XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

В.И. Вернадский писал: “Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не заключало. Всё земное вещество – под влиянием свойственных воде частичных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено”. [4]

В настоящее время актуальной становится проблема пресной воды. Только для выживания человеку каждые сутки необходимо около 2 литров воды, в то же время средний житель современного города ежесуточно расходует 100-1000 литров. Ещё больший расход пресной воды идёт в промышленной сфере. Например, для производства тонны стали расходуется 150 тыс.-200 тыс. литров воды, бумаги 450 тыс.-1000 тыс. литров, искусственного волокна 2000 тыс.-6000 тыс. литров. В связи с глобальным загрязнением поверхностных вод централизованное водоснабжение всё чаще обращается к запасам подземных вод. В РФ порядка 60% городов снабжают себя подземными водами. Но в условиях возрастающей техногенной нагрузки на окружающую среду подземные воды, как и поверхностные, подвергаются и загрязнению, и истощению. Поэтому, при решении проблем охраны и рационального использования окружающей среды, подземные воды занимают особое место. [3]

Цель работы: изучить виды антропогенного воздействия на подземные воды.

Задачи:

рассмотреть источники загрязнения подземных вод;

рассмотреть виды загрязнения подземных вод по характеру проявления и последствиям;

рассмотреть истощение поземных вод в связи с их эксплуатацией.

Глава 1. Загрязнение подземных вод

Загрязнения и их источники

Загрязнение подземных вод – изменение физических, химических и биологических свойств воды, ограничивающих или исключающих её использование в различных направлениях, где она обычно играет существенную роль. Загрязняющие вещества, содержащиеся в отходах, образованных в результате деятельности человека, проникают в подземные воды и могут вызвать различные виды загрязнений. [7]

К основным источникам антропогенного загрязнения подземных вод можно отнести следующие:

промышленные сточные воды;

некондиционные воды;

сельскохозяйственные сточные воды;

места разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений;

коммунальные и сельскохозяйственные отходы;

объекты атомной промышленности и энергетики. [7, 9, 10]

Загрязнения по характеру проявления и последствиям

По характеру проявления и последствиям различают следующие загрязнения подземных вод: химическое, бактериальное, радиоактивное, тепловое, бытовыми отходами.

Наиболее распространено химическое загрязнение подземных вод. Оно вызвано проникновением различных органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия в водоносные горизонты. При отсутствии сорбции и реакции взаимодействия с водовмещающими породами химическое загрязнение может быть длительным, трудно устранимым и в принципе неустранимым.

Главный источник – промышленные стоки, вода из которых поступает в водоносные горизонты из отстойников, накопителей, шламохранилищ и т.д. Загрязнение может происходить также за счёт распространения загрязняющих веществ на местах складирования и хранения нефтепродуктов, сброса сточных вод в поглощающие скважины в результате закачивания промышленных стоков в глубокие горизонты и др.

Так как современное промышленное производство отличается большим разнообразием составов сырья, продуктов и отходов, в зонах химического загрязнения в подземных водах обнаруживаются тяжёлые металлы, нефтепродукты, синтетические органические соединения, хлориды, сульфаты, фтор, мышьяк, азот и многие другие вещества.

К источникам химического загрязнения пресных подземных вод относятся также природные некондиционные поверхностные и подземные воды, которые отличаются повышенной общей минерализацией, повышенными концентрациями железа, сульфатов, сероводорода и других компонентов.

Наиболее распространёнными являются следующие химические загрязнения: макрокомпонентами, нефтепродуктами, тяжёлыми металлами, нитратами и пестицидами, хлоридами.

Загрязнение подземных вод макрокомпонентами вызывается поступлением различных отходов промышленности, природных некондиционных вод, высокоминерализованных вод глубоких горизонтов, которые извлекаются на поверхность.

Сточные воды промышленных и сельскохозяйственных предприятий и высокоминерализованные природные воды (рассолы и морские воды) обычно плотнее, чем пресные. Они опускаются к подошве пласта, попадая в водоносные горизонты и тем самым изменяют природную геохимическую зональность водоносных горизонтов. Макрокомпоненты плохо или вообще не сорбируются породами, и потому переносятся с потоком подземных вод на большие расстояния по водоносным горизонтам, при этом образуя большие площади загрязнения подземных вод.

Загрязнение подземных вод нефтью и нефтепродуктами происходит в результате всех видов производственной деятельности человека, которая осуществляется при разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений. Нефть значительно отличается по своим свойствам от воды, а – именно меньшей плотностью. Также нефть и нефтепродукты по большей части слабо растворимы в воде. Поэтому нефть и вода рассматриваются как взаимонерастворимые и несмешивающиеся жидкости. Нефтепродукты обычно находятся в верхней части водоносных горизонтов.

