Помощь студентам в учебе
УСЛОВИЯ САМООЧИЩЕНИЯ И ДОПУСТИМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГРУНТОВЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ (НА ПРИМЕРЕ ВОДОСБОРА ОЗЕРА ПОЯН КНР И ТОМСКОГО ПРИОБЬЯ РФ)
|
Введение 3
1. Изученность проблемы оценки самоочищения подземных вод и нормирования
антропогенного воздействия на них 10
1.1. Терминология и общая постановка проблемы изучения эколого-геохимического состояния
водных объектов в зоне гипергенеза 10
1.2. Изученность эколого-геохимического состояния грунтовых вод в водосборе озера Поян
(КНР, провинция Цзянси) и иных объектов 12
2. Объекты и методика исследования 15
3. Условия формирования химического состава грунтовых и поверхностных вод в водосборе
озера Поян (КНР) 28
3.1. Административное и географическое положение 28
3.2. Климатические и гидрологические условия 30
3.3. Геологические и гидрогеологические условия 35
3.4. Хозяйственная деятельность и ее влияние на режим и эколого-геохимическое состояние
грунтовых вод 43
4. Эколого-геохимическое состояние грунтовых и речных вод в водосборе озера Поян и условия
их самоочищения 52
4.1. Общая оценка эколого-геохимического состояния грунтовых и речных вод в водосборе
озера Поян 52
4.2. Оценка антропогенного влияния на речные и грунтовые воды в водосборе озера Поян 76
5. Анализ взаимосвязей между условиями самоочищения грунтовых вод и их водным режимом 88
5.1. Связи между водным стоком, морфометрическими характеристиками областей питания и
химическим составом подземных вод в г. Томске (РФ) и в водосборе озера Поян (КНР) 88
5.2. Условия распространения загрязняющих веществ в геосреде (на примере Обского болота,
Западная Сибирь) 95
6. Оценка допустимого поступления загрязняющих веществ в грунтовые и поверхностные
водные объекты 100
6.1. Фоновый состав грунтовых вод 100
6.2. Допустимый сброс загрязняющих веществ в водные объекты 102
Выводы 107
Список литературы 108
1. Изученность проблемы оценки самоочищения подземных вод и нормирования
антропогенного воздействия на них 10
1.1. Терминология и общая постановка проблемы изучения эколого-геохимического состояния
водных объектов в зоне гипергенеза 10
1.2. Изученность эколого-геохимического состояния грунтовых вод в водосборе озера Поян
(КНР, провинция Цзянси) и иных объектов 12
2. Объекты и методика исследования 15
3. Условия формирования химического состава грунтовых и поверхностных вод в водосборе
озера Поян (КНР) 28
3.1. Административное и географическое положение 28
3.2. Климатические и гидрологические условия 30
3.3. Геологические и гидрогеологические условия 35
3.4. Хозяйственная деятельность и ее влияние на режим и эколого-геохимическое состояние
грунтовых вод 43
4. Эколого-геохимическое состояние грунтовых и речных вод в водосборе озера Поян и условия
их самоочищения 52
4.1. Общая оценка эколого-геохимического состояния грунтовых и речных вод в водосборе
озера Поян 52
4.2. Оценка антропогенного влияния на речные и грунтовые воды в водосборе озера Поян 76
5. Анализ взаимосвязей между условиями самоочищения грунтовых вод и их водным режимом 88
5.1. Связи между водным стоком, морфометрическими характеристиками областей питания и
химическим составом подземных вод в г. Томске (РФ) и в водосборе озера Поян (КНР) 88
5.2. Условия распространения загрязняющих веществ в геосреде (на примере Обского болота,
Западная Сибирь) 95
6. Оценка допустимого поступления загрязняющих веществ в грунтовые и поверхностные
водные объекты 100
6.1. Фоновый состав грунтовых вод 100
6.2. Допустимый сброс загрязняющих веществ в водные объекты 102
Выводы 107
Список литературы 108
Актуальность темы исследования. Анализ и количественная оценка условий самоочищения являются важным этапом определения допустимых воздействий на водные объекты и планирования водохозяйственных мероприятий. Эти процедуры должны быть научно обоснованными, опираться на данные государственной системы наблюдений и быть встроенными в систему принятия управленческих решений в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
В настоящее время имеется большое количество исследований по этой теме, наиболее полный обзор которых приведен в [Методические основы оценки..., 1987; Вода России.
