Загрязнение поверхностных и подземных вод

Воды гидросферы

Гидросфера представляет собой водную оболочку Земли, включающую все воды, находящиеся в жидком, твердом и газо­образном состояниях. Гидросфера включает воды океанов, мо­рей, подземные воды и поверхностные воды суши. Поверхност­ные воды включают воды рек, озер, водохранилищ, болот, кана­лов, дождевые поверхностные стоки на земной поверхности, а также снежный покров, ледники.

Водные объекты суши, за редким исключением, не являются изолированными и связаны между собой системой бассейнов (водосборов). Бассейны имеют различные масштабы: от десят­ков и сотен квадратных метров (локальные водосборы, бассейны ручьев) до миллионов квадратных километров (бассейны круп­ных рек, озер и морей). Практически все они являются частями бассейна Мирового океана. Смежные бассейны разделяются ме­жду собой водоразделами. Поскольку большинство водных объ­ектов связано с Мировым океаном, очевидно, что в конечном итоге загрязнения, выделяемые промышленными предприятия­ми, потенциально могут достигнуть его вод. Всесторонним изу­чением поверхностных вод, явлений и процессов, протекающих в них, занимается гидрология суши.

Современному человеку для нормальной жизнедеятельности необходим суточный расход воды в объеме 200—500 л для быто­вых нужд. Соответствующее количество чистой воды в пересчете на численность населения Земли невелико, так как приблизи­тельно в тысячу раз больше воды выносится реками в Мировой океан. Однако для обеспечения нужд промышленности, энерге­тики, сельского хозяйства и других областей экономики челове­чество вынуждено безвозвратно использовать гораздо большую часть речного стока. Особые затруднения в водопотреблении вы­званы тем обстоятельством, что водные ресурсы распределены по территории суши земного шара весьма неравномерно. К сча­стью, наша страна обладает беспрецедентными запасами водных ресурсов. Однако и мы не должны быть расточительными, и одна из наших главных задач заключается в сохранении поверх­ностных вод.

Основную проблему в загрязнении поверхностных вод созда­ют сточные воды. В целом в мире годовой объем загрязненных поверхностных вод оценивают в 5000 куб. км (около 20 % годо­вого стока рек земного шара). Наиболее загрязненными являют­ся воды следующих стран:

• ФРГ — около 50 % речного стока;

• США — около 33 % речного стока;

• Англии, стран Бенилюкса, Франции, Швеции, Японии. Главный промышленный загрязнитель поверхностных вод —

энергетика, потребляющая большие объемы воды. Вода на теп­ловых электростанциях используется главным образом для сис­темы охлаждения и для подпитки циркуляционных вод (так как имеются значительные потери воды на испарение и фильтра­цию), а также для гидротранспортировки золошлаковых отходов.

Серьезные загрязнения поверхностных вод возникают также из-за вымывания и осаждения примесей в атмосфере, приводя­щих к кислотным дождям. Значительное влияние на загрязнение поверхностных вод оказывает транспорт, и в первую очередь ав­тотранспорт.

Сотни и тысячи наименований различных загрязняющих агентов, попадающих в воду, переносятся по каскаду бассейнов, последовательно проникая с дождевыми стоками на сельхозуго­дья, в ручьи, озера, реки и далее в моря и океаны.

Помимо автотранспорта, загрязняют гидросферу и другие виды транспорта: железнодорожный, речной, морской, воздуш­ный, трубопроводный. При эксплуатации железнодорожного транспорта вода загрязняется главным образом в результате мой­ки подвижного состава и оборудования, в речном и морском — вследствие протечек жидких загрязнителей в водную среду. Осо­бенно драматичны разливы нефти при авариях нефтеналивных танкеров, в результате которых возникает нефтяная пленка, про­стирающаяся на десятки и даже сотни километров. Серьезную потенциальную опасность представляет собой трубопроводный транспорт из-за возможных прорывов и протечек, особенно вблизи пересечения водных преград.

Важным загрязнителем гидросферы является также комму­нальное хозяйство, объем сточных вод которого приблизительно в 3—4 раза ниже, чем в промышленности. Не менее серьезный загрязняющий субъект — сельское хозяйство, создающий осо­бую проблему загрязнения природной среды пестицидами. Уме­стно отметить, что уже в 70-х годах пестициды обнаружили в пе­чени пингвинов, живущих в Антарктиде.

