Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1. Общая характеристика работы

Грунтовые воды городских территорий в значительной степени используются населением для хозяйственно-бытовых нужд. Например, в г. Донецке развит малоэтажный жилой сектор с огородными участками, где выращиваются овощи и фрукты. На многих участках оборудованы колодцы, скважины, вода из которых используется для полива садово-огородных участков и питья. В нижних частях склонов и в поймах балок и рек грунтовые воды, выклинивающиеся на поверхность в виде родников, также часто используются населением для питьевых нужд. При этом, ввиду отсутствия официальных мест забора грунтовых вод, контроль их состояния не осуществляется. Фактически существующий водозабор является стихийным и по ряду причин опасным для здоровья населения, использующего грунтовые воды для собственных нужд. Поэтому исследование состояние подземных вод территории города является актуальной проблемой экологической безопасности.

Объектом исследования является территория г. Донецка.

Предметом исследования является оценка состояния грунтовых вод городских территорий.

Методы исследования:

Научная новизна полученных данных:

  1. Часть солей техногенного происхождения локализуется на уровне водонасыщения в виде вторичной минерализации в грунтах.
  2. В процессе техногенного загрязнения происходит закономерное изменение состава грунтовых вод. Гидрокарбонатно-сульфатный кальциево-натриевый состав грунтовых вод водоразделов замещается хлоридно-сульфатным и, местами, хлоридным натриевым составом вод.
  3. Грунтовые воды и водонасыщенные грунты пойменных частей балок и рек наиболее загрязнены техногенными солями и токсичными элементами.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Проблемы, рассматриваемые в работе, решались в соответствии с некоторыми пунктами программ природоохранных мероприятий местного значения г. Донецка за период с 2010 по 2013 гг.

Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является оценка степени техногенного замещения основных компонентов геологической среды – водовмещающих грунтов и грунтовых вод территории г. Донецка.

Основные задачи исследования:

  1. Обзор имеющихся сведений по теме работы.
  2. Обработка данных геоэкологических исследований грунтовых вод и водовмещающих грунтов.
  3. Картирование ореолов загрязнения геологической среды.
  4. Определение степени и характера загрязнения ГС.
  5. Оценить степень экологической безопасности исследуемых территорий.

2. Анализ и обработка ранее проведенных исследований

Все воды нашей планеты тесно связаны между собой и представляют единую систему – гидросферу Земли. Характеристика этой системы с позиции геохимии рассмотрена в книге Перельмана А.И. Геохимия природных вод. Автор рассказывает об основных этапах изучения вод, анализирует труды выдающихся ученых: В. И. Вернадского, В. М. Гольдшмидта, А. Е. Ферсмана, Б. Б. Полынова, А. А. Саукова, А. М. Овчинникова и др., внесших значительный вклад в развитие науки. Также разработаны новые принципы геохимической систематизации вод, гидрогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых, выявлена роль геохимии вод при решении некоторых проблем сельского хозяйства, медицины, охраны ОС [9].

Естественно-исторический, экспериментальный и классификационный методы изучения химического состава подземных вод рассмотрены в учебном пособии Питьевой К. Е. Гидрогеохимия. В книге особое внимание уделяется миграции элементов, особенностям процессов формирования состава вод в различных геологических условиях, в частности грунтовых вод гумидных и аридных областей и пластовых вод терригенных, карбонатных и сульфатных отложений. Приведены сведения о гидрогеохимической зональности и гидрогеохимическом районировании [10].

На основе современных представлений о структуре воды и видах ее равновесий и учения В. И. Вернадского о единстве природных вод изучена химия природных вод. В учебном пособии Самариной В. С. Гидрогеохимия описываются особенности и условия формирования химического состава метеорных, поверхностных и подземных вод. Раскрывается закон гидрохимической зональности природных вод. Дается практическая их оценка [11].

