A NEW APPROACH TO ASSESSING THE PROTECTION OF GROUNDWATER IN AREAS COMPRISING DISPERSIVE COHERENT ROCKS
A NEW APPROACH TO ASSESSING THE PROTECTION OF GROUNDWATER IN AREAS COMPRISING DISPERSIVE COHERENT ROCKS
Abstract
Assessing the protection of groundwater from pollution remains one of the important tasks in a wide range of environmental issues and is mandatory in the construction development of territories. The main drawback of all existing domestic and foreign methods is that they do not take into account the sorption capacities of dispersive coherent rocks and their functioning as lithochemical barriers. The author suggests a new approach that takes into account the physical and chemical properties of dispersive rocks that give them their protective capabilities. The method is based on the results of previous laboratory modelling of the interaction of dispersive rocks with experimental electrolytes containing aqueous solutions of inorganic salts of certain metals. It is proposed to evaluate the sorption activity of lithological varieties using the sorption intensity coefficient Ks, according to which rocks are divided into low-, medium- and high-intensity types. The protection of groundwater depends on the presence of lithochemical barriers with different adsorption potentials and their combination in the aeration zone. The author introduces the concept of a "protection index", which allows for analysis of the spatial variability of the intensity and thickness of lithochemical barriers. The suggested approach is examined on the example of the "MRSB Kirovsky" industrial and consumer waste management eco-complex, located in the south-west of Rostov Oblast.
1. Введение
Жизнь на Земле невозможна без важнейших витальных ресурсов, одним из которых является вода. С древних времен для нужд питьевого водоснабжения использовались подземные воды. Они остаются мощным и незаменимым источником питьевой воды по настоящее время. В эпоху техногенеза их сохранение и защита становятся задачами планетарного масштаба, а решение этих задач тесно связано с оценкой защищенности подземных вод от загрязнения. Она подразумевает перекрытость водоносного горизонта слабопроницаемыми отложениями, создающими препятствие для поступления химических веществ с поверхности земли в подземные воды . В практике зарубежной гидрогеологии и геоэкологии используется противоположный по смыслу термин — «уязвимость», а для ее измерения существует много теоретических обоснований и методик. Их подробный анализ приведен нами в предыдущих публикациях . В России принята и законодательно утверждена методика М. Гольдберга, нашедшая широкое применение при выполнении инженерно-экологических изысканий для строительства и устранения широкого спектра экологических проблем. Отдавая должное всем авторам, следует отметить, что ни один из подходов к оценке уязвимости или защищенности подземных вод от загрязнения не учитывает сорбционных способностей горных пород зоны аэрации. Однако известно, что некоторые литологические типы глинистых пород могут обладать достаточно высокой сорбционной емкостью и рассматриваться в качестве природных геохимических барьеров. Одной из поставленных нами задач, обозначен поиск возможности учета сорбционных свойств дисперсных пород и применение показателей их физико-химической активности для оценки защищенности подземных вод от загрязнения.
Цель настоящего сообщения — представить разработанный автором подход к оценке защищенности подземных вод, позволяющий включить параметры поглощающей способности дисперсных пород в список значимых факторов. Апробации методики рассмотрена на примере полигона ПБТО «Кировский», расположенного на юго-западе Ростовской области. Объектом исследования являются дисперсных связные породы предкавказской части Скифской плиты Русской платформы .
