ДонНТУ   Портал магістрів

Марущак Богдана Володимирівна

Факультет екологіі і хімічної технології

Кафедра геології і розробки родовищ корисних копалин

Спеціальність Екологічна геологія

Особливості техногенного перетворення грунтових вод міських територій (на прикладі м. Донецька)

Науковий керівник: к. г.- м. н., доцент Виборов Сергій Герасимович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• 1. Загальна характеристика роботи
• 2. Аналіз і обробка раніше проведених досліджень
• 3. Методика обробки отриманих даних
• 4. Закономірність техногенного заміщення ґрунтових вод міських територій (м. Донецьк)
• Перелік посилань

1. Загальна характеристика роботи

Грунтові води міських територій в значній мірі використовуються населенням для господарсько-побутових потреб. Наприклад, в м. Донецьку розвинений малоповерховий житловий сектор з городніми ділянками, де вирощуються овочі і фрукти. На багатьох ділянках обладнані колодязі, свердловини, вода з яких використовується для поливу садово-городніх ділянок і пиття. У нижніх частинах схилів і балок та в заплавах річок грунтові води, выклинивающиеся на поверхню у вигляді джерел, також часто використовуються населенням для питних потреб. При цьому, зважаючи на відсутність офіційних місць забору ґрунтових вод, контроль їх стану не здійснюється. Фактично існуючий водозабір є стихійним і по ряду причин небезпечним для здоров'я населення, що використовує грунтові води для власних потреб. Тому дослідження стан підземних вод території міста є актуальною проблемою екологічної безпеки.

Об’єктом дослідження є територія м. Донецька.

Предметом дослідження є оцінка стану грунтових вод міських територій.

Методи дослідження:

• метод системного аналізу наявних даних;
• польові роботи (буріння свердловин, відбір проб);
• обробка експериментальних даних із застосуванням методів математичної статистики з використанням сучасного програмного забезпечення;
• метод графічного аналізу.

Наукова новизна отриманих даних:

1. Частина солей техногенного походження локалізується на рівні водонасичення у вигляді вторинної мінералізації в грунтах.
2. В процесі техногенного забруднення відбувається закономірна зміна складу грунтових вод. Гідрокарбонатно-сульфатний кальцієво-натрієвий склад грунтових вод вододілів заміщається хлоридно-сульфатним і, місцями, хлоридним натрієвим складом вод.
3. Грунтові води і водонасичені грунти заплавних частин балок і річок найбільш забруднені техногенними солями і токсичними елементами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Проблеми, що розглядаються в роботі, вирішувалися згідно з деякими пунктами програм природоохоронних заходів місцевого значення м. Донецька за період з 2010 по 2013 рр.

Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою роботи є оцінка ступеня техногенного заміщення основних компонентів геологічного середовища – водовмещающіх грунтів і грунтових вод території м. Донецька.

Основні завдання дослідження:

1. Огляд наявних відомостей по темі роботи.
2. Обробка даних геоекологічних досліджень ґрунтових вод і водовмісних грунтів.
3. Картування ореолів забруднення геологічного середовища.
4. Визначення ступеня і характеру забруднення ГС.
5. Оцінити ступінь екологічної безпеки досліджуваних територій.

2. Аналіз і обробка раніше проведених досліджень

Усі води нашої планети тісно пов’язані між собою і представляють єдину систему – гідросферу Землі. Характеристика цієї системи з позиції геохімії розглянута в книзі Перельмана А. В. Геохімія природних вод. Автор розповідає про основні етапи вивчення вод, аналізує праці видатних вчених: В. І. Вернадського, В. М. Гольдшмидта, А. Е. Ферсмана, Б. Б. Полынова, А. А. Саукова, А. М. Овчинникова та інших, які зробили значний внесок у розвиток науки. Також розроблені нові принципи геохімічної систематизації вод, гідрогеохімічні методи пошуків родовищ корисних копалин, виявлено роль геохімії вод при вирішенні деяких проблем сільського господарства, медицини, охорони довкілля [9].