Математическое..., 2001; Земцов, 2004; Loukcs, Van Beek, 2005; Савичев, 2010; Лехов, 2010; Benedini, Tsakiris, 2013; Румынин, 2020]. Кроме того, в законодательствах разных стран введены нормативные документы, в которых содержатся рекомендации по гидрохимическим расчетам. В частности, в Российской Федерации (РФ) используется методика оценки фоновых концентраций Сь в поверхностных водных объектах [РД 52.24.622-2017] и методика определения нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты Glim [Методика разработки нормативов допустимых сбросов., 2020]. Согласно последнему документу, расчет величины Glim конкретного вещества сводится к определению элементов уравнений (1, 2) с учетом фоновой и предельно допустимой концентрации вещества (ПДК):
^lim = Cw,lim ' Qw (Cb + Щ ' (ПДК — C^)) ■ qw, (1)
ns=nm- n0, (2)
где qw - расход сточных вод, м3/с; ns, nm, no - кратность общего, основного и начального разбавления, соответственно; концентрации вещества (Сь, Cw,lim, ПДК) - в мг/дм3. В Китайской народной республике (КНР) приняты нормативные документы в области охраны водных объектов [GB 3838-2002; Chinese Academy., 2003; SL 348-2006], в соответствие с которыми установлены стандарты качества воды для объектов разного назначения и метод расчета максимально допустимого загрязнения рек.
В случае подземных вод разработаны общие требования по их охране [Правила охраны подземных водных объектов., 2016, 2019], но утвержденные методики, позволяющие
количественно оценить условия самоочищения и допустимые воздействия на подземные воды (включая грунтовые), фактически в настоящее время отсутствуют (количественные оценки в основном ограничены расчетом санитарных зон охраны источников водоснабжения и некоторых видов мелиоративных систем).
С учетом этого автором проведено исследование, цель которого - определение условий самоочищения и допустимого антропогенного воздействия на грунтовые воды в различных природных условиях (на примере водных объектов в водосборе озера Поян в пределах зоны переменно-влажных лесов субтропического климатического пояса, Китайская народная республика, и водных объектов подтайги умеренного климатического пояса на юге Томской области, Российская Федерация).
Для достижения этой цели были рассмотрены следующие задачи исследования:
1) оценка эколого-геохимического состояния грунтовых и поверхностных вод в различных природных условиях и его сравнительный анализ;
2) выявление взаимосвязей между геохимическими показателями грунтовых и поверхностных вод и условиями их самоочищения в различных природных условиях;
3) разработка методики и непосредственно оценка допустимого антропогенного влияния на эколого-геохимическое состояние грунтовых вод в водосборе озера Поян (КНР).
Объекты и методы исследования. Основным объектом исследования являются грунтовые и речные воды в водосборе озера Поян (Китайская народная республика; зона переменновлажных лесов субтропического пояса) с учётом того, что на этой территории проживает 45,2 млн человек, функционирует большое количество промышленных и сельскохозяйственных предприятий [China: Jiangxi..., 2021], одновременно использующих подземные воды и оказывающих на них негативное влияние. Главное внимание уделено самоочищению грунтовых вод в водосборе озера Поян с учетом взаимодействий в системе «вода - порода». Но, принимая во внимание наличие исходных данных (1о химическом составе воды и вытяжек из взаимодействующих с ней грунтов и Характеристиках водного стока) были также изучены процессы самоочищения (за счёт разбавления, растворения - осаждения и сорбции - десорбции):
1) рек1 непосредственно в водосборе озера Поян (реки Ганьцзян и ее приток Цзиньцзян), а также в бассейне реки Красной (Юаньцзян / Хонг) в пределах Социалистической республики Вьетнам (зона переменно-влажных лесов субэкваториального пояса); 2) низинного Обского болота1,2 на юге Томской области (РФ) - природного объекта: 2.1) с условиями движения воды, аналогичными подземным водоносным горизонтам, но более доступного для изучения (меньшая трудоемкость при бурении и отборе проб грунта и воды); 2.2) по свойствам наиболее близкого к ветландам в водосборе озера Поян; 3) подземных вод2 в г. Томске с разгрузкой в виде родников (вторая и третья группа объектов при постановке цели и задач исследования были объединены, с учётом географической общности и терминологии, использованной в [Ермашова, 1998; Швацев, 1998], в группу с обозначением «Томское Приобье» - общность водных объектов на границе южной тайги и лесостепи на участке от Обского болота в левобережной части долины Оби до родников в г. Томске на участке нижнего течения крупного притока Оби - реки Томь). При этом мы исходили из того, что выводы о самоочищении грунтовых и поверхностных вод, полученные в разных природных условиях, являются более обоснованными по сравнению с результатами изучения локальных объектов.