2. Методы и принципы исследования
Аналитический метод: анализ теоретических положений грунтоведения и геохимии
, ; лабораторное моделирование; химические, спектральные эмиссионный и атомно-адсорбционный методы применялись для определения содержания катионов в образцах литологических разновидностей и водных фильтратах до и после инфильтрации опытных растворов; методы статистической обработки данных.3. Основные результаты и обсуждения
Защитная функция литохимических барьеров обусловлена физико-химической адсорбцией, которая является одним из механизмов компенсации отрицательного заряда на поверхности твердой фазы. Согласно современным представлениям, данный заряд возникает вследствие гетеровалентных изоморфных замещений в структурных элементах глинистых минералов, что приводит к возникновению двойного электрического слоя — ДЭС . Известно, что глинистые минералы составляют 80% высокодисперсных фракций суглинков и глин четвертичного и неогенового возраста, залегающих на обширных территориях Европейской части юга России , . В наших предыдущих публикациях приведено подробное изложение теоретических аспектов формирования ДЭС в изучаемых породах и факторов, определяющих его строение. Кроме того, представлена информация о целях, задачах, результатах, методики выполнения лабораторного моделирования взаимодействия дисперсных связных пород с опытными электролитами, содержащими водные растворы неорганических солей некоторых металлов , . В настоящем сообщении, мы ограничиваемся данными, которые необходимы для освещения, предлагаемого подхода.
Для постановки задач лабораторного моделирования, были проанализированы результаты выполненных ранее работ, посвященных изучению геохимического, минералогического составов и адсорбционных свойств дисперсных пород юга России. Их минералогические особенности детально расшифрованы И.А. Шамраем (1955), Л.Г. Балаевым, П.В. Царевым (1964), В.П. Ананьевым и В.И. Коробкиным (1985). Среди современных авторов, следует отметить сообщения К.М. Седаевой (2017). Статьи С.С. Морозова (1953), А.К. Ларионова (1971) приводят данные о валовом содержании химических элементов. Сведения об обменных катионах и емкости поглощения весьма ограничены. Наиболее серьезное изучение обменного комплекса было выполнено В.П. Ананьевым и В.И Коробкиным . Выявление сорбционной способности дисперсных пород юга России проводилось только для целей технической мелиорации грунтов с применением раствора силиката натрия, битумов, смол . Известно, что получение данных о минералогических и физико-химических свойствах пород требует применения трудоемких методов, сложного оборудования и значительных финансовых затрат. В соответствие с техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений, оценка защищенности подземных вод является обязательной при строительном освоении территорий. Однако перечисленные выше исследования невозможно провести в составе инженерно-экологических изысканий для отдельных площадок проектируемого строительства. Поэтому, разработанная нами методика может быть применена для более точной оценки защищенности подземных вод, без дополнительных полевых и лабораторных работ, опираясь только на данные, полученные при инженерно-экологических изысканиях.
В связи с вышеизложенным, нами при оценке защищенности подземных вод, предлагается использовать результаты лабораторного моделирования взаимодействия дисперсных грунтовых толщ с промышленными стоками, содержащими некоторые химические элементы различных классов опасности. Эксперимент проводился по известной классической схеме К.К. Гедройца. В качестве адсорбента использовались наиболее распространенные на территории юга России литологические разновидности. Их краткая характеристика и приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Литологическое описание и классификационная характеристика дисперсных пород (адсорбентов)
Литологическое описание | Классификационные характеристики ГОСТ 25100-2020 |
Почва PdIv, современная почва, чернозем, суглинки, глины с содержанием органического вещества 7–9% | - |
dQIIIos — суглинки осташковского горизонта — желто-бурые, серовато-желтые, палево-желтые, лессовидные, макропористые, с включением карбонатов, легкие, просадочные | Суглинки легкие пылеватые, твердые, просадочные, ненабухающие, незасоленные, без примеси органического вещества |
