сегодняшний день достаточно остро стоит проблема загрязнения озер и других водных объектов. В связи с научно-технической революцией воздействие человека на водный фонд становится все более опасной. Многие водные объекты уже не в состоянии самоочищаться. Если так будет продолжаться и дальше, то в скором времени произойдет существенное уменьшение рекреационных зон и все ощутимее будет нехватка пресной воды [3].

Наиболее крупными загрязнителями водных объектов в Северо-Западном федеральном округе в настоящее время являются предприятия, связанные с химической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленностью.

В Ленинградской области достаточно сильно на экологическое состояние водных объектов оказывают влияние предприятия и заводы химической промышленности, которые занимаются производством лабораторных реактивов, фармацевтических препаратов, пластмассы, синтетических смол и других.

Все предприятия, находящиеся вблизи водных объектов, так или иначе, их загрязняют. И даже в очищенных стоках производств преобладают примеси, которые возможно очистить лишь при десятикратном разбавлении их чистой водой.

Водоохранные зоны, в свою очередь, должны являться естественной преградой, предотвращающей поступление загрязняющих веществ в водные объекты путем поверхностного и подземного стоков, но тем не менее, во всех районах и в том числе в Северо-Западном федеральном округе они подвергаются антропогенному воздействию. На прибрежных полосах ведется распашка земель, строительство ферм, складов горюче-смазочных материалов, не соблюдаются правила внесения удобрений различного химического состава и других ядовитых химикатов.

На территории Северо-Западного федерального округа преобладает огромное количество озер, различных по происхождению, типу водообмена и по типу берега [5] и каждое озеро по-своему склонно реагировать на поступающие загрязняющие вещества из вне. В основном, на рассматриваемой территории преобладают берега, представленные каменистыми (скалистыми) породами нежели берега с песчаным или песчано-илистым основанием. Тем самым, можно утверждать, что движение грунтовых вод в песках и водопроницаемых глинистых грунтах является ламинарным, а в крупнозернистых грунтах (например, в гравии, гальке) – турбулентным. Следовательно, коэффициент фильтрации для каждого типа грунта различен [4].

В ходе исследования была спроектирована цифровая модель движения и проницаемости загрязняющих веществ до озера, в зависимости от концентрации самого вещества, а также мощности грунта. В качестве программного обеспечения была использована модель ModFlow [6], которая предполагает решение уравнения в частных производных проницаемости загрязнителя сквозь грунт. Полученные данные могут являться действующей моделью проницаемости грунтов.

Модель имеет следующие гидрогеологическое описание и обобщения (рис.1):

Рис. 1 - Поперечный разрез моделируемой области в программном комплексе ModFlow

 

1. Грунтовый водоносный горизонт является однослойным (в нашем случае использовались пески, супеси и суглинки мощностью 10 метров);
2. Водоупором служат мощные толщи глины, которые признаны водонепроницаемыми;
3. Сверху водоносный горизонт повсеместно перекрыт водопроницаемой зоной аэрации.

Используемая нами компьютерная модель ModFlow основана на решении алгоритма уравнения в частных производных просачиваемости загрязняющих веществ к озеру, под влиянием комплекса природных и геологических факторов. Такого типа алгоритмы используют метод конечных разностей решения дифференциальных уравнений для отдельных малых участков. Для этого необходимо дискретизировать исследуемую территорию на небольшие прямоугольные участки. Это достигается путем покрытия территории равномерной сетью (grid). Центр каждой ячейки используется для численного решения алгоритма модели ModFlow, и обобщение данных соответствует методу “скользящего окна”.

В зависимости от целей настоящего исследования и степени гидрогеологической изученности, территория исследуемых участков и сопредельных площадей были покрыты сетью 40 x 40 ячеек, размеры которых 25 x 25 м.

• Граничные условия (или границы области фильтрации) для модели представлены следующими математическими условиями:
• Граничные условия первого ряда – известен напор (уровень) грунтовых вод;
• Граничные условия второго ряда – граница водопроницаема или на ней известен расход водного потока;
• Граничные условия третьего ряда (смешанные) – расход водного потока на заданной границе рассчитывается в зависимости от напора (уровня) воды и фильтрационных параметров.

В модели ModFlow граничные условия для грунтового водоносного горизонта были заданы при помощи процедуры IBOUND. Моделирование уровней грунтовых вод было осуществлено в двух вариантах: в природных (steady state) и техногенных (transient condition) условиях. Полученная модель позволяет осуществить ряд практических гидрогеологических работ. Среди них, особое значение имеет автоматическое построение геолого-гидрогеологических разрезов и карт направления движения потоков грунтовых вод и обнаружение участков подтопления в пределах заданной территории.

