Проблемы экологической гидрогеологии
Экологическая гидрогеология обслуживает две науки. Она является разделом гидрогеологии и в то же время разделом экологической геологии. Если в первом случае доказательства родственности связи экологической гидрогеологии не требуется, то во втором случае они видны из рассмотрения объекта и предмета исследования смежной науки. Объектом исследований экологической геологии является геологическая среда, важнейшим компонентом которой является верхняя часть подземной гидросферы. Предмет исследования этой науки – экологические функции литосферы (ресурсная, физико-химическая, защитная, эволюционная, геофизическая и геодинамическая). В проявлении этих функций важную роль играют подземные воды. Они вместе с другими компонентами геологической среды обеспечивают жизнедеятельность биоты, в том числе и человечества.
Экологическая гидрогеология, помимо наук геологического направления, тесно взаимодействует с науками географического, биологического, экономического, социологического и других циклов. Это необходимо для комплексной оценки влияния естественных и техногенных факторов формирования подземных вод, изучения, учета и прогноза экологических функций подземной гидросферы. Поэтому содержание этого молодого раздела гидрогеологии становится все шире и разнообразнее, особенно с учетом усиления антропогенного воздействия на подземную гидросферу. Наряду с задачами изучения загрязнения подземных вод и истощения их ресурсов, в круг интересов экологической гидрогеологии стали входить проблемы территории мегаполисов, захоронения твердых и жидких отходов, в том числе радиоактивных, свалок мусора, мест прокладки трубопроводов и прохождения транспортных артерий, карьерных и шахтных полей, освоения сельскохозяйственных территорий, последствий проявления физико-геологичесих процессов и др. Из широкого диапазона явлений и проблем, изучаемых в рамках экологической гидрогеологии, выберем две наиболее важные: загрязнение и истощение подземных вод.
Экологическая гидрогеология решает две основных проблемы: 1)загрязнение подземных вод; 2) истощение подземных вод.
Причины загрязнения подземных вод весьма разнообразны и могут иметь как естественное, так и техногенное происхождение. Различают следующие виды загрязнения вод: химическое, нефтяное, радиоактивное, микробиологическое и тепловое. Предельно допустимые концентрации (ПДК) компонентов в подземных водах регулируются санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами СанПин 2.1.4.1074-01.
Химическое загрязнение. Этот вид загрязнения имеет региональное и локальное распространение. Региональные процессы, которые обусловливают превышение концентрации отдельных компонентов в подземных водах по сравнению с ПДК, носят зональный характер. Увеличение минерализации и смена типа вод происходит при движении их по пласту и на глубину. Гидрогеохимическая зональность связана, прежде всего, с процессами растворения пород, конвективным и диффузионным переносом вещества, а также концентрированием солей в грунтовых водах при испарении в аридных областях. В результате этих процессов в гумидных областях пресные воды с глубиной сменяются солоноватыми и солеными, а в аридных областях широко распространяются процессы континентального засоления, при котором воды обогащаются сульфатами и хлоридами и становятся не пригодными для питья.
Гидрогеохимическая зональность (широтная и по пласту),в значительной степени регулируется окислительно-восстановительной и кислотно-щелочной обстановками. В условиях тундры образуется кислая среда часто с бескислородным и мерзлотным режимом. В лесостепной зоне в покровных отложениях преобладает щелочная среда с неравномерным промывным режимом. Более четко окислительно-восстановительная зональность подземных вод обнаруживает себя при движении их по пласту. С глубиной Еh уменьшается, так как основной потенциалозадающий компонент – кислород – расходуется на окислительные процессы. В верхней части разреза распространены кислородные воды с Еh, с глубиной они сменяются бескислородными и бессульфидными водами с Еh = 200+100 мВ, еще глубже появляются сульфидные воды с Еh < 100 мВ, а часто менее нуля. Снижение окислительно-восстановительного потенциала синхронно сопровождается ростом показателя рН и образованием в нижней части пласта щелочных вод. Появление в подземных водах нормируемых компонентов, в количестве, превышающем ПДК, в значительной степени регулируется соотношением Еh – рН. В бескислородных и бессульфатных водах фиксируются аномально высокие концентрации железа (Fe2+), марганца (Мn2+) и аммония (NH4+). Увеличение Еh сопровождается ростом содержания селена, меди, цинка, свинца и кадмия.