eQIIIml молого-шекснинский погребенный почвенный горизонт — суглинки темно-бурые, почва ярко выраженного черноземного типа | Суглинки тяжелые пылеватые твердые, просадочные, ненабухающие, незасоленные, с примесью органического вещества |
dQIIIkl суглинки калининского горизонта — желто-бурые, светло-желто-бурые, лессовидные, макропристые, с включением карбонатов («белоглазка»), дутиков, рыхлых известковистых скоплений, | Суглинки средние пылеватые твердые — полутвердые просадочные и непросадочные, ненабухающие, незасоленные, без примеси органического вещества |
eQIImk — микулинский погребенный почвенный горизонт имеет сложное строение, представлен суглинками тяжелыми, вверху коричневыми, ниже — черными (черноземный тип), а в подошве снова коричневыми | Погребенный почвенный горизонт — суглинки тяжелые пылеватые, твердые-полутвердые, непросадочные, ненабухающие, незасоленные, с примесью органического вещества |
dQIIms — суглинки и глины московского горизонта — красновато-бурые, лессовидные, слабомакропористые, с включениями мелкокристаллического гипса и отдельных крупных друз, известковых и карбонатных конкреций, которые местами имеют следы вторичной переработки | Суглинки тяжелые или глины легкие пылеватые, разной консистенции, непросадочные, ненабухающие, незасоленные, без примеси органического вещества |
NIIs — Скифские глины красно-бурые, местами серые, неслоистые, монолитного сложения, осколочной текстуры, плотные | Глины легкие пылеватые, твердые, непросадочные, слабонабухающие, незасоленные, без примеси органического вещества |
Адсорбат, имитирующий промышленные сточные воды представлял собой электролит, не имеющий общих ионов с ДЭС, в него входили водные растворы солей хрома, никеля, меди и цинка и др. элементов. Установлено, что в породах протекает ионная положительная, локализованная физико-химическая адсорбция, характер которой описывается изотермой Ленгмюра (рис. 1). Дисперсные породы проявляют себя как катиониты. Лабораторное моделирование было выполнено на примере 3-х наиболее типичных для региона геолого-литологических разрезах , .
Рисунок 1 - Изотермы адсорбции меди, хрома, цинка
Таблица 2 - Сорбционная емкость литологических разновидностей дисперсных пород по данным различных авторов
Примечание: данные приведены для емкости обмена по силикату натрия; зеленым цветом выделены породы с низкой СЕС < 15 мг×экв на 100 г грунта; желтым – со средней СЕС от 15 до 80 мг × экв на 100 г грунта
– 0–0,4 — породы слабоинтенсивные: dQIIIos — суглинки легкие, dIIIkl — суглинки средние;
– 0,5–0,8 — породы среднеинтенсивные: eQIIIml, eQIImk — суглинки тяжелые; dQIIms — суглинки тяжелые или глины легкие;
– 0,8–1 — породы высокоинтенсивные: современные почвы, NIIs — глины легкие.
Защищенность подземных вод зависит от наличия сорбционных геохимических барьеров различного состава и их сочетаний.
Далее нами рассмотрено применение полученного коэффициента, как показателя сорбционной способности дисперсных пород при оценке степени защищенности подземных вод на примере экокомплекса по обращению с отходами производства и потребления «ПБТО Кировский». Он расположен на юго-западе Ростовской области в Кагальницком районе вблизи станицы Кировской и занимает участок площадью 5 га. В геоморфологическом отношении территория ПБТО приурочена к водораздельному пространству долин рек Дон и Кагальник, относится к Приазовской слабовсхолмленной степной равнине Азово-Кубанской низменности. Рельеф площадки ровный со слабым уклоном в юго-западном направлении. Абсолютные отметки изменяются от 76,20 до 82,78 м. По данным бурения 102 скважин в геологическом строении принимают участие отложения кайнозойского комплекса, представленного делювиальными суглинками четвертичного возраста (QIII-I) . Согласно классификации ГОСТ 25100-2020, грунты относятся к классу — дисперсных, подклассу — связных, типу — осадочных, подтипу — эолово-делювиальных, виду — минеральных, подвиду — глинистых грунтов . По результатам анализа пространственной изменчивости частных показателей физико-механических свойств грунтов, определенных лабораторными методами, выделены четыре инженерно-геологических элемента (ИГЭ):
– ИГЭ-0 от 0,0–0,9 м — слой 1 — (еQIV). Почвенно-растительный комплекс — глина от черной до темно-серой с глубиной переходящая в серо-коричневую, легкая пылеватая, от твердой до полутвердой, незасоленная, с примесью органических веществ 7–9%, с ходами землероев и корнями растений, мощность слоя 0,5–0,9 м.
