Труфанов А.И. Подземные воды города Вологды и формирование их состава / А.И. Труфанов // Лебедевские чтения : к столетию со дня рождения В.В. Лебедева : [сб. науч. тр.] / [ред. : А.И. Труфанов, Е.А. Скупинова]. – Вологда : Русь, 1994. – С. 59-69.
 
 
© Вологодская областная универсальная научная библиотека, 2014 г.
 

А.И. Труфанов
Подземные воды города Вологды и формирование их состава

Территория города располагается в пределах северо-западной части Московского артезианского бассейна, приуроченного к одноименной синеклизе. В пределах синеклизы выделяется впадина – структура второго порядка, характеризующаяся значительным развитием палеозойских отложений, залегающих на протерозое и архее. Описываемая территория расположена в пределах наиболее погруженной части синеклизы, представляющей собой крупнейший артезианский бассейн. В пределах данного артезианского бассейна развиты подземные воды преимущественно поровые, пластовые и лишь в незначительной степени трещинные, почти всегда напорные. Различные участки артезианского бассейна имеют разнообразные гидрогеологические и гидрохимические условия, тесно связанные с геологическим возрастом артезианского бассейна, его тектоническими особенностями, литологическим составом вмещающих пород, коллекторскими свойствами водоносных горизонтов.

Мощная осадочная толща пород от палеозойского до четвертичного возраста представлена переслаивающимися терригенными, карбонатными, галогенными, глинистыми, песчано-гравийными и органогенными образованиями.

По результатам бурения скважин на территории города и прилегающих к нему районов выделяется ряд водоносных горизонтов и комплексов. Степень их изученности различна и зависит от использования вод для хозяйственно-питьевых и лечебных целей.

Воды четвертичных отложений характеризуются прерывистым распространением. Наибольшие их запасы сосредоточены в межморенных образованиях. В связи с этим основными эксплуатируемыми водоносными горизонтами для города являются окско-лихвинский и днепровско-одинцовский, приуроченные к межледниковым отложениям.

Верхнеюрский водоносный комплекс распространен на самом юге описываемой территории и для водоснабжения города значения не имеет, так как представлен преимущественно глинистой толщей с незначительными по мощности прослоями и линзами водосодержащих песков. Дебит скважин, эксплуатирующих воды таких линз и прослоев, не превышает десятой доли литра в секунду.

Пермо-триасовый водоносный комплекс объединяет обычно 1 – 3 водоносных горизонта, относящихся к отложениям ветлужской серии нижнего триаса и татарского яруса верхней перми. Воды этих горизонтов имеют повышенную минерализацию и эксплуатируются лишь отдельными скважинами. Нижележащие водоносные комплексы пермских, каменноугольных и девонских отложений содержат воды с повышенной минерализацией и рассолы. Эти воды непригодны для питья, но с успехом используются как минеральные воды в водолечебнице города. Представление о химическом составе и минерализации подземных вод, используемых для питьевого и хозяйственного снабжения, дает диаграмма химического состава.

Гидрохимическая зональность, характерная для артезианских бассейнов платформенного типа, здесь выражается достаточно четко. Пресные гидрокарбонатные воды, приуроченные к четвертичным, нижнетриасовым и верхам верхнепермских отложений, сменяются слабоминерализованными сульфатными водами в низах верхнепермских образований. В каменноугольных и девонских отложениях включены крепкие рассолы хлоридного натриевого типа с высоким содержанием брома и йода.

Зона пресных вод на территории города и района, непосредственно примыкающего к нему, развита преимущественно в рыхлых четвертичных отложениях и имеет мощность 105 – 140 метров. При этом водопроницаемые породы составляют лишь 15 – 35% мощности сей толщи пород этой зоны. Водоупорные породы – глины, суглинки отличаются переменной мощностью и непостоянством литологического состава по простиранию, что сказывается на условиях питания водоносных горизонтов и связи между ними.

