Введение
Балтийское море имеет площадь водосбора 1 700 000 км2 - на берегах которого располагаются территории 9 государств, включая такие мегаполисы Европы как Санкт-Петербург, Таллинн, Рига, Копенгаген, Гданьск, Хельсинки и другие (рис.1.1.). Восточная часть Балтийского моря - Финский залив (площадью 30 000 км2), является самой уязвимой, что связано с изолированностью от Мирового океана, небольшим объемом воды, урбанизированностью его побережья.
Подземные водоносные горизонты, разгружающиеся в Финский залив и в пределах его побережья, являются в свою очередь весомой составляющей общего водообмена, во многом определяя экологическое состояние прибрежной части акваторий Финского залива и состав морских вод (в том числе донных осадков), активно участвуя в типологических изменениях и развитии биоты. Этот элемент водного баланса (разгружающиеся подземные воды) существенен для внутренних водоемов, к которым относится Финский залив? и на отдельных участках его побережья доля притока подземных вод, как и степень их загрязненности, изменяется в значительных пределах. В настоящее время загрязнение подземных вод, как и других элементов окружающей среды, в наибольшей степени обусловлено антропогенной нагрузкой, вместе с тем подземные воды выступают в роли, переносчика загрязнения. К сожалению, столь важный аспект, как правило, игнорируется при оценке и прогнозе экологического состояния поверхностных водоемов и прибрежных областей.
орвегияi |
ело-уссия
сУ * Плотность насе-
1, . ЛвНИЯ,ЧвЛ,/КВ.КМ
)\ i
1 Jt-10
\ % _J 10-50 |нЖ\ I ¦ 50-100
Население • 0,1 -0,5 мил. » 0,5-1 мил.
Рис. 1.1. Расположение области исследования в пределах бассейна Балтийского моря (Балтийское море, 2002).
Роль подземного стока в формировании геохимической и гидробиологической обстановки практически не исследовалась, впрочем, количественные параметры подземного стока определялись
лишь приблизительно в силу сложности изучения. К тому же, существующие данные характеризуют подземный сток, в общем, для всего бассейна Балтийского моря и, лишь в редких случаях, дается дифференцированная оценка для отдельных его частей.
Таким образом, изучение подземного стока в Финский залив и степени загрязненности разгружающихся подземных вод являются весьма актуальными задачами, как с практической (рациональное использование водных ресурсов и разработка природоохранных мер), так и с теоретической (локальные исследования экосистем побережья) точки зрения.
Объектом диссертационного исследования является побережье бассейна стока Финского залива в пределах Российского побережья, включая Карельский перешеек, Большой Петербург, Ижорское плато.
Основная цель работы заключалась в количественной оценке притока подземных вод и определении качественной характеристики подземных вод разгружающихся в Финский залив, в оценке степени загрязнения подземных вод и экологических последствий их загрязнения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) изучение гидрологических, морфо-литологических, геолого-гидрогеологических условий береговой части Финского залива с целью выявления естественноисторических и антропогенных факторов и закономерностей загрязнения подземного стока;
2) районирование береговой полосы Финского залива с дифференциацией по зонам в зависимости от морфо-
литологических, гидрогеологических, геологических условий разгрузки подземных вод;
3) совершенствование и адаптация методов изучения подземного стока;
4 4) определение масштабов разгрузки подземных вод в различных
зонах;
5) оценка ионного стока;
6) определение характера и степени загрязнения разгружающихся подземных вод в выделенных зонах;
7) определение возможных экологических последствий загрязнения подземных вод, в том числе оценка влияния разгружающихся подземных вод на развитие биоты;
8) обоснование природоохранных мер в условиях Финского залива.
В основу диссертации положены материалы, собранные в период с 1998 по 2004 годы - по гидрохимическим, гидродинамическим характеристикам подземных и поверхностных вод, а также данные многолетних географических и гидрогеологических исследований. В работе использованы материалы кафедры гидрогеологии СПбГУ, фондовые материалы Регионального Геологического Фонда, ВСЕГЕИ, ГГИ, Сестрорецкого курорта, СЕВМОРГЕО, а также опубликованные материалы.