Воды, содержащие повышенные количества железа, марганца и аммония, почти повсеместно распространены в верхней части гидрогеологического разреза гумидной области, а также в межмерзлотных и иногда подмерзлотных водах области распространения многолетней мерзлоты. Средние содержания железа достигают 10 мг/л, при максимальных его значениях до 30-40 мг/л, марганец обычно присутствует в количествах 0,1-0,5 мг/л при максимальных значениях до 10 мг/л, аммоний обычно определяется в количестве нескольких миллиграммов на литр при максимальном значении в несколько десятков.
Из компонентов, формирующихся в кислородной зоне, наиболее опасным для питьевых вод является селен (HseO3), который накапливается в околонейтральных водах с Еh > 200мВ. Другим условием для накопления селена в количествах, превышающих ПДК, является наличие селеносодержащих минералов во вмещающих породах. В околонейтральных водах миграции некоторых химических компонентов благоприятствует присутствие органических, фульво- и гуминовых кислот, а также фтора, выполняющих роль лигандов. С органическими кислотами железо (Fe3+, Fe2+), бериллий (Ве2+), ртуть (Нg2+) образуют устойчивые комплексные соединения. Соединения бериллия с фтором также отличаются высокой миграционной способностью.
В определенных условиях качество пресных вод ухудшается в результате аккумуляции в них фтора и стронция. Появление их в водах с концентратами, превышающими ПДК, наблюдается там, где и вмещающие породы ими обогащены, а в катионном составе вод преобладает натрий. Кальций способствует осаждению стронция и фтора из вод, а натрий, наоборот, переводит их в растворенное состояние. Фторносные воды распространены в Московском и Волго-Камском артезианских бассейнах, а также на Балтийском щите. Стронциевые воды встречены в гипсоносных отложениях Перми на севере и востоке Русской плиты. Такие же условия, т.е. повышенная концентрация элемента во вмещающих породах и натриевый состав вод, необходимы для образования мышьяковистых и бороносных вод. Подобная обстановка наблюдается в водоносных комплексах восточного Предкавказья. Итак, загрязнения пресных подземных вод под действием природных процессов обычно охватывает значительные территории, которые иногда объединяют под названием биогидрогеохимических провинций. В них отмечены повышение концентрации железа, марганца, фтора, селена, стронция, мышьяка и других нормируемых компонентов.
Техногенное загрязнение подземных вод чаще всего бывает локальным. Под его воздействием в водоносных системах образуются ореолы и потоки загрязнения. В подземные воды загрязнение попадает с земной поверхности и может иметь точечный, площадной или линейный характер. По характеру воздействия на гидрогеологическую среду различают два типа загрязняющих веществ: инертные и активные. В первом случае химический тип подземных вод не изменяется, во втором в зависимости от соотношения Еh/pH существенно изменяются состав подземных вод, физико-химическая обстановка, и условия миграции химических компонентов претерпевают существенные изменения. По мнению С.Р. Крайнова, все разнообразие геохимических свойств загрязненных поземных вод, создаваемого промышленностью, сельским хозяйством, социально-бытовыми и другими техногенными воздействиями, сводится к созданию строго ограниченного и определенного набора геохимических ситуаций. На графике Еh/pH- соотношений они укладываются в пять основных типов загрязнения подземных вод: кислые воды с высокими значениями Еh (III), (I), нейтральные воды с высокими значениями Еh (II), щелочные воды с низкими положительными значениями Еh (III), околонейтральные бескислородные, бессульфидные воды с низкими положительными значениями Еh (IV), околонейтральные щелочные воды с отрицательными значениями Еh (V).
Анализ техногенного загрязнения подземных вод позволяет придти к выводу, что все их геохимическое разнообразие связано с формированиями определенных Еh- и рН-ситуаций. Установленные типы загрязнения подземных вод характеризуются определенным набором химических компонентов с соответствующими миграционными их свойствами и концентрациями. В процессе техногенного воздействия существенно изменяется физико-химическая обстановка, все компоненты, участвующие в этом процессе: водовмещающие породы, содержащиеся в них воды и привнесенные загрязнения.
Нефтяное загрязнение. Этот вид загрязнения подземных вод является широко распространенным и весьма устойчивым. За последние полтора века человечество откачало из недр примерно 100 млрд. т нефти. В настоящее время ее добыча стабилизировалась на уровне 3,5 млрд. т в год. Из них примерно десятая часть добывается в нашей стране. В начале текущего столетия у нас было известно 1649 месторождений нефти, из них эксплуатировались 1061. Загрязнение подземных вод при добыче нефти происходит не только в результате ее разлива, но также и при откачке попутных вод, закачке вод для поддержания пластового давления и других причин. Оно продолжается и захватывает огромные площади при транспортировке и переработке нефти и использовании нефтепродуктов в различных областях человеческой деятельности. На пути технологической цепочки от добычи до использования нефти образуется множество соединений с различными свойствами. Поэтому загрязнение подземных вод нефтью и нефтепродуктами на всех этапах движения их по технологической цепочке представляет собой разнообразные схемы взаимодействия воды с какими-либо органическими соединениями.
