15.2. Виды и источники загрязнения подземных вод

Под загрязнением подземных вод понимается, вызванные техногенной деятельностью изменения качества воды (физических, химических, биологических свойств) по сравнению с естественным состоянием и нормами качества воды по видам водопользования, которые делают эту воду частично или полностью непригодной для использования по целевому назначению.

Важно установить какими показателями будет определяться степень загрязнения подземных вод. Существуют две, в некотором роде предельные, оценки загрязнения подземных вод:

1. нижний предел определяется по фоновым концентрациям химических ингредиентов, содержащихся в ПВ и характеризующих их природный химический состав. В некоторых случаях установить фоновые концентрации по природным показателям невозможно, как это происходит при оценке загрязнения подземных вод радионуклидами чернобыльского происхождения, когда за исходный техногенный фон принимаются значения концентраций радионуклидов после испытания ядерного оружия, сложившийся до аварии на Чернобыльской атомной станции;

2. верхний предел определяется по значениям предельных допустимых концентраций (ПДК) химических элементов, содержащихся в подземных водах. Значения ПДК для всех нормируемых веществ приведены в СанПин 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Количество нормируемых веществ в данном документе порядка 1500, включая химические элементы природного (макрокомпоненты, тяжелые металлы и др.) и искусственного (СПАВ, пестициды, нефтепродукты и др.) происхождения.

Качество воды по ГОСТу – характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования и водопотребления. В данной формулировке качество воды – это сугубо потребительская категория, которая контролируется совокупностью химического и бактериологического состава и органолептическими показателями.

Подземные воды по сравнению с поверхностными в целом характеризуются значительно более высокой естественной защищенностью от различных видов загрязнения. Однако и для подземных вод, особенно для условий первого от поверхности грунтового водоносного горизонта, существует достаточно много путей их возможного загрязнения. Загрязнение подземных вод может происходить через атмосферу путем выпадения и последующей инфильтрации уже загрязненных атмосферных осадков; через загрязненные поверхностные воды на участках их поглощения в грунтовые водоносные горизонты; при инфильтрации чистых атмосферных осадков и поверхностных вод через загрязненную поверхность земли и почвенный слой (при внесении минеральных удобрений и ядохимикатов); путем фильтрации жидких продуктов или отходов производства и канализационных стоков при утечках из трубопроводов и сетей или на местах их складирования (сточные ямы, отстойники, шламонакопители и др.) при отсутствии или недостаточной надежности противофильтрационных мер; при инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод на участках складирования твердых отходов (коммунальные или промышленные свалки, отвалы горнодобывающих предприятий и др.). Источником интенсивного загрязнения, в том числе и глубоко залегающих подземных вод, являются захоронение жидких и твердых отходов промышленного производства (как правило, наиболее вредных, высокотоксичных или радиоактивных отходов) путем закачки их в глубокие поглощающие скважины или «захоронения» в отработанных шахтах и карьерах.

Источниками загрязнения могут являться не использующиеся, но не изолированные с поверхности колодцы, буровые скважины, шахтные стволы, а также глубокие скважины, разведочные или эксплуатационные (нефть, газ, промышленные воды) или скважины, используемые для закачки промышленных отходов при их недостаточно надежной изоляции от вышележащих водоносных горизонтов.

В общем виде источники загрязнения подземных вод классифицируются по происхождению и виду загрязняющих веществ, по условиям поступления загрязнений в водоносный горизонт, по масштабу загрязнения.

По происхождению выделяют природные и техногенные источники загрязнения подземных вод, при преобладающей роли последних, особенно при формировании областей интенсивного загрязнения. При этом загрязняющие вещества могут быть связаны с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами и отходами; с сельскохозяйственными удобрениями, ядохимикатами, стоками и отходами птицеферм и животноводческих комплексов; с природными некондиционными водами (например, подземными водами, содержащими повышенное количество хлоридов, сульфатов и т.д.).

