Помощь студентам в учебе
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ И БОЛОТНЫХ ВОД В ГУМИДНЫХ УСЛОВИЯХ УМЕРЕННОГО И СУБТРОПИЧЕСКОГО КЛИМАТОВ (на примере объектов Западной Сибири России и Восточного Китая)
|
Введение 4
1. Изученность проблемы взаимосвязи подземных и болотных вод в Китайской народной
республике и Российской Федерации 12
1.1. Терминология и общая постановка проблемы изучения водных объектов в зоне гипергенеза 12
1.2. Изученность подземных вод и водно-болотных угодий в бассейне озера Поян 16
1.3. Изученность Обского болота и подземных вод прилегающих территорий 17
2. Объекты и методика исследования 20
3. Условия формирования подземных вод и вод ветландов в районе Обского болота и в
водосборе озера Поян 41
3.1. Обское болото и прилегающие территории (РФ) 41
3.1.1. Административное и географическое положение 41
3.1.2. Климатические условия 42
3.1.3. Геоморфологические и геологические условия 42
3.1.4. Гидрологические условия 43
3.1.5. Гидрогеологические условия 46
3.1.6. Хозяйственная деятельность 47
3.2. Водосбор озера Поян (КНР) 50
3.2.1. Административное и географическое положение 50
3.2.2. Климатические условия 50
3.2.3. Геоморфологические и геологические условия 56
3.2.4. Гидрологические условия 60
3.2.5. Гидрогеологические условия 62
3.2.6. Хозяйственная деятельность 67
4. Анализ гидрогеодинамических условий взаимодействия подземных и болотных вод 69
4.1. Водный баланс Обского болота 69
4.2. Оценка взаимосвязей уровней болотных и подземных вод 83
4.3. Обобщение результатов анализа водного баланса ветландов 86
5. Анализ гидрогеохимических условий взаимодействия подземных и болотных вод 88
5.1. Болота юго-востока Западной Сибири 88
5.2. Ветланды в бассейне озера Поян 98
5.3. Обобщение результатов анализа взаимосвязей между химическим составом подземных вод
и вод ветландов 105
6. Оценка влияния загрязнения ветландов на состояние подземных вод 107
6.1. Взаимодействие вод и отложений ветландов в водосборе озера Поян 107
6.2. Эксперимент по оценке самоочищения евтрофного (низинного) Обского болота 111
Выводы 131
Список литературы 132
1. Изученность проблемы взаимосвязи подземных и болотных вод в Китайской народной
республике и Российской Федерации 12
1.1. Терминология и общая постановка проблемы изучения водных объектов в зоне гипергенеза 12
1.2. Изученность подземных вод и водно-болотных угодий в бассейне озера Поян 16
1.3. Изученность Обского болота и подземных вод прилегающих территорий 17
2. Объекты и методика исследования 20
3. Условия формирования подземных вод и вод ветландов в районе Обского болота и в
водосборе озера Поян 41
3.1. Обское болото и прилегающие территории (РФ) 41
3.1.1. Административное и географическое положение 41
3.1.2. Климатические условия 42
3.1.3. Геоморфологические и геологические условия 42
3.1.4. Гидрологические условия 43
3.1.5. Гидрогеологические условия 46
3.1.6. Хозяйственная деятельность 47
3.2. Водосбор озера Поян (КНР) 50
3.2.1. Административное и географическое положение 50
3.2.2. Климатические условия 50
3.2.3. Геоморфологические и геологические условия 56
3.2.4. Гидрологические условия 60
3.2.5. Гидрогеологические условия 62
3.2.6. Хозяйственная деятельность 67
4. Анализ гидрогеодинамических условий взаимодействия подземных и болотных вод 69
4.1. Водный баланс Обского болота 69
4.2. Оценка взаимосвязей уровней болотных и подземных вод 83
4.3. Обобщение результатов анализа водного баланса ветландов 86
5. Анализ гидрогеохимических условий взаимодействия подземных и болотных вод 88
5.1. Болота юго-востока Западной Сибири 88
5.2. Ветланды в бассейне озера Поян 98
5.3. Обобщение результатов анализа взаимосвязей между химическим составом подземных вод
и вод ветландов 105
6. Оценка влияния загрязнения ветландов на состояние подземных вод 107
6.1. Взаимодействие вод и отложений ветландов в водосборе озера Поян 107
6.2. Эксперимент по оценке самоочищения евтрофного (низинного) Обского болота 111
Выводы 131
Список литературы 132
Актуальность темы исследования. Формирование ресурсов и химического состава подземных вод верхней гидродинамической зоны в ряде регионов мира с гумидным климатом и равнинным рельефом в значительной мере связано с процессами возникновения, эволюции и деградации болот, причем это влияние является взаимным [Иванов, 1975; Шварцев, 1998; Подземные воды мира., 2007]. Наиболее характерный пример такого влияния - современные и палеогидрогеологические условия Западно-Сибирской равнины (Российская Федерация), значительная часть которой покрыта болотами. Болотные воды содержат большое количество органических веществ и продуктов их трансформации, что существенно осложняет обеспечение населения качественной питьевой водой. Эта территория также отличается значительным накоплением осадочных железных руд и ряда других полезных ископаемых, происхождение которых является предметом дискуссии многих ученых, но в основном при признании важной роли подземных вод и понимании их взаимосвязи с процессами функционирования болотных экосистем [Шварцев, 1998; Геологическая эволюция., т.2, 2007]. Большое значение имеет проработка и других вопросов хозяйственного освоения территории в сложных гидрогеологических условиях.
