Особливості забруднення підземних вод

Підземні води (ПВ) - всі води, які знаходяться під поверхнею землі в зоні аерації та насичення в прямому контакті з родючими грунтами і підгрунтами (грунтами).)

Забруднення ПВ - скид людиною (прямий або непрямий) речовин тгі енергії в ПВ, який в результаті спричиняє ризик для здоров'я людей, шкоду живим ресурсам та водним ЕС, або заважає використовувати воду в інших законних цілях. Прямий скид - внесення в підземні води ЗР без фільтрації крізь родючий грунт чи підгрунт (грунт); непрямий скид - внесення в підземні води ЗР після фільтрації крізь родючий грунт чи підгрунт. Забруднення ПВ - це викликана антропогенною (техногенною) діяльністю зміна якості води у порівнянні з нормами якості води по видах водокористування (питне, іригаційне, технічне, бальнеологічне, промислове, теплоенергетичне), яка робить воду частково чи повністю непридатною для використання за призначенням. Причинами забруднення ПВ можуть бути складування різних відходів на земній поверхні, в різних накопичувачах рідких відходів, експлуатація водоносних горизонтів тощо. Чималий техногенний вплив на ПВ має місце при пошуках, розвідці, експлуатації, транспортуванні і переробці багатьох корисних копалин. Так, при розробці родовищ корисних копалин із надр вибираються ПВ, що призводить до порушення природного стану ландшафтних компонентів. При цьому здійснюється прямий чи непрямий вплив на ПВ, що призводить до зміни їх якісних та кількісних параметрів у процесі забруднення.

Забруднювальні речовини проникають у водоносні горизонти й викликають такі види забруднень: хімічне, бактеріальне (мікробне), теплове і радіоактивне.

Хімічне забруднення. Хімічне забруднення відбувається в результаті проникнення майже всіх ЗР, за винятком теплообмінних вод та радіоактивних речовин, але основну роль відіграють промислові відходи. Хімічне забруднення зазвичай проявляється у збільшенні, порівняно з фоном, мінералізації, макро- і мікрокомпонентів, у появі невластивих їм мінеральних та органічних сполук, в збільшенні їх вмісту у часі. Найчастіше у забруднених водах зустрічаються Сl^-,SO₄^-2, Ca²⁺, Mg²⁺, Fе²⁺, Fе³⁺, F, N0^-, нафтові вуглеводні, феноли, органічні сполуки, важкі метали. Серед антропогенного хімічного забруднення ПВ найбільш поширеними є нафтове, хлоридне, нітратне; забруднення важкими металами. Хімічне забруднення інколи супроводиться зміною органолептичних властивостей і температури води [36].

Нафтове забруднення. Нафта та НП є гідрофобними речовинами. Частина НП розміщується у вигляді лінзи на поверхні ґрунтових вод (товщиною від декількох см до 1-2 м і більше). Так, на місцях колишніх військових аеродромів спостерігається не тільки нафтове забруднення, але й видобуток техногенних НП. Друга частина НП нижча за фазовідособлену частину („лінзу") і за її межами утворює з водою двофазну суміш у вигляді емульсії. Нарешті, найбільш розчинні нафтові вуглеводні (в основному арени) утворюють з водою розчин. Розміри площ, які зайняті емульсованими й водорозчинними нафтовими вуглеводнями у багато разів (пх10) більші за площі, що зайняті у вигляді лінзи. Джерелами нафтового забруднення є: нафтодобувні та нафтопереробні підприємства (аварійні розливи нафти, бурової рідини, стічних вод), об'єкти зберігання та перерозподілу НП (нафтобази, автозаправні станції). Причинами забруднення природного середовища найчастіше бувають аварійні витікання і розливи внаслідок несправності резервуарів зберігання, трубопроводів та ін.

