Подземные воды. 5

Подземные воды

Вода, которая находится  в толще горных пород верхней  части земной коры (до глубины 12-16 км) в парообразном, твердом и жидком состояниях называется подземной, такая  вода является частью водных ресурсов Земли, изучением подземных вод  занимается гидрогеология. Подземные воды являются полезным ископаемым, в процессе эксплуатации они способны возобновляться в естественных условиях, количество таких вод оценивается их запасами. Подземные воды являются одним из источников питания рек и находятся на всей территории России, статические запасы подземных вод составляют 28000 км3, а объем их естественных ресурсов приблизительно равен 787,5 км3 в год.

Исходя из характера  пустот водовмещающих пород подземные  воды в обломочных породах (например, песок), называют поровые; в растворимых  породах (гипс, доломит, известняк) –  карстовые или трещинно-карстовые; и в скальных породах (гранит) –  трещинные или жильные. А по условиям залегания подземные воды делят на межпластовые, почвенные, грунтовые и верховодку. По степени минерализации выделяют пресные подземные воды, соленые, солоноватые и рассолы; по температуре они делятся на переохлажденные, холодные и термальные; а в зависимости от качества подземной воды ее подразделяют на техническую и питьевую.

Иногда подземные  воды способны вызвать оползни, заболачивание  территорий, осадку грунта, они затрудняют ведение горных работ в шахтах, для уменьшения притока подземных  вод проводят осушение месторождений, водоотлив.

На территории России известно 3367 месторождений подземных  вод, из них эксплуатируется менее 50%, на хозяйственные и питьевые нужды  используется около половины воды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Понятие о загрязнении  подземных вод.

Под антропогенным  загрязнением подземных вод понимают ухудшение качества воды (химических, физических, биологических свойств), вызванное хозяйственной деятельностью  человека. Понятие "загрязнение" относится прежде всего к подземным водам питьевого назначения. Загрязнение подземных вод может выразиться в повышении содержания природных компонентов, а также в появлении специфических веществ искусственного происхождения - неорганических (цианиды, роданиды), органических (нефтепродукты, пестициды, фенолы, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и др.). Обычно выделяют две стадии загрязнения: начальную стадию, когда содержания компонентов выше фонового, но ниже ПДК, и собственно загрязнение, когда концентрации отдельных компонентов превышают ПДК. По видам загрязнителей выделяют химическое, биологическое, радиоактивное и тепловое загрязнения, по масштабу - локальное и региональное.

Поступать загрязнение  в водоносный горизонт может практически  со всех сторон: сверху, сбоку, снизу  и непосредственно в пласт  в результате закачки.

Загрязнение подземных вод  соединениями азота связано, в основном, с сельскохозяйственными объектами и обусловлено фильтрацией поверхностных вод и атмосферных осадков из накопителей отходов и полей фильтрации, с сельскохозяйственных массивов, обрабатываемых ядохимикатами и удобрениями, животноводческих комплексов и птицефабрик, мест хранения ядохимикатов и удобрений. В результате многолетней интенсивной сельскохозяйственной деятельности загрязнение подземных вод приняло региональный характер для ряда областей Российской Федерации.

Потенциальными источниками  загрязнения подземных вод нефтепродуктами  служат многочисленные действующие  и ликвидированные склады горюче-смазочных  материалов, АЗС, нефтепроводы, крупные  авиапредприятия, нефтеперерабатывающие  заводы, локомотивные депо и др. Зачастую загрязнение подземных вод нефтепродуктов, а также с авариями (разрывы  трубопроводов, транспортные аварии и  т.д.). Кроме того, образованию новых  участков загрязнения подземных  вод способствуют несанкционированные  сбросы нефти и нефтепродуктов в  заброшенные карьеры и долины ручьев и мелких притоков.

Карта выявленных участков загрязнения подземных вод соединениями азота на территориях субъектов  Российской Федерации с 2000 по 2007 год.

Биологическое загрязнение подземных  вод. Данный вид загрязнения вызывается различными микроорганизмами - водорослями, бактериями, вирусами. Наиболее опасно загрязнение болезнетворными организмами, поступающими в подземные воды в основном с фекальными и хозяйственно-бытовыми водами. Время выживания болезнетворных микробов в подземных водах может достигать 400 сут. Биологическое загрязнение подземных вод может интенсифицироваться тепловым загрязнением.

Последствия загрязнения  подземных вод. Загрязнение подземных  вод не является локальным процессом, оно тесно связано с загрязнением окружающей природной среды в  целом. Содержащиеся в подземных  водах зоны активного водообмена загрязнения в конечном итоге попадают в реки и озера (области разгрузки).

Загрязнение пресных подземных  вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, не только сказывается на здоровье людей и состоянии окружающей среды, но и приводит к необходимости колоссальных затрат на очистку воды, ремонт и реконструкцию очистных сооружений, дополнительных затрат на здравоохранение. Это происходит на фоне недостаточной изученности и состояния загрязнения, и влияния многих вредных компонентов на здоровье людей и животных, и неразвитости методов исследований многих новых видов загрязнения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Состояние качества подземных  вод на территории РФ

Качество подземных  вод на большей части территории страны соответствует требованиям к питьевым водам. Вместе с тем на территории Российской Федерации распространены различные гидрогеохимические провинции, где наблюдается природное несоответствие качества подземных вод нормируемым показателям питьевых вод (табл. 2.26). Распространение гидрогеохимических провинций подчинено зональности гидрогеологических структур и геохимическим особенностям горных пород и подземных вод. Благодаря гидрогеологическим исследованиям, выполняемым территориальными центрами ГМСН, в настоящее время на территории России выявлены различные аномальные природные гидрогеохимические провинции, в пределах которых содержания химических элементов в подземных водах в естественных условиях превышают санитарно-гигиенические нормы к питьевым водам. Выделены природные гидрогеохимические провинции с повышенным относительно ПДК содержанием сульфатов, хлоридов, селена, лития, бария, бора, стронция, алюминия, железа и марганца, фтора, бериллия, мышьяка.

На территории Центрального федерального округа широкий спектр микрокомпонентов в подземных водах  обусловлен спецификой геохимического состава водовмещающих пород. Наиболее характерными и изученными элементами являются стронций, фтор, железо, марганец, литий, кремний, а также сульфаты и хлориды, которые нередко образуют значительные территории с повышенными  концентрациями. Аномалии стронция и фтора, выделяемые в пределах развития стронциеносной провинции, приурочены к верхнедевонским водоносным горизонтам, широкой полосой пересекающей территорию Центрального федерального округа и фтороносной провинцией в среднекаменноугольных водоносных горизонтах, охватывающей большую часть Тверской, Московской, Рязанской и Владимирской областей.

Современными исследованиями установлено в водах нижнего  и верхнего мела на территориях Брянской, Курской и Белгородской областей повышенные содержания кремния в  зоне распространения турон-маастрихтской кремнисто-мергельно-меловой формации.

Практически для  всех водоносных горизонтов характерно повышенное содержание железа и марганца.

В Рязанской, Смоленской, Ивановской, Воронежской областях в  эксплуатационных скважинах неоднократно наблюдались повышенные содержания селена.

Особо следует отметить превышение ПДК по сероводороду на территориях Белгородской, Московской, Смоленской, Калужской областей.

Природное отклонение качества подземных вод на территории Северо-Западного федерального округа определяется преимущественно железом, марганцем, кремнием и хлоридами, а  для напорных вод глубокого залегания  характерно повышенное содержание брома  и бора.

На территории Архангельской  области выделяется территория с  повышенным содержанием стронция в  подземных водах верхнепермского  водоносного комплекса, что обусловлено  наличием целестинсодержащих пород в водовмещающих отложениях.

Территории с природным  качеством, не соответствующим требованиям  к питьевым водам, на территории Южного федерального округа относятся к  сульфатно-хлоридным гидрогеохимическим провинциям.

В качестве основной причины некондиционности вод на территории округа можно назвать повышенную минерализацию воды, обусловленную концентрациями хлоридов, сульфатов, соединений железа, марганца, бора, мышьяка, кадмия и др. Результаты наблюдений за гидрогеохимическим состоянием подземных вод в области развития таких вод показали, что изменения их химического состава на протяжении многих лет не произошло.

В 2007 г. существенных изменений в химическом составе  подземных вод на большей части территории Приволжского федерального округа не выявлено. Содержание основных компонентов, определяющих химический состав и минерализацию, оставалось в пределах вариаций сезонного изменения фоновых показателей.

Из регионально  развитых неблагоприятных показателей  качества питьевых подземных вод  на территории Уральского федерального округа в естественных условиях характерны повышенные содержания железа, марганца, реже кремния, которые нормализуются  применением стандартных способов водоподготовки.

На территории Сибирского федерального округа в водах четвертичных, неогеновых и палеогеновых водоносных горизонтов отмечаются повышенные относительно ПДК содержания железа, марганца, кремния, реже брома, что связано с геохимическими особенностями водовмещающих пород. Характерным для вод указанных  горизонтов является низкое содержание фтора (менее 0,7 мг/дм3), лишь в отдельных  районах Омской области содержание фтора в подземных водах возрастает.

В водах четвертичных водоносных горизонтов на территории Красноярского края, вблизи границ с горноскладчатой областью, стабильно отмечается превышение ПДК по содержанию алюминия.

Наличие ртутьсодержащих  пород в горных массивах способствует появлению ртути в водах верхних  водоносных горизонтов. В водах нижнекаменноугольных и девонских водоносных комплексов в восточной части Саяно-Алтайской ГСО фиксируются повышенные содержания селена, алюминия и стронция.

Результаты исследований качественного состава подземных  вод в естественных условиях на территории Сибирского федерального округа свидетельствует  о том, что он практически не изменился  по сравнению с прошлым годом, за исключением Республики Алтай, где  в результате Алтайского землетрясения 2003 г. произошло изменение химического состава подземных вод и продолжающиеся до сих пор афтершоки влияют на их качество.

На территории Дальневосточного федерального округа выявлен ряд  гидрогеохимических провинций, зон  и участков, на которых распространены подземные воды природно-аномального  состава с концентрациями нормируемых  элементов выше предельно-допустимых значений для вод хозяйственно-питьевого  назначения. Повсеместно распространены воды с повышенным содержанием железа и марганца, приуроченные к артезианским бассейнам и долинам рек, в  зоне морского побережья естественно  присутствие повышенных содержаний хлора. Для отдельных районов  характерны повышенные содержания лития, бора и др. элементов. На отдельных  скважинах, вскрывающих участки  разгрузки глубоко залегающих вод  по зонам тектонических нарушений, природно-аномальным водам присущи  высокие содержания кремния, бериллия, мышьяка, бора, алюминия.

Следует отметить, что  для обоснования и прогнозирования  новых и уточнения границ уже  выделенных гидрогеохимических аномалий в различных гидрогеологических структурах необходимо проводить специальные  гидрохимические исследования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Характеристика  участков загрязнения  подземных вод

Загрязнению подвержены подземные воды в отложениях разного  возраста. Более 70% участков выявлены в  первых от поверхности водоносных горизонтах, приуроченных к отложениям четвертичного, неоген-четвертичного, мел-четвертичного, палеогенового и палеозойского возрастов, не являющихся, как правило, источниками питьевого водоснабжения населения. В отдельных случаях отмечено загрязнение как грунтового, так и нижезалегающего напорного водоносного горизонта. Для 30% участков наблюдается загрязнение подземных вод слабонапорных или напорных водоносных горизонтов в меловых, каменноугольных или девонских отложениях, залегающих под породами четвертичными возраста.

Площади загрязнения  водоносных горизонтов изменяются от сотых долей до десятков и первых сотен квадратных километров.

В подавляющем большинстве  площади участков загрязнения находятся  в пределах площади источников (хозяйственных  объектов), вызывающих загрязнение  подземных вод. Реальную площадь  участка загрязнения определить достаточно сложно, для этого необходимо проведение специальных исследований, включающих бурение и оборудование скважин, отбор проб и производство анализов воды и др.

Следует отметить, что  по качеству подземных вод отчитывается очень небольшое число недропользователей, и чаще всего представляемые ими материалы не позволяют оценить современное состояние качества подземных вод. Наиболее достоверная информация по участкам загрязнения поступает по результатам обследования техногенных объектов, проводимых территориальными центрами ГМСН.

В целом можно  отметить, что в подземных водах  при промышленном типе загрязнения  обнаруживается практически весь перечень выявленных загрязняющих веществ, как  неорганических, так и органических; при сельскохозяйственном типе загрязнения  наблюдаются преимущественно соединения азота, пестициды; при коммунальном типе загрязнения – соединения азота, железо, марганец, хлориды, фенолы; при  загрязнении некондиционными природными водами – хлориды, сульфаты, железо, марганец, фтор, стронций.

В большинстве случаев  загрязнение пресных вод остаётся невидимым, поскольку загрязнители растворены в воде. Но есть и исключения: пенящиеся моющие средства, а также  плавающие на поверхности нефтепродукты  и неочищенные стоки. Есть несколько  природных загрязнителей. Находящиеся  в земле соединения алюминия попадают в систему пресных водоёмов в  результате химических реакций. Паводки  вымывают из почвы лугов соединения магния, которые наносят огромный ущерб рыбным запасам. Однако объём  естественных загрязняющих веществ  ничтожен по сравнению с производимыми человеком. Ежегодно в водные бассейны попадают тысячи химических веществ с непредсказуемым действием, многие из которых представляют собой новые химические соединения. В воде могут быть обнаружены повышенные концентрации токсичных тяжелых металлов (как кадмия, ртути, свинца, хрома), пестициды, нитраты и фосфаты, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВы). Как известно, ежегодно в моря и океаны попадает до 12 млн тонн нефти. Определенный вклад в повышение концентрации тяжелых металлов в воде вносят и кислотные дожди. Они способны растворять в грунте минералы, что приводит к увеличению содержания в воде ионов тяжелых металлов. С атомных электростанций в круговорот воды в природе попадают радиоактивные отходы. Сброс неочищенных сточных вод в водные источники приводит к микробиологическим загрязнениям воды. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) 80 % заболеваний в мире вызваны неподобающим качеством и антисанитарным состоянием воды. В сельской местности проблема качества воды стоит особенно остро — около 90 % всех сельских жителей в мире постоянно пользуются для питья и купания загрязненной водой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Источники загрязнения

Загрязнители попадают в пресную воду различными путями: в результате несчастных случаев, намеренных сбросов отходов, проливов и утечек.

Всё большую угрозу для пресноводных водоёмов представляют стоки, сбрасываемые рыбоводческими хозяйствами, ввиду широкого применения ими фармацевтических средств борьбы с болезнями рыб.

Быстрое загрязнение  подземных вод вокруг городов. Источник - возрастающее число загрязненных скважин вследствие не правильной эксплуатации. 

Лесные хозяйства  и открытый дренаж — источники  большого количества веществ, попадающих в пресную воду, в первую очередь  железа, алюминия и кадмия. С ростом деревьев кислотность лесной почвы  увеличивается, и проливные дожди  образуют очень кислые стоки, губительные  для живой природы. 

Попав в реку, навозная жижа может стать причиной серьёзной  экологической катастрофы, так как  её концентрация в 100 раз больше, чем  у сточных вод, обработанных на очистных сооружениях. 

Атмосферное загрязнение  пресной воды особенно пагубно. Есть два вида таких загрязнителей: грубодисперсные (зола, сажа, пыль и капельки жидкости) и газы (сернистый газ и закись азота). Все они — продукты промышленной или с/х деятельности. Когда в  дождевой капле эти газы соединяются  с водой, образуются концентрированные  кислоты — серная и азотная. 

Распространение загрязнителей 

Твёрдые и жидкие загрязняющие вещества попадают из почвы  в источники водоснабжения в результате т. н. выщелачивания. Небольшие количества сваленных на землю отходов растворяются дождём и попадают в грунтовые воды, а затем в местные ручьи и реки. Жидкие отходы быстрее проникают в источники пресной воды. Растворы для опрыскивания сельскохозяйственных культур либо теряют свою активность при контакте с почвой, либо попадают в местные реки, либо выщелачиваются в земле и проникают в грунтовые воды. До 80 % таких растворов тратятся впустую, так как попадают не на объект опрыскивания, а в почву.

Время, требуемое  для проникновения загрязнитёлей (нитратов или фосфатов) из почвы в грунтовые воды, точно неизвестно, но во многих случаях этот процесс может длиться десятки тысяч лет. Загрязняющие вещества, поступающие в окружающую среду от промышленных предприятий, называют промышленными стоками и выбросами.

Все большую актуальность приобретает загрязнение подземных  вод. С помощью современных технологий человек все интенсивнее использует подземные воды, истощая и загрязняя  их. Вокруг городов бурно развивается  частное строительство жилья  и мелких предприятий, с автономным водоснабжением. Например, в Подмосковье  ежедневно бурится от 50 до 200 скважин  разной глубины. По разным причинам (незнанию например), подавляющее большинство  скважин, эксплуатируется без соблюдения правил пользования такими источниками  воды.Это приводит к быстрому локальному загрязнению подземных вод этого региона. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение уровня загрязнения

На загрязнение  могут указывать такие признаки, как мёртвая рыба, но есть и более  сложные методы его обнаружения. Загрязнение пресной воды измеряется в показателях биохимической  потребности в кислороде (БПК) —  то есть сколько кислорода поглощает загрязнитель из воды. Этот показатель позволяет оценить степень кислородного голодания водных организмов.

В то время как  норма БПК для рек Европы равна 5 мг/л, в неочищенных бытовых стоках этот показатель достигает 350 мг/л. Большой  вред наносит молоко при сливе  его избыточного количества, так  как вызываемое им загрязнение в 400 раз больше, чем от бытовых стоков. 
 

Рспределение выявленных участков загрязнения подземных вод на территории Российской Федерации по состоянию на 01.01.20

Принципиальная схема  формирования загрязнения береговых  водозаборов подземных вод:

Динамика запасов, добычи и использования подземных  вод в 1997-2007 гг., млн куб.м/сут

Таблица степени  загрязнения подземных вод 

Диаграмма распределения  выявленных участков загрязнения подземных  вод по видам хозяйственной деятельности.

1 - промышленные объекты; 2 - сельскохозяйственные объекты; 3 - коммунальные объекты; 4 - объекты  разного рода деятельности;

5 - подтягивание некондиционных  вод; 6 - источник загрязнения не  установлен.

Цифры на диаграмме: в числителе - количество участков загрязнения  подземных вод; в знаменателе - % от их общего количества.