В процессе исследования использовались следующие методы: ландшафтно-геохимический (изучение объектов в разных природных условияхи компонентах природно-территориальных комплексов), географо-гидрологический (использование аналогов с учетом природных условий и водного режима), статистический (обработка данных), методы математического моделирования (моделирование как метод изучения процесса с учетом сопоставимости результатов моделирования и измерения), методы химического анализа вод, торфов и донных отложений (масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой, атомно-абсорбционный, ионная хроматография и другие).
Исходные материалы. Использованы материалы исследований, выполненных в Томском политехническом университете (ТПУ) в 2013-2023 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 государственного мониторинга и ряда научных организаций в КНР и РФ. При проведении статистического анализа и математического моделирования (после визуальной и статистической проверки) использовались: 1) в водосборе озера Поян: грунтовые воды - 29 проб; речные воды - 13 проб; воды ветландов - 12 проб; водные вытяжки из речных отложений - 4 пробы; 2) Обское болото: за 2002-2021 г. - более 25 проб воды и более 240 проб вытяжек из торфов, в том числе в 2021 г. -10 проб болотной воды (из деятельного горизонта торфяной залежи) и 218 проб водных вытяжек из торфов.; 3) 17 проб родниковых вод в г. Томске; 4) опубликованные материалы других авторов, ссылки на которые приведены в тексте при обсуждении ряда специальных вопросов, включая до 46 проб грунтовых и речных вод в Северном Вьетнаме. Основные выводы получены преимущественно в процессе и при анализе материалов исследований, выполненных в 2018-2022 гг. по проектам РФФИ БРИКС_Т № 18-55-80015 и РНФ № 23-27-00039 (научный руководитель Савичев О.Г.).
Научная новизна. Разработана и апробирована методика оценки гидрогеохимического фона и допустимого воздействия на грунтовые воды в водосборе озера Поян (КНР). Впервые количественно оценено допустимое антропогенное воздействие на грунтовые воды в водосборе озера Поян (КНР) и выявлено влияние водного режима, геохимической обстановки и изменений размеров областей питания и разгрузки на условия самоочищения грунтовых и речных вод, в том числе впервые показано, что изменение качества грунтовых вод может быть связано с «подтягиванием» наверх загрязненной ранее водной массы при увеличении дождевых осадков и «опусканием» её вниз при преобладании испарения.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Условия самоочищения грунтовых и речных вод в целом улучшаются при одновременном увеличении водного стока и температуры воды и выравнивании их внутригодового распределения, что способствует росту интенсивности биогеохимических процессов, осаждению малорастворимых соединений, соосаждению ряда химических элементов (W, Hg, Mo, V, Ni, Sb, Cd и др.) и выносу загрязняющих веществ; соответственно, условия самоочищения обычно наилучшие в регионах с теплым и влажным климатом, наихудшие - в аридных регионах как с холодным, так и с теплым климатом.
2. Снижение качества грунтовых вод на селитебных территориях может быть связано как с прямым их загрязнением, так и изменением режима и стока грунтовых вод вследствие сезонных и многолетних изменений инфильтрации, потерь из водоводов, барражного эффекта при строительстве и изменения границ поверхностных и подземных водосборов.
3. Фоновый уровень содержания веществ в грунтовых водах (геохимический фон) в значительной мере определяется интенсивностью водообмена, сорбционной способностью водовмещающих грунтов, их химическим и гранулометрическим составом, а допустимое воздействие на грунтовые воды прямо пропорционально геохимическому фону, глубине исследуемого горизонта и отношению удельной скорости изменения концентрации рассматриваемого вещества к коэффициенту гидродисперсии.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования определяется: 1) применением современных высокоточных методов химического анализа и выполнением определений в аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета; 2) использованием статистического и экспертного анализа данных наблюдений с учётом нормативных требований, принятых в Китайской народной республике и Российской Федерации; 3) апробацией результатов исследования в процессе публикаций в рецензируемых научных журналах («Известия Томского политехнического университета», «Водные ресурсы», «IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis») и докладов на научных конференциях.
Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для: 1) нормирования антропогенных воздействий на водные объекты; 2) оптимизации
программы государственного мониторинга водных объектов и геологической среды в бассейне озера Поян; 3) проведения учебных занятий по гидрогеологии, геоэкологии, гидрохимии и геохимии в университетах Китайской народной республики и Российской Федерации. Результаты исследования использованы при проведении научных исследований в Томском политехническом университете, 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 5 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК:
Савичев О.Г., Чжоу Дань Способ оценки допустимых концентраций загрязняющих веществ с учетом состояния донных отложений // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2021. - Т. 332. - № 6. - C. 107-117. DOI:
10.18799/24131830/2021/06/3241.
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.
Пасечник Е.Ю., Льготин В.А., Савичев О.Г., Чилингер Л.Н., Хващевская А.А., Чжоу Д. Химический состав родников как индикатор природно-техногенной эволюции городской экосистемы (на примере города Томска, юго-восток Западной Сибири) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2022. - Т. 333. - № 7. - С. 195-206. DOI: 10.18799/24131830/2022/7/3534.
Soldatova E.A., Savichev O.G., Zhou D., Ivanova I. S., Li J., Dong Y., and Sun Z. Ecological- Geochemical Conditions of Surface Water and Groundwater and Estimation of the Anthropogenic Effect in the Basin of the Ganjiang River // Water Resources. - 2022. - Vol. 49, No. 3, pp. 483-492. DOI: 10.1134/S0097807822030149.
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.
2) в иных журналах и сборниках:
Zhou, D., Savichev, O.G. Evaluation method of allowable concentration of pollutants considering the state of bottom sediments // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis / IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021, 958, 012017. https://doi.org/10.1088/1755- 1315/958/1/012017, 2022, 958(1), 012017.
3) докладывались и обсуждались на конференциях в Томском политехническом
университете (апрель 2022 г., апрель 2023 г.), на конференциях в Восточно-китайском
технологическом университете (октябрь 2022 г.), VIII Международной конференции по водным ресурсам и окружающей среде (ноябрь 2021 г.) и ряде других научных мероприятий.
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 артезианских вод на прилегающих к нему территориях, в октябре 2022 г. (совместно с Ян Хэн) - 3 пробы грунтовых 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 экологогеохимического состояния водных объектов в исследуемой части подтаежнгой зоны Западной Сибири в пределах Томской области (Обское болото в Шегарском районе Томской области и родники г. Томска) и проанализированы природно-антропогенные условия его формирования.
Структура и объём диссертации. Диссертация объёмом 130 страниц машинописного текста состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 292 наименования, содержит 45 рисунка и 19 таблиц.
В первой главе охарактеризована изученность проблемы оценки самоочищения грунтовых вод и нормирования антропогенного воздействия на них в целом и в водосборе озера Поян, в частности, а также приведена используемая в работе терминология. Во второй главе содержатся сведения об объектах и методике исследования. В третьей главе рассмотрены условия формирования химического состава грунтовых и поверхностных вод в водосборе озера Поян. В четвертой главе приведены результаты оценки эколого-геохимического состояния грунтовых и речных вод в водосборе озера Поян, включая оценку фоновых концентраций в грунтовых водах, и изучения условий их самоочищения. Пятая глава посвящена анализу взаимосвязей между условиями самоочищения грунтовых вод и их водным режимом. В шестой главе (на основе материалов четвертой и пятой глав) приведено обоснование подхода к оценке допустимых концентраций загрязняющих веществ в водах рисовых полей, поверхностном стоке, мелиоративных системах, сточных водах, поступающих на рельеф, и собственно допустимые концентрации, при которых (или меньше их) эколого-геохимическое состояние грунтовых вод существенно не изменится.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю, д.г.н., профессору Олегу Геннадьевичу Савичеву за безграничную поддержку и научное вдохновение, бесценный опыт и неиссякаемую энергию при руководстве диссертационной работой и благодарность Ян Хену за помощь в учебе и жизни. Автор искренне благодарен за очень ценные замечания по содержанию работы и её апробации д.г. -м.н., профессору Е.Г. Язикову, д.б.н., профессору Н.В. Барановской, руководителю отделения геологии д.г.-м.н. Н.В. Гусевой, д.г.-м.н., профессору Е.М. Дутовой, д.г.-м.н., доценту О.Е. Лепокуровой и всему коллективу отделению геологии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета, своим друзьям. Автор благодарит А.А. Хващевскую из аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета, Хуан Инь, Цзинь Кэшэнг и Ву Юэкан из лаборатории механики грунтов Куньминского научно-технического университета за их экспериментальную помощь и коллегам из Восточно-Китайского технологического университета профессору Сунь Чжаньсюэ, Дон Ихуи, Ли Цзяле и др. за ценные комментарии к диссертации.
