Подземные воды составляющая часть геологической среды



страница1/5
Дата25.04.2016
Размер0.88 Mb.
  1   2   3   4   5



ВВЕДЕНИЕ

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ — СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЧАСТЬ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Основные компоненты состава пресных подземных вод

Основные процессы, определяющие условия формирования химического состава пресных подземных вод

  ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ЭКОСИСТЕМУ ЧЕЛОВЕКА

Значение химического состава воды при ее использовании

Основные нормативные документы России и Всемирной организации здравоохранения, регламентирующие состав питьевых вод

Экзогенные гипер- и гипомикроэлементозы

Классификация подземных питьевых вод по качеству

Комплексные методы оценки качества подземных вод

Влияние загрязнения подземных вод на окружающую среду

ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ВИДОВ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Защищенность подземных вод

Влияние на подземные воды горнодобывающей индустрии

Влияние промышленности на подземные воды

Изменение гидрогеохимических условий на урбанизированных территориях

Влияние на подземные воды сельскохозяйственного производства и гидротехнических сооружений

ВИДЫ И МЕТОДЫ ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Мониторинг состояния подземных вод

Принципы эколого-гидрогеологического картографирования

Прогнозные модели

Минимизация отрицательного воздействия на подземную гидросферу
 

ВВЕДЕНИЕ

Вода, являясь одним из самых распространенных веществ в природе, представляет собой уникальное соединение, благодаря которому на Земле зародилась и существует такое явление, как Жизнь, все то, что мы называем биосферой. Все природные воды теснейшим образом взаимосвязаны и образуют гидросферу, сплошную водную оболочку Земли. Вода в виде молекул Н2О отмечается в литосфере и атмосфере, а биосфера более чем на три четверти состоит из воды. Гидросфера — динамичная система, в которой между водными массами всех оболочек Земли поддерживается динамическое равновесие. С участием воды совершается кругооборот веществ и энергии в природе. Значительную роль в глобальном круговороте воды играет подземная составляющая. Здесь можно выделить подземный сток атмосферных осадков и преобразования воды во время таких геологических процессов, как седиментация, перекристаллизация пород и т.д. Следует также упомянуть об образовании воды из мантийных газов. Таким образом, подземные воды, характеризуясь особыми условиями миграции и разнообразными условиями формирования химического состава, являются составной частью единой гидросферы Земли. В настоящее время все большую остроту приобретает проблема пресной воды. На XXXV сессии Генеральной Ассамблеи ООН было объявлено, что более миллиарда людей планеты страдает от недостатка доброкачественной воды, необходимой для питья и хозяйственных нужд. Только для поддержания жизни человеку ежесуточно необходимо около 2 л воды, а житель современного благоустроенного города в сутки расходует от 100 до 1000 л. Еще больше расход пресной воды в промышленности: для производства одной тонны стали расходуется 150–200 м3 воды, меди — 500, бумаги 450–1000, искусственного волокна 2000–6000 м3. В связи с глобальным загрязнением поверхностных вод централизованное водоснабжение все в большей степени ориентируется на подземные воды. Так, в России более 60% городов использует для водоснабжения подземные резервуары. В других странах доля подземного водоснабжения еще выше. Однако в условиях растущей техногенной нагрузки на окружающую среду подземные воды также подвергаются загрязнению и истощению. В связи с этим при решении проблем охраны и рационального использования окружающей среды подземные воды, которые являются одной из наиболее используемых, уязвимых и динамичных составляющих геологической среды, занимают особое место. Пресные подземные воды являются основным объектом изучения экологической гидрогеологии. Экологическую гидрогеологию можно определить как учение о роли гидрогеологических условий в существовании и развитии биосферы при негативном влиянии техногенеза [43, 44].

Основными предметами изучения экологической гидрогеологии являются:



Влияние естественных и техногенных гидрогеологических условий на биосферу и, прежде всего, на человека.

Гидрогеологические аспекты изменения свойств геологической среды под воздействием человеческой деятельности.

Прогноз и профилактика отрицательного воздействия на подземные воды.

Принципы охраны и рационального использования подземной гидросферы.

Экологическая гидрогеология является комплексной, междисциплинарной наукой, охватывающей целый ряд разделов гидрогеологии, экологии, токсикологии, химии, радиоэкологии и других наук. В связи с этим, из-за большого объема рассматриваемых вопросов в данном учебном пособии материал изложен в тезисной форме. Основное внимание уделено комплексному подходу к проблемам. Для более глубокого знакомства с имеющимися данными читателю рекомендуется обратиться к специальным научным, справочным и учебным публикациям. Этим объясняются значительные размеры списка литературы.


I. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ— СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЧАСТЬ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

 В последнее время верхнюю часть земной коры все чаще рассматривают как элемент среды обитания человека. В связи с этим в литературе прочно укоренилось понятие "геологическая среда". Академик Е.М.Сергеев отмечал, что под геологической средой следует понимать верхнюю часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамическая система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и, в свою очередь, в известной степени определяющая эту деятельность. Н.И.Плотников, уточняя понятие "геологическая среда", характеризует ее как неотъемлемую часть окружающей среды и биосферы, охватывающую верхние разрезы гидрогеосферы, в которую входят четыре важнейших компонента: горные породы (вместе с почвой), подземные воды (вместе с жидкими углеводородами), природные газы и микроорганизмы, постоянно находящиеся в равновесии и формирующие в естественных и нарушенных условиях динамическое равновесие [42]. Учитывая, что именно состояние этого равновесия и определяет состав подземных вод, их можно рассматривать не только как наиболее используемую, уязвимую и динамичную составляющую геологической среды, но и как основной индикатор ее состояния. При организации центров мониторинга состояния геологической среды основное внимание уделяется подземным водам, в первую очередь пресным, которые помимо всего прочего являются и ценнейшим полезным ископаемым.

I.1. Основные компоненты состава пресных подземных вод

Несмотря на малую минерализацию, до 1,5 г/л, пресные подземные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, включающую целый комплекс неорганических и органических соединений, газов и живого вещества. Несмотря на малую минерализацию, до 1,5 г/л, пресные подземные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, включающую целый комплекс неорганических и органических соединений, газов и живого вещества.



Неорганические вещества — макро- и микрокомпоненты. В зависимости от концентрации неорганических веществ в подземных водах выделяют макрокомпоненты (десятки и сотни мг/л) и микрокомпоненты (менее 1 мг/л). Макрокомпоненты определяют химический тип воды и, как следствие, ее основные потребительские свойства. В первую очередь, к ним следует отнести Ca2+ , Mg2+ , Na+, K+, Cl- , SO42- и HCO3-. Концентрации и возможность накопления в подземных водах макрокомпонентов определяются геолого-гидрогеологическими условиями данного района и во многом зависят от минерального состава водовмещающих пород. К микрокомпонентам можно отнести все другие элементы. В настоящее время в воде их обнаружено более 80. Большая часть из них содержится в воде в концентрациях менее 1 мкг/л. В табл. 1 приведен порядок максимальных концентраций химических элементов, обнаруживаемых в пресных подземных водах [22].

 Таблица 1



Элемент

С,мг/л

Элемент

С, мг/л

Элемент

С, мг/л

Элемент

С, мг/л

N

n·100

In

<0,00n

Nd

<0,00n

Sc

0,00n

Al

0,n; n

I

0,n

Ni

0,0n

Sr

n·10

Ba

0,n

Yb

0,00n

Nb

0,0n

Sb

0,0n

Be

0,00n

Y

0,0n

Sn

0,0n

Tl

0,0n

B

n

Cd

0,0n

Pd

<0,00n

Ta

0,00n

Br

0,n

K

n·10

Pt

<0,00n

Te

0,00n

V

0,00n

Ca

n·100

Pr

<0,00n

Tb

<0,00n

Bi

<0,00n

Co

0,00n

Pm

<0,00n

Ti

0,n

W

0,0n

Si

n·10

Ra

n·10-10

Th

0,0n

Gd

<0,00n

La

0,0n

Re

0,00n

Tu

<0,00n

Ga

0,n

Li

0,n

Hg

0,00n

C

n·100

Hf

<0,00n

Lu

<0,00n

Rb

0,0n

U

0,0n

Ge

0,00n

Mg

n·100

Ru

<0,00n

P

0,n

Ho

<0,00n

Mn

0,n

Sm

<0,00n

F

n·10

Du

<0,00n

Cu

0,0n

Pb

0,0n

Cl

n·100

Eu

<0,00n

Mo

0,0n

Se

0,0n

Cr

0,0n

Fe

n·10

As

0,0n

S

n·100

Cs

0,0n

Au

0,00n

Na

n·100

Ag

0,0n

Zn

0,n













Zr

0,00n

Er

<0,00n

Из приведенных данных видно, что не любая пресная подземная вода может использоваться для питьевого водоснабжения, так как содержание многих микрокомпонентов в естественных условиях может превышать установленные ПДК (предельно допустимые концентрации).

