На правах рукописи

Летин Андрей Леонидович

ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ

ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ОПТИМИЗАЦИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЯ НА ЮГЕ

ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РЕГИОНА

25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Воронеж – 2009 2

Работа выполнена на кафедре физической географии Воронежского государственного педагогического университета

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Смольянинов Владимир Митрофанович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Мишон Виталий Михайлович кандидат географических наук Дегтярь Александр Владимирович

Ведущая организация: Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Воронежской области, г. Воронеж

Защита состоится « 12 » мая 2009 г. в 1530 часов на заседании диссертаци­ онного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогиче­ ском университете, по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников ВГПУ по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86, к. 34.

Автореферат разослан « 12 » апреля 2009 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) про­ сим направлять по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86. Естественногеографический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Факс: 8 (4732) 55-19-49. E-mail: [email protected]

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент В.И. Шмыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Приоритетной задачей устойчивого раз­ вития любого региона Российской Федерации является обеспечение населения, промышленных и сельскохозяйственных объектов водными ресурсами, глав­ ным образом, из подземных горизонтов, в необходимом количестве и норма­ тивного качества. Управление ресурсами подземных вод происходит по адми­ нистративному принципу, т.е. через субъекты федерации, а изучение природ­ ных условий проводится с учетом бассейнового подхода. Поэтому в современ­ ных условиях необходимо сочетание административного и бассейнового прин­ ципов управления, которое декларируется «Водным кодексом РФ» (ст. 69), но не реализуется на практике. В регионах с интенсивным антропогенным прес­ сингом на природную среду при решении проблемы водопользования решаю­ щее значение имеет гидрогеологическая оценка состояния горизонтов подзем­ ных вод зоны активного водообмена. В настоящее время отмечается низкая эффективность природоохранной деятельности, в результате происходит нару­ шение функций гидрогеологических систем, изменение их режима и ухудше­ ние качества вод.

К таким регионам относится юг Центрально-Черноземного региона, где ведется интенсивная и разноплановая хозяйственная деятельность человека и существует природная предрасположенность территории к возникновению водно-экологических проблем, решение которых возможно на основе комплексных гидрогеологических исследований.

Таким образом, в современных условиях природопользования для юга Центрально-Черноземного региона, т.е. для Белгородской и южных районов Воронежской областей, комплексная оценка гидрогеологической ситуации и разработка методологии решения проблемы управления ресурсами подземных вод являются наиболее актуальными.

Целью исследования является комплексная оценка природно-антропо­ генных условий формирования подземных вод зоны активного водообмена для разработки мероприятий по оптимизации водоснабжения на юге ЦентральноЧерноземного региона.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ методологических и методических подходов изучения ре­ сурсов подземных вод для разработки алгоритма исследования.

2. Выявить природные факторы формирования подземных вод юга Централь­ но-Черноземного региона для оценки их естественного потенциала.

3. Дать характеристику основных водоносных горизонтов подземных вод ис­ следуемой территории.

4. Определить степень антропогенного воздействия на горизонты подземных вод района исследования для определения структуры водопотребления.

5. Осуществить районирование исследуемой территории по степени деграда­ ции подземных вод для разработки механизмов управления их природноресурсным потенциалом.

6. Обосновать комплекс мероприятий по оптимизации водоснабжения юга Центрально-Черноземного региона.

Объектом исследования являются горизонты подземных вод зоны ак­ тивного водообмена юга Центрально-Черноземного региона.

Предметом исследования являются природно-антропогенные условия формирования подземных вод, а также их мониторинг для управления ре­ сурсным потенциалом этих вод на юге Центрально-Черноземного региона.

Теоретической основой работы являются труды отечественных и зару­ бежных ученых: К.П. Воскресенского, В.А. Всеволожского, В.М. Гольдберга, В.Г. Глушкова, А.А. Дубянского, В.М. Смольянинова, А.Я. Смирновой, А.А.

Жорова, И.С. Зекцера, Б.И. Куделина, А.Б. Лисенкова, М.И. Львовича, Ф.А.

Макаренко, W.C. Walton, J. Margat, D.K. Todd, R.A. Freeze, P.W. Manson и др., которыми разработаны теоретические аспекты взаимосвязи подземных и по­ верхностных вод, методики оценки ресурсов подземных вод и степени их за­ щищенности от загрязнения.

Методологической основой является использование методов: сравни­ тельно-географического, аналитического, картографического, статистического, факторного анализа, главных компонент, системы бального расчета и методов полевых исследований.

Исходные материалы. В основу диссертационной работы положены ма­ териалы Управлений Федеральной службы по надзору в сфере природопользо­ вания (Росприроднадзора) по Воронежской и Белгородской областей, ГП «Во­ ронежгеомониторинг», «Белгородгеомониторинг», материалы кафедры физи­ ческой географии ВГПУ, результаты полевых и камеральных работ, проведен­ ных автором на территории Воронежской и Белгородской областей.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключа­ ется в разработке и реализации методики анализа природно-антропогенных условий формирования подземных вод и оптимизации водоснабжения в регио­ нах с интенсивным антропогенным воздействием на природную среду на осно­ ве административно-бассейнового подхода.

