ПРИЧИНА АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Антропогенное влияние на подземные воды стало особенно ощу­тимым в текущем столетии в связи с развитием и интенсификацией промышленности и сельского хозяйства, ростом крупных городов и расширением урбанизированных территорий. Оно проявляется в истощении запасов подземных вод и ухудшении их качества; при этом в подземных водах может увеличиться содержание компонен­тов, характерных для природных подземных вод (хлориды, сульфа­ты, железо и др.), но могут также появиться компоненты и соеди­нения, связанные исключительно с деятельностью человека — по­верхностно-активные вещества, ядохимикаты, синтетическая орга­ника и др.

Данные о современном загрязнении подземных вод приведены в работах [3, 7, 16, 22, 23, 33 и др.]. Интенсивность загрязнения под­земных вод характеризуется размерами площади, где произошло ухудшение качества воды, и концентрацией загрязняющих веществ в подземных водах. Она зависит от характера и длительности дей­ствия источника загрязнения, гидрогеологических условий участка его расположения, а также от вида и срока осуществления защит­ных мероприятий, направленных на ликвидацию или ограничение развития очага загрязнения в водоносном горизонте.

Вещества антропогенного происхождения попадают в подзем­ные воды из промышленных и коммунально-бытовых стоков и от­ходов, удобрений и ядохимикатов, стоков и отходов животновод­ческих ферм и комплексов, птицефабрик и других объектов.

Химическое загрязнение подземных вод связано с поступлением промышленных сточных вод, утечками технологических жидкостей, растворением атмосферными осадками сырья, твердых отходов и продуктов промышленности, загрязнением атмосферного воздуха, неправильным использованием сельскохозяйственных удобрений и ядохимикатов. Для современного промышленного производства характерно разнообразие состава сырья, продуктов, сточных вод, отходов (именно это определяет многочисленность веществ, кото­рые могут поступать в водоносный горизонт). На участках хими­ческого загрязнения в подземных водах обнаружены тяжелые ме­таллы, нефтепродукты, синтетические органические соединения, хлориды, сульфаты, фтор, мышьяк, азот и многие другие вещества. Показатели химического состава и химических свойств воды, кото­рые целесообразно определять в районе воздействия сточных вод и отходов, специфичны для различных предприятий. Соответствую­щие методические указания по этому вопросу приведены в работе [15].

Биологическое загрязнение подземных вод вызывается микро­организмами, поступающими при инфильтрации фекальных и ком­мунально-бытовых сточных вод из выгребных ям, канализацион­ной сети, скотных дворов, полей фильтрации, а также при исполь­зовании береговыми водозаборами загрязненных речных вод. Из мелководных водохранилищ и прудов-охладителей с теплой водой могут проникать сине-зеленые водоросли и другая микрофлора по водоносному горизонту в водозаборные скважины, находящиеся на расстоянии десятков метров и более от берега. Эти микроорганиз­мы вызывают обрастания трубопроводов, резервуаров и ухудша­ют качество воды.

Разнообразные органические вещества, поступающие в подзем­ные воды с коммунально-бытовыми сточными водами и отходами, а также из отходов пищевой промышленности, стимулируют интен­сивный рост и активность микроорганизмов в водоносном горизон­те, что приводит к дополнительному ухудшению качества воды.

Радиоактивное загрязнение подземных вод ураном, радием, стронцием, цезием и другими элементами в основном является следствием ядерных взрывов, поступления сточных вод с предпри­ятий, добывающих или использующих радиоактивные вещества.

Тепловое загрязнение подземных вод возникает на участках прудов-охладителей нагретых промышленных вод, при сбросе в скважины нагретых вод из систем кондиционирования, а также на участках, где береговые водозаборы используют речные воды с по­вышенной температурой из-за сброса в реку горячих сточных вод.

При всем многообразии обстоятельств и путей поступления ан­тропогенных загрязнений в водоносный горизонт и к водозаборам можно, в соответствии с предложениями Е. Л. Минкина, выделить несколько типичных случаев:

1) поступление сверху, с поверхности земли, в результате ин­фильтрации промышленных и коммунально-бытовых сточных вод с территорий предприятий и населенных пунктов, а также проник-

новение дренажных, сточных и атмосферных вод с сельскохозяйст­венных территорий и т. п.;

2) поступление сбоку при фильтрации загрязненных поверхно­стных вод через борта, русло и затопленные поймы рек, а также при фильтрации морских вод на участках интенсивного водоот-бора и снижения уровня подземных вод;

3) поступление в виде вертикального перетока загрязненных грунтовых вод в нижележащий эксплуатируемый водоносный гори­зонт через гидрогеологические окна или через разделяющий слабо­проницаемый слой;

4) поступление загрязненных грунтовых вод в нижележащий эксплуатируемый водоносный горизонт через затрубное простран­ство водозаборной скважины;

5) поступление через незатампонированные дефектные разве­дочные и наблюдательные скважины.