В наше время прогрессирует техногенез, в связи с этим происходит эволюция химического состава континентальной гидролитосферы, материалы о таких явлениях изложены в монографии Тютюновой Ф. И. Гидрогеохимия техногенеза. В книге освещены закономерности техногенной метаморфизации подземных вод как основы прогнозирования изменений их качества. Показаны особенности образования и развития техногенных гидрогеохимических аномалий в промышленно-урбанизированных и сельскохозяйственных регионах. Впервые изложена новейшая история миграции химический элементов, образующих наиболее распространенные ассоциации ингредиентов [12].

В наше время очень актуальна проблема защиты подземных вод от загрязнения и пути решения освещены в книге Бочевера Ф. М., Лапшина Н. Н., Орадовской А. Е. Защита подземных вод от загрязнения. Опасность загрязнения подземных вод возникает в связи с возможной фильтрацией в водоносные горизонты неочищенных стоков и жидких отходов промышленных предприятий, стоков с сельскохозяйственных территорий и т. д. Также в книге охарактеризованы общие требования к качеству подземных вод как источника хозяйственно-питьевого водоснабжений населения и процессы взаимодействия чистых природных подземных вод и загрязненных сточных жидкостей под влиянием гидродинамических и физико-химических факторов. Изложены основы теории миграции загрязнений в водоносных пластах и практическая методика прогноза качества подземных вод в условиях их эксплуатации различными типами водозаборов и наличия источников загрязнения. Рассмотрены мероприятия по защите подземных вод от загрязнения и санитарной охране водозаборов. Освещены методы гидрогеологических изысканий и исследований для целей определения физико-химических параметров и обоснования указанных мероприятий [13].

Проанализировав предыдущие исследования можно сказать что проблема техногенного замещения грунтовых вод достаточно актуальна. Многие ученые работали над данной проблемой, открывали множество законов, составляли методики для определения существующей экологической ситуации изучаемой территории, но несмотря на это проблема остается недостаточно исследована.

3. Методика обработки полученных данных

При обработке результатов лабораторных исследований проб водонасыщенных грунтов изучалась пространственная изменчивость концентраций токсичных элементов и компонентов водорастворимых солей.

В основу методов обработки и обобщения полученных данных заложены общепринятые рекомендации и нормативные документы [1, 2, 4, 6, 7, 8].

Для характеристики степени загрязнения грунтов и донных отложений изучаемой территории были рассчитаны коэффициенты концентрации (Кс) компонентов по отношению к региональным фоновым концентрациям, а также показатели загрязнения (ПЗ) по отношению к предельно допустимым концентрациям (ПДК) почв. Это правомочно для грунтов верхней части зоны водонасыщения, так как источниками их загрязнения являются почвы, расположенные выше по разрезу.

Исследуемая территория приурочена к Донецко-Макеевскому геолого-промышленному району. Поэтому для оценки уровня суммарного загрязнения были использованы фоновые концентрации элементов в почвах, рассчитанные для двух условно чистых площадок при проведении ГГП Донбассгеология специальных геолого-экологических работ в данном районе [5].

Для оценки степени загрязнения водонасыщенных грунтов для каждой пробы был рассчитан суммарный показатель химического загрязнения:

Формула Zc

где Кс – коэффициент концентрации элемента, равный отношению его содержания в конкретной пробе к фоновому содержанию (Кс=С/Сф);
n – количество проанализированных элементов в конкретной пробе. В расчет принимаются Кс элементов >1.

На основании полученных показателей Zс, было изучено их пространственное распределение и дана оценка степени суммарного загрязнения грунтов.

Для оценки степени и характера засоления грунтов использованы существующие рекомендации [3].

Оценка степени загрязнения подземных вод проводилась в соответствии с ГCанПиН 2.2.4-171-10, СанПиН № 4630-88.

