Глава 14. Гидрогеохимия урбанизированных территорий.

 

Гидрогеохимия крупных городов (мегаполисов). Рост городского населения и городов. Города с населением более миллиона человек появились сравнительно недавно. В 1800 году таким городом был только Лондон. В 1850 году к нему присоединился еще и Париж. В 1900 году таких городов-миллионеров стало 12, в 1940 году – 42, а в настоящее время превысило 440. Количество городов, в которых численность населения превысила 4 млн человек уже достигло 90. Некоторые города превратились в крупные мегаполисы с населением более 10-25 млн человек. Площадь, занимаемая этими городами, достигает нескольких тысяч км². Плотность населения в крупных городах составляет 10 тысяч и более человек на км².

С геологических позиций территории городов представляют собой наведенные геофизические поля: электромагнитное, радиоактивное, тепловое, гравитационное, геохимическое, акустическое, вибрационное и др. Территории городов представляют собой своеобразные «острова», на которых активно проявляется человеческая деятельность и разнообразные виды техногенных процессов. На этом фоне роль природных процессов становится подчиненной. В этих условиях интенсивно загрязняется атмосфера, реки и водоемы, в угнетенном состоянии находится растительность.Человек все больше и глубже осваивает ландшафтное и геологическое пространство со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Влияние роста народонаселения на гидрогеологическую обстановку. Рост народонаселения на земном шаре происходит непрерывно. Если в начале Ι - го века его численность была равна примерно 250 млн человек, то 1750 году она возросла до 700 млн человек. В последующие годы темпы роста населения планеты заметно увеличились, особенно в ХХ веке. В 1900 году население планеты составляло 1,6 млрд человек, в 1965 году – 3,6 млрд человек, а в феврале 2003 года перешагнуло порог в 6 млрд человек.

Рост народонаселения – это демографическая проблема, имеющая геологическую и гидрогеологическую подоплеку. Растут площади городов, земель сельскохозяйственного назначения, горнодобывающих и других предприятий, дорог, водохранилищ и др. Рост народонаселения обостряет многие другие проблемы, например, продовольственную. Более миллиарда людей голодает, а десятки тысяч умирают от нехватки продовольственных ресурсов. С каждым годом обостряется водная проблема. Многие страны испытывают дефицит питьевых вод, а 3/4 заболеваний населения планеты связано с плохим качеством этих вод. Свыше 1 млрд человек в мире не имеют доступа к здоровым в санитарно-гигиеническом отношении источникам водоснабжения. 5 млн человек по этой причине умирают ежегодно, из них половину составляют дети.

Перенаселенность людьми в некоторых регионах мира приводит к значительному ухудшению экологической обстановки и является одной из причин заметного увеличения стихийных бедствий. Так, например, в период 1973-1982 гг было отмечено 1500 таких явлений, в 1983-1992 гг – 3500, в 1993-2002 гг – 6000. За последние 30 лет от природных катастроф погибли почти 4 млн человек, а пострадали почти 4,5 млрд человек.

Серьезную угрозу для человечества представляет собой уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Это, с одной стороны, связано с интенсификацией процессов горения и окисления в результате человеческой деятельности, а, с другой стороны, генераторы кислорода активно уничтожаются человеком. На 1/3 сократился зеленый покров нашей планеты, почти наполовину уменьшилась площадь, занимаемая планктоном на океанических просторах.

Человек, как отмечал В.И. Вернадский, стал геологической силой, а его роль в изменении природной обстановки оказывается все более ощутимой. Его деятельность влияет на климатические условия, поверхностный и подземный сток, ландшафтную обстановку, формирование химического состава природных вод.