В соответствии с современной экологической ситуацией [3], были выявлены следующие загрязняющие вещества, встречающиеся в Северо-Западном федеральном округе: цинк, кадмий, свинец, полициклические углеводороды, которые, в свою очередь, имеют различную концентрацию. В результате, в программном комплексе ModFlow были рассчитаны периоды проницаемости загрязняющих веществ в зависимости от концентрации в загрязненной области и типа грунта, преобладающего в исследуемой территории [2] (таблицы 1, 2). Коэффициенты фильтрации для каждого типа грунта были взяты, согласно данным исследований Н.Н. Маслова [4]. Максимальное время моделирования с момента появления загрязняющего вещества 10000 суток, следовательно, при получении большего результата считалось, что загрязнение не достигло озера.

 

Таблица 1 – Период переноса цинкосодержащего флюида

Расстояние от участка загрязнения до озера, м	Период, сутки
	Пески (Кф=1 м/сут)	Супеси (Кф=0,1 м/сут)	Суглинки (Кф=0,01 м/сут)
50	15	280	3014
100	135	2093	Не достигло озера
300	1553	Не достигло озера	Не достигло озера
500	4842	Не достигло озера	Не достигло озера

 

Исходная концентрация цинка в загрязнённой области была принята 500 мг/л и в соответствии с ПДК, при достижении концентрации 1 мг/л – был взят отсчет.

Согласно таблице 1, видно, что при типе грунта супеси – загрязняющее вещество не достигает водного объекта уже на расстоянии 300 метров, а если грунт представлен суглинками, то уже и на расстоянии 100 метров.

Таблица 2 – Период переноса флюида, содержащего кадмий

Расстояние от участка загрязнения до озера, м	Период, сутки
	Пески (Кф=1 м/сут)	Супеси (Кф=0,1 м/сут)	Суглинки (Кф=0,01 м/сут
50	2	31	338
100	37	584	6250
300	801	Не достигло озера	Не достигло озера
500	2812	Не достигло озера	Не достигло озера

 

Исходная концентрация кадмия в загрязнённой области была принята 40 мг/л и в соответствии с ПДК, при достижении концентрации 0,01 мг/л – был взят отсчет.

Представленные результаты исследований позволяют провести совершенствование методики определения ширины водоохранной зоны с учетом проницаемости грунтов прибрежных территорий.

Литература

1. Водный кодекс Российской Федерации: Федеральный закон от 03.06.2006 № 74-ФЗ. – М.: Государственная дума Российской федерации, 2006 (ред. от 28.11.2015).
2. Гидрогеологическая карта СССР масштаба 1:200000. Серия Карельская. / Саванин В.С. и др. // Карельская АССР – гидрогеологическая съемка. – 1971.
3. Государственный (Национальный доклад) «О состоянии и использовании земель в Российской Федерации в 2014 году» - М.: Министерство экономического развития Российской Федерации, 2015.
4. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механика грунтов: учебник для вузов / Н.Н.Маслов. М.: Высш. школа, 1982. — 511 с.
5. Озера Карелии. Справочник / Под ред. Н.Н. Филатова, В.И. Кухарева. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2013. 463 с.
6. MODFLOW and Related Programs [Электронный ресурс]: официальный сайт.- Режим доступа к сайту: http://water.usgs.gov/ogw/modflow/ – Загл. с экрана.

References

1. Vodnyj kodeks Rossijskoj Federacii: Federal'nyj zakon ot 03.06.2006 № 74-FZ. – M.: Gosudarstvennaja duma Rossijskoj federacii, 2006 (red. ot 28.11.2015).
2. Gidrogeologicheskaja karta SSSR masshtaba 1:200000. Serija Karel'skaja. / Savanin V.S. i dr. // Karel'skaja ASSR – gidrogeologicheskaja s’emka. – 1971.
3. Gosudarstvennyj (Nacional'nyj doklad) «O sostojanii i ispol'zovanii zemel' v Rossijskoj Federacii v 2014 godu» - M.: Ministerstvo jekonomicheskogo razvitija Rossijskoj Federacii, 2015.
4. Maslov N.N. Osnovy inzhenernoj geologii i mehanika gruntov: uchebnik dlja vuzov / N.N.Maslov. M.: Vyssh. shkola, 1982. — 511 s.
5. Ozera Karelii. Spravochnik / Pod red. N.N. Filatova, V.I. Kuhareva. Petrozavodsk: Karel'skij nauchnyj centr RAN, 2013. 463 s.
6. MODFLOW and Related Programs [Jelektronnyj resurs]: oficial'nyj sajt.- Rezhim dostupa k sajtu: http://water.usgs.gov/ogw/modflow/ – Zagl. s jekrana.