Впервые проведено районирование юга Центрально-Черноземного региона по степени деградации подземных вод, дана оценка условий строи­ тельства водозаборов с искусственным пополнением подземных вод. Разрабо­ таны рекомендации, направленные на уточнение работы системы мониторинга подземных вод и управления их состоянием на маргинальных территориях.

Достоверность результатов обеспечивается системным подходом к изучению подземных вод активного водообмена и современными методами исследования; репрезентативным массивом собранной достоверной системати­ зированной информации; картографическим материалом. Обработка материа­ ла проводилось с помощью компьютерных программ: CorelDRAW 7, MapInfo Professional 7.8 SCP, Adobe Photoshop 5.5 и программы статистического анали­ за STATISTIKA 6.0.

Практическая значимость работы определяется возможностью ис­ пользования полученных результатов для оптимизации использования ре­ сурсного потенциала подземных вод в регионе. Системы картографических моделей позволяют выявлять природные и антропогенные условия формирова­ ния гидрогеологических систем и прогнозировать гидрогеоэкологическую си­ туацию на юге Центрально-Черноземного региона. Эти модели используются в Управлениях Росприроднадзора Воронежской и Белгородской областей при координации работы системы мониторинга подземных вод на маргинальных территориях. В настоящее время материалы исследований используются в Во­ ронежском государственном педагогическом университете на естественно-гео­ графическом факультете в учебном курсе «Основы общего землеведения», «Геология», при проведении учебно-полевых практик по гидрологии, геомор­ фологии и геологии.

Основные защищаемые положения:

1. Методология изучения условий формирования подземных вод для оп­ тимизации водоснабжения в регионах с интенсивной антропогенной нагрузкой на природную среду.

2. Результаты оценки антропогенного прессинга и районирование юга Центрально-Черноземного региона по уровню загрязнения подземных вод.

3. Районирование юга Центрально-Черноземного региона по степени де­ градации подземных вод для разработки водоохранных мероприятий.

4. Результаты оценки условий строительства водозаборов с искусствен­ ным пополнением подземных вод (ИППВ) для оптимизации водоснабжения в районе исследования.

5. Рекомендации по оптимизации водоснабжения на юге ЦентральноЧерноземного региона для разработки механизмов управления состоянием го­ ризонтов подземных вод.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XIV молодежной Всероссийской научной конференции «Гео­ графические идеи как инструмент познания окружающего мира» (Иркутск, 2001), III региональной научно-практической конференции студентов «Проблемы регионального природопользования и методика преподавания естественных наук в средней школе» (Воронеж, 2001), на заседаниях Воронеж­ ского отдела Русского географического общества (Воронеж, 2002, 2004), IV региональной научно-практической конференции студентов «Проблемы регио­ нального природопользования и методика преподавания естественных наук в средней школе» (Воронеж, 2003), VI Международной научно-практической конференции «Опыт и проблемы природопользования при реализации прези­ дентских программ в Центральном Черноземье России» (Воронеж, 2006), III Межрегиональной научно-практической конференции «Экология и рациональ­ ное природопользование» (Воронеж, 2007), Всероссийской научно-практиче­ ской конференции, посвященной 180-летию со дня рождения П.П. СеменоваТян-Шанского «Научное наследие Петра Петровича Семенова-Тян-Шанского и его роль в развитии современной науки» (Липецк, 2007). По теме диссерта­ ции опубликовано 12 работ, в том числе две работы – в периодических издани­ ях, соответствующих списку ВАК РФ.

Личный вклад автора заключается в сборе, обработке и анализе данных, использовавшихся при написании диссертационной работы; в проведении по­ левых исследований; в обобщении статистического материала и его обработке;

в выполнении научной интерпретации полученных результатов; в разработке методологии комплексного анализа степени деградации подземных вод зоны активного водообмена; в разработке рекомендаций по оптимизации водоснаб­ жения на юге Центрально-Черноземного региона.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников, включа­ ющего в себя 215 наименований, приложения. Общий объем работы – страница. Основной текст содержит 10 таблиц и 25 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Методология изучения условий формирования подземных вод и оптимизации водоснабжения в регионах с интенсивной антропогенной на­ грузкой на природную среду.

Нами предлагается алгоритм исследования гидрогеологических систем, построенный на основе административно-бассейнового принципа и включаю­ щий в себя шесть этапов (рис. 1).

На первом этапе исследования анализируется накопленный опыт изуче­ ния подземных вод в нашей стране и зарубежом. В разработку методов оценки подземного стока значительный вклад внесли М.И. Львович, Б.И. Куделин и другие. Проблема геологической защищенности подземных вод раскрыта в ра­ ботах А.П. Белоусовой, О.В. Галактионовой, В.М. Гольдберга, А.Я. Смирно­ вой, А.И. Григорьевой, Л.В. Умняковой, В.А. Мироненко, В.Г. Румынина.

Опыт применения систем искусственного пополнения подземных вод на го­ родских водозаборах и для орошения земель анализируется по работам В.М.

Смольянинова, Н.А. Плотникова, Т.В. Бурчака, И.Н. Егоровой, К.И. Сычева, В.С. Усенко, Н.Н. Фаворина.