Поступление нефти и нефтепродуктов на земную поверхность чаще всего бывает случайным и спонтанным (фонтанирование скважин, разрыв трубопровода, аварии на транспорте и т. д.). Более длительным и регулярным оно может быть на участках протечки нефтяных резервуаров, перекачки топлива, заправочных станциях, аэродромах и др. Наиболее подвижными являются жидкие нефтепродукты, они легче всего проникают в почвенно-покровные отложения. Поверхности грунтовых вод достигает только часть из просочившихся нефтепродуктов, поскольку некоторое их количество испаряется, а некоторое сорбируется вмещающими породами. Загрязнение почвы и пород зоны аэрации является неравномерным и мозаичным. Оно длительное время может вымываться атмосферными осадками и вместе с ними поступать в верхний водоносный горизонт. В водах этого горизонта нефтяное загрязнение может находиться в растворенном, диспергированном, эмальгированном виде, образовывать газовую оболочку вокруг водной поверхности. Наибольшей растворимостью в воле обладает бензин (500 мг/л), нефть (10-50 мг/л), дизельное топливо (8-22 мг/л) и керосин (2-5 мг/л). Для большинства нефтепродуктов ПДК равна 0,01-0,3 мг/л. Самая низкая ПДК (0,005 мг/л) установлена для такого канцерогенного вещества, как бензопирен. Чтобы оценить угрозу нефтяного загрязнения приведем только один факт: попадание 1л бензина в подземные воды может сделать некондиционными 2∙106 л пресной воды.
Движение нефтяного загрязнения в подземных водах дробится: одна часть растворяется в подземных водах и движется вместе с ней, другая образует нефтяную пленку и передвигается самостоятельно в соответствии со своей вязкостью и плотностью. Более вязкие фракции нефти тормозят ее растекание, наиболее устойчивые эмульсии содержат до 30-40% воды и в процессе движения подвергаются окислению, в результате которого появляется новое соединение с новыми свойствами, обычно способствующими растворению в воде. Еще одна часть углеводородов – легкая фракция – переходит в газообразную фазу. Кроме того, часть углеводородов сорбируется вмещающими породами. Таким образом, первичное нефтяное загрязнение после попадания в водоносный горизонт изменяет свой состав, свойства и состояние и испытывает влияние процессов самоочищения подземных вод, которому способствует биодеградация, деструкция, сорбция химических соединений и др. Процесс загрязнения подземных вод и его разрушения сложен. В нефти установлено более 450 индивидуальных соединений, 95% из них являются углеводородными (предельные углеводороды или алканы, ароматические углеводороды и органические кислоты). Нуглеводородные соединения представлены производными серы (0,1-10%), азота (1%), кислорода (до 3%). В нефти обнаружено 30 элементов металлов и 20 элементов неметаллов. Из металлов наибольшее значение имеют ванадий, никель, железо, кадмий, цинк, фтор, хром, медь, марганец. Отсюда видно насколько широк диапазон загрязнения, который может возникать в подземных водах при проникновении в них нефтепродуктов. Следует отметить, что некоторые металлы (ванадий и никель) при их содержании более 10-2 % могут извлекаться из нефти и рассматриваться как самостоятельное полезное ископаемое. То же можно сказать и о техногенных месторождениях нефти и нефтепродуктов. Они образуются на участках многолетнего функционирования нефтеперерабатывающих предприятий, заправочных станций, аэродромов. В этих местах обнаружены скопления нефти, керосина и других нефтепродуктов мощностью более 1м.
Радиоактивное загрязнение. Радиоактивное загрязнение подземных вод может иметь как естественное, так и техногенное происхождение. Естественная зараженность подземных вод связана с водовмещающими породами. Концентрация естественных радиоактивных нуклидов (ЕРН) в природных водах изменяется в значительных пределах.
При этом радиоактивность поверхностных вод весьма мала. В подземных водах она напрямую зависит от содержания радиоактивных элементов в водовмещающих породах. Поэтому особенно велико их присутствие в водах урановых месторождений, кислых магматических пород, зонах тектонических нарушений. Более благоприятные условия для накопления в подземных водах урана и радона создаются в окислительной обстановке, а для накопления радия – в восстановительной обстановке в рассолах хлоридного кальциево-натриевого состава.
