СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Российский патент 2001 года по МПК G01V9/02 

Изобретение относится к способам оценки экологического состояния подземных вод и может быть использовано для определения техногенного загрязнения подземных вод нефтедобывающих регионов.

Известен способ определения источников засолонения подземных вод, включающий бурение специальных режимных скважин, наблюдения за изменением уровня подземных вод, их минерализацией, химическим составом, наблюдения за атмосферными осадками и поверхностным стоком с последующими балансовыми расчетами, изучение характера распределения солей в плане и разрезе изучаемых водоносных горизонтов и выявление источников поступления солей (Барон В.А. и др. "Прогноз режима грунтовых вод в орошаемых районах", Москва, Недра, 1981 г., с.22). Недостатком способа является неоднозначность интерпретации данных режимных наблюдений, что снижает достоверность получаемых результатов.

Известен способ опознания источника загрязнения окружающей среды, включающий отбор и анализ проб воды и/или почвы, определение относительной концентрации и сравнение набора компонентов, идентификацию и опознание источника загрязнения посредством сравнения n-мерных векторов, выбор пространства и разграничение на множество однородных областей по определенному показателю с последующим анализом показателей с экологическими нормативами (заявка N 96100934, МКИ G 01 N 30/86, 1996 г.). Данный способ использует отдельные наиболее информативные показатели без учета гидрогеологических и экологических показателей и связи между ними и не позволяет получить полную и объективную информацию об источнике загрязнения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ оценки экологического состояния подземных вод, включающий бурение нагнетательных и разведывательных гидрогеологических скважин, сбор и анализ природных гидрогеологических и гидрохимических данных с последующим выявлением участков интенсивного техногенного загрязнения, переходной зоны и области незагрязненных подземных вод, оконтуривание области техногенного загрязнения, построением карт и их анализом (В.М.Гольдберг, С.Газда "Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения", Москва, Недра, 1984 г, с. 161-164). Однако известный способ не позволяет получить полную и объективную информацию об экологическом состоянии подземных вод, поскольку не учитывает взаимной связи между природными характеристиками.

В основу настоящего изобретения положена задача создания эффективного способа оценки экологического состояния подземных вод, учитывающего гидрогеоэкологические критерии и связи между ними.

Поставленная задача решается тем, что в способе оценки экологического состояния подземных вод, включающем бурение наблюдательных и разведывательных гидрогеологических скважин, сбор и анализ гидрогеологических и гидрохимических данных с последующим построением карт, для построения карт используют бассейновый принцип с разбивкой изучаемой территории на первый, второй и третий уровни, в качестве карт строят базовые карты начального уровня и отраслевые карты переходного уровня, производят взаимное согласование данных указанных карт, интегрирование природных характеристик и выбор гидрогеоэкологических критериев для оценки экологического состояния подземных вод, а также установление соответствия между ними для дальнейшего районирования и категоризации путем определения суммы баллов и интервалов сумм баллов, после чего дополнительно создают итоговую карту конечного уровня - карту гидрогеоэкологического районирования и осуществляют ее анализ.

Согласно бассейновому принципу каждый участок соответствует какому-либо водосборному бассейну малой реки и устанавливают 3 уровня дифференциации бассейнов поверхностных и подземных вод: первый уровень - региональный - обозначает бассейны пяти крупных рек (Кама, Степной Зай, Шешма, Большой Черемшан). Бассейны второго уровня формируют основные притоки рек второго порядка, имеющие протяженность в несколько десятков километров (реки типа Кичуй, Вятки, Кувак, Малой Шешмы и др.). Бассейны третьего уровня - основного с точки зрения гидрогеоэкологического районирования - отвечают водосборным площадям малых рек, протяженностью до 15-20 км.

Используя бассейновый принцип, гидрогеологические и гидрохимические данные, строят карты начального уровня и отраслевые карты переходного уровня по известным методикам.

Карты начального уровня - это серия следующих карт, которые строят по общеизвестным методикам ("Методическое руководство по геологической съемке масштаба 1: 50000", Москва, 1975 г. и др.):
1. Карта фактического материала.

2. Гидрогеологическая схематическая карта.

3. Гидродинамическая карта (Справочное руководство гидрогеолога. М.: Недра, 1967 г.).

4. Карта потенциальных источников загрязнения.

5. Карта оценки степени загрязнения природных вод (строят по методике НПЦ "Гидромониторинг"; Гольдберг, Газда, 1984).

Отраслевые (параметрические) карты:
6. Карта техногенной нагрузки (по методике, разработанной в ВИМСе. Маринов, Разведка и охрана недр, 1998, N 6, с. 36-38).

7. Схематическая карта защищенности подземных вод (по методике ТГРУ, 1992; Гольдберг, Газда "Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения", Москва, Недра, 1984 г.).

8. Схематическая карта ионного стока (выполняют по общепринятым методикам ВСЕГИНГЕО, СП(б)ГГИ, ГИДЕК и ТГРУ, 1997 г.).

9. Карта водопотребления (строят по методике ТГРУ, 1990 г.).

Каждая из указанных карт отображает реально существующее разнообразие природных факторов техногеосистемы, но не дает полной информации об экологическом состоянии подземных вод исследуемого региона. С этой целью проводят взаимное согласование данных, отраженных на картах начального уровня и отраслевых картах переходного уровня, интегрирование частных природных характеристик и выбор гидрогеоэкологических критериев для оценки экологического состояния подземных вод.

Одним из основных критериев для оценки экологического состояния подземных вод выбрана защищенность подземных вод, которая зависит от многих факторов: природных, техногенных и физико-химических. Для согласования всех факторов и объективного отражения степени защищенности предложено применить систему баллов: чем больше сумма баллов, тем выше защищенность подземных вод (В. М. Гольдберг, С.Газда "Гидрогеологические основы охраны подземных вод", Москва, "Недра", 1984 г, с. 167-173).

В качестве других критериев для оценки экологического состояния подземных вод выбраны: интенсивность загрязнения подземных вод, коэффициент техногенной нагрузки и модуль ионного стока.

Интенсивность загрязнения подземных вод показывает природную гидрохимическую обстановку и ситуационную оценку качества подземных рек, степень их загрязнения, а также характер (вид) и размеры области загрязнения. В итоге устанавливается градация интенсивности загрязнения подземных вод, как это предложено в прототипе (Гольдберг, Газда, 1984).

Модуль ионного стока - относительная величина, показывающая количество главных ионов химического состава воды, стекающих с поверхностным и подземным стоком водосбора водоема за определенное время с единицы площади водосбора. Единица измерения имеет вид тонна/км²хмес, или другую размерность (Зенин А. А. , Белоусова Н.В. Гидрохимический словарь. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988 г., с. 84-85).

Коэффициент техногенной нагрузки показывает интенсивность техногенного воздействия потенциальных источников загрязнения, расположенных на какой-либо площади (на площади водосборного бассейна). Он включает два показателя: 1) плотность техногенной нагрузки, т.е. количество (суммарное) источников загрязнения, расположенных на какой-либо площади (площади водосборного бассейна) и 2) интенсивность техногенной нагрузки, т.е. суммарная площадь, занимаемая всеми источниками загрязнения, расположенных на какой-либо площади (площади водосборного бассейна) (Маринов Б.Н. О некоторых направлениях в составлении геоэкологических карт в ВИМСе. Разведка и охрана недр, 1998, N 6, с. 36-38).

Каждый из выбранных критериев зависит от природных и техногенных факторов. Поэтому проводят их согласование и устанавливают соответствие между ними для дальнейшего районирования и категоризации путем определения суммы баллов и интервалов сумм баллов. Затем строят итоговую карту и осуществляют ее анализ.

Анализ отобранных в процессе поиска известных решений показал, что в науке и технике нет объекта, аналогичного по заявляемой совокупности признаков и наличием вышеуказанных свойств и преимуществ, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". Для доказательства соответствия изобретения критерию "промышленная применимость" приводим пример конкретного выполнения способа.

Пример.

На территории юго-восточного Татарстана в пределах Ново-Елховского месторождения, вовлеченной в промышленную деятельность АО "ТАТНЕФТЬ", бурят нагнетательные и разведывательные гидрогеологические скважины N 732б, N 1004 и другие, производят сбор и анализ гидрогеологических и гидрохимических данных.

По совокупности показателей, отражающих гидрогеоэкологическую ситуацию региона, пользуясь бассейновым принципом, строят базовые карты начального уровня N 1 - N 5 и отраслевые карты переходного уровня N 6 - N 9.

Анализ построенных карт позволяет выделить гидрогеоэкологические критерии для оценки состояния подземных вод: степень защищенности подземных вод, интенсивность загрязнения, коэффициент техногенной нагрузки и модуль ионного стока.

