Охрана и защита подземных вод от загрязнения

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 (Минкин, 1972; и др.). При оцен­ках степени загрязнения и качества природных, в том числе под­земных, вод используется представление о предельно допустимых концентрациях (ПДК) загрязняющих веществ, при превышении которых воды становятся непригодными для хозяйственно-питье­вого использования (см табл. 14.1). По состоянию на 1980 г. при оценках загрязнения нормировалось содержание около 500 загряз­няющих веществ. Для сравнения следует отметить, что в 1944 г.

перечень загрязнителей состоял только из 13 наименований (Пин­некер, 1984).

Как было указано выше, подземные воды по сравнению с поверх­ностными в целом характеризуются значительно более высокой естественной защищенностью от различных видов загрязнения. Однако и для подземных вод, особенно для условий первого от поверхности грунтового водоносного горизонта, существует доста­точно много путей их возможного загрязнения. Загрязнение под­земных вод может происходить через атмосферу путем выпадения и последующей инфильтрации уже загрязненных атмосферных осадков; через загрязненные поверхностные воды на участках их поглощения в фунтовые водоносные горизонты; при инфильтрации чистых атмосферных осадков и поверхностных вод через загряз­ненную поверхность земли и почвенный слой (при внесении мине­ральных удобрений и ядохимикатов); путем фильтрации жидких продуктов или отходов производства и канализационных стоков при утечках из трубопроводов и сетей или на местах их складиро­вания (сточные ямы, отстойники, шламонакопители и др.) при от­сутствии или недостаточной надежности противофильтрационных мер; при инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод на участках складирования твердых отходов (коммунальные или промышленные свалки, отвалы горнодобывающих предприя­тий и др.) (см. рис. 16.3). Источником интенсивного загрязнения, в том числе и глубоко залегающих подземных вод, являются захо­ронение жидких и твердых отходов промышленного производства (как правило, наиболее вредных, высокотоксичных или радиоак­тивных отходов) путем закачки их в глубокие поглощающие сква­жины или “захоронения” в отработанных шахтах и карьерах.

Источниками загрязнения могут являться не использующиеся, 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 (Белоусова и др., 2006).

Распространение загрязняющих веществ от участков (очагов) загрязнения в самом водоносном горизонте определяется направ­лением и скоростью движения потока подземных вод (рис. 16.4). Однако конвективный перенос загрязняющих веществ с потоком подземных вод практически всегда сопровождается проявлением ряда химических (выщелачивание, выпадение в осадок, комплек- сообразование и др.), физико-химических (сорбция, диффузия,

•Ж.

486

Рис. /6.4. Загрязнение грунтовых вол в районе фармацевтического завода (по ЕЛ. Минкину, 1972): о — схематическая карта загрязнения; б — гилрогсочимиче- скип разрез; 1—5 — зоны распространения загрязненных грунтовых вод. разли­чающихся но минерализации, мг/л (/ — свыше 10 000: 2 — от 3000 до 10 000; а — от 3000 до 3000; 4 — от 1000 до 2000; 5 — от 500 до 1000): 6 — ямы-накопи­тели нейтрализованных кислых вол; 7 — поля фильтрации: 8 — сливные ямы дисперсия) и микробиологических процессов, существенно влияю­щих на состав и содержание тех или иных компонентов (Бочевер и др., 1974). При этом 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 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, в условиях водоносных пластов сохраняют свою жизнедеятельность относительно короткое время (максимально до 1000 сут), 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 (см. гл. 4).

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 сой (кишечная палочка). Вода считается чистой, если в I л содер-

н свалки твердых отходов; У — контур засыпанного озера, в которое до 1950 г. осуществлялся сброс производственных стоков; 10 — скважины (в числителе — номер скважины, в знаменателе — минерализации грунтовых вод, мг/л); II — линия гидро; сохи м и чес кого разреза; 12 — уровень грунтовых вод (на разрезе); 13 — изолинии содержания хлора, мг/л (на разрезе) жится не более трех кишечных папочек. Для бактериальной харак­теристики подземных вод чаще используется обратная величина колититр, определяемая количеством кубических сантиметров воды, приходящихся на одну кишечную палочку. Для чистой воды колититр должен быть больше 333 (см. гл. 4).

Кроме содержания кишечной папочки 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 (Бочевер и др., 1979).

Химическое загрязнение подземных вод является наиболее рас­пространенным и трудноустранимым. Оно проявляется в нали­чии (появлении) в подземных водах минерапьных 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 (Мин­кин. 1972; Бочевер и др., 1979; Плотников, 1989; и др.). 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 начдпьной 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 (фоновых 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.