С учетом этого в Томском политехническом университете (ТПУ) под руководством профессоров П.А. Удодова и С.Л. Шварцева с 1960-х гг. проводятся исследования в указанном направлении [Рассказов и др., 1971; Научные предпосылки., 1977; Геологическая эволюция., т.2, 2007; Schvartsev et al., 2014 и др.]. Однако многие вопросы взаимодействия подземных и болотных вод до сих пор решены не в полной мере. Так, все это время не прекращается обсуждение возможности водной миграции соединений железа и других химических элементов в мезо-кайнозойских отложениях в пределах верхней части (до 150-200 м) геологического разреза (включая массообмен между торфяной залежью и водоносными горизонтами), роли подземных вод в формировании болот разных типов, методологии и технологий разработки железорудных месторождений и так далее [Рассказов и др., 1971; Ермашова, 1998; Здвижков, 2005; Шайхиев, Рихванов, 2015; Mezhibor, Arbuzov, Arkhipov, 2013; Веретенникова и др., 2021 и др.].
Аналогичные проблемы существуют и в других регионах мира, в том числе - в водосборе одного из крупнейших в Китае пресноводных озер - озера Поян - элемента водной системы реки Янцзы (основная часть водосбора озера расположена в пределах провинции Цзянси), причем особенностью этой территории являются значительные колебания уровней воды. В результате этого в условиях равнинного рельефа значительные площади то покрываются водой, то осушаются. Как следствие, здесь распространены болота и заболоченные земли, которые вместе с лагунами, поймами и зарастающими озерами многие авторы объединяют в рамках понятия о водно-болотных угодьях или ветландах - переувлажненных территориях, подверженных подтоплению и затоплению. При колебаниях уровней озерных вод в годы и сезоны года с разной водностью возникают условия, с одной стороны, их поступления в ветланды, а затем в подземные водоносные горизонты, а с другой стороны - разгрузки подземных вод в ветланды и озеро Поян, что должно сказываться на качестве подземных вод, прежде всего - грунтовых.
Всё это и определяет актуальность исследований взаимодействий подземных и болотных вод в условиях гумидного климата и равнинного рельефа, в том числе на юго-востоке Западной Сибири в Российской Федерации (юг Томской области, РФ) и в Китайской народной республике (провинция Цзянси, КНР). При этом мы полагаем, что, во-первых, рассмотрение этой проблемы в разных природных условиях (в первом случае - зона тайги, южно-таежная подзона умеренного пояса и во втором - зона переменно-влажных лесов субтропического пояса) и на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки (в первом случае - территории с минимальной антропогенным воздействием преимущественно за счёт потенциально возможного атмосферного загрязнения или участки локального влияния выпусков сточных вод, во втором - от территорий с косвенным антропогенным воздействием (атмосферное загрязнение и природноантропогенные изменения водного режима озера Поян) до ведения сельского хозяйства (выращивание риса), добычи нерудных строительных материалов, диффузного поверхностного загрязнения на селитебных территориях и так далее) позволяет избежать переоценки локальных факторов и, следовательно, более достоверно выявить закономерности и особенности таких взаимодействий.
Во-вторых, целесообразно сопоставить подземные и болотные воды в России и Китае с учетом разной степени сходства факторов и обстановок. Предварительный анализ и последующие исследования показали, что гидрогеологические условия на заболоченных территориях водосбора озера Поян - элемента гидрографической сети реки Янцзы - наиболее сопоставимы с низинными болотами в Западной Сибири. С учетом этого в последнем случае было выбрано Обское болото низинного типа, расположенное в долине другой крупнейшей реки - Оби, но также использовались данные по более изученному (в части режима болотных вод) низинному Бакинскому болоту, верховым и переходным участкам Васюганского болотного комплекса и переходного Тимирязевского болота в долине реки Томь (приток Оби). В -третьих, по возможности нужно рассматривать и гидрогеохимические, и гидрогеодинамические аспекты взаимодействий подземных и болотных вод, особенно с учетом того, что обычно рассматриваются либо первые (что, как правило, не позволяет получить общую картину баланса воды, взвешенных и растворенных в ней веществ), либо вторые (обычно при значительных допущениях, фатически предопределяющих результат исследования).
С учетом этого автором проведено исследование, цель которого - выявление закономерностей и особенностей формирования химического состава подземных и болотных вод на примере болот и заболоченных земель на юго-востоке Западной Сибири в Российской Федерации (юг Томской области) и в водосборе озера Поян в Китайской народной республике (провинция Цзянси).
Для достижения этой цели были рассмотрены следующие задачи исследования: 1) количественная оценка элементов водного баланса и гидрогеодинамических условий взаимодействий подземных и болотных вод низинного Обского болота; 2) выявление взаимосвязей между химическим составом подземных вод верхней гидродинамической зоны и болотных вод на юго-востоке Западной Сибири (Томская область, РФ) и в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР); 3) оценка влияния загрязнения болот на состояние связанных с ними подземных вод на примере низинного Обского болота (Томская область, РФ) и водно-болотных угодий в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР).
Объект и методы исследования. Объектом исследования являются подземные воды, болота на юго-востоке Западной Сибири (Обское болото, а также Баксинское, Тимирязевское, Васюганское, РФ) и водно-болотные угодья (ветланды) в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР).