К природным источникам загрязнения ПВ могут быть отнесены естественно некондиционные ПВ (водоносные горизонты, моря, океаны, соленые озера и реки), содержащие некоторые химические вещества в количествах, не соответствующих нормам, предъявляемым к качеству питьевых вод.

Высокое содержание железа в водах является важнейшей проблемой, осложняющей работу многих групповых водозаборов и одиночных скважин. Более 70% артезианских скважин на территории Беларуси имеют воду с содержанием железа, превышающим уровень ПДК (0,3 мг/дм³), а в зоне Полесья их доля достигает 90–95%. В целом территория Беларуси относится к геохимической провинции железосодержащих подземных вод.

Максимальные концентрации железа отмечаются в грунтовых водах болотных отложений (до 20–40 мг/дм³), а также в грунтовых водах отложений, подстилающих торфяники (до 15–26 мг/дм³). Накоплению железа в этих водах (в основном в закисной форме – Fe²⁺) способствует практически бескислородная слабовосстановительная геохимическая среда, характерная для болот, в которой отсутствуют осадители железа (CO₃^2-, PO₃^2-, H₂S). Близкие геохимические условия характерны и для напорных водоносных комплексов. Содержание железа в их водах иногда достигает 10–15 мг/дм³ и более. На некоторых водозаборах отмечается тенденция роста содержания железа с течением времени (Гомель, Солигорск, Микашевичи).

Источники антропогенного происхождения, можно объединить в несколько групп: промышленные источники загрязнения – предприятия отраслей промышленности, деятельность которых не связана с недрами земли; промышленные источники загрязнения, деятельность которых связана с добычей полезных ископаемых; источники загрязнения в областях сельскохозяйственной деятельности; источники загрязнения от деятельности энергетического комплекса; источники загрязнения от деятельности транспорта и коммунально-бытовые источники загрязнения.

По масштабу выделяют локальное (точечное) и региональное загрязнение подземных вод.

Локальное загрязнение подземных вод вызывается локальными, точечными (сосредоточенными) источниками загрязнения. Источники такого типа многообразны. К точечным источникам загрязнения могут быть отнесены отдельные сооружения, занимаемые небольшую площадь на поверхности земли: земляные емкости, содержащие сточные воды, шламо- и хвостохранилища, гидрозолоотвалы, пруды накопители, отстойники, испарители, поля фильтрации промстоков, могильники хранения радиоактивных отходов, отдельные скважины и факелы на нефтяных и газовых месторождениях, нефтезаправочные станции, свалки, животноводческие фермы, поглощающие скважины, карьеры и др. Загрязнение ПВ из этих источников загрязнения происходит за счет утечек ЗВ и попадания их через почвы и зону аэрации в ПВ. В случае, когда водоносные горизонты сложены проницаемыми породами с хорошими фильтрационными свойствами, загрязнение от точечного источника, характеризующегося большим объемом ЗВ (сточных вод, твердых отходов), может распространиться от источника загрязнения по водоносному горизонту на большие расстояния, при этом масштаб загрязнения может приобрести региональный характер.

Региональное загрязнение ПВ вызывается региональными, диффузными (рассредоточенными) источниками загрязнения, имеющими большую площадь распространения по поверхности земли. Источниками регионального загрязнения являются урбанизированные территории с большой концентрацией городов, промышленных предприятий; крупные мегаполисы; территории интенсивного сельскохозяйственного производства; объекты мелиорации; объекты энергетики и транспорта; нефтяные и газовые месторождения; горнорудные предприятия и др. Загрязнение ПВ от этих источников загрязнения охватывает большие площади водоносных горизонтов, наибольшему загрязнению подвержены ГВ; через них происходит загрязнение залегающих ниже водоносных горизонтов. Загрязнение ПВ, как правило, происходит за счет утечек сточных вод и растворения твердых отходов, а также за счет газодымовых выбросов.