Природно-історичний, експериментальний та класифікаційний методи вивчення хімічного складу підземних вод розглянуті в навчальному посібнику Питної К. Е. Гидрогеохимия. У книзі особлива увага приділяється міграції елементів, особливостей процесів формування складу вод в різних геологічних умовах, зокрема ґрунтових вод гумідних та аридних областей та пластових вод терригенных, карбонатних і сульфатних відкладів. Наведено відомості про гідрохімічної зональності і гидрогеохимическом районуванні [10].

На основі сучасних уявлень про структуру води і видах її рівноваг і вчення В. І. Вернадського про єдність природних вод вивчена хімія природних вод. У навчальному посібнику Самариной В. С. Гидрогеохимия описуються особливості та умови формування хімічного складу метеорних, поверхневих і підземних вод. Розкривається закон гідрохімічної зональності природних вод. Дається практична їх оцінка [11].

В наш час прогресує техногенез, у зв’язку з цим відбувається еволюція хімічного складу континентальної гідролітосфери, матеріали про таких явищах викладені в монографії Тютюновой Ф. В. Гидрогеохимия техногенезу. У книзі висвітлено закономірності техногенної метаморфизации підземних вод як основи прогнозування змін їх якості. Показано особливості утворення та розвитку техногенних гидрогеохимических аномалій у промислово-урбанізованих та сільськогосподарських регіонах. Вперше викладена новітня історія міграції хімічних елементів, що утворюють найбільш поширені асоціації інгредієнтів [12].

У наш час дуже актуальна проблема захисту підземних вод від забруднення та шляхи вирішення висвітлені в книзі Бочевера Ф. М., Лапшина Н. Н., Орадовской А. Е. Захист підземних вод від забруднення. Небезпека забруднення підземних вод виникає в зв’язку з можливою фільтрацією у водоносні горизонти неочищених стоків і рідких відходів промислових підприємств, стоків з сільськогосподарських територій і т. д. Також у книзі охарактеризовано загальні вимоги до якості підземних вод як джерела господарсько-питного водоснабжений населення і процеси взаємодії чистих природних підземних вод та забруднених стічних рідин під впливом гідродинамічних і фізико-хімічних факторів. Викладено основи теорії міграції забруднень у водоносних пластах і практична методика прогнозу якості підземних вод в умовах їх експлуатації різними типами водозаборів і наявності джерел забруднення. Розглянуто заходи щодо захисту підземних вод від забруднення та санітарної охорони водозаборів. Висвітлено методи гідрогеологічних вишукувань і досліджень для цілей визначення фізико-хімічних параметрів і обґрунтування зазначених заходів [13].

Проаналізувавши попередні дослідження можна сказати, що проблема техногенного заміщення грунтових вод досить актуальна. Багато вчених працювали над даною проблемою, відкривали безліч законів, становили методики для визначення існуючої екологічної ситуації досліджуваної території, але незважаючи на це проблема залишається недостатньо дослідженою.

3. Методика обробки отриманих даних

При обробці результатів лабораторних досліджень проб водонасичених грунтів вивчалася просторова мінливість концентрацій токсичних елементів і компонентів водорозчинних солей.

В основу методів обробки та узагальнення отриманих даних закладені загальноприйняті рекомендації та нормативні документи [1, 2, 4, 6, 7, 8].

Для характеристики ступеня забруднення грунтів і донних відкладень досліджуваної території були розраховані коефіцієнти концентрації (Кс) компонентів по відношенню до регіональних фоновим концентраціям, а також показники забруднення (ПЗ) по відношенню до гранично допустимим концентраціям (ГДК) ґрунтів. Це є правомочним для грунтів верхній частині зони водонасичення, так як джерелами їх забруднення є ґрунти, розташовані вище по розрізу.

Досліджувана територія приурочена до Донецько-Макіївського геолого-промислового району. Тому для оцінки рівня сумарного забруднення були використані фонові концентрації елементів в ґрунтах, розраховані для двох умовно чистих майданчиків при проведенні ДГП Донбасгеологія спеціальних геолого-екологічних робіт у даному районі [5].

Для оцінки ступеня забруднення водонасичених ґрунтів для кожної проби був розрахований сумарний показник хімічного забруднення:

На підставі отриманих показників Zc, було вивчено їх просторовий розподіл і дана оцінка ступеня сумарного забруднення ґрунтів.