Хлоридне забруднення спричиняється промисловими відходами високомінералізованих вод, добутих на поверхню, шахтними та рудниковими водами, морськими водами у прибережних районах тощо. Хлориди добре розчинні, стійкі, це речовини, що не розкладаються й не. сорбуються, вони мають високу міграційну здатність і займають значні' площі. •

Забруднення важкими металами. Важкі метали займають одне з провідних місць серед ЗР; найбільш поширеними є Рb, Си, Zn, Сd та їх сполуки. Забруднення важкими металами пов'язані із деякими промисловими відходами, викидами автотранспорту, отрутохімікатами тощо. їх накопичення у ПВ має місце при забрудненні атмосфери, грунту, поверхневих вод. Важкі метали у катіонній формі добре сорбуються, тому їх гідрогеохімічні аномалії мають обмежені розміри. Важкі метали відносять до стійких ЗР, які погано розкладаються у природних умовах.

Нітратне забруднення. Нітратний азот є кінцевим продуктом у ланцюзі послідовного окислювання азоту: NНз (NН₄⁺)è NO₂^- è N0з^-) Процес нітрифікації, у результаті якого NO₂^- переходить у N0з^- триває до 1-1,5 місяця (NO₂^- - «свіже» забруднення). Нітратне забруднення пов'язане з сільськогосподарською діяльністю, меншою мірою з промисловими й комунально-побутовими відходами. Нітрати добре розчиняються у воді, відрізняються невеликою сорбційною властивістю можуть мігрувати далі.

Бактеріальне забруднення. Під бактеріальним забрудненням (мікробним) розуміється збільшення вмісту у ГІВ порівняно з природним фоном санітарно-показових мікроорганізмів. Особливе значення для:

мікробіологічної характеристики води має загальна кількість бактерій і кількість кишкових паличок. Особливістю бактеріального забруднення є обмеженість його розповсюдження в межах водоносного горизонту, що обумовлено незначним часом виживання бактерій в ГІВ. Цей час може тривати 30-400 діб (в залежності від їх кількості у воді, швидкості фільтрації, геохімічних умов, наявності інших ЗР, температури та ін.). Наявність детергентів до 5 мг/дм³ (СПАР, миючі засоби) і НП навіть сприяє розмноженню бактерій. Бактеріальне забруднення звично носить тимчасовий і локальний характер,

Теплове забруднення. Виявляється у підвищенні температури ПВ| порівняно з фоном. Зміна температури викликає і зміну хімічного складу та органолептичних властивостей ПВ, що відзначається у районах функціонування АЕС та ТЕС, під час скиду на земну поверхню нагрітих стічних вод. У населених пунктах формується «острів тепла», як у атмосфері, так і у ПВ; найчастіше відзначається у ГВ. Так, при підвищенні температури від 15"С до 25°С токсичність Zn збільшується у 3 рази.

Антропогенні (техногенні) джерела забруднення ПВ виникають в результаті господарської діяльності людей, у тому числі прямого чи непрямого впливу на склад та інтенсивність природного забруднення й поділяються на: 1) неочищені або недостатньо очищені виробничі й комунально-побутові стічні води, 2) поверхневі стічні води (наприклад, річки Донбасу); 3) дренажні води, 4) аварійні скиди й переливи стічних вод, 5) фільтраційні витоки речовин із ємностей, трубопроводів та ін.; 6) тимчасові викиди у атмосферу (пил, аерозолі), які осаджуються на поверхні землі та у водних об'єктах; 7) нерегламентовані викиди й скиди (нафтопродуктів, пестицидів, добрив тощо); 8) промислові майданчики підприємств, місця зберігання, транспортування продукції та відходів виробництва; 9) звалище комунальних і твердих побутових відходів.

Антропогенним джерелом забруднення ГІВ є населений пункт у цілому (гідрогеохімічна аномалія, «тепловий острів»).

Антропогенні джерела забруднення ПВ можуть бути поділені за походженням: індустріальні, промислові, сільськогосподарські, комунальні, транспортні, урбанізовані.

Усі джерела за їх конфігурацією у просторі поділяються на:

1) місцеві - площа (F) < 100 км ², довжина (L) < 20 км; 2) обмежено-регіональні • F = 100-1000 км², L = 20-200 км; 3) регіональні - F > 1000 км ², L > 200 км.

Джерела забруднення поділяються за ступенем обумовленого ними забруднення ПВ. 1) помірного забруднення від фонових — фон -1 ГДК;

2) джерела значного забруднення -1-10 ГДК; 3) джерела екстремального забруднення - більше 100 ГДК [36].