Проблемы водоснабжения и качества питьевых вод. Общие ресурсы пресных подземных вод в нашей стране оцениваются в 350 км³ в год (см. главу 9). Из них для водоснабжения населения используется примерно 8 км³ в год. Это означает, что перспективы расширения питьевой базы за счет подземных вод весьма обширны. В более чем 50 % субьектах федерации подземные воды достигают в общем балансе водоснабжения 90-100 %. В 10 % субьектов эта доля составляет 70-90 %. По оценке Л.С. Язвина [61] в России 68 % городов на 90 % и более снабжаются за счет подземных вод и только 20 % городов – преимущественно поверхностными водами. К числу таких городов относятся Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Волгоград, Ростов, Челябинск и другие мегаполисы России. Из сказанного видно, что чем крупнее город, тем меньше шансов решить проблемы его водоснабжения за счет подземных вод, поскольку для этой цели требуется несколько миллионов кубических метров воды в сутки. Такие ресурсы подземных вод можно найти только в хорошо обводненных структурах: предгорных шлейфах, карстовых бассейнах, вулканогенах, крупных речных долинах и артезианских бассейнах. Такие условия возникают и реализуются в Минске, Ереване, Вене, Риме, Цюрихе, Гонолулу (Гавайские острова). В большинстве случаев подземные воды в очень малой степени удовлетворяют потребности мегаполисов. Например, в Москве это происходит за счет каменноугольного водоносного горизонта, в Санкт-Петербурге за счет межморенных и ордовикского водоносных горизонтов. В Лондоне используется меловой водоносный горизонт, в Нью-Йорке для этих целей служит плиоценовый и меловой водоносный горизонты на острове Лонг Айлэнд.

Подземные воды питьевого назначения могут содержать нормируемые компоненты больше ПДК. Их образование связано как с природными, так и с техногенными процессами. Среди компонентов, превышающих ПДК, чаще всего встречаются: Fe, Mn, Sr, F. Во многих водозаборах встречаются повышенные концентрации As, Be, Ba, B, Li, Hg, тяжелые металлы, органические и азотные соединения, нефтепродукты и радиоактивные вещества. В условиях аридного климата или подтягивания вод глубоких горизонтов в водозаборах отмечаются повышенные концентрации хлоридов, сульфатов, жесткости и минерализации. По данным ВСЕГИНГЕО, в 2500 водозаборов, эксплуатирующих воды питьевого назначения, наблюдается техногенное загрязнение. В 70 % случаев такое загрязнение фиксируется в грунтовых водах. Оно установлено в централизованных водозаборах таких городов как Чита, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре, Калуга, Сызрань, Оренбург, Чапаевск. В связи с этим водоподготовка проводится в 40 % эксплуатируемых месторождений. Нередко требуются специальные мероприятия по очистке и обеззараживанию вод. Существующая водопроводная сеть вследствие своего плохого состояния не всегда обеспечивает подачу потребителям воды необходимого качества.

Геохимия подземных вод крупных городов. Отмечается особая роль антропогенных процессов в изменении гидрогеологических условий на территории крупных городов. Это проявляется в разных направлениях и прежде всего сказывается на изменении условий питания подземных вод, что обусловлено застройкой территории, наличием искусственных покрытий, асфальтированием поверхности, строительством различного рода барражей – шпунтов, забивных свай, подземных коммуникаций, канализационных и водопроводных сетей, тоннелей и станций метро, галерей глубокого заложения, колодцев и др. Вышеперечисленные и другие инженерные сооружения затрудняют питание подземных вод и их движение в верхнем водоносном горизонте. Особенно сложная гидрогеодинамическая ситуация возникает на территориях городских агломераций, расположенных в дельтах рек или на островах, как, например, в Санкт-Петербурге. Шпунтовые перегородки, набережные укрепления и другие сооружения разделяют бассейны грунтовых вод или их потоки на отдельные небольшие секции со специфическим уровенным, динамическим и химическим режимом подземных вод.