На втором этапе диссертационной работы описываются природные и антропогенные факторы, с последующим районированием исследуемой терри­ тории по условиям формирования горизонтов подземных вод.

На третьем этапе исследования дается оценка и прогноз ресурсов под­ земных вод основных водоносных горизонтов с помощью методов статистиче­ ского анализа и картографирования. На основе работ А.Я. Смирновой, В.М.

Гольдберга, В.М. Смольянинова, А.И. Григорьевой, Л.В. Умняковой оценива­ ется степень геологической защищенности подземных вод зоны активного во­ дообмена исследуемого региона от загрязнения.

Четвертый этап включает выявление степени антропогенного воздей­ ствия: определение источников антропогенного прессинга, современной струк­ туры водопотребления, нарушенности режима подземных вод. Составляются карты современной структуры водопользования и степени загрязнения основ­ ных водоносных горизонтов подземных вод исследуемого региона.

На пятом этапе по результатам анализа материала, полученного на пре­ дыдущих стадиях исследования, намечается проведение районирования региоОбработка теоретического, методологического материала этап этап Районирование подземных вод по условиям формирования Оценка и прогноз эксплуатационных ресурсов основных этап Выявление степени антропогенного прессинга:

этап определение источников воздействия, структуры водопотребления, нарушенности режима подземных вод Районирование исследуемого региона по степени деградации этап этап Корректировка программы мониторинга подземных вод:

водорегулирующие и водоохранные мероприятия.

Анализ условий строительства водозаборов с искусственным Рис. 1. Алгоритм исследования гидрогеологических систем по административно-бассейновому принципу (разработан автором) на по степени деградации подземных вод с помощью модели системы бально­ го расчета (СБР).

На шестом этапе работы производится корректировка программы мо­ ниторинга, уточняется структура организации служб мониторинга подземных вод с учетом маргинального положения района исследования. В рамках управ­ ленческих действий в системе мониторинга гидрогеологической среды осуще­ ствляется комплексная оценка условий строительства водозаборов с искус­ ственным пополнением подземных вод, выявляются территории с оптималь­ ными условиями проведения данной программы. На заключительном этапе формулируются выводы и рекомендации по оптимизации водоснабжения ис­ следуемого региона.

Таким образом, предлагаемая методика анализа природно-антропоген­ ных условий формирования подземных вод и оптимизации водоснабжения региона может быть реализована для определения степени деградации гидро­ геологических систем и обоснования мероприятий по улучшению водоснабже­ ния субъектов Российской Федерации с интенсивной хозяйственной деятель­ ностью.

2. Результаты оценки антропогенного прессинга и районирование юга Центрально-Черноземного региона по уровню загрязнения подзем­ ных вод.

Исследуемая территория расположена в южной части Центрально-Чер­ ноземного региона и охватывает Белгородскую и юг Воронежской области по северным границам Репьевского, Острогожского, Каменского, Павловского, Бутурлиновского и Воробьевского районов.

В качестве основных источников централизованного водоснабжения на территории региона используются водоносные горизонты мело-мергельной толщи, приуроченные, в зависимости от районов, к различным стратиграфиче­ ским подразделениям: от турона до маастрихта, а также альб-сеноманского, нижнекаменноугольного и девонского водоносных горизонтов. Добыча воды из этих горизонтов составляет более 98% общего отбора пресных вод центра­ лизованными водозаборами. Для нецентрализованного водоснабжения исполь­ зуются воды четвертичных аллювиальных горизонтов, харьковско-полтавского горизонта, и, реже, каневско-бучакского горизонта, а на водораздельных участках и высоких склонах также воды, приуроченные к супесям и суглинкам четвертичного возраста.

Общий среднегодовой отбор подземных вод в 2007 г. составил 324112, тыс. м3/год или 887,98 тыс. м3/сут. В последние 5 лет величина общего водоот­ бора имеет тенденцию к увеличению в среднем на 32 тыс. м3/сут, что связано с увеличением количества предприятий и наращиванием мощностей на многих из них. Структура водопотребления на юге Центрально-Черноземного региона показана на рис. 2.

Рис. 2. Структура водопотребления на юге Центрально-Чернозем­ Анализируя показатели добычи и величины эксплуатационных запасов подземных вод, становится очевидным, что во многих районах юга Централь­ но-Черноземного региона остро встает проблема водообеспечения. Добыча превышает разведанные эксплуатационные ресурсы подземных вод или ситуа­ ция близка к таковой в Губкинском, Ивнянском, Красненском, Краснояруж­ ском, Прохоровском, Ровеньском, Шебекинском, Яковлевском районах Белго­ родской области и в Воробьевском, Кантемировском, Ольховатском, Пав­ ловском, Петропавловском, Репьевском и Россошанском районах юга Воро­ нежской области.

На юге Центрально-Черноземного региона, за исключением Красненско­ го района в Белгородской области и Воробьевского, Петропавловского, Ре­ пьевского районов юга Воронежской области, имеются системы оборотного и повторного водоснабжения. Общая работа систем оценивается в 5307,375 тыс.

м3/сут. Большие мощности оборотного водоснабжения представлены в Губ­ кинском (2358,52 тыс. м3/сут), Старооскольском (1792,79 тыс. м3/сут), Россо­ шанском (836,63 тыс. м3/сут) районах.