Кроме этого, выделяются линейные источники загрязнения ПВ. К линейным источникам загрязнения относятся загрязненные реки, автомагистрали, нефтепроводы, коллекторы промышленной и коммунальной канализации. В зависимости от протяженности источников загрязнения определяется и масштаб их воздействия на ПВ: локальный и региональный.

По виду выделяют химическое, бактериальное (микробное), тепловое и радиоактивное загрязнение подземных вод.

Химическое загрязнение подземных вод является наиболее распространенным и трудноустранимым. Оно проявляется в наличии (появлении) в подземных водах минеральных и органических веществ, отсутствующих в естественных условиях, или в увеличении концентрации ранее имевшихся компонентов химического состава до значений, резко превышающих их содержание в естественных условиях.

Формирование химического загрязнения подземных вод связано в основном с газообразными, жидкими и твердыми отходами промышленного производства, сельскохозяйственной деятельностью, канализационно-бытовыми отходами городов и населенных пунктов. Наиболее распространенными являются нефтяное, хлоридное, нитратное и загрязнение тяжелыми металлами.

В общем виде различают два вида нефтяного загрязнения. К первому виду относится загрязнение, возникающее в результате просачивания сырой нефти. Загрязнение второго вида наблюдается при поступлении в водоносные горизонты минерализованных пластовых и сточных вод, содержащих нефтяные углеводороды и отдельные продукты нефтехимического синтеза. Первый вид загрязнения обычно характерен для грунтовых вод, второй вид для грунтовых и пластовых вод до глубины 300 м.

Главной особенностью нефтяного загрязнения первого вида является формирование техногенной геохимической аномалии в самой верхней части водоносного пласта, что главным образом обуславливается преобладающей плотностью сырых нефтей (0,97 г/см³). В пределах аномалии выделяется 3 самостоятельные зоны. В первой зоне нефть находится в виде пленки, толщина которой зависит от ее плотности и количественного поступления из зоны аэрации. Во второй зоне наблюдается образование эмульсии воды в нефти и далее по потоку – нефти в воде. В формировании ореола нефтяного загрязнения подземных вод первого вида большое значение имеют сорбционные процессы.

При нефтяном загрязнении второго вида наблюдается формирование хлоридных натриевых (кальциевых) вод, содержащих растворенные нефтяные углеводороды и поверхностно-активные вещества (ПАВ). В зависимости от соотношения плотностей сточных и природных подземных вод, литолого-петрографического состава водоносных пород техногенные аномалии нефтяных углеводородов и ПАВ могут охватывать водоносный пласт на всю его мощность, развиваться в верхней или нижней его части.

На территории республики подобный вид загрязнения подземных вод имеет широкое распространение в пределах Припятского прогиба, что обусловлено нефтепоисковыми работами. Кроме того, здесь отмечается загрязнение ПАВ, высокоминерализованными рассолами, фенолами и другими химическими реагентами. Источниками их поступления в природные воды являются земляные амбары, скважины, резервуары-отстойники, трубопроводы. Глубина проникновения загрязняющих компонентов варьирует от нескольких метров до 10–15, иногда 30–50 м, а площадь ореола загрязнения изменяется от 0,1 до 4 га и более. При этом загрязнение прослеживается в течение более чем 15 лет.

Установлено, что в скважинах водообеспечения буровых площадок концентрация растворенных НП составляет 0,08–0,18 мг/дм³. Кроме того, в подземных водах отмечено загрязнение ПАВ, которые обнаружены на глубине 30 м и на расстоянии 300 м от источника загрязнения и способны передвигаться с грунтовыми водами на расстояния до нескольких километров.

Хлоридное загрязнение вызывается промышленными отходами, природными некондиционными, рудничными и шахтными водами, высокоминерализованными водами глубоких водоносных горизонтов.