Для оцінки ступеня і характеру засолення грунтів використані існуючі рекомендації [3].

Оцінка ступеня забруднення підземних вод проводилась згідно з ГCанПиН 2.2.4-171-10, СанПиН № 4630-88.

Оцінка ступеня сумарного забруднення вод санітарно-токсикологическими і фізико-хімічними показниками виконувалося відповідно до ГCанПиН 2.2.4-171-10 по формуле:

4. Закономірність техногенного заміщення ґрунтових вод міських територій (м. Донецьк)

Підземні води території м. Донецька відчувають інтенсивне техногенне вплив з боку різноманітних джерел: породних відвалів, звалищ і полігонів відходів, проммайданчиків підприємств, ореолів розсіювання по земній поверхні компонентів викидів в атмосферу автотранспортом і підприємствами (рис. 1). Істотно впливають на гідродинамічні умови та гідрохімічний режим шахтний водовідлив, пориви та витоки водопровідних і каналізаційних систем.

За даними попередніх досліджень [14] на міграцію і локалізацію солей і токсичних елементів впливають сезонно змінюються кліматичні фактори. Тому буріння свердловин, відбір проб грунтів та водоносних вод здійснювався у жовтні 2012 р. (холодний і вологий період) і в липні 2013 р. (жаркий, посушливий період). У польових умовах визначалися також показники рН і Eh ґрунтових вод із свердловин і розташованих поруч поверхневих джерел. Виміри показників здійснювалися портативними приладами PH-602 і ORP-802 (рис. 2).

Візуальне дослідження керна свердловин дозволило визначити закономірності розвитку вторинної техногенної мінералізації в зоні аерації і на рівні зони водонасичення. У вигляді просочення, присипок, прожилки, просічок, вкраплень і конкрецій виділяються бурі оксиди заліза і чорні оксиди марганцю, білі содові мінерали і сульфати натрію, жовті агрегати сірки, чорні землисті сульфіди та органічна речовина. Встановлено закономірний розподіл даної мінералізації в геологічному середовищі міста. На вододілах і схилах переважають окислювальна атмосфера і мінералізація на рівні дзеркала грунтових вод представлена оксидами і гидроокислами, водонасичені ґрунти мають переважно бурого забарвлення. У нижніх частинах схилів починає проявлятися, а балок та в заплавах річок переважати відновлювальна обстановка, забарвлення ґрунтів набуває сірий, зеленуватий і чорний кольори (рис. 3). Окислювальна обстановка змінюється відновної глеевой, а місцями і сірководневою. Зміна окисної обстановки на відновну глеевую і далі на сірководневу істотно впливають на зміну умов водної міграції [15] і визначають диференціацію техногенного речовини у геологічному середовищі.

Візуальні спостереження підтверджуються результатами аналізів водних витяжок водовмещающіх грунтів. В напрямку від вододілів до балок і заплавах річок відмічається збільшення ступеня їх засолення. При цьому гідрокарбонатно-сульфатное кальцієве засолення змінюється сульфатним, хлоридно-сульфатним засоленням з смешенным катіонним складом.

Ці дані дозволяють стверджувати, що на рівні зони водонасичення сформувався закономірно побудований ореол техногенного заміщення первинних ґрунтів, що динамічно розвивається і контролюючий осередки забруднення ґрунтових вод. Механізм заміщення зумовлений надходженням в водоносні горизонти забруднених атмосферних опадів, грунтових і техногенних вод з подальшим поширенням забруднених вод у відповідності з напрямком руху підземного потоку до балок і далі у р. Кальміус. У процесі взаємодії забруднених вод з породами зони аерації відбувається їх часткове очищення. Далі забруднені метеорні та техногенні води потрапляють у водоносні горизонти й просуваються разом з ґрунтовим потоком. Просування забруднених вод крізь товщу водовмісних порід супроводжується складними фізико-хімічними процесами, які сприяють очищенню води від забруднюючих компонентів. Породи при цьому виступають в ролі своєрідних фільтрів, що блокують поширення забруднення, речові компоненти якого проявляються в грунтах у вигляді новоутворених техногенних мінералів.