Наиболее близкие к природным условия формирования подземных вод на территориях городских агломераций находятся в пределах крупных зеленых массивов (парки, лесопарки, сады и др.). Их площади обычно не превышают 10-15 % городских территорий. Но и на этих участках атмосферные осадки, промывая воздушную оболочку городов, обогащаются различными химическими компонентами и нередко образуют кислотные дожди с величиной рH менее 5. Часто минерализация подземных вод может возрастать до 0,3-0,5 г/л при ведущей роли сульфатной составаляющей. Во многих случаях городские почвы, особенно в придорожных газонах, имеют техногенное происхождение. Приведем некоторые сведения по г. Москве. Техногенные почвы здесь отличаются более высокими отношениями содержания Fe₂O₃/MnO, что свидетельствует о существовании в них восстановительной обстановки. Использование для борьбы с гололедными явлениями соли (NaCl) приводит к образованию солончаковых почв. По этой причине в придорожной зоне наблюдается угнетение и вырождение древесной и кустарниковой растительности, а хлориды натрия из почвенного покрова проникают в верхний водоносный горизонт. Почвы являются индикаторами промышленного загрязнения городских территорий. Тип загрязнения определяется характером промышленного производства. Тяжелые металлы накапливаются в почвах вблизи предприятий, занимающихся металлообработкой, машиностроением, радио- и электротехническим производством. Свинец, олово, кадмий поставляет в почву полиграфическое производство. Предприятия энергетического профиля накапливают в почвах ванадий, никель, хром, молибден. При производстве масляных красок в почвы проникают кадмий, барий, стронций, ртуть. Производство бетона и цемента ведет к обогащению почв марганцем, литием и серебром. Широкий спектр элементов наблюдается на участках отстойников гальванического производства и на полях фильтрации бытовых и коммунальных стоков. Изучение контаминации металлами почвенного покрова г. Москвы позволило установить наличие 30 участков с аномально высокими контрастными их концентрациями. Для этого города, как и для большинства крупных городских агломераций, широко распространены различные виды загрязнения недр. К ним относятся нефтяное, радиоактивное, микробиологическое, тепловое и др. Утечка нефти и нефтепродуктов наблюдается на участках бензозаправок, нефтяных резервуаров и трубопроводов.

Захоронение радиоактивных отходов в почвенно-покровных отложениях г. Москвы происходило в послевоенные годы. Таких мест в пределах города насчитывается несколько десятков. Они появились в результате деятельности некоторых научных учреждений и спецпроизводств.

Кафедра гидрогеологии МГРИ-РГГРУ изучала санитарное состояние источников, вытекающих на территории города. Из более 200 водопунктов лишь в 7 было установлено, что вода соответствует требованиям СанПиНа. Весьма большой степенью загрязненности характеризуются поверхностные воды. В 2000 году состояние воды в Москве реке характеризовалось как грязная и очень грязная. В ее водах фиксировались аномальные концентрации меди, железа, азотных соединений и нефтепродуктов.

Основные ресурсы пресных подземных вод в Московском регионе сосредоточены в каменноугольных водоносных горизонтах. Модуль эксплуатационных ресурсов подземных вод в этом регионе превышает 2 л/с ∙ км², а отбор вод составляет 2,3 млн м³/сутки. Длительная эксплуатация водоносных горизонтов привела к образованию крупных депрессионных воронок радиусом 40-50 км и глубиной более 100 метров. Москва из централизованных водозаборов, заложенных в каменноугольных водоносных горизонтах, получает до 3 % от общего водопотребления. Кроме того, на территории города функционируют или вышли из строя сотни скважин, пробуренные 30 и более лет тому назад, через которые в эксплуатационные водоносные горизонты различные виды загрязнителей попадают с поверхности земли и из грунтовых вод. Мощность зоны пресных вод составляет 200-300 м. Состав вод преимущественно гидрокарбонатный магниево-кальциевый, часто с повышенным содержанием сульфат-иона. На участках, где в катионном составе преобладает натрий, появляются повышенные концентрации фтора, до нескольких миллиграммов на литр.

Верхняя часть разреза городских территорий обычно сильно нарушена и изменена. Наряду с фундаментами сооружений и инженерными коммуникациями встречаются различные инородные образования: осыпные грунты, техногенные отложения, неконтролируемые свалки, кладбища, погребенные долины, засыпанные болота, русла рек и ручьев. Чем дольше время существования города, тем мощнее так называемый культурный слой и разнообразнее компоненты его образующие. Каждый житель ежегодно «вырабатывает» 100-400 кг твердых бытовых отходов, сотни кубических метров канализационных стоков и других продуктов жизнедеятельности. Все они, как и отходы промышленного производства, транспортируются в значительной степени за пределы города, где подвергаются частичной или полной переработке. Очистить город от следов деятельности человека практически невозможно. Из сказанного следует, что зона аэрации рассматриваемых территорий содержит большое количество химических соединений, которые при контакте с водой повышают минерализацию и изменяют химический состав этих вод. Особенно большое влияние на эти показатели оказывает проникновение коммунальных и промышленных стоков в грунтовые воды. Минерализация вод в этом случае возрастает до 1,5-3,0 г/л, а состав вод становится хлоридно-гидрокарбонатным натриевым. Особенно очевидно проявление этих процессов на территории Санкт-Петербурга. Как указывалось выше, в его островной части образуются бассейны грунтовых вод с малыми водосборами и затрудненными условиями питания и разгрузки. Окислительно-восстановительная обстановка в них характеризуется низкими положительными и даже отрицательными значениями рН. Состав вод отличается разнообразным соотношением гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов. Для этих вод характерны повышенные содержания аммония – в среднем 8-10 мг/л до 100 и более мг/л, органических веществ, нефтепродуктов, а также агрессивной углекислоты [15].