– ИГЭ-1 от 0,4–0,9 до 6,7–16,43 м — слой 2 — (dQIII-IV). Суглинок средний, пылеватый, полутвердый, при полном водонасыщении мягкопластичный, незасоленный, без примеси органических веществ, ненабухающий, среднепросадочный, мощность слоя 5,7 — 15,5 м.
– ИГЭ-2 от 6,7–16,43 до 10,3–23,2 м — слой 3 — (dQIII-IV). Суглинок тяжелый пылеватый, твердый, незасоленный, без примеси органических веществ, ненабухающий, непросадочный, мощность 2,0–9,6 м. В составе ИГЭ-2 выделяется молого-шексвинский погребенный почвенный горизонт (еQIII-IV), мощность 0,5–1.4 м.
– ИГЭ-3 от 10,3–23,2 до 30,0 м — слой 4 — (dQIII-IV). Суглинок тяжелый пылеватый, тугопластичный, незасоленный в зоне аэрации, без примеси органических веществ, ненабухающий, непросадочный, мощность в зоне аэрации 0,2–3,6 м.
При бурении скважин в октябре 2018 г. подземные воды вскрыты на глубинах от 10,70 до 23,80 м.
В соответствие с выделенными градациями по коэффициенту интенсивности сорбции (Кс), в зоне аэрации зафиксированы 4 геохимических барьера:
– высокой степени интенсивности — ИГЭ-0 — почвенный слой;
– два барьера средней степени интенсивности — тяжелые суглинки ИГЭ-2 и погребенного почвенного горизонта;
– слабой интенсивности — средние суглинки ИГЭ-1.
Геолого-литологическое строение и геохимические барьеры различной степени интенсивности приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Геолого-литологическое строение и геохимические барьеры различной степени интенсивности
Примечание: зеленая стрелка – барьеры низкой степени интенсивности; желтые стрелки – барьеры средней степени интенсивности; красная стрелка – барьеры высокой степени интенсивности
Наиболее сложным представляется учет положения барьеров в грунтовой толще. Он требует сложного анализа и дополнительных расчетов контрастности геохимических барьеров, массопереноса катионов в опытных геолого-литологических разрезах и др. В настоящее время нами получены только промежуточные результаты обозначенных исследований, однако считаем вполне обоснованным применение методики без рассмотрения локации геохимических барьеров в грунтовом массиве.
Наиболее сложным представляется учет положения барьеров в грунтовой толще. Он требует сложного анализа и дополнительных расчетов контрастности геохимических барьеров, массопереноса катионов в опытных геолого-литологических разрезах и др. В настоящее время нами получены только промежуточные результаты обозначенных исследований, однако считаем вполне обоснованным применение методики без рассмотрения локации геохимических барьеров в грунтовом массиве.
Таким образом, остается принять во внимание мощность литохимических барьеров, которая в пределах полигона изменяется весьма значительно, а на отдельных участках отмечается отсутствие некоторых из них. Нами предлагается ввести понятие «индекс защищенности» — произведение коэффициента интенсивности сорбции конкретного литологического барьера на его мощность:
Χ = N0, 1, 2, 3 · m 0, 1,2,3,
где:
Χ — индекс защищенности;
N0, 1, 2, 3 — коэффициент интенсивность сорбции соответствующего барьера;
m 0, 1,2,3 — мощность барьера на отдельных участках.
На территории полигона индекс защищенности изменяется от 14,28 до 29,31. Для ранжирования показателя выполнена статистическая обработка выборки полученных значений индекса. Предлагаемые категории защищенности подземных вод приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Категории защищенности подземных вод от загрязнения
№ п/п | Интервал значений индекса защищенности, χ | Название категории степени защищенности подземных вод | Цвет на карте |
1 | 14,3 – 21,0 | Низкая | Синий |
2 | 20,0 – 24,5 | Средняя | Желтый |
3 | 24,6 – 30,0 | Высокая | Красный |
По вычисленным значениям составлена карта защищенности подземных вод от загрязнения (рис. 3).