В процессе исследования использовались следующие методы: ландшафтно-геохимический, географо-гидрологический, статистический, методы математического моделирования, методы химического анализа вод, торфов и донных отложений (масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой, атомно-абсорбционный и другие).
В соответствии с поставленными задачами исследование включало в себя следующие этапы: 1) составление уравнения водного баланса водосбора Обского болота и анализ взаимосвязей между элементами водного баланса (оценка инфильтрации, расчёт по уравнению Дюпюи коэффициента фильтрации и сопоставление его со средневзвешенными измеренными значениями для определения глубины взаимодействия поверхностных и подземных вод); 2) анализ взаимосвязей между уровнями подземных и болотных вод (оценка зоны влияния болотных вод на подземные воды); 3) анализ взаимосвязей между химическим составом подземных и болотных вод (оценка возможности миграционных потоков в системе «болото - подземный водоносный горизонт» в различных природных условиях); 4) анализ влияния загрязнения болот на состояние связанных с ними подземных вод (оценка антропогенного влияния на состояние подземных вод в случаях, когда взаимосвязи фактически или потенциально выявлены).
Исходные материалы. Использованы материалы исследований, выполненных в ТПУ в 2002-2023 гг. под руководством и/или при участии С.Л. Шварцева, Е.А. Солдатовой, Н.В. Гусевой, О.Г. Савичева и других, в том числе результаты полевых исследований, проведённых при непосредственном участии автора в 2021 г. (Обское болото) и 2022 г. (водосбор озера Поян), опубликованные материалы ряда научных организаций в КНР и РФ, включая: 1) гидрогеохимическую информацию: 1.1) подземные воды юго-востока Западной Сибири - 341 проб, включая воды отложений: 1.1.1) четвертичных (грунтовые) - 164; 1.1.2) палеогеновых (артезианские) - 81; 1.1.3) меловых (артезианские) - 86; 1.1.4) палеозоя - 10; 1.2) подземные воды в водосборе озера Поян (грунтовые) - 29; 1.3) болотные воды на юго-востоке Западной Сибири
- 134, включая воды болот типов: 1.3.1) низинного - 40; 1.3.2) переходного - 32; 1.3.3) верхового
- 62; 1.4) воды водно-болотных угодий (ветландов) в водосборе озера Поян - 12, включая: 1.4.1)
воды неиспользуемых в хозяйственном отношении ветландов - 7; 1.4.2) рисовых полей в пределах ветландов - 5; 1.5) сточные воды - 7, включая: 1.5.1) 3 пробы хозяйственно-бытовых стоков, поступающих в Обское болото в районе с. Мельниково (Томская область); 1.5.2) хозяйственно-бытовых (2) и производственных (2) сточных вод, поступающих в р. Цзиньцзян (элемент системы р. Цзиньцзян - р. Ганьцзян - озеро Поян - р. Янцзы); 1.6) водные вытяжки из торфов Обского болота и отложений ветландов в водосборе озера Поян, включая: 1.6.1) пробы торфов и минерального грунта через 0,25 м в пяти скважинах на Обском болоте в марте и октябре 2021 г. - 109; 1.6.21) в ветландах в водосборе озера Поян - 4; 2) опубликованную
гидрогеологическую, гидрологическую и метеорологическую информацию, полученную на постах сети государственного мониторинга, в том числе материалы наблюдений за уровнями воды р. Обь у п. Победа (с 1965 г.) и в ряде других створов, уровнями и расходами воды р. Шегарка у с. Бабарыкино (с 1933 г.), уровнями подземных вод на гидрогеологической режимной скважине 63р в с. Мельниково Томской области; уровнях болотных вод Баксинского болота в 1961-1969 гг. и рядом других показателей; аналогичная (опубликованная) гидрометеорологическая и гидрогеологическая информация по водосбору озера Поян; 3) опубликованные сведения о глубинах торфяной залежи и свойствах торфов Обского болота.
Научная новизна. Впервые количественно охарактеризованы размеры зоны влияния болот на подземные воды в южной части Томской области (РФ). Впервые выявлены особенности взаимосвязей подземных и болотных вод, заключающиеся в сопряженности поверхности долинного болота и кривой депрессии подземных вод по направлению от границы болота к реке. Впервые количественно показано, что существуют статистически значимые связи между химическим составом грунтовых вод и вод низинных болот; между химическим составом подземных вод и вод верховых болот значимые связи не выявлены, соответственно нет оснований говорить о взаимовлиянии аномалий содержаний железа в верховых болотах и подземных водоносных горизонтах. Количественно оценены масштабы влияния возможного антропогенного загрязнения болот на связанные с ними подземные воды.
Научные положения, выносимые на защиту
1. На юго-востоке Западной Сибири (РФ) взаимодействие поверхностных и подземных вод в разрезе в основном ограничено глубинами 110-120 м, а в плане приурочено к участкам переменного напора подземных вод на границе болот; влияние болотных вод на режим подземных вод наиболее вероятно в летне-осеннюю межень, когда возможен переток болотных вод в сторону от долинного болота к водоразделу на участках 800-900 м, а также увеличивается инфильтрация.