Існує взаємозв'язок забруднення ПВ із забрудненням атмосферних опадів, вод поверхневого стоку і Грунтів. В багатьох випадках родючі грунти і породи зони аерації (1-3 м) є головним вмістилищем всіх ЗР, що надходять в атмосферу (викиди теплоенергетики, автотранспорт, промисловість і ін.) з поверхні землі. Проникнення ЗР здійснюється як природними шляхами (крізь літолого-фаціальні та тектонічні "вікна"), так і шляхами міграції, створеними при техногенній діяльності (кар'єри, криниці, накопичувачі, полігони тощо). Внаслідок цього ЗР можуть проникати до глибин порядку 1 км і більше (залежно від гідрогеологічних та техногенних факторів). Особливо уразливими для техногенного впливу є грунтові води (ГВ), які можуть забруднюватися навіть при низьких фільтраційно-ємнісних властивостях порід зони аерації і досить великих глибинах їх залягання.

Високий ступінь господарського освоєння територій відзначається при найбільшій густоті населення, що створює об'єктивні передумови для забруднення всіх складових навколишнього природного середовища, включаючи ПВ. Підприємства гірничодобувної, металургійної, хімічної і нафтової промисловостей, розвинена мережа автомобільних доріг, хімізація сільськогосподарського виробництва, значна кількість смітників, промислових і побутових відходів, зростаючі масштаби урбанізації і багато інших причин сприяють забрудненню ПВ.

За умовами забруднення і характером впливу на ПВ для регіонів, що знаходяться у сфері інтенсивного техногенного впливу, можна виділити декілька характерних ситуацій, що в принципі типові для багатьох регіонів, які зазнають значного техногенного навантаження.

В.Г. Магмедовим [37] наведено класифікацію основних джерел забруднення за генезисом і характером впливу на підземні води в Україні.

Основними джерелами скупченого (локального) забруднення ГВ звичайно є численні полігони і неорганізовані смітники промислових, сільськогосподарських та побутових відходів, різноманітні накопичувані рідких відходів, місця скиду вод нафтових родовищ на рельєф місцевості, витікання нафтопродуктів з різноманітних ємностей та ін.

Джерелами лінійного забруднення ГВ є малі річки, які піддаються інтенсивному техногенному забрудненню, що впливає на концентрацію ЗР, особливо в періоди маловоддя. Лінійне забруднення може мати місце і при витоках з каналізаційної мережі. Інфільтрація забруднених стічних і річкових вод призводить до погіршення якості ГВ, появи як природних (Сl^-, SO₄^2- та ін.), так і типових антропогенних компонентів (СПАР, пестициди тощо).

Основним джерелом плащового (дифузного) забруднення ГВ є| сільгосіївиробництво. Наднормативне застосування азотних мінеральних' добрив призводить до нітратного забруднення ГВ на полях зрошення; в і багатьох регіонах вміст N0₂^- у 2-3 рази і більше перевищує ГДК. В цих же районах простежуються підвищені концентрації важких металів, які надходять разом з добривами фосфору, а також калію. Визначено наявність пестицидів, в тому числі і заборонених до використання ДЦТ, хлорофосу, та інших пестицидів в концентраціях до 0,002 мг/дм³. Крім того, нітрати, отрутохімікати, важкі метали, нафтопродукти, феноли та інші ЗР змиваються з різноманітних об'єктів поверхневим стоком і, інфільтруючись в ГВ, погіршують їх якість. Джерелом площового забруднення є й розпилення пестицидів сільгоспавіацією, яке проводиться в обмежених розмірах, але неприпустимо для густо заселених районів.;

Регіональним джерелом забруднення ГВ можуть бути забрудненії атмосферні опади, що є одним з негативних факторів зміни якості вод. '

Найбільшою мірою на антропогенне забруднення наражаються ПВ зони активного водообміну, які можуть бути розташовані близько до поверхні землі. В гідрогеохімічному відношенні ПВ зони активного водообміну, особливо ГВ, зазвичай прісні води (мінералізація менше 1 г/дм³), здебільшого гідрокарбонатно-кальцієвого складу, і є об'єктом господарськоііитного водопостачання в багатьох країнах. На їх склад можуть впливати навіть слабомінералізовані атмосферні опади (дощові опади мають мінералізацію 12-120 мг/дм³, туман -165 мг/дм³), які містять ЗР.

Зміна якості ГВ може виражатись в збільшенні їх мінералізації, жорсткості, вмісту типових макро- (Сl^-, SO₄^2-, Са²⁺, Mq²⁺) і мікрокомпонентів (J, Вr, F), в появі специфічних речовин антропогенного походження (СПАР, НП, феноли, пестициди та ін.), в зміні фізичних і органолептичних властивостей тощо.

Якість прісних ПВ, які використовуються для водопостачання, виз­начається, як і для поверхневих вод суші, державними стандартами (ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая»; СанПіН), що включають бактеріологічні, органолептичні та хімічні показники.

Показники хімічного складу ПВ включають ГДК речовин, що зустрічаються як в природних умовах, так і внаслідок промислового, транспортного, сільськогосподарського, комунального чи іншого забруднення, а також внаслідок очистки води. ГОСТ 2874-82 та інші стандарти лімітують вміст суми мінеральних компонентів, загальну жорсткість, N03^-, Сl^-,H⁺ (рН), Ве, Мо, Аs, Рb, Sе, Sг тощо. Так, якщо ВОЗ рекомендовані такі значення показників якості питної води: Сl^- = 600 мг/дм³, SO₄^2- = 400 мг/дм³, Mn²⁺ = 0,5 мг/дм³, Zn²⁺ = 15 мг/дм³, Fe²⁺, Fe³⁺ = 1 мг/дм³, то ГОСТ 2874-82 передбачає більш жорсткі обмеження (Сl^- = 100-350 мг/дм³, SO₄^2-= 250 мг/дм³, Mn²⁺ = 0,1 мг/дм³, Zn²⁺ = 5 мг/дм³, Fe²⁺, Fe³⁺ = 0,3 мг/дм³).

Зміна якості прісних вод зони активного водообміну під впливом техногенних дій може виразитися у збільшенні їх мінералізації, вмісту макро- (Сl^-, SO₄^2-, Са²⁺ ', Mg²⁺), мезо- (Fe²⁺, Fe³⁺) та мікрокомпонентів (J, Вr, F і ін.), у появі в підземних водах невластивих їм речовин антропогенного генезису (СПАР, пестициди та ін.), у зміненні температури, рН, Еh, у появі специфічного запаху, кольору і т.д.

Радіоактивні елементи враховуються згідно з нормами радіаційної безпеки (НРБ -76/37 та інші нормативні документи).

При вмісті в воді деяких ЗР (за винятком F, N0₃^-) сума їх концентрацій не повинна перевищувати 1, тобто:

Якщо визначити показники якості води в природних умовах через Се (фонові значення), а ГДК цих же речовин через С’, то величина С може виражати мінералізацію, загальну жорсткість, концентрацію окремих макро-, мезо- та мікрокомпонентів. В більшості випадків Се < С', але може бути, що це стосується мінералізації або жорсткості; відповідно до стандарту якості і по окремих компонентах С > ГДК.

В.М. Гольдберг [36] виділяє 2 основні стадії забруднення підземних вод:

1 - дограничне, початкове забруднення чи ознаки забруднення, тобто коли вміст ЗР більше Се, але меньше С'. Для цієї стадії забруднення характерно зростання концентрації ЗР в часі, хоча воно залишається нижчим за значення ГДК:

II - надграничне забруднення - вміст ЗР вище ГДК. В стадії II виділяються 3 міри забруднення:

Міра IIв - екстремальне забруднення в загальному випадку, а для токсичних речовин екстремальним треба вважати С > 100 ГДК.

Найбільш небезпечною є стадія II, але не менш важливий своєчасний вияв стадії І. Ці стадії можуть мати місце за межами зони активного впливу техногенних джерел, а також на ділянках водозабірних споруд. Міра На визначається поблизу порівняно невеликих за інтенсивністю джерел забруднення; на водозабірних ділянках зустрічається рідко. Якщо забруднення перевищує в 1,5-2 рази ГДК, то водозабір зазвичай використовується для технічних цілей. Міри IIб і ІІв характерні для ділянок, які зазнають тривалого інтенсивного впливу джерел забруднення.

