ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Высокая эффективность азотных удобрений для достижения высокой урожайности в связи с потребностями * увеличивающегося населения и применение пестицидов для борьбы против вредных насекомых, растений и др. обусловливает в последние годы постоянный рост их использования и производства: В результате интенсивного использования азотных удобрений и пестицидов загрязняются подземные источники: питьевой воды. Борьба с загрязнением, попавшим в водоносный горизонт — сложная задача; требующая дорогостоящих, часто труднореализуемых мероприятий даже в развитых странах. При: большом накоплении; в пласте; загрязняющих веществ ? (нитратов и пестицидов), а также при низких фильтрационных свойствах водовмещающих пород время, необходимое для полного извлечения загрязнения из ПВ, может измеряться десятками и даже сотнями лет. Поэтому, как и во многих странах, загрязнение азотными удобрениями и г пестицидами стало причиной нехватки питьевой ¦ воды. В связи с этим возникла необходимость охраны, пресных, фунтовых, вод! (ГВ) бассейна р. Бенуэ в административной провинции республики; Камерун «Северная» от загрязнения нитратами и пестицидами: Грунтовые воды данного бассейна i — единственный источник питьевой воды в районе. Эти воды уникальны по запасам и по химическим параметрам в данной части страны с тропическими климатическими условиями. На территории бассейна ведется сельскохозяйственная деятельность, сопровождающаяся использованием минеральных удобрений и пестицидов. В результате использования этих веществ ТВ могут загрязняться. Во избежание этого целесообразно проведение оценки защищенности ГВ от загрязнения нитратами и пестицидами, как наиболее возможных загрязнителей ГВ бассейна р. Бенуэ.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является оценка защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ от загрязнения нитратами и пестицидами. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Изучены природные факторы защищенности ГВ бассейна р. Бенуэ и определен защитный потенциал защитной зоны, отделяющей ГВ от
поверхностного загрязнения и имеющей двухуровенное строение (почвы и породы зоны аэрации). Выделены типовые участки; характеризующие строение защитной
т
зоны по трем показателям: литолого-генетическому составу почвенного покрова, литолого-генетическому составу пород зоны аэрации (ЗА) и мощности защитной зоны (33).
2. Оценена защищенность ГВ от загрязнения нитратами путем определения времени, за которое нитраты могут продвинуться до уровня грунтовых вод (УГВ).
3. Оценена уязвимость ГВ к загрязнению нитратами через определение времени, за которое концентрация нитратов в ГВ достигнет ПДК.
4. Определена степень уязвимости ГВ к загрязнению нитратами при различной величине их использования.
5. Оценена защищенность ГВ от загрязнения пестицидами: ДДТ и линданом путем определения времени их продвижения через защитную зону до УГВ.
Ф 6. Разработаны предварительные рекомендации по количеству
использования нитратов и пестицидов. .
7. Сформирована концепция мониторинга ГВ бассейна р. Бенуэ и обоснованы зоны санитарной охраны водозаборов (ЗСО).
Фактический материал
^ В основу данной работы положены результаты исследований следующих научно-
исследовательских организаций: научно-исследовательского центра ORSTOM (Office de Recherche Scientifique des Territoires d'Oirtre-Мег), министерств минеральных, водных ресурсов и энергетики, сельского хозяйства, животноводства. Основными объектами исследований были ГВ мелового, водоносного горизонта, сложенного песчаниками. Были использованы климатические данные и сведения о литологическом составе геологических разрезов, вскрытых гидрогеологическими скважинами и колодцами (около 300), оборудованных в последние 32 года; результаты химических анализов ГВ в г. Гаруа и других городах, проведенных в 2001г. (около 30 анализов).
В работе также использованы литературные данные.
Фактический материал обработан автором, в результате; чего построены специальные карты и проведены оценки- защищенности и уязвимости ГВ к загрязнению.
Научная новизна работы.
Данная работа является первой, посвященной гидрогеоэкологии ГВ бассейна р. Бенуэ. В процессе выполнения работы получены следующие новые результаты:
1: Проведено районирование и картирование; ГВ по степени уязвимости к загрязнению нитратами при различных нагрузках и установлены оптимальные нагрузки по нитратам на различных участках территории бассейна! р. Бенуэ, что может служить основой для оптимального внесения азотных удобрений.