Отдельной группой среди неорганических веществ следует выделить радиоактивные элементы. Концентрации радиоактивных элементов измеряются не в весовых единицах на объем, а в количестве распадов изотопа за секунду в единице объема. Один распад в секунду в радиологии получил название беккерель (Бк). Таким образом, концентрации радиоактивных элементов в воде измеряются в беккерелях на литр. Наиболее распространенными естественными радиоактивными изотопами в природных водах являются изотопы калия с атомным весом 40 (40К), радия (226Ra), радона (222Rn), урана (238U). Как правило, их суммарная концентрация не превышает 10 Бк/л, однако в местах, где в геологическом разрезе встречаются радиоактивные минералы, концентрация естественных радиоэлементов в воде может достигать тысячи и более Бк/л.



Органические вещества. Пресные подземные воды всегда содержат то или иное количество органического вещества. В естественных условиях их содержание, как правило, уменьшается с глубиной. Состав органических веществ довольно сложен и может быть представлен всеми классами органических соединений. Наиболее распространены высокомолекулярные кислоты (например, гуминовые кислоты и фульвокислоты). Они постоянно присутствуют в грунтовых водах в количестве от одного до нескольких мг/л. В последние годы в подземных водах обнаружен целый ряд аминокислот, являющихся структурными элементами белков. Кроме того, в пресных подземных водах нефтегазоносных провинций, как правило, присутствуют нафтеновые кислоты и различные углеводородные соединения.

Так как определение отдельных органических соединений в подземных водах затруднено, то, как правило, оценивается их суммарное число. Наиболее распространена суммарная оценка органических веществ с помощью величины окисляемости (мгО/л) количества органических углерода (Сорг ) и азота (Nорг). Наиболее точной характеристикой общего содержания органических веществ в подземных водах является количество Сорг.



Микроорганизмы. Из микроорганизмов наибольшее значение в пресных подземных водах имеют бактерии, также встречаются микроскопические водоросли, простейшие и вирусы. Различают аэробные и анаэробные бактерии. Первым для развития требуется кислород, вторые существуют при его отсутствии, восстанавливая сульфаты, нитраты и другие кислородсодержащие вещества. В пресных подземных водах зоны активного водообмена развиваются гнилостные, сапрофитные, денитрифицирующие и клетчатковые бактерии. Общее число бактерий может достигать миллиона на 1 мл воды, микроскопических водорослей — тысяч на один литр, простейших — сотен и тысяч на один литр. Число бактерий в воде зависит, главным образом, от наличия в ней питательных веществ. Болезнетворные бактерии, для развития которых нужен живой белок, сохраняются в подземных водах, как правило, не более 400 сут.

Газы. Основными газами, растворенными в пресных подземных водах, являются кислород, азот, углекислый газ и сероводород. В незначительных количествах встречаются и все остальные газы. По генетическим признакам выделяют газы воздушного происхождения(O2, N2, CO2), биохимические (CO2, H2S, N2) и газы ядерных превращений (He, Ra). Наиболее негативное влияние на потребительские свойства воды оказывает наличие в ней сероводорода. Это связано не только с органолептическими показателями. Сероводород вызывает интенсивную коррозию металлических обсадных труб и другого оборудования в результате образования гидротроилита (FeS·nH2O).

В пресных подземных водах преобладают растворенные формы химических элементов. Коллоидные формы присутствуют в основном только в грунтовых водах. Главным образом это соединения элементов с органическими веществами гумусового ряда, особенно с фульвокислотами, а также полимерные соединения кремнезема. В истинном растворе вещество может находиться в виде простых и комплексных ионов, а также нейтральных ионных пар и молекул.


