Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 4, стр. 41-52

ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ РЕЧНЫМИ И ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ В НИЖНЕМ ТЕЧЕНИИ РЕКИ ТОМЬ (ТОМСКАЯ ОБЛАСТЬ, РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ)

О. Н. Владимирова 1*, О. Г. Савичев 1**

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Инженерная школа природных ресурсов
634050 Томск, пр. Ленина, 30, Россия

* E-mail: onv-2018@yandex.ru
** E-mail: OSavichev@mail.ru

Поступила в редакцию 21.09.2020
После доработки 19.01.2021
Принята к публикации 28.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Выполнен анализ взаимосвязей между количеством и составом атмосферных, речных и подземных вод в водосборах шести малых притоков р. Томь в окрестностях г. Томск (Российская Федерация, Западная Сибирь, бассейн р. Обь) по данным многолетних гидрогеологических и гидрологических наблюдений (с 1970-х гг. до 2019 г.). Показано, что при снижении интенсивности водообмена увеличивается время взаимодействия в системе “вода–порода” и, соответственно, суммарное содержание в подземных водах растворенных солей. Впервые для участка нижнего течения Томи установлено, что степень взаимосвязанности речных, подземных грунтовых и артезианских вод может быть оценена с помощью коэффициента вариации Cv(Ym) месячных значений слоя стока малых рек – чем больше значение Cv(Ym), тем больше “закрытость” глубоких водоносных горизонтов и минерализация подземных вод. Установлено, что для территорий со значительным пополнением влагозапасов в теплый период года (в правобережной части водосбора Томи) преобладают процессы выщелачивания и растворения горных пород, а для территорий с преобладающим пополнением ресурсов подземных вод в период снеготаяния (в левобережной части бассейна Томи) более значительную роль играют процессы поступления веществ извне, включая атмосферные осадки.

Ключевые слова: водный баланс, геохимический баланс, речные и подземные воды, Алтае-Саянская гидрогеологическая складчатая область, Западно-Сибирский артезианский бассейн, притоки р. Томь, Томск

ВВЕДЕНИЕ

Проблема снабжения населения качественной питьевой водой чрезвычайно актуальна во многих регионах, в том числе и в г. Томск – административном центре Томской области (Российская Федерация, Сибирский федеральный округ). Соответственно, большое значение имеют исследования условий формирования ресурсов и состояния подземных вод, используемых для питьевых нужд. Водоснабжение Томска осуществляется из Томского подземного водозабора (в размере около 200 тыс. м3/сут) и ряда менее значительных водозаборов и отдельных скважин [15, 29].

В последние годы территория городской застройки расширяется, что определяет задачу обеспечения качества подземных вод, в том числе за счет организации и контроля состояния санитарных зон водозаборов и водоохранных зон рек, водосборы которых полностью или частично совпадают с областями питания и разгрузки подземных вод. Важность этих вопросов определяется тем, что отбор подземных вод, гидравлически связанных с реками, потенциально может привести к уменьшению их стока и поступлению в подземные водоносные горизонты загрязняющих веществ с поверхности и зоны аэрации (поверхностный сток, утечки из систем водо- и теплообеспечения, канализации, автозаправочных комплексов и иных производственных объектов). Кроме того, при застройке территории изменяются условия формирования поверхностного и подземного стока, водное питание более глубоких горизонтов и, как следствие, ухудшение качества подземных вод [6, 27, 37].

С учетом этого в Томском политехническом университете (ТПУ) совместно со специалистами ряда научных и производственных организаций проводятся многолетние исследования подземных и поверхностных источников водоснабжения г. Томск и условий их формирования [16, 17, 31]. Ниже изложены результаты одного из этапов этих исследований в рамках работ по оценке защищенности подземных вод, используемых для водоснабжения Томска и Томского района, – выявление связей между химическим составом и стоком подземных и речных вод.

Объекты исследования – подземные и речные воды в водосборах малых притоков р. Томь на участке ее нижнего течения: правобережные притоки – реки Киргизка (Большая Киргизка), Ушайка, Басандайка; левобережные притоки – реки Порос, Кисловка, Лебяжья (рис. 1). Выбор указанных объектов обусловлен следующими обстоятельствами.

Рис. 1.

Схема размещения пунктов гидрологических наблюдений (номера пунктов приведены в табл. 1).

Рассматриваемая территория охватывает две гидрогеологические структуры I порядка – Западно-Сибирский артезианский бассейн (ЗСАБ) и Алтае-Саянская гидрогеологическая складчатая область (АСГСО). Последняя структура включает гидрогеологическую структуру II порядка Алтае-Томский гидрогеологический массив [33].

Водосборы правобережных притоков (рр. Басандайка, Ушайка и часть Большой Киргизки) приурочены к АСГСО и границе южной тайги. Водосборы левобережных притоков (часть притока р. Большая Басандайка и рр. Порос, Кисловка, Лебяжья) – к ЗСАБ и лесостепи. Приближенное гидрогеологическое строение можно представить в виде сочетания водоносных отложений (сверху вниз):

1) в левобережье Томи – неоген-четвертичного и палеогенового (ниже палеогенового комплекса залегают меловой, характеризующийся заметно большим содержанием в подземных водах растворенных солей; у Томи к поверхности выходят образования палеозоя, в водосборе р. Лебяжья более существенно распространение водоносных отложений неогена);

2) в правобережье Томи – отложения четвертичного, палеогенового, мелового и палеозойского возрастов.