2. Проведено районирование и картирование ГВ бассейна р. Бенуэ по степени защищенности от загрязнения пестицидами: ДДТ и линданом.
3. Обосновано размещение наблюдательной сети и водно-балансовых участков в системе мониторинга ГВ на изучаемой территории.
4. Рекомендованы оптимальные периоды для внесения нитратов и пестицидов с учетом метеорологических факторов на изучаемой территории.
Практическая значимость работы.
^ В настоящее время отмечается интенсивный приток населения из провинции
«Дальний) Север» на территорию исследований из-за нехватки питьевой воды и плодородных земель.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы для:
— определения, применяемой< дозы минеральных удобрений с учетом; реальной техногенной нагрузки по различным выделенным автором участкам;
— рационального выбора безопасных мест для размещения; водозаборных-сооружений и заселения населения на изучаемой территории;
— регулирования использования: пестицидов и= других; ЗВ на? изучаемой территории с учетом степени уязвимости ГВ к загрязнению нитратами на отдельном участке.
Защищаемые положения
1. Методы оценки защищенности и уязвимости ГВ к загрязнению нитратами и пестицидами, применительно к исследуемой территории.
2. Карта защитной зоны, построенная. на основе обобщенных природных факторов, на которой показан защитный потенциал защитной зоны и выделены« типовые участки по литологическому составу, мощности зоны аэрации (ЗА) и типу почв.
3. Карты > защищенности и уязвимости ГВ от загрязнения нитратами, ДДТ и линданом.
4. Концептуальный подход к организации мониторинга ГВ на территории сельскохозяйственного освоения и рекомендации по организации режимной сети и по использованию азотных удобрений и пестицидов на исследуемой территории.
^ Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертационной работы доложены на межвузовском семинаре студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (г. Москва, 2004г).
По теме диссертации опубликовано 2 работы и одна находится в печати.
0> Структура и объем работы
Диссертация содержит 165 страниц текста, 26 таблиц, 37 рисунков и состоит из введения, 4х глав, заключения и списка литературы из 92 наименований.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору А.П. Белоусовой за постоянное внимание и всестороннюю помощь при выполнении данной; работы. Автор благодарен заведующему кафедрой гидрогеологии МГГРУ профессору В. М. Швецу, проректору по международным связям М. А: Емелину и декану по работе с иностранными учащимися профессору Ж.В. Бунину за: возможность продолжения обучения в аспирантуре по государственной линии. Автор искренне признателен всем сотрудникам кафедры
D гидрогеологии МГГРУ за внимание и поддержку.
8
ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Щ
1.1. ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Бассейн р. Бенуэ является частью административной провинции. республики Камерун «Северная». Провинция «Северная» ограничена широтами 8° С и 10° С и долготами +12° С и +14°20 С. На западе провинция фаничит с республикой Нигерия и на востоке — республикой Чад. Она находится между провинциями Адамауа на юге и «Дальний север» на севере. По населению данная провинция занимает третье место в стране. Около 82% из жителей' занимаются сельскохозяйственной и животноводческой деятельностью. Столица провинции — г. Гаруа. В среднем население г. Гаруа составляет 209560 человек (SNEC, 1998).
Изучаемая территория — бассейн р. Бенуэ--это пенеплен, занимающий
центральную часть провинции. Она находится между широтами 9° С и 9°30 Си '•г долготами 13°30 С и 14°20.С Южная фаница территории совпадает с фаницей меловых отложений (рис. 1.1). Южная граница захватывает район Рей-Буба на юго-востоке и продолжается к западу в районы Чебоа, Туруа и Бека. На севере г. Рей-Буба фаница направлена СЗ — ЮВ. Это направление сохраняется до района Нденги на правом берегу р. Кеби. Северная фаница протягивается на восток
столицы от района Бэ и отсюда продолжается в СЗ — ЮВ до р. Тиел на границе
Ф
Камерун — Нигерия. Таким образом, бассейн захватывает часть административных
округов Бенуэ и Майо-Рей. Общая площадь изучаемой территории составляет около 7000 км2.
Дорожная сеть на данной территории не плотная. Основную; роль играет автомагистраль Гаундерэ — Гаруа — Маруа, которая продолжается до республики Чад и имеет внутренние ветви в Бибеми и Чоллирэ на востоке и на юге провинции соотвественно. Во внутреннюю дорожную сеть включается и автотрасса Питоа — Гаруа — Рей-Буба.