Источником химического загрязнения в Солигорском горнопромышленном районе служат твердые и жидкие галитовые отходы, которые образуются при производстве калийных удобрений и поступают на участки складирования – солеотвалы и шламохранилища, где накапливаются в твердом виде преимущественно легкорастворимые соли и хлоридные натриевые насыщенные рассолы с минерализацией до 350 г/дм³, что создает благоприятные условия для миграции солей в породы и подземные воды. Уже произошло засоление подземных вод на площади около 15,0 км² и на 100–200 м вглубь геологического разреза, а максимальные концентрации азота амонийного, соединений меди, никеля, фенолов, НП, превышают ПДК в 2–30 раз.

В зоне хлоридного натриевого засоления минерализация рассолов достигает 80–160 г/дм³. Имеет место тенденция расширения ореола загрязнения, скорость которого оценивается от нескольких до 50–85 м в год. По причине засоления подземных вод прекращена эксплуатация ряда водозаборных скважин.

Нитратное загрязнение в основном связано с сельскохозяйственной деятельностью, а также промышленными и коммунальными отходами.

В наибольших масштабах проявляется сельскохозяйственное загрязнение подземных, главным образом, грунтовых вод. Оно охватывает практически все пахотные земли, где применяются органические и минеральные удобрения, территории животноводческих ферм и комплексов, полей орошения животноводческим стоками. На таких участках в грунтовых водах наблюдается рост содержания ионов NO^3-,Cl^-, SO₄^2-, K⁺, Na⁺, Ca²⁺ и других компонентов. В зоне депрессионных воронок действующих скважин это загрязнение может проникать в более глубокие напорные водоносные горизонты. Такие случаи установлены на водозаборах гг. Минск, Орша, Витебск, Жодино, Борисов и др.

Определенное влияние на качество подземных вод оказывают полигоны промышленных и бытовых отходов. Особенно это проявляется в пределах заболоченных участков при высоком уровне грунтовых вод, когда их капиллярная кайма достигает толщи свалки и выщелачивает из нее растворимые вещества. В результате этого происходит загрязнение вод выше ПДК ионами Cl^-, Na⁺, NH₄⁺, NO₃^-, SO₄^2-, возрастает минерализация (до 6–15 г/дм³). Вода у полигонов твердых бытовых отходов имеет резко выраженный хлоридный натриевый состав, а у полигонов твердых промышленных отходов – смешанный с преобладанием хлоридов, сульфатов, натрия, магния, аммонийного азота. Состав грунтовых вод глубокого залегания подвержен таким же изменениям особенно при наличии инфильтрационного типа водного режима и характеризуется преобладанием ионов-загрязнителей макро- и микрокомпонентов (Cu, Zn, Ni, Cr, Pb, Co, Hg).

Мощным фактором, приводящим к глубокой трансформации геохимического облика грунтовых вод, являются осушительные мелиорации. На осушенных землях грунтовые воды приобретают сульфатный кальциевый состав, совершенно нехарактерный для пресных подземных вод Беларуси.

Осушение и последующее активное вовлечение земель в сельскохозяйственный оборот вызывает изменение состава и свойств болотных вод. Обычно почвенно-грунтовые воды неосушенных болотных массивов, представленных низинными и верховыми торфяниками, имеют низкую минерализацию (30 мг/дм³ для верховых и 20–30 мг/дм³ для низинных), слабую и кислую реакцию среды. Однако под влиянием осушения происходит увеличение минерализации, растет щелочность, увеличивается содержание кальция, магния, фосфатов, гидрокарбонатов. Минерализация болотных вод, содержание отдельных элементов подвержено сезонным изменениям и на неосушенном болоте отмечается плавный ход возрастания минерализации от весны к осени. На осушенных же землях сезонная динамика носит скачкообразный характер.

