MISCELLANEOUS / Hydro / Общая гидрогеология Кирюхин В

11.2. Загрязнение подземных вод

Пресные воды, как уже указывалось, залегают в верхней части гидрогеологического разреза, поэтому легче всего подвергаются загрязнению. Предотвратить его или, по крайней мере, уменьшить степень воздействия, могут водоупорные породы, которые залегают над грунтовыми водами.

Причины загрязнения подземных вод весьма разнообразны и могут иметь как естественное, так и техногенное происхождение. Различают следующие виды загрязнений вод: химическое, нефтяное, радиоактивное, микробиологическое и тепловое. Предельно допустимые концентрации (ПДК) компонентов в подземных водах регулируются санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами СанПин 2.1.4.1074-01 [40].

Химическое загрязнение. Этот вид загрязнения имеет региональное и локальное распространение. Региональные процессы, которые обусловливают превышение концентрации отдельных компонентов в подземных водах по сравнению с ПДК, носят зональный характер. Увеличение минерализации и смена типа вод происходит при движении их по пласту и на глубину. Гидрогеохимическая зональность (см. гл.З и 6) связана, прежде всего, с процессами растворения пород, конъюнктивным и диффузионным переносом вещества, а также концентрированием солей в грунтовых водах при испарении в аридных областях. В результате этих процессов в гумидных областях пресные воды с глубиной сменяются солоноватыми и солеными, а в аридных областях широко распространяются процессы континентального засоления, при котором воды обогащаются сульфатами и хлоридами и становятся не пригодными для питья.

Гидрогеохимическая зональность (широтная и по пласту), в значительной степени регулируется окислительно-восстановительной и кислотно-щелочной обстановками. В условиях тундры образуется кислая среда часто с бескислородным и мерзлотным режимом. В лесостепной зоне в покровных отложениях преобладает щелочная среда с неравномерным промывным режимом. Более четко окислительно-восстановительная зональность подземных вод обнаруживает себя при движении их по пласту. С глубиной Eh уменьшается, так

403

как основной потенциалозадающий компонент - кислород - расходуется на окислительные процессы. В верхней части разреза распространены кислородные воды с Eh > 200 мВ, с глубиной они сменяются бескислородными и бессульфидными водами с Eh = 200-н 100 мВ, еще глубже появляются сульфидные воды с Eh > 100 мВ, а часто и менее нуля. Снижение окислительно-восстановительного потенциала синхронно сопровождается ростом показателя pH и образованием в нижней части пласта щелочных вод. Появление в подземных водах нормируемых компонентов, в количестве превышающем ПДК, в значительной степени регулируется соотношением Eh - pH. В бескислородных и бессульфидных водах фиксируются аномально высокие концентрации железа (Fe²⁺), марганца (Мп²⁺) и аммония (NH/). Увеличение Eh сопровождается ростом содержания селена, меди, цинка, свинца и кадмия.

Воды, содержащие повышенные количества железа, марганца и аммония, почти повсеместно распространены в верхней части гидрогеологического разреза гумидной области, а также в межмерз- лотных и иногда подмерзлотных водах области распространения многолетней мерзлоты. Средние содержания железа достигают 10 мг/л, при максимальных его значениях до 30-40 мг/л, марганец обычно присутствует в количествах 0,1-0,5 мг/л при максимальных значениях до 10 мг/л, аммоний обычно определяется в количестве нескольких миллиграммов на литр при максимальном значении в несколько десятков.

Из компонентов, формирующихся в кислородной зоне, наиболее опасным для питьевых вод является селен (HSeCb), который накапливается в околонейтральных водах с Eh > 200 мВ. Другим условием для накопления селена в количествах, превышающих ПДК, является наличие селенсодержащих минералов во вмещающих породах. В околонейтральных водах миграции некоторых химических компонентов благоприятствует присутствие органических, фульво- и гуминовых кислот, а также фтора, выполняющих роль лигандов. С органическими кислотами железо (Fe³⁺, Fe²⁺), бериллий (Ве²⁺), ртуть (Hg²⁺) образуют устойчивые комплексные соединения. Соединения бериллия с фтором также отличаются высокой миграционной способностью.

