Загрязнение подземных вод

Содержание

Введение

1. Химическое загрязнение.

2. Нефтяное загрязнение.

3. Радиоактивное загрязнение.

4. Микробиологическое загрязнение.

5. Тепловое загрязнение. 
Введение

Экологическая гидрогеология обслуживает две науки. Она является разделом гидрогеологии и в то же время разделом экологической геологии. Если в первом случае доказательства родственности связи экологической гидрогеологии не требуется, то во втором случае они видны из рассмотрения объекта и предмета исследования смежной науки. Объектом исследований экологической геологии является геологическая среда, важнейшим компонентом которой является верхняя часть подземной гидросферы. Предмет исследования этой науки – экологические функции литосферы (ресурсная, физико-химическая, защитная, эволюционная, геофизическая и геодинамическая). В проявлении этих функций важную роль играют подземные воды. Они вместе с другими компонентами геологической среды обеспечивают жизнедеятельность биоты, в том числе и человечества.

Экологическая гидрогеология, помимо наук геологического направления, тесно взаимодействует с науками географического, биологического, экономического, социологического и других циклов. Это необходимо для комплексной оценки влияния естественных и техногенных факторов формирования подземных вод, изучения, учета и прогноза экологических функций подземной гидросферы. Поэтому содержание этого молодого раздела гидрогеологии становится все шире и разнообразнее, особенно с учетом усиления антропогенного воздействия на подземную гидросферу. Наряду с задачами изучения загрязнения подземных вод и истощения их ресурсов, в круг интересов экологической гидрогеологии стали входить проблемы территории мегаполисов, захоронения твердых и жидких отходов, в том числе радиоактивных, свалок мусора, мест прокладки трубопроводов и прохождения транспортных артерий, карьерных и шахтных полей, освоения сельскохозяйственных территорий, последствий проявления физико-геологичесих процессов и др. Из широкого диапазона явлений и проблем, изучаемых в рамках экологической гидрогеологии, выберем две наиболее важные: загрязнение и истощение подземных вод.

Экологическая гидрогеология решает две основных проблемы: 1)загрязнение подземных вод; 2) истощение подземных вод.

Причины загрязнения подземных вод весьма разнообразны и могут иметь как естественное, так и техногенное происхождение. Различают следующие виды загрязнения 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.

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 связана, прежде всего, с процессами растворения пород, конвективным 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 Еh уменьшается, так как основной потенциалозадающий компонент – кислород – расходуется на окислительные процессы. В верхней части разреза распространены кислородные воды с Еh, с глубиной они сменяются бескислородными и бессульфидными водами с Еh = 200+100 мВ, еще глубже появляются сульфидные воды с Еh < 100 мВ, а часто менее нуля. Снижение окислительно-восстановительного потенциала синхронно сопровождается ростом показателя рН и образованием в нижней части пласта щелочных вод. Появление в подземных водах нормируемых компонентов, в количестве, превышающем ПДК, в значительной степени регулируется соотношением Еh – рН. В бескислородных и бессульфатных водах фиксируются аномально высокие концентрации железа (Fe2+), марганца (Мn2+) и аммония (NH4+). Увеличение Еh 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 межмерзлотных 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 (HseO3), который накапливается в околонейтральных водах с Еh > 200мВ. Другим условием для накопления селена в количествах, превышающих ПДК, является наличие селеносодержащих 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 (Нg2+) образуют устойчивые комплексные соединения. Соединения бериллия с фтором также отличаются высокой миграционной способностью.

В определенных условиях качество пресных вод ухудшается в результате аккумуляции в них фтора и стронция. Появление их в водах с концентратами, 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. Фторносные 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, загрязнения пресных подземных вод под действием природных процессов обычно охватывает значительные территории, которые иногда объединяют под названием биогидрогеохимических провинций. В них отмечены повышение 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 Еh/pH существенно изменяются состав подземных вод, физико-химическая обстановка, и условия миграции химических компонентов претерпевают существенные изменения. По мнению С.Р. Крайнова, все разнообразие геохимических свойств загрязненных поземных вод, создаваемого промышленностью, сельским хозяйством, социально-бытовыми и другими техногенными воздействиями, сводится к созданию строго ограниченного и определенного набора геохимических ситуаций. На графике Еh/pH- соотношений они укладываются в пять основных типов загрязнения подземных вод: кислые воды с высокими значениями Еh (III), (I), нейтральные воды с высокими значениями Еh (II), щелочные воды с низкими положительными значениями Еh (III), околонейтральные бескислородные, бессульфидные воды с низкими положительными значениями Еh (IV), околонейтральные щелочные воды с отрицательными значениями Еh (V).

Анализ техногенного загрязнения подземных вод позволяет придти к выводу, что все их геохимическое разнообразие связано с формированиями определенных Еh- и рН-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 просочившихся 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 воле обладает 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 мг/л) установлена для такого канцерогенного вещества, как бензопирен. Чтобы оценить угрозу нефтяного загрязнения приведем только один факт: попадание 1л 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). Нуглеводородные соединения представлены производными серы (0,1-10%), азота (1%), кислорода (до 3%). В нефти обнаружено 30 элементов металлов и 20 элементов неметаллов. Из металлов наибольшее значение имеют ванадий, никель, железо, кадмий, цинк, фтор, хром, медь, марганец. Отсюда видно насколько широк диапазон загрязнения, который может возникать в подземных водах при проникновении в них нефтепродуктов. Следует отметить, что некоторые металлы (ванадий и никель) при их содержании более 10-2 % могут извлекаться из нефти и рассматриваться как самостоятельное полезное ископаемое. То же можно сказать и о техногенных месторождениях нефти и нефтепродуктов. Они образуются на участках многолетнего функционирования нефтеперерабатывающих предприятий, заправочных станций, аэродромов. В этих местах обнаружены скопления нефти, керосина и других нефтепродуктов мощностью более 1м.

Радиоактивное загрязнение. Радиоактивное загрязнение подземных вод может иметь как естественное, так и техногенное происхождение. Естественная зараженность подземных вод связана с водовмещающими породами. Концентрация естественных радиоактивных нуклидов (ЕРН) в природных водах изменяется в значительных пределах.

При этом 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.