Цифровое моделирование рельефа в оценке состояния подземных вод

Одним из индикаторов экологического состояния природной среды являются подземные воды, пригодные для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения. Основными факторами, влияющими на химический состав подземных вод, являются условия дренирования, литологический состав вмещающих пород и степень проницаемости отложений (Губайдуллин, 2002). Показатель расчлененности рельефа также определяет химический состав подземных вод. Чем выше неоднородность (расчлененность) рельефа, меньше толща перекрывающих коренные породы четвертичных отложений, тем большее количество пресных атмосферных вод достигнет водоносных толщ и путем растворения и выщелачивания пород сформирует определенный химический состав подземных вод (Джамалов и др., 1996). В то же время, сравнительно невысокая расчлененность рельефа обуславливает и невысокую интенсивность водообмена и как следствие – более высокую минерализацию подземных вод (Зверев, 2011).
На основе цифровой модели рельефа (ЦМР) Архангельской области в программной среде SAGA GIS был рассчитан индекс расчлененности. Индекс расчлененности рельефа (Terrain Ruggedness Index) служит для объективной количественной оценки разнородности (неоднородности) рельефа. Применительно к ЦМР индекс расчлененности равняется среднему значению перепада высот между конкретной ячейкой и ее ближайшими восемью соседними (Riley et al., 1999). Исследование проведено в пределах Юго-Восточного Беломорья (ЮВБ) Архангельской области.
На территории ЮВБ водоупор присутствует только в восточной части, на западе он эродирован. В зоне свободного водообмена здесь находятся все водоносные горизонты, приуроченные к четвертичным отложениям, а также верхние части водоносных горизонтов и комплексов пермской, каменноугольной и вендской систем. Для верхней части гидрогеологического разреза ЮВБ мощностью 100-250 м можно выделить пять основных областей развития подземных вод различного качества: пресные кондиционные воды; пресные некондиционные воды; солоноватые воды; соленые воды; смешанные воды (Малов, 2003).
Область развития пресных кондиционных вод включает в себя водоносные комплексы песчаников и алевролитов венда и среднего карбона, а также карбонатных пород среднего-верхнего карбона и ассельского яруса нижней перми. Большая мощность зоны пресных вод (до 200 м) объясняется широким развитием в пределах данной площади переуглубленных палеодолин верхнеплиоценового возраста, которые осуществляли интенсивное дренирование и опреснение водоносных толщ с вымыванием растворимых соединений на протяжении 1-2 млн. лет. В четвертичное время на составе подземных вод этой площади практически не отразилось воздействие морских трансгрессий. Для нее характерен чехол четвертичных отложений преимущественно песчано-супесчаного состава, значительная расчлененность рельефа, что способствует повышенной инфильтрации атмосферных осадков. Однако, повышение базиса эрозии, произошедшее за четвертичный период и вызвавшее заполнение палеодолин ледниковыми и морскими отложениями, способствовало поднятию границы минерализованных вод вверх по разрезу, в основном, под современными речными руслами. Современная активизация разломов, закарстованность территории, способствует формированию эффективной зоны взаимосвязи подземных вод с поверхностными условиями. На площади развития пресных подземных вод могут быть размещены водозаборы для централизованного водоснабжения таких крупных городов, как Архангельск, Северодвинск, Новодвинск (Малов, 2004).
Область развития пресных некондиционных вод связана с водоносными комплексами песчаников и алевролитов нижней перми и карбонатных пород верхней перми. Несмотря на сходство коллекторских свойств и состава водовмещающих пород, а также основных гидродинамических условий водоносных комплексов эта площадь выделена в качестве области пресных некондиционных вод в связи с наличием в разрезе водоносной толщи уфимских отложений верхней перми целестина, обуславливающего присутствие в подземных водах повышенных концентраций стронция (Полякова, 2009, 2012). Минимальная мощность (вплоть до полного отсутствия) перекрывающих четвертичных отложений обнажает водовмещающий комплекс карбонатных пород казанского яруса верхней перми на поверхности. Водопроводимость пород высокая (1050 м2/сут). В то же время индекс расчлененности рельефа низкий. Однако эта территория характеризуется как зона аккумуляции материала. В работе (Флоринский, 2010) отмечается, что накапливаемые в зонах относительной аккумуляции вещества могут закрепляться в почве и грунтах, вновь участвовать в поверхностном массопереносе в период весеннего снеготаяния и вовлекаться в процесс нисходящей миграции по трещинам горных пород. При нисходящей миграции солей и поллютантов возможна минерализация и загрязнение водоносных горизонтов. Таким образом, сезонность промывания казанских водовмещающих пород способствует, с одной стороны, максимальному вымыванию стронция из пород в пресные подземные воды, с другой,  его концентрации в них вследствие малого разбавления атмосферными осадками. В связи с этим, в зонах относительной аккумуляции целесообразно проводить гидрогеологический мониторинг и защитные мероприятия.
Область развития солоноватых вод приурочена к областям распространения гипсов и ангидритов нижней перми, а также огипсованных песчаников и алевролитов верхней перми. Область солоноватых вод приурочена к пониженным частям территории с абсолютными отметками 60-100 м, тяготеющим к долинам р. Кулой и нижних течений его левых притоков. Мощность чехла перекрывающих четвертичных отложений в пределах площади солоноватых вод минимальна, как правило, она не превышает 10-15 м, что способствует активному развитию на этой территории современных экзогенных процессов, прежде всего, карстовых. Агрессивное воздействие атмосферных осадков в этой зоне является максимальным. За счет сильной расчлененности и высокой проводимости пород (2500 м2/сутки) проникающие атмосферные осадки обеспечивают растворение значительных включений гипса и ангидрита в карбонатных породах, что способствует смене гидрокарбонатного магниево-кальциевого химического состава подземных вод на сульфатно-кальциевый с минерализацией 2-2,5 г/л.
Для площади развития соленых вод характерна повышенная мощность чехла кайнозойских образований, особенно в зонах развития переуглубленных палеодолин. В разрезах кайнозойских образований преобладают глины и суглинки морского и ледникового происхождения, они играют экранирующую роль для водоносных комплексов дочетвертичных пород, затрудняя их питание атмосферными осадками и опреснение. Таким образом, несмотря на высокие значения индекса расчлененности рельефа, водоносные комплексы венда, перекрытые с поверхности мощным слоем четвертичных образований, а также имеющие водоупор в виде микулинских глин, оказываются защищенными от растворяющей и опресняющей деятельности атмосферных осадков.
Смешанные воды характерны для водоносных комплексов четвертичных отложений речных долин. Водоносный комплекс четвертичных отложений долины р. Северной Двины приурочен к толще песчано-глинистых отложений мощностью до 40-50 м. В водоносном комплексе речной долины присутствуют как пресные, так и соленые воды. Однако их смешению препятствует максимальная толща перекрывающих отложений и низкая расчлененность рельефа, что также защищает соленые воды от деятельности атмосферных осадков; а также глинистый микулинский водоупор.
Таким образом, на равнинных территориях индекс расчлененности рельефа отражает химический состав подземных вод. Высокая расчлененность рельефа, малая толща перекрывающих коренные породы четвертичных отложений, отсутствие водоупора способствуют опреснению подземных вод за счет проникновения ультрапресных атмосферных осадков. Низкая расчлененность рельефа обуславливает невысокую интенсивность водообмена и, как следствие, – более высокую минерализацию подземных вод.
Исследование проведено в ходе выполнения государственного задания ФГБУН ФИЦКИА РАН № гос. регистрации АААА-А18-118012390305-7; а также при финансовой поддержке РФФИ, проект № 18-05-60024 «Анализ состояния природной среды равнинных территорий Арктической зоны РФ с использованием геоинформационных технологий и цифрового моделирования рельефа».