Газовый, химический и микробиологический состав подземных вод зоны гипергенеза. Деятельность микроорганизмов сопряжена с выделением и потреблением газов. При биогенном разрушении органических веществ, карбонатов, сульфатов, сульфидов и других минералов образуются CO₂, N₂, NH₃, CH₄, H₂S, летучие органические вещества и другие газы. Газовая фаза потребляется микроорганизмами при деструкции азотных соединений, окислении CH₄, H₂, CO, H₂S, SO₂. Особенно интенсифицируются процессы биогенной газогенерации на территории городских агломераций. Такие процессы наблюдаются в толще четвертичных отложений г.Санкт-Петербурга. Этому способствуют наличие покрова техногенных отложений во многих районах города мощностью до 3-5 и более метров, погребенные свалки, кладбища, засыпанные болота и русла рек, литориновые отложения. Газообразовательные процессы активизируются также в результате выпадения кислых дождей, просачивания промышленных и бытовых стоков, протечке из канализационной сети. Особенно высокая степень газонасыщенности грунтов наблюдается в верхней части разреза четвертичных отложений. Такая ситуация складывается потому, что примерно 90 % городской территории покрыто сверху асфальтовым покрытием и зданиями различного назначения. Все это препятствует диссипации газов, которые стремятся найти выход из подземного пространства. Вскрытие газонасыщенных зон скважинами нередко приводило к газогрязевым выбросам, продолжавшимся иногда в течение нескольких часов. Песчано-глинистые отложения в этих зонах обладают тиксотропными и плывунными свойствами, плохими прочностными характеристиками.

Р.Э. Дашко [14] выделяет три зоны газогенерации: верхнюю до глубины 6-15 метров, приуроченную к четвертичным отложениям с богатым содержанием органики (торфяные и литориновые образования); среднюю, залегающую в межморенных отложениях, где газогенерирующими слоями служат микулинские суглинки и глины, обогащенные органическим веществом; нижнюю, в которой газогенерация прослеживается в породах нижнего кембрия и венда. В составе газов обычно преобладает метан. Нередко ведущее место занимает азот. Во многих пробах отмечается присутствие углекислого газа (до нескольких процентов) и сероводорода. Усилению процессов газогенерации в слоях четвертичного возраста способствует нефтяное загрязнение и тепловые аномалии, возникающие на участках энергоемких производств. В местах скопления людей и транспорта нефтяное загрязнение является одним из главных источников энергии и пищи микроорганизмов. Повышение температуры в зоне гипергенеза способствует количественному росту бактерий и активизации их деятельности. Участие в разложении органического вещества различного вида бактерий (метанобразующих, денитрифицирующих, сульфатредуцирующих, водородобразующих) приводит к образованию различных газов – метана, азота, углекислого газа, сероводорода, водорода и др.

Интересно отметить, что в накоплении газа наблюдается некоторая пульсационность, которая связана с активностью солнца [16]. Уменьшению растворимости газов в подземных водах и, соответственно, увеличению его присутствия в свободной фазе способствуют различные формы производственной и хозяйственной деятельности человека. Среднегодовая температура воздуха в районе г. Санкт-Петербурга равна 4,2 ^оС. Температура подземных вод во многих районах города возрастает до 10 ^оС, а иногда даже до 20 ^оС и более. Газонасыщенность подземной среды ухудшает несущие свойства грунтов и физико-механические показатели.