Оценка степени суммарного загрязнения вод санитарно-токсикологическими и физико-химическими показателями выполнялось в соответствии c ГCанПиН 2.2.4-171-10 по формуле:

Формула СПК

где СПК – суммарный показатель концентраций элементов с одинаковым лимитирующим признаком вредности;
С1, С2, Сn – обнаруженные концентрации компонентов, мг/дм3;
ПДК1, ПДК2, ПДКn – предельно допустимые концентрации в воде этих же компонентов, мг/дм3.

4. Закономерности техногенного замещения грунтовых водгородских территорий (г. Донецк)

Подземные воды территории г. Донецка испытывают интенсивное техногенное воздействие со стороны разнообразных источников: породных отвалов, свалок и полигонов отходов, промплощадок предприятий, ореолов рассеивания по земной поверхности компонентов выбросов в атмосферу автотранспортом и предприятиями (рис. 1). Существенно влияют на гидродинамические условия и гидрохимический режим шахтный водоотлив, порывы и утечки водопроводных и канализационных систем.

Природа, загубленная под воздействием техногенной деятельности человека

Рисунок 1 – Природа, загубленная под воздействием техногенной деятельности человека

(анимация: 5 кадров, 7 повторений, 140 килобайт)

По данным предшествующих исследований [14] на миграцию и локализацию солей и токсических элементов влияют сезонно изменяющиеся климатические факторы. Поэтому бурение скважин и отбор проб водоносных грунтов и вод осуществлялся в октябре 2012 г. (холодный и влажный период) и в июле 2013 г. (жаркий засушливый период). В полевых условиях определялись также показатели рН и Eh грунтовых вод из скважин и расположенных рядом поверхностных источников. Замеры показателей осуществлялись портативными приборами PH-602 и ORP-802 (рис. 2).

pH-602 ORP-802

Рисунок 2 – Портативные приборы PH-602 и ORP-802

Визуальное исследование керна скважин позволило определить закономерности развития вторичной техногенной минерализации в зоне аэрации и на уровне зоны водонасыщения. В виде пропитки, присыпок, прожилков, просечек, вкраплений и конкреций выделяются бурые окислы железа и черные окислы марганца, белые содовые минералы и сульфаты натрия, желтые агрегаты серы, черные землистые сульфиды и органическое вещество (рис. 3). Установлено закономерное распределение данной минерализации в геологической среде города. На водоразделах и склонах преобладают окислительная обстановка и минерализация на уровне зеркала грунтовых вод представлена окислами и гидроокислами, водонасыщенные грунты имеют преимущественно бурую окраску. В нижних частях склонов начинает проявляться, а в поймах балок и рек преобладать восстановительная обстановка, окраска грунтов приобретает серый, зеленоватый и черный цвета. Окислительная обстановка сменяется восстановительной глеевой, а местами и сероводородной. Смена окислительной обстановки на восстановительную глеевую и далее на сероводородную существенно влияют на изменение условий водной миграции [15] и определяют дифференциацию техногенного вещества в геологической среде.

Визуальное исследование керна скважин

Рисунок 3 – Визуальное исследование керна скважин

где а) желто-бурые тугопластичные суглинки с мелкими вкраплениями гипса; б) желто-бурые суглинки с вкраплениями светлых желтоватых солевых агрегатов и ржаво-бурых гидроокислов железа; в) черные, темно-серые илистые суглинки с вкраплениями светлых желтоватых солевых минералов и ржаво-бурых агрегатов гидроокислов железа; г) крупные выделения белых агрегатов гипса в желто-бурых суглинках

Визуальные наблюдения подтверждаются результатами анализов водных вытяжек водовмещающих грунтов. В направлении от водоразделов к поймам балок и рек отмечается увеличение степени их засоления. При этом гидрокарбонатно-сульфатное кальциевое засоление сменяется сульфатным, хлоридно-сульфатным засолением со смешенным катионным составом.