В настоящее время имеется большое количество исследований по этой теме, наиболее полный обзор которых приведен в [Методические основы оценки..., 1987; Вода России.
Математическое..., 2001; Земцов, 2004; Loukcs, Van Beek, 2005; Савичев, 2010; Лехов, 2010; Benedini, Tsakiris, 2013; Румынин, 2020]. Кроме того, в законодательствах разных стран введены нормативные документы, в которых содержатся рекомендации по гидрохимическим расчетам. В частности, в Российской Федерации (РФ) используется методика оценки фоновых концентраций Сь в поверхностных водных объектах [РД 52.24.622-2017] и методика определения нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты Glim [Методика разработки нормативов допустимых сбросов., 2020]. Согласно последнему документу, расчет величины Glim конкретного вещества сводится к определению элементов уравнений (1, 2) с учетом фоновой и предельно допустимой концентрации вещества (ПДК):
^lim = Cw,lim ' Qw (Cb + Щ ' (ПДК — C^)) ■ qw, (1)
ns=nm- n0, (2)
где qw - расход сточных вод, м3/с; ns, nm, no - кратность общего, основного и начального разбавления, соответственно; концентрации вещества (Сь, Cw,lim, ПДК) - в мг/дм3. В Китайской народной республике (КНР) приняты нормативные документы в области охраны водных объектов [GB 3838-2002; Chinese Academy., 2003; SL 348-2006], в соответствие с которыми установлены стандарты качества воды для объектов разного назначения и метод расчета максимально допустимого загрязнения рек.
В случае подземных вод разработаны общие требования по их охране [Правила охраны подземных водных объектов., 2016, 2019], но утвержденные методики, позволяющие
количественно оценить условия самоочищения и допустимые воздействия на подземные воды (включая грунтовые), фактически в настоящее время отсутствуют (количественные оценки в основном ограничены расчетом санитарных зон охраны источников водоснабжения и некоторых видов мелиоративных систем).
С учетом этого автором проведено исследование, цель которого - определение условий самоочищения и допустимого антропогенного воздействия на грунтовые воды в различных природных условиях (на примере водных объектов в водосборе озера Поян в пределах зоны переменно-влажных лесов субтропического климатического пояса, Китайская народная республика, и водных объектов подтайги умеренного климатического пояса на юге Томской области, Российская Федерация).
Для достижения этой цели были рассмотрены следующие задачи исследования:
1) оценка эколого-геохимического состояния грунтовых и поверхностных вод в различных природных условиях и его сравнительный анализ;
2) выявление взаимосвязей между геохимическими показателями грунтовых и поверхностных вод и условиями их самоочищения в различных природных условиях;
3) разработка методики и непосредственно оценка допустимого антропогенного влияния на эколого-геохимическое состояние грунтовых вод в водосборе озера Поян (КНР).