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, хлори­

ды, 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 — соединений азота, хлоридов, по­верхностно-активных веществ и др. (Бочевер и др., 1979).

Тепловое (термальное) загрязнение проявляется обычно в повы­шении температуры подземных вод в сравнении с ее значениями в естественных условиях. Подобные нарушения естественного температурного режима подземных вод характерны главным об­разом для городских территорий, крупных промышленных пред­приятий, а также для участков “захоронения” высокотемператур­ных жидких отходов промышленного производства (Гольдберг, 1979). В ряде случаев повышения температуры грунтовых вод мо­гут быть связаны также с самовозгоранием или химическим разло­жением твердых промышленных и бытовых отходов в местах их складирования. В свою очередь тепловое загрязнение подземных вод определяет изменения их химического и газового состава, микробиологической деятельности, деградацию многолетнемерз­лых пород и др.

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 и защита запасов подземных вод от загрязнения наибо­лее актуальна для месторождений пресных подземных вод, исполь­зуемых для хозяйственно-питьевого (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.

Проблема охраны и защиты от загрязнения подземных вод экс­плуатирующегося или подготавливаемого к эксплуатации место­рождения решается проведением комплекса специальных меро­приятии, реализуемых путем создания так называемых зон “са­нитарной охраны” водозаборов. При обосновании зон (поясов) санитарной охраны учитывается необходимость осуществления комплекса охранно-защитных мероприятий, как в пределах участка собственно водозаборного сооружения, так и в пределах террито­рии, с которой будет происходить поступление (приток) подземных вод к водозабору в течение расчетного срока его эксплуатации.

В соответствии с этим, согласно нормативно-методическим тре­бованием, при разведке месторождения пресных питьевых или ми­неральных лечебных подземных вод обосновывается выделение трех зон (поясов) санитарной охраны. Первая зона строгого сани­тарного режима охватывает собственно водозаборный участок (само водозаборное сооружение, насосные станции, резервные емкости для воды и т.д.). Этот относительно ограниченный учас­ток представляет собой территорию, на которую запрещен доступ посторонних лиц. Вторая зона — санитарного контроля охватыва­ет территорию, из пределов которой возможно (при его наличии) поступление бактериального загрязнения к водозабору. Положе­ние “внешней” границы второй зоны определяется исходя из скорости фильтрации подземных вод, поступающих к водозабору, и времени, в течение которого болезнетворные микроорганизмы сохраняются в жизнедеятельном состоянии в пластовых условиях. В зависимости от типа месторождения это время принимается рав­ным 500—1000 сут, что и определяет размеры второй санитарной зоны. В качестве защитных мер, которые должны предохранить подземные воды от бактериального загрязнения, в пределах второй зоны предусматривается ликвидация и устранение потенциальных источников такого загрязнения (животноводческие комплексы, скотомогильники, жилые строения без стационарной канализации, свалки бытовых отходов и др.). Охрана подземных вод от возмож­ного бактериального загрязнения предусматривает осуществление в пределах второй зоны постоянного санитарного контроля за все­ми видами хозяйственной деятельности. По результатам такого контроля должны немедленно устраняться или ликвидироваться все вновь возникающие очаги возможного бактериального загрязне­ния; создание новых предприятий, строительство жилых комплек­сов может осуществляться только при наличии соответствующего заключения санитарно-эпидемиологической службы.

Третья зона санитарной охраны включает всю территорию, из пределов которой (в течение расчетного срока эксплуатации) будет осуществляться приток подземных вод к водозаборному сооруже­нию. В связи с этим она охватывает всю площадь месторождения до естественных границ или до расчетных границ, до которых будет распространяться влияние водоотбора. В пределах третьей зоны санитарной охраны (естественно также и во второй) опасность представляет наличие химического загрязнения подземных вод. Комплекс защитных мер в этом случае предусматривает ликвида­цию очагов химического загрязнения, которые могут быть связа­ны с местами складирования производственных и коммунальных отходов, с фильтрацией из хранилищ жидких производственных отходов и шламонакопителей, с утечками из технологических се­тей химических, металлургических, нефтеперерабатывающих и других предприятий, с площадями сельскохозяйственного произ­водства с интенсивным использованием минеральных удобрений, пестицидов и ядохимикатов и др. Охранные мероприятия осу­ществляются путем проведения систематических режимных на­блюдений за составом и качеством подземных вод на объектах хозяйственной деятельности, которые могут быть потенциальными источниками химического загрязнения подземных вод.

