Концепция современного мониторинга окружающей среды предложена и сформулирована И.П. Герасимовым [2]. По его определению, "мониторинг — система наблюдения, контроля и управления состоянием окружающей среды, осуществляемая в различных масштабах, от глобального до локального". "Управление" предусматривает необходимость прогноза, а, следовательно, репрезентативности данных наблюдений за показателями, характеризующими состояние окружающей среды. Главное отличие системы современного мониторинга от ранее использовавшихся наблюдений за естественно-природными явлениями заключается в возможности осуществлять управление техногенными воздействиями. Его структура и содержание базируются на современных теориях обработки, представления, хранения информации, построения моделей природно-технических объектов, их калибровки и получения прогнозных решений.
Систематические наблюдения за состоянием подземных вод проводятся в различных странах более 70 лет. Широкое региональное изучение режима подземных вод начато в СССР с 30-х годов прошлого столетия. Научные основы принципов организации и содержания режимных наблюдений за состоянием подземных вод изложены в работах Г.Н. Каменского, Н.Н. Биндемана, М.А. Вевиоровской, А.В. Лебедева, П.А. Киселева, М.Е. Альтовского, А.А. Коноплянцева, В.С. Ковалевского, С.М. Семенова, Е.Н. Ярцевой и др. [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Определение понятия "режим подземных вод" дается Г.Н. Каменским как "поведение подземных вод во времени под влиянием геологических и климатических факторов". Одновременно обращается внимание на необходимость изучения изменения режима подземных вод под воздействием различных техногенных факторов. М.Е. Альтовский трактует режим подземных вод как "естественно-исторический процесс изменения свойств подземных вод во времени и в пространстве, представляющий собой отдельные стадии формирования подземных вод, протекающий под воздействием совокупности взаимодействующих и изменяющихся факторов (климатических, гидрогеологических, геологических, почвенных, биогенных и искусственных)".
Изначально наблюдения за режимом подземных вод рассматривались как “метод решения конкретных практических задач, большинство которых могут быть сформулированы как задачи прогноза режима”. Одновременно назначение метода состояло в “накоплении материалов многолетних наблюдений о режиме подземных вод и установлении закономерностей регионального значения” [4].
Вопросам исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией посвящена работа В.С. Ковалевского [6]. Им обоснована большая детальность обследования водозаборов, где интенсивная эксплуатация подземных вод приводит к образованию обширных воронок депрессии диаметром до сотен километров и понижением в центре до 70 – 100 м, что резко меняет гидрогеологическую и природно-экологическую обстановку территории.
По В.М. Гольдбергу мониторинг качества подземных вод на начальных стадиях осуществляется обычно с большой частотой. Позже, когда становится понятен механизм движения загрязненных веществ, периодичность корректируется. Частота отбора проб определяется режимом подземных вод и характером техногенного влияния. Пункты и сроки отбора проб устанавливаются в зависимости от целей исследования и особенностей распространения загрязнения. Периодичность отбора проб – не реже одного раза в квартал из скважин у границы загрязнения и одного раза в полгода из удаленных скважин. Недостаточное внимание к технологии опробования подземных вод в рамках мониторинга приводит к получению ненадежных, непредставительных или просто ошибочных данных об их химическом составе. Источники ошибок могут быть подразделены на 3 группы [3]:
материалы и методы отбора проб;
аналитические процедуры;
пространственная и временная неоднородность гидрогеохимических условий.
Задачи специализированной сети наблюдательных скважин в связи с охраной подземных вод от загрязнения в районах водозаборов и крупных промышленных объектов заключаются в следующем:
- своевременное обнаружение загрязнения в подземных водах;
- изучение динамики области загрязнения во времени и по площади;
- изучение движения загрязняющих веществ с учетом физико-химических процессов, в том числе процессов самоочищения подземных вод;
корректировка прогнозов распространения загрязненных вод и совершенствование методики их выполнения.
Программа объектного мониторинга является развивающейся системой, постоянно совершенствующейся с внедрением успешных приемов и методов и отказом от нежелательных и малоэффективных компонентов. Оптимизация системы сбора данных и ведения мониторинга – основное назначение прогнозных моделей, которые позволяют принимать решения относительно частоты измерения гидродинамических показателей режима подземных вод, отбора проб воды и места расположения наблюдательных точек. Несмотря на дороговизну выполнения, мониторинг всегда рентабелен в сравнении с затратами на восстановление истощенных или загрязненных водоносных горизонтов.
Цели, задачи и назначение объектного мониторинга подземных вод
В связи с необходимостью выявлять, оценивать и прогнозировать техногенные изменения в подземных водах, для получения объективной информации о состоянии подземного водного объекта и адекватной оценки этого состояния возникает потребность в организации специальной информационно-прогнозной системы наблюдений, то есть объектного мониторинга подземных вод.
Под объектным мониторингом подземных вод понимают научно-обоснованную систему режимных регламентированных наблюдений за изменением состояния подземных вод под воздействием природных и техногенных факторов, систематизации, обработки и анализа результатов наблюдений, а также решения задач прогноза, контроля и регулирования состояния ресурсов, нарушенного режима и качества подземных вод. Мониторинг является новым уровнем информационной системы целенаправленных наблюдений организационно и методически связанных с управлением процессом техногенных воздействий на среду.
Целью объектного мониторинга подземных вод является информационное обеспечение природоохранной деятельности.
Основные общие задачи объектного мониторинга подземных вод сформулированы следующим образом [11].
Выявление локальных пространственно-временных закономерностей многолетнего естественного и техногенного режимов, баланса, химического состава подземных вод с целью своевременного и оперативного обнаружения негативных последствий антропогенного воздействия на подземные воды и сопредельные среды.
Оценка состояния подземных вод по качественным и количественным показателям и контроль за соответствием этих показателей требованиям нормативов и стандартов и результатам ранее выполненных прогнозов и экспертных заключений.
Составление регулярных краткосрочных и долгосрочных прогнозов изменения состояния подземных вод.
Информационное обеспечение запросов, справочных данных о состоянии подземных вод.
Контроль соответствия прогнозных решений фактическому развитию ситуации и информационное обеспечение на этой основе процедур корректировки природоохранных мероприятий.
В отличие от глобального или регионального мониторинга, изучающего преимущественно естественный или слабо нарушенный режим подземных вод и основывающегося на стохастических моделях гидрогеологических условий, объектный мониторинг эксплуатации подземных вод связан с нарушенным режимом. Вследствие этого основным инструментом исследования и интерпретации режима подземных вод являются детерминированные модели [13].
Основным элементом системы мониторинга является наблюдательная сеть скважин. Получение адекватных результатов при слежении за уровнем и качеством подземных вод достигается грамотным проектированием и заложением сети скважин. По назначению наблюдательные сети подразделяются на опорные и специализированные. Опорные сети предназначены для регионального многолетнего изучения типичных закономерностей формирования элементов режима и баланса подземных вод на больших территориях как в естественных, так и в нарушенных условиях.
Специализированная локальная сеть организуется в пределах территории с активным влиянием водохозяйственных мероприятий (водозаборов, горнорудных предприятий, гидротехнических сооружений). Здесь необходимо детальное изучение процессов изменения гидрогеологических условий. Специализированная сеть должна позволить оценить масштабы влияния водохозяйственной деятельности на режим, водный и солевой баланс подземных вод, оценить возможные экологические последствия техногенного воздействия, получить информацию для создания гидрогеологических моделей.
Максимальная комплексность наблюдений, координация и научная обоснованность программы позволяет сократить наблюдательную сеть и удешевить стоимость реализации мониторинга.
Содержание и объекты мониторинга
Основы объектного мониторинга закладываются на стадии работ, предшествующих эксплуатации инженерного сооружения. В этот период изучаются основные гидрогеологические параметры, которые характеризуют как естественные условия, так и особенности их изменения в процессе последующей эксплуатации объекта.
Эффективность функционирования мониторинга крупного водозабора подземных вод в значительной степени определяется содержанием его базы данных в течение всего периода эксплуатации. Оптимальный комплекс характеристик состояния подземных вод включает:
1) величину водоотбора;
2) режим уровней подземных вод;
3) химический состав и температуру подземных вод;
4) баланс подземных вод в естественных и нарушенных условиях;
5) условия взаимодействия подземных вод с окружающей средой.
В состав объектного мониторинга должны включаться специальные исследования, направленные на изучение и оценку технического состояния инженерных сооружений: состояние фильтров и обсадных труб скважин, подземных контуров сооружений и т.п.
Исследования, связанные с оценкой негативного воздействия эксплуатации водных объектов на окружающую среду направлены на изучение: ущерба поверхностному стоку, осадки земной поверхности, карстово-суффозионных процессов, угнетения растительности и т.п.
На основе информации, получаемой на скважинах наблюдательной сети, выполняется:
уточнение гидрогеологических условий района техногенного воздействия на геолого-математических моделях;
прогноз нарушенного режима подземных вод;
информационное обеспечение рекомендаций по управлению эксплуатацией подземными водами, обеспечивающую минимизацию негативных воздействий на окружающую среду.
Важнейшим этапом создания мониторинга подземных вод является выбор и обоснование программы наблюдений, реализуемой на сети наблюдательных скважин. При этом должны учитываться особенности изучаемого объекта подземных вод, обусловленные непосредственным влиянием техногенного фактора.
Программа наблюдений должна включать оптимальный перечень показателей и составляться индивидуально в зависимости от вида техногенных воздействий и характера вызываемых ими негативных последствий. Например, наряду с определением показателей химического состава подземных вод по общей программе должно быть предусмотрено определение специфических загрязняющих веществ, характерных для данного объекта исследований.
Для водозаборов, эксплуатирующихся в условиях сильно нарушенного нестационарного режима подземных вод, в оптимальный перечень показателей следует включать темп изменения уровней подземных вод во времени.
В связи с “закрытостью” подземных вод проблема оптимальности и достаточности наблюдательных сетей является одной из ключевых. Нельзя также не учитывать и экономическую сторону проблемы. Более плотные наблюдательные сети не всегда оказываются самыми выгодными. Порой стоимость получения новых данных растет, а их информационная ценность снижается. Необходима разработка специальных критериев и подходов, которые давали бы возможность определять ту достаточную численность наблюдаемых точек, которая была бы оптимальной для организации объектного мониторинга.
Статистическая обработка рядов наблюдений позволяет выполнять типизацию по особенностям режима подземных вод и районирование зоны влияния эксплуатируемого водозабора, а также фрагментирование общего периода его работы на характерные этапы. Первоначально режимная сеть и частота наблюдений должны быть избыточными. Последующая статистическая обработка рядов показателей режима позволит в этом случае обосновать требуемую достаточность наблюдательной сети.
Ведение мониторинга подземных вод предусматривает получение систематической и достоверной информации, базирующейся на накоплении рядов гидрогеологических показателей, которые отражают закономерности изучаемого процесса и обеспечивают возможность использования их для решения различных эколого-гидрогеологических задач, включая и прогнозные.
Продолжительность наблюдений на сетях объектного мониторинга, зависит от решаемых задач, методов обработки и прогнозирования. Во многих случаях ряды наблюдений приобретают достаточную информативность при продолжительности более 15-20 лет. Организация объектного мониторинга Куюлусского месторождения
Куюлусское месторождение было разведано в 1957-60 гг. По результатам разведочных работ получен кондиционный материал, характеризующий естественные гидрогеологические условия до начала эксплуатации [12]. В результате опробования разведочных скважин после окончания бурения определены статические уровни, построены карты естественной пьезометрической поверхности сеноманского и первого альбского горизонтов. Опытно-фильтрационные работы, выполненные на 30 скважинах, расположенных на площади всего месторождения позволили оценить гидродинамические параметры пластов, как в области их погружения, так и на выходах, построить карты водопроводимости, дать предварительную оценку условиям формирования эксплуатационных запасов подземных вод. Данные химических анализов проб подземной воды, отобранных из 60-ти разведочных и поисковых скважин позволили построить карты минерализации и химического состава, выявить контуры месторождения слабосолоноватых вод, определить величину статических запасов кондиционной воды и период времени, в течение которого эти запасы обеспечивают производительность проектного водозабора. Наличие этого материала, наряду с данными детальных комплексных длительных наблюдений за режимом подземных вод с начала эксплуатации, ставят это месторождение в положение опорного для данного типа месторождений и предъявляют особые требования к созданию системы мониторинга.
Эксплуатация Куюлусского месторождения является сильным и долговременным источником воздействия на природную среду. На основании результатов разведочных работ Кольцовской экспедиции, предшествующих освоению месторождения, не представлялось возможным учесть все гидрогеологические факторы, сказывающиеся на условиях эксплуатации и определяющие изменения природной среды. Отчасти это объясняется существенно большим, чем при разведочных работах, масштабом и длительностью возмущения альб-сеноманского комплекса, отчасти — невозможностью прогнозировать на весь срок эксплуатации изменения техногенных параметров: потребности в водоотборе, аварийности скважин, перетоков по стволу скважин, наличия необходимого количества и типоразмеров погружных насосов.
Основной целью создания системы мониторинга Куюлусского месторождения является реализация возможности непрерывной оценки состояния подземной гидросферы и прогнозирование его изменений под влиянием природных факторов и водоотбора из скважин. В перспективе на основе системы мониторинга возможно составление гидроэкологического проекта дальнейшей эксплуатации месторождения в комплексе с системой обессоливания подземной воды на установках мембранного типа. Система мониторинга должна обеспечивать оперативное решение задач управления процессом водоотбора с позиций рационального природопользования, изучения динамики и масштабов развития процессов, негативно отражающихся на состоянии природной среды (сработка запасов подземных вод, ухудшение их качества, разрушение водоприемных частей скважин и др.).
Основы мониторинга Куюлусского месторождения были заложены исследованиями МГРИ в 1970-80-х гг, путем разработки программы комплексной системы контроля и учета параметров эксплуатации [14, 15].
Система мониторинга является модельно ориентированной, то есть, в ее основу положено составление гидродинамической модели, которая уточняется в процессе наблюдений за техногенным режимом подземных вод и совершенствуется применительно к требованиям решения задач прогноза и управления. Таким образом, ведение мониторинга тесно связано с использованием непрерывно совершенствующейся геолого-математической модели.
Реализация системы мониторинга позволяет:
1. Дать оценку состояния подземных вод и контролировать соответствие показателей нормативным требованиям и результатам ранее выполненных прогнозов.
2. Уточнить гидрогеологические условия месторождения путем соответствующей обработки данных наблюдений, создания и периодического уточнения (калибровки) геолого-математической модели эксплуатации месторождения подземных вод.
3. Выполнять регулярное долгосрочное и краткосрочное прогнозирование режима подземных вод.
4. Обеспечить построение и ведение информационной базы данных.
5. Управлять эксплуатацией водозабора в рациональном режиме путем решения задач оптимизации условий использования подземных вод.
Выводы
Проанализировав опыт исследований и работ, посвященных мониторингу подземных вод, можно констатировать, что в отличие от глобального и регионального уровня объектный (локальный) мониторинг рационально базировать на детерминированных моделях. Это положение являлось основным при разработке принципов объектного мониторинга крупного водозабора, расположенного на Куюлусском месторождении.
Куюлусский водозабор эксплуатируется более 45 лет и поэтому является уникальным объектом исследований сильно нарушенного режима подземных вод. Опыт эксплуатации охарактеризован тысячами значений основных показателей процесса движения подземных вод как с гидродинамической, так и с гидрогеохимической точки зрения. Это позволяет с высокой степенью достоверности аппроксимировать природные условия известными математическими зависимостями, что в свою очередь открывает возможности для составления качественных прогнозов.
Дальнейшее изучение нарушенного режима и совершенствование системы объектного мониторинга подземных вод будет способствовать минимизации экономических затрат и повышению степени достоверности прогнозных решений не только применительно для Куюлусского, но и для ряда других, схожих по геолого-гидрогеологическим условиям, месторождений.
Литература:
Гавич И.К. Гидрогеодинамика: Учебник для вузов.— М.: Недра, 1988.
Герасимов И.П. Научные основы современного мониторинга окружающей среды –Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
Гольдберг В.М. Гидрогеологические прогнозы качества подземных вод на водозаборах. –М.: Недра, 1976.
Каменский Г.Н., Биндеман Н.Н., Вевиоровская М.А., Альтовский М.Е. Режим подземных вод. Москва – Ленинград, ГОНТИ 1938г.
Киселев П.А. Изучение баланса подземных вод в слоистых толщах по режимным данным. –М.: Недра, 1975.
Ковалевский В.С. Исследования режима подземных вод в связи с их эксплуатацией. –М.: Недра, 1986.
Коноплянцев А.А., Семенов С.М. Изучение, прогноз и картирование режима подземных вод. –М.: Недра, 1979.
Коноплянцев, А.А., Ковалевский В.С., Семенов С.М. Естественный режим подземных вод и его закономерности". М., Госгеолтехиздат, 1963.
Лебедев А.В. Оценка баланса подземных вод. –М.: Недра, 1989.
Лебедев А.В., Ярцева Е.Н. Оценка питания и баланса грунтовых вод по данным о режиме их в естественных пунктах Юго-Востока Европейской части СССР и Северного Казахстана. –М., «Недра», 1967, 172 с.
Мониторинг месторождений и участков водозаборов питьевых подземных вод. Методические рекомендации. –М, 1998 г., 80 с.
Орфаниди К.Ф. Некоторые результаты гидрогеологических исследований на Мангышлаке.//Гидрогеология Северного Кавказа//. –М.: Недра, 1967. с. 53 - 57
Шестаков В.М. Принципы гидрогеодинамического мониторинга //Разведка и охрана недр. 1988. №8. С 45-49.
Фондовая литература
Ленченко Н.Н. Автореферат диссертации. Гидродинамические основы выбора оптимального варианта эксплуатации подземных вод для водоснабжения с применением АВМ и ЭЦВМ. −М., 1974.
Лисенков А.Б. Автореферат диссертации. Гидрогеохимические закономерности и условия формирования подземных вод Южно-Мангышлакского артезианского бассейна и прогноз изменения их минерализации в процессе эксплуатации крупными водозаборами. −М., 1977.