Объекты и методы исследования. Основным объектом исследования являются грунтовые и речные воды в водосборе озера Поян (Китайская народная республика; зона переменновлажных лесов субтропического пояса) с учётом того, что на этой территории проживает 45,2 млн человек, функционирует большое количество промышленных и сельскохозяйственных предприятий [China: Jiangxi..., 2021], одновременно использующих подземные воды и оказывающих на них негативное влияние. Главное внимание уделено самоочищению грунтовых вод в водосборе озера Поян с учетом взаимодействий в системе «вода - порода». Но, принимая во внимание наличие исходных данных (1о химическом составе воды и вытяжек из взаимодействующих с ней грунтов и Характеристиках водного стока) были также изучены процессы самоочищения (за счёт разбавления, растворения - осаждения и сорбции - десорбции):
1) рек1 непосредственно в водосборе озера Поян (реки Ганьцзян и ее приток Цзиньцзян), а также в бассейне реки Красной (Юаньцзян / Хонг) в пределах Социалистической республики Вьетнам (зона переменно-влажных лесов субэкваториального пояса); 2) низинного Обского болота1,2 на юге Томской области (РФ) - природного объекта: 2.1) с условиями движения воды, аналогичными подземным водоносным горизонтам, но более доступного для изучения (меньшая трудоемкость при бурении и отборе проб грунта и воды); 2.2) по свойствам наиболее близкого к ветландам в водосборе озера Поян; 3) подземных вод2 в г. Томске с разгрузкой в виде родников (вторая и третья группа объектов при постановке цели и задач исследования были объединены, с учётом географической общности и терминологии, использованной в [Ермашова, 1998; Швацев, 1998], в группу с обозначением «Томское Приобье» - общность водных объектов на границе южной тайги и лесостепи на участке от Обского болота в левобережной части долины Оби до родников в г. Томске на участке нижнего течения крупного притока Оби - реки Томь). При этом мы исходили из того, что выводы о самоочищении грунтовых и поверхностных вод, полученные в разных природных условиях, являются более обоснованными по сравнению с результатами изучения локальных объектов.
В процессе исследования использовались следующие методы: ландшафтно-геохимический (изучение объектов в разных природных условияхи компонентах природно-территориальных комплексов), географо-гидрологический (использование аналогов с учетом природных условий и водного режима), статистический (обработка данных), методы математического моделирования (моделирование как метод изучения процесса с учетом сопоставимости результатов моделирования и измерения), методы химического анализа вод, торфов и донных отложений (масс-спектрометрический с индуктивно связанной плазмой, атомно-абсорбционный, ионная хроматография и другие).
Исходные материалы. Использованы материалы исследований, выполненных в Томском политехническом университете (ТПУ) в 2013-2023 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 государственного мониторинга и ряда научных организаций в КНР и РФ. При проведении статистического анализа и математического моделирования (после визуальной и статистической проверки) использовались: 1) в водосборе озера Поян: грунтовые воды - 29 проб; речные воды - 13 проб; воды ветландов - 12 проб; водные вытяжки из речных отложений - 4 пробы; 2) Обское болото: за 2002-2021 г. - более 25 проб воды и более 240 проб вытяжек из торфов, в том числе в 2021 г. -10 проб болотной воды (из деятельного горизонта торфяной залежи) и 218 проб водных вытяжек из торфов.; 3) 17 проб родниковых вод в г. Томске; 4) опубликованные материалы других авторов, ссылки на которые приведены в тексте при обсуждении ряда специальных вопросов, включая до 46 проб грунтовых и речных вод в Северном Вьетнаме. Основные выводы получены преимущественно в процессе и при анализе материалов исследований, выполненных в 2018-2022 гг. по проектам РФФИ БРИКС_Т № 18-55-80015 и РНФ № 23-27-00039 (научный руководитель Савичев О.Г.).
Научная новизна. Разработана и апробирована методика оценки гидрогеохимического фона и допустимого воздействия на грунтовые воды в водосборе озера Поян (КНР). Впервые количественно оценено допустимое антропогенное воздействие на грунтовые воды в водосборе озера Поян (КНР) и выявлено влияние водного режима, геохимической обстановки и изменений размеров областей питания и разгрузки на условия самоочищения грунтовых и речных вод, в том числе впервые показано, что изменение качества грунтовых вод может быть связано с «подтягиванием» наверх загрязненной ранее водной массы при увеличении дождевых осадков и «опусканием» её вниз при преобладании испарения.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Условия самоочищения грунтовых и речных вод в целом улучшаются при одновременном увеличении водного стока и температуры воды и выравнивании их внутригодового распределения, что способствует росту интенсивности биогеохимических процессов, осаждению малорастворимых соединений, соосаждению ряда химических элементов (W, Hg, Mo, V, Ni, Sb, Cd и др.) и выносу загрязняющих веществ; соответственно, условия самоочищения обычно наилучшие в регионах с теплым и влажным климатом, наихудшие - в аридных регионах как с холодным, так и с теплым климатом.