¦ Маруа ПРОВИНЦИЯ ДАЛЬНИЙ СЕВЕР
Нгаушгерэ
ПРОВИНЦИЯ АДАМАУА
Округ Майо Луги
Округ Бенуэ
ОгругФаро
Округ Майо Рей
Заповедник
Лвюгрисси
Границы страны в пределах провинции Северная
Границы райна работ
Рис. 1.1. Географическое расположение территории работ
10
1.2. ГИДРОГРАФИЯ
Вся гидрографическая сеть провинции «Северная» принадлежит бассейну Атлантического океана за исключением р. Вина на юго-востоке. Река Бенуэ представляет собой важнейшую реку во всей провинции. Она имеет два главных притока (рис.1.1): 1— р: Фаро, дебит р: Фаро колеблется от 18 м3/с в засушливый; сезон (в марте месяце) до 1240 м3/с в сезон дождей (конец июня — начало октября), она впадает в р. Бенуэ на границе страны с республикой Нигерия; 2—р. Кеби, впадающая в реку Бенуэ ранее р. Фаро в 20 км на востоке от столицы провинции Гаруа. Кроме этих притоков р. Бенуэ имеет другие более мелкие притоки, например р. Тиел на западной границе, Дука и Биносси на юге Гаруа; Годи, Бей и Рей на юго-востоке территории.
На изучаемой территории р. Бенуэ течет с юго-востока и продолжается на северо-запад до юга г. Гаруа. отсюда она изменяет свое направление на запад, ^, далее она пересекает границу Камеруна и протекает на востоке республики Нигерия. В Нигерии р. Бенуэ объединяется- с р. Нигер, которая впадает в Атлантический океан (Гвинейский залив). Река Бенуэ имеет большое значение: на ней построена гидроэлектростанция в г. Лагдо. Дебит рек чрезвычайно пестрый — 2.45 м3/с в апреле и 1870 м3/с в сентябре. Амплитуда его колебания велика и зависит от количества атмосферных осадков и от испарения, среднегодовая Ш температура воздуха составляет 28°С. В районе Гаруа испарение с поверхности рек составляет более 1900 мм/ год при количестве атмосферных осадков 1034 мм/ год. Эти значения указывают на том, что большая доля вод рек расходуется на испарение- Как последствие этого интенсивного испарения > в апреле месяце большинство рек осушаются либо частично, либо полностью. Например, р. Дука; и: Биносси на левом берегу, Гулонго и Адуа на правом берегу осушаются полностью.
В крупных реках (Бенуэ, Фаро, Кеби) отмечается значительное уменьшение
их ширины. С июля по октябрь выпадают сильные дожди, и отмечается подпор вод в
реках, дебит р. Бенуэ растет. Средняя величина модуля р. Бенуэ за: 22 года
составляет 250 м3/с/км2, 311 м3/с/км2 для р. Фаро и;99,5 м3/с/км2 для р: Кеби [77].
К* Река Бенуэ дренирует ГВ мелового и четвертичного водоносных горизонтов.
Река Бенуэ, Кеби и Фаро сходны по форме, сходство состоит в том, что все они образуются из двух или трех главных ветвей: Бенуэ на юго-востоке является
11
результатом > объединения; р. Рей и Годи. Большая часть бассейна последней (р.
Годи) находиться в соседней Центральной Африканской Республике (ЦАР). Река
Щ
Кеби образуется из двух притоков — Кабиа на востоке и Луги на севере. Река Фаро
образуется из притоков Чамба, Фаро и Део.
1.3. КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Бассейн Бенуэ находится в зоне тропического климата [62], характеризующегося чередованием сухого и влажного сезонов. Засушливый сезон длится; с ноября по март. Влажный сезон охватывает промежуток с мая по сентябрь. Апрель и октябрь являются переходными месяцами.
Чередование сезонов здесь находится под контролем двух ветров: сухого и ь горячего Гарматана из Сахары, дующего к югу, и влажного Муссона, формирующегося на южном берегу моря и дующего к северу. Место встречи этих; ветров называется «Интертропический Фронт» (ИТФ). Фронт движется между. +4 параллелью и +20. Прямо на севере ИТФ находится зона Гарматана, характеризующаяся чистым небом с малой облачностью. Город Гаруа находится в этой зоне с ноября до марта. На юге, далеко от ИТФ, небо покрыто облаками, часто на> фоне ураганов. Такая погода встречается на всей территории провинции «Северная» с мая до сентября. Необходимо учитывать направление ветров при рассмотрении мер по охране ПВ от загрязнения пестицидами.
В связи с изменением; местонахождения ИТФ, т.е. движением Гарматана v и Муссона меняется и режим осадков: количество атмосферных осадков не одинаково. В сухой сезон атмосферные осадки практически отсутствуют. Среднее количество, как показали работы научного исследовательского института (ORSTOM, 1978), не превышает 4— 5: мм в месяц (таб.1.1). Во влажный период количество атмосферных осадков резко увеличивается с начала сезона и достигает своего пика к концу сентября. Среднегодовое количество атмосферных осадков достигает 1035 мм/год (таб.1.1, 1.2).
Инфильтрационный процесс начинается к половине июня. Уже с половины июля до половины октября инфильтрация вод достаточна для восстановления вод, потерянных в процессе испарении.
12
Таблица 1.1. Среднемесячное количество атмосферных осадков (мм)
#
Месяц; Я Ф М А М И И А С О Н Д Годовое
Рср. 0 0.4 4 42 122 152 184 239 215 73 1 1 1033
Таблица 1.2. Количество дней с осадками в месяце (мм)
Месяц Я Ф м- А М V\ И А С О Н Д за год
Число дней 0 0 1 5 10 12 14 16 16 8 0 0 81
Температура воздуха высокая. Средне годовая её величина составляет 28°С.
Суточная амплитуда колебания температуры, очень большая. Минимальное ее
значение в г. Гаруа составляет 11,2° в декабре, и максимальное 44,9° в мае.
Среднемесячная температура воздуха складывается следующим образом (таб. 1.3):
Таблица 1.3. Среднемесячная температура воздуха (°С)
Месяц Я Ф М: А М И И А С О Н Д
Гер. 26,2 29.0 32.2 32,3 30,4 27,6 26,4 26,2 26,4 27,9 27,5 26,3
1.4. РАСТИТЕЛЬНОСТЬ
Растительность на изучаемой территории представляет собой кустарниковую: савану, местами встречаются прозрачные леса, являющиеся защищенными территориями. Эти леса составляют заповедники Бенуэ [81, 83].
В долинах рек кусты отсутствуют, здесь господствует трава. Долины рек представляет собой l превосходное место для сельскохозяйственной деятельности; По этой причине естественная флора часто заменена выращиваемыми культурами (рис, сорго, арахис, хлопчатники т.д.) Другими воздействиями населения на растительность являются пожары, вызванные охотниками в сухой период, и животноводство. Животные используют флору, как корм и в тоже время они; уплотняют землю, что препятствует развитию растительности. Животные также выбрасывают свои экскременты на поверхности земли, что представляет большую опасность с точки зрения загрязнения ПВ нитратами.
13
1.5. ГЕОМОРФОЛОГИЯ!
С геоморфологической точки зрения, как уже сказано выше, территория исследований представляет собой; широкий пенеплен, ширина, которого может достигать 80 км; [62, 77]. Особенности изучаемого бассейна позволяют его подразделить на две части: западную и восточную. Граница между ними совпадает с: местом соединения рек Бенуэ и Кеби: Западная часть характеризуется изменчивостью морфологии. Встречаются мелкие аллювиальные долины, мелкие пенеплены более или менее пересеченные оврагами и песчаниковыми холмами:
Две причины могут объяснить этот факт. Первая--это пенепленизация всех
осадочных пород (древних осадков, песчаников, аллювиальных отложений) после их накопления. Вторая причина; — это образование ложа р. Бенуэ в результате возникновения тектонических нарушений между песчаниковыми плато на севере и на юге. Абсолютная отметка ложа р. Бенуэ составляет 170 — 250 м. Западная- часть изучаемой территории подвергалась интенсивному размыву, местами существуют железистые кирасы, которые противостоят эрозии. На; этих местах расположено огромное количество возвышающихся холмов; выше над окружающей их местностью на, 250 — 300 м, их высота колеблется от 400 до 500 ми выше. Примерами! таких холмов могут служить гора а Тингелин на. севере г. Гаруа^ с абсолютной отметкой 734 ми на правом берегу р. Бенуэ горы Цидири; (480 м), Калдерэ (571 м) и Дука(507 м). Последние четыре холма, находятся в нижнем течении р. Бенуэ и на левом берегу от г. Гаруа, они сложены вулканическими породами (трахитом и иногда базальтом).