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, или водами, ес­тественный химический состав которых не соответствует ГОСТу. В этом случае на основе миграционных расчетов (моделей) оцени­вается возможность и сроки “подтягивания” к водозабору некон­диционных подземных вод. Если существует реальная опасность, предотвращение распространения загрязнения и защита водоза­бора может быть обеспечена только проведением специальных мероприятий по локализации участка загрязнения (устройство противофильтрационных экранов и завес, перехват загрязненных вод с помощью различного рода дренажных устройств и т.д.). При относительно локальном участке загрязнения возможна его ликвидация путем извлечения всего объема загрязненной воды или промывкой пласта водой или специальными растворами через систему нагнетательных и откаченных скважин (Бочевер и др., 1979).

Специальные мероприятия по локализации или устранению загрязнения подземных вод сложны и дорогостоящи (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. Комплекс защитных и охранных мероприятий должен обеспечить соответствие состава и качества подземных вод ниже значений ПДК, определенных ГОСТом или принятым нормативом на весь расчетный срок эксплуатации месторождения.

Проблема охраны подземных вод как компонента природной среды вне связи с существующей или проектируемой на ближай­шее время эксплуатацией решается в настоящее время 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, при такой постановке проблемы те или иные меры по охране и защите подземных вод должны проводиться в пределах обширных территорий (регионально), на площади естественно-исторических или административных райо­нов, областей и т.д. При этом постановка исследований и разра­ботка мер по охране подземных вод могут выполняться 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 миграции загрязняющих веществ, 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 в самих водоносных горизонтах.

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. Необходимо отметить, что при оценках региональ­ного загрязнения подземных вод как компонента природной сре­ды ориентировка на значения ПДК тех или иных компонентов состава подземных вод (как в случае с водозаборами) является недостаточно информативной, поскольку на территориях с раз­личными гидрогеологическими условиями их содержание может меняться в широких пределах. Наличие загрязнения подземных вод (даже если оно и не представляет в настоящее время конкрет­ной опасности) должно устанавливаться по двум основным пока­зателям;

• появлению в подземных водах (прежде всего в грунтовом водо­носном горизонте) компонентов химического состава, наличие которых в естественных условиях нехарактерно для подземных вод рассматриваемого района;

• наличию участков, в пределах которых содержание “обычных” компонентов химического состава подземных вод, характерных и для естественных условий, резко превышает фоновые значения, установленные для данного района.

В этом случае основными задачами исследований являются вы­явление конкретных очагов (источников) загрязнения, определе­ние состава загрязняющих веществ, оценка скоростей и путей их миграции с последующей организацией на таких объектах система­тических наблюдений за изменением состава и качества подземных вод и применением комплекса специальных мер, рассмотренных выше.

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 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 то же 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 др. Как указывалось выше, “очист­ка” водоносных горизонтов от загрязнения сложна и дорогостояща, а в некоторых случаях вообще не дает необходимого эффекта, в свя­зи с чем образовавшееся загрязнение водоносного горизонта может сохраняться на неопределенно долгое время (Бочевер и др., 1979).

Исследования, связанные с охраной подземных вод от загряз­нения, оценками условий формирования загрязнения, его рас­пространения в подземной гидросфере, 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 другими, 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.

Контрольные вопросы к главе 16

1. Современная трактовка понятий “охрана” и “защита" под­земных вод.

2. “Истощение” запасов подземных вод: причины, последствия, меры предотвращения.

3. Основные виды загрязнения подземных вод.

4. Причины и источники загрязнения подземных вод.

5. Охрана эксплуатирующихся месторождений подземных вод. Принципы организации зон (поясов) санитарной охраны водо­заборов. Защитные мероприятия.

6. Охрана подземных вод как компонента природной среды. Эко­логически негативные последствия истощения и загрязнения подземных вод.

7. Способы защиты подземных вод от формирования и распростра­нения загрязнения. Возможности и способы устранения загряз­нения подземных вод.

МЕТОДЫ ПОЛЕВЫХ ГИДРОЕЕОЛОЕИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Часть

V

Изучение закономерностей распространения и условий залега­ния подземных вод, формирования их режима и баланса, хими­ческого состава и т.д. осуществляется с использованием комплекса специальных гидрогеологических исследований. При этом необходи­мо отметить, что принципиально новые данные, характеризующие закономерности формирования подземных вод определенной тер­ритории, могут быть получены только при проведении полевых (натурных) гидрогеологических исследований.

Помимо работ собственно гидрогеологического назначения (гид­рогеологические съемки, поиски и разведка месторождений под­земных вод, изучение режима и баланса, гидрогеохимии и др.), большинство методов полевых гидрогеологических исследований в различных сочетаниях и различной постановке широко исполь­зуются при решении практических задач и проведении исследо­ваний другого назначения (разведка и разработка месторождений полезных ископаемых, в том числе нефти и газа, различные виды строительства, мелиорация сельскохозяйственных земель и др.).