Эти данные позволяют утверждать, что на уровне зоны водонасыщения сформировался закономерно построенный ореол техногенного замещения первичных грунтов, динамически развивающийся и контролирующий очаги загрязнения грунтовых вод. Механизм замещения обусловлен поступлением в водоносные горизонты загрязненных атмосферных осадков, почвенных и техногенных вод с последующим распространением загрязненных вод в соответствии с направлением движения подземного потока к балкам и далее к р. Кальмиус. В процессе взаимодействия загрязненных вод с породами зоны аэрации происходит их частичное очищение. Далее загрязненные метеорные и техногенные воды попадают в водоносные горизонты и продвигаются вместе с грунтовым потоком. Продвижение загрязненных вод сквозь толщу водовмещающих пород сопровождается сложными физико-химическими процессами, которые способствуют очищению воды от загрязняющих компонентов. Породы при этом выступают в роли своеобразных фильтров, блокирующих распространение загрязнения, вещественные компоненты которого проявляются в грунтах в виде новообразованных техногенных минералов.

В связи с ореолом замещения грунтов проявляется гидрогеохимическая зональность подземных вод, проявленная в закономерном распределение солей и микроэлементов. Данная зональность развивается согласовано с ореолом замещения грунтов. Так уровень минерализации грунтовых вод возрастает по направлению от водоразделов (1,5–2,0 г/дм3, представелено на рис. 4) к поймам балок и рек (3,0–5,0 г/дм3). Гидрокарбонатно-сульфатный кальциево-натриевый состав грунтовых вод водоразделов сменяется хлоридно-сульфатным и, местами, хлоридным натриевым составом пойм рек и балок. Установленная техногенная зональность соответствует прямой природной метаморфизации подземных вод [16]. Необходимо отметить, что очаги загрязнения грунтовых вод, совпадающие с зонами интенсивного замещения водоносных грунтов, приурочены также к техногенным объектам, например, к Полежаковским отвалам, породным отвалам угольных шахт, полигонам и свалкам отходов. Очень часто различные накопители отходов и свалки размещаются в поймах рек и балок. Положение этих территорий усугубляется также тем, что вдоль пойм оборудуются канализационные сети, зачастую, находящиеся в аварийном состоянии.

Карта распределения уровня минерализации грунтовых вод

Рисунок 4 – Карта распределения уровня минерализации грунтовых вод

В октябре 2012 г. было установлено локальное интенсивное загрязнение грунтовых вод нитритами (до 23,63 мг/дм3, представлено на рис. 5), которое было приурочено к поймам балок и р. Кальмиус, особенно, вблизи размещенных здесь породных, шлаковых и шламовых отвалов и отстойников. Кроме этого, в ряде проб отмечается нитратное (до 7,08 мг/дм3) и аммонийное (до 10,95 мг/дм3) загрязнения. В общем отмечалось высокое азотное загрязнение грунтовых вод.

Карта ореолов загрязнения грунтовых вод нитритами

Рисунок 5 – Карта ореолов загрязнения грунтовых вод нитритами

Источниками азотного загрязнения грунтовых вод могли служить различные накопители отходов, где имеются соединения азота в повышенных концентрациях, например, полигоны и свалки ТБО, аварийные утечки из канализационных систем. Дополнительным источником загрязнения вод нитратами являются огородные участки, обустроенные в поймах балок и рек, где регулярно вносятся минеральные и органические удобрения. В заболоченных частях пойм, а также в илистых отложениях источником соединений азота могут быть органические остатки растений. В условиях восстановительной обстановки, которая была установлена в грунтовых водах пойменных участков, в холодный период года, когда количество осадков преобладает над испарением, нитратный азот восстанавливается до нитритного, далее до аммонийного. Грунтовые воды данного периода по показателям рН и Eh попадают в область развития сульфатредуцирующих и денитрифицирующих бактерий. Происходит микробиологическое очищение грунтовых вод от соединений азота, когда нитраты восстанавливаются до свободного атомарного азота. Сульфатная сера также восстанавливается до свободной серы, что проявляется выделениями в грунтах желтой минерализации, и далее до сульфидной серы. В последнем случае образуются сульфиды значительной части микроэлементов, однако основным минералом является землистый черный пирит. На сероводородном барьере локализуется значительная часть токсичных элементов – свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, молибден, цинк и др. Однако в процессе динамического развития ореолов замещения сероводородная обстановка часто сменяется глеевой, при которой водная миграция данных элементов может быть продолжена и в грунтовые воды могут перейти токсичные микроэлементы широкого спектра.