Исследования разных специалистов дают следующее представление о загрязнении подземных вод нефтепродуктами: в случае загрязнения подземных вод нефтепродуктами на поверхности вод формируются линзы, которые состоят из нефтепродуктной жидкости – углеводородов, мощность которых зависит от количества проникших в водоносный горизонт нефтепродуктов и может меняться от нескольких сантиметров до нескольких метров. Ниже однофазного слоя залегает слой, содержащий двухфазную смесь в виде эмульсии. А наиболее растворимые углеводороды (чаще – ароматические) образуют с водой раствор. В результате нефтяного загрязнения подземных вод образуется стратифицированный разрез водоносного горизонта. В верхних слоях залегает нефть, в средних – двухфазная смесь, а в нижних слоях – раствор нефтепродуктов в воде.

Если порода содержит до 80-85% нефти, она будет практически непроницаема для воды, двигаться будет только нефть. При содержании в породе 15-20% нефти порода будет проницаема только для воды.

К характерным признакам нефтяного загрязнения подземных вод можно отнести специфический запах нефти и нефтепродуктов, наличие на поверхности воды нефтяной плёнки.

Со временем в водоносных горизонтах происходит разрушение нефти и нефтепродуктов под влиянием биогенного разложения и химического окисления с образованием нефтеновых кислот, фенолов, эфиров и карбонильных соединений, которые обладают высокой растворимостью. Это способствует изменению состава растворимой части нефтепродуктов во времени.

Загрязнение подземных вод тяжёлыми металлами. В настоящее время тяжёлые металлы занимают особое место среди загрязняющих веществ, причём антропогенная составляющая часто превышает природную.

В подземных водах довольно часто встречаются: свинец, медь, цинк, никель кадмий и др., причём именно в тех местах, где имеет место загрязнение тяжёлыми металлами атмосферного воздуха, почв или поверхностных вод, например, в местах расположения промышленных производств, автодорог, сельскохозяйственных производств, на которых применяются ядохимикаты. Особенно много тяжёлых металлов содержится в отходах предприятий цветной металлургии; здесь их содержание может превышать фоновые концентрации в сотни и тысячи раз.

Загрязнение подземных вод нитратами в основном связано с сельскохозяйственной деятельностью и основными источниками являются удобрения и отходы крупных животноводческих комплексов. Нитратное загрязнение встречается обычно в трёх формах: аммонийное, нитритное и нитратное. Нитратный азот является конечным продуктом в цепочке преобразований азота при его окислении: аммонийный азот → нитритный азот → нитратный азот. Процесс нитрификации азота продолжается 1-1,5 месяца. В зависимости от гидрогеохимической обстановки и температуры водоносного горизонта он может замедляться или ускоряться. Также имеет место обратный процесс – денитрификация, в результате которого нитратный азот восстанавливается до нитритного и аммонийного. Денитрификация в восстановительной среде в водоносных горизонтах существенно замедляется, что способствует сохранению аммонийного азота длительное время без перехода его в нитратный.

Аммонийный азот и нитритный азот являются промежуточными, неустойчивыми формами, и в конечном итоге переходят в нитратную форму. В подземных водах накопление азота происходит именно в нитратной форме.

Нитраты хорошо растворяются в воде и практически не сорбируются водовмещающими породами, что способствует их миграции на большие расстояния по водоносным горизонтам, а также их распространению в более глубоко залегающие водоносные горизонты.

Загрязнение подземных вод пестицидами. К пестицидам относятся все химические средства защиты сельскохозяйственных культурных растений. В зависимости от назначения различают гербициды (для борьбы с сорными растениями), инсектициды (для борьбы с насекомыми) и фунгициды (для борьбы с грибками).

По химическому составу пестициды подразделяются на:

хлорорганические (ДДТ, гептахлор, дихлорэтан, хлорпикрин и др.);

фосфорорганические (дихлофос, карбофос, фосфамид, хлорофос и др.);

ртутьорганические (гранозан, меркуран, родосан и др.);

мышьяксодержащие (арсенат натрия, арсенат кальция);

карбонаты (цинеб, ацилат, карбин и др.);

производные мочевины (монурон, линурон и др.).

Пестициды со временем подвергаются процессам деструкции. Данное явление отражает стойкость пестицидов.