I.2. Основные процессы, определяющие условия формирования химического состава пресных подземных вод

Практически все пресные подземные воды по своему генезису относятся к инфильтрационным, т.е. образовавшимся в результате инфильтрации атмосферных осадков. В дальнейшем химический состав инфильтрационных вод формируется под действием физико-химических и биохимических процессов, приводящих к равновесию между водой, водовмещающими породами, газами и живым веществом. Среди них в первую очередь следует выделить: растворение — процесс перехода вещества из твердой фазы в жидкую, сопровождающийся разрушением кристаллической структуры твердой фазы, выщелачивание — избирательное извлечение какого-либо компонента из твердого вещества, сохраняющего при этом свою кристаллическую структуру, кристаллизацию — процесс выделения твердой фазы из насыщенного раствора, сорбцию и десорбцию — процесс избирательного поглощения или выделения газообразных и растворенных веществ твердой фазой, ионный обмен — процесс эквивалентного обмена веществом между твердой и жидкой фазами, биохимические процессы — процессы, связанные с окислением или восстановлением вещества под действием микроорганизмов. Все вышеперечисленные процессы взаимосвязаны и, в свою очередь, определяют характер окислительно-восстановительных реакций, протекающих в самом водном растворе. Геохимии пресных подземных вод посвящена монография [22], а также отдельные главы в работах [2, 18].

Далее рассмотрим миграцию вещества в подземных водах. Подземные воды представляют собой сложную подвижную среду. Миграция вещества происходит преимущественно вследствие конвекции, т.е. перемещения вещества вместе с водной фазой. При очень малых скоростях потока возрастает роль диффузии — миграции вещества благодаря наличию градиентов концентрации. В реальном диапазоне скоростей фильтрации подземных вод массоперенос осуществляется главным образом путем конвекции, т.е. вместе с потоком жидкости. Средняя действительная скорость потока V определяется уравнением: V = kI/n , где k — коэффициент фильтрации, I — напорный градиент, n — активная пористость.

В процессе миграции происходит диффузионное и фильтационное рассеивание вещества, т.е. его дисперсия. Фильтрационная дисперсия обусловлена ветвлением элементарных струек воды в результате неоднородности поля скоростей потока внутри порового пространства (микродисперсия) и неоднородности пор в водовмещающих породах (макродисперсия). Таким образом, при миграции вещества в подземных водах образуется ореол его рассеивания с уменьшением концентраций к его краям. Более подробно теория массопереноса изложена в работах [6, 11, 24, 33].

Помимо дисперсии, миграция вещества в подземных водах сопровождается химическими, биохимическими и физико- химическими процессами, направленными на приведение в равновесное состояние системы вода - порода. В случае попадания в подземные воды загрязняющих веществ совокупность перечисленных выше процессов обобщается понятием самоочищение.

Самоочищение подземных вод от неорганических веществ происходит, как правило, вследствие осаждения компонентов раствора на геохимических барьерах. Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А.И.Перельманом [40]. Геохимический барьер — это зона, в которой на коротком расстоянии происходит резкая смена гидрогеохимических условий миграции химических элементов, что вызывает осаждение этих элементов в твердую фазу. Геохимические барьеры возникают не только на границе разных фаз, но и в однородной среде, например, при изменении Eh — pH условий подземных вод или концентраций отдельных компонентов раствора. Основными геохимическими барьерами, приводящими к самоочищению пресных подземных вод, являются окислительный (кислородный), восстановительный, щелочной (гидролитический и карбонатный), сульфидный, кислый, сорбционный гидроксидный и сорбционный глинистый.



Окислительный барьер заключается в окислении более растворимых восстановленных соединений в менее растворимые окисленные. Например, способность околонейтральных и особенно щелочных подземных вод осаждать элементы — гидролизаты с минимальным ПР гидроксидов (Mn, Fe, Al). В результате таких процессов даже на участках загрязнения данными элементами подземные воды могут сохранять свой первоначальный состав.

Восстановительный барьер характеризуется преобразованием более растворимых окисленных форм элементов с переменной валентностью в менее растворимые — восстановленные. Например, Cr в околонейтральных кислородсодержащих водах находится в виде анионов HCrO-4 и CrO2-4 (Cr6+). При снижении Eh происходит образование мало-растворимых соединений Cr(OH)3 и Cr2O3 (Cr3+).

Щелочной гидролитический барьер возникает при увеличении рН среды. При этом многие элементы, мигрирующие в виде комплексов (Be2+, Hg2+, Cr3+, Fe3+, Mn3+, Cu2+), переходят полностью или частично в твердую фазу в виде гидроксидов (BeF+ +2OH- = Be(OH)2 + F-).