2. Наибольшее влияние подземных вод на химический состав болотных вод на юго-востоке Западной Сибири характерно для краевых частей низинных долинных болот, где происходит разгрузка напорных подземных вод с более высокими, по сравнению с болотными водами, значениями минерализации и рН, наименьшее (вплоть до отсутствия) - для водораздельных верховых болот; напротив, болота оказывают существенное воздействие на состояние, преимущественно, грунтовых вод, что проявляется в снижении их минерализации и рН; в водосборе озера Поян значимое влияние водно-болотных угодий связано, в основном, с поступлением в грунтовые воды соединений фосфора и снижением рН.
3. Болота юго-востока Западной Сибири (РФ) и водно-болотные угодья в водосборе озера Поян (КНР) характеризуются значительной способностью к самоочищению, вследствие чего загрязнение в первом случае обычно приурочено к верхней части торфяной залежи до глубин 1,5-2,0 м, а во втором - снижается с уменьшением диаметра частиц грунта; в случае кратковременного загрязнения болот и водно-болотных угодий антропогенное влияние на подземные воды маловероятно, а в случае длительного загрязнения - наиболее ощутимо для грунтовых вод суходолов на границе низинных болот.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования определяется: 1) применением современных высокоточных методов химического анализа и выполнением определений в аккредитованной лаборатории ТПУ; 2) использованием статистического и экспертного анализа данных наблюдений с учётом нормативных требований, принятых в КНР и РФ; 3) апробацией результатов исследования в процессе публикаций в рецензируемых научных журналах («Известия Томского политехнического университета», «Разведка и охрана недр» и докладов на научных конференциях.
Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для: 1) эксплуатации подземных водозаборов на заболоченных и прилегающих к ним территориях; 2) оптимизации сети государственного мониторинга водных объектов и геологической среды в водосборе озера Поян; 3) проведения учебных занятий по гидрогеологии, геоэкологии, гидрохимии и геохимии в университетах КНР и РФ. Результаты исследования использованы при проведении научных исследований в ТПУ, выполненных при поддержке грантов РФФИ БРИКС_Т № 18-55-80015 (полевые и лабораторные работы в водосборе озера Поян в 2019 г. и на Обском болоте в 2021 г.) и РНФ № 23-27-00039 (лабораторные работы в 2022 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации:
1) опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК:
Савичев О.Г., Ян Хэнь Гидрогеологические и гидрологические условия функционирования Обского и Баксинского болот (юго-восток Западно-Сибирской равнины) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 4. С. 43-56. DOI 10.18799/24131830/2021/4/3147.
Савичев О.Г., Гусева Н.В., Хващевская А.А., Иванов А.Ю., Ян Хэн, Чжоу Дань Эксперимент по оценке самоочищения Обского болота (Западная Сибирь, Томская область) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2022. - Т. 333. - № 1. - С. 73-84. DOI: 10.18799/24131830/2022/1/3514.
Савичев О.Г., Ян Х., Чжоу Д. Гидрогеодинамические и гидрогеохимические условия самоочищения вод Обского болота (Западная Сибирь) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 4. С. 115-125. DOI
10.18799/24131830/2022/4/3656
Савичев О.Г., Домаренко В.А., Ян Хэн, Перегудина Е.В. Сравнительный анализ
подземных и болотных вод в юго-восточной части Западной Сибири // Разведка и охрана недр. - 2022. - № 5, С. 26-33.
2) в иных журналах и сборниках:
Yang, H., Savichev, O.G. Hydrogeological functions of obskoye and baksinskoye swamps in the southeast of West Siberian Plain // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis / IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021, 958, 012018. https://doi.Org/10.1088/1755-1315/958/1/012018, 2022, 958(1), 012018.
3) докладывались и обсуждались на 7 Международной научной конференции в г. Сиань, Китай, в ноябре 2021 г. (The 7th International Conference “Water Resource and Environment”, на научной конференции достижений Восточно-китайского технологического университета в октябре 2022 г., на Международных научных симпозиумах молодых научных сотрудников и студентов им. Академ. Усова в Томском политехническом университете (апрель 2022 и 2023 гг.).
Личный вклад автора. Автором лично сформулированы защищаемые положения на основе полевых работ и анализа данных, значительная часть которых получена лично в 20212023 гг. В том числе, автором в марте 2021 г. были отобраны 7 проб болотных вод на Обском болоте и 1 проба подземных вод на прилегающих к нему территориях, в октябре 2022 г. (совместно с Чжоу Дань) - 3 пробы подземных вод, 4 пробы речных вод, 3 пробы воды неиспользуемых ветландов, 1 проба воды с рисового поля, 4 пробы донных отложений рек, 4 пробы отложений ветландов в водосборе озера Поян (КНР), выполнены сбор, обобщение и анализ геохимических данных, на основе которых выявлены основные особенности состояния водных объектов в исследуемой части Обского болота и ветландов в водосборе озера Поян и проанализированы природно-антропогенные условия его формирования.
Структура и объём диссертации. Диссертация объёмом 155 страниц машинописного текста состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 294 наименований, содержит 42 рисунка и 27 таблиц.