2. Снижение качества грунтовых вод на селитебных территориях может быть связано как с прямым их загрязнением, так и изменением режима и стока грунтовых вод вследствие сезонных и многолетних изменений инфильтрации, потерь из водоводов, барражного эффекта при строительстве и изменения границ поверхностных и подземных водосборов.
3. Фоновый уровень содержания веществ в грунтовых водах (геохимический фон) в значительной мере определяется интенсивностью водообмена, сорбционной способностью водовмещающих грунтов, их химическим и гранулометрическим составом, а допустимое воздействие на грунтовые воды прямо пропорционально геохимическому фону, глубине исследуемого горизонта и отношению удельной скорости изменения концентрации рассматриваемого вещества к коэффициенту гидродисперсии.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования определяется: 1) применением современных высокоточных методов химического анализа и выполнением определений в аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета; 2) использованием статистического и экспертного анализа данных наблюдений с учётом нормативных требований, принятых в Китайской народной республике и Российской Федерации; 3) апробацией результатов исследования в процессе публикаций в рецензируемых научных журналах («Известия Томского политехнического университета», «Водные ресурсы», «IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis») и докладов на научных конференциях.
Практическая значимость работы. Результаты исследования являются научной основой для: 1) нормирования антропогенных воздействий на водные объекты; 2) оптимизации
программы государственного мониторинга водных объектов и геологической среды в бассейне озера Поян; 3) проведения учебных занятий по гидрогеологии, геоэкологии, гидрохимии и геохимии в университетах Китайской народной республики и Российской Федерации. Результаты исследования использованы при проведении научных исследований в Томском политехническом университете, 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 5 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК:
Савичев О.Г., Чжоу Дань Способ оценки допустимых концентраций загрязняющих веществ с учетом состояния донных отложений // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2021. - Т. 332. - № 6. - C. 107-117. DOI:
10.18799/24131830/2021/06/3241.
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.
Пасечник Е.Ю., Льготин В.А., Савичев О.Г., Чилингер Л.Н., Хващевская А.А., Чжоу Д. Химический состав родников как индикатор природно-техногенной эволюции городской экосистемы (на примере города Томска, юго-восток Западной Сибири) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2022. - Т. 333. - № 7. - С. 195-206. DOI: 10.18799/24131830/2022/7/3534.
Soldatova E.A., Savichev O.G., Zhou D., Ivanova I. S., Li J., Dong Y., and Sun Z. Ecological- Geochemical Conditions of Surface Water and Groundwater and Estimation of the Anthropogenic Effect in the Basin of the Ganjiang River // Water Resources. - 2022. - Vol. 49, No. 3, pp. 483-492. DOI: 10.1134/S0097807822030149.
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.
2) в иных журналах и сборниках:
Zhou, D., Savichev, O.G. Evaluation method of allowable concentration of pollutants considering the state of bottom sediments // IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis / IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2021, 958, 012017. https://doi.org/10.1088/1755- 1315/958/1/012017, 2022, 958(1), 012017.
3) докладывались и обсуждались на конференциях в Томском политехническом
университете (апрель 2022 г., апрель 2023 г.), на конференциях в Восточно-китайском
технологическом университете (октябрь 2022 г.), VIII Международной конференции по водным ресурсам и окружающей среде (ноябрь 2021 г.) и ряде других научных мероприятий.
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 артезианских вод на прилегающих к нему территориях, в октябре 2022 г. (совместно с Ян Хэн) - 3 пробы грунтовых 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 экологогеохимического состояния водных объектов в исследуемой части подтаежнгой зоны Западной Сибири в пределах Томской области (Обское болото в Шегарском районе Томской области и родники г. Томска) и проанализированы природно-антропогенные условия его формирования.
Структура и объём диссертации. Диссертация объёмом 130 страниц машинописного текста состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 292 наименования, содержит 45 рисунка и 19 таблиц.