По данным, опубликованным в бюллетенях о состоянии геологической среды на территории СФО (ФГБУ “Гидроспецгеология” и Сибирский региональный центр ФГБУ “Гидроспецгеология”), в геологическом разрезе ЗСАБ наглядно выделяется складчатый фундамент, сложенный породами доюрского возраста, и чехол, образованный платформенными полого залегающими терригенными осадками мезозоя и кайнозоя. В разрезе мезойско-кайнозойского бассейна располагаются два гидрогеологических этажа с отличительными особенностями формирования подземных вод. Этажи разделены мощным региональным водоупором верхнемелового-палеогенового возраста, который выклинивается в краевой зоне бассейна. Верхний гидрогеологический этаж представляет собой многослойную фациально изменчивую толщу, включающую более 30 водоносных горизонтов, приуроченных к палеогеновым, неогеновым и четвертичным отложениям. Этаж характеризуется свободным водообменом, однако, интенсивность водообмена с глубиной снижается и в нижней части этажа становится затруднительным [33].

Гидрогеологические условия АСГСО (Алтае-Томский ГМ II порядка) характеризуются также наличием двух гидрогеологических этажей (верхний приурочен к рыхлым мезо-кайнозойским отложениям, нижний – к палеозойским и протерозойским породам различного генезиса) и широким распространением трещинно-жильных вод. Поровые воды развиты в основном в четвертичных отложениях речных долин и прилегающих территорий. Наиболее подробно геологическая и гидрогеологическая информация изложена в многочисленных публикациях различных авторов и организаций [24, 8, 19, 25, 33].

Непосредственно Томский подземный водозабор эксплуатирует водоносные горизонты в отложениях палеогенового возраста в пределах Обь-Томского междуречья, в том числе, в границах водосборов рек Кисловка и, особенно, Порос. Водосбор Лебяжьей распложен к югу от области питания Томского водозабора. Северский подземный водозабор находится в водосборе правобережного притока Томи – р. Киргизка, и также эксплуатирует палеогеновый комплекс. Река Ушайка протекает через весь г. Томск, и в ее водосборе расположены достаточно крупный водозабор (Академический) и значительное количество одиночных скважин. В реки Киргизка и Ушайка поступает поверхностный сток с городской территории, пригородных населенных пунктов, крупных предприятий и значительный объем сточных вод (от нормативно-чистых до неочищенных). В водосборе Басандайки забор речных и подземных вод, сброс стоков проводится, но в меньших объемах, по сравнению с Ушайкой и Большой Киргизкой [8, 17, 31, 33].

Таким образом, рассматриваемая территория площадью около 5000 км2 характеризуется заметным разнообразием природных и антропогенных условий формирования подземных и речных вод, а количество водосборов соответствует нижней границе применимости статистических методов анализа согласно [34]. Это позволяет попытаться выявить количественные взаимосвязи между подземными водами, используемыми для водоснабжения более чем полумиллиона человек, и водами малых рек. Количество последних по объективным причинам фиксированное и не может быть произвольно увеличено.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Гидрологические наблюдения на сети Росгидромета в настоящее время проводятся на Басандайке в створе п. Басандайка (сейчас – южная часть г. Томска), Поросе у с. Зоркальцево и Лебяжьей у с. Безменово, ранее выполнялись на Ушайке у п. Степановка, Кисловке у п. Тимирязево (сейчас – микрорайоны г. Томска), Киргизка у п. Кузовлево. Гидрологические работы на рр. Порос и Кисловка проводились ранее при переоценке запасов Томского водозабора специалистами Сибирского регионального центра ГМСН – филиала ФГБУ “Гидроспецгеология”, АО “Томскгеомониторинг”, Томской геологоразведочной экспедиции (ТГРЭ). Этими же организациями выполнялись и выполняются в настоящее время наблюдения за уровнями и химическим составом подземных вод на государственной и локальной наблюдательных сетях [1, 10, 16, 17, 33, 38]. Значительный объем геохимической информации получен в ТПУ и Томском филиале Института геологии и геофизики нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук (ТФ ИГГНГ СО РАН) [8, 9, 11, 12, 14, 24, 30, 39, 40]. Указанные материалы и послужили информационной основой исследования.

В основу концепции исследования положен анализ взаимосвязей между количеством и составом атмосферных, речных и подземных вод при допущении, что на рассматриваемой территории в зимний период (сезонные снежный покров и промерзание верхнего слоя грунтов на глубину до 2.0–2.2 м) речной сток формируется за счет подземных вод. В составе атмосферных осадков рассмотрены дождевые и снеготалые воды, а в составе подземных (согласно представлениям, изложенным в [40]) – грунтовые (безнапорные и слабонапорные воды первого от поверхности водоносного горизонта в зоне полного насыщения) и артезианские (напорные воды, залегающие между водоупорными слоями), включая грунтовые и артезианские воды зоны трещиноватости.

Методика исследования включала пять основных этапов:

1) расчет средних значений показателей химического состава подземных (грунтовых и артезианских), речных и атмосферных (дождевых и снеготалых) вод;

2) оценку элементов водного баланса водосборов исследуемых рек в среднем за многолетний период;

3) расчет подземной составляющей суммарного речного стока и выделение в ней долей водопритока из основных водоносных комплексов;

4) оценку элементов геохимического баланса водосборов в среднем за многолетний период;

5) выявление связей между элементами водного и геохимического балансов.

На первом этапе было выполнено обобщение данных о содержаниях главных ионов (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO$_{3}^{ - }$, CO$_{3}^{{2 - }}$, SO$_{4}^{{2 - }}$, Cl), Fe, Si, NO$_{3}^{ - }$, NO$_{2}^{ - }$, NH$_{4}^{ + }$, величинах перманганатной окисляемости (ПО), рН, сухого остатка и удельной электропроводности, полученных в аккредитованных лабораториях Росгидромета, ТПУ, ТГРЭ, АО “Томскгеомониторинг” сопоставимыми или одинаковыми аттестованными методами. Более подробная информация о методиках отбора и подготовки проб, методов их анализа приведена в [23, 31].