Забруднення ПВ може бути викликано більшою кількістю ЗР (п х 10 і більше). Звично обирають 2-3 типових ЗР із найбільш перевищуючих значення ГДК (С/С' > 7), але при цьому враховуються і загальні, тобто ті показники, що виявляються часто і повсюдно (мінералізація, загальна жорсткість, хлор-іон, сульфат-іон, нітрат-іон, органічні речовини та ін.).

Техногенне (антропогенне) забруднення ПВ неоднакове за ін­тенсивністю і масштабами.

Значне забруднення ПВ спостерігається поблизу приймачів про­мислових комплексів і сільськогосподарських відходів. Зони забруднення, що формуються тут, носять локальний характер, але відрізняються високою інтенсивністю забруднення (стадія П, С > 10 - 100 ГДК, де С -концентрація ЗР).

Дуже важливим є вплив забруднення атмосфери на якість ПВ, який носить регіональний характер (стадія \,С < 1 ГДК).

Локальне забруднення характеризується невеликою площею і ви­соким вмістом ЗР. Під впливом населених пунктів, сільськогосподарських площ концентрації ЗР дорівнюють 1-10 ГДК, а під впливом ділянок складування відходів, окремих промислових, комунальних та сільськогосподарських об'єктів - до 10-100 ГДК.

Якщо до забруднення ПВ відносити лише випадки з С > 1 ГДК, то картина забруднення ПВ буде мати переважно локальний характер. Якщо відносити випадки, коли С > фону, але менше за ГДК, то картина буде носити регіональний характер.

Влив процесів техногенезу відбивається не лише у змінюванні хімічного складу, але й підвищенні температури («острів тепла» у містах), у зміні бактеріологічного складу тощо.

Основне навантаження ЗР, що надходять з поверхні землі, падає на ГВ, які е акумулятором ЗР, захисним шаром і одночасно джерелом забруднення для більш глибоких водоносних горизонтів. Якщо швидкість горизонтального водообміну ПВ у багато разів менша за швидкість вертикальної міграції ЗР з поверхні землі, то відбувається їх накопичення у верхніх водоносних горизонтах, особливо у ГВ.

Власне кажучи, у районах інтенсивного сільськогосподарського освоєння і особливо у промислових районах, відбувається формування антропогенного і гідрохімічного режимів ПВ. Має місце селективне проникнення ЗР у ПВ, переважно мінеральних компонентів.

Іншим важливим техногенним фактором, який впливає на зміну якості ПВ е водовідбір, з яким пов'язане підтягування до водозабірної споруди некондиційних підземних та поверхневих вод.

Серед техногенних джерел забруднення особливу небезпеку ста­новлять поверхневі земляні ємності, призначені для зберігання рідких і твердих відходів. Пристосовані вони до природних і штучних заглиблень рельєфу і обваловані (обнесені) дамбами. Приймачі таких відходів входять і до системи промислової каналізації підприємств хімічної, металургійної, гірничодобувної, нафтохімічної, целюлозно-паперової, фармацевтичної та ін. промисловостей.

Процес забруднення ПВ відбувається у 3 стадії.

1. Прохідна фільтрація зі сховища рідких відходів (приймача відходів). Стічні води інфільтруються крізь зону аерації, в результаті чого на поверхні ГВ починає виростати «бугор» забруднених вод. Вільна фільтрація триває доти, поки потік із сховища відходів не зімкнеться з горизонтом ГВ. Тривалість прохідної фільтрації звично не більше 1-2 років. Разом із зростанням «бугра» забруднених вод відбуваєтьсяїхрозтікання по горизонту ГВ.

2. Змішування метаморфізованих (змінених) вод з ГВ.

3. Просування забруднених вод та їх розповсюдженняповодоносному горизонту. У цей час і відбувається формування ділянки забруднення водоносного горизонту.

Взаємозв'язок забруднення ПВ із забрудненням інших природних середовищ обумовлює необхідність комплексного вивчення і моніторингу забруднення цих середовищ та планування комплексних досліджень.