На территории городов наряду с газами биохимического происхождения нередко встречаются газы радиоактивного (радон) и глубинного (гелий) генезиса. Наибольшей радононосностью в районе г. Санкт-Петербурга характеризуются воды кристаллического фундамента и диктионемовых сланцев (более 100 Бк/л). Вместе с тем радон по некоторым тектоническим нарушениям проникает в подвалы и нижние этажи зданий, создавая угрозу для здоровья людей (Красносельский район). Гелий характеризует глубинное «дыхание» недр. С помощью водно-гелиевой съемки устанавливается положение «живых» разломов, оценивается геодинамическая обстановка в районе исследований.

Биохимические процессы, о которых только что шла речь, участвуют в формировании не только газового, но и химического состава подземных вод, способствуя накоплению в них азотных соединений, серы, алюмосиликатов, кремнезема, фосфатов, железа и различных органоминеральных комплексов. Проникающие фекальные воды, погребенные торфа, тепловые аномалии усиливают деятельность микроорганизмов. В зоне окисления важное значение имеют процессы нитрификации, которые приводят к образованию нитратов, сернокислых солей, кальция, натрия. Окисление серы приводит к образованию сульфат-иона и свободной серной кислоты. Железоокисляющие бактерии способствуют выводу трехвалентного железа из раствора. В аэробных условиях сероводород преобразуется в серную кислоту, а аммиак – в азотную и азотистую. Микроорганизмы активно участвуют в других окислительных процессах, обеспечивая переход в растворенное состояние органических веществ, металлов, комплексных соединений и др. Таким образом, в аэробных условиях микроорганизмы участвуют в формировании Ι, ΙΙ и ΙΙΙ типов загрязненных вод по С.Р. Крайнову (см. главу 10).

В анаэробных условиях микроорганизмы участвуют в образовании вод IV и V типов по этой же классификации. Наибольшее значение при этом имеют процессы денитрификации, нитрат-редукции и сульфат-редукции. С первой группой связано образование нитритов, со второй – свободного азота, с третьей – сероводорода и гидросульфидов. Особая роль принадлежит аммонифицирующим бактериям, которые разлагают белки и переводят органический азот в минеральный. Распад белков приводит к образованию аминокислот, преобразующихся при дальнейшем разложении в аммиак и органические кислоты.

Микроорганизмы участвуют в разрушении, трансформации и новообразовании минеральных веществ, гумификации и консервации органического вещества. Они способны разрушать главные породообразующие минералы – силикаты, алюмосиликаты и карбонаты. В этих процессах участвуют не только бактерии, но и грибы, водоросли, дрожжи. В результате их деятельности образуются щелочи, органические кислоты, а при разложении сульфидов – свободная серная кислота. Микроорганизмы создают условия для биокоррозии и электрохимического растворения. Это приводит к нарушению прочности строительных материалов и разложению бытовых отходов.

Гидрогеохимия сельскохозяйственных территорий. Сельскохозяйственная деятельность способствует возникновению ряда негативных явлений: ухудшению биохимических и механических свойств почвенного горизонта, загрязнению почвенных и грунтовых вод, водной и ветровой эрозии, ухудшению условий инфильтрации подземных вод, уменьшению подземного стока, изменению ландшафтных условий, смене окислительных условий на восстановительные в зоне гипергенеза. Во многих регионах страны наблюдается деградация почвенного слоя, сокращение мощности гумусового горизонта. Этому способствует нарушение культуры земледелия, несоблюдение правил севооборота, значительное уменьшение количества вносимых минеральных удобрений.

Земельный фонд Российской Федерации в настоящее время составляет 1млрд 707 млн га, в том числе 647 млн га находятся в сельскохозяйственном использовании. Площади сельскохозяйственных угодий непрерывно сокращаются вследствие отчуждения для нужд промышленности, городов и транспорта. В 1940 году на одного человека приходилось 1,2 га, а в 1994 году эта площадь сократилась на 1/3 и стала равной 0,84 га. 56 % пахотного клина используется под зерновые. Энергоемкость и химизация сельскохозяйственного производства непрерывно возрастают, но это дает небольшую прибавку урожая. С конца шестидесятых годов прошлого века по 1985 год внесение удобрений увеличилось в три раза, средств защиты – в два раза, но это не привело к заметному росту сельскохозяйственного производства. В девяностые годы прошлого века количество вносимых минеральных удобрений значительно сократилось. За этим последовало снижение урожайности земель.

Главным богатством земель являются почвы, которые представляют собой наружную оболочку зоны выветривания, сложенную в различных сочетаниях органическими и минеральными веществами. Важную роль в ее образовании играют растительный покров, микроорганизмы и другие представители живого мира.

Для образования почвенной оболочки требуются сотни лет. В ее профиле выделяются три горизонта: А – перегнойно-аккумулятивный; В делится на два подгоризонта – верхнего В₁ вымывания (элювиального) и нижнего В₂ вмывания (иллювиального); С – материнских пород. Наибольшей мощностью слоя А характеризуются черноземы, в которых она достигает 55 см. Горизонт В имеет мощность до 50 см. Это средние значения. Суммарная мощность этих двух горизонтов достигает в некоторых районах 3-5 и даже 7 м. Главная жизненная сила почв заключена в гумусе, который преимущественно сосредоточен в верхнем горизонте А. Его содержание колеблется от долей до 20 %. Он определяет плодородие почв, обладает высокой степенью дисперсности и значительной поглотительной способностью. В группу наиболее энергичного поглощения элементов А.И. Перельман включил серу, фосфор, хлор, бром, йод. К группе слабого и очень слабого захвата относятся кремний, алюминий, железо, титан, ванадий, бериллий, цезий, уран, селен, вольфрам, кадмий и др.

Весьма важную роль в формировании почв играют микроорганизмы. В окислительной обстановке функционируют аэробные бактерии, а в восстановительной – анаэробные. С глубиной количество как тех, так и других микроорганизмов уменьшается. Наибольшую активность в окисляющей группе проявляют нитрифицирующие, железобактерии и серобактерии, а в восстановительной группе – денитрифицирующие, сульфатвосстанавливающие, метанобразующие и др. О биологической активности почвы можно судить по ее «дыханию». О его интенсивности свидетельствует количество углекислого газа, образующегося в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Намечается связь между продуцированием СО₂ и количеством микроорганизмов в почвах. Исходной пищей для таких процессов служат растительные остатки. Интенсивность продуцирования СО₂, выраженная в т/год, имеет четко выраженную ландшафтную зональность: тундра 1,4-1,5; лесная зона 7,0-8,0; лесостепь 15,0; степь 7,0; пустыня 1,5-2,0.

Приведенные выше данные дополняют материалы, которые были рассмотрены в главе 13 (табл.12 и 13). В лесостепной зоне в области развития черноземных почв наблюдается наиболее активная биогенная деятельность, способствующая максимальному накоплению гидрокарбонатов в подземных водах.

Наибольшая обводненность почв наблюдается в болотных отложениях, а также в образованиях разного генезиса на участках понижения рельефа. В почвенных водах ведущее место занимают нитраты, карбонаты, бикарбонаты, хлориды, сульфаты и фосфаты. Кроме того, встречаются закисные соединения железа, алюминия и марганца. Из органических соединений наибольшее значение имеют гуминовые и фульвокислоты. Обнаружены также белки, сахара, кремниевая кислота. Коллоидная составляющая почвенных вод образует до 1/20-1/4 сухого остатка. Почвенные растворы обладают высокой ионообменной способностью.

Химические особенности почвенных вод зависят от ландшафтно-климатических условий и вещественного состава вмещающих пород. Распределение химических типов почвенных вод подчинено географической зональности. На участках активного сельскохозяйственного землепользования закономерная гидрогеохимическая картина искажена.

Формирование грунтовых вод также подчинено воздействию физико-географических факторов. На территории нашей страны с севера на юг прослеживаются закономерные изменения глубины залегания, минерализации, состава, температуры грунтовых вод. Эти явления нашли отражение в работах В.С. Ильина, А.Н. Семихатова, А.В. Гармонова, О.К. Ланге и других ученых. Г.Н. Каменский установил, что химический состав грунтовых вод определяется процессами углекислотного выщелачивания для областей гумидного климата и континентального соленакопления – для областей аридного климата. Граница между этими областями проходит примерно по лесостепной зоне. Характерный химический состав грунтовых вод различных ландшафтно-климатических областей представлен в табл.14.

Загрязнение грунтовых вод сельскохозяйственных земель связано прежде всего с занесением в почву азотных удобрений и использованием различных средств химической защиты, в частности, пестицидов.

Азотное загрязнение подземных вод. Азотные соединения весьма широко распространены в грунтовых водах. Их проявление связано не только с внесением удобрений, но и с инфильтрацией бытовых и животноводческих стоков, кислотных дождей, свалками мусора и промышленных отходов. Азотные соединения относятся к очень стойким и трудноудаляемым загрязнителям, способным накапливаться в подземных водах в количествах значительно превышающих ПДК. Это связано с возможностью перевода соединений азота из одного валентного состояния в другое в различных физико-химических условиях. Ряд перехода от восстановительных форм к окислительным происходит с соответствующим изменением валентности от –3, 0, +1, +2, +3 до +5. Указанные преобразования управляются процессами нитрификации, конечным продуктом которых является ; денитрификации, приводящей к образованию и нитрат-редукции, дающей в итоге свободный азот – N₂. Во всех перечисленных процессах активное участие принимают соответствующие группы микроорганизмов.

Распределение азотных соединений в подземных водах носит зональный характер, поскольку оно контролируется окислительно-восстановительными процессами (величиной Еh) и кислотно-щелочными условиями (величиной pH). В верхней части разреза преобладают околонейтральные кислородные воды с величиной Еh более +200 мв (ΙΙΙ тип по классификации С.Р. Крайнова). Азотные соединения в них представлены . При меньших значениях Еh и образовании IV типа по той же классификации главным азотным компонентом становится .

Наибольшая концентрация нитратов наблюдается в верхней части разреза до глубины 10 м. Скорость вертикальной миграции нитратов достигает 1-5 м/год, поэтому в некоторых сельскохозяйственных районах при длительном использовании азотных удобрений глубина их проникновения достигает 60-100 м.

В работе [34] отмечаются два типа гидрогеохимической зональности распределения нитратов – прямой и обратный. При прямом типе зональности наблюдается нормальное распределение окислительно-восстановительных условий. Сверху залегает окислительная зона, внизу – восстановительная. Поэтому сверху вниз нитратные воды () сменяются нитритными (), а еще глубже аммонийными водами (). Это означает, что в верхних горизонтах наблюдаются процессы нитрификации, а в нижних – денитрификации.

Обратный вид гидрогеохимической зональности азотных вод наблюдается на участках, где с поверхности происходит проникновение большого количества азотных соединений (животноводческие фермы, коммунальные стоки, промышленные загрязнения). В этих условиях верхний водоносный горизонт имеет низкие положительные и даже отрицательные значения Еh. В то же время в нижних горизонтах сохраняется окислительная обстановка и положительные значения Еh – больше 200 мв. Поэтому в верхних горизонтах преобладает аммоний () и нитриты (). При этом в нижних горизонтах сохраняется присутствие нитратов ().

Наблюдаются значительные различия накопления азотных соединений в подземных водах в условиях гумидного и аридного климатов. Испарительный режим и континентальное соленакопление в аридных областях создают благоприятную обстановку для аккумуляции и роста концентрации азотных соединений в подземных водах. В гумидных условиях эти процессы происходят значительно медленнее. Как правило, концентрация азотных соединений в этих водах ниже ПДК. Она заметно возрастает лишь на участках непосредственного загрязнения подземных вод в результате внесения азотных удобрений, попадания коммунальных или промышленных стоков. Важно отметить, что 30-60 % нитратных и аммиачных удобрений, вносимых на поля, не усваиваются растениями и попадают непосредственно в подземные воды. Поэтому через 15-20 лет систематической подпитки азотными соединениями подземных вод фоновая концентрация нитратов в них обычно превышает 20 мг/л. Длительное землепользование в условиях аридного климата приводит к более тяжелым последствиям. Концентрация нитратов в этих районах достигает 10 и более г/л, аммония – 15 и более г/л, а нитритов – десятки мг/л.