В первой главе охарактеризована изученность проблемы взаимосвязи подземных и болотных вод и непосредственно основных объектов исследования, а также изложены используемые термины и определения. Во второй главе приведены сведения об объектах и методике исследования. В третьей главе описаны условия формирования подземных и болотных вод в районе Обского болота и в водосборе озера Поян. В четвертой главе приведен расчет и анализ уравнений водного баланса Обского болота и его водосбора, изменения фильтрационных свойств грунтов по глубине, кривых депрессии подземных и болотных вод, на основе чего оценены вертикальные и горизонтальные границы зоны взаимодействия подземных и поверхностных вод. В пятой главе выполнен анализ взаимосвязей между химическим составом подземных и болотных вод в Томской области и провинции Цзянси, в том числе посредством проверки на однородность гидрогеохимических данных. В шестой главе проведена оценка влияния загрязнения болот на состояние подземных вод по результатам эксперимента на Обском болоте и материалам изучения взаимодействий вод и отложений ветландов в водосборе озера Поян.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, д.г.н., профессору Олегу Геннадьевичу Савичеву за его внимательное руководство в течение последних трех лет, а также его поддержку и помощь в научноисследовательской работе; признательность и благодарность руководителю отделения геологии к.г.-м.н. Н.В. Гусевой, д.г.-м.н за ее контакт и общение с китайскими коллегами. Автор искренне благодарен за ценные замечания по содержанию работы и её апробации д.г.-м.н., профессору Е.М. Дутовой, д.г.-м.н., профессору Е.Г Язикову, д.г.-м.н., доценту О.Е. Лепокуровой и всему коллективу отделению геологии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ, д.г.-м.н. А.М. Плюснину, своим друзьям и коллегам в Восточно-китайском технологическом университете и в Куньминском университете науки и технологий в КНР.
С учетом этого в Томском политехническом университете (ТПУ) под руководством профессоров П.А. Удодова и С.Л. Шварцева с 1960-х гг. проводятся исследования в указанном направлении [Рассказов и др., 1971; Научные предпосылки., 1977; Геологическая эволюция., т.2, 2007; Schvartsev et al., 2014 и др.]. Однако многие вопросы взаимодействия подземных и болотных вод до сих пор решены не в полной мере. Так, все это время не прекращается обсуждение возможности водной миграции соединений железа и других химических элементов в мезо-кайнозойских отложениях в пределах верхней части (до 150-200 м) геологического разреза (включая массообмен между торфяной залежью и водоносными горизонтами), роли подземных вод в формировании болот разных типов, методологии и технологий разработки железорудных месторождений и так далее [Рассказов и др., 1971; Ермашова, 1998; Здвижков, 2005; Шайхиев, Рихванов, 2015; Mezhibor, Arbuzov, Arkhipov, 2013; Веретенникова и др., 2021 и др.].
Аналогичные проблемы существуют и в других регионах мира, в том числе - в водосборе одного из крупнейших в Китае пресноводных озер - озера Поян - элемента водной системы реки Янцзы (основная часть водосбора озера расположена в пределах провинции Цзянси), причем особенностью этой территории являются значительные колебания уровней воды. В результате этого в условиях равнинного рельефа значительные площади то покрываются водой, то осушаются. Как следствие, здесь распространены болота и заболоченные земли, которые вместе с лагунами, поймами и зарастающими озерами многие авторы объединяют в рамках понятия о водно-болотных угодьях или ветландах - переувлажненных территориях, подверженных подтоплению и затоплению. При колебаниях уровней озерных вод в годы и сезоны года с разной водностью возникают условия, с одной стороны, их поступления в ветланды, а затем в подземные водоносные горизонты, а с другой стороны - разгрузки подземных вод в ветланды и озеро Поян, что должно сказываться на качестве подземных вод, прежде всего - грунтовых.
Всё это и определяет актуальность исследований взаимодействий подземных и болотных вод в условиях гумидного климата и равнинного рельефа, в том числе на юго-востоке Западной Сибири в Российской Федерации (юг Томской области, РФ) и в Китайской народной республике (провинция Цзянси, КНР). При этом мы полагаем, что, во-первых, рассмотрение этой проблемы в разных природных условиях (в первом случае - зона тайги, южно-таежная подзона умеренного пояса и во втором - зона переменно-влажных лесов субтропического пояса) и на территориях с разной степенью антропогенной нагрузки (в первом случае - территории с минимальной антропогенным воздействием преимущественно за счёт потенциально возможного атмосферного загрязнения или участки локального влияния выпусков сточных вод, во втором - от территорий с косвенным антропогенным воздействием (атмосферное загрязнение и природноантропогенные изменения водного режима озера Поян) до ведения сельского хозяйства (выращивание риса), добычи нерудных строительных материалов, диффузного поверхностного загрязнения на селитебных территориях и так далее) позволяет избежать переоценки локальных факторов и, следовательно, более достоверно выявить закономерности и особенности таких взаимодействий.
Во-вторых, целесообразно сопоставить подземные и болотные воды в России и Китае с учетом разной степени сходства факторов и обстановок. Предварительный анализ и последующие исследования показали, что гидрогеологические условия на заболоченных территориях водосбора озера Поян - элемента гидрографической сети реки Янцзы - наиболее сопоставимы с низинными болотами в Западной Сибири. С учетом этого в последнем случае было выбрано Обское болото низинного типа, расположенное в долине другой крупнейшей реки - Оби, но также использовались данные по более изученному (в части режима болотных вод) низинному Бакинскому болоту, верховым и переходным участкам Васюганского болотного комплекса и переходного Тимирязевского болота в долине реки Томь (приток Оби). В -третьих, по возможности нужно рассматривать и гидрогеохимические, и гидрогеодинамические аспекты взаимодействий подземных и болотных вод, особенно с учетом того, что обычно рассматриваются либо первые (что, как правило, не позволяет получить общую картину баланса воды, взвешенных и растворенных в ней веществ), либо вторые (обычно при значительных допущениях, фатически предопределяющих результат исследования).