Статистический анализ геохимической информации включал:

1) расчет среднего арифметического A, коэффициентов корреляции r и погрешностей их определения δA и δr (1, 2);

2) проверку на однородность выборок из разных водосборов по сумме главных ионов с использованием критериев Стьюдента (3) и Фишера (4) при уровне значимости α = 5%;

3) выявление регрессионных зависимостей вида

$f({\text{Ф}}) = {{k}_{0}} + \sum\limits_{i = 1}^m {{{k}_{i}}f(A{{r}_{i}})} ,$
при условии: |ki| ≥ 2δk, |r| ≥ 0.7, где f(Ф) и f(Ar) – функции от искомой величины Ф и ее аргументов; ki и δk – коэффициенты регрессии и погрешности их определения, i = 0, …, m [26, 34]:
(1)
${{\delta }_{A}} \approx \frac{\sigma }{{\sqrt N }},$
(2)
${{\delta }_{r}} \approx \frac{{1 - {{r}^{2}}}}{{\sqrt {N - 2} }},$
(3)
$K{{r}_{S}} = \frac{{{\text{|}}A({{\Phi }_{1}}) - A({{\Phi }_{2}}){\text{|}}}}{{\sqrt {{{N}_{1}}\sigma _{1}^{2} + {{N}_{2}}\sigma _{2}^{2}} }}\sqrt {\frac{{{{N}_{1}}{{N}_{2}}({{N}_{1}} + {{N}_{2}} - 2)}}{{({{N}_{1}} + {{N}_{2}})}}} ,$
(4)
$K{{r}_{F}} = \frac{{\max (\sigma _{1}^{2};\sigma _{2}^{2})}}{{\min (\sigma _{1}^{2};\sigma _{2}^{2})}},$
где KrS и KrF – фактические значения критериев Стьюдента и Фишера; N – объем выборки; индексы 1 и 2 соответствуют произвольно выбранным номерам сравниваемых выборок, для каждой из которых рассчитаны среднее арифметическое Aj) и стандартное отклонение σj.

Второй этап предусматривал использование уравнений (5)–(9) при допущении отсутствия значимых изменений влагозапасов в водосборе в среднем за многолетний период:

(5)
${{P}_{y}} - {{E}_{y}} - {{Y}_{y}} = {{P}_{r}} + {{P}_{{sn}}} - {{E}_{{wp}}} - {{E}_{{cp}}} - {{Y}_{g}} - {{Y}_{{sf}}} \approx 0,$
(6)
${{E}_{{cp}}} = \mathop \sum \limits_{{{T}_{a}} < 0} 0.34 \cdot {{d}_{{a,i}}}{{m}_{i}},$
(7)
${{E}_{{wp}}} = ({{P}_{y}} - {{Y}_{y}}) - {{E}_{{cp}}} = {{E}_{y}} - {{E}_{{cp}}},$
(8)
${{Y}_{{g,i}}} = \left\{ \begin{gathered} {{Y}_{i}},\quad i = (12,~\;1,~\;2,~\;3), \hfill \\ {{Y}_{3}} + ({{Y}_{{12}}} - {{Y}_{3}})\frac{{(i - 3)}}{9},\quad i = (4 - 12), \hfill \\ \end{gathered} \right.$
(9)
${{Y}_{{sf}}} = {{Y}_{y}} - \mathop \sum \limits_{i = 1}^{12} {{Y}_{{g,i}}},$
где Py, Pr, Psn – слой атмосферных осадков в целом за год, а также виде дождя и снега, соответственно, мм/год; Ey, Ewp, Ecp – слой суммарного испарения с поверхности водосбора в целом за год, в теплый (ориентировочно, по условию Ta ≥ 0°C; Ta – среднемесячная температура приземных слоев атмосферного воздуха) и холодный период (Ta < 0°C), мм/год; i – номер месяца; Yy, Yi – слой суммарного речного стока за год, мм/год, и за i-й месяц календарного года, мм/мес; Yg, Ysf – подземная и поверхностная составляющие суммарного речного стока за год, мм/год; Yg,i – слой подземного стока за i-й месяц календарного года, мм/мес; da,i – дефицит влажности атмосферного воздуха за i-й месяц, гПа; mi – количество суток в i-м месяце.

Слой речного стока вычислен по измеренным месячным расходам воды Qi за период с 1970 до 2000 г., либо до завершения режимных наблюдений [28]. Данные об атмосферных осадках, температуре воздуха и дефиците влажности приняты по данным [20] с учетом требований [35] для рек Киргизка, Ушайка, Басандайка, Порос, Кисловка – по метеостанции Томск; для р. Лебяжья – по метеостанции Болотное.

На третьем этапе использовался метод смешения в виде:

(10)
${{Q}_{{g2}}} = {{Q}_{g}}\frac{{({{S}_{{rw}}} - {{S}_{{g1}}})}}{{({{S}_{{g2}}} - {{S}_{{g1}}})}},$
(11)
${{Q}_{{g1}}} = {{Q}_{g}} - {{Q}_{{g2}}}$,
где Qg = Yg – среднегодовой расход подземных вод, рассчитанный по (8); Qg1 и Qg2 – составляющие подземного стока, соответствующие притоку грунтовых и артезианских подземных вод; для всех исследуемых рек Qg1 соответствует притоку из водоносных отложений четвертичного и неоген-четвертичного возраста (в случае р. Лебяжьей), а Qg2 – из водоносного комплекса палеогена с возможным притоком вод из отложений мела (рр. Киргизка, Порос, Кисловка) и образований каменноугольного периода (частично – рр. Киргизка и Кисловка; в значительной степени – рр. Ушайка и Басандайка); Srw, Sg1, Sg2 – средние значения суммы главных ионов в речных водах в зимний период, в грунтовых и артезианских подземных водах.