Восточная часть бассейна характеризуется более ровным рельефом. Морфология слабо меняется — пенеплен, в центре которого накоплены аллювиальные отложения: В дождливый ¦ период данная часть затоплена, ее ширина достигает 15 км. Здесь. идентифицируются три места с положительными структурами и высотой, превышающей; абсолютную отметку поверхности пенеплена на 250 м: 1— место соединения Бенуэ и Кеби, где находится поднятие гнейсов на 250 м. выше аллювиального плена; 2 — горы Лагдо и Дука; 3 — сеть гранитовых холмов, обрамляющих северную часть заповедника Бенуэ и протягивающихся на северо-запад на 35 км < в пределах бассейна. В данную сеть включены горы Дури, Ладде и Гали, абсолютная отметка вершины которых составляет 700 м.
14
1.6. ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ
Геологическое строение изучаемой территории было изучено P. Schwoerer в 1950—1952 гг и P. Koch в 1959 г [69, 80, 81]. В результате исследований этих геологов составлены геологические карты «Гаруа западная» и «Гаруа восточная».
Геолого-гидрогеологическая карта и разрезы изучаемой1 территории показывают присутствие метаморфических пород докембрийского возраста, образующих кристаллический фундамент, на котором залегают песчаники среднего и верхнего мелового возраста, и четвертичные отложения (рис.1.2 и 1.3. а, б и в) [81; 85].
1.6.1. Породы докембрийского возраста
Докембрий: сложен метаморфическими породами, прорванными плутоническими и изверженными породами. Это эктиниты и; мигматиты различных фаций.
1.6.1.1. Эктиниты
Эктиниты представляют собой метаморфические породы, образовавшиеся без привноса гранитного материала. По составу— это гнейсы, слюдистые сланцы, кварциты и амфиболиты, содержащие биотит, мусковит и амфибол. Они распространены на востоке и юге территории исследований; и направлены к юго-западу. Вопрос о направлении геологических структур рассматривается в разделе, посвящен тектоническим особенностям изучаемой территории.
1.6.1.2: Мигматиты
Мигматиты представлены гнейсами сильно подверженными метаморфизму и эмбрехитами (эмберхиты: мигматиты, образовавшиеся в средних глубинных зонах регионального метаморфизма в обстановке инвекции и пропитывания горных пород гранитными расплавами и; гранитизирующими растворами). Это гнейсы — эмбрехиты, эмбрехиты с биотитом, амфиболами; и пироксеном! и анатектиты (анатексис: ультраметаморфический процесс, ведущий к расплавлению твердых горных пород и их превращению в магму). Эти породы обнаруживаются на северо-востоке и на северо-западе г. Питоа, на севере г. Гаруа, на юге и востоке бассейна р. Бенуэ.
15
т
Гешюго-гшрогешопхкааш
Четвертичный водоносный горизонт: Аллювиальные
мощностью до 52 водоносный
Меловый водоносный горизонт мелко- игру ""
Меловый водоносные горизонт Мелко- крупнозернистые
мощностью до 22м
Меловый водоносный горизонт: мелко-в крупнозернистые песчаники водоносные мощностью > 1 ЗЗы
1968
Автодороги Разломы
Скважина (см разрез)
• Нкойг -Баконё
Бумедже Ламу дан
"Тонго
Условные ооозначения
Четвертичный водоносный горизонт: пески и глины
Верхний меловый водоносный горизонт: песчаники Гаруа: песчаники, галька
Средний меловый водоносный горизонт: песчаники Бенуэ песчаники, галька, мергель
Водоносные горизонт щита -трещиноватые породы и кора выветривания
По материалам" WAKUTI"
Рис 1.2. Геолого-гидрогеологическая карта бассейна р. Бенуэ
Масштаб 1:200000 (с уменьшением в 5 раз ) |