Действие щелочного карбонатного барьера основано на образовании трудно-растворимых карбонатов катионогенных элементов и элементов — комплексообразователей (Fe, Mn, Co, Zn, Pb и др.).



Сульфидный барьер основан на образовании трудно-растворимых сульфидов многих элементов — комплексообразователей и анионогенных элементов (Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Mo, As, Sb). Условия действия этого барьера создаются в зонах сульфат-редукции, а также при подтоке сульфидных вод.

Сорбционный гидроксидный барьер основан на том, что свежеосажденные гидроксиды поливалентных элементов являются эффективными сорбентами. В первую очередь к ним относятся гидроксиды Fe, Mn, Al. В кислой среде данные гидроксиды наиболее интенсивно соосаждают W, As, Se, Mo, Cr, Sb и др. В щелочной среде соосаждаются Ba, Sr, Zn, Cu, Pb и др.

Сорбционный глинистый барьер обусловлен наличием отрицательного заряда на поверхности глинистых минералов. В результате катионного обмена здесь могут осаждаться Li, Be, Zn, Cu, Cd, Pb, Hg, Co, Ni, Tl и т.д.

Как правило, в природных условиях всегда имеет место не один, а несколько геохимических барьеров. С позиции самоочищения подземных вод наиболее эффективными являются окислительные барьеры для элементов с переменной валентностью и сорбционные для большинства элементов, содержащихся в воде в микроколичествах. Для органических веществ характерны также процессы саморазложения. В этом случае вещество продолжает мигрировать, но уже в виде продуктов химических и биохимических реакций.

Важной характеристикой процессов самоочищения является скорость их протекания. Скорость химических реакций уменьшается при понижении температуры. Для приближенной оценки влияния температуры на скорость химической реакции можно пользоваться правилом Вант-Гоффа, из которого следует, что при понижении температуры на 100С скорость реакции уменьшается в 2–4 раза. Для биохимических реакций характерна зависимость их скорости как от температуры, так и от содержания кислорода. Для каждого вида микроорганизмов характерен свой температурный диапазон жизнедеятельности. При несоответствии температурных условий в подземных водах этому диапазону жизнедеятельность микроорганизмов замедляется в десятки и сотни раз.
II. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА ЭКОСИСТЕМУ ЧЕЛОВЕКА

В связи с глобальным загрязнением поверхностных вод централизованное водоснабжение все в большей степени ориентируется на подземные воды. Однако в условиях растущей техногенной нагрузки на окружающую среду и подземные воды подвергаются загрязнению. Техногенные компоненты обнаруживаются уже не только в верхних, слабо защищенных, водоносных горизонтах, но и в глубоких артезианских резервуарах. Загрязнение подземных вод влечет за собой целый ряд экологических и социальных последствий. Требует серьезного внимания распространение 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 здоровья населения. Проблема качества подземных вод в настоящее время превратилась в одну из самых актуальных проблем человечества.

II.1. Значение химического состава воды при ее использовании

Пресные подземные воды используются как для питьевого водоснабжения, так и в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте — практически при всех видах человеческой деятельности. В зависимости от целей использования воды требования к ее химическому составу могут быть различны. К воде, применяемой в различных отраслях промышленности, предъявляются требования в соответствии со спецификой данного вида производства. Например, в сахарном производстве необходимо, чтобы вода имела минимальную минерализацию, так как присутствие любых солей затрудняет варку сахара. В пивоваренном производстве требуется отсутствие в воде CaSO4, препятствующего брожению солода. В воде, применяемой для винокуренного производства, нежелательно присутствие хлористого кальция и магния, которые задерживают развитие дрожжей. В текстильной и бумажной промышленности не допускается присутствие в воде железа, марганца и кремниевой кислоты. Производство искусственного волокна требует малой окисляемости воды (менее 2 мгО/л) и минимальной жесткости (до 0,64 мг-экв/л). Такие же требования по жесткости предъявляются к воде и в энергетической промышленности. К воде, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, предъявляемые требования можно свести к двум основным условиям: безвредности ее для организма и удовлетворительному качеству по вкусу, запаху, прозрачности и другим внешним свойствам.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал