СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Российский патент 2005 года по МПК G01V9/00 

Предложение относится к области защиты окружающей среды, в частности к способам оценки экологического состояния подземных вод, и может быть использовано для определения степени техногенного загрязнения подземных вод, в первую очередь, на территории (горнодобывающих) нефтегазодобывающих регионов.

Известен способ определения источников засоления подземных вод, включающий бурение специальных режимных скважин, наблюдение за изменением уровня подземных вод, их минерализацией и химическим составом, наблюдение 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 (Пат. РФ №2102743, МПК G 01 N 30/86, 1998 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.

Известен способ оценки экологического состояния подземных вод, учитывающий гидрогеоэкологические критерии и связи между ними. В основе названного способа положено бурение наблюдательных и разведочных гидрогеологических скважин, сбор и анализ гидрогеологических и гидрохимических данных с последующим построением карт (применяя бассейновый принцип с разбивкой изучаемой территории на первый, второй и третий уровни) начального уровня (базовых) и переходного уровня (отраслевых), взаимное согласование данных указанных карт с учетом интегрированных природных характеристик и выбор гидрогеоэкологических критериев для оценки экологического состояния подземных вод, а также установление соответствия между ними для дальнейшего районирования и категоризации посредством определения суммы баллов и интервалов сумм баллов, после чего дополнительно создают итоговую карту конечного уровня - карту гидрогеоэкологического районирования и осуществляют ее анализ. Среди основных критериев оценки экологического состояния подземных вод выбраны: защищенность подземных вод, интенсивность загрязнения подземных вод, коэффициент техногенной нагрузки и модуль ионного стока (Патент №2172502, МПК 7 G 01 V 9/00, 2001). К недостаткам данного способа, учитывая тот факт, что каждый из выбранных критериев зависит от природных и техногенных факторов, следует отнести то, что он, используя отдельные наиболее информативные гидрогеологические и экологические показатели и связи между ними, не позволяет получить полную и объективную информацию о природе и характере источника загрязнения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ оценки экологического состояния подземных вод, включающий бурение наблюдательных и/или разведочных гидрогеологических скважин, сбор и анализ природных гидрогеологических, гидрохимических данных и данных о техногенных объектах с последующим построением карт (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 источнике загрязнения и изменения состава вод, поскольку не учитывает ряд важнейших показателей, в частности показателей активизации природных процессов в результате техногенного воздействия, не производится соответствие между природными и техногенными показателями.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение достоверности и эффективности оценки экологического состояния подземных вод за счет выявления гидрогеохимических неоднородностей состава подземных вод, позволяющих определить источники влияния на изменения экологического состояния подземных вод.

Поставленная задача решается способом оценки экологического состояния подземных вод, включающим бурение наблюдательных и/или разведочных гидрогеологических скважин, сбор и анализ природных гидрогеологических, гидрохимических данных и данных о техногенных объектах с последующим построением карт.

Новым является то, что по гидрогеохимическим данным дополнительно составляют карты гидрогеохимических неоднородностей состава подземных вод для каждого водоносного горизонта и вод техногенных объектов, для чего выбирают гидрогеохимические показатели изменения состава подземных вод, устанавливают соответствие между ними для определения источника изменения состояния подземных вод и путей миграции загрязняющих веществ путем вычисления величины относительной энтропии системы (%) по формуле:

где - сумма концентраций учитываемых показателей, мг/л;

n - количество учитываемых показателей,

производят взаимное согласование данных указанных карт, интегрирование природных и техногенных показателей изменения состава вод, проводят экспертную оценку степени экологического состояния подземных вод, после чего создают итоговую карту экологического состояния подземных вод и осуществляют ее анализ.

Анализ отобранных в процессе патентных исследований технических решений показал, что в науке и технике нет объекта, аналогичного по заявляемой совокупности признаков и выполняемой технической задаче, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

На фиг.1 представлен характер изменения гидрогеохимической неоднородности состава подземных вод по величине относительной энтропии на промыслах 1 и 2.

На фиг.2 представлена схема гидрогеохимической неоднородности состава подземных вод горизонтов P₂kz₂ и P₂kz₁ по величине общей энтропии.

На фиг.3 представлена схема гидрогеохимической неоднородности состава подземных вод горизонтов Р₂kz₂ и P₂kz₁ под воздействием природных и техногенных факторов.