С учетом этого автором проведено исследование, цель которого - выявление закономерностей и особенностей формирования химического состава подземных и болотных вод на примере болот и заболоченных земель на юго-востоке Западной Сибири в Российской Федерации (юг Томской области) и в водосборе озера Поян в Китайской народной республике (провинция Цзянси).
Для достижения этой цели были рассмотрены следующие задачи исследования: 1) количественная оценка элементов водного баланса и гидрогеодинамических условий взаимодействий подземных и болотных вод низинного Обского болота; 2) выявление взаимосвязей между химическим составом подземных вод верхней гидродинамической зоны и болотных вод на юго-востоке Западной Сибири (Томская область, РФ) и в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР); 3) оценка влияния загрязнения болот на состояние связанных с ними подземных вод на примере низинного Обского болота (Томская область, РФ) и водно-болотных угодий в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР).
Объект и методы исследования. Объектом исследования являются подземные воды, болота на юго-востоке Западной Сибири (Обское болото, а также Баксинское, Тимирязевское, Васюганское, РФ) и водно-болотные угодья (ветланды) в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР).
В процессе исследования использовались следующие методы: ландшафтно-геохимический, географо-гидрологический, статистический, методы математического моделирования, методы химического анализа вод, торфов и донных отложений (масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой, атомно-абсорбционный и другие).
В соответствии с поставленными задачами исследование включало в себя следующие этапы: 1) составление уравнения водного баланса водосбора Обского болота и анализ взаимосвязей между элементами водного баланса (оценка инфильтрации, расчёт по уравнению Дюпюи коэффициента фильтрации и сопоставление его со средневзвешенными измеренными значениями для определения глубины взаимодействия поверхностных и подземных вод); 2) анализ взаимосвязей между уровнями подземных и болотных вод (оценка зоны влияния болотных вод на подземные воды); 3) анализ взаимосвязей между химическим составом подземных и болотных вод (оценка возможности миграционных потоков в системе «болото - подземный водоносный горизонт» в различных природных условиях); 4) анализ влияния загрязнения болот на состояние связанных с ними подземных вод (оценка антропогенного влияния на состояние подземных вод в случаях, когда взаимосвязи фактически или потенциально выявлены).
Исходные материалы. Использованы материалы исследований, выполненных в ТПУ в 2002-2023 гг. под руководством и/или при участии С.Л. Шварцева, Е.А. Солдатовой, Н.В. Гусевой, О.Г. Савичева и других, в том числе результаты полевых исследований, проведённых при непосредственном участии автора в 2021 г. (Обское болото) и 2022 г. (водосбор озера Поян), опубликованные материалы ряда научных организаций в КНР и РФ, включая: 1) гидрогеохимическую информацию: 1.1) подземные воды юго-востока Западной Сибири - 341 проб, включая воды отложений: 1.1.1) четвертичных (грунтовые) - 164; 1.1.2) палеогеновых (артезианские) - 81; 1.1.3) меловых (артезианские) - 86; 1.1.4) палеозоя - 10; 1.2) подземные воды в водосборе озера Поян (грунтовые) - 29; 1.3) болотные воды на юго-востоке Западной Сибири
- 134, включая воды болот типов: 1.3.1) низинного - 40; 1.3.2) переходного - 32; 1.3.3) верхового
- 62; 1.4) воды водно-болотных угодий (ветландов) в водосборе озера Поян - 12, включая: 1.4.1)
воды неиспользуемых в хозяйственном отношении ветландов - 7; 1.4.2) рисовых полей в пределах ветландов - 5; 1.5) сточные воды - 7, включая: 1.5.1) 3 пробы хозяйственно-бытовых стоков, поступающих в Обское болото в районе с. Мельниково (Томская область); 1.5.2) хозяйственно-бытовых (2) и производственных (2) сточных вод, поступающих в р. Цзиньцзян (элемент системы р. Цзиньцзян - р. Ганьцзян - озеро Поян - р. Янцзы); 1.6) водные вытяжки из торфов Обского болота и отложений ветландов в водосборе озера Поян, включая: 1.6.1) пробы торфов и минерального грунта через 0,25 м в пяти скважинах на Обском болоте в марте и октябре 2021 г. - 109; 1.6.21) в ветландах в водосборе озера Поян - 4; 2) опубликованную
гидрогеологическую, гидрологическую и метеорологическую информацию, полученную на постах сети государственного мониторинга, в том числе материалы наблюдений за уровнями воды р. Обь у п. Победа (с 1965 г.) и в ряде других створов, уровнями и расходами воды р. Шегарка у с. Бабарыкино (с 1933 г.), уровнями подземных вод на гидрогеологической режимной скважине 63р в с. Мельниково Томской области; уровнях болотных вод Баксинского болота в 1961-1969 гг. и рядом других показателей; аналогичная (опубликованная) гидрометеорологическая и гидрогеологическая информация по водосбору озера Поян; 3) опубликованные сведения о глубинах торфяной залежи и свойствах торфов Обского болота.
