Экологическая гидрогеология (стр. 3 )

Как известно, аналитический (определяемый в лаборатории) химический состав природных вод не соответствует реальному составу. Большинство растворенных в воде компонентов, участвуя в реакциях комплексообразования, гидролиза и кислотно-основной диссоциации, объединены в разные устойчивые ионные ассоциации — комплексные ионы, ионные пары и т. д. Современная гидрогеохимия называет их миграционными формами. Химический анализ дает лишь валовую (или брутто-) концентрацию компонента, например, меди, тогда как реально медь может почти целиком находиться в виде карбонатных, хлоридных, сульфатных, фульватных или гидроксокомплексов, что зависит от общего состава данной воды (биологически активными же и, соответственно, токсичными в больших концентрациях, как известно, являются незакомплексованные ионы Сu2+ ).

II.4. Классификация подземных питьевых вод по качеству

 В настоящее время по целому ряду элементов, доля поступления которых в человеческий организм с водой особенно велика (Ca, Mg, F), имеются публикации, в которых даются конкретные цифры по рекомендуемым концентрациям. Как правило, такие значения получены в результате статистического анализа данных медико-биологических исследований состояния здоровья населения по регионам с питьевой водой различного химического состава или материалов клинических экспериментов с животными [17, 26, 27, 45, 52].

Однако содержание в питьевой воде других элементов также весьма существенно влияет на общий минеральный баланс человека. В табл. 3 приведены данные по среднесуточному потреблению человеком элементов с пищей и водой [51], существующие ПДК в питьевой воде для данных элементов [5] и процентная доля поступления данного элемента с водой при условии его содержания на уровне ПДК. Как видно из таблицы, роль воды в среднесуточном минеральном балансе для разных элементов может существенно отличаться. Так, если концентрация калия 165 мг/л в природных пресных водах не встречается, и восполнить 10%-ю суточную потребность организма в этом элементе с водой невозможно, то часто встречающиеся в питьевой воде содержания на уровне ПДК таких элементов, как Cu, Co, Mo, Ni и F, могут восполнить большую часть, а иногда и всю потребность организма человека в них.

Таблица 3

В основу одного из возможных подходов к определению рекомендуемых оптимальных концентраций большинства биологически активных элементов можно положить результаты статистических исследований о среднесуточной потребности в них человека и соотношении их поступления в организм в составе пищи, воды и воздуха. В работе [13] показывается, что в среднем для большинства элементов соотношение их поступления в организм в составе пищи, воды и воздуха составляет 100:10:1 соответственно. Такой же принцип был положен группой экспертов Всемирной организации здравоохранения при определении рекомендуемых значений ПДК для элементов, механизм влияния которых на организм человека до конца не ясен [48]. ПДК вычислялось исходя из предпосылки, что максимальное суточное потребление элемента с водой не должно превышать 10 % от рекомендуемого максимального потребления с пищей.

Таким образом, за оптимальную рекомендуемую концентрацию элемента в воде можно принять содержание его в одном литре в количестве 5% от среднесуточной потребности человека [4].

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод о необходимости классификации подземных вод по качеству с учетом содержания в них биологически активных компонентов. Так, наряду с просто незагрязненными водами, т. е. нетоксичными, имеющими положительный результат при различных видах биотестирования, следует выделять воды "высшего качества", содержание биологически активных компонентов в которых близко к оптимальному. В этой связи интересно мнение с коллегами [46], которые предложили ввести для питьевых вод понятие "корректировочного качества". К этой категории предложено отнести воду с повышенным содержанием тех или иных биологически активных компонентов. Использовать ее рекомендуется для лечебных целей или в районах, где содержание данных элементов понижено в почве и поверхностных водах.

Если качество воды не соответствует нормам ГОСТа, их классификация может быть проведена по принципу сложности технологии требуемой очистки для удаления компонентов, содержание которых превышает ПДК. В первом приближении здесь можно выделить три категории качества: среднее, удовлетворительное и плохое. К водам среднего качества относятся те, которым требуется простая очистка аэрированием (от сероводорода, радона или легко окисляемого железа). К водам удовлетворительного качества относятся те, которые требуют простой реагентной очистки для обеззараживания (например, с повышенным содержанием коли-титра). К плохим по качеству водам относятся те, которым требуется комплексная, сложная реагентная очистка.

II.5. Комплексные методы оценки качества подземных вод

Действующий в настоящее время стандарт (ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая") ограничивает по микробиологическим показателям содержание в воде микроорганизмов и число кишечных палочек, по токсикологическим показателям устанавливает предельно допустимые концентрации для 10 компонентов и по органолептическим показателям еще для 10. Однако ссылка на то, что концентрации химических веществ, не указанных в ГОСТе, не должны превышать ПДК, утвержденных Министерством здравоохранения, а также норм радиационной безопасности, делает весьма затруднительным его практическое применение. Нормативными документами Минздрава установлены ПДК для нескольких сотен элементов и соединений, их число постоянно растет, и с экономической точки зрения полный химический анализ воды службами Госсанэпиднадзора проблематичен.

Из-за большого числа различных соединений естественного и техногенного происхождения при оценке качества воды, помимо обычного химического анализа наиболее распространенных загрязнителей, необходимо проводить суммарную токсикологическую оценку воды, основанную на сочетании различных методов биотестирования. Как таковое биотестирование представляет собой методический прием, основанный на оценке действия фактора среды, в том числе токсического, на организм, его отдельную функцию или систему организмов [30]. В настоящее время существует большое количество методов, основанных на реакции на качество воды различных ферментов, клеточных культур, микроорганизмов и простейших организмов. При определении токсичности воды анализируются различные виды реакции тестобъектов при соприкосновении с анализируемой пробой. Например: 1) выживаемость и плодовитость рачка дафния магна; 2) двигательная активность инфузорий, уход организмов из зоны воздействия химических веществ (хемотаксис); 3) количественная регистрация изменений интенсивности и степени реализации ряда поведенческих реакций брюхоногих моллюсков; 4) реакция биолюминесценции светящихся бактерий; 5) биоэлектрическая реакция водорослей (измерение электропроводности мембраны клеток); 6) ростовая реакция бактерий.

Однако большая часть разработанных биотестов не обладает высокой надежностью и чувствительностью и не может использоваться на водах с широким диапазоном токсичности. Существенным препятствием для широкого применения биологических методов определения общей токсичности вод разного целевого назначения является также и сложность интерпретации полученных данных и вследствие этого использование в каждом биотесте для оценки качества тестируемой воды новых, не сравнимых друг с другом условных единиц. Неодинаковая чувствительность гидробионтов разных видов не позволяет решить проблему переноса результатов, полученных на каком-либо одном тест-организме, на другие виды гидробионтов. С целью решения этой проблемы используют методы биотестирования с несколькими тест-организмами [14].

По целям биологические методы можно разделить на две группы: универсальные методы оценки общей токсичности вод и методы индикации в воде определенных загрязнителей. Эти цели должны являться главным фактором, определяющим методологию разработки биологического метода, выбор оптимальных тест-организмов и тест-функций. Другим важным вопросом является выбор оптимальных сроков тестирования. При выборе оптимального тест-организма необходимо также учитывать его чувствительность и резистентность токсического действия внешней Среды. Чувствительность организма определяется такими малыми концентрациями токсикантов, при воздействии которых могут быть зарегистрированы какие-либо ответные реакции организма. Резистентность определяется максимальными концентрациями токсикантов, при воздействии которых организм еще может выжить. Из этого следует, что чувствительность и резистентность тест-организма определяют диапазон токсичности, в пределах которого будет возможна ее оценка.

Анализ основных закономерных процессов адаптации живых организмов, физиологических, поведенческих и экологических особенностей гидробионтов позволяет сформулировать ряд положений о тест-организмах и тест-операциях.

Оптимальные тест-организмы должны удовлетворять требованиям:

Используемые для тестирования особи должны быть генетически однородными, что обеспечит сходство их чувствительности и резистентности, единообразие ответных реакций на воздействие токсикантов.

Функциональная активность тест-организма не должна иметь сезонной периодичности.

Все виды, используемые как тест-организмы, должны иметь высокий уровень метаболизма, что обеспечит быстроту возникновения у них ответных реакций на воздействие токсикантов.

Тест-организмы должны быть стрессоустойчивы к связанным с процедурой тестирования операциям.

Таким образом, наиболее перспективными тест-организмами являются безпозвоночные гидробионты, например, ракообразные и брюхоногие моллюски [14].

Большинство методов биотестирования разработано для поверхностных вод с большим содержанием растворенного кислорода. Актуальной задачей представляется выделение двух — трех наиболее простых и эффективных методов для определения в подземных водах токсикантов и введение этих методов в ГОСТ.

II.6. Влияние загрязнения подземных вод на окружающую среду

При оценке влияния химического состава подземных вод на окружающую среду требуют серьезного внимания процессы распространения загрязняющих компонентов из подземных вод по пищевым цепям. В этом случае токсические элементы попадают в организм человека не только с питьевой водой, но и через растительную и животную пищу. Даже если население не пьет загрязненную воду, а только использует ее для приготовления пищи, водопоя скота и полива растений, это может отразиться на здоровье не только нынешнего, но и последующих поколений. Своевременный, оперативный и качественный контроль за химическим составом воды, используемой для хозяйственно-бытовых целей, является одним из условий улучшения состояния окружающей среды.

Анализ распределения важнейших нормируемых химических элементов в маломинерализованных подземных водах. При оценке качества подземных вод нормируемые элементы можно разделить на две группы. В первую группу входят элементы, фоновые концентрации которых в пресных подземных водах часто близки к ПДК. К ним относятся F, Fe, Be, Se, Sr, Mn и ряд других. Вторую группу составляют элементы, естественные концентрации которых, как правило, значительно ниже ПДК. Такими элементами являются Сu, Mo, Pb, Zn и некоторые другие. Однако следует учитывать, что такое распределение весьма условно, и в каждом конкретном случае для прогноза возможных концентраций микроэлементов в подземных водах необходимо прежде всего изучить гидрогеологические условия района и минералогический состав водовмещающих пород. Так, например, Cu, Zn и Pb могут иметь повышенные концентрации в районах полиметаллического оруденения. В связи с тем, что подземные воды с регионально повышенными концентрациями нормируемых элементов достаточно широко и закономерно распределены в земной коре, при гидрогеологических исследованиях выделяют гидрогеохимические провинции с фиксированным набором элементов, имеющих концентрации на уровне или выше ПДК [22].

Понятие о загрязнении подземных вод. Под антропогенным загрязнением подземных вод понимают ухудшение качества воды (химических, физических, биологических свойств), вызванное хозяйственной деятельностью человека. Понятие "загрязнение" относится прежде всего к подземным водам питьевого назначения. Загрязнение подземных вод может выразиться в повышении содержания природных компонентов, а также в появлении специфических веществ искусственного происхождения — неорганических (цианиды, роданиды), органических (нефтепродукты, пестициды, фенолы, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и др.). Обычно выделяют две стадии загрязнения: начальную стадию, когда содержания компонентов выше фонового, но ниже ПДК, и собственно загрязнение, когда концентрации отдельных компонентов превышают ПДК. По видам загрязнителей выделяют химическое, биологическое, радиоактивное и тепловое загрязнения, по масштабу — локальное и региональное.

Поступать загрязнение в водоносный горизонт может практически со всех сторон: сверху, сбоку, снизу и непосредственно в пласт в результате закачки.

Влияние загрязняющих веществ на равновесие в системе вода - порода - газ - живое вещество. С точки зрения влияния загрязняющих веществ на гидрохимические свойства подземных вод выделяют инертные загрязняющие вещества и активные загрязняющие вещества. Инертные не изменяют Eh - pH состояния подземных вод, слабо участвуют в процессах комплексообразования и т. д. (NO3- ,Cl-, некоторые органические вещества.). Активные загрязняющие вещества изменяют гидрогеохимическую обстановку и, как следствие, нарушают равновесие в системе вода - порода - газ - живое вещество (Н+, Fe2+, H2S и т. д.).

Общая степень закомплексованности химических элементов, особенно элементов — комплексообразователей, в загрязненных подземных водах выше, поскольку эти воды содержат более высокие концентрации анионов, с которыми возможно комплексообразование этих элементов. [50] установила следующие ряды по степени способности к комплексообразованию в подземных водах: для катионов - Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ > Fe2+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > Na2+; для анионов — органические вещества > OH2- > CO32- > SO42- >F- >HCO3- >NO3- >Cl - .

Взаимосвязь гидродинамического и гидрохимического режимов подземных вод. Гидродинамический и гидрохимический режимы подземных вод тесно связаны. При понижении уровней нарушается гидрогеохимическое равновесие, усиливаются окислительные процессы, изменяются pH, Eh и, как следствие, состав подземных вод. Например, если водовмещающие породы содержат сульфидные минералы, то снижение уровня подземных вод приведет к окислению сульфидов, снижению рН подземных вод и, как следствие, к увеличению содержания в воде многих металлов (MS+2O2= M2+ + SOТакже при понижении уровня возможен подток сбоку или переток снизу некондиционных подземных вод. При повышении уровня изменяется водно-солевой баланс грунтовых вод, увеличивается испарение с капиллярной каймы, вода начинает контактировать с новыми водовмещающими породами, и, как следствие, - изменение химического состава.

Характеристика гидрогеохимических свойств наиболее распространенных загрязнителей. Неорганические вещества. Среди неорганических загрязнителей наиболее распространены компоненты общего химического состава воды (Cl, SO4 , NO3 ), газы (H2S), микроэлементы, в основном это тяжелые металлы, а также родониды (Кт(NCS)n ) и цианиды (Кт(CN)n), применяемые при обогащении металлических руд. Теоретически неорганическим загрязнителем может быть большинство элементов.

Органические вещества. В настоящее время существуют ПДК для питьевых вод более чем для тысячи органических соединений. Наиболее часто в подземных водах встречаются повышенные количества нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, фенолов, хлорорганических (ХОП) и фосфорорганических (ФОП) пестицидов. В последнее время все большее внимание обращается на высокотоксичные полиароматические углеводороды и диоксины.

Радиоактивные вещества. Наиболее распространенными радиоактивными загрязнителями являются изотопы 90Sr (время олураспада 28,4 года), 137Cs (30 лет), при ядерных испытаниях и авариях также может происходить загрязнение изотопами 131I (8,1 сут.), 239Pu (24400 лет), 238U (4,5·10 9 лет), 60Co (5,25 лет).

Биологическое загрязнение подземных вод. Данный вид загрязнения вызывается различными микроорганизмами - водорослями, бактериями, вирусами. Наиболее опасно загрязнение болезнетворными организмами, поступающими в подземные воды в основном с фекальными и хозяйственно-бытовыми водами. Время выживания болезнетворных микробов в подземных водах может достигать 400 сут. Биологическое загрязнение подземных вод может интенсифицироваться тепловым загрязнением.

Последствия загрязнения подземных вод. Загрязнение подземных вод не является локальным процессом, оно тесно связано с загрязнением окружающей природной среды в целом. Содержащиеся в подземных водах зоны активного водообмена загрязнения в конечном итоге попадают в реки и озера (области разгрузки).
Загрязнение пресных подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, не только сказывается на здоровье людей и состоянии окружающей среды, но и приводит к необходимости колоссальных затрат на очистку воды, ремонт и реконструкцию очистных сооружений, дополнительных затрат на здравоохранение. Это происходит на фоне недостаточной изученности и состояния загрязнения, и влияния многих вредных компонентов на здоровье людей и животных, и неразвитости методов исследований многих новых видов загрязнения.

III. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ВИДОВ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

При изучении техногенного воздействия на геолгическую среду необходимо выявить геолого-гидрогеологическую природу протекающих процессов, провести прогнозную оценку степени их влияния на окружающую среду и, как следствие, разработать рекомендации по предотвращению или минимизации с помощью защитных мер их негативного влияния на естественную природу. Интенсивность техногенного воздействия на подземные воды во многом определяется степенью их защищенности.

III.1. Защищенность подземных вод

Возможность загрязнения подземных вод с поверхности земли в значительной степени определяется защищенностью водоносных горизонтов. Под защищенностью водоносного горизонта от загрязнения понимается его перекрытость отложениями, препятствующими проникновению загрязняющих веществ с поверхности земли или из вышележащего водоносного горизонта [9]. Защищенность зависит от многих факторов, которые можно разбить на две группы: природные и техногенные. К основным природным факторам относятся: глубина до уровня подземных вод, наличие в разрезе и мощность слабопроницаемых пород, литология и сорбционные свойства пород, соотношение уровней исследуемого и вышележащего водоносных горизонтов. К техногенным факторам прежде всего следует отнести условия нахождения загрязняющих веществ на поверхности земли и, соответственно, характер их проникновения в подземные воды, химический состав загрязняющих веществ и, как следствие, их миграционную способность, сорбируемость, химическую стойкость, время распада, характер взаимодействия с породами и подземными водами.

Защищенность подземных вод можно охарактеризовать качественно и количественно. В первом случае в основном рассматриваются только природные факторы, во втором — природные и техногенные. Детальная оценка защищенности подземных вод с учетом особенности влагопереноса в зоне аэрации и характера взаимодействия загрязнения с породами и подземными водами требует, как правило, создания гидрогеохимической модели процессов проникновения загрязнения в водоносный горизонт. Качественная оценка может быть проведена в виде определения суммы условных баллов или на основании оценки времени, за которое фильтрующиеся с поверхности воды достигнут водоносного горизонта (особенности влагопереноса в зоне аэрации и процессы взаимодействия загрязнения с породами и подземными водами при этом не учитываются). Балльная оценка защищенности грунтовых вод детально разработана [11]. Сумма баллов, зависящая от условий залегания грунтовых вод, мощностей слабопроницаемых отложений и их литологического состава, определяет степень защищенности грунтовых вод. По литологии и фильтрационным свойствам слабопроницаемых отложений выделяют три группы: а - супеси, легкие суглинки (коэффициент фильтрации (k) — 0,1 - 0,01 м/сут), с — тяжелые суглинки и глины (k < 0,001 м/сут), b — промежуточная между а и с — смесь пород групп а и с (k 0,01 - 0,001 м/сут). Ниже приведены данные для определения баллов в зависимости от глубины уровня грунтовых вод Н

В табл. 4 представлены баллы защищенности водоносного горизонта в зависимости от мощности m и литологии слабопроницаемых отложений.

Таблица 4

Для расчета суммы баллов необходимо сложить баллы, полученные за мощность зоны аэрации, и баллы за мощности имеющихся в разрезе слабопроницаемых пород. Например, если грунтовые воды залегают на глубине 14 м (2 балла) и имеется слой супеси 3 м (2 балла) и слой глин 6 м (6 баллов), то сумма баллов составит 10. По сумме баллов выделяются шесть категорий защищенности грунтовых вод. Категории защищенности грунтовых вод, по , приведены ниже.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5