Несмотря на налаженную работу систем оборотного и повторного водо­ снабжения значительная потеря ресурсов подземных вод в размере 818,85 тыс.

м3/сут происходит в результате отведения сточных вод. Максимальное количе­ ство сточных вод приходится на Губкинский (206,85 тыс. м3/сут), Ста­ рооскольский (194,0 тыс. м3/сут), Белгородский (127,01 тыс. м3/сут) районы Белгородской области. Минимальные показатели сбросов сточных вод харак­ терны для южных районов Воронежской области: в Петропавловском и Воро­ бьевском районах по 0,41 тыс. м3/сут.

На территории юга Центрально-Черноземного региона выявлено 93 оча­ га загрязнения подземных вод (51 очаг в Белгородской области и 42 на юге Во­ ронежской области). Основными показателями загрязнения подземных вод яв­ ляются превышение ПДК по содержанию солей жесткости (до 3,4 ПДК), желе­ за общего (до 27 ПДК), сероводорода (5-30 ПДК), нефтепродуктов (до ПДК), соединениям азотной группы (азот аммонийный до 730 ПДК). В мень­ шей степени имеет место превышение ПДК по общей минерализации (1,3-2, ПДК). Площади очагов загрязнения подземных вод в основном составляют 1- км2, а в Россошанском районе близки к 10 км2.

Для определения полной картины загрязнения подземных вод необходим учет и анализ не только количества очагов загрязнения, но и классов опасно­ сти загрязняющих веществ. Для этого для каждого класса опасности составле­ на бальная градация. Умеренно-опасному классу опасности присвоено 0,2 бал­ ла; опасному – 0,5 балла; высоко-опасному классу – 1,0 балл и чрезвычайно опасному 2,0 балла. Баллы умножались на количество очагов загрязнения того или иного класса опасности, и полученные результаты суммировались по каж­ дому административному району исследуемой территории и умножались на вес показателя. На основании бальной градации составлена схема уровня за­ грязнения подземных вод по административным районам исследуемой терри­ тории (рис. 3). В среднем на территории юга Центрально-Черноземного регио­ на выявлен высокий уровень загрязнения подземных вод (1,2 балла).

Рис. 3. Схема районирования юга Центрально-Черноземного региона по уровню загрязнения подземных вод (составлена автором) Таким образом, основная проблема в обеспечении водой питьевого каче­ ства городов и крупных поселков юга Центрально-Черноземного региона со­ стоит в том, что практически полностью освоены доступные в рамках прием­ лемых технико-экономических показателей и благоприятного качества воды участки подземных вод. Положение усугубляется приуроченностью перспек­ тивных по обеспеченности ресурсами воды участков к речным долинам, кото­ рые характеризуются повышенной степенью урбанизации, следовательно, наи­ более подвержены загрязнению поверхностных и связанных с ними подзем­ ных вод. В исследуемом регионе имеется значительное количество не зарегу­ лированного весеннего стока (1114,2 млн. м3), поэтому целесообразно как для орошения, так и для частичного обеспечения водой населенных пунктов ис­ пользовать водозаборы с искусственным пополнением подземных вод.

3. Районирование юга Центрально-Черноземного региона по степени деградации подземных вод для разработки водоохранных мероприятий.

В основу районирования юга Центрально-Черноземного региона по степени деградации подземных вод положен метод DRASTIC. Обладая большой практичностью и легкостью в использовании, этот метод в соединении с новыми компьютерными картографическими ГИС-программами, стал популярным инструментом мониторинга подземных вод в США и странах Европы.

DRASTIC – модель системы бального расчета (СБР), основанная на оценке факторов, определяющих условия нарушенности системы. Каждый фактор разделяется на ранги, представляющие собой различные градации, имеющие субъективный рейтинг. Рейтинг характеризуется от 1 до 10 (10 – са­ мая большая нарушенность). Главная идея DRASTIC заключается в использо­ вании «весов», которые определяют влияние каждого параметра на заключи­ тельный индекс нарушенности системы. Вес каждого параметра в пределах от 1 до 3 (3 – самый значительный) умножается на рейтинг, и расчеты каждого параметра суммируются для получения итогового индекса DRASTIC.

Для осуществления районирования исследуемой территории по степени деградации подземных вод нами взято три параметра: природный фон (интен­ сивность инфильтрационного питания подземных вод, %), антропогенная на­ грузка (объем отобранной воды из горизонтов подземных вод, м3/км2) и сте­ пень геохимической трансформации (загрязнения) подземных вод. Уравнение индекса деградации представлено ниже:

где Di – индекс деградации, N – природный фон, W – забор подземных вод, A – индекс геохимической трансформации подземных вод, r – рейтинг, v – вес.

Для оценки природного фона важно идентифицировать факторы, кото­ рые влияют на возможность проникновения загрязнителей к уровню подзем­ ных вод. Эти факторы могут изменяться в зависимости от естественных усло­ вий области исследования. Однако приоритетным фактором является литоло­ гия зоны аэрации, определяющая интенсивность инфильтрационного питания грунтовых вод, – это первичный фактор, который учитывается в любой модели уязвимости подземных вод. Вторичные факторы (топография, ландшафт) рассматриваются в концептуальных моделях оценки уязвимости. Поэтому для оценки природного фона нами взята интенсивность инфильтрационного пита­ ния подземных вод.