На фиг.4 представлена схема гидрогеохимической неоднородности подземных вод горизонтов Р₂kz₂ по техногенным факторам и P₂kz₁ по природным факторам.

Сущность способа заключается в следующем.

Используя природные гидрогеологические, гидрохимические данные и данные о техногенных объектах, строят карты фактического материала по известным методикам. По гидрогеохимическим данным дополнительно составляют карты гидрогеохимических неоднородностей состава подземных вод для каждого водоносного горизонта и вод техногенных объектов. Для чего выбирают гидрогеохимические показатели изменения состава подземных вод, устанавливают соответствие между ними для определения источника изменения состояния подземных вод и путей миграции загрязняющих веществ. Это позволяет наметить участки с измененным химическим составом вод под воздействием природных либо техногенных факторов, либо тех и других совместно.

Для выявления гидрогеохимических неоднородностей в составе подземных вод выбирается не менее четырех показателей. Нами были выбраны четыре показателя: концентрации сульфатов, хлоридов, натрия и кальция. Это сделано по ряду причин. Во-первых, выявление и изучение нарушения гидрогеохимической неоднородности осуществляются в зоне пресных, как правило, гидрокарбонатных вод, которая характеризуется абсолютным распространением вод гидрокарбонатного, реже сульфатно-гидрокарбонатного и лишь отчасти гидрокарбонатно-сульфатного состава в анионной и магниево-кальциево-натриевого в катионной части. Во-вторых, принимается, что основными природными процессами изменения состава воды являются общеизвестные факторы (растворение или осаждение минералов, катионный обмен и пр.). В-третьих, для представления более реальной обстановки собираются максимальные сведения о техногенных объектах. В-четвертых, при оценке экологического состояния подземных вод учитывалось не столько прямое влияние техногенных процессов на интенсивность проявления самих себя как таковых, сколько их косвенное влияние на проявление (усиление, ослабление) природных процессов. Ведь всем понятно, что хлоридно-натриевые или хлоридно-кальциевые глубинные рассолы сами по себе в зоне пресных вод не появятся, даже с учетом всех гидрогеологических условий территории.

Хлориды и кальций имеют между собой сильную положительную корреляцию, как основные составляющие глубинных вод, а сульфаты и натрий, как основные элементы вод сульфатно-натриевой гидрохимической зоны региона. Пара сульфаты и кальций рассматривается как минеральная составляющая водовмещающих пород (загипсованность разреза), с одной стороны, так и вод сульфатно-кальциевого состава, с другой стороны, отчего совместно с сульфатно-натриевым типом вод принимается единый термин - сульфатные воды.

Мерой гидрогеохимической неоднородности состава подземных вод используют величину относительной энтропии системы (ΔН). Величину относительной энтропии системы рассчитывают по вышеуказанным показателям. Расчет относительной энтропии производят по формуле:

где - сумма концентраций учитываемых показателей, мг/л;

n - количество учитываемых показателей.

Величина гидрогеохимической неоднородности (относительная энтропия) вычисляется в процентах. Низкие величины, менее 30%, служат указанием на развитие участков с пресными подземными водами, не испытавших сколько-нибудь заметного влияния со стороны природных или техногенных факторов, и здесь не может происходить формирование техногенных очагов загрязнения. Если величина относительной энтропии находится в диапазоне от 30 до 80%, то эти воды уже испытали определенное воздействие, которое, как правило, проявляется в увеличении жесткости воды и не более. В случае, когда величина превышала 80%, но была менее 125%, то это означало, что воды испытали непосредственное воздействие со стороны техногенных факторов. При этом изменение гидрогеохимической неоднородности подземных вод сопровождается формированием монокомпонентного очага загрязнения по любому из определяемых показателей. При величине более 125% состав воды изменяется очень сильно и довольно быстро с обязательным формированием очага загрязнения, обычно двух- и даже поликомпонентного.

Расчеты следует проводить последовательно: сначала по всем четырем показателям вместе, затем по трем показателям и завершаются расчеты по двум показателям.

После установления изменения в гидрогеохимическом поле подземных вод для количественного определения роли природного и/или техногенного фактора рассчитывают относительную энтропию системы по трем показателям соответственно: сульфаты-кальций-натрий (природный фактор) и хлориды-кальций-натрий (техногенный фактор). После установления природного и/или техногенного факторов, оказывающих наибольшее воздействие на изменение гидрогеохимической неоднородности в подземных водоносных горизонтах, производят расчеты, которые позволят уточнить, какой из факторов или их совокупность оказывает максимальное воздействие. Чтобы определить роль того или иного показателя, в каждом из факторов осуществляются расчеты относительной энтропии по парам показателей. В природном факторе - это сульфатно-кальциевый показатель (роль растворения сульфатных пород) и сульфатно-натриевый показатель (прямое влияние соленых сульфатно-натриевых вод), а в техногенном факторе - хлоридно-кальциевый и хлоридно-натриевый.