404

В определенных условиях качество пресных вод ухудшается в результате аккумуляции в них фтора и стронция. Появление их в водах с концентрациями, превышающими ПДК, наблюдается там, где и вмещающие породы ими обогащены, а в катионном составе вод преобладает натрий. Кальций способствует осаждению стронция и фтора из вод, а натрий, наоборот, переводит их в растворенное состояние. Фтороносные воды распространены в Московском и Волго- Камском артезианских бассейнах, а также на Балтийском щите. Стронциевые воды встречены в гипсоносных отложениях перми на севере и востоке Русской плиты. Такие же условия, т.е. повышенная концентрация элемента во вмещающих породах и натриевый состав вод, необходимы для образования мышьяковистых и бороносных вод. Подобная обстановка наблюдается в водоносных комплексах восточного Предкавказья. Итак, загрязнение пресных подземных вод под действием природных процессов обычно охватывает значительные территории, которые иногда объединяют под названием биогидрогеохимических провинций. В них отмечены повышенные концентрации железа, марганца, фтора, селена, стронция, мышьяка и других нормируемых компонентов.

Техногенное загрязнение подземных вод чаще всего бывает локальным. Под его воздействием в водоносных системах образуются ореолы и потоки загрязнения. В подземные воды загрязнение попадает с земной поверхности и может иметь точечный, площадной или линейный характер. По характеру воздействия на гидрогеологическую среду различают два типа загрязняющих веществ: инертные и активные. В первом случае химический тип подземных вод не изменяется, во втором в зависимости от соотношения Eh/pH существенно изменяются состав подземных вод, физико-химическая обстановка и условия миграции химических компонентов претерпевают существенные изменения. По мнению С.Р. Крайнова [22], все разнообразие геохимических свойств загрязненных подземных вод, создаваемого промышленностью, сельским хозяйством, социально- бытовыми и другими техногенными воздействиями, сводится к созданию строго ограниченного и определенного набора геохимических ситуаций. На графике Eh/pH-соотношений (рис.90) они укладываются в пять основных типов загрязнения подземных вод: кис-

405

Eh, мВ

L*J¹ [ aJ ² LzJ з ПП 4 L±J 5

Рис.90. Геохимические типизации загрязненных подземных вод и их расположение на Eh-pH диаграмме

1-S - фигуративные точки подземных вод: соответственно кислые (I) и околонейтральные (2) воды с высокими значениями Eh; соответственно щелочные (3) и околонейтральные бескислородно-бессульфидные (4) воды с низкими положительными значениями Eh; околонейтральные и щелочные воды с отрицательными значениями Eh (5)

лые воды с высокими значениями Eh (I), нейтральные воды с высокими значениями Eh (II), щелочные воды с низкими положительными значениями Eh (III), околонейтральные бескислородные, бессульфидные воды с низкими положительными значениями Eh (IV), околонейтральные щелочные воды с отрицательными значениями Eh (V).

406

Анализ техногенного загрязнения подземных вод позволяет придти к выводу, что все их геохимическое разнообразие связано с формированиями определенных Eh- и pH-ситуаций. Установленные типы загрязнения подземных вод характеризуются определенным набором химических компонентов с соответствующими миграционными их свойствами и концентрациями. В процессе техногенного воздействия существенно изменяется физико-химическая обстановка, все компоненты, участвующие в этом процессе: водовмещающие породы, содержащиеся в них воды и привнесенные загрязнения.

Нефтяное загрязнение. Этот вид загрязнения подземных вод является широко распространенным и весьма устойчивым. За последние полтора века человечество откачало из недр примерно 100 млрд т нефти. В настоящее время ее добыча стабилизировалась на уровне 3,5 млрд т в год. Из них примерно десятая часть добывается в нашей стране. В начале текущего столетия у нас было известно 1649 месторождений нефти, из них эксплуатировались 1061. Загрязнение подземных вод при добыче нефти происходит не только в результате ее разлива, но также и при откачке попутных вод, закачке вод для поддержания пластового давления и других причин. Оно продолжается и захватывает огромные площади при транспортировке и переработке нефти и использовании нефтепродуктов в различных областях человеческой деятельности. На пути технологической цепочки от добычи до использования нефти образуется множество соединений с различными свойствами. Поэтому загрязнение подземных вод нефтью и нефтепродуктами на всех этапах движения их по технологической цепочке представляет собой разнообразные схемы взаимодействия воды с какими-либо органическими соединениями.