Вес природного фона принят за 1, степень геохимической трансформа­ ции (загрязнения) подземных вод – 2 и забор подземных вод – 3. Градации бального значения каждого фактора рассмотрены в табл. 1.

Градации бального значения факторов и индекса деградации подземных вод юга Центрально-Черноземного региона (составлена автором) природный фон (интенсивность инфильтрационного питания подземных вод, %) степень геохимической трансформации подземных вод (загрязнение с учетом классов опасности загрязняющих веществ, балл) В результате произведенных вычислений для каждого административно­ го района юга Центрально-Черноземного региона выявлена бальная градация природного фона, степени антропогенного прессинга (водоотбор и загрязне­ ние) и получен итоговый индекс деградации подземных вод, составлена схема районирования исследуемой территории по степени деградации подземных вод (рис. 4).

Рис. 4. Схема районирования юга Центрально-Черноземного региона по степени деградации подземных вод (составлена автором) Таким образом, очень высокий индекс деградации имеют 6 администра­ тивных районов (Белгородский, Губкинсий, Старооскольский, Шебекинский районы Белгородской области, Павловский и Россошанский юга Воронежской области) это соответствует 17,1% характеризуемой территории. Высокий ин­ декс деградации отмечен в 9 районах (25,7%), средний – в 12 районах (34,3%), низкий имеют 8 районов (22,9%). Следует отметить, что очень высокий уро­ вень деградации, в 4-х из 6-и районов, отмечен в Белгородской области с ее горнодобывающей промышленностью. Индекс деградации на территории Бел­ городской области равен 30,8 (высокий), на территории Воронежской области 26,1 (средний). В среднем значении на территории юга Центрально-Чернозем­ ного региона индекс деградации составляет 28,9, что соответствует средней степени деградации подземных вод, но близкой к высокой.

4. Результаты оценки условий строительства водозаборов с искус­ ственным пополнением подземных вод (ИППВ) для оптимизации водо­ снабжения в районе исследования.

В связи с увеличением водопотребления на юге Центрально-Чернозем­ ного региона возникает дефицит ресурсов подземных вод. При этом важное значение приобретает метод искусственного пополнения подземных вод (ИППВ). Применение этого метода позволит не только количественно регули­ ровать подземные воды, но и обеспечит их нормативное качество за счет ча­ стичного перевода не зарегулированного поверхностного стока в подземный.

Юг Центрально-Черноземного региона отличается высокими показателями от­ бора подземных вод и неустойчивым увлажнением. Для пополнения подзем­ ных вод и орошения сельскохозяйственных угодий здесь целесообразно при­ влекать искусственные запасы. Нами оценены условия и разработаны рекомен­ дации по использованию водозаборов с искусственным пополнением подзем­ ных вод для орошения земель в районе исследования.

Пополнение запасов подземных вод при этом производится из ин­ фильтрационных водоемов или путем нагнетания воды в водоносные гори­ зонты через скважины, что позволяет увеличить производительность водозабо­ ров и обеспечить равномерность их работы. Однако до настоящего времени строительство объектов искусственного пополнения подземных вод с такими водозаборами на юге Центрально-Черноземного региона практически не про­ водилось, что объясняется недостаточной информированностью работников агропромышленного комплекса о возможностях водозаборов с ИППВ, а также дефицитом местных и федеральных средств для реализации проекта.

В систему ИППВ входят фильтрующие пруды, водозаборные скважины и регулирующие водоемы-накопители. Выделяют два основных типа водозабо­ ров с ИППВ (рис. 5).

I. Комбинированный водозабор с (первые один-два полива из пруда, Рис. 5. Типы водозаборов для орошения из фильтрующих водоемов Эта схема основана на том, что в характеризуемом районе подземные во­ досборы грунтовых вод практически совпадают с балочными водосборами площадью до 100 км2. В этом случае отбор воды можно производить скважи­ нами, построенными вблизи участка орошения, а искусственное пополнение производить из фильтрующих водоемов, находящихся в балочной сети. Обяза­ тельным условием применения такой схемы водозабора является условие, что суммарный отбор грунтовых вод не превышает искусственного пополнения.

Для строительства водозаборов с искусственным пополнением подзем­ ных вод необходимы территории с благоприятными для этой цели условиями:

• близким залеганием грунтовых вод (5-20 м);

• малой мощностью и высокой водопроницаемостью покровных отложе­ ний в балках (коэффициент фильтрации не менее 0,5 см/сут);

• хорошей водопроводимостью водовмещающих пород основного водо­ носного горизонта подземных вод (не менее 100 м2/сут);

• наличием балок, пригодных для строительства фильтрующих водоемов емкостью 500-1500 тыс. м3;

• наличием удовлетворительного качества вод не зарегулированного ве­ сеннего стока, который является источником искусственного пополне­ В качестве экспериментальных участков для оценки условий строитель­ ства водозаборов с ИППВ нами обследованы и проанализированы территории ОАО «Родина» Волоконовского района Белгородской области, СХА «Свобода» Павловского района и СХА «Криничанская» Россошанского района Воронежской области.

Оценка условий строительства водозаборов с ИППВ в данных субъектах хозяйственной деятельности нами производилась на основе анализа карт гид­ роизогипс, мощности зоны аэрации, водопроводимости основного водонос­ ного горизонта, удельных дебитов скважин и химического состава подземных вод районов экспериментальных участков.

Фильтрующие водоемы на всех участках находятся в балках с разной мощностью зоны аэрации. В СХА «Свобода» мощность этой зоны 10-20 м, в СХА «Криничанская» и ОАО «Родина» 20-30 м. Водопроводимость верхнего водоносного горизонта в СХА «Свобода» и СХА «Криничанская» составляет 100-300 м2/сут, в ОАО «Родина» менее 100 м2/сут. Показатели мощности зоны аэрации и водопроводимости водоносного горизонта прямо влияют на ве­ личины удельных дебитов скважин. Так, при малой мощности зоны аэрации и высокой водопроводимости водоносного горизонта на экспериментальных участках СХА «Свобода» и СХА «Криничанская» удельные дебиты скважин составляют от 3 до 5 м3/час и более, а в ОАО «Родина» до 3 м3/час.

Что касается качества используемой воды, то в процессе фильтрации из водоема отмечается самоочищение поверхностных вод. Качественные измене­ ния, происходящие при движении воды через зону аэрации, связаны с рядом механических, физических, физико-химических, химических и биологических процессов. Основную роль при этом играют мощность и состав пород зоны аэрации. Химический состав подземных вод на экспериментальных площадках СХА «Свобода» и ОАО «Родина» близок к нормативному. Превышения ПДК Рис. 6. Схема районирования юга Центрально-Черноземного региона по условиям строительства водозаборов с искусственным пополнением подземных вод (составлена автором) выявлены на участке в СХА «Криничанская» Россошанского района Воронеж­ ской области по общей минерализации, Са2+, Na+, K+ и Cl-.

По результатам анализа природных факторов экспериментальных участков и района исследования произведено районирование юга ЦентральноЧерноземного региона по условиям строительства водозаборов с ИППВ. Ана­ лизируя природные факторы района исследований, выявлены благоприятные геологогеоморфологические условия (большое число балок с водопроницае­ мыми породами – известняками, мелами и песками). В долинах рек и в устье­ вой части крупных балок водопроводимость пород верхнего водоносного го­ ризонта колеблется от 125 м2/сут (г. Новый Оскол) до 1523 м2/сут (долина р.

Козинка). Количество не зарегулированного весеннего стока, несмотря на агролесомелиоративные и гидротехнические мероприятия составляет 1114, млн. м3.

Выявлены площади с благоприятными (поймы рек, первая и вторая над­ пойменная террасы), относительно благоприятными (третья и четвертая над­ пойменные террасы) и неблагоприятными (плакоры) условиями строительства водозаборов с ИППВ (рис. 6).

Таким образом, в регионах с интенсивным и возрастающим антропоген­ ным прессингом на подземную гидросистему приоритетом является управле­ ние состоянием поверхностных и подземных вод комплексом водорегулирую­ щих и водоохранных мероприятий. Водозаборы с ИППВ применимы не только для орошения, но и для улучшения водоснабжения населенных пунктов, за счет нивелирования отрицательного воздействия воронок депрессии. Преиму­ ществом систем ИППВ является то, что их можно использовать как для се­ зонного регулирования весеннего стока с полным расходом искусственных ре­ сурсов на полив и другие хозяйственные нужды, так и для многолетнего регу­ лирования, при котором производится накапливание искусственных ресурсов в более влажные годы и использование их в засушливые периоды. Очевидно, что при проведении системы искусственного пополнения подземных вод происходит не только изыскание дополнительных ресурсов подземных вод, но и регулирование поверхностного стока, в результате чего ослабевает эрозион­ ная деятельность временных водотоков.

5. Рекомендации по оптимизации водоснабжения на юге Централь­ но-Черноземного региона для разработки механизмов управления состоя­ нием горизонтов подземных вод.

По материалам диссертационной работы для территории юга Централь­ но-Черноземного региона разработаны рекомендации по оптимизации водо­ снабжения и проведения мониторинга подземных вод. Они включают в себя следующие мероприятия:

1. Использование систем водозаборов с искусственным пополнением подземных вод в Губкинском, Ивнянском, Красненском, Краснояружском, Прохоровском, Ровеньском, Шебекинском, Яковлевском районах Белго­ родской области и в Воробьевском, Кантемировском, Ольховатском, Пав­ ловском, Петропавловском, Репьевском и Россошанском районах юга Воро­ нежской области, где добыча превышает разведанные эксплуатационные ре­ сурсы подземных вод или ситуация близка к таковой. Это мероприятие не только увеличит эксплуатационные запасы подземных вод, но и сократит пло­ щади воронок депрессии.

2. Проведение обследования существующих прудов в районе исследова­ ния с определением прудов с повышенной фильтрацией, пригодных для искус­ ственного пополнения подземных вод.

3. Обследование водозаборов и объектов загрязнения подземных вод, в том числе хранилищ отходов рудообогащения, полей фильтрации, свалок ТБО и полей орошения стоками животноводческих комплексов в зонах формирова­ ния эксплуатационных запасов подземных вод.

4 Бурение дополнительных скважин государственного и локального мо­ ниторинга или переоборудование для этой цели заброшенных водозаборных скважин на ряде объектов – потенциальных и фактических полей орошения, в том числе отстойников животноводческих стоков в южных районах Воронеж­ ской области.

5. Оптимизация экологического контроля и мониторинга подземных вод т.к. при наличии маргинальных территорий Воронежской и Белгородской об­ ластей происходит несогласованная работа мониторинга гидрогеологических систем двух областей. Организация межобластного структурного подразделе­ ния мониторинга гидрогеологической среды.

В заключении приводятся основные выводы по результатам проведен­ ных исследований:

1. При анализе природно-антропогенных условий формирования подзем­ ных вод и оптимизации водоснабжения в регионе с интенсивной антропоген­ ной нагрузкой на природную среду следует применять методологический под­ ход, предусматривающий создание информационной базы, районирование по условиям формирования подземных вод, оценку и прогноз эксплуатационных ресурсов основных водоносных горизонтов, определение источников антропо­ генного прессинга, анализ современной структуры водопотребления, проведе­ ние районирования по степени деградации подземных вод, ранжирование тер­ ритории по условиям строительства водозаборов с искусственным пополнени­ ем подземных вод и разработку рекомендаций по оптимизации водоснабжения в регионе.

2. На юге Центрально-Черноземного региона основными источниками водоснабжения являются верхнемеловой, альб-сеноманский, каменноугольный и верхне-среднедевонский горизонты подземных вод. Их прогнозные ресурсы составляют 3,44 млн.м3/сут. Они определяются условиями инфильтрационного питания подземных вод атмосферными осадками, литологическим составом, мощностью и водопроницаемостью водосодержащих пород, а также степенью дренированности водоносных горизонтов долинно-балочной сетью.

3. По условиям формирования подземных вод выделены речные водо­ сборы с наиболее благоприятными условиями, к которым относятся водосборы рек Ворскла, Харьков, Северский Донец, Короча, Гаврило,Толучеевка, Подгор­ ная, Манина, Криуша, Нежеголь, где величина питания подземных вод атмо­ сферными осадками составляет 8,0%. На водосборах рек Оскол и Валуй – она не превышает 7,5%.

4. На юге Центрально-Черноземного региона имеется 93 очага загрязне­ ния горизонтов подземных вод (51 очаг в Белгородской области и 42 на юге Воронежской области). Основными показателями загрязнения являются пре­ вышение ПДК по содержанию солей жесткости, железа общего, сероводорода, нефтепродуктов, соединениям азотной группы. В меньшей степени имеет ме­ сто превышение ПДК по общей минерализации. Площади очагов загрязнения подземных вод в основном составляют 1-5 км2, а в Россошанском районе Воро­ нежской области близки к 10 км2. Критический уровень загрязнения подзем­ ных вод выявлен в Белгородском, Шебекинском районах Белгородской обла­ сти и в Россошанском и Ольховатском районах Воронежской области; очень высокий – в Губкинском и Старооскольском районах Белгородской области, в Острогожском и Павловском районах Воронежской области; высокий – в Раки­ тянском, Чернянском районах Белгородской области и в Калачеевском районе Воронежской области.

5. На юге Центрально-Черноземного региона выявлено, что очень высо­ кий индекс деградации подземных вод имеет 17,1% территории региона, высо­ кий индекс деградации 25,7%, средний – 34,3%, низкий – 22,9%. Индекс де­ градации в среднем на территории Белгородской области равен 30,8 (высокий), на территории Воронежской области 26,1 (средний). В среднем значении на территории юга Центрально-Черноземного района индекс деградации состав­ ляет 28,9, что соответствует средней степени деградации подземных вод, но близкой к высокой.

6. Основная проблема в обеспечении водой питьевого качества городов и крупных поселков состоит в том, что практически полностью освоены доступ­ ные в рамках приемлемых технико-экономических показателей и благоприят­ ного качества воды участки подземных вод. Положение усугубляется приуро­ ченностью перспективных по обеспеченности ресурсами воды участков к реч­ ным долинам, которые характеризуются повышенной степенью урбанизации, следовательно, наиболее подвержены загрязнению поверхностных и связан­ ных с ними подземных вод.

7. По причине дефицита воды в Губкинском, Ивнянском, Красненском, Краснояружском, Прохоровском, Ровеньском, Шебекинском, Яковлевском районах Белгородской области и в Воробьевском, Кантемировском, Ольховат­ ском, Павловском, Петропавловском, Репьевском и Россошанском районах юга Воронежской области целесообразно использование систем водозаборов с искусственным пополнением подземных вод. Это мероприятие позволит уве­ личить эксплуатационные запасы подземных вод и сократить площади воро­ нок депрессии за счет регулирования весеннего стока.

8. Соблюдение санитарных норм содержания территорий пойм и террас имеет приоритетное значение в обеспечении нормативного качества воды на водозаборах. Такое положение обусловлено тем, что большинство водозаборов юга Центрально-Черноземного района относятся к береговому типу, при фор­ мировании эксплуатационных ресурсов подземных вод, значительную роль иг­ рают поверхностные воды.