Научная новизна. Впервые количественно охарактеризованы размеры зоны влияния болот на подземные воды в южной части Томской области (РФ). Впервые выявлены особенности взаимосвязей подземных и болотных вод, заключающиеся в сопряженности поверхности долинного болота и кривой депрессии подземных вод по направлению от границы болота к реке. Впервые количественно показано, что существуют статистически значимые связи между химическим составом грунтовых вод и вод низинных болот; между химическим составом подземных вод и вод верховых болот значимые связи не выявлены, соответственно нет оснований говорить о взаимовлиянии аномалий содержаний железа в верховых болотах и подземных водоносных горизонтах. Количественно оценены масштабы влияния возможного антропогенного загрязнения болот на связанные с ними подземные воды.
Научные положения, выносимые на защиту
1. На юго-востоке Западной Сибири (РФ) взаимодействие поверхностных и подземных вод в разрезе в основном ограничено глубинами 110-120 м, а в плане приурочено к участкам переменного напора подземных вод на границе болот; влияние болотных вод на режим подземных вод наиболее вероятно в летне-осеннюю межень, когда возможен переток болотных вод в сторону от долинного болота к водоразделу на участках 800-900 м, а также увеличивается инфильтрация.
2. Наибольшее влияние подземных вод на химический состав болотных вод на юго-востоке Западной Сибири характерно для краевых частей низинных долинных болот, где происходит разгрузка напорных подземных вод с более высокими, по сравнению с болотными водами, значениями минерализации и рН, наименьшее (вплоть до отсутствия) - для водораздельных верховых болот; напротив, болота оказывают существенное воздействие на состояние, преимущественно, грунтовых вод, что проявляется в снижении их минерализации и рН; в водосборе озера Поян значимое влияние водно-болотных угодий связано, в основном, с поступлением в грунтовые воды соединений фосфора и снижением рН.
3. Болота юго-востока Западной Сибири (РФ) и водно-болотные угодья в водосборе озера Поян (КНР) характеризуются значительной способностью к самоочищению, вследствие чего загрязнение в первом случае обычно приурочено к верхней части торфяной залежи до глубин 1,5-2,0 м, а во втором - снижается с уменьшением диаметра частиц грунта; в случае кратковременного загрязнения болот и водно-болотных угодий антропогенное влияние на подземные воды маловероятно, а в случае длительного загрязнения - наиболее ощутимо для грунтовых вод суходолов на границе низинных болот.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования определяется: 1) применением современных высокоточных методов химического анализа и выполнением определений в аккредитованной лаборатории ТПУ; 2) использованием статистического и экспертного анализа данных наблюдений с учётом нормативных требований, принятых в КНР и РФ; 3) апробацией результатов исследования в процессе публикаций в рецензируемых научных журналах («Известия Томского политехнического университета», «Разведка и охрана недр» и докладов на научных конференциях.
Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для: 1) эксплуатации подземных водозаборов на заболоченных и прилегающих к ним территориях; 2) оптимизации сети государственного мониторинга водных объектов и геологической среды в водосборе озера Поян; 3) проведения учебных занятий по гидрогеологии, геоэкологии, гидрохимии и геохимии в университетах КНР и РФ. Результаты исследования использованы при проведении научных исследований в ТПУ, выполненных при поддержке грантов РФФИ БРИКС_Т № 18-55-80015 (полевые и лабораторные работы в водосборе озера Поян в 2019 г. и на Обском болоте в 2021 г.) и РНФ № 23-27-00039 (лабораторные работы в 2022 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации:
1) опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК:
Савичев О.Г., Ян Хэнь Гидрогеологические и гидрологические условия функционирования Обского и Баксинского болот (юго-восток Западно-Сибирской равнины) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 4. С. 43-56. DOI 10.18799/24131830/2021/4/3147.
Савичев О.Г., Гусева Н.В., Хващевская А.А., Иванов А.Ю., Ян Хэн, Чжоу Дань Эксперимент по оценке самоочищения Обского болота (Западная Сибирь, Томская область) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2022. - Т. 333. - № 1. - С. 73-84. DOI: 10.18799/24131830/2022/1/3514.
Савичев О.Г., Ян Х., Чжоу Д. Гидрогеодинамические и гидрогеохимические условия самоочищения вод Обского болота (Западная Сибирь) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 4. С. 115-125. DOI
10.18799/24131830/2022/4/3656
Савичев О.Г., Домаренко В.А., Ян Хэн, Перегудина Е.В. Сравнительный анализ
подземных и болотных вод в юго-восточной части Западной Сибири // Разведка и охрана недр. - 2022. - № 5, С. 26-33.
2) в иных журналах и сборниках:
Yang, H., Savichev, O.G. Hydrogeological functions of obskoye and baksinskoye swamps in the southeast of West Siberian Plain // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis / IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021, 958, 012018. https://doi.Org/10.1088/1755-1315/958/1/012018, 2022, 958(1), 012018.
3) докладывались и обсуждались на 7 Международной научной конференции в г. Сиань, Китай, в ноябре 2021 г. (The 7th International Conference “Water Resource and Environment”, на научной конференции достижений Восточно-китайского технологического университета в октябре 2022 г., на Международных научных симпозиумах молодых научных сотрудников и студентов им. Академ. Усова в Томском политехническом университете (апрель 2022 и 2023 гг.).