Выбранные критерии, основанные на учете многих факторов, согласовывают друг с другом для дальнейшей категоризации и районирования, с целью получения более полной и объективной информации об экологическом состоянии подземных вод. Для этого строят таблицы по согласованию этих критериев.

Так, степень защищенности и интенсивность загрязнения подземных вод отражены в таблице 1, где по ординате отложены данные по степени защищенности, взятые с карты защищенности подземных вод, по абсциссе - величина интенсивности загрязнения в виде комплексных показателей, учитывающих градацию загрязнения по площади, длине и ширине загрязнения.

Градация степени защищенности подземных вод от попадания в них загрязняющих веществ с поверхности Земли принята в соответствии с табл. 1A.

Степень защищенности подземных вод определяется по сумме баллов, обусловленной глубиной залегания подземных вод, мощностью слабопроницаемых пород (глин и т.п.) и литологией и фильтрационными свойствами последних (Гольдберг, Газда, 1984, с. 172).

Градация интенсивности загрязнения подземных вод принималась в соответствии с табл. 1Б.

Градации а и б характеризуют интенсивность загрязнения подземных вод, соответствующие тем случаям, когда не превышены предельно допустимые концентрации показателей качества воды согласно ГОСТу 2874-82 "Вода питьевая" и СаНПиНу 2.1.4.559-96, но отмечена тенденция роста содержания загрязняющих веществ, но явные признаки загрязнения подземных вод еще отсутствуют. Иными словами выполняются следующие условия:
а) C_{фоновое}≅C_{измер енное} и
б) C_{измер енное}≅C_ПДК.

где C_{фоновое} - фоновая концентрация элемента,
C_{измер енное} - измеренная концентрация элемента,
C_ПДК - предельно допустимая концентрация элемента по ГОСТу.

При условии что C_изм>C_ПДК производили дальнейшие расчеты по В.М.Гольдбергу, С.Газда (1984).

В результате подсчета баллов (таблица 1) выделяют параметры степеней загрязнения для дальнейшего районирования и категоризации. Так, предложено выделить участки с сильной степенью загрязнения, чему соответствует количество баллов 0-3, а также со средней степенью загрязнения с количеством баллов 4-6, с низкой степенью 7-9, и участки распространения чистых подземных вод, которым соответствует 10-12 баллов.

Полученная градация в последующем уточняется путем детализации данных по концентрации хлора в г/дм³, как показателя выноса загрязняющих веществ с единицы площади водосборного бассейна, вынесенного на карту модуля ионного стока (таблица 2).

Такой подход повышает точность оценки по принятому нами бассейновому принципу.

Для разделения территории по интенсивности техногенной нагрузки соотносят данные по степени загрязнения со степенью техногенной нагрузки. С этой целью составляют таблицу 3, где учитывают данные таблиц 1 и 2, полученные при составлении карты техногенной нагрузки. По ординате отложена шкала по степени загрязнения и защищенности подземных вод (в баллах), а по абсциссе - величина коэффициента техногенной нагрузки на подземные воды, рассчитанной по бассейновому принципу.

На основании таблицы 3, производят категоризацию региона по интенсивности вовлечения территории в пределах водосборного бассейна, с градацией по категориям.

На основе полученных гидрогеоэкологических данных и проведения категоризации, строят итоговую карту конечного уровня: карту гидрогеоэкологического районирования N 10 (чертеж). На чертеже изображен фрагмент карты районирования территории Ново-Елховского месторождения нефти по гидрогеоэкологическим параметрам. Римскими цифрами на карте обозначают участки и территории, разграниченные по степени вовлечения в промышленную деятельность АО "Татнефть". Цифра I соответствует территории, которая незатронута процессами промышленного и сельскохозяйственного загрязнения (сумма баллов 19-24). Участки и территории умеренного загрязнения, требующие установления контроля за техногенным воздействием (сумма баллов 13-18), обозначены римской цифрой II и окрашена в зеленый цвет. Территории, подвергшиеся опасному загрязнению (сумма балов 6-12) и требующие применения первоочередных реабилитационных мероприятий, в том числе поиска альтернативных источников водоснабжения, - обозначаются римской цифрой III и окрашиваются в желтый цвет. Участки с запредельной по санитарным нормам степени загрязнения подземных вод (сумма баллов 0-5), в пределах которых требуется применения неотложных и срочных реабилитационных мероприятий, обозначаются римской цифрой IV и заливаются красным цветом. Зоны экологического бедствия (сумма баллов 0-3) также обозначается римской цифрой IV, но контура участков заливаются бордовой окраской.