Поступление нефти и нефтепродуктов на земную поверхность чаще всего бывает случайным и спонтанным (фонтанирование скважин, разрыв трубопровода, аварии на транспорте и т.д.). Более длительным и регулярным оно может быть на участках протечки нефтяных резервуаров, перекачки топлива, заправочных станциях, аэродромах и др. Наиболее подвижными являются жидкие нефтепродукты, они легче всего проникают в почвенно-покровные отложения. Поверхности грунтовых вод достигает только часть из про

407

сочившихся нефтепродуктов, поскольку некоторое их количество испаряется, а некоторое сорбируется вмещающими породами. Загрязнение почвы и пород зоны аэрации является неравномерным и мозаичным. Оно длительное время может вымываться атмосферными осадками и вместе с ними поступать в верхний водоносный горизонт. В водах этого горизонта нефтяное загрязнение может находиться в растворенном, диспергированном, эмальгированном виде, образовывать газовую оболочку вокруг водной поверхности. Наибольшей растворимостью в воде обладают бензин (500 мг/л), нефть (10-50 мг/л), дизельное топливо (8-22 мг/л) и керосин (2-5 мг/л). Для большинства нефтепродуктов ПДК равна 0,01-0,3 мг/л. Самая низкая ПДК (0,005 мкг/л) установлена для такого канцерогенного вещества, как бензопирен. Чтобы оценить угрозу нефтяного загрязнения приведем только один факт: попадание I л бензина в подземные воды может сделать некондиционными 2 • 10⁶ л пресной воды.

Движение нефтяного загрязнения в подземных водах дробится: одна часть растворяется в подземных водах и движется вместе с ней, другая образует нефтяную пленку и передвигается самостоятельно в соответствии со своей вязкостью и плотностью. Более вязкие фракции нефти тормозят ее растекание, наиболее устойчивые эмульсии содержат до 30-40 % воды и в процессе движения подвергаются окислению, в результате которого появляется новое соединение с новыми свойствами, обычно способствующими растворению в воде. Еще одна часть углеводородов - легкая фракция - переходит в газообразную фазу. Кроме того, часть углеводородов сорбируется вмещающими породами. Таким образом, первичное нефтяное загрязнение после попадания в водоносный горизонт изменяет свой состав, свойства и состояние и испытывает влияние процессов самоочищения подземных вод, которому способствует биодеградация, деструкция, сорбция химических соединений и др. Процесс загрязнения подземных вод и его разрушения сложен. В нефти установлено более 450 индивидуальных соединений, 95 % из них являются углеводородными (предельные углеводороды или алканы, ароматические углеводороды и органические кислоты). Неуглеводородные соединения представлены производными серы (0,1-10%), азота (1 %), кислорода (до 3 %). В нефти обнаружено 30 элементов метал

408

Воды	Природная обстановка	Rn, Бк/л	Ra, г/л	U, г/л
Поверхностные	Океаны и моря	0	1,ю-'³	2,10"*
	Озера	0	1,10"¹⁵	8,10'⁶
	Реки	0	2,10~¹³	б,ю~⁷
Осадочных пород	Зона интенсивного водообмена	60(3,7-185)’	2,10"¹²	5,10⁶
	Зона весьма затрудненного водообмена	22 (3,7-74)	3,10"^ш	2,10^-7

409

Воды	Природная обстановка	Rn, Бк/л	Ra, г/л	U, г/л
Кислых магматических пород	Зона интенсивного водообмена	370(7-1480)	2,10’¹²	7,10-*
	Зона затрудненного водообмена (воды глубоких тектонических трещин)	370(30-1480)	4,10~¹²	4,10-*
Урановых месторождений	Зона интенсивного водообмена (воды зоны окисления)	3700 (185-185000)	8,10-"	6.10-⁴
	Зона затрудненного водообмена (воды зоны восстановления)	1850 (185-11000)	б,ю-"	8,10"*

В скобках представлен диапазон значений.

Из табл. 11 видно, что радиоактивность поверхностных вод весьма мала. В подземных водах она напрямую зависит от содержания радиоактивных элементов в водовмещающих породах. Поэтому особенно велико их присутствие в водах урановых месторождений, кислых магматических пород, зонах тектонических нарушений. Более благоприятные условия для накопления в подземных водах урана и радона создаются в окислительной обстановке, а для накопления радия — в восстановительной обстановке в рассолах хлоридного кальциево-натриевого состава.

В зависимости от концентрации ЕРН подземные воды делятся на радоновые, радиевые и урановые. При смешении этих вод могут возникать различные варианты. Нормирование содержания ЕРН позволяет решать разнообразные практические задачи: экологические, хозяйственно-питьевые, лечебные, извлечение из вод компонентов (например, урана).