В первой главе охарактеризована изученность проблемы оценки самоочищения грунтовых вод и нормирования антропогенного воздействия на них в целом и в водосборе озера Поян, в частности, а также приведена используемая в работе терминология. Во второй главе содержатся сведения об объектах и методике исследования. В третьей главе рассмотрены условия формирования химического состава грунтовых и поверхностных вод в водосборе озера Поян. В четвертой главе приведены результаты оценки эколого-геохимического состояния грунтовых и речных вод в водосборе озера Поян, включая оценку фоновых концентраций в грунтовых водах, и изучения условий их самоочищения. Пятая глава посвящена анализу взаимосвязей между условиями самоочищения грунтовых вод и их водным режимом. В шестой главе (на основе материалов четвертой и пятой глав) приведено обоснование подхода к оценке допустимых концентраций загрязняющих веществ в водах рисовых полей, поверхностном стоке, мелиоративных системах, сточных водах, поступающих на рельеф, и собственно допустимые концентрации, при которых (или меньше их) эколого-геохимическое состояние грунтовых вод существенно не изменится.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю, д.г.н., профессору Олегу Геннадьевичу Савичеву за безграничную поддержку и научное вдохновение, бесценный опыт и неиссякаемую энергию при руководстве диссертационной работой и благодарность Ян Хену за помощь в учебе и жизни. Автор искренне благодарен за очень ценные замечания по содержанию работы и её апробации д.г. -м.н., профессору Е.Г. Язикову, д.б.н., профессору Н.В. Барановской, руководителю отделения геологии д.г.-м.н. Н.В. Гусевой, д.г.-м.н., профессору Е.М. Дутовой, д.г.-м.н., доценту О.Е. Лепокуровой и всему коллективу отделению геологии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета, своим друзьям. Автор благодарит А.А. Хващевскую из аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета, Хуан Инь, Цзинь Кэшэнг и Ву Юэкан из лаборатории механики грунтов Куньминского научно-технического университета за их экспериментальную помощь и коллегам из Восточно-Китайского технологического университета профессору Сунь Чжаньсюэ, Дон Ихуи, Ли Цзяле и др. за ценные комментарии к диссертации.
На основе данных геохимических исследований, выполненных в 2021-2023 гг., проведены обобщение и анализ данных о химическом составе грунтовых и речных вод в водосборе озера Поян (зона переменно-влажных лесов субтропического пояса, КНР) и в других регионах Азии в пределах различных природных зон. В результате было установлено, что условия самоочищения грунтовых и речных вод в целом улучшаются с увеличением и выравниванием в течение года водного стока и температуры воды, что способствует росту интенсивности биогеохимических процессов, осаждению малорастворимых соединений, соосаждению ряда химических элементов, выносу загрязняющих веществ и продуктов их трансформации за пределы рассматриваемых участков. Соответственно, условия самоочищения при прочих равных условиях обычно наилучшие в регионах с теплым и влажным климатом, хуже - в регионах с влажным и холодным климатом и, особенно, в аридных регионах как с холодным, так и с теплым климатом. Выявлено, что снижение качества грунтовых вод на селитебных территориях может быть связано как с прямым их загрязнением, так и изменением режима и стока грунтовых вод вследствие сезонных и многолетних изменений инфильтрации, потерь из водоводов, барражного эффекта при строительстве и изменения границ поверхностных и подземных водосборов.
Разработана и апробирована на примере водосбора озера Поян методика оценки допустимых концентраций загрязняющих веществ в сточных водах, поверхностном стоке, водах в мелиоративных системах и на рисовых полях, при поступлении которых в подземные водоносные горизонты качество грунтовых вод статистически значимо не изменится по сравнению с геохимическим фоном. Показано, что фон в значительной мере определяется интенсивностью водообмена, сорбционной способностью водовмещающих грунтов, их химическим и гранулометрическим составом, а допустимое воздействие на грунтовые воды прямо пропорционально геохимическому фону, глубине исследуемого горизонта и отношению удельной скорости изменения концентрации рассматриваемого вещества к коэффициенту гидродисперсии.
Разработана и апробирована на примере водосбора озера Поян методика оценки допустимых концентраций загрязняющих веществ в сточных водах, поверхностном стоке, водах в мелиоративных системах и на рисовых полях, при поступлении которых в подземные водоносные горизонты качество грунтовых вод статистически значимо не изменится по сравнению с геохимическим фоном. Показано, что фон в значительной мере определяется интенсивностью водообмена, сорбционной способностью водовмещающих грунтов, их химическим и гранулометрическим составом, а допустимое воздействие на грунтовые воды прямо пропорционально геохимическому фону, глубине исследуемого горизонта и отношению удельной скорости изменения концентрации рассматриваемого вещества к коэффициенту гидродисперсии.