Подземные воды питьевого назначения довольно часто содержат повышенные концентрации нитратов и других азотных соединений. Постоянное употребление таких вод может приводить к различного рода заболеваниям людей, поэтому важно найти эффективные меры по предотвращению этого явления. Сложность решения этой задачи определяется следующими обстоятельствами: 1) Высокая растворимость азотных соединений, которая достигает граммов и сотен мг/л. Меняя свою валентность, азот может мигрировать в разных формах, находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. По этой причине в обычных условиях наблюдается непрерывный рост содержания азотных соединений в воде. 2) Разные виды азотного загрязнения подземных вод регулируются микробиологической деятельностью в определенном диапазоне Eh-pH. На фазе нитрификации удалить нитраты из подземных вод практически невозможно. На фазе денитрификации аммоний () можно удалить на сорбционном глинистом барьере, который обладает отрицательным зарядом. На фазе нитрат-редукции образуется свободный азот, который не представляет токсикологической опасности.

Пестицидные загрязнения подземных вод. Чтобы понять важность изучения этой проблемы назовем только одну цифру. По данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения) в мире ежегодно заболевают от отравления пестицидами более 1 млн человек, а 20000 из них умирают. Пестициды – это ядохимикаты, которые применяются для борьбы с вредителями сельскохозяйственных полей. Они подразделяются на разные виды в зависимости от их применения (уничтожения сорняков, насекомых, борьбы с микробиологическими переносчиками болезней, удаления листьев) и разного состава (хлорорганические, фосфорорганические, карбонаты). ПДК для пестицидов весьма мала и колеблется в большом диапазоне от 0,000002 до 0,1 мг/л. Вместе с тем растворимость пестицидов весьма велика и изменяется от 1 до 90 г/л. Другой важной характеристикой пестицидов является время их разложения. Фосфорорганические соединения (ФОБ) имеют период распада от 4,5 до 55 суток, а хлорорганические соединения (ХОБ) – 360-3837 суток. При разрушении пестицидов образуются различные переходные формы. Обработка растений пестицидами проводится периодически. Значительная часть из них не усваивается растениями, попадает в почву и подземные воды после полевых мероприятий и выпадения атмосферных осадков. Поэтому распространение пестицидов в грунтовых водах имеет региональный характер. В некоторых районах их содержание в подземных водах достигает нескольких мг/л при значениях ПДК на несколько порядков ниже. Заражение пестицидами было обнаружено даже у пингвинов, обитающих в Антарктиде. Наиболее длительное время в почвах и подземных водах сохраняются хлорорганические пестициды. Двадцатипятилетняя практика применения ДДТ группы ХОБ показала, что из 1,5 млн тонн внесенного ядохимиката в почвах, воде и растениях остается неразрушенным около 1 млн тонн. Количество пестицидов, которое может проникнуть в грунтовые воды, зависит от мощности зоны аэрации, сорбционной емкости слагающих ее пород, роли гидролиза в разрушении пестицидов. Активное участие в их деструкции принимают микроорганизмы. Выделяют две стадии активности микроорганизмов – привыкания и адаптации, а затем их интенсивного разрушения. Эти процессы зависят от Eh-pH среды, состава воды, свойств вмещающих пород, температурной обстановки. По способности к восстановительному деградированию установлен следующий миграционный ряд: ДДТ → линдан → ДДЕ → ДДД. В этом миграционном ряду наиболее устойчивым оказался метаболит ДДТ.

Содержание фосфорорганических пестицидов может быть больше, чем представителей ХОБ и достигать десятков мг/л. Это примерно на порядок больше, чем обычное содержание разных видов ХОБ. Вместе с тем, учитывая кратковременное существование ФОБ, их присутствие в водах является менее опасным, чем представителей ХОБ.

Гидрогеохимия горно-промышленных районов. Загрязнение подземных вод горнодобывающих районовпроисходит как при переходе их в новое качество в результате образования рудных (шахтных, карьерных) вод, так и при поступлении в водоносные горизонты стоков из бассейнов-накопителей жидких отходов (хвостошламохранилища, гидроотвалы и др.), а также при фильтрации вод через хранилища добытого полезного ископаемого, отвалы, терриконы. Виды загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах весьма разнообразны, но чаще всего они связаны с формированием кислых сульфатных вод, обогащенных тяжелыми металлами при добыче сульфидных руд; аммонийных и нитратных вод – при проведении взрывных работ; радиоактивных вод – при добыче урановой руды; рассолов – при добыче солей. Кроме того, в этих районах на территории населенных пунктов возникают бактери

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: