Понятие о загрязнении подземных вод

Под загрязнением подземных вод в настоящее время понимают любое ухудшение их качества (в сравнении с естественными условиями), прямо или косвенно связанное с деятельностью человека, включая промышленное производство, сельское хозяйство, коммунально-бытовую деятельность. При оценках степени загрязнения и качества природных, в том числе подземных вод, используется представление о так называемых «предельно допустимых концентрациях» (ПДК) загрязняющих веществ, при превышении которых воды становятся непригодными для хозяйственно питьевого использования.

Источниками загрязнения могут являться ликвидированные, но не изолированные с поверхности колодцы, буровые скважины, шахтные стволы, а также глубокие скважины, разведочные или эксплуатационные (нефть, газ, промышленные воды) или скважины, используемые для закачки промышленных отходов при их недостаточно надежной изоляции от вышележащих водоносных горизонтов.

Распространение загрязняющих веществ от участков (очагов) загрязнения в самом водоносном горизонте определяется направлением и скоростью движения потока подземных вод. Однако конвективный перенос загрязняющих веществ с потоком подземных вод практически всегда сопровождается проявлением ряда химических (выщелачивание, выпадение в осадок, комплексообразование и др.), физико-химических (сорбция, диффузия, дисперсия) и микробиологических процессов, существенно влияющих на состав и содержание тех или иных компонентов. При этом по существующим представлениям наиболее существенными являются процессы химической и физической сорбции загрязняющих веществ, активно протекающие в почвенном слое, породах зоны аэрации, в самих водоносных горизонтах и разделяющих слабопроницаемых слоях. Наибольшей сорбционной емкостью обычно характеризуются почвы и рыхлые тонкодисперсные, в том числе и слабопроницаемые, породы (супеси, суглинки, глины и др.); наименьшей - трещиноватые и закарстованные породы, в которых практически все виды загрязнения распространяются сравнительно быстро и на значительные расстояния.

Основными видами загрязнения подземных вод являются бактериальное, химическое и так называемое тепловое загрязнение.

Бактериальное загрязнение подземных вод

Бактериальное загрязнение связано с появлением в подземных водах болезнетворных бактерий, что может являться причиной массовых случаев, главным образом кишечных заболеваний при использовании загрязненных вод в хозяйственно-питьевых целях. Большинство болезнетворных (патогенных) бактерий, по имеющимся оценкам, сохраняют свою жизнедеятельность короткое время (максимально до 1000 суток), поэтому бактериальное загрязнение, как правило, не распространяется на значительные расстояния и носит временный характер.

К сожалению, в настоящее время существуют ограниченные данные о выживаемости и распространении болезнетворных бактерий и вирусов в условиях водоносных горизонтов.

Бактериальное загрязнение, как правило, наиболее интенсивно проявляется в первом от поверхности (грунтовом) водоносном горизонте.

Очаги загрязнения чаще всего связаны с полями ассенизации и фильтрации, скотными дворами, выгребными ямами, неисправностями канализационных сетей, участками сброса канализационных стоков в поверхностные воды или закачки их в поглощающие колодцы и скважины и т.д.

Оценка бактериального загрязнения воды проводится путем определения содержания наиболее жизнестойких бактерий вида colli (кишечная палочка). Вода считается чистой, если в 1 л ее содержится не более трех кишечных палочек. Для бактериальной характеристики подземных вод чаще используется обратная величина «коли-титр», определяемая количеством кубических сантиметров воды, приходящихся на одну кишечную палочку. Для чистой воды «коли-титр» должен быть больше 333.

Кроме содержания кишечной палочки производится оценка общего количества бактерий в 1 мл воды, а в случае подозрения на бактериальное загрязнение воды - определение содержания болезнетворных бактерий, кишечных вирусов и яиц гельминтов.

Химическое загрязнение

Химическое загрязнение подземных вод является наиболее распространенным и трудноустранимым. Оно проявляется в наличии (появлении) в подземных водах минеральных и органических веществ, отсутствующих в естественных условиях, или в увеличении концентрации ранее имевшихся компонентов химического состава до значений, резко превышающих их содержание в естественных условиях.

Оценки степени загрязнения подземных вод в настоящее время выполняются главным образом для пресных подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

При этом к собственно загрязненным водам обычно относят подземные воды, в которых содержание тех или иных нормируемых химических веществ превышает ПДК, что делает их непригодными для использования или даже опасными для здоровья человека.