9. Для обеспечения населенных пунктов водой нормативного качества следует усилить контроль за соблюдением требований эксплуатации подзем­ ных вод, за качеством и уровнем водоподготовки; активизировать строитель­ ство и реконструкцию очистных сооружений; внедрение на производствах эко­ логически чистых технологий и оборотного водоснабжения.

10. В регионах интенсивного освоения приоритетом является создание механизмов управления за состоянием поверхностных и подземных вод комплексом водорегулирующих и водоохранных мероприятий. Преимуще­ ством систем искусственного пополнения подземных вод является то, что их можно использовать как для сезонного регулирования весеннего стока с пол­ ным расходом искусственных ресурсов на полив и другие хозяйственные ну­ жды, так и для многолетнего регулирования, при котором производится накап­ ливание искусственных ресурсов в более влажные годы и использование их в засушливые периоды. Очевидно, что при проведении системы искусственного пополнения подземных вод происходит не только изыскание дополнительных ресурсов подземных вод, но и регулирование поверхностного стока, в ре­ зультате чего ослабевает эрозионная деятельность временных водотоков.

Основные положения работы отражены в следующих публикациях:

1. Летин А. Л. Комплексное районирование по степени деградации подземных вод юга Центрального Черноземья / А. Л. Летин // Естествен­ ные и технические науки. – 2008. – № 4. – С. 148 – 150.

2. Летин А. Л. Геоэкологическая оценка ресурсного потенциала под­ земных вод юга Воронежской области / А. Л. Летин // Вестник Воронеж­ ского государственного университета. Сер. География, геоэкология. – 2008. – № 2. – С. 86 – 89.

3. Летин А. Л. Оценка геологической защищенности верхнего водонос­ ного горизонта в районе крупного водозабора подземных вод / А. Л. Летин // Географические идеи как инструмент познания окружающего мира : тез. XIV молодеж. Всеросс. науч. конф. – Иркутск, 2001. – С. 102 – 103.

4. Летин А. Л. Оценка геологической защищенности подземных вод Во­ ронежской области от загрязнения / А. Л. Летин // Проблемы регионального природопользования и методика преподавания естественных наук в средней школе : материалы III регион. науч.-практ. конф. студентов / Воронеж. гос.

пед. ун-т. – Воронеж, 2001. – С. 75 – 77.

5. Смольянинов В. М. Геологическая защищенность верхнего водонос­ ного горизонта в районе Южно-Воронежского водозабора подземных вод / В. М. Смольянинов, С. Н. Гребцов, А. Л. Летин // Известия Воронежского пе­ дуниверситета : сб. науч. тр. – Воронеж, 2001. – Т. 251. – С. 135 – 142.

6. Летин А. Л. Геологическая защищенность подземных вод Центральночерноземного региона / А. Л. Летин // Вестник Воронежского отделения Рус­ ского географического общества. – Воронеж, 2002. – Т. 3. – С. 83 – 85.

7. Летин А. Л. Прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод Воронежской и Белгородской областей / А. Л. Летин // Проблемы региональ­ ного природопользования и методика преподавания естественных наук в сред­ ней школе : материалы IV регион. науч.-практ. конф. студентов / Воронеж. гос.

пед. ун-т. – Воронеж, 2003. – С. 190 – 192.

8. Смольянинов В. М. Место подземных вод в природной системе / В. М.

Смольянинов, С. Н. Гребцов, А. Л. Летин, А. Я. Немыкин // Вестник Воронеж­ ского отделения Русского географического общества. – Воронеж, 2004. – Т. 4.

– С. 37 – 43.

9. Летин А. Л. Условия формирования местного стока в южной части Центрально-черноземного региона / А. Л. Летин // Опыт и проблемы природо­ пользования при реализации президентских программ в Центральном Чернозе­ мье России : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. / ЦЧ филиал ФГУП «Госземкадастрсъемка». – Воронеж, 2006. – С. 53 – 55.

10. Летин А. Л. Некоторые методологические подходы исследования подземных вод / А. Л. Летин // Системы жизнеобеспечения и управления в чрезвычайных ситуациях : межвуз. сб. науч. тр. / Воронеж. гос. техн. ун-т. – Воронеж, 2006. – Ч. 2. – С. 208 – 211.

11. Летин А. Л. Антропогенная нагрузка на эколого-гидрологические си­ стемы / А. Л. Летин // Научное наследие Петра Петровича Семенова-ТянШанского и его роль в развитии современной науки : материалы Всеросс.

науч.-практ. конф. посвящ. 180-летию со дня рождения П.П. Семенова-ТянШанского / Липец. гос. пед. ун-т. – Липецк, 2007. – С. 122 – 125.

12. Летин А. Л. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод и способы их пополнения / А. Л. Летин // Экология и рациональное природо­ пользование : материалы III Межрегион. науч.-практ. конф. / Упр. по охране окружающей среды городского округа. – Воронеж, 2007. – С. 67 – 70.

Работы № 1, 2 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, соот­ ветствующих перечню ВАК РФ.