Такие изменения выявлены на Полесской и Ивацевичской опытно-мелиоративных станциях, на объекте «Верховье р. Ясельды», где под влиянием мелиорации в болотных водах произошло увеличение минерализации в 1,3–4 раза, концентраций Ca₂⁺, K⁺, SO₄^2-, Cl^-, HCO₃^- до 40 раз, а также в пределах мелиоративной системы «Замошье», где в послемелиоративный период в результате осушения произошло изменение геохимических процессов, формирующих состав подземных вод, которые привели к изменению геохимических условий миграции химических элементов с переменной валентностью (Fe, S, Mn и др.), газового состава вод, величин pH и Eh, изменился и макрокомпонентный состав грунтовых вод, что выразилось в росте ионов SO₄^2-, Ca₂⁺, Mg₂⁺ и как следствие увеличении минерализации.

Исследования, проведенные в пойме р. Припять показывают, что если в естественных условиях грунтовые воды преимущественно гидрокарбонатного кальциевого состава с низкой минерализацией (82,32–424,57 мг/дм³), то на участках проведения мелиоративных и сельскохозяйственных работ их состав изменяется, увеличивается минерализация в 1,5–2,0 раза за счет роста концентраций основных ионов и NO₃^-.

Обвалование и создание польдерных систем приводит к трансформации ландшафтно-геохимических условий поймы, изменяется структура почвенного покрова. Осушение и освоение земель меняет направленность почвообразующих процессов. Восстановительные процессы сменяются окислительными. Создание оптимальных условий водно-воздушного режима в пойме усиливает разложение органического вещества почв с образованием легкорастворимых минеральных веществ. Под влиянием почвенных микроорганизмов происходит разрушение органического вещества (гумуса и торфа) и его минерализация, конечным продуктом которой являются сульфаты, азотсодержащие и другие минеральные соединения. Последние легко растворяются и нисходящим током вод переносятся в расположенные ниже горизонты, а затем в почвенно-грунтовые воды, состав которых значительно отличается от вод сформировавшихся на целинных землях. Такие изменения отчетливо прослеживаются на участках с максимальным количеством внесенных удобрений в пределах мелиорированной поймы р. Припять, где произошла трансформация типа вод и наряду с гидрокарбонатными кальциевыми водами формируются воды со сложным сульфатно-хлоридным и сульфатно-нитратным кальциево-натриевым составом. Наблюдается увеличение их минерализации (324–1231 мг/дм³) за счет роста концентраций Cl^- (до 176 мг/дм³), SO₄^2- (до 236 мг/дм³), Ca₂⁺ (71,3–226,5 мг/дм³), NO₃^- (626 мг/дм³), которые часто становятся преобладающими. Также возрастает содержание NH₄⁺-иона до 1,4-2,6, иногда и до 11 мг/дм³, а pH изменяется в пределах 6,0–6,9.

Очень высокие уровни загрязнения грунтовых вод формируются в пределах сельских населенных пунктов и в городах в районах частной застройки, где на сельскохозяйственное загрязнение накладывается коммунально-бытовое. Наибольшей интенсивностью на этих участках выделяется нитратное загрязнение. Если естественный геохимический фон NO₃^- в грунтовых водах Беларуси составляет в среднем 1,2 мг/дм³, то в водах колодцев и не глубоких индивидуальных скважинах на подворьях его содержание возрастает часто до 300–560 мг/дм³, достигая в отдельных случаях 1200–2492 мг/дм³ (ПДК – 45 мг/дм³). В настоящее время 82% колодцев, которыми в Беларуси пользуется подавляющая часть сельского населения, извлекают воду с содержанием нитратов выше санитарных норм. Часто эти воды неблагоприятны и по другим химическим и микробиологическим показателям.

Нитраты в подземных водах достаточно устойчивы и способны мигрировать как по потоку подземных вод, так и в более глубокие водоносные горизонты, особенно в зонах депрессионных воронок действующих скважин. Высокие уровни нитратного загрязнения часто наблюдаются в артезианских скважинах на животноводческих фермах (до 100–220 мг/дм³), а также на групповых водозаборах гг. Минск, Орша, Борисов и других (до 60–87 мг/дм³). На водозаборе «Новинки» (г. Минск) нитратное загрязнение прослежено до глубины 200 м.