В зависимости от концентрации ЕРН подземные воды делятся на радоновые, радиевые и урановые. При смешении этих вод могут возникать различные варианты. Нормирование содержания ЕРН позволяет решать разнообразные практические задачи: экологические, хозяйственно-питьевые, лечебные, извлечение из вод компонентов (например, урана).
Техногенное загрязнение подземных вод радиоактивными веществами связано, в основном, с испытаниями ядерного оружия в военных и мирных целях, переработкой ядерного сырья, штатными и аварийными выбросами при эксплуатации АЭС, хранением, транспортировкой и переработкой радиоактивных отходов.
Остановимся на вопросе эксплуатации АЭС. Производство электроэнергии с помощью ядерных установок растет с каждым годом В европейских и северо-американских государствах оно достигло 10-20% и более от суммарного ее производства. В европейской части России функционируют восемь АЭС (Курская, Смоленская, Балаковская, Нововоронежская, Калининская, Ленинградская, Кольская, Ростовская). Даже при штатном режиме работы АЭС предусматривается выброс в атмосферу некоторого количества радионуклидов через вентиляционные трубы и сброс технологических вод в поверхностные водоемы (пруды, отстойники). Воздушные выбросы производятся на высоте 100-150 м и ветром рассеиваются на окружающую территорию, попадая в почву, подземные, поверхностные воды, и ассимилируются биотой. Жидкие стоки, обогащенные радионуклидами, также могут попадать в водоносные горизонты и поверхностные водотоки окружающих территорий. Таким образом, при работе АЭС какое-то количество радионуклидов систематически попадет в атмосферу, почвенно-покровные отложения, водоносные горизонты и поверхностные воды. Согласно замерам радиоактивного загрязнения, при штатной работе АЭС оно не ведет к серьезным экологическим последствиям и составляет примерно 10% от установленного предельного уровня.
Однако при эксплуатации АЭС возможны нарушения штатных режимов с теми или иными последствиями.
Происшествия, связанные с эксплуатацией АЭС, могут быть вызваны не только выбросами инертных радиоактивных газов или сбросом радиоактивных вод, но также многими другими причинами (технологическими, нарушениями правил транспортировки хранения радиоактивных веществ и др.). Наиболее тяжкие последствия возникают при авариях на энергоблоках, как и случилось на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. В результате этой катастрофы на земную поверхность было выброшено 1,9·1018 Бк радиоактивных веществ, из них 8,1·1015 Бк приходилось на стронций-90 и 3,7·1016 Бк на цезий-137. В спектре выпавших радионуклидов обнаружены рубидий -87, плутоний-240, уран-234, уран-238, рутений-106 и др. Радиоактивное загрязнение охватило весь континент, особенно пострадали территории, примыкающие к Чернобыльской АЭС.
Перемещение радионуклидов в почвенно-покровных отложениях можно представить в виде трех миграционных потоков:
· склонов смыва;
· вертикального диффузионного потока;
· вертикального инфильтрационного потока.
Склоновый смыв наиболее динамичен, он зависит от эрозионной деятельности дождевых и снеговых вод.
Диффузионный путь движения радионуклидов самый медленный, его проделывают так называемые «горячие частицы»; продукты горения атомного реактора и инертные материалы, сброшенные в очаг пожара. Их средний размер 0,1-2 мкм, активность каждой частицы оценивается в 1-100 Бк, 50-70% этих частиц закрыты «рубашкой» из силикатов железа, т.е. находятся в негидролизуемой форме. Движущиеся «горячие частицы» очень медленно. За 10 лет после аварии они прошли путь не более 10-20 см.
Инфильтрационный вертикальный поток приносит радионуклиды в верхние водоносные горизонты. При движении через зону аэрации растворенные радионуклиды частично сорбируются, частично осаждаются на физико-химических барьерах или задерживаются водоупорными породами. Поэтому загрязнение подземных вод после Чернобыльской аварии оказалось неравномерным. Время существования гидрогеохимической аномалий, образовавшихся после Чернобыльской аварии, обычно ограничивалось двумя-тремя годами, необходимыми для разбавления и рассеяния их атмосферными водами. Вместе с тем, на участках, где в подземных водах аккумулировались долгоживущие радионуклиды, возможно длительное существование геопатогенных зон.