У зв’язку з ореолом заміщення ґрунтів проявляється гидрогеохимическая зональність підземних вод, виявлена в закономірному розподіл солей і мікроелементів. Ця зональність розвивається погоджено з ореолом заміщення грунтів. Так рівень мінералізації грунтових вод зростає у напрямку від вододілів (1,5–2,0 г/дм³, представлено на рис. 4) до балок і заплавах річок (3,0–5,0 г/дм³). Гідрокарбонатно-сульфатний кальцієво-натрієвий склад грунтових вод вододілів змінюється хлоридно-сульфатним і, місцями, хлоридним натрієвим складом заплав річок і балок. Встановлена техногенна зональність відповідає прямій природного метаморфизации підземних вод [16]. Необхідно відзначити, що осередки забруднення ґрунтових вод, що збігаються з зонами інтенсивного заміщення водоносних грунтів, приурочені також до техногенних об’єктів, наприклад, до Полежаковским отвалам, породним отвалам вугільних шахт, полігонів і звалищ відходів. Дуже часто різні накопичувачі відходів та сміттєзвалища розміщуються в заплавах річок та балок. Становище цих територій посилюється також тим, що вздовж заплав обладнуються каналізаційні мережі, найчастіше, що перебувають в аварійному стані.

У жовтні 2012 р. було встановлено локальне інтенсивне забруднення грунтових вод нітритами (до 23,63 мг/дм³, представлено на рис. 5), яке було приурочене до балок і заплавах р. Кальміус, особливо, поблизу розміщених тут породних, шлакових і шламових відвалів і відстійників. Крім цього, у ряді проб відзначається нітратне (до 7,08 мг/дм³) і амонійне (до 10,95 мг/дм³) забруднення. Загалом зазначалося високу азотне забруднення ґрунтових вод.

Джерелами азотного забруднення ґрунтових вод могли служити різні накопичувачі відходів, де є сполуки азоту в підвищених концентраціях, наприклад, полігони та звалища ТПВ, аварійні витоки з каналізаційних систем. Додатковим джерелом забруднення вод нітратами є городні ділянки, облаштовані балок та в заплавах річок, де регулярно вносяться мінеральні і органічні добрива. В заболочених частинах заплав, а також у мулистих відкладах джерелом сполук азоту можуть бути органічні рештки рослин. В умовах відновлювальної обстановки, яка була встановлена в грунтових водах заплавних ділянок, в холодний період року, коли кількість опадів переважає над випаровуванням, нітратний азот відновлюється до нітритного, далі до амонійного. Грунтові води даного періоду за показниками рН і Eh потрапляють в область розвитку сульфатредукуючих і денитрифицирующих бактерій. Відбувається мікробіологічне очищення ґрунтових вод від сполук азоту, коли нітрати відновлюються до вільного атомарного азоту. Сульфатна сірка також відновлюється до вільної сірки, що проявляється виділеннями в грунтах жовтої мінералізації, і далі до сульфідної сірки. В останньому випадку утворюються сульфіди значної частини мікроелементів, проте основним мінералом є землистий чорний пірит. На сірководневому бар’єрі локалізується значна частина токсичних елементів – свинець, ртуть, кадмій, миш’як, молібден, цинк та ін. Проте в процесі динамічного розвитку ореолів заміщення сірководнева обстановка часто змінюється глеевой, при якій водна міграція даних елементів може бути продовжена і в грунтові води можуть перейти токсичні мікроелементи широкого спектру.

Отримані результати досліджень дозволяють зробити важливі висновки:

1. Найбільш забруднені грунтові води акумулятивних ландшафтів – заплав річок і балок, де вони найбільш часто використовуються населенням для поливу садово-городніх ділянок, пиття та інших потреб.
2. Необхідно скласти каталог джерел грунтових вод, выклинивающихся на земну поверхню у вигляді джерел, і організувати їх регулярний гидрогеохимический і мікробіологічний контроль.
3. В цілях забезпечення безпеки населення, необхідно організувати регулярний контроль забруднення ґрунтів, ґрунтових вод акумулятивних ландшафтів і культурної рослинності, вирощуваної балок та в заплавах річок міським населенням.

Перелік посилань

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.