Загрязнение тяжелыми металлами (Zn, Pb, Ni, Co, Cu и др.) связано с отходами различных производств, выбросами автотранспорта, с использованием ядохимикатов.

Под бактериальным или микробным загрязнением подземных вод понимается увеличение содержания в них по сравнению с естественным состоянием патогенных (вызывающих инфекционные заболевания) и санитарно-показательных (бактерии группы кишечной палочки) микроорганизмов. Большинство болезнетворных (патогенных) бактерий, по имеющимся оценкам, в условиях водоносных пластов сохраняют свою жизнедеятельность относительно короткое время (максимально до 1000 суток), поэтому бактериальное загрязнение не распространяется на значительные расстояния и носит временный характер. Такой вид загрязнения связан с коммунально-бытовыми и сельскохозяйственными отходами и, как правило, наиболее интенсивно проявляется в первом от поверхности (грунтовом) водоносном горизонте. Очаги загрязнения чаще всего связаны с полями ассенизации и фильтрации, скотными дворами, выгребными ямами, неисправностями канализационных сетей, участками сброса канализационных стоков в поверхностные воды или закачки их в поглощающие колодцы и скважины и т.д.

Тепловое (термальное) загрязнение подземных вод проявляется обычно в повышении температуры подземных вод в сравнении с ее значениями в естественных условиях и формируется в результате сброса на поверхность земли перегретых промышленных (например, тепловые электростанции) и коммунальных сточных вод. В ряде случаев повышения температуры грунтовых вод могут быть связаны также с самовозгоранием или химическим разложением твердых промышленных и бытовых отходов в местах их складирования. В свою очередь тепловое загрязнение подземных вод определяет изменения их химического и газового состава, микробиологической деятельности, деградацию многолетнемерзлых пород и т.д.

Радиоактивное загрязнение подземных вод происходит вследствие поступления в атмосферу и на поверхность земли радиоактивных элементов и зависит от скорости распада элемента, наличия почвенного слоя и покровных грунтов, задерживающих сорбирующиеся и короткоживущие элементы.

Авария на Чернобыльской АЭС оказала определенное воздействие на качество подземных вод. В подземные воды радионуклиды могут попадать в результате инфильтрации атмосферных осадков или речных вод. Таким перемещениям подвергаются в основном подвижные формы нуклидов. Наиболее высокая активность ¹³⁷Cs (средняя – 2,73, медиана – 0,87 Бк/дм³) наблюдалась в зоне загрязнения поверхности с плотностью от 5 до 15 Ки/км², а ⁹⁰Sr (средняя – 0,184, медиана – 0,036 Бк/дм³) с плотностью загрязнения более 40 Ки/км². Отмечена и динамика изменения активности радионуклидов во времени – основной рост концентраций ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr приходился на 1990 и 1991 гг. Отмечается тесная связь между радиоактивным загрязнением почвогрунтов зоны аэрации и их содержанием в грунтовых водах. Со временем прогнозируется постепенная миграция радионуклидов по зоне аэрации к поверхности грунтовых вод. В грунтовых водах и на некоторых прирусловых инфильтрационных водозаборах (водозабор «Сож», г. Гомель) периодически отмечается тенденция к росту содержания в подземных водах ⁹⁰Sr, что может быть связано с их неглубоким залеганием и поступлением более подвижного ⁹⁰Sr через зону аэрации. В целом, в подземных водах содержание ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr значительно ниже (⁹⁰Sr – 0,02–0,1 Бк/дм³), чем в поверхностных и практически никогда не превышает Республиканских допустимых уровней (РДУ-99 для питьевой воды: ¹³⁷Cs – 10 Бк/дм³, ⁹⁰Sr – 0,37 Бк/дм³).