В процессе исследования анализировались результаты литохимических исследований донных осадков и произведено комплексное изучение (химический анализ воды и донных отложений)
более 26 точек в акватории Финского залива. Изучался также состав и расположение источников и пластовых высачиваний в пределах побережья.
На основе полученных данных были построены тематические карты в Arc Info и Maplnfo, таким образом, интерпретация полученных данных осуществлялась с использованием технологий ГИС. База данных по объекту исследования содержит информацию по 700 скважинам и родникам, представляя собой связанные таблицы Excel и Access.
Для достижения цели и решения задач, поставленных в работе, необходимо было провести обобщение и анализ всех методов, используемых при оценке подземного стока. Во время исследования были опробованы гидрохимический, гидродинамический, термометрический, газогидрохимический и гидролого-
гидрогеологический, а также изотопный методы исследования масштабов разгрузки подземных вод. Ряд методов в процессе работы был адаптирован к условиям Балтийского моря как, например, термометрический или радоновый.
Большая часть химических анализов природных вод проводилась в лаборатории кафедры гидрогеологии СПбГУ. На основе полученных результатов определялась степень загрязнения подземных и поверхностных вод. Доля притока подземных вод в общем водном и солевом балансе исследуемой акватории рассчитана с использованием средневзвешенных значений модуля подземного стока для бассейна Финского залива.
Значимость полученных результатов заключается: в выявлении факторов и закономерностей изменения особенностей
разгрузки подземных вод в результате естественноисторических процессов и антропогенного воздействия на разные составляющие водного баланса; в определении роли подземных вод в загрязнении акватории и береговой зоны Финского залива; в исследовании качественного состояния побережья, в том числе изменения биотической составляющей в пределах исследуемой территории; в адаптации методов изучения подземного стока; в выявлении зон локальной сосредоточенной разгрузки подземных вод; в обосновании системы эколого-гидрогеологического мониторинга подземных вод.
Большая помощь на протяжении всей работы оказана автору коллективом кафедры гидрогеологии СПбГУ, ВСЕГЕИ, ГГИ и СЕВМОРГЕО.
Исследование сопровождалось консультациями докторов геолого-минералогических наук: чл.кор. РАН В.Г.Румынина, М.А.Спиридонова, И.С.Зекцера, Е.А.Баскова; докторов
географических наук: В.С.Вуглинского, К.В.Чистякова; кандидата географических наук: М.Л.Маркова; кандидатов геолого-минералогических наук В.К.Учаева, В.В.Тихомирова, Г.И.Мартьяновой, ААШварца, О.Н.Яковлева, Н.А.Виноград; инженера С.В.Завилейского, Е.П. Каюковой. Всем им автор выражает искреннюю благодарность.
1. Современные представления о подземном стоке в Балтийское море.
Подземный водообмен суши и моря является одной из составляющих общего круговорота воды экосистемы, элементами которой выступают такие неравнозначные процессы как - подземный сток с суши в моря и внедрение морских вод в пределах береговой области. Под подземным стоком понимается движение воды от областей питания к областям разгрузки под влиянием гидравлического уклона или пьезометрического напора и непосредственно процесс разгрузки подземных вод. Как правило, областями разгрузки служат поверхностные водоемы - реки, озера, моря и океаны. Подземный сток измеряется слоем воды (мм) за год или модулем подземного стока.
В современном понимании, исследование подземного стока заключается в комплексном изучении процессов формирования подземных и поверхностных вод и их взаимодействия. Подробное описание в области развития исследований подземного стока приводилось такими авторами, как Е.А. Басков, В.А.Всеволожский, Р.Г. Джамалов, С.В.Завилейский, И.С.Зекцер, Б.И.Куделин, М.Л.Марков, А.Н. Павлов, О.В.Попов, М.Б.Рябова, И.Ф.Фиделли. исследовали взаимодействие конкретно - морских и подземных вод.
Начало работ по изучению подземного стока прослеживается еще в конце XIX столетия, что определялось необходимостью прогноза водности рек для судоходства в засушливый период года, когда единственным источником питания рек являются подземные воды. Таким образом, первые исследования носили чисто гидрологический характер и были направлены на оценку подземного
питания рек. Еще в 1887-1888 годах Е.К. Кнорре, К.Э. Лембке, В.Г. Шумов использовали результаты измерений меженных расходов реки Яузы для проектировки Мытищинского водозабора, основанного на эксплуатации подземных вод.
В 20-30-х годах 20-го века все еще отсутствовали необходимые материалы по динамике и режиму подземного стока, что не позволяло учитывать всю сложность взаимосвязи поверхностных и подземных вод, и как следствие, обобщались данные по подземному питанию рек. В то время важное теоретическое и практическое значение имела работа М.И.Львовича (1938 год), в которой впервые обобщались данные по подземному стоку в реки в пределах всей страны, и была предложена классификация рек по генетическим „ источникам их питания [23].
Следующим этапом изучения подземного стока следует считать временной интервал 40-50-е годы XX века, когда развитие методов гидрогеологических исследований позволило разработать и обосновать основные принципы оценки подземного стока с учетом его динамики в различные сезоны года. По инициативе Ф.П. Саваренского проводились теоретические исследования в лаборатории гидрогеологических проблем АН СССР. В этот период, благодаря работам Зайцева И.К., Игнатова Н.К., Личкова Б.Л., Макаренко Ф.А., Макеева З.А., Плотникова Н.А., Сулина В.А., Толстихина Н.И. закладываются основы учения о вертикальной гидродинамической и гидрохимической зональности
гидрогеологических структур с выделением зон различной интенсивности подземного стока. Достижениями этого периода также являются работы А.А. Коноплянцева (1947 год) по оценке подземного стока Каратау, а также М.Е.Альтовского, М.А.Вевиоровской, Н.Н.
ю
Веригина, И.В.Гармонова, Г.Н.Каменского, П.А.Киселева, А.В.Лебедева, Н.А.Плотникова, связанные с разработкой расчета расхода потока и инфильтрационного питания подземных вод. Спустя 3 года Б.И.Куделину удалось обосновать зависимость режима подземного стока от типа гидравлической связи подземных вод и поверхностных водоемов (на примере рек Волги и Оки). Все это позволило Б.И.Куделину разработать основы методики количественной оценки подземного стока, что в свою очередь послужило толчком в дальнейшем развитии методики и осуществлению региональной оценки подземного стока на обширных территориях, вместе с тем, удалось разработать метод региональной количественной оценки глубокого подземного стока по среднемноголетнему водному балансу артезианской структуры, в результате многолетних исследований на территории Днепровско-Донецкого бассейна. И итоги выполненных исследований были опубликованы в 1960 году [15].
С начала 50-х годов активно развиваются работы по изучению условий формирования, оценке и картированию подземного стока отдельных крупных регионов и территории страны в целом. Данные работы приобрели особую актуальность в связи с разработкой методик по комплексному использованию и охране водных ресурсов страны. С появлением карт подземного стока появляется возможность оценивать естественные ресурсы пресных подземных вод для перспективного планирования водоснабжения, определять величину питания . подземных вод при составлении водохозяйственных балансов промышленных центров, определять величину питания подземного стока в реки и "величину подземного стока, как элемента водного баланса. Так, например, исследовался
и
подземный сток в акваторию Балтии со стороны Прибалтики М.А. Гатальским (1954 год), А.И. Силиным-Бекчуриным (1958 год).
60-е годы прошлого века послужили началом следующего -этапа в развитии исследований подземного стока: разрабатываются методы аналогового моделирования для определения расхода подземного потока, об этом свидетельствуют работы Ф.М. Бочевера, В.А.Всеволожского, И.К. Гавича, Д.И. Пересунько, В.М. Шестакова.
Н.Н. Виригин (1963 год) исследовал грунтовый сток в реки из водоносных горизонтов, гидравлически связанных с реками, и рассчитал приток подземных вод в момент паводка. Условия формирования подземного стока и вопросы его картирования также освещены в трудах А.З.Амусья, Р.Г.Джамалова, И.Л. Дзилны, И.С.Зекцера, И.В.Зеленина, В.С.Зильберга, В.И.Клименко, А.П.Лаврова, Н.А.Лебедевой, С.Ш.Мирзаева, О.В.Попова, Н.С.Ратнера, О.Н.Толстихина, В.К.Учаева, И.Ф.Фиделли, В.Ф.Шлыгиной.
Изучение роли подземного стока в мировом балансе и глобальном круговороте воды началось сравнительно недавно. Ранее отсутствие данных о подземном стоке в Мировой океан не позволяло количественно оценить подземную составляющую водного баланса. Так, в 1967 году Р.Л. Нейсом была сделана попытка, оценить подземный сток в моря в целом на земном шаре. Однако расчеты имели ориентировочный характер, что не позволяет считать приведенные величины обоснованными. Первая количественная оценка мирового подземного стока была выполнена Р.Г Джамаловым и И.С. Зекцером (1977-1984). Величина подземного стока по их данным равна 2400 км3/год. В последующем, авторским коллективом под руководством И.С. Зекцера, была выполнена карта
12
подземного стока в Мировой океан и даны приблизительные оценки поступления подземных вод со всех континентов [21].
Ученые государственного гидрологического института (ГГИ), в частности отдела подземного стока, на протяжении многих лет занимались исследованием подземного стока в поверхностные водоемы России (и бывшего СССР). Детальное исследование подземного стока в реки осуществлялось С.В.Завилейским, М.Л.Марковым, М.Б.Рябовой и др.
Исследования, проводимые ВСЕГИНГЕО и посвященные изучению региональной динамики подземных вод артезианских структур, условии и процессов гидродинамической связи зон интенсивного подземного стока, представленные в трудах Н.В. Роговской (1972 год). Р.Фриз исследовал формирование подземного питания рек и представил математическую модель механизма формирования подземного стока в насыщенной зоне.
Изучение разгрузки подземных вод в крупные озера принципиально не отличалось от исследований подземного стока в моря. Например, приток подземных вод в Ладожское озеро, в пределах зоны интенсивного водообмена, был оценен в размере 10% от общей величины подземного стока бассейна озера [23].
. Когда впервые за счет бурения дна морей были обнаружены
месторождения полезных ископаемых, поднялся вопрос о роли подземного стока в их формировании. Влияние подземного стока на • . месторождения полезных ископаемых на дне морей только начинает изучаться. Известно, что запасы полезных ископаемых, прежде всего нефти, газа, угля, железных руд, фосфоритов, впечатляют своими объемами. И их происхождение можно определить путем
13
исследования подземного стока, как важного фактора в размыве и отложении химических соединений. В связи с чем, одной из основных задач исследователей становится прогнозирование положения разделяющей границы между морскими и подземными водами при эксплуатации последних. Вместе с тем, вследствие бурения на ф шельфе, материковой зоне и океаническом дне, появился огромный
интерес к возможности эксплуатировать и морские водозаборы.
Все перечисленные работы скорее ориентированы на
исследование количественной составляющей подземного стока, а
^ качественная оценка остается вне поля зрения. Впрочем, остается в
,ч тени изучение возможного загрязняющего воздействия подземного
стока на поверхностные воды, не анализировались загрязняющие
компоненты подземного стока, несмотря на загрязненность вод
Балтики, и в особенности - Финского залива.
Исследования вклада подземных вод в водный и солевой ^ баланс морей, особенно внутренних, со временем приобретают
важнейшее значение, что приводит к активному изучению таких вопросов, как:
ф - количественная характеристика подземного стока,
- оценка вклада подземного стока в общий баланс вод морей,
^ - оценка возможного влияния разгрузки подземных вод на
биотическую составляющую побережий.
При этом подземный сток все еще остается наиболее
трудноопределимым элементом. Если же говорить о подземном
стоке в Балтийское море, то следует заметить, что имеющиеся
'*' -сведения весьма незначительны, что затрудняет определение роли
14
подземного стока в формировании баланса моря и экосистемы в целом. Так, например, в 1965 году И.С. Зекцером и Б.И. Куделиным была проведена количественная оценка подземного стока пресных вод из зоны интенсивного водообмена в Балтийское море в пределах Прибалтийского артезианского бассейна и Рижского залива, и рассчитанная величина подземного стока составляет примерно 35 м3/сек (или около 6,5% пресных вод этого бассейна). Тогда же был оценен глубокий подземный сток на участках прибрежной зоны Рижского залива. Артезианский сток в Рижский залив с территории Латвии составляет около 13% от общей величины подземного стока в реки и море [23]. Количественная оценка подземного стока в Рижский залив также проводилась В.Я. Стапренсом в 1965 году и И.Л. Дзилна в 1970 году, но позже расчеты были модифицированы.
В 1993 году в Петербурге на базе Санкт-Петербургского государственного университета был проведен международный семинар «Экология стран Балтийского моря», посвященный изучению подземного стока в Балтийское море. На нем было проанализировано состояние исследований поступления подземных вод в Балтийское море. Подчеркнута важность изучения всех аспектов подземного стока в Балтику и определены насущные задачи изучения подземного стока. Была разработана и принята комплексная программа исследования разгрузки подземных вод в Балтийское море и экологических аспектов данной проблемы. Среди главных задач были названы:
-совершенствование методов оценки подземного стока,
- количественная оценка подземного стока в различных геоморфологических условиях,
15
- оценка загрязнения вносимого в акваторию подземными водами,
- разработка принципов эколого-гидрогеологического мониторинга подземных вод в пределах бассейна Балтийского моря.
Частично эти задачи решались в ходе выполнения программы «Прямая разгрузка подземных вод в Балтийское море» под руководством Йоко Совери и Киммо Пелтененна (2002). В итоговом отчете приведены обобщенные материалы исследований ряда Балтийских стран по изучению возможной разгрузки подземных вод в Балтийское море.
Благодаря Международной эко-гидрогеологической программе и программе ЮНЕСКО "Человек и биосфера", в последние годы многие страны Европы начали проводить исследования водного баланса Балтийского моря. И лидирующее место занимают работы по количественной оценке взаимодействия подземных и морских вод, по определению подземного стока непосредственно в море и его роли в формировании современного водного и солевого баланса Балтийского моря [23].
Несмотря на бурный интерес к этой проблеме, остается не до конца изученным вероятность и степень возможного загрязнения вод Балтии за счет подземного стока со стороны побережья, на котором расположены крупные промышленные центры. То есть, прибрежная зона представляет собой совокупность различного рода предприятий, сельскохозяйственных производств, хвостохранилищ в пределах территории, на которой расположены такие страны, как: Россия, Дания, Швеция, Финляндия, Германия, Норвегия, Латвия, Литва и
Эстония. При этом, доля загрязнения, привносимого с подземным стоком, никем не анализировалась, несмотря на свою значимость.
Таким образом, проблема загрязнения гидросферы очевидна и требует проработки мер по реабилитации подземного стока, по защите акватории Балтийского моря.
Особой опасности загрязнения гидросферы подвержены густонаселенные урбанизированные территории, к таковым следует отнести западную часть Балтийского моря - Финский залив, решение проблемы, в пределах которого требует детального исследования. Важность данной проблемы подчеркивается включением программы «Потенциальное загрязнение Финского залива через подземный сток» в список важнейших программ исследования международной организации LOICH. Одним из проектов данной проблематики выступают также работы, осуществляемые институтами СевМорГео и ВСЕГЕИ, но величина загрязнения вод акватории за .счет подземного стока по сей день остается неопределенной.
В связи с этим, дальнейшее развитие исследований подземного стока должно быть направлено на: . ,
- определение характера и величины возможного загрязнения вод Финского залива, привносимого подземным стоком;
- установление. качественных и количественных характеристик подземного стока;
- прогноз экологической ситуации в пределах акватории;
- разработку системы эколого-гидрогеологического мониторинга, за подземным стоком и мер по его реабилитации и защите Балтийского моря в целом.
Подробное описание качества вод Финского залива приведено в главе №6.
17 |