Однако в общем случае на начальной стадии загрязнения, содержание тех или иных компонентов может и не достигать значений ПДК, а загрязнение в этом случае будет фиксироваться по появлению в подземных водах химических веществ, отсутствующих в естественных условиях, или по повышению концентраций «естественных» компонентов выше максимальных (для данного района, водоносного горизонта и т.д.) значений, наблюдаемых в естественных условиях.

Формирование химического загрязнения подземных вод связано в основном с газообразными, жидкими и твердыми отходами промышленного производства, сельскохозяйственной деятельностью, канализационно-бытовыми отходами городов и населенных пунктов. Пути поступления загрязняющих веществ в подземную гидросферу могут быть существенно различными.

В зависимости от вида хозяйственной деятельности и состава отходов набор загрязняющих химических веществ может быть чрезвычайно широким. С промышленными отходами в зависимости от характера производства, в водоносные горизонты могут поступать железо, цинк, хром, тяжелые металлы, сульфаты, хлориды, цианиды, роданиды; на нефтеперерабатывающих и химических предприятиях - фенолы, альдегиды, жирные кислоты, соединения азота, поверхностно- активные вещества и др. С внесением минеральных удобрений связано поступление в подземные воды аммиака, фосфора, марганца, сульфатов, хлоридов и др. При применении химических средств защиты растений - мышьяка, фтора, меди, цинка и др.; с хозяйственно-бытовыми отходами кроме бактериального загрязнения - соединения азота, хлориды, поверхностно-активные вещества и др.

Тепловое загрязнение

 

Охрана подземных вод

подземный вода загрязнение бактериальный

Охрана подземных вод как комплексная проблема имеет два основных направления: охрану подземных вод как полезного ископаемого на эксплуатирующихся или разведываемых месторождениях подземных вод и охрану подземных вод как одного из основных компонентов природной (окружающей) среды.

Охрана запасов подземных вод от загрязнения наиболее актуальна для месторождений пресных подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого (а в ряде случаев и технического) водоснабжения, и месторождений лечебных минеральных вод.

На месторождениях этого типа необходимость оценки качества подземных вод и «охраны» этого качества в течение всего срока эксплуатации водозабора определена действующими инструкциями по оценке эксплуатационных запасов. При наличии в пределах расчетной области влияния эксплуатации существующих или потенциальных источников загрязнения подземных вод, прогноз изменения качества подземных вод в обязательном порядке должен учитывать их возможное влияние при эксплуатации.

Если прогнозные расчеты подтвердят опасность загрязнения водозабора (в течение расчетного срока эксплуатации), предусматривается специальный комплекс по устранению возможных очагов загрязнения (ликвидация мелких предприятий или животноводческих ферм, ликвидация и очистка мест складирования отходов и т.д.), уменьшению их загрязняющего влияния (создание безотходных технологий, устранению утечек из сетей и трубопроводов, утилизация отходов и т.д.) или мер, предотвращающих распространение загрязняющих веществ.

Более сложными являются случаи, когда в пределах самого продуктивного горизонта в зоне влияния водозабора или в смежных горизонтах, имеющих с ним гидравлическую связь, уже существуют участки с загрязненными подземными водами. Предотвращение распространения загрязнения и его поступления к водозабору может быть обеспечено только при проведении специальных мероприятий по локализации участка загрязнения (устройство противофильтрационных экранов и завес, перехват загрязненных вод с помощью различного рода дренажных устройств и т.д.) или ликвидации загрязнения путем извлечения всего объема загрязненной воды или промывкой пласта с помощью воды или специальных растворов через систему нагнетательных и откаченных скважин.

Специальные мероприятия по локализации или устранению загрязнения подземных вод являются сложными и дорогостоящими (в сравнении с профилактическими мерами), кроме того, в случае больших площадей загрязнения и значительной мощности водоносных пород их применение, как правило, не дает удовлетворительных результатов.

В период эксплуатации месторождения защита подземных вод от загрязнения осуществляется путем создания так называемых зон «санитарной охраны» водозаборов. При обосновании зоны санитарной охраны учитывается необходимость осуществления: строгого санитарного режима в пределах собственно водозаборного участка (само водозаборное сооружение, насосные станции, резервные емкости для воды и т.д.); санитарного контроля с применением при необходимости мер по локализации или ликвидации очагов загрязнения, а также существующего загрязнения подземных вод на площади месторождения, в границах участка, с которого, по прогнозным оценкам, в течение периода эксплуатации будет происходить поступление подземных вод к водозаборному сооружению; санитарного надзора с проведением профилактических мероприятий в границах расчетной области влияния водозабора с учетом возможности эксплуатации подземных вод после окончания расчетного периода, увеличения при необходимости отбора подземных вод с переоценкой их запасов, возможных ошибок в прогнозных расчетах и т.д.

Проблема охраны подземных вод как компонента природной среды вне связи с существующей или проектируемой на ближайшее время эксплуатацией решается значительно менее удовлетворительно по двум причинам. Во-первых, загрязнение подземных вод в этом случае непосредственно («сиюминутно») не угрожает здоровью человека, что определяет недостаточность существующих мер контроля, отсутствие необходимых ограничений и т.д. Во-вторых, те или иные меры по охране подземных вод при такой постановке проблемы должны осуществляться в пределах обширных территорий (регионально), на площади естественноисторических или административных районов, областей и т.д. При этом постановка исследований и разработка мер по охране подземных вод могут осуществляться применительно к конкретно существующим или потенциальным участкам загрязнения (места складирования отходов, промышленные предприятия, населенные пункты и др.) или в пределах определенной, как правило, значительной территории, на которой загрязнение подземных вод может осуществляться различными путями.

В первом случае основными задачами при решении вопросов охраны подземных вод являются: оценка существующего загрязнения (состав загрязняющих веществ, их концентрации и т.д.), определение основных путей (очагов) загрязнения, прогнозные оценки распространения загрязнения в грунтовом водоносном горизонте, а при необходимости и в нижележащих горизонтах, разработка конкретных рекомендаций по предотвращению или уменьшению загрязнения подземных вод, включая производственно-технологические мероприятия (переход на безотходное производство или замкнутые системы водоснабжения и канализации, создание совершенных очистных сооружений и т.д.) и специальные, главным образом противофильтрационные, мероприятия, ограничивающие поступление загрязняющих веществ и их распространение уже в пределах самих водоносных горизонтов.

Во втором случае основные задачи связаны с проведением специальных наблюдений (контроля) за качеством подземных, главным образом грунтовых вод, выявлением участков, в пределах которых состав подземных вод свидетельствует об их возможном загрязнении (появление химических веществ, не характерных для естественных условий, резко повышенные значения естественных компонентов состава и др.), выявлением основных путей поступления загрязняющих веществ, конкретных объектов и видов хозяйственной деятельности, с которыми связано загрязнение подземных вод, разработкой рекомендаций по проведению специальных исследований и прогнозных оценок на участках существующего загрязнения.

В настоящее время проблема охраны подземных вод от загрязнения является прежде всего проблемой социально-экономической. Отсутствие «видимых» проявлений загрязнения на поверхности земли, гидрогеоэкологическая «неграмотность» работников местных и хозяйственных органов и связанные с этим представления о высокой степени защищенности подземных вод (в сравнении с поверхностными), отсутствие независимых вневедомственных экспертиз, значительная стоимость мероприятий по созданию безотходных технологий, очистке сточных вод и утилизации твердых отходов и т.д. приводят к тому, что во многих случаях практически не принимаются меры по охране подземных вод от загрязнения или принимаемые меры являются в значительной мере «облегченными» и не дают должного эффекта.

В тоже время наиболее распространенные химические загрязнения подземных вод во многих случаях делают их непригодными для последующего использования. Кроме того, распространение загрязнения в подземных (грунтовых) водах в большинстве случаев определяет последующее негативное влияние их на поверхностные воды, почвы, растительность и т.д. В то же время, как уже указывалось выше, «очистка» водоносных горизонтов от загрязнения является исключительно сложным и дорогостоящим делом, а в ряде случаев вообще не дает необходимого эффекта, в связи с чем образовавшееся загрязнение водоносного горизонта может сохраняться на неопределенно долгое время.

Исследования, связанные с охраной подземных вод от загрязнения, оценками условий формирования загрязнения, его распространения в подземной гидросфере и т.д., всегда являются прогнозными. При обосновании таких прогнозов учитываются не только гидродинамика потоков подземных вод как фактор миграции загрязняющих веществ, но также сложная совокупность химических и физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии загрязненных вод с «чистыми» подземными водами, почвенным слоем, породами зоны аэрации и т.д., а в ряде случаев также микробиологические процессы, активно протекающие в верхней части гидрогеологического разреза. В связи с этим, организация подобных работ требует, как правило, совместного участия высококвалифицированных специалистов, владеющих методами гидрогеологических (миграционных) расчетов, гидрогеохимией (физической химией), а также методами почвенных и микробиологических исследований.