В расчетах использованы измеренные значения концентраций Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO$_{3}^{ - }$, CO$_{3}^{{2 - }}$, Cl, SO$_{4}^{{2 - }}$ в речных водах в весенний, летне-осенний и зимний периоды (границы сезонов приняты по рекомендациям Государственного гидрологического института Росгидромета: весенний – с апреля по июнь, зимний – с декабря по март, когда гарантированно устанавливается ледостав на реках и устойчивый снежный покров на водосборе), концентрации главных ионов в грунтовых и артезианских водах (разделение на грунтовые и артезианские выполнено по данным о скважинах). Основная база данных по результатам химического анализа проб сформировалась по режимным и разведочным скважинам. Информация по ним принята по данным Томской геолого-разведочной экспедиции [10], АО “Томскгеомониторинг” и Сибирского регионального центра ФГБУ “Гидроспецгеология” Сведения по отдельным пунктам, рассмотренным в ходе научных исследований, приняты по опубликованным работам [8, 9, 11, 12, 14]. По данным об измеренных концентрациях главных ионов рассчитана их сумма по срокам наблюдений, а уже по этим данным – средние значения Srw, Sg1 и Sg2.

Выбор именно суммы главных ионов в качестве гидрохимического показателя смешения подземных вод из разных водоносных отложений обусловлен относительной его устойчивостью к колебаниям концентраций отдельных ионов и погрешностей их определения.

Для рассматриваемой территории расчеты методом смешения проведены для годового баланса в среднем за многолетний период. Для условий конкретного года соотношение грунтовых и артезианских вод в питании рек изменчиво в течение года. Сезонные изменения в среднем за многолетний период намного меньше сезонных изменений состава речных вод [16].

Четвертый этап исследования предусматривал составление и анализ уравнения геохимического баланса водосбора в виде:

(12)
$\begin{gathered} {{G}_{Y}} = {{S}_{Y}}{{Q}_{Y}}t{{b}_{1}} = F({{P}_{r}}{{S}_{r}} + {{P}_{{sn}}}{{S}_{{sn}}}){{b}_{2}} \pm \\ \, \pm \Delta G = {{G}_{r}} + {{G}_{{sn}}} \pm \Delta G, \\ \end{gathered} $
где GY – годовой суммарный сток растворенных солей в замыкающем створе исследуемой реки, т/год; QY – среднегодовой расход воды, м3/с; t – количество секунд в расчетном периоде (году); F – площадь водосбора, км2; SY, Sr, Ssn – средние значения суммы главных ионов в речных, дождевых и снеготалых водах; Pr, Psn – то же, что в (5); ΔG – результат поступления солей из почвогрунтов, болот, хозяйственных объектов и их аккумуляции в водосборе; b1, b2 – коэффициенты размерности.

Положительное значение ΔG в первом приближении свидетельствует о преобладании процессов растворения и выщелачивания горных пород, а отрицательное – о преобладании аккумуляции веществ в водосборе. Значения SY, Sr, Ssn получены в результате обобщения фондовых и опубликованных данных Росгидромета, ТПУ, АО “Томскгеомониторинг”, ТГРЭ [30, 31] при тех же условиях, что и для Srw, Sg1, Sg2.

В уравнении геохимического баланса в среднем для однородного периода должно быть уравновешено, однако для рассматриваемой водосборной территории уравнение баланса включает в себя не все элементы, поскольку предполагается косвенная оценка недостающих элементов.

На заключительном, пятом этапе выполнялся статистический анализ полученных данных с учетом (1)–(4).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследуемые подземные, речные и атмосферные воды в среднем пресные, гидрокарбонатные кальциевые. Наименьшее суммарное содержание растворенных солей закономерно отмечается в атмосферных водах, наибольшее – в подземных водах, обычно – в артезианских (табл. 1). При этом необходимо отметить, что проверка на однородность по среднему и дисперсии позволила сделать вывод о статистической сопоставимости подземных вод (и грунтовых, и артезианских) по сумме главных ионов (а также по модулю суммарного водного стока) только для водосборов рек Ушайка и Басандайка (табл. 2). Для речных вод наибольшие значения суммы главных ионов (Σ), сопоставимые со значениями для подземных вод, характерны для периода ледостава.

Таблица 1.

Среднемноголетние значения суммы главных ионов в речных и подземных водах и погрешности их определения (1), мг/дм3

Река – пункт SY Srw Sg1 Sg2
1 р. Киргизка – п. Кузовлево 366.4 ± 24.9 509.4 ± 64.5 460.8 ± 24.4 540.2 ± 27.2
2 р. Ушайка – п. Степановка 406.0 ± 19.9 568.0 ± 78.8 457.4 ± 25.6 572.7 ± 19.1
3 р. Басандайка – п. Басандайка 453.8 ± 25.6 497.3 ± 38.5 375.2 ± 59.0 527.9 ± 20.4
4 р. Порос – с. Зоркальцево 185.2 ± 23.1 509.2 ± 63.4 504.7 ± 32.9 535.0 ± 11.2
5 р. Кисловка – п. Тимирязево 330.3 ± 11.6 385.1 ± 22.6 223.7 ± 6.6 444.5 ± 26.7
6 р. Лебяжья – с. Безменово 502.7± 34.0 559.5 ± 37.8 326.9 ± 47.4 566.8 ± 67.7

Примечание: SY, Srw, Sg1, Sg2 – средние значения суммы главных ионов в речных водах в среднем за год, в зимний период, в грунтовых и артезианских подземных водах по результатам обобщения фондовых данных ТПУ и опубликованных данных [11, 17, 22, 23, 31, 32, 40]; средние значения суммы главных ионов в дождевых Sr и снеготалых Ssn водах приняты по фондовым материалам ТПУ и опубликованным данным [30] в целом для рассматриваемой территории: Sr = 90.7± 9.1 мг/дм3; Ssn = 21.6± ± 2.5 мг/дм3.

Таблица 2.

Соотношения фактических (f) и критических (при уровне значимости 5%) значений критериев Стьюдента (KrS) и Фишера (KrF) при сравнении данных о сумме главных ионов в грунтовых и артезианских подземных вод в водосборах притоков Томи и модулей суммарного водного стока

Сравниваемые водосборы Критерий Сумма главных ионов Модуль суммарного стока
Грунтовые воды Артезиан-ские воды
Киргизка Ушайка KrS(f)/KrS(5%) 0.05 0.48 0.06
KrF(f)/KrF(5%) 0.40 1.09 0.28
Киргизка Басандайка KrS(f)/KrS(5%) 0.74 0.17 0.20
KrF(f)/KrF(5%) 0.79 1.11 0.44
Басандайка Ушайка KrS(f)/KrS(5%) 0.70 0.79 0.28
KrF(f)/KrF(5%) 0.75 0.48 0.54
Порос Кисловка KrS(f)/KrS(5%) 4.65 1.68 1.68
KrF(f)/KrF(5%) 0.57 0.60 0.92
Порос Лебяжья KrS(f)/KrS(5%) 1.40 0.39 2.45
KrF(f)/KrF(5%) 0.34 1.71 1.36
Лебяжья Кисловка KrS(f)/KrS(5%) 1.43 0.90 0.90
KrF(f)/KrF(5%) 0.73 0.93 0.64
(Ушайка–Басандайка) (Кисловка–Лебяжья) KrS(f)/KrS(5%) 6.21
KrF(f)/KrF(5%) 2.72

Примечание: расчет фактических значений критериев Стьюдента и Фишера по формулам (3, 4); при отношении Kr(f)/Kr(5%)>1 гипотеза однородности выборочных средних и дисперсий отвергается с уровнем значимости 5%.

Анализ элементов водного баланса водосборов исследуемых рек показал, что значительная часть суммарного и, особенно, поверхностного стока сформирована снеготалыми водами, а для водосборов рек Порос, Кисловка, Лебяжья – практически полностью. Это связано с тем, что, во-первых, в теплый период большая часть атмосферных осадков тратится на суммарное испарение (с привлечением влагозапасов, сформированных в период снеготаяния). Во-вторых, в водосборах левобережных притоков Томи в пределах лесостепной зоны суммарное испарение выше, чем в водосборах правобережных притоков (табл. 3). Это сказывается на абсолютных значениях стока (рис. 2) и его внутригодовой изменчивости, для оценки которой использован коэффициент вариации месячного стока Cv(Ym).

Таблица 3.

Среднемноголетние значения элементов водного баланса водосборов рек Большая Киргизка, Ушайка, Басандайка, Порос, Кисловка, Лебяжья и суммы главных ионов в речных, подземных и атмосферных водах

Река – пункт F Qa Cv(Y) Qg/Qa Qg1/Qg Qg2/Qg Yg Ysf Ey E≥0 (PE)≥0 (PE)<0
км2 м3 % мм/год
р. Киргизка – п. Кузовлево 825 5.14 1.32 36 61 39 70 126 395 366 40 156
р. Ушайка – п. Степановка 713 4.25 1.67 16 96 4 30 158 403 374 32 156
р. Басандайка – п. Басандайка 402 2.61 1.47 23 80 20 47 158 386 358 48 156
р. Порос – с. Зоркальцево 316 0.45 1.31 30 85 15 13 32 546 517 –111 156
р. Кисловка – п. Тимирязево 458 0.75 1.08 42 73 27 22 30 539 510 –104 156
р. Лебяжья – с. Безменово 1390 3.57 2.21 5 97 3 4 77 445 420 –48 129

Примечание: F – площадь водосбора; Qa – среднемноголетний расход воды; Cv(Y) – коэффициент вариации месячного стока; Qg/Qa – подземная составляющая среднемноголетнего расхода воды; Qg1/Qg и Qg2/Qg – доля грунтовых и напорных вод в подземном стоке; Yg и Ysf – подземная и поверхностная составляющие слоя годового водного стока; Ey и E≥0 – суммарное испарение за год и теплый период; (P–E)≥0 и (P–E)<0 – разность между атмосферным увлажнением и испарением в теплый и холодный периоды.

Рис. 2.

Внутригодовое изменение месячного слоя стока рек Киргизка (Большая Киргизка – БК), Ушайка (У), Басандайка (Б), Порос (П), Кисловка (К) и Лебяжья (Л) в среднем за многолетний период.

При этом необходимо отметить, что с увеличением Cv(Ym) наблюдается хорошо выраженное увеличение доли поверхностного стока и, соответственно, уменьшение доли подземного $\frac{{{{Q}_{g}}}}{{{{Q}_{a}}}}$ (%):

(13)
$\begin{gathered} \frac{{{{Q}_{g}}}}{{{{Q}_{a}}}} = (75.02 \pm 7.03) - \\ - \;(33.00 \pm 4.53)Cv({{Y}_{m}});\quad ~r = - 0.96 \pm 0.04, \\ \end{gathered} $
где r ±δr – коэффициент корреляции и погрешность его определения, оцениваемая по формуле (2). Также отмечено увеличение в подземной составляющей вклада грунтовых вод $\frac{{{{Q}_{{g1}}}}}{{{{Q}_{g}}}}$ (%) и снижение вклада напорных $\frac{{{{Q}_{{g2}}}}}{{{{Q}_{g}}}}$ (%), что, видимо, объясняется ухудшением условий поступления подземных вод из более глубоких горизонтов при уменьшении общего подземного стока:

(14)
$\begin{gathered} \frac{{{{Q}_{{g1}}}}}{{{{Q}_{g}}}} = (43.25 \pm 18.44) + \\ + \;(25.73 \pm 11.88)Cv({{Y}_{m}});\quad r = 0.73 \pm 0.23, \\ \end{gathered} $
(15)
$\begin{gathered} \frac{{{{Q}_{{g2}}}}}{{{{Q}_{g}}}} = (56.75 \pm 18.44) - \\ - \;(25.73 \pm 11.88)Cv({{Y}_{m}});\quad r = - 0.73 \pm 0.23. \\ \end{gathered} $

Одновременно с увеличением Cv(Ym), уменьшением подземной составляющей и вклада напорных вод возрастают значения суммы главных ионов в речных водах в зимний период и подземных напорных водах (см. табл. 3).

Это указывает на обратную зависимость общего содержания растворенных солей от интенсивности водообмена, которая в рассматриваемых условиях (избыточная или нормальная увлажненность территории) связана с долей подземного стока $\frac{{{{Q}_{g}}}}{{{{Q}_{a}}}}$: чем она больше – тем выше связь различных водоносных горизонтов и поверхностных водных объектов.

Напротив, при снижении величины $\frac{{{{Q}_{g}}}}{{{{Q}_{a}}}}$ возрастает “закрытость” глубоких водоносных горизонтов, увеличивается время взаимодействия вод этих горизонтов с горными породами и, соответственно, увеличивается сумма главных ионов в артезианских подземных водах Sg2:

(16)
$\begin{gathered} {{S}_{{g2}}} = (146.58 \pm 48.35) - \\ - \;(0.23 \pm 0.09)\frac{{{{Q}_{g}}}}{{{{Q}_{a}}}};\quad r = - 0.78 \pm 0.19; \\ \end{gathered} $
(17)
$\begin{gathered} {{S}_{{g2}}} = (402.21 \pm 62.31) + \\ \, + (85.46 \pm 40.16)Cv({{Y}_{m}});\quad r = 0.73 \pm 0.23. \\ \end{gathered} $

Интересная особенность выявлена в структуре геохимического баланса – для водосборов левых притоков Томи (Порос, Кисловка, Лебяжья) величина ΔG в уравнении (12) значительно меньше, чем для правых притоков (Киргизка, Ушайка, Басандайка), причем положительные значения ΔG отмечены при слое поверхностного стока Ysf > > 63 мм/год и отрицательных значениях величины (PE)≥0 (рис. 3, табл. 3, 4).

Рис. 3.

Соотношение между величиной ΔG и слоем поверхностного стока Ysf в водосборах притоков Томи на участке ее нижнего течения.

Таблица 4.

Среднемноголетние значения элементов водного баланса водосборов рек Киргизка, Ушайка, Басандайка, Порос, Кисловка, Лебяжья, т/год

Река – пункт Gr Gsn GYsum GYg GYsf ΔG
р. Киргизка – п. Кузовлево 30 380 3297 59 345 29 421 29 923 25 668
р. Ушайка – п. Степановка 26 256 2849 54 448 12 111 42 337 25 343
р. Басандайка – п. Басандайка 14 803 1606 37 337 9386 27 951 20 927
р. Порос – с. Зоркальцево 11 636 1263 2635 2161 474 –10 264
р. Кисловка – п. Тимирязево 16 865 1830 7851 3830 4021 –10 845
р. Лебяжья – с. Безменово 46 899 4624 56 544 3202 53 342 5021

Примечание: Gr и Gsn – поступление растворенных солей в водосбор с дождевыми и снеготалыми водами; GYsum, GYg, GYsf  – суммарный сток растворенных солей в замыкающем створе реки, его подземная и поверхностная составляющие; ΔG – результат растворения и выщелачивания горных пород и аккумуляции веществ в водосборе.

Отрицательные значения ΔG можно интерпретировать как общее преобладание в левобережной части водосбора Томи на участке ее нижнего течения процессов аккумуляции веществ, поступающих с атмосферными осадками. Напротив, положительные значения ΔG в водосборах рек Киргизка, Ушайка и Басандайка, видимо, свидетельствуют о более значительной роли процессов выщелачивания и растворения горных пород на фоне значимого пополнения влагозапасов в теплый период, при котором происходит не только пополнение ресурсов подземных вод, но и формирование поверхностного стока.

При этом необходимо отметить, что в правобережной северной части водосбора Томи расположен ряд рудопроявлений и месторождений твердых полезных ископаемых с присутствием в составе грунтов редкоземельных элементов (РЗЭ). В левобережной северной части водосбора Томи рудопроявления не отмечены, но выявлено присутствие РЗЭ в подземных водах и отложениях, сформированных в процессе обезжелезивания подземных вод Обь-Томского междуречья (включая водосборы рек Кисловка и Порос) [7, 2123, 36]. Можно предположить, что примерно такой же механизм функционировал и в предыдущие геологические периоды, в том числе в периоды с отличной от современной гидрографической сетью [18]. Вследствие этого сформированы геохимические ореолы с центрами в северной части Колывань-Томской складчатой зоны и, возможно, северной части Кузнецкого Алатау.

Горизонтальные проекции этих ореолов в целом сопоставимы с полученными в ТПУ выводами о закономерностях трансформации минерального и химического состава донных отложений рек Северной и юго-Восточной Азии:

1) основные изменения минерального состава донных отложений связаны с возрастанием доли кварца от истоков к устьям рек протяженностью более 11 км и снижением вклада минералов, для которых логарифм произведения плотности и твердости не превышает 1.27;

2) участки рек с условно однородным минеральным составом донных отложений смещены (ниже по течению) относительно участков с условно однородным (или слабо меняющимся в многолетнем разрезе) химическим составом речных вод до 100 км [32].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере шести малых рек – притоков р. Томь (второй крупнейший приток Оби, Западная Сибирь) – подтверждены известные выводы о том, что при снижении интенсивности водообмена увеличивается время взаимодействия в системе вода – порода и, соответственно, суммарное содержание в подземных водах растворенных солей [5, 13, 39].

При этом впервые для участка нижнего течения Томи показано, что, во-первых, степень взаимосвязанности речных, подземных грунтовых и артезианских вод может быть оценена с помощью коэффициента вариации Cv(Ym) месячных значений слоя стока малых рек – чем больше значение Cv(Ym), тем больше “закрытость” глубоких водоносных горизонтов и минерализация подземных вод.

Во-вторых, для территорий со значительным пополнением влагозапасов в теплый период года, при котором формируется не только подземный, но и поверхностный сток, преобладают процессы выщелачивания и растворения горных пород по сравнению с аккумуляцией солей, поступающих на водосбор с атмосферными осадками.

Для территорий, в пределах которых пополнение ресурсов подземных вод связано в основном в период снеготаяния, при формировании химического состава подземных вод более значительную роль играют процессы поступления веществ извне, что целесообразно учитывать при проектировании зон санитарной охраны подземных водозаборов и контроле хозяйственной деятельности в пределах области питания подземных вод.

В-третьих, по комплексу геохимических, гидрологических и гидрогеологических показателей на территории водосбора Томи на участке ее нижнего течения (в пределах Томской области) и с учетом ранее выполненных исследований [9, 11, 12, 24, 31, 40] можно выделить три района по минерализации и химическому составу грунтовых и артезианских вод, их связи с речными водами:

1) правобережье Томи от границы Томской и Кемеровской областей до водораздела рек Ушайка и Киргизка (ориентировочно – Иркутский тракт в черте г. Томска);

2) правобережье к северу от водосбора Киргизки (включительно);

3) левобережье Томи.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (18-55-80015) и Программы повышения конкурентоспособности Томского политехнического университета.

Список литературы

  1. Балобаненко А.А. Геохимические особенности подземных вод хозяйственно-питьевого назначения юга Западно-Сибирского артезианского бассейна: автореф. дис. …. канд. геол.-мин. наук. Томск: Томский политехн. ун-т, 2018. 22 с.

  2. Гидрогеология СССР. Т. 16. Западно-Сибирская равнина (Тюменская, Омская, Новосибирская и Томская области) / Под ред. В. А. Нуднера. М.: Недра, 1970. 368 с.

  3. Гидрогеология СССР. Т. 17. Кемеровская область и Алтайский край. М.: Недра, 1972. 398 с.

  4. Гудымович С.С., Рычкова И.В., Рябчикова Э.Д. Геологическое строение окрестностей г. Томска (территории прохождения геологической практики). Томск: Томский политехн. ун-т, 2009. 84 с.

  5. Гусева Н.В. Механизмы формирования химического состава природных вод в различных ландшафтно-климатических зонах горно-складчатых областей центральной Евразии: автореф. дис. … док. геол.-мин. наук. Томск: Томский политехн. ун-т, 2018. 43 с.

  6. Гриневский С.О. Гидрогеодинамическое моделирование взаимодействия подземных и поверхностных вод. М.: Инфра-М, 2019. 152 с.

  7. Домаренко В.А., Савичев О.Г., Перегудина Е.В., Лепокурова О.Е., Вильгельм Е.А. Вещественный состав донных отложений реки Омутная в пределах Туганского россыпного узла (Томская область) // Разведка и охрана недр. 2020. № 4. С. 48–53.

  8. Дутова Е.М., Вологдина И.В., Покровский Д.С., Заморовская Л.В. Изменение гидрогеохимических условий при эксплуатации Академического месторождения // Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312. № 1. С. 59–63.

  9. Дутова Е.М., Наливайко Н.Г. Особенности химического и микробиологического состава подземных вод территории города Томска // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 2011. № 5. С. 56–61.

  10. Ермашова Н.А. Природный гидрогеохимический фон верхней гидродинамической зоны Среднего Приобья как основа оценки ее экологического состояния // Обской вестник. 1999. № 3–4. С. 106–112.

  11. Колоколова О.В. Геохимия подземных вод района Томского водозабора: автореф. дис. …. канд. геол.-мин. наук. Томск: Томский политехн. ун-т, 2003. 21 с.

  12. Колубаева Ю.В., Шварцев С.Л., Копылова Ю.Г. Геохимия вод северной части Колывань-Томской складчатой зоны // Известия ВУЗов. Геология и разведка. 2010. № 2. С. 50–58.

  13. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004. 677 с.

  14. Лепокурова О.Е., Иванова И.С., Шварцев С.Л., Колубаева Ю.В., Наливайко Н.Г. Химический и микробиологический состав подземных вод децентрализованного водоснабжения южных и центральных районов Томской области // Известия Томский политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 5. С. 29–41.

  15. Лисецкий В.Н., Брюханцев В.Н., Андрейченко А.А. Улавливание и утилизация осадков водоподготовки на водозаборах г. Томска. Томск: Изд-во НТЛ, 2003. 164 с.

  16. Льготин В.А., Савичев О.Г., Макушин Ю.В., Камнева О.А. Долгосрочная изменчивость химического состава подземных вод Томской области // География и природные ресурсы. 2012. № 1. С. 74–79.

  17. Льготин В.А., Савичев О.Г., Нигороженко В.Я. Состояние поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области в 2000–2005 гг. Томск: АГРАФ-ПРЕСС, 2006. 88 с.

  18. Малолетко А.М. Эволюция речных систем Западной Сибири в мезозое и кайнозое. Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 2008. 288 с.

  19. Мананков А.В., Парначев В.П. Геоэкологические аспекты состояния поверхностных и подземных вод г. Томска // Обский вестник. 1999. № 1–2. С. 105–116.

  20. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1–6, Вып. 20. Томская, Новосибирская, Кемеровская области, Алтайский край. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1993. 718 с.

  21. Недра России. Т. 1. Полезные ископаемые / Под ред. Н.В. Межеловского и А.А. Смыслова. СПб.- М.: Горн. ин-т, Межрегион. центр по геол. картографии, 2001. 547 с.

  22. Пасечник Е.Ю., Гусева Н.В., Савичев О.Г., Льготин В.А. и др. Микроэлементный состав подземных вод верхней гидрогеодинамической зоны в бассейне Верхней Оби как фактор формирования их эколого-геохимического состояния // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 4. 54–63. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/4/2593

  23. Пасечник Е.Ю., Савичев О.Г., Домаренко В.А., Владимирова О.Н. Редкоземельные элементы в поверхностных и подземных водах верхней гидрогеодинамической зоны в бассейне Верхней и Средней Оби (Западная Сибирь) // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Науки о Земле. 2020. Т. 32. С. 113–127.

  24. Пасечник Е.Ю. Эколого-геохимическое состояние природных сред территории города Томска // Вестник Томск. гос. ун-та. 2008. № 306. С. 149–154.

  25. Покровский Д.С., Кузеванов К.И. Гидрогеологические проблемы строительного освоения территории Томска // Обский вестник. 1999. № 1–2. С. 96–104.

  26. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 448 с.

  27. Раткович Д.Я. Актуальные проблемы водообеспечения. М.: Наука, 2003. 352 с.

  28. Региональная электронная гидрографическая сеть для арктического региона. URL: http://www.r-arcticnet.sr.unh.edu/v4.0/index.html.

  29. Рогов Г.М., Попов В.К., Осипова Е.Ю. Проблемы использования природных вод бассейна реки Томи для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Томск: Изд-во Томск. гос. архит.-строит. ун-та, 2003. 218 с.

  30. Савичев О.Г., Иванов А.О. Атмосферные выпадения в бассейне Средней Оби и их влияние на гидрохимический сток рек // Известия РАН. Серия географическая. 2010. № 1. С. 63–70.

  31. Савичев О.Г. Водные ресурсы Томской области. Томск: Томск. политехн. ун-т, 2010. 248 с.

  32. Савичев О.Г., Домаренко В.А., Перегудина Е.В., Лепокурова О.Е. Трансформация минерального состава донных отложений от истоков к устьям рек // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 7. С. 43–56.

  33. Состояние геологической среды (недр) на территории Сибирского федерального округа в 2017 г. Информационный бюллетень. Томск: Филиал “Сибирский региональный центр ГМСН”, ФГБУ “Гидроспецгеология”, 2018. Вып. 14. 178 с.

  34. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М.: Госстрой России, 2004. 72 с. URL: http://sniprf.ru/sp33-101-2003

  35. СП 131.13330.2018. Строительная климатология. Дата введения 2019-05-29. М.: Стандартинформ, 2019. 153 с. URL: http://base.garant.ru/72239302

  36. Циркон-ильменитовые россыпные месторождения как потенциальный источник развития Западно-Сибирского региона / Под ред. Е.Н. Трибунского, М.С. Паровинчака. Кемерово: ООО “Сарс”, 2001. 214 с.

  37. Черепанский М.М. Региональные гидрогеологические прогнозы влияния отбора подземных вод на речной сток: автореф. дис. … док. геол.-мин. наук. М.: НИА-Природа, Рос. гос. геологоразвед. ун-т, 2007. 49 с.

  38. Янкович Е.П., Копылова Ю.Г., Гусева Н.В. Распространенность геохимических типов подземных вод Обь-Томского междуречья // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского аграрного университета. 2015. № 107 (03). URL: http://ej.kubargo.ru/2015/03/pdf/96.pdf

  39. Shvartsev S.L. Geochemistry of fresh groundwater in main landscape zones of the earth // Geochem. Internation. 2008. V. 46. N 13. P. 1285–1398.

  40. Shvartsev S.L., Serebrennikova O.V., Zdvizhkov M.A., Savichev O.G., Naimushina O.S. Geochemistry of wetland waters from the lower Tom basin, Southern Tomsk oblast // Geochemistry International. 2012. V. 50. N 4. P. 367–380. https://doi.org/10.1134/S0016702912040076

Дополнительные материалы отсутствуют.