Глава 9. Пресные подземные воды – распространение и нормирование

Распространение пресных подземных вод. Закономерности распространения. Питание подземных вод происходит за счет атмосферных осадков, поверхностных вод и влаги конденсационного происхождения. Все эти воды проникают в водоносные горизонты сверху, и поэтому зона пресных вод занимает верхнее положение в гидрогеохимическом разрезе. Мощность этой зоны в гумидных областях чаще всего равна 200-300 м. В аридных областях она значительно меньше, а иногда может вообще отсутствовать. Пресные подземные воды сформировались в основном в четвертичное время – в межледниковый или постледниковый периоды. Максимальная мощность зоны пресных вод от 500 до 2000 и более метров формируется в крупных впадинах, сложенных хорошо проницаемыми породами в предгорных шлейфах и прогибах, в устьях и долинах крупных рек.

Состав и минерализация пресных вод. Основу ионного состава пресных подземных вод составляют: . Состав пресных вод изменяется в зависимости от ландшафтно-геохимических условий. Наименьшая минерализация пресных подземных вод наблюдается в условиях многолетней мерзлоты, где она равна 0,16 г/л, а ее состав является гидрокарбонатным магниево-кальциевым. Для этих вод характерна слабокислая реакция среды и повышенное содержание органических веществ. Малой минерализацией – 0,18 г/л отличаются также воды тропических областей. По составу они относятся к гидрокарбонатным натриево-магниево-кальциевым со щелочной реакцией, очень высокими концентрациями кремнезема, повышенными содержаниями калия и весьма значительными концентрациями углекислоты. Несколько большая минерализация – в среднем 0,2 г/л – наблюдается в горно-складчатых областях. Состав вод чаще всего гидрокарбонатный магниево-кальциевый. Недостаточное количество органических веществ обуславливает слабую щелочную реакцию вод. Невелика в них также концентрация углекислого газа.

Более высокой минерализацией – 0,3 г/л – характеризуются пресные воды областей умеренного климата. В этих условиях формируются воды гидрокарбонатного натриево-кальциевого состава. Образование минеральной составляющей вод происходит как в результате выщелачивания горных пород, так и растворения органических веществ.

Средний химический состав пресных подземных вод может быть представлен следующей формулой М.Г. Курлова:

Повышение минерализации и изменение химического состава подземных вод подчиняется вертикальной и горизонтальной гидрогеохимической зональности, то есть процессами, происходящими при их движении с глубиной или по пласту. Интенсивность этих перемен зависит прежде всего от ландшафтно-геохимической обстановки, но общая их направленность примерно одинаковая. В анионной части сначала накапливаются гидрокарбонаты, сульфаты, а затем хлориды, в катионной части – сначала кальций, магний, а потом натрий. По ходу движения воды сначала приобретают смешанный состав при преобладании гидрокарбонатов, затем становятся хлоридно-гидрокарбонатными натриевыми и гидрокарбонатно-хлоридными натриевыми. Изменение микрокомпонентного состава подземных вод носит весьма сложный характер, но и в нем можно найти определенные закономерности, о которых речь будет идти дальше.

Нормирование пресных вод. Важнейшей характеристикой пригодности подземных вод для практического использования является содержание в них так называемых нормируемых компонентов, присутствие которых в тех или иных количествах может оказывать неблагоприятное воздействие на человеческий организм. Поэтому они подлежат соответствующему нормированию и учету. Особую опасность представляют те из них, которые имеют широкое распространение в подземных водах, а их фоновая концентрация близка к предельно допустимой (ПДК). К таким компонентам относятся железо, бериллий, селен, ртуть, фтор, в меньшей степени – кремний, марганец, бром, алюминий, таллий, кадмий, бор, мышьяк и свинец.

По степени опасности для человеческого организма химические компоненты подразделяются на три группы: чрезвычайно опасные, весьма опасные и опасные. Их классификация приведена в таблице 11.

Таблица11 Классификация элементов, присутствие которых в питьевых водах опасно для здоровья человека

Нормирование воды по ее составу имеет различное целевое назначение – для питьевого и хозяйственного водоснабжения, рыбного хозяйства, полива сельско-хозяйственных земель, лечебных целей, оценки возможности извлечения химических компонентов, агрессивности воды по отношению к цементу, бетону, металлоконструкциям и др. Для каждого из указанных поводов разработаны нормативные документы, в которых указаны соответствующие требования к воде.

Санитарно-гигиенические требования и нормативы для питьевых вод. Эти нормативы обновляются регулярно – через 5-10 лет. Последние из них появились в 1996 и 2001 годах. В них учитываются последние достижения медицины и техники, а также требования международных организаций здравоохранения. Действующий в настоящее время документ имеет название «СанПиН 2.1.4.1074 – 01. Вода питьевая и водоснабжение населенных мест. Гигиенические требования к качеству воды» [52]. Согласно этим нормативам питьевая вода должна быть безопасной в эпидемиологическом и радиационном отношениях, безвредной по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.

СанПиН начинается с рассмотрения паразитологических показателей. Раньше они фиксировались по присутствию кишечных палочек в воде (coli-titre или coli-test). Теперь учитывается присутствие конкретных микроорганизмов: термотолерантных и колиформных бактерий, общее число колиформных бактерий, микробный показатель и количество колифагов. Для выявления причин появления болезнетворных бактерий обращается внимание на присутствие в водах хлоридов, азотных соединений, нефтепродуктов и других источников загрязнения воды (подробнее см. главу 13).

Далее рассматриваются обобщенные характеристики состава воды. К ним относятся pH, минерализация, жесткость, окисляемость, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества и фенольный индекс. Затем следует таблица неорганических показателей. В нее включены алюминий, барий, бериллий, бор, бром, железо, кадмий, марганец, медь, молибден, мышьяк, никель, нитраты по , ртуть, свинец, селен, стронций, сульфаты, хлориды, фтор, циониды, цинк.

Самые низкие ПДК установлены для бериллия – 0,0002, а для ртути – 0,0005 мг/л. Для большинства показателей, включенных в рассматриваемую таблицу, ПДК составляет десятые доли мг/л. Например, железо 0,3; марганец 0,1; алюминий 0,5; молибден 0,25 мг/л и т.д. Заметно больше величины ПДК для стронция – 7 мг/л; нитратов - 45; цинка - 5; хлоридов - 350; сульфатов - 500 мг/л.

Следующая таблица характеризует присутствие органических веществ искусственного происхождения. В ней указаны только три показателя: ДДТ, линдан и 2,4Д. ПДК для них дается в пределах сотых-тысячных долей мг/л.

В следующую группу включены показатели техногенного происхождения. К ним относятся хлороформ, формальдегиды, полифосфаты, активированная кремнекислота, остаточный озон, полиакриломид, остаточное количество алюминия и железосодержащих каогулянтов. Указанные реагенты используются для борьбы с разного рода загрязнителями и улучшения качества воды.

Далее рассматриваются органолептические показатели – запах, привкус, цветность, мутность. Они измеряются с помощью специальных шкал в градусах или в баллах. Не допускается обнаружения в воде взвешенных частиц, видимых невооруженным глазом, а также присутствия невидимых пленок.

На первом этапе изучения радиоактивности устанавливается α и - активность. Для α - активности устанавливается ПДК – 0,1 Бк/л, а для - активности – 1,0 Бк/л. Если потребуются конкретные данные о присутствии в воде каких-либо радионуклидов, то для этого существуют определенные нормативы. Они известны для U²³⁴,U²³⁸, Ra²²⁶, Rn²²² , Pb²¹⁰, Po²¹⁰, Sr ⁹⁰, Cz¹³⁷ и др.

В рассматриваемом документе приведены ПДК для неорганических и органических вредных веществ, которые не попали в предыдущие таблицы. Для них указывается ПДК и степень их вредности и опасности (табл. 11). Их общее количество трудно поддается учету, так как они перечисляются примерно на 60 страницах. Укажем некоторые из неорганических веществ и их ПДК в мг/л: таллий 0,0001; фосфор элементарный 0,0001; теллур 0,01; литий 0,01; ванадий 0,1; кремний 10; натрий 200. Что касается органических веществ, то их количество составляет 8 классов и сотни индивидуальных соединений.

Содержание в пресных водах нормируемых компонентов определяет возможности их использования в питьевых целях. В СанПиНе указывается верхний предел содержания нормируемых компонентов. Его превышение может способствовать возникновению различных заболеваний. Так, например, повышенные концентрации мышьяка приводят к заболеванию облитерирующим эндартериитом; кадмия – к остеопорозу и церрозу печени; свинца – к пиелонефриту и лимфогранулемотозу; ртути – к нарушению деятельности центральной нервной системы (болезни Минамато); марганца – к латеризму; хлора – к флюорозу зубов; стронция – к уровскому заболеванию (разрушению костного скелета). В СанПиНе не показаны минимально допустимые содержания компонентов, хотя известно, что дефицит некоторых из них приводит к определенным заболеваниям. Например, дефицит концентрации йода в воде способствует появлению базедовой болезни (нарушению функции щитовидной железы); железа – к анемии (недостаточному синтезу гемоглобина); селена – к ишемической болезни сердца; магния – к уралитеазу (желчно-каменной болезни); фтора – к кариесу зубов. Перечень возможных заболеваний человека, связанных с плохим качеством воды, можно было бы продолжить. А сделать это несложно, так как почти пятая часть человечества страдает от желудочных заболеваний, причину которых ищут и часто находят именно в составе воды, в ее плохом качестве. Это и понятно, потому что химические соединения, растворенные в воде, лучше всего усваиваются организмом. Вместе с тем очевидно и другое: болезни возникают под воздействием многих причин, как, например, режим и качество питания, образ жизни, нервно-психологические нагрузки и пр. Поэтому искать все беды в воде по крайней мере неразумно. Она прежде всего источник здоровья, нужно только уметь ею пользоваться. Соответствующие рекомендации врачей-диетологов разработаны давно: какую, когда, сколько, какого состава и кондиции пить воду. С помощью воды человек находит путь к здоровью – об этом нужно всегда помнить.

Биогидрогеохимические провинции. Территории, на которых наблюдается широкое распространение повышенных концентраций нормируемых компонентов, выше ПДК, следует называть биогеохимическими провинциями. Рассмотрим некоторые из них.

Стронций. Пресные воды с содержанием стронция более 7 мг/л обычно имеют минерализацию более 0,5-0,7 г/л и содержат повышенные концентрации сульфат- и гидрокарбонат-иона. Стронциевая провинция распространена в аридных областях и на территории развития гипсовых отложений. В первом случае она приурочена к грунтовым водам и водам верхних напорных водоносных горизонтов. Это районы Приаралья, Казахстана и юга Западной Сибири. Во втором случае провинция занимает большие площади в Молдавском, Московском и Северо-Двинском артезианских бассейнах.

Железо. Миграция железа происходит как в двухвалентной, так и в трехвалентной формах. Двухвалентное железо накапливается в бескислородной восстановительной среде. Трехвалентное железо – в кислых водах в окислительной обстановке. В этих условиях наблюдается повышенная концентрация органических веществ (гуминовых и фульвокислот) до 50 мг/л и образование комплексных соединений железа. ПДК по железу равна 0,3 мг/л, а аномальная концентрация достигает 10-20 мг/л. Провинция железистых вод встречена на большей части территории гумидных областей.На ее территории более 50 % водоснабженческих скважин содержат железо в аномальных концентрациях. При соответствующей водоподготовке его можно удалить из питьевых вод.

Марганец. Провинции марганцевых и железистых вод практически совпадают. ПДК марганца равна 0,1 мг/л. Его миграция обычно происходит в двухвалентной форме. Наиболее благоприятные условия для этого возникают на участках с повышенным содержанием гумусового вещества органического ряда, а в условиях слабонапорных вод - в бескислородной и бессульфидной обстановке. Аномальные концентрации марганца в подземных водах могут достигать нескольких мг/л.

Ртуть. Этот элемент относится к группе чрезвычайно опасных веществ и его ПДК весьма мала – 0,0005 мг/л. Аномальные концентрации ртути образуются на участках ртутных месторождений, где они могут превышать ПДК в несколько раз. Воды в этом случае должны быть кислыми, содержать повышенные концентрации сульфат-иона и образовывать небольшие ореолы рассеяния. Региональное заражение ртутью подземных вод возникает в условиях, когда она образует комплексные соединения с и фульвокислотами. Среда при этом является бескислородной, нейтральной или слабощелочной. Следует отметить, что ртуть во вмещающих породах находится в кларковых концентрациях, а в водах она накапливается в количествах на полтора порядка больше, чем ПДК.

Мышьяк. Его миграция происходит в трех- и пятивалентной формах в околонейтральных и щелочных водах с высоким содержанием кислорода, а также в бескислородных, бессульфидных водах. Мышьяковистые воды образуются в районах развития сульфидных месторождений при окислении сульфидов в кислой обстановке. Образующиеся при этом ореолы рассеяния мышьяка имеют небольшие размеры. Региональное распространение мышьяковистых вод наблюдается в мышьковосодержащих металлогенических провинциях. К таким регионам относятся Урал, Кавказ, Донбасс, Карпаты и Молдавский артезианский бассейн. Содержание мышьяка в этих условиях может быть больше ПДК примерно на порядок, а воды иметь гидрокарбонатный кальциевый и гидрокарбонатно-хлоридный натриевый состав.

Селен . Формы его миграции разнообразны и могут иметь валентности +6, +4 и -2. Окислительно-восстановительный потенциал контролирует распространение селена в подземных водах. По этому показателю селенсодержащие воды делятся на два типа: Eh > 200 мВ и < –100мВ. В первом случае селенсодержащие воды приурочены к областям питания водоносных систем (грунтовых вод зон выветривания коренных пород и др.), во втором случае содержание селена в подземных водах возрастает с погружением водоносных горизонтов. Как в том, так и в другом случаях появление аномальных концентраций селена в подземных водах (3-10 мкг/л) связано с его высоким фоновым содержанием во вмещающих породах. Самоочищение подземных вод от избытка селена происходит в результате сорбционных процессов. Провинции селенсодержащих водприурочены к Кызыл-Кумскому артезианскому бассейну и югу Камчатки.

Фтор. Этот компонент отличается высокими миграционными способностями. Он мигрирует в форме одновалентного аниона или комплексных соединений в нейтральных и щелочных водах. Состав вод преимущественно гидрокарбонатный и сульфатный натриевый. Его ПДК равна 1,5 мг/л, а в природных условиях содержание фтора может достигать нескольких мг/л. Провинции фтороносных вод занимают весьма большие территории в Восточно-Европейской и Приаральской артезианских областях, Якутском артезианском бассейне, Предкарпатском и Предкавказском прогибах, складчатых областях Средней Азии, Казахстана, Приморья и Кольского полуострова. Для этих вод характерны высокие значения отношения натрия к кальцию. С кальцием фтор выпадает в осадок, образуя флюорит (CaF₂). Фтороносные воды образуются в скарнах, пневмотолитовых формациях, геотермально измененных породах, нефелиновых сиенитах, карбонатитах. В этих условиях концентрация фтора в подземных водах обычно не превышает нескольких мг/л. Она резко возрастает до первых граммов на литр, когда фтороносный минерал представлен виллиомитом (NaF). Это ультращелочные воды с рH более 10.

Бериллий. Аномальные содержания бериллия в подземных водах наблюдаются в областях с его повышенным химическим фоном во вмещающих породах. Распространение этого элемента носит мозаичный характер. Максимальное содержание бериллия до 100 мкг/л наблюдается в районах сульфидной минерализации. В других районах оно обычно равно нескольким мкг/л. Бериллиевые воды чаще всего приурочены к верхним водоносным горизонтам коры выветривания коренных пород. Для них характерны кислая и околонейтральная обстановки. Состав вод при этом гидрокарбонатный и сульфатный натриево-кальциевый. Снижение концентрации бериллия и полное его уничтожение происходит в результате процессов сорбции на глинах коры выветривания и гидроокислах.