Радиоактивные отходы. Система обращения с РАО включает в себя следующие стадии их трансформации: сбор, переработку, хранение, транспортировку, захоронение и изоляцию. В результате изменяются физико-механические и фильтрационные свойства водовмещающих пород с возможными негативными последствиями.
Таким образом, в районах действующих АЭС экологическая обстановка близка к норме. Но риск возникновения аварийных ситуаций в этих районах существует всегда, как и возможность образования радиогидрогеохимических ореолов загрязнения. Как было показано на примерах предприятия «Маяк» и Западно-Сибирского химкомбината, подобные ситуации возможны во всех других местах сбора, переработки и хранения РАО.
Микробиологическое загрязнение. В подземных водах встречаются три группы бактерий: аэробные, факультативные и анаэробные. Распространение микрофлоры в подземных водах регулируется минерализацией, температурой подземных вод, гидрогеохимической обстановкой (Еh, рН) и наличием органического вещества, обеспечивающего питание микроорганизмов. В пресных водах живые организмы находятся в количестве дясятков-сотен тысяч бактерий в 1 мл. Это, главным образом, гнилостные бактерии и сапрофиты. Кроме того, в пресных водах функционируют водородоокисляющие, денитрифицирующие, разлагающие клетчатку, железоокисляющие, метанобразующие и другие бактерии. Особенно интенсивно микрофлора развивается на участках проникновения хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, при просачивании инфильтрационных вод в местах свалок, выгребных ям, скопления отходов животноводческих ферм, свинокомбинатов, птицефабрик, на площадях нефтяного загрязнения.
В подземных водах могут быть обнаружены возбудители инфекционных заболеваний (брюшного тифа, холеры, чумы и др.), которые попадают в водоносные горизонты со сточными водами, проникают из могильников и другими путями. Время существования микроорганизмов ограничивается 30-400 сут. На продолжительность их жизни влияют условия питания, состав, минерализация и температура подземных вод, плотность микробного населения (чем больше плотность, тем больше продолжительность жизни). Живучесть болезнетворных бактерий увеличивается при поглощении их вмещающими породами. Таким образом, ореолы микробного загрязнения ограничены по площади распространения и времени проявления. Вместе с тем в отдельных случаях возможно образовании постоянно функционирующих ореолов микробного загрязнения и создание среды обитания болезнетворных бактерий. Такие очаги инфекции могут возникать в местах проявления крупных эпидемий заразных болезней, в местах захоронения жертв этих эпидемий. Главной гидрогеологической проблемой во всех этих случаях является правильный выбор местоположения водозаборных сооружений, обеспечивающий безопасную их эксплуатацию.
Тепловое загрязнение. Последствия воздействия теплового загрязнения могут быть различными. В частности, они могут приводить к деградации многолетней мерзлоты, нарушению теплового режима деятельного слоя. Рост температуры подземных вод не позволяет в ряде случаев использовать их для практических целей в соответствии с санитарными и другими нормами. В этих условиях меняются химический состав, вкусовые качества, биологические свойства и количество растворенных газов, особенно кислорода. Химические последствия изменения температурного режима подземных вод разнообразны. Во-первых, они приводят к созданию неравновесных гидрогеологических систем, обычно ускоряют (реже замедляют), течение химических процессов. Во-вторых, тепловое загрязнение, как правило, сопровождается другими видами загрязнений: химическим, микробиологическим, радиоактивным, что приводит к крайне нежелательным экологическим последствиям. Тепловое загрязнение подземных вод чаще всего связано с деятельностью электростанций, особенно атомных, и энергоемких производств, а также нагретых трубопроводов и буровых скважин. В этих районах создается своеобразный микроклимат, образуются контрастные тепловые аномалии, захватывающие грунтовые воды, сбрасываются большие объемы горячих и теплых вод.
«Теплые острова» появляются на территории городских агломераций, трасс трубопроводов добывающих скважин, дыхание их обогревает большие площади. Тепловое поле может изменяться и на больших глубинах (до 3 км) при откачках и закачках вод. Эти процессы наблюдаются при осушении горных выработок, работе водозаборов на участках добычи нефти и газа, особенно при искусственном поддержании пластового давления, закачке промстоков, в глубоких горизонтах дислокации месторождений термальных вод и парогидротерм, отборе петрогенного тепла системами эксплуатационных скважин. Тепловое загрязнение подземных вод сопровождается в этих случаях изменениями окислительно-восстановительного потенциала и кислотно-щелочной реакции, химического, газового состава воды, что, в свою очередь, приводит к кольматации пустот и трещин водовмещающих пород в результате выпадения в осадок солей и других веществ.