Хлоридное загрязнение. Развивается при попадании в пресные водоносные горизонты высокоминерализованных вод из глубинных горизонтов, рудничных и шахтных вод, сточных вод химических предприятий. Хлориды хорошо растворяются в воде и могут мигрировать по водоносным горизонтам на большие расстояния. Самоочищение от хлоридов практически отсутствует, снижение концентраций происходит только за счёт разбавлений.

Таблица 1. Химические загрязнения и их источники [7]

Химическое загрязнение	Источники
Макрокомпонентами	Промышленные стоки, сельскохозяйственные стоки
Нефтью и нефтепродуктами	Места разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений
Тяжёлыми металлами	Промышленные производства, сельскохозяйственные производства
Нитратами	Сельскохозяйственные производства
Пестицидами	Сельскохозяйственные производства
Хлоридами	Химические предприятия

Бактериальное (микробное) загрязнение. В коммунальных и сельскохозяйственных отходах содержатся различные микроорганизмы, которые, попадая в водоносные горизонты, изменяют биологические свойства и ухудшают санитарное состояние вод. Показателем бактериального (микробного) загрязнения подземных вод является наличие повышенных по сравнению с природными фоновыми концентраций патогенных и санитарно-показательных микроорганизмов (бактерии группы кишечной палочки, энтерококки).

Болезнетворными (патогенными) бактериями (микроорганизмами) являются бактерии, вызывающие проявления инфекционных заболеваний. Сюда относят энтеробактерии, бактериофаг Е, этеровирусы.

Особенностью бактериального загрязнения является ограниченность распространения по водоносному горизонту. Это обусловлено небольшой по времени выживаемостью в подземных водах (30-400 сут.).

Радиоактивное загрязнение является следствием выбросов в атмосферу и на поверхность Земли радионуклидов в результате ядерных взрывов, а также нештатной работы атомных станций или со сточными водами предприятий, добывающих или использующих радиоактивные вещества в различных целях, а также в результате аварий на объектах атомной промышленности и энергетики. Больший вред приносят «долгоживущие» радиоактивные элементы (стронций-90, уран-235 и др.). Подземные воды относятся к загрязнённым, если концентрация радионуклидов превышает фоновые значения. Подземные воды очень чувствительны к радиоактивному загрязнению, это показала авария на ЧАЭС.

Тепловое загрязнение подземных вод проявляется в виде повышения температуры по сравнению с фоновой. Чаще всего встречается в подземных водах из-за инфильтрации с поверхности земли сточных вод, а в глубоких водоносных горизонтах вследствие закачки в них тёплых вод из различных приёмников отходов. Как правило, тепловое загрязнение характеризуется повышением температуры вод в среднем на 5-10˚С. Это вызывает изменение газового и химического составов подземных вод, растворение или осаждение различных химических веществ, нарушение гидрогеохимического равновесия в системе «порода-вода», развитие микрофлоры и микрофауны.

Загрязнение подземных вод бытовыми отходами. Твёрдые бытовые отходы являются главными компонентами отвалов, мусорных городских и других свалок. В определённых условиях серьёзное загрязнение возможно в районах кладбищ. На отвалах и мусорных свалках содержатся городские отходы, макулатура, упаковка разных видов, отходы в виде пела, шлака и др. Существует довольно много возможных путей загрязнения подземных вод за счёт твёрдых отходов.

При загрязнении подземных вод твёрдыми отходами характер загрязнения часто определяется степенью и особенностями разложения отходов. Около половины всех отходов минерализуется. Разложение твёрдых отходов происходит как непосредственно в телах отвалов и свалок, так и в окружающей среде, характер и продукты разложения зависят от окислительно-восстановительных условий.

Разложение в окислительных условиях может вызвать повышение температуры среды, иногда значительное (до 80-100⁰C). В восстановительных условиях разложение твёрдых бытовых отходов, как правило не доходит до конца и подземные воды обогащаются промежуточными продуктами разложения.

Жидкие бытовые отходы (коммунальные) по набору и характеру компонентов в значительной степени сходны с твёрдыми. Различие заключается в меньших количествах магния и кальция, что не способствует при загрязнении ими подземных вод формированию жёсткости. Широко распространены жидкие бытовые отходы, носящие линейный характер и имеющие место, главным образом, в населённых пунктах городского типа. В геохимическом отношении они составляют две группы, первая из которых представлена нефтью, бензином, маслами, керосином и другими отходами, а вторая – хлористым натрием, который попадает в подземные воды вследствие использования соли в борьбе с гололёдом. [7, 9, 10]

Глава 2. Влияние подземных вод в связи с их эксплуатацией

Истощение подземных вод – уменьшение количества воды в пункте водопользования или изменение условий, при которых не могут быть удовлетворены потребности населения и промышленности в воде. Истощение водоносных горизонтов может развиваться, когда из-за усиленного отбора вод происходит прогрессирующее снижение их уровня. [7]