Затем производится согласование построенных карт для каждого водоносного горизонта, интегрирование природных и техногенных показателей изменения состава вод. На основе расчета гидрогеохимической неоднородности подземных вод по величине общей энтропии, по техногенным и природным показателям проводится оценка степени экологического состояния подземных вод и создается итоговая карта. Анализ позволяет выделить участки техногенного воздействия на пресные подземные воды и запланировать природоохранные мероприятия.

Пример №1

Рассмотрим динамику изменения гидрогеохимической неоднородности (относительной энтропии) состава вод, рассчитанную по всем четырем показателям. Такую величину относительной энтропии назовем общей.

На фиг.1 в графическом виде отражена динамика изменения относительной энтропии, рассчитанная по результатам химических анализов подземных вод на промысле 1 и 2. Только на втором промысле имеются водоисточники (всего 3), воды которых испытывают очень сильное изменение гидрогеохимической неоднородности. В них формируются поликомпонентные очаги загрязнения (с превышением ПДК по хлоридам, натрию, минерализации, жесткости и сульфатам). В некоторых местах подземные воды испытали сильное изменение гидрогеохимической неоднородности (величина относительной энтропии колеблется от 60 до 100%), что проявилось в формировании устойчивого очага загрязнения 2-3-х компонентного состава (всего 5 пунктов наблюдения). На большей части территорий нефтепромыслов подземные воды претерпели небольшие изменения гидрогеохимической неоднородности (величина относительной энтропии изменяется от 20 до 40%). Обычно в таких случаях очаги загрязнения не возникают, у подземных вод наблюдается повышенная жесткость, которая может превышать допустимые значения ПДК. Небольшое количество водоисточников не обнаруживают изменения гидрогеохимической неоднородности (величина относительной энтропии менее 30-33%), иными словами, подземные воды в них чистые либо испытывают очень незначительное изменение гидрогеохимической неоднородности.

Анализируя данные, представленные на фиг.1, нельзя с уверенностью утверждать о природе возникновения гидрогеохимической неоднородности в водоносных горизонтах. Поэтому расчеты были продолжены по пути установления природы загрязнения. Ниже приведем расчеты, показывающие динамику изменения гидрогеохимической неоднородности, рассчитанной по трем и двум показателям с целью определения, какой из факторов: природный и/или техногенный оказывает наибольшее влияние.

Пример №2

На территории юго-востока Татарстана в пределах площади А одного из месторождений нефти бурят наблюдательные и/или разведочные гидрогеологические скважины №32 Д, №12, №225 и другие. Производят сбор и анализ гидрогеологических, гидрохимических данных и данных о техногенных объектах с расчетом величины относительной энтропии (табл.1). На фигурах 2-4 в последовательной форме представлены результаты проделанных расчетов. Судя по фиг.2, где отражено изменение общей относительной величины энтропии и выделены участки с сильным и умеренным воздействием по двум водоносным горизонтам, нетрудно видеть, что оба участка достаточно хорошо отделены друг от друга и формируются под воздействием различных источников загрязнения.

На фиг.3 отражены результаты влияния природных и техногенных факторов на изменение гидрогеохимической неоднородности. Выделенные два участка имеют разную природу. Субширотный участок (нижнеказанский водоносный горизонт) испытывает довольно сильное воздействие со стороны техногенного фактора. Он, в свою очередь, обусловил усиление протекания природного фактора. Различие заключается в разных величинах площадей проявления того или иного фактора.

Несколько иная картина характерна для второго участка, где техногенные процессы имеют преобладающее значение.

На фиг.4 с большой наглядностью отражено проявление природного фактора воздействия (сульфатно-кальциевый показатель) на изменение гидрогеохимической неоднородности состава подземных вод в водоносном горизонте нижнеказанского подъяруса, обусловленного растворением сульфатных минералов водовмещающих пород, с одной стороны, и техногенного фактора в водоносном горизонте верхнеказанского подъяруса (хлоридно-натриевый показатель) в результате прямого попадания глубинных метаморфизованных рассолов в зону пресных вод, с другой стороны.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить интенсивность преобразований в подземной гидросфере (с формированием очага загрязнения), определить факторы и показатели, приводящие к этим изменениям.

Пример №3

На территории другого месторождения нефти, на северо-востоке Республики, бурят наблюдательные скважины №10373, №10355 и другие, производят сбор и анализ гидрогеологических, гидрохимических данных и данных о техногенных объектах с расчетом величины относительной энтропии системы (табл.2).

Таблица 2
Величина гидрогеохимической неоднородности состава подземных водВодоисточникиСредняя многолетняя концентрация (мг/л)Значение энтропии системы, %SO₄СlСаNaОбщПриродный факторТехногенный факторSO₄-Na-СаSO₄-NaSO₄-СаСl-Са-NaCl-СаСl-Na123456789101112В верхней строке данные за 1993-1997 гг, а в нижней - за 1998-2001 гг.10392106134753825311640122084504370156460924017840112193574810354110179173823519710211291022161867637197102313101035564669452201256126580761026622146713761035684114140432614581696721061333324134,5815961035782143186182815410181161039373741418,52112481284104178212812555261468169781109115622514671587103731261701311033418892010,51081248163663516692314111039011728617767401871025151278390205424417510301914103501215507818147,578348011505315115573310351107199069201477,510541432397602216891054103528851102682214671265837911543221357,51375103537722996119136710,554632910726171147105,53103889035976821146711543846952415935106310358853863381711568,543,597636844191266,5105510359845214438221458137494551343622145812,574104141328,1466,6231,5557,5132835042532129,5103621081,7536,6258,4478,51217342375324291036682,4269,6224,230,53817511251610,51036883,976,8120,344,022,513,558137,551036180,1100,6129,668,225,51568168,571036075,47,199,760,018135,5710531036345,612,6107,532,0151146952Продолжение таблицы 21234567891011121036762,75,780,947,21511568431036980,529,096,629,31912579531036581,267,5186,16,6231541014931037771,457,164,420,113845,563210378248,2477,8258,439,639261016191251037967,498,758,830,9139456321039991,17,682,963,31815679431039592,918,275,272,919136,57104410396100,3102,3229,23,329174,51117114,51040065,49,373,247,215115684310398104,99,581,864,5191477943465321030146,8238,7311,993643735,532131546533482,933,1118,0155,347342019166646534410,9110,171,3295,1523521,51623713,546535672,4227,3204,0265,17649272632141638622286,2100,6102,9151,840261413188910394249,749,7140,475,733231113147510401146,244,862,5151,7271810,5814571040247,47,6126,740,3161247105,521040374,954,2116,227,319124711741040471,816,376,849,5161156943

Анализируя полученные результаты, нетрудно оконтурить один единый очаг загрязнения (ПН №10392, 10417, 10373 и др.), в котором обособляются три участка. Первый расположен на севере площади и контролируется родником №10354, второй находится в центральной части и контролируется скважиной (10392) и родником (10417), последний третий очаг загрязнения формируется ниже по водотоку подземных вод от второго и контролируется скважинами (10373, 10390, 10357) и родниками (10356, 10355 и др.).

За пять лет на северном участке обозначилось ухудшение экологической ситуации, хотя классическими методами данное изменение не выявляется. Это удалось сделать только с помощью выявления гидрогеохимической неоднородности. Оказалось, что величина ΔН за весь период наблюдений на первом (северном) участке составила 36% при значении - 35% в 1993-1997 гг. и 37% - в 1998-2001 г. Основной вклад в нарушение гидрохимической неоднородности вносит техногенный фактор (21-23%), доля природного фактора составляет 19%. Иными словами, техногенный фактор начинает проявляться в нарушении гидрогеохимической неоднородности участка и, видимо, опосредованно, не нарушая природную составляющую. Это выражено в повышенной жесткости вод (от 9 до 12 мг-экв/л). Показателем техногенного фактора на этом участке явился хлоридно-кальциевый показатель (12-13%), а доля хлоридно-натриевого показателя меньше - 9-10%. В природном факторе главный вклад имеет сульфатно-кальциевый показатель, а доля сульфатно-натриевого показателя ниже.

Второй участок выделяется и классическим способом, и методом выявления гидрогеохимической неоднородности. Классический метод не отражает всей полноты проявления факторов, влияющих на формирование этого очага загрязнения. По классической схеме за пять лет площадь очага практически не изменилась, что можно объяснить геоморфологическими и гидрогеологическими особенностями участка.

Расчет величины относительной энтропии показал, что гидрогеохимическая неоднородность состава вод участка очень сильно нарушена (ΔН=147). При этом за пять лет нарушение гидрохимической неоднородности увеличилось на 62%. Основной вклад в нарушение вносит техногенный фактор (84-93%), доля природного фактора в два раза меньше (40%). Сравнение этих величин по временным отрезкам (1993-1997 и 1998-2001 г.) не выявило роста доли природного фактора, хотя влияние техногенного фактора возросло с 84 до 93%. Показателем техногенного фактора на этом участке явился хлоридно-кальциевый признак (50-57%), а доля хлоридно-натриевого признака меньше - 43-48%. В природном факторе главный вклад имеет сульфатно-кальциевый показатель (20-21%), а доля сульфатно-натриевого показателя ниже.

Изменение гидрогеохимической неоднородности состава подземных вод на третьем участке за последние пять лет проявлено в сторону формирования очага загрязнения подземных вод на достаточно большой территории. В большинстве контролируемых водоисточников произошло ухудшение обстановки (ΔН увеличилось с 20 до 44%). Нарушение гидрогеохимической неоднородности здесь проявлено не только в увеличении жесткости вод, но и в том, что здесь формируется монокомпонентный очаг загрязнения (по минерализации, за счет роста содержания хлоридов). Тем самым выявляется определяющая роль в формировании очага - техногенного фактора и, главным образом, хлоридно-кальциевого показателя (18-30%).

Косвенным признаком влияния техногенных процессов нефтедобычи на изменение гидрохимической неоднородности состава вод служит тот факт, что в речных водах участки с повышенной концентрацией хлоридов локализованы на тех же отрезках, где находятся и пункты наблюдения за подземными водами. Таким образом, если ничего не изменится в ближайшее время, то на промысле Б следует ожидать формирования очага загрязнения подземных вод на площади 9 км² при длине почти 6 км и ширине до 1,5 км.

Предлагаемый способ оценки экологического состояния подземных вод путем выявления гидрогеохимических неоднородностей в составе подземных вод зоны активного водообмена под воздействием техногенных и, как следствие, природных процессов, в отличии от всех известных, позволяет количественно установить, какой фактор является доминирующим в изменении состава и качества воды в каждой точке, на каждом участке и в регионе в целом. Этот способ позволяет спрогнозировать стадийность подобных изменений, дает основания выявить тот показатель, по которому происходит изменение состава и качества воды на каждой стадии конкретно, будь то жесткость воды, минерализация и т.д.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может найти применение при оценке экологического состояния подземных вод. Сущность: бурят наблюдательные и/или разведочные гидрогеологические скважины. Собирают и анализируют природные гидрогеологические, гидрохимические данные и данные о техногенных объектах. Составляют карты. По гидрогеохимическим данным дополнительно составляют карты гидрогеохимических неоднородностей вод для каждого водоносного горизонта и вод техногенных объектов. Производят взаимное согласование данных карт. Определяют источник загрязнения и пути миграции загрязняющих веществ путем вычисления величины относительной энтропии. Осуществляют оценку степени экологического состояния подземных вод. 4 ил.

Способ оценки экологического состояния подземных вод, включающий бурение наблюдательных и/или разведочных гидрогеологических скважин, сбор и анализ природных гидрогеологических, гидрохимических данных и данных о техногенных объектах с последующим построением карт, отличающийся тем, что по гидрогеохимическим данным дополнительно составляют карты гидрогеохимических неоднородностей состава вод для каждого водоносного горизонта и вод техногенных объектов, производят взаимное согласование данных указанных карт, интегрирование природных и техногенных показателей, для чего выбирают не менее четырех показателей состава вод, определяют концентрацию хлоридов, сульфатов, кальция и натрия в составе подземных вод, устанавливают соответствие между ними для дальнейшего определения источника изменения состояния подземных вод и путей миграции загрязняющих веществ последовательно для каждого сочетания показателей путем вычисления величины относительной энтропии системы по формуле, %:

где - сумма концентраций учитываемых показателей, мг/л:

n - количество учитываемых показателей,

затем осуществляют оценку степени экологического состояния подземных вод, после чего дополнительно создают итоговую карту экологического состояния подземных вод и осуществляют ее анализ.