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
Современная трактовка понятий “охрана” и “защита" подземных вод.
“Истощение” запасов подземных вод: причины, последствия, меры предотвращения.
Основные виды загрязнения подземных вод.
Причины и источники загрязнения подземных вод.
Охрана эксплуатирующихся месторождений подземных вод. Принципы организации зон (поясов) санитарной охраны водозаборов. Защитные мероприятия.
Охрана подземных вод как компонента природной среды. Экологически негативные последствия истощения и загрязнения подземных вод.
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.).
- Глава 1
- Единство природных вод Земли
- Поверхностная часть гидросферы.
- Глава 2
- Виды воды в горных породах
- Строение подземной гидросферы (гидрогеосферы)
- Глава 2. Состав и строение подземной гидросферы
- Глава 3
- Скважность (пустотность) горных пород
- Влажность и влагоемкость
- Проницаемость
- Глава 4
- Вода как химическое вещество (строение молекулы, структура, свойства, изотопный состав)
- Физические свойства подземных вод
- Состав подземных вод
- Факторы и процессы формирования химического состава подземных вод
- Глава 5
- Фильтрационный поток
- Закон Дарси
- Режим и баланс подземных вод
- Глава 5. Динамика и режим подземных вод -|27
- Глава 6
- Глава 7
- Воды зоны аэрации
- Грунтовые воды
- 7.2.1. Питание и разгрузка грунтовых вод
- Режим и баланс грунтовых вод
- Формирование химического состава
- Зональность грунтовых вод
- Глава 7. Грунтовые воды и воды зоны аэрации q3
- Глава 8 межпластовые воды
- Глава 9
- Трещинные воды
- Трещинно-карстовые воды
- Глава 10
- Глава 10. Артезианские бассейны платформенного типа 259
- Глава 11
- Гидрогеологические массивы
- Гидрогеология складчатых областей
- Артезианские бассейны межгорного типа
- 272 Часть III. Основы региональной гидрогеологии
- Адартезианские бассейны
- Вулканогенные массивы
- Глава 12
- Глава 12. Подземные воды области распространения... (криолитозоны) 289
- Основные типы подземных вод области распространения ммп
- 12.2. Криогенное преобразование гидрогеологических структур
- Глава 13
- Режим и баланс грунтовых вод
- 318 Часть III. Основы региональной гидрогеологии
- Формирование химического состава подземных вод
- Глава 14
- Глава 15
- Лечебные минеральные воды
- Промышленные воды
- Теплоэнергетические воды
- Глава 16 охрана подземных вод
- Охрана подземных вод от истощения
- Охрана и защита подземных вод от загрязнения
- Глава 17
- Глава 18
- Гидрогеологическое бурение
- Опытно-фильтрационные работы
- Гидрогеологический мониторинг
- Глава 1
- Глава 2
- Глава 3
- Глава 4
- Глава 5
- Глава 6
- Глава 7
- Глава 8
- Глава 9
- Глава 10
- Глава 11
- Глава 12
- Глава 13
- Глава 14
- Глава 15
- Глава 16
- Глава 17
- Глава 18
- Часть II