Питание водоносных горизонтов происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и перетекания вод из нижележащих горизонтов, обладающих более высокими напорами. Разгрузка водоносных горизонтов осуществляется преимущественно в виде скрытых очагов в рыхлые четвертичные и современные русловые отложения долин рек. Таковы в целом закономерности подземных вод глубинных горизонтов, защищенных толщами глинистых отложений ледникового происхождения.

Иные закономерности распространения и условия формирования характерны для подземных вод типа верховодки и грунтовых вод неглубокого залегания.

Гидрогеохимические исследования подземных вод верхней части геологического разреза территории города ведутся нами с 1985 года в комплексе с другими, имеющими важное значение для обоснования мероприятий по охране природы и создания постоянно действующей модели геологической среды урбанизированной территории. При изучении химического состава подземной гидросферы застроенной территории загрязненные воды рыхлой четвертичной толщи оцениваются, с одной стороны, как агрессивная среда для подземных бетонных и металлических строительных конструкций, с другой стороны, как источник загрязнения нижележащих горизонтов подземных вод, эксплуатируемых для хозяйственно-питьевых и лечебных целей. Исходными данными на первых этапах исследования служили многочисленные фондовые материалы изысканий, проводившихся ранее для различного рода строительства и реконструкции сооружений в пределах городской территории.

Анализ материалов изысканий позволяет заключить, что урбанизация существенно нарушает как ландшафты в целом, так и гидрогеологические, геологические и гидрологические компоненты. В процессе освоения территории частично или полностью были ликвидированы овраги, старые фортификационные каналы, малые водотоки, которые служили дренажем и регулировали уровни грунтовых вод. Небольшие речки – притоки р. Вологды, когда-то также дренировавшие прилегавшие к ним участки, в настоящее время в значительной степени заилены. Все это привело к изменению гидро-геологической обстановки застроенной территорий и, прежде всего к подтоплению ее.

При подъеме уровня подземных вод изменился и гидрохимический режим подземной гидросферы. При подтоплении территории водовмещающими грунтами становятся культурные слои. Культурные слои города отличаются крайней неоднородностью и содержат перемещенные почвогрунты, строительный мусор, промышленные бытовые отходы, золу, захоронения и пр. Качественный состав культурных слоев определяет и химический состав подземных вод. Промышленное и хозяйственное освоение территории г. Вологды также вызвало ряд изменений в подземных водах, прежде всего загрязнение. Основные источники загрязнения – главным образом промышленные отходы, промстоки и бытовые отходы и стоки. Наибольшему загрязнению подвергается верховодка и воды первого водоносного горизонта, развитого в четвертичных отложениях.

Оценка гидрохимической обстановки территории города приводится, главным образом, по материалам изысканий прошлых лет. Информация о химическом составе подземных вод по площади распределилась крайне неравномерно. Максимум ее приходится на площади современной, 60 – 90 годов, застройки, а минимум – к районам частной застройки и к центральной, старой части города. По результатам изысканий обнаруживается достаточно тесная связь химического состава подземных вод с типом и интенсивностью инженерно-хозяйственного освоения территории. По данным эпизодических наблюдений за последние тридцать лет отмечается неуклонное увеличение минерализации верховодки и грунтовых вод. Доминирующее влияние на рост минерализации вод в пределах застроенной территории оказывают макрокомпоненты ее состава – хлоридные, сульфатные и гидрокарбонатные ионы. При этом направленность метаморфизации состава подземных вод верхней зоны геологического разреза зависит от источников загрязнения, а накопление ингредиентов состава от интенсивности хозяйственного освоения территории и состава насыпных грунтов (сформировавшегося культурного слоя) на данной площади.

Анализ результатов химического состава подземных вод неглубокого залегания свидетельствует, что воды, не подверженные техногенному загрязнению, имеют, как правило, гидрокарбонатный кальциевый состав или тот же класс при смешанном катионном составе. Такие воды характеризуются сравнительно невысокой минерализацией (до 1 г/л) и часто приурочены к пустырям без насыпных грунтов, но со сформировавшимся почвенным покровом. Эти воды по химическому составу могут быть отнесены к фоновым. На ранних стадиях урбанизации характерна хлоридная метаморфизация вод для приповерхностных горизонтов геологического разреза. Фоновые концентрации хлор-иона при общей минерализации до 1 г/л редко превышают 20 – 50 мг/л. С ростом общей минерализации (выше 1,3 г/л) содержание хлор-иона увеличивается и между ними наблюдается некоторая пропорциональность.

Источники загрязнения, служащие причиной роста концентрации хлор-иона – это хозяйственные и промышленные отходы, содержащие соединения хлора. При этом формируются хлоридные воды со смешанным катионным составом. Вдоль трасс автомобильных дорог с асфальтовым покрытием резко увеличивается содержание ионов натрия и хлора, особенно на участках близ перекрестков дорог, где содержание их достигает соответственно 1850 и 3190. Ионы натрия в данном случае уравновешиваются онами хлора, образуя с ними весьма подвижное соединение.

Отсутствие хлора или минимальные значения его наблюдаются в водах вне зоны влияния источников загрязнения.

Реальное влияние на метаморфизацию подземных вод оказывают сульфат-ионы при достижении общей минерализации воды более 1 г/л. При дальнейшем росте минерализации наблюдается неуклонное увеличение концентрации сульфат-ионов. Концентрация сульфат-ионов в подземных водах существенно увеличилась в последние десятилетия. Так, на некоторых участках правобережной части города содержание сульфат-ионов возросло от 26 мг/л (1952) до 850 мг/л (1983). Источником сульфатного загрязнения грунтовых вод могут быть атмосферные осадки, поскольку над территорией промышленного города осадки имеют высокое содержание сульфатов. Однако на некоторых участках (долина реки Вологды) повышенное содержание сульфатов можно объяснить гидравлической связью первого водоносного горизонта с минерализованными водами более глубоких горизонтов, имеющих сульфатный состав. В большинстве же случаев сульфаты в грунтовых водах и верховодье имеют антропогенное происхождение.

В начальный период формирования состава воды приповерхностных горизонтов имеют гидрокарбонатный кальциевый состав, затем при неизменном гидрокарбонатном классе воды приобретают смешанный состав по катионам. При метаморфизации вод наблюдается почти пропорциональное увеличение общей минерализации и гидрокарбонат-ионов. Такая взаимосвязь НСОз и минерализации наблюдается лишь при росте последней до 1,1 – 1,2 г/л, далее корреляционная связь нарушается и гидрокарбонат-ионы значительно реже оказывают влияние на рост общей минерализации.

Рассматривая результаты анализов химического состава вод, приходим к заключению, что в подавляющем большинстве аномальные концентрации гидрокарбонат-ионов (более 1,1  – 1,2 г/л) связаны с присутствием в геологическом разрезе насыпных грунтов, обогащенных органическим веществом или включениями полуразложившегося торфа. Связь эта не прямая, а опосредованная. Накопление гидрокарбонатов в подземных водах всех типов (верховодка, грунтовые, артезианские) обусловлено вещественным составом среды. Общепризнанным считается, что источником гидрокарбонатов являются карбонатные породы или карбонатный цемент осадочных пород.

Растворение карбонатов и приводит к накоплению НСО3 и СО3 в воде. Процесс растворения возможен только при наличии в водах растворенной двуокиси углерода. Растворенный углекислый газ играет важную роль в гидрогеохимических процессах.

Запасы углекислого газа в подземных водах пополняются путем привноса его из атмосферы, но, главным образом, за счет окисления органических веществ и других биохимических процессов, происходящих с выделением двуокиси углерода как в водоносных горизонтах, так в почвах и насыпных грунтах, содержащих неразложившиеся органические остатки. Под действием двуокиси углерода интенсивно растворяются соли угольной кислоты, в результате в воде накапливаются гидрокарбонат-ионы. Так, наличие насыпных грунтов, содержащих органику, на локальных участках центральной части города ведет к накоплению аномально высоких концентраций гидрокарбонат-ионов до 3,9 – 5,4 г/л в подземных водах неглубокого залегания. По катионному составу это натриевые воды. Для вод приповерхностных горизонтов минерализация их достаточно высока, а генезис их всегда был предметом дискуссии и для более глубокозалегающих вод. Вопросу содообразования многие исследователи уделяли внимание и ему посвящена достаточно обширная литература.

Выяснение механизма образования вод содового типа в большинстве рассматриваемых литературных источников посвящено, главным образом, глубокозалегающим, артезианским и минеральным водам типа «боржоми». Сведений о формировании состава подземных вод содового типа неглубокого залегания и подверженных техногенному загрязнению в известной нам литературе не встречено, можно предположить, что основными факторами содообразования в этих условиях могут быть следующие процессы:

– Биохимическое восстановление сульфатов натрия в результате процессов десульфатизации, происходящих под воздействием сульфат-восстанавливающих и тионовых бактерий. Такой процесс наиболее характерен для вод водоносных горизонтов окско-лихвинского и пермо-триасового водоносных комплексов;

– Обменные реакции между ионами водорода и натрия. Избыток первого вместе с двуокисью углерода образуется в результате деструкции органического вещества, о чем подробнее отмечалось выше Согласно Е. В. Посохову, обменные реакции усиливаются в «углекислых водах и соответствующей геологической обстановке» и формируют содовые воды.

Выявление генезиса содовых вод имеет не только теоретический, но и практический интерес, в частности, при решении некоторых эколого-геохимических задач. В водах этого типа в щелочной среде повышается миграционная способность некоторых тяжелых металлов и токсичных микроэлементов (мышьяк, молибден, селен, фтор). Это указывает на возможность проникновения опасных ингредиентов вместе с водами верхней загрязненной зоны в нижнезалегающие водоносные горизонты, воды которых используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Кроме основных компонентов состава вод, определяющих их тип, санитарно-гигиеническое и экологическое значение имеют другие ингредиенты, содержание которых иногда достигает аномально-высоких значений. Так, при увеличении мощности культурного слоя, как правило, возрастает минерализация вод, содержание в них азотистых соединений и их окисляемость. Содержание нитратов в таких условиях может достигать 400 мг/л, окисляемость – 170 мг О2/л. Однако прямая связь между концентрациями этих компонентов в воде и мощностью культурного слоя наблюдается лишь на отдельных участках, а не в целом по территории города.

По водородному показателю подземные воды могут быть разными: от кислых до щелочных, но преобладают воды с нейтральной реакцией. Иногда значение pH в водах снижается до 4. Эти воды приурочены к участкам развития торфяных отложений и, как правило, имеют низкую минерализацию (менее 200 мг/л). Щелочные воды среди грунтовых и верховодки с pH выше 8,0 на территории города встречаются редко.

Высокие концентрации сульфатов, растворенного органического вещества (по окисляемости) и низкие значения pH являются показателями сульфатной и общекислотной агрессивности подземных вод по отношению к бетонным конструкциям и высокой степени их коррозийных свойств по отношению к металлическим конструкциям подземных коммуникаций.

Высокие содержания сульфатов, хлоридов, соединений азота, высокая окисляемость свидетельствуют о бытовом и промышленном загрязнении подземных вод городской территории. Загрязненность верховодки и грунтовых вод при слабой защищенности отдельных участков застроенной территории вызывает опасность загрязнения более глубоких подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Источник: Труфанов А.И. Подземные воды города Вологды и формирование их состава / А.И. Труфанов // Лебедевские чтения : к столетию со дня рождения В.В. Лебедева : [сб. науч. тр.] / [ред. : А.И. Труфанов, Е.А. Скупинова]. – Вологда : Русь, 1994. – С. 59-69.