На карту проставляют речную сеть, границы водосборных бассейнов, контура населенных пунктов и их названия, наносят контур Ново-Елховского месторождения нефти, границы деятельности нефтедобывающих управлений. Возле каждого населенного пункта проставляют табличку с четырьмя полями. В крайнем левом поле выставляют геологический возраст (индекс) эксплуатируемого водоносного горизонта. В верхнее центральное поле выставляют цифру, обозначающую общий объем водопотребления в данном населенном пункте (м³/сутки), в нижнем поле - объем питьевой воды (м³/сутки). Цветом указывают концентрацию хлора (в г/дм³), при этом устанавливают следующую градацию цветовой гамме и соответственно в г/дм³: голубой цвет - менее 0.05, зеленый - 0.05-0.15, желтый - 0.15-0.35 и красный - более 0.35. Дополнительно в виде букв, в правом поле выставляют другие показатели качества воды. При этом цифра возле буквы означает кратность превышения ПДК по ГОСТу и СаНПиНу: Ж - жесткость общая, СО - сухой остаток, М - минерализация, Fe - железо общее, SO₄ - сульфаты, NO₃ - нитраты, Ca - кальций, Mg - магний и т.д.

Анализ итоговой карты и данных таблиц, устанавливающих связь гидрогеоэкологических критериев между собой, а также интервалов значений сумм баллов для оценки экологического состояния подземных вод, позволяет сделать следующие выводы:
1. Территории и участки, незатронутые или слабо затронутые процессами промышленного и сельскохозяйственного загрязнения, имеющие в сумме больше всего баллов 19-24, предлагают называть чистыми и окрашивать в голубой цвет, а на карте обозначают римской цифрой I.

2. Участки контролируемого загрязнения (с количеством суммы баллов 13-18) называют участками умеренного загрязнения и окрашивают в зеленый цвет, и на карте обозначают римской цифрой II.

3. Участки, подвергшиеся опасному загрязнению, которым соответствует сумма баллов 6-12, предлагают называть территорией среднего загрязнения и окрашивают в желтый цвет, обозначают римской цифрой III.

4. Участки с запредельной по санитарным нормам степенью загрязнения подземных вод, для которых сумма баллов равна 0-5, предлагают называть территорией с сильным загрязнением и обозначать римской цифрой IY. При этом внутри этой категории выделяют участки, которым присваивают ранг экологической катастрофы, с количеством баллов 0-3, интенсивность окраски увеличивают до бордовой, в то время как остальную территорию окрашивают в красный цвет.

Предлагаемый способ является эффективным и позволяет получить более полную информацию об экологическом состоянии подземных вод, поскольку основан на использовании согласованных и взаимосвязанных между собой гидрогеологических, геологических и экологических критериев, является наглядным и объективным.

Использование: для определения техногенного загрязнения подземных вод. Сущность: бурят наблюдательные и разведывательные скважины. Проводят сбор и анализ природных гидрогеологических и гидрохимических данных с последующим построением карт с использованием бассейнового принципа с разбивкой изучаемой территории на первый, второй и третий уровни. В качестве карт строят базовые карты начального уровня и отраслевые карты переходного уровня, производят взаимное согласование данных указанных карт, интегрирование природных характеристик и выбор гидрогеоэкологических критериев для оценки экологического состояния подземных вод, а также установление соответствия между ними для дальнейшего районирования и категоризации путем определения суммы баллов и интервалов сумм баллов. Дополнительно создают итоговую карту конечного уровня - карту гидрогеоэкологического районирования и осуществляют ее анализ. Технический результат: повышение эффективности и достоверности. 1 ил., 5 табл.

Способ оценки экологического состояния подземных вод, включающий бурение наблюдательных и разведывательных гидрогеологических скважин, сбор и анализ природных гидрогеологических и гидрохимических данных с последующим построением карт, отличающийся тем, что для построения карт используют бассейновый принцип с разбивкой изучаемой территории на первый, второй и третий уровни, в качестве карт строят базовые карты начального уровня и отраслевые карты переходного уровня, производят взаимное согласование данных указанных карт, интегрирование природных характеристик и выбор гидрогеоэкологических критериев для оценки экологического состояния подземных вод, а также установление соответствия между ними для дальнейшего районирования и категоризации путем определения суммы баллов и интервалов сумм баллов, после чего дополнительно создают итоговую карту конечного уровня - карту гидрогеоэкологического районирования и осуществляют ее анализ.