Огромные массы подземных вод извлекаются на поверхность при осушении горнорудных предприятий, строящихся объектов, прежде всего таких подземных сооружений, как метрополитены, железнодорожные и автотранспортные тоннели. Вокруг осушаемых предприятий и объектов формируются депрессионные воронки в десятки и даже сотни квадратных километров. [5]

Рисунок 1. Образование депрессионной воронки [1]

Интенсивная эксплуатация подземных вод в районах водозаборов и мощный водоотлив из шахт, карьеров приводят к изменению поверхностных и подземных вод, к значительному ущербу речному стоку, к прекращению деятельности тысяч родников, многих десятков ручьёв и небольших рек. Кроме того, в связи со значительным снижением уровней подземных вод наблюдаются и другие негативные изменения экологической обстановки: осушаются заболоченные территории с большим видовым разнообразием растительности, иссушаются леса, гибнет влаголюбивая растительность, ускоряется время смены сукцессионного ряда и выпадение отдельных его стадий.

Длительная интенсификация подземных водозаборов в определённых геолого-гидрологических условиях может вызвать медленное оседание и деформации земной поверхности. Последнее негативно сказывается на состоянии экосистем, особенно прибрежных районов, где затапливаются пониженные участки и нарушается нормальное функционирование естественных сообществ организмов и всей среды обитания человека. [4]

Заключение

По данным ООН ежедневно от употребления некачественной питьевой воды умирает около 25 тыс. человек. По прогнозам специалистов, уже через 2-3 десятилетия вода для человека будет являться стратегическим и самым прибыльным ресурсом, какими в данный момент являются нефть, газ и уголь. Однако, между топливными и водными ресурсами есть ключевое отличие – топливу можно найти альтернативу, воде же – нет. Вода необходима для существования каждого живого организма на нашей планете. Однако, на данный момент человек всё ещё нерационально, необдуманно обращается с водными ресурсами. [6]

Рисунок 2. Обеспеченность прогнозными ресурсами подземных вод в РФ [2]

Из данного рисунка можно понять, что за последние годы обеспеченность ресурсами подземных вод в РФ снижается.

По проведённой работе можно сделать следующие выводы:

в ходе работы с научной литературой были получены сведения об источниках загрязнения подземных вод, о загрязнениях по характеру проявления и последствиям, о влиянии эксплуатации подземных вод.

стало понятно, что антропогенная нагрузка на подземные воды с годами становится всё выше, но ещё не ясно, к каким последствиям это может привести в конечном итоге.

Список литературы

Water Resources Education Network [Электронныйресурс] // Groundwater: A Primer for Pennsylvanians, 2011. URL: http://wren.palwv.org/pubs/primer.html (дата обращения: 23.12.2020).

Федеральное агентство водных ресурсов [Электронный ресурс] // Государственные доклады / Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2018 году», 2020. URL: https://voda.gov.ru/regulatory/list.php?part=342 (https://voda.gov.ru/upload/iblock/4ef/2019_gosdoklad_voda2018_new_09122019.pdf) (дата обращения: 23.12.2020).

Бешенцев В.А., Трофимова Н.С. Экологическая гидрогеология. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. – 80 с.

Вернадский В.И. Избр. соч. Т. IV. Кн. 2. – М.: Издательство Академии Наук СССР, 1960. – С. 24.

Гаев А.Я., Килин Ю.А., Тихоненко М.А. Фундаментальные и прикладные проблемы гидросферы. Часть 2. Экологические проблемы. Глава 7. Истощение водных ресурсов и меры по минимизации этой опасной тенденции. – М.: Университетская книга, 2020.

Григорьева И.Ю. Геоэкология. – М.: ИНФРА-М, 2021. – С. 125-126.

Дроздов В.С., Карпенко Н.П., Ломакин И.М. Гидрогеология и основы геологии. – М.: ИНФРА-М, 2020. – С. 310-318.

Квитка Л.А., Орлов В.А. Водоснабжение. Глава 2. Загрязнения водных источников и проблема получения чистой воды. – М.: ИНФРА-М, 2021.

Орлов М.С., Питьева К.Е. Гидрогеоэкология городов. Глава 1.2.2. Общие сведения об источниках загрязнения и компонентах-загрязнителях подземных вод. – М.: ИНФРА-М, 2020. – С. 20-21.

Рудский В.В., Стурман В.И. Основы природопользования. Глава 3.2.7. Охрана поверхностных вод суши. – М.: Логос, 2020.

Код для цитирования: Скопировать