Остановимся на особенностях поведения радона, поскольку он обеспечивает 75 % и более естественного радиоактивного облучения человека. Радон — это тяжелый газ, в 7,5 раз тяжелее воздуха, поэтому при выходе из недр он стелется по Земле. Период его полураспада 3,8 суток. Поскольку в том или ином количестве он попада-

410

ет нам в легкие, то главную опасность для человека представляют продукты его распада: свинец, полоний и висмут. Накапливаясь в легких, они становятся причиной раковых заболеваний. Существуют нормы, ограничивающие присутствие радона в воздухе жилых помещений и в водах питьевого и лечебного назначения. Появление и аккумуляция радона в подземных водах зависят от степени обогащенности ЕРН водовмещающих пород, их эманирующей способности и скорости движения подземных вод. Наибольшая концентрация радона характерна для подземных вод древних кристаллических щитов, гранитных массивов, зон тектонических нарушений. Это, прежде всего, Балтийский, Украинский, Канадский и другие щиты. В зоне выветривания среднее содержание радона в подземных водах составляет 120-400 Бк/л. Оно заметно сокращается вверх по гидрогеологическому разрезу: например, в окрестностях Петербурга среднее содержание радона в водах песчаников верхнего протерозоя 50-100 Бк/л, в водах песчаников и известняков ордовика 50 Бк/л, а в водах четвертичных отложений 5-10 Бк/л.

Техногенное загрязнение подземных вод радиоактивными веществами связано, в основном, с испытаниями ядерного оружия в военных и мирных целях, переработкой ядерного сырья, штатными и аварийными выбросами при эксплуатации АЭС, хранением, транспортировкой и переработкой радиоактивных отходов.

Испытание ядерного оружия. Пик испытаний ядерного оружия пришелся на начало 60-х гг. XX в. Их итогом было глобальное загрязнение атмосферы тритием и продуктами расщепления ядерных реакций. Во многих местах загрязнение атмосферы достигло сотен и даже нескольких тысяч тритиевых единиц. Суммарная мощность ядерных взрывов в тротиловом эквиваленте составила 545 Мт. Созданный ими радиоактивный фон составляет 0,05-0,09 Ки/км². Эта величина близка к природному фону и пока особенно не сказывается на загрязнении окружающей среды. «Мертвые зоны» - радиогеохимические аномалии сохранились только на участках бывших ядерных полигонов. Пятна радиоактивного загрязнения грунтовых вод были зафиксированы во многих районах нашей страны 50-60 лет тому назад.

411

Ядерные испытания в мирных целях носили локальный характер. Они проводились в скважинах и горных выработках для решения технологических задач (образование искусственной емкости, усиление нефтеотдачи пласта, проведение вскрышных работ и др.). После проведения ядерных испытаний в подземной среде вокруг скважины образуется гидрогеохимическая аномалия, которая может существовать многие годы. Наибольшее количество экспериментальных взрывов (несколько десятков) проведено для испытания нефтегазоносных и соленосных структур в Прикаспийской впадине.

Переработка ядерного сырья. Предприятия, на которых производится переработка ядерного сырья и научно-производственные работы по совершенствованию этой переработки, расположены в различных регионах нашей страны (Арзамас, Челябинск, Томск, Красноярск и др.). На этих предприятиях нередко возникают аварийные ситуации, которые приводят к радиоактивному загрязнению значительных территорий. Серьезную угрозу безопасности этих районов представляют большие объемы твердых, жидких и газообразных радиоактивных отходов (РАО), которые образуются при переработке ядерного сырья.

Предприятие «Маяк» (Челябинская область) в течение полувека сбрасывает в котловину оз.Карачай жидкие радиоактивные отходы. Это рассолы нитратного состава с минерализацией 120- MS г/л, радиоактивная зараженность которых на пять порядков превышает ПДК. Эти воды попадают в зону выветривания эффузивов силура, по ходу движения до зоны разгрузки они в основном теряют свои аномальные радиоактивные свойства. Близкой к норме становится концентрация нитратов, нитритов и аммония. Состав вод изменяется на сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатный, а минерализация снижается до 0,215 г/л. Вместе с тем, эта благополучная картина нередко нарушается «проскоками» радиоактивных вод в бассейн р.Тобол, что фиксируется режимными наблюдениями.

На Сибирском химическом комбинате, который расположен вблизи Томска, занимаются извлечением урана и элементов уранового ряда. Радиоактивное заражение вокруг завода образуется как в результате аэрозольных выбросов производственных цехов, так и

412

при захоронении твердых и жидких отходов. Аэрозоли поступают в окружающую среду более полувека, в их составе установлено присутствие изотопов урана, плутония, йода, а также фтористые и азотистые соединения, четыреххлористый углерод, парафины, бензин и другие вредные вещества. Аэрозольное загрязнение во времени и пространстве происходит неравномерно и уже захватило площадь около 1 ООО км². Инфильтрационные воды переносят его на глубину 15-20 м в верхний водоносный горизонт, загрязнение грунтовых вод усугубляют 50 хранилищ твердых и жидких РАО. Протечки из этих накопителей происходят регулярно, и вокруг них формируются постоянные ореолы гидрохимического загрязнения. Часть жидких радиоактивных отходов закачивается в меловой водоносный комплекс на глубину 250-400 м. На другом берегу р.Томи расположен водозабор, который обеспечивает водоснабжение г.Томска. Он берет воду из вышележащего палеогенового водоносного горизонта. Риск проникновения радиоактивного загрязнения в питьевые воды в таких условиях исключать нельзя.

Эксплуатация АЭС. Производство электроэнергии с помощью ядерных установок растет с каждым годом. В европейских и северо-американских государствах оно достигло 10-20 % и более от суммарного ее производства. В европейской части России функционирует восемь АЭС (Курская, Смоленская, Балаковская, Нововоронежская, Калининская, Ленинградская, Кольская, Ростовская). Даже при штатном режиме работы АЭС предусматривается выброс в атмосферу некоторого количества радионуклидов через вентиляционные трубы и сброс технологических вод в поверхностные водоемы (пруды, отстойники). Воздушные выбросы производятся на высоте 100-150 м и ветром рассеиваются на окружающую территорию, попадая в почву, подземные, поверхностные воды, и ассимилируются биотой. Жидкие стоки, обогащенные радионуклидами, также могут попадать в водоносные горизонты и поверхностные водотоки окружающих территорий. Таким образом, при работе АЭС какое-то количество радионуклидов систематически попадает в атмосферу, почвенно-покровные отложения, водоносные горизонты и поверхностные воды. Согласно замерам радиоактивного загрязнения, при штатной работе АЭС оно не ведет к серьез

413

ным экологическим последствиям и составляет примерно 10 % от установленного предельного уровня.

Однако при эксплуатации АЭС возможны нарушения штатных режимов с теми или иными последствиями. Так, при эксплуатации Ленинградской АЭС таких инцидентов было два: в ноябре 1975 г. и марте 1992 г. В первом случае разгерметизация части тепловыделяющих элементов стала причиной выброса радиоактивных продуктов деления и фрагментов топливозащитной укладки в атмосферу через воздушную трубу. Главными носителями загрязнения оказались инертные радиоактивные газы и изотопы йода. Радиоактивность местности вернулась к фоновой примерно через месяц, поскольку радионуклиды аэрозолей оказались короткоживущими. Второй инцидент произошел в результате отказа запора регулирующего клапана, что привело к перегреву и разгерметизации технологического канала. В атмосферу через вентиляционную трубу было выброшено две суточные нормы радиоактивных инертных газов. Наиболее опасным считалось присутствие в аэрозолях иридия-131. Это событие также не имело долговременных экологических последствий.

Происшествия, связанные с эксплуатацией АЭС, могут быть вызваны не только выбросами инертных радиоактивных газов или сбросом радиоактивных вод, но также многими другими причинами (технологическими, нарушениями правил транспортировки и хранения радиоактивных веществ и др.). Наиболее тяжкие последствия возникают при авариях на энергоблоках, как и случилось на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. В результате этой катастрофы на земную поверхность было выброшено 1,9- 10^|8Бк радиоактивных веществ, из них 8,1 • 10¹⁵ Бк приходилось на стронций-90 и 3,7 • 10¹⁶ Бк на цезий-137. В спектре выпавших радионуклидов обнаружены рубидий-87, плутоний-240, уран-234, уран-238, рутений-106 и др. Радиоактивное загрязнение охватило весь континент, особенно пострадали территории, примыкающие к Чернобыльской АЭС.

Перемещение радионуклидов в почвенно-покровных отложениях можно представить в виде трех миграционных потоков:

склонового смыва;

вертикального диффузионного потока;

вертикального инфильтрационного потока.

414

Склоновый смыв наиболее динамичен, он зависит от эрозионной деятельности дождевых и снеговых вод. По ходу движения со склоновым стоком радионуклиды могут перемещаться в растворенном и во взвешенном состояниях. Они попадают в водные потоки ручьев и рек и перемещаются в них вниз по течению с донными отложениями. Скорость такого перемещения зависит от миграционных свойств радионуклидов. Так, стронций-90 быстрее проходит путь от р.Припять до устья р.Днепр, поскольку по пути он образует растворимые формы, которые быстрее достигают Черного моря. Цезий-137 задерживается в донных осадках ложбин, попадая в более длительный круговорот вещества.

Диффузионный путь движения радионуклидов самый медленный, его проделывают так называемые «горячие частицы»; продукты горения атомного реактора и инертные материалы, сброшенные в очаг пожара. Их средний размер 0,1-2 мкм, активность каждой частицы оценивается в 1-100 Бк, 50-70 % этих частиц закрыты «рубашкой» из силикатов железа, т.е. находятся в негидролизуемой форме. Движутся «горячие частицы» очень медленно. За 10 лет после аварии они прошли путь не более 10-20 см.

Инфильтрационный вертикальный поток приносит радионуклиды в верхние водоносные горизонты. При движении через зону аэрации растворенные радионуклиды частично сорбируются, частично осаждаются на физико-химических барьерах или задерживаются водоупорными породами. Поэтому загрязнение подземных вод после Чернобыльской аварии оказалось неравномерным. В пределах 10-километровой зоны вокруг АЭС, например, подземные воды содержали 3,3 Бк/л стронция-90, 7,8 Бк/л цезия-137 и 6,7 Бк/л церия-144, а опробование подземных вод водоносных горизонтов юрского, мелового и эоценового возраста в районе Киева показало фоновые концентрации радионуклидов. Время существования гидрогеохимических аномалий, образовавшихся после Чернобыльской аварии, обычно ограничивалось двумя-тремя годами, необходимыми для разбавления и рассеяния их атмосферными водами. Вместе с тем, на участках, где в подземных водах аккумулировались долгоживущие радионуклиды, возможно длительное существование геопатогенных зон.

415

Радиоактивные отходы. Система обращения с РАО включает в себя следующие стадии их трансформации: сбор, переработку, хранение, транспортировку, захоронение и изоляцию. На Ленинградской АЭС, например, образуется (40-ь 120) • 10³ м³ жидких отходов и около 3000 м³ твердых. Жидкие отходы после некоторой дезактивации по сбросным каналам поступают в Копорскую губу; на выходе из канала в водах содержатся повышенные концентрации стронция-90, цезия-137, кобальта-60, кобальта-58 и трития. Твердые отходы помещают в специальные контейнеры и захоранивают в кембрийских глинах с соблюдением определенных мер предосторожности, связанных с самопроизвольными ядерными реакциями в контейнерах, вызывающими повышение температуры внутри и за стенками контейнеров. В результате изменяются физико-механические и фильтрационные свойства водовмещающих пород с возможными негативными последствиями.

Таким образом, в районах действующих АЭС экологическая обстановка близка к норме. Но риск возникновения аварийных ситуаций в этих районах существует всегда, как и возможность образования радиогидрогеохимических ореолов загрязнения. Как было показано на примерах предприятия «Маяк» и Западно-Сибирского химкомбината, подобные ситуации возможны во всех других местах сбора, переработки и хранения РАО.

Микробиологическое загрязнение. В подземных водах встречаются три группы бактерий: аэробные, факультативные и анаэробные. Распространение микрофлоры в подземных водах регулируется минерализацией, температурой подземных вод, гидрогеохимической обстановкой (Eh, pH) и наличием органического вещества, обеспечивающего питание микроорганизмов. В пресных водах живые организмы находятся в количестве десятков-сотен тысяч бактерий в 1 мл. Это, главным образом, гнилостные бактерии и сапрофита. Первые разлагают белковые вещества с образованием сероводорода и водорода, вторые существуют на глюкозопептонной среде с образованием углекислоты. Кроме того, в пресных водах функционируют водородоокисляющие, денитрифицирующие, разлагающие клетчатку, железоокисляющие, метанообразующие и другие бактерии. Особенно интенсивно микрофлора развивается на участках про

416

никновения хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, при просачивании инфильтрационных вод в местах свалок, выгребных ям, скопления отходов животноводческих ферм, свинокомбинатов, птицефабрик, на площадях нефтяного загрязнения.

СанПин 2001 г. [40] нормирует четыре микробных показателя:

термотолерантные и колиформные бактерии;

общее число колиформных бактерий;

общий микробный показатель;

количество колифагов.

Изучение указанных показателей позволяет судить о присутствии болезнетворных бактерий в источнике водоснабжения. Следует, однако, иметь в виду, что патогенные бактерии составляют очень небольшую долю от общей массы микроорганизмов. Важно также и то, что лишь примерно 10 % бактерий находится в подземных водах, а преобладающая их часть живет в своих «порах-домиках» вмещающих пород. Заселенность пустотного пространства пород, как и жизнь микромира, подчиняется весьма сложным и не всегда известным закономерностям. Чтобы понять, почему это так, напомним, что размеры бактерии не превышают 2 мкм, а ее масса КГ¹¹ г. Это на 41 порядок меньше, чем масса нашей планеты, которая оценивается несколько более, чем 10²⁸ г. Бактерии не мельчайшие живые организмы. Размеры вирусов на несколько порядков меньше, чем размеры бактерий. Вирусы можно увидеть только с помощью очень мощного электронного микроскопа. Естественно поэтому, что в предмете гидрогеологии, т.е. в системе вода - порода - газ - живые организмы, последний компонент является наименее изученным и наиболее сложным.

В подземных водах мстуг быть обнаружены возбудители инфекционных заболеваний (брюшного тифа, холеры, чумы и др.), которые попадают в водоносные горизонты со сточными водами, проникают из могильников и другими путями. Время существования микроорганизмов ограничивается 30-400 сут. На продолжительность их жизни влияют условия питания, состав, минерализация и температура подземных вод, плотность микробного населения (чем больше плотность, тем больше продолжительность жизни). Живучесть болезнетворных бактерий увеличивается при поглощении их вме

417

щающими породами. Таким образом, ореолы микробного загрязнения ограничены по площади распространения и времени проявления. Вместе с тем в отдельных случаях возможно образование постоянно функционирующих ореолов микробного загрязнения и создание среды обитания болезнетворных бактерий. Такие очаги инфекции Moiyr возникать в местах проявления крупных эпидемий заразных болезней, в местах захоронения жертв этих эпидемий. Главной гидрогеологической проблемой во всех этих случаях является правильный выбор местоположения водозаборных сооружений, обеспечивающий безопасную их эксплуатацию.

Тепловое загрязнение. Последствия воздействия теплового загрязнения могут быть различными. В частности, они могут приводить к деградации многолетней мерзлоты, нарушению теплового режима деятельного слоя. Рост температуры подземных вод не позволяет в ряде случаев использовать их для практических целей в соответствии с санитарными и другими нормами. В этих условиях меняются химический состав, вкусовые качества, биологические свойства и количество растворенных газов, особенно кислорода. Химические последствия изменения температурного режима подземных вод разнообразны. Во-первых, они приводят к созданию неравновесных гидрогеологических систем, обычно ускоряют (реже замедляют), течение химических процессов. Во- вторых, тепловое загрязнение, как правило, сопровождается другими видами загрязнений: химическим, микробиологическим, радиоактивным, что приводит к крайне нежелательным экологическим последствиям. Тепловое загрязнение подземных вод чаще всего связано с деятельностью электростанций, особенно атомных, и энергоемких производств. В этих районах создается своеобразный микроклимат, образуются контрастные тепловые аномалии, захватывающие грунтовые воды, сбрасываются большие объемы горячих и теплых вод.

«Теплые острова» появляются на территории городских агломераций, дыхание городов обогревает большие площади. Так, наблюдения в районе Москвы с 1821 г., как отмечают Н.М. Фролов и

В.Н. Шкатункин, показали, что среднегодовая температура воздуха увеличивается на 0,1 ^СС за 10 лет, а вблизи очагов интенсивного те-

418

плового загрязнения может достигать 0,4 °С в год. К 1925 г. температурные аномалии со среднегодовой температурой воздуха более 8 °С занимали 30 км² города, а в 1975 уже 430 км². Соответствующие изменения произошли в тепловом режиме грунтовых вод. Тепловое поле может изменяться и на больших глубинах (до 3 км) при откачках и закачках воды. Эти процессы наблюдаются при осушении горных выработок, работе водозаборов на участках добычи нефти и газа, особенно при искусственном поддержании пластового давления, закачке промстоков, в глубоких горизонтах дислокации месторождений термальных вод и парогидротерм, отборе петроген- ного тепла системами эксплуатационных скважин. Тепловое загрязнение подземных вод сопровождается в этих случаях изменениями окислительно-восстановительного потенциала и кислотно-щелочной реакции химического газового состава воды, что, в свою очередь, приводит к кольматации пустот и трещин водовмещающих пород в результате выпадения в осадок солей и других веществ.

ОТБОР ВОД И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ

Истощение и управление водными ресурсами. Эксплуатация подземных вод водозаборными сооружениями, осушение месторождений полезных ископаемых, разные виды строительства, хозяйственной деятельности, возведение и эксплуатация гидротехнических объектов и т.п. могут существенно менять естественный режим подземных вод, что сказывается на условиях формирования подземных вод, образовании их естественных ресурсов, емкостных и эксплуатационных запасов. В районах действующих водозаборов снижается уровень водоносных систем, образуются депрессионные воронки, меняется направление движения, положение областей питания и разгрузки подземных вод, что часто сопровождается истощением их ресурсов. При образовании депрессионных воронок роль и значение отдельных составляющих водного баланса могут трансформироваться. Например, на участках неглубокого залегания грунтовых вод их испарение в гумидной зоне за летний период может достигать десятков и даже нескольких сотен миллиметров, поэтому падение

419

уровня воды при эксплуатации горизонта снижает роль испарения и увеличивает долю инфильтрационного питания.

Другим примером увеличения питания подземных вод при откачке может служить случай, когда при эксплуатации напорного водоносного горизонта начинается перетекание в него грунтовых вод, залегающих выше. При этом питание грунтовых вод усиливается за счет поглощения речного и склонового стока.

Если при эксплуатации водоносного горизонта подземные воды не получают дополнительного питания, то происходит сработка емкостных гравитационных и упругих запасов подземных вод, а при интенсивном водоотборе - их истощение. Такая ситуация возникает, когда количество откачиваемой воды превышает водное питание эксплуатируемого горизонта. Истощение емкостных запасов подземных вод наблюдается во многих регионах России (см. гл.7 и 10). Вот некоторые примеры:

водоносный комплекс каменноугольных отложений (западная часть Московского артезианского бассейна) - отбор 35 м

³/с, модуль эксплуатационного водоотбора 1-2 л/(с-км²), площадь де- прессионной воронки 50 тыс.км², понижение уровня подземных вод 120 м;

водоносный комплекс верхнедевонских отложений (в юго- западной части Московского артезианского бассейна) - отбор подземных вод 5 м³/с, площадь депрессионной воронки 40 тыс.км², понижение уровня подземных вод 75-80 м.

Депрессионные воронки на водозаборах хозяйственнопитьевого назначения образовались и в других регионах (Приазовском, Волго-Уральском, Западно-Сибирском и др.).

Глубокие понижения уровня подземных вод зарегистрированы во многих горно-добывающих районах: на железорудных месторождениях Курской магнитной аномалии, угольных Подмосковья и Печорского бассейна, горючих сланцев на западе Ленинградской области, бокситов на Северном Урале, в Прионежье и др. Осушение месторождений полезных ископаемых часто усугубляется созданием на территории шахтных и карьерных полей гидроотвалов, хвосто- и шламохранилищ, что ведет к увеличению водопритоков в горные выработки и загрязнению подземных вод. Ущерб подземной гидро

420

сфере, наносимый осушением месторождений полезных ископаемых, несомненен. В нашей стране ежегодно отбирается примерно 2 км³ преимущественно пресных вод, т.е. около 10-15 % от суммарного потребления вод хозяйственно-питьевого назначения.

Значительные изменения режима подземных вод происходят в районах активной хозяйственной деятельности (мегаполисы, сельскохозяйственное производство, промышленные предприятия, строительство). Возмещению ресурсов подземных вод и изменению их химического состава способствуют эксплуатация оросительных каналов, утечки из водонесущих коммуникаций, инфильтрация сточных вод, сооружение прудов, каналов и водохранилищ. Среди последствий таких мероприятий назовем подъем уровня подземных вод, подтопление территорий, образование искусственных водоносных горизонтов. Искусственное восполнение подземных вод для управления водными ресурсами может проводиться двумя способами: свободной инфильтрацией через дно каналов и водохранилищ или нагнетанием воды в специально оборудованные колодцы и скважины.

Геопатогенные зоны. Так называют участки Земли, где возникают неблагоприятные явления для жизни человека, приводящие к болезням и летальным последствиям. В создании геопатогенных зон активное участие принимают подземные воды. В зависимости от их роли эти зоны подразделяются следующим образом:

зоны, возникающие на радононосных участках;

области подземных вод, характеризующиеся избыточным или недостаточным содержанием биогенно активных компонентов;

районы активной газогидротермальной деятельности в областях современного вулканизма и активных неотектонических процессов;

Содержание