Автор: Марущак Б. В., Выборов С. Г.
Источник: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / Материалы IX Международной научной конференции аспирантов и студентов. – Донецк, ДонНТУ – 2015 г., 381 с.
Марущак Б. В., Выборов С. Г. – Закономерности техногенного замещения грунтовых вод городских территорий (г. Донецк). Грунтовые воды территории г. Донецка используются населением для полива садово-огородных участков и питьевых нужд. Они не защищены от химического и бактериального загрязнения, систематический контроль их качества не осуществляется. В геологической среде города сформирован динамически развивающийся ореол замещения водоносных грунтов, контролирующий очаги загрязнения грунтовых вод и их гидрогеохимическую зональность.
Ключевые слова: ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ, ОРЕОЛ ЗАМЕЩЕНИЯ, ТЕХНОГЕННЫЕ МИНЕРАЛЫ, АЗОТНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Groundwater territory of Donetsk used by people for watering garden plots and drinking needs. They are not protect against chemical and bacterial pollution, systematic quality control is not carry out. In the geological environment of the city is formed dynamically evolving halo substitution bearing soil, controlling centers of pollution of groundwater and hydrogeochemical zoning.
Keywords: GROUNDWATER, OREOL SUBSTITUTED, CAUSED MINERALS, NITROGEN POLLUTION
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.
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. Существенно влияют на гидродинамические условия и гидрохимический режим шахтный водоотлив, порывы и утечки водопроводных и канализационных систем.
По данным предшествующих исследований [1] 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.
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. 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 [2] и определяют дифференциацию техногенного вещества в геологической среде.
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) 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 [3]. 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.
В октябре 2012 г. было установлено локальное интенсивное загрязнение грунтовых вод нитритами (до 23,63 мг/дм3), 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.
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. Выборов С. Г., Силин А. А., Россеева Ю. Ю., Ливадняя Я. Ю., Горбачева Е. Ю. Геохимические особенности динамики развития техногенных аномалий в почвах. Опыт мониторинга состояния почв Донбасса // Наукові праці ДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». 2011, вип. 15 (192). – С. 309-316.
2. Перельман А. И. Геохимия природных вод. – М.: Наука, 1982 г. 154 с.
3. Шварцев С. Л., Пиннекер Е. В., Перельман А. И. и др. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. Новосибирск: Наука, 1982 г. 287 с.