Личный вклад автора. Автором лично сформулированы защищаемые положения на основе полевых работ и анализа данных, значительная часть которых получена лично в 20212023 гг. В том числе, автором в марте 2021 г. были отобраны 7 проб болотных вод на Обском болоте и 1 проба подземных вод на прилегающих к нему территориях, в октябре 2022 г. (совместно с Чжоу Дань) - 3 пробы подземных вод, 4 пробы речных вод, 3 пробы воды неиспользуемых ветландов, 1 проба воды с рисового поля, 4 пробы донных отложений рек, 4 пробы отложений ветландов в водосборе озера Поян (КНР), выполнены сбор, обобщение и анализ геохимических данных, на основе которых выявлены основные особенности состояния водных объектов в исследуемой части Обского болота и ветландов в водосборе озера Поян и проанализированы природно-антропогенные условия его формирования.
Структура и объём диссертации. Диссертация объёмом 155 страниц машинописного текста состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 294 наименований, содержит 42 рисунка и 27 таблиц.
В первой главе охарактеризована изученность проблемы взаимосвязи подземных и болотных вод и непосредственно основных объектов исследования, а также изложены используемые термины и определения. Во второй главе приведены сведения об объектах и методике исследования. В третьей главе описаны условия формирования подземных и болотных вод в районе Обского болота и в водосборе озера Поян. В четвертой главе приведен расчет и анализ уравнений водного баланса Обского болота и его водосбора, изменения фильтрационных свойств грунтов по глубине, кривых депрессии подземных и болотных вод, на основе чего оценены вертикальные и горизонтальные границы зоны взаимодействия подземных и поверхностных вод. В пятой главе выполнен анализ взаимосвязей между химическим составом подземных и болотных вод в Томской области и провинции Цзянси, в том числе посредством проверки на однородность гидрогеохимических данных. В шестой главе проведена оценка влияния загрязнения болот на состояние подземных вод по результатам эксперимента на Обском болоте и материалам изучения взаимодействий вод и отложений ветландов в водосборе озера Поян.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, д.г.н., профессору Олегу Геннадьевичу Савичеву за его внимательное руководство в течение последних трех лет, а также его поддержку и помощь в научноисследовательской работе; признательность и благодарность руководителю отделения геологии к.г.-м.н. Н.В. Гусевой, д.г.-м.н за ее контакт и общение с китайскими коллегами. Автор искренне благодарен за ценные замечания по содержанию работы и её апробации д.г.-м.н., профессору Е.М. Дутовой, д.г.-м.н., профессору Е.Г Язикову, д.г.-м.н., доценту О.Е. Лепокуровой и всему коллективу отделению геологии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ, д.г.-м.н. А.М. Плюснину, своим друзьям и коллегам в Восточно-китайском технологическом университете и в Куньминском университете науки и технологий в КНР.
На основе данных геохимических исследований, выполненных в 2021-2023 гг., проведены обобщение и анализ данных о гидрогеодинамических и гидрогеохимических условиях на заболоченных территориях на юго-востоке Западной Сибири (Томская область, РФ) и в водосборе озера Поян (провинция Цзянси, КНР). В результате показано, что в исследуемом районе Сибири взаимодействие поверхностных и подземных вод в разрезе в основном ограничено глубинами 110-120 м, а в плане приурочено к участкам переменного напора подземных вод на границе болот, причем влияние болотных вод на режим подземных вод наиболее вероятно в летне-осеннюю межень, когда возможен переток болотных вод в сторону от долинного болота к водоразделу на участках 800-900 м, а также увеличивается инфильтрация.
Установлено, что наибольшее влияние подземных вод на химический состав болотных вод на юго-востоке Западной Сибири характерно для краевых частей низинных долинных болот, где происходит разгрузка напорных подземных вод с более высокими, по сравнению с болотными водами, значениями минерализации и рН, наименьшее - для водораздельных верховых болот. Напротив, болота оказывают существенное воздействие на состояние, преимущественно, грунтовых вод, что проявляется в снижении их минерализации и рН. В водосборе озера Поян значимое влияние водно-болотных угодий связано, в основном, с поступлением в грунтовые воды соединений фосфора и снижением рН.
В целом, изученные болота характеризуются значительной способностью к самоочищению, вследствие чего загрязнение в Сибири обычно приурочено к верхней части торфяной залежи до глубин 1,5-2,0 м, а в водосборе озера Поян - снижается с уменьшением диаметра частиц грунта; в случае кратковременного загрязнения болот и водно-болотных угодий антропогенное влияние на подземные воды маловероятно, а в случае длительного загрязнения - наиболее ощутимо для грунтовых вод суходолов на границе низинных болот.
Установлено, что наибольшее влияние подземных вод на химический состав болотных вод на юго-востоке Западной Сибири характерно для краевых частей низинных долинных болот, где происходит разгрузка напорных подземных вод с более высокими, по сравнению с болотными водами, значениями минерализации и рН, наименьшее - для водораздельных верховых болот. Напротив, болота оказывают существенное воздействие на состояние, преимущественно, грунтовых вод, что проявляется в снижении их минерализации и рН. В водосборе озера Поян значимое влияние водно-болотных угодий связано, в основном, с поступлением в грунтовые воды соединений фосфора и снижением рН.
В целом, изученные болота характеризуются значительной способностью к самоочищению, вследствие чего загрязнение в Сибири обычно приурочено к верхней части торфяной залежи до глубин 1,5-2,0 м, а в водосборе озера Поян - снижается с уменьшением диаметра частиц грунта; в случае кратковременного загрязнения болот и водно-болотных угодий антропогенное влияние на подземные воды маловероятно, а в случае длительного загрязнения - наиболее ощутимо для грунтовых вод суходолов на границе низинных болот.