Рисунок 3 - Карта районирования территории ПБТО «Кировский» по степени защищенности подземных вод от загрязнения
Примечание: синий цвет – территории с низкой степенью защищенности; желтый цвет – территории со средней степенью защищенности; красный цвет – территории с высокой степенью защищенности
4. Заключение
1. На юге Европейской части Российской Федерации экологическая обстановка во много определяется геохимическими и минералогическими особенностями поверхностных отложений кайнозойского комплекса осадочного генезиса. Грунтовые толщи кайнозоя слагают большую часть территории и представлены легкими, средними, тяжелыми суглинками, а также, легкими и тяжелыми глинами.
2. Экспериментальные исследования дисперсных пород демонстрируют их высокий адсорбционный потенциал по отношению к химическим элементам, вовлеченным в техногенные производственные процессы. Количество поглощенных химических элементов отдельными литологическими разновидностями неодинаково. Это обусловлено минералогическими особенностями, а именно, высоким содержанием глинистых минералов в тонкодисперсных фракциях и наличием органического вещества.
3. По результатам лабораторного моделирования установлено, что дисперсные породы можно рассматривать в качестве природных литохимических барьеров различной физико-химической активности, которую предлагается характеризовать коэффициентом интенсивности сорбции Кс. В изученных породах он изменяется от 0 до 1. Выделены породы: низкоинтенсивные со значениями Кс от 0 до 0,4; среднеинтенсивные с диапазоном Кс от 0,5 до 0,8; высокоинтенсивные, Кс выше 0,8. Защищенность подземных вод зависит от их наличия и сочетания в зоне аэрации.
4. В соответствие с полученными экспериментальными данными, на территории полигона «Кировский» представлены все типы литохимических барьеров. К высокоинтенсивному относится глина почвенного горизонта мощностью от 0,4 до 0,9 м. Наиболее выраженную защитную функцию имеют два барьера средней интенсивности — тяжелые суглинки ИГЭ-2 и приуроченная к ним молого-шекснинская погребенная почва. Экспериментальные данные показали, что сорбционные свойства погребенных почвенных горизонтов на 10–20% выше по сравнению с вмещающими породами. Это связано с большим количеством глинистых минералов и органического вещества в составе твердой фазы ископаемых почв.
5. Практически все существующие методики оценки защищенности подземных вод, рассматривают фильтрационные свойства перекрывающих отложений. Однако, дисперсные породы, слагающие зону аэрации полигона «Кировский», имеют достаточно высокие коэффициенты фильтрации и не являются препятствием для поступления загрязняющих веществ. Следовательно, водопроницаемость пород полигона можно исключить из списка значимых факторов.
6. Важное значение в массопереносе загрязняющих веществ имеет длина пути миграции т.е. мощность геохимического барьера. В пределах полигона для выделенных литохимических барьеров она существенно различается и пространственно неоднородна. Предлагаемый автором показатель — «индекс защищенности», обеспечивает максимально точное выделение участков с разной степенью защищенности в пределах территории полигона. Показатель представляет собой произведение коэффициента интенсивности сорбции Кс литологического барьера на его мощность. Для полигона «Кировский» он изменяется от 14,28 до 29,31. Статистическая обработка выборки значений индекса позволила выделить три степени защищенности подземных вод и составить карту районирования.
7. Одним из недостатков разработанной методики представляется отсутствие конкретного частного значения коэффициента интенсивности сорбции Кс, что приводит к необходимости его выбора из предлагаемого диапазона значений. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку более точно показателя — коэффициента работы барьера, который позволит учесть локации барьеров в грунтовой толще и выявить их совместную защитную функцию.