Водоносный горизонт загрязняется также при сбросе сточных вод в поглощающие скважины, колодцы, шахты.

По масштабу влияния на водоносные горизонты выделяются локальные и региональные загрязнения подземных вод.

Источниками локального загрязнения являются отдельно дей­ствующие объекты: 1) фильтрующие шламо- и хвостохранилища, гидрозолоотвалы, пруды-накопители, отстойники, испарители, поля фильтрации и другие земляные емкости для сбора жидких и твер­дых отходов производства, минерализованных-шахтных вод и т. п.; 2) свалки коммунально-бытовых и промышленных отходов на по­верхности земли, в выработанных карьерах; 3) индивидуальные системы канализации (септики, выгребные ямы) и нарушенные участки трасс централизованной канализации; 4) территории про­мышленных предприятий, нефтебаз, складов горюче-смазочных ма­териалов, где происходит утечка нефтепродуктов, технологических и сточных вод; 5) животноводческие фермы и комплексы, склады удобрений и ядохимикатов, силосные ямы; 6) участки сброса сточ­ных вод в скважины и горные выработки.

Рис. 1. Загрязнение подземных вод в районе сброса сточных вод в пес­чаный карьер (по В. Робертсону, Дж. Баркеру, И. Ле Во, С. Марку, 1984 г.):

1 — карьер; 2 — гидроизогипсы; 3 — изо­линии содержания натрия, мг/дм³

Под локальным источником загрязнения в водоносном горизон­те формируется ареал загрязнения подземных вод, форма и раз­меры которого в плане, а также проникновение в глубину водонос­ного горизонта изменяются в широких пределах и зависят, во-пер­вых, от интенсивности и характера поступления загрязнений (по­стоянное, периодическое), химического состава, плотности и вязко­сти инфильтрующихся загрязненных вод, во-вторых, от гидрогео­логических условий участка — литологического строения, гидро­геологических параметров зоны аэрации и водоносного горизонта, направления и скорости движения подземных вод; в-третьих, от ха­рактера проявления процессов физико-химического взаимодействия между загрязняющими компонентами и подземными водами и поро­дами. На рис. 1 показан в плане ареал загрязнения грунтовых вод песчаного водоносного горизонта отходами производства, сбрасываемыми в карьер. Сточные воды содержат большое коли­чество органических веществ и сульфатов натрия, имеют высокое значение рН. Загрязнение водоносного горизонта охватило участок длиною 900 м, а шириной 400 м и проникло на глубину более 25 м. В зоне загрязнения содержание натрия достигло 3000 мг/дм³, хло­ридов 590 мг/дм³, общего органического углерода 2000 мг/дм³, ще­лочность повысилась до 2700 мг/дм³, а химическое потребление кислорода — до 10800 мг O₂/дм³.

Рис. 2. Ареал загрязнения подзем­ных вод под свалкой отходов (по Д. Макфарлейну, Дж. Черри, Р. Гилхэму, Е. Садики, 1983 г.):

1 — свалка отходов; 2 — изолинии содер­жания в воде хлоридов, мг/дм³; 3 — кон­тур ареала загрязнения; 4 — водоупор; 5 — уровень подземных вод

Рис. 3. Распределение хлоридов в потоке грунтовых вод от септика (по P. Pea, С. Апчарчу, 1980 г.):

1 — септик; 2 — поверхность грунтовых вод; 3 — изолинии содержания хлоридов, мг/дм³; 4 — разведочная скважина с указанием места отбора проб воды по глубине водоносного горизонта; 5 — направление потока грунтовых вод

Ареал загрязнения подземных вод под свалкой отходов, опи­санный в работе [40], показан на рис. 2. При многокомпонентном составе фильтрующихся загрязненных поверхностных вод форми­руется сложный ареал загрязнения, в котором скорости и пути дви­жения отдельных веществ в потоке подземных вод различны даже при внешней однородности состава и фильтрационных свойств по­род и «точечном» характере поступления инфильтрующихся вод. Такая картина распределения хлоридов, фосфатов, органических веществ и других компонентов была выявлена Г. Pea и С. Апчарч при изучении участка фильтрации из септика в водоносные мелко­зернистые пески. Ареал загрязнения состоит из нескольких «язы­ков» (рис. 3), что, как показали данные изучения состава подземных вод, а также химического и литологического состава, текстуры, адсорбционных, фильтрационных и других свойств песчаных водо­носных отложений, объясняется микро- и макронеоднородностью пород по этим показателям. Эти небольшие мелкомасштабные раз­личия оказали большое влияние на динамику распространения за­грязнения.

При действии многочисленных локальных источников, совокуп­ность которых обуславливает площадной характер загрязнения, оно становится региональным. Такое загрязнение характерно для урбанизированных территорий, а также для территорий интенсив­ного сельскохозяйственного производства. В промышленных райо­нах, помимо постоянных утечек и аварийных разливов сточных и технологических вод из цехов, коммуникаций, различных емкостей для хранения жидкого и твердого сырья, продуктов, отходов про­изводства, большую роль в загрязнении подземных вод играют газо­дымовые выбросы предприятий и теплоэнергетических установок, поступающие на поверхность земли с атмосферными осадками, лив­невые стоки, а также сброс в реки неочищенных сточных, шахтных или дренажных вод. К площадному химическому загрязнению под­земных вод приводит также широкое применение солей-антиобле­денителей на дорогах. В районах размещения неканализованных населенных пунктов и при дефектах канализационной сети допол­нительно к химическому развивается бактериальное загрязнение. На сельскохозяйственных территориях региональное увеличение минерализации подземных вод происходит на орошаемых масси­вах в результате поступления поливных и дренажных вод, вынося­щих соли из почв. Большой масштаб приобрело нитратное загряз­нение подземных вод как следствие выноса азота из удобрений, навоза, органического вещества обрабатываемых почв; известны случаи загрязнения грунтовых вод ядохимикатами, применяемыми в сельском хозяйстве.

Ниже приведены примеры влияния некоторых источников за­грязнения на качество подземных вод.

Влияние загрязненных речных вод. На одном из участков доли­ны р. Дуная (Чехословакия), где происходит активная инфильтра­ция загрязненных речных вод в гравийно-песчаный аллювиальный водоносный горизонт (с интенсивностью 20 — 200 м³/с), снизилось качество подземных вод в прибрежной части долины реки. В 60 м от русла реки в подземных водах содержатся углеводороды в ко­личестве 25,55 мг/дм³ (винилбензол, трихлорэтилен, этилбензол и др.), содержание растворенного кислорода в воде снижено до 1 мг О₂/дм³, концентрация аммония превысила 1,5 мг/дм³, увели­чилось содержание железа и марганца, отмечаются плохие орга-нолептические свойства воды.

Береговой водозабор Хардхофе (г. Цюрих, Швейцария) загряз­нен органическими веществами, содержащимися в речных водах. При изучении химического состава воды в реках Глатт, Ааре и Лиммат обнаружены органические компоненты (хлороформ, три-хлорэтан, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен), которые при фильтра­ции через подрусловые и прибрежные аллювиальные отложения не подвергаются деградации и поэтому поступают в береговые во­дозаборы в заметных количествах.

Водозабор, расположенный на берегу притока одной из рек ев­ропейской части территории СССР, использует подземные воды, со­держащиеся в трещиноватых известняках мелового возраста, пере­крытых аллювием. Речная вода содержит фенолы, цианиды и рода-ниды, поступающие с недостаточно очищенными сточными водами металлургического завода. Качество отбираемых водозабором под­земных вод длительный период было удовлетворительным, но по­сле того, как в районе водозабора провели расчистку и спрямление русла реки, оно ухудшилось: удаление слоя осадков и уменьшение мощности аллювия в русле затруднили условия естественной очи­стки речной воды от загрязнений.

Влияние сточных и атмосферных вод на участках складирова­ния промышленных и коммунально-бытовых отходов. Горно-обо­гатительный комплекс и завод удобрений расположены на отра­ботанном карьере, заполненном вскрышными породами и сплани­рованном. В геологическом разрезе снизу вверх залегают нижне­кембрийские глины, толща песчаников, алевролитов и аргиллитов, в верхней части которой находится продуктивный фосфоритонос-ный горизонт, сложенный песками и песчаниками. Толща известня­ков и доломитов над продуктивным слоем, а также перекрывающие ее четвертичные отложения на участке карьера удалены и замеще­ны высокопроницаемыми насыпными грунтами вкрыши карьера, представленными обломками известняка с суглинистым заполните­лем. Образующиеся на горно-обогатительном комбинате и заводе удобрений отходы производства складируются в шламонакопитель, отвалы фосфогипсов, огарко- и хвостохранилище. В основании этих сооружений были созданы противофильтрационн.ые экраны из поли­этиленовой пленки, уложенной на маломощный слой песка, под­стилаемого насыпным грунтом — суглинком с большим количест­вом остроугольных обломков пород, что, по-видимому, и явилось основной причиной разрушения пленочных экранов.

В шламонакопитель сбрасывается шлам от нейтрализации тех­нологических стоков. Состав сточных вод в шламонакопителе ха­рактеризуется следующими показателями (в г/дм³): плотный оста­ток 14 — 16; NH₄+ 2,5 — 3,5; РО₄^3- 2,0 — 13,6; F- 0,1 — 0,44; SO₄²-4,1 — 5,0; С1- 0,5 — 1,4; ХПК 0,3 — 0,5 гО₂/дм³, рН 5,7 — 5,8. В храни­лище сухого фосфогипса поступают отходы, в твердой фазе кото­рых содержатся 0,5% NH₄⁺; 1,5% Р₂О_5общ и 0,4% F~. При этом атмосферные осадки вымывают из фосфогипса растворы, обога­щенные фтором, фосфором, аммиаком и сульфатами. В хранилище пиритных огарков складируются сухие отходы сернокислотного производства и жидкие отходы — сульфид-бисульфидные щелоки и некондиционная серная кислота. Фильтрация сточных вод и ат­мосферных осадков из шламонакопителей и хранилищ отходов вы­звала загрязнение сформировавшегося в насыпных грунтах водо- » носного горизонта фосфатами, азотными соединениями и сульфа­тами. В районе шламонакопителя и огаркохранилища в грунтовых водах минерализация достигает 30 г/дм³, повысилось содержание (в г/дм³) ряда элементов: сульфатов — до 17,7; фосфатов — до 2,8, аммония — до 6, фтора — до 0,14.

Инфильтрация сточных вод гальванического производства из земляных отстойников вызвала загрязнение грунтовых вод флювио-гляциального водоносного горизонта шестивалентным хромом и кадмием. На глубине 3 м от поверхности грунтовых вод сформиро­вался ареал загрязнения, мощность которого 21 м, ширина 300 м, длина 1300 м.

Влияние на качество подземных вод фильтрации атмосферных осадков, поступающих на поверхность свалки коммунально-быто­вых хозяйственных отходов, прослежено в районе г. Франкфурта. Распределение аммония в подземных водах этого участка показа­но на рис. 4; концентрации свинца, кадмия, хрома, меди, никеля, ртути и цианидов превышают ПДК.

Влияние отходов от сжигания топлива на электростанциях. Из гидрозолоотвалов и участков складирования золы, образующейся при сжигании топлива на электростанциях, атмосферные осадки и сточные воды выщелачивают и выносят в подземные воды хром, медь, никель, свинец, цинк, кадмий, молибден, мышьяк, ванадий и другие элементы.

Содержание фтора, ванадия, мышьяка в осветленных водах гидрозолоудаления при использовании некоторых видов топлива в СССР приведено в табл. 2.

Рис. 4. Распределение аммония в подземных водах на участке свалки отходов (по А. Гловеру, К. Кнолвю и др., 1976 г.):

1 — свалка; 2 — направление потока грунтовых вод; 3 — скважина; 4 — точка отбора про­бы; 5 — территория, где содержание NH4+ не определено; 6 — 10 — территория с различным содержанием NH₄+ (6 — до 1, 7 — 1 — 10, 8 — 10 — 100, 9 — 100 — 200, 10 — 200 — 1500 мг/дм³)

Влияние перетекания через гидрогеологические окна. Поступ­ление загрязненных грунтовых вод через гидрогеологическое окно описано А. Адамчиком и С. Хавински. На участке складирования сточных вод целлюлозно-бумажного завода загрязнены грунтовые воды четвертичных отложений (рис. 5); ареал загрязнения распро­странился на расстояние более 1500 м от накопителя в направле­нии к р. Бяла Пшема. Вблизи реки в слабопроницаемых породах, перекрывающих триасовый водоносный горизонт, имеется гидро­геологическое окно. В триасовом водоносном горизонте вследствие проведения горных работ уровни подземных вод были снижены и грунтовые воды, содержащие загрязнители лигносульфонаты, про­никли в этот водоносный горизонт и достигли горных выработок. Концентрация лигносульфонатов постоянно увеличивается и в на­стоящее время достигла 26 мг/дм³.

Таблица 2