Полученные результаты исследований позволяют сделать важные выводы:

  1. Наиболее загрязнены грунтовые воды аккумулятивных ландшафтов – пойм рек и балок, где они наиболее часто используются населением для полива садово-огородных участков, питья и других нужд.
  2. Необходимо составить каталог источников грунтовых вод, выклинивающихся на земную поверхность в виде родников, и организовать их регулярный гидрогеохимический и микробиологический контроль.
  3. В целях обеспечения безопасности населения необходимо организовать регулярный контроль загрязнения почв, грунтовых вод аккумулятивных ландшафтов и культурной растительности, выращиваемой в поймах балок и рек городским населением.

Список источников

  1. Временное методическое руководство по проведению комплексных эколого-геохимических исследований (на территории Украины). – ГГП Геопрогноз Киев, 1994 г.
  2. ГСанПиН 2.2.4-171-10. Гигиенические требования к воде питьевой, предназначенной для потребления человеком. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://omegaltd.com.ua/article/180.php. – К.: 2010 г.
  3. Инструкция по учету заселенных почв. Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР. – М., 1968 г.
  4. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. / Минздрав СССР. – М., 1987 г.
  5. Оценка изменения геологической среды под влиянием хозяйственной деятельности в Донецкой области. / Артемовская ГРЭ ГГП Донбассгеология. – Артемовск 1992 г. Фонды ГРГП Донецкгеология.
  6. Рекомендации по проведению гидрохимического опробования и физико-химических исследований для оценки загрязнения подземных вод. – ПНИИИС Госстроя СССР. – М., 1986 г.
  7. РК 41-00032626-00-314-98. Еколого-геохімічна оцінка забруднення грунтів, донних відкладів, ґрунтових вод. Методичні рекомендації. ДГП Геоінформ.
  8. СанПиН № 4630-88. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения.[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://document.ua/docs/tdoc2616.php. – Минздрав СССР. М.: 1988 г.
  9. Перельман А. И. Геохимия природных вод. – М.: Наука, 1982 г. – 154 с., ил. – (Серия Человек и окружающая среда).
  10. Питьева К. Е. Гидрогеохимия. Учебное пособоие. – 2-е издание – М.: Издательство МГУ, 1988 г. – 316 с.
  11. Самарина В. С. Гидрогеохимия. Учебное пособие. – Издательство Ленинград, ун-та, 1977 г. – 360 с.
  12. Тютюнова Ф. И. Гидрогеохимия техногенеза. – М., Наука, 1987 г. – 335 с.
  13. Бочевер Ф. М. Защита подземных вод от загрязнения. / Лапшин Н. Н., Орадовская А. Е. – М., Недра, 1979 г. – 254 с.
  14. Выборов С. Г. Геохимические особенности динамики развития техногенных аномалий в почвах. Опыт мониторинга состояния почв Донбасса / Силин А. А., Россеева Ю. Ю., Ливадняя Я. Ю., Горбачева Е. Ю. // Наукові праці ДонНТУ. Серія Гірничо-геологічна, 2011 г. – C. 309–316.
  15. Перельман А. И. Геохимия природных вод. – М.: Наука, 1982 г. – 154 с.
  16. Шварцев С. Л. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. / Пиннекер Е. В., Перельман А. И. и др. – Новосибирск: Наука, 1982 г. – 287 с.