К подземным водам относятся свободные (не связанные) воды, которые находятся в порах, трещинах или пустотах лито­сферы, обладающих водоотдачей. Содержащаяся в них вода об­ладает способностью перемещаться под влиянием силы тяжести. В зависимости от назначения подземные воды подразделяют на хозяйственно-питьевые, технические, промышленные, мине­ральные и термальные. Подземные воды являются ценным по­лезным ископаемым, обладающим во многих случаях возобнов-ляемостью в естественных условиях и в процессе эксплуатации. Изучением подземных (грунтовых) вод занимается гидрогеоло­гия — наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горными породами.

Характерной особенностью гидрогеологических условий России является то, что практически на всей ее территории воз­можна эксплуатация подземных вод. Согласно существующим оценкам, эксплуатационные ресурсы подземных вод в нашей стране составляют около 317 куб. км в год. При этом общий го­довой забор подземных вод на различные цели составляет всего лишь около 14—16 куб. км.

В зависимости от происхождения различают следующие три вида подземных вод: инфильтрационные, остаточные (реликто­вые) и ювенильные.

Инфильтрационные воды образуются в результате инфильтра­ции (просачивания) в глубь Земли атмосферных осадков, выпа­дающих на ее поверхность.

Остаточными называют воды бывших морских водоемов. Такие воды находятся в залегавших на морском дне осадках и сохранились в них после отступления моря. Они отличаются вы­сокой минерализацией и обычно залегают на больших глубинах.

Ювенильными называют воды, проникающие в поверхност­ные горизонты земной коры из земных недр, которые как пред­полагают, возникают в результате конденсации водяного пара, выделяемого магмой. В чистом виде такие воды практически не встречаются. Смешиваясь с пресными инфильтрационными во­дами, ювенильные воды дают начало минеральным водам, отли­чающимся повышенной минерализацией и температурой.

В отличие от поверхностных вод, грунтовые воды выполняют более ограниченные функции. Чаще всего они являются источ­ником водоснабжения. Во многих населенных пунктах, включая большие города, грунтовые воды являются единственным источ­ником водоснабжения. Важную роль подземные воды играют в обеспечении питания рек, особенно в межень (период наиболее низкого уровня воды в реках).

Важно отметить, что запасы подземных вод намного превос­ходят запасы поверхностных вод (табл. 6.1).

Подземные воды имеют рая преимуществ по сравнению с поверхностными при их эксплуатации. С одной стороны, места залегания подземных вод зачастую находятся вблизи населенных пунктов и стоимость их эксплуатации сравнительно невелика. С другой стороны, потенциал водопотребления подземных вод не зависит от сезонов. И, наконец, в большинстве случаев подземные воды, в отличие от поверхностных, не подвержены химическому, ра­диационному либо бактериальному загрязнению. Кроме того, чаще всего подземные воды имеют более благоприятный хими­ческий состав, вследствие чего оказываются более привлекатель­ными для питьевого водоснабжения.

Несмотря на огромные запасы подземных вод, их потребле­ние не должно быть очень интенсивным. Экологически оправ­данным может быть такой годовой забор воды, который не пре­вышает ежегодное поступление воды в водоносный горизонт в результате инфильтрации дождевых вод. В ряде случаев, напри­мер в засушливых районах, такой баланс нарушается.

Загрязнение и ухудшение качества подземных вод происхо­дят под воздействием техногенных факторов. В целом по Рос­сийской Федерации признаки неполного соответствия качества подземных вод питьевым целям отмечены в 62 % эксплуатируе­мых и в 51 % неэксплуатируемых месторождений, а также в 50 % водозаборов, расположенных на участках с неоцененными запа­сами. При этом в 85 % водозаборов такое несоответствие связа­но с природными условиями формирования качества подземных вод и в 24 % —- с их техногенным загрязнением.

Число выявленных очагов загрязнения подземных вод с каж­дым годом возрастает. Ежегодно выявляется свыше 300 новых очагов загрязнения. Наибольшее число участков загрязнения подземных вод выявлено в Приволжском, Сибирском, Южном и Центральном федеральных округах России. Основными вещест­вами, загрязняющими подземные воды, являются соединения азота (нитраты, нитриты, аммиак, соединения аммония), нефте­продукты, сульфаты, хлориды, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, кобальт, никель, ртуть). Источники за­грязнения — промышленные, сельскохозяйственные и комму­нальные предприятия.

Основная опасность загрязнения подземных вод связана с тем обстоятельством, что в зависимости от глубины залегания они во­зобновляются в течение длительных периодов времени — от со­тен до тысяч и даже миллионов лет. Для сравнения можно при­вести данные о периоде возобновления поверхностных вод: воды рек обновляются в среднем за 12 суток, озер и болот — за десятки и сотни лет.

Основные природные водные объекты, загрязнение которых создает наибольшие экологические проблемы — водотоки¹ и подземные воды. Поэтому ограничимся рассмотрением моделей переноса (дисперсии) загрязнений в этих объектах.

Диффузионная модель гидрологической дисперсии в водотоках

Аналогично атмосферной дисперсии, рассмотренной в пре­дыдущей главе, гидрологическая дисперсия понимается как сово­купность переноса загрязняющих агентов в водотоках направ­ленным потоком (течением) и турбулентной диффузией.

Рассмотрим стационарный сброс в реку из источника S (тру­бы) жидкости, содержащей химические или радиоактивные за­грязняющие вещества из точки y_s (рис. 6.1). Обозначим через W мощность сброса ингредиентов. Величина W в зависимости от природы загрязнителя имеет размерность мг/с или мКи/с.

Рис. 6.1. Система координат, используемая при расчете гидрологической

дисперсии

Модель предусматривает следующие допущения.

1. Сбрасываемые в единицу времени ингредиенты разбавля­ются объемом воды, равным ее расходу в реке.

2. Скорость течения и постоянна вдоль реки и по глубине т. е. скорость течения зависит лишь от поперечной к берегам ко­ординаты:

Водоток - водный объект, характеризующийся движением воды в углублении земной поверхности в направлении уклона местности. По своему происхождению различают естественные водотоки (реки, ручьи) и искусственные (каналы).

3. Площадь сечения реки 5 постоянна вдоль реки:

где С = С(х,у) — концентрация, мг/л (или мКи/л);

λ = ln 2/Т_n — постоянная распада;

Т_n — период полураспада;

K_у (у) — осредненный по вертикали коэффициент попереч­ной турбулентной диффузии;

и(у) — осредненная по вертикали скорость течения;

h(у) — глубина перемешивания.

Рассмотрим новую переменную — функцию расхода по ко­ординате у:

Очевидно, что q = Q при у = L, где Q и L — соответственно расход и ширина реки.

С учетом введенной переменной уравнение (6.3) примет вид

где С = С(х, q).

Переменные величины и и K_yuh² можно заменить на осредненные величины в поперечном направлении реки

В результате получим классическое уравнение диффузии

Граничное условие для этого уравнения имеет физический смысл непроницаемости границ берегов для миграции ингреди­ентов. Решение уравнения (6.8) с такими граничными условия­ми имеет следующий вид:

Поскольку в соответствии с (6.4) величина q является функ­цией лишь одной переменной у, в конечном счете решение (6.9) представляет собой функцию двух переменных х и у.

Аналогичный подход позволяет рассмотреть различные вари­анты сброса, а также миграцию загрязняющих веществ в замкну­тых водоемах, морях и пр.

Упрощенная модель гидрологической дисперсии

Ниже излагается упрощенная модель гидрологической дис­персии, применяемая в инженерных расчетах требуемой степени очистки сточных вод при проектировании систем отходящих стоков. Расчеты, основанные на такой модели, позволяют обос­новать выбор типа и мощности очистных сооружений и вариан­тов размещения оголовков выпуска сточных вод. Модель, разработанная В. А. Фроловым и И. Д. Родзиллером, основана на оценке кратности разбавления сточных вод¹.

Участок реки, в которую осуществляют сброс, условно разде­ляется на следующие зоны:

• начального разбавления, где скорость истечения стоков значительно превышает скорость течения воды в реке

• основного разбавления, в которой

• самоочищения, которую обычно в расчетах не учитывают.

Общее разбавление сточных вод определяется как произведе­ние кратностей разбавления п_н и п₀ в двух первых из перечислен­ных зон

п = п_ип₀. (6.11)

Кратность разбавления в зоне начального разбавления рас­считывается по формуле:

где d — отношение расчетного диаметра сточной струи к диаметру выпускного отверстия;

т — безразмерный коэффициент

Кратность разбавления п₀ в зоне основного разбавления вычисляют следующим образом:

где l_φ — расстояние от места выпуска сточных вод до створа во­допользования по фарватеру реки, измеряемое в километрах;

α — коэффициент, учитывающий гидрологические особен­ности реки:

В выражении (6.15) ז. — безразмерный коэффициент, учитывающий место выпуска, равный 1, если сброс осуществляют у берега, и 1,5, если сброс происходит в стрежень реки (наиболее быструю часть течения). Кроме того, в формуле (6.15) введены следующие обозначения:

— извилистость реки (отношение расстояния по фарватеру реки от места сброса до створа водопользования к аналогичному расстоянию по прямой);

— коэффициент турбулентной диффузии, м²/с (здесь h — средняя глубина реки в метрах). В приведенных формулах (6.14), (6.15):

Q_max, м³/с— максимальный расход сточных вод;

Q_min, м³/с — расчетный минимальный расход воды в створе водопользования, возможный 1 раз в 5 лет.

Расчетная концентрация загрязняющих веществ в створе водопользования составляет

Где С_исх — исходная концентрация загрязняющих веществ, т. е. концентрация в неочищенных водах.

Требуемую степень очистки сточных вод к_оч определяют сле­дующим образом:

В тех случаях, когда осуществлять очистку сточных вод нет необходимости.

Гидрогеологическая дисперсия

Гидрогеологическая дисперсия — совокупность переноса загрязняющих агентов в подземных водах направленным потоком и турбулентной диффузией.

Рассмотрим диффузионную модель гидрогеологической дисперсии на примере мгновенного разового сброса загрязнений в водоносный горизонт. Мгновенный разовый сброс рассматривается по той причине, что, как правило, санкционированные сбросы загрязняющих веществ в водоносные горизонты не осу­ществляются. Загрязнение подземных вод может происходить чаще всего в результате аварий или всякого рода протечек ком­муникаций. Особую экологическую опасность вызывает радиа­ционное или бактериологическое заражение подземных вод, а также их загрязнение токсичными и высокотоксичными химиче­скими агентами. Несмотря на низкие скорости миграции загряз­няющих веществ в подземных водах, составляющие в зависимо­сти от гидрогеологических условий грунтов от десятых долей метра до десятков и сотен метров в год, загрязнение подземных вод представляет значительно более серьезную опасность, чем загрязнение поверхностных вод. Это обстоятельство связано как с отсутствием эффективных технологий очистки подземных вод, так и с чрезвычайно медленными процессами их самоочищения.

При оценке последствий сброса загрязняющих веществ в во­доносные горизонты первостепенное значение имеет определе­ние концентрации загрязняющих веществ в ближайшей точке водопользования, а также продолжительности времени, в тече­ние которого эти вещества проникнут в точку водопользования. В подобных случаях важную роль играет оценка дисперсии за­грязнений, основанная на математическом моделировании, на­ряду с которым проводят также натурные измерения водоносных пластов, включающие, в частности:

• бурение скважин и исследование структуры горных пород;

• проведение натурных измерений, определение условий фильтрации подземных вод;

• построение гидрогеологических карт и разрезов.

Поместим начало координат на поверхность земли, ось х на­правим в направлении потока подземных вод, ось z — вниз, а ось у — перпендикулярно потоку (рис. 6.2) и запишем уравнение диффузии

где п — доля объема, занятого жидкой фазой (пористость);

С — объемная концентрация загрязняющих веществ в жид­кой фазе;

q - объемная концентрация загрязняющих веществ в твер­дой фазе;

D_x, D_у , D_z — коэффициенты турбулентной диффузии в на­правлениях х, у, z,

и — скорость движения подземных вод;

λ =ln 2/Т_n — постоянная распада;

Т_n – период полураспада.

Рис. 6.2. Система координат, используемая при расчете гидрогеологической

Уравнение (6.18) можно существенно упростить, сделав до­пущение о том, что жидкая и твердая фазы находятся в равнове­сии и концентрации в разных фазах связаны зависимостью

где k_d - эмпирический коэффициент, характеризующий отно­шение плотности загрязнителя в твердой фазе к его плотности в жидкой фазе;

р_в - плотность твердой фазы водоносного пласта.

Подставляя (6.19) в (6.18), получим следующее уравнение:

где α — скорость замедления в пористой среде,

Решить уравнение (6.20) численно с теми или иными началь­ными и граничными условиями не представляет большого труда. Основная проблема заключается в задании коэффициентов тур­булентной диффузии D_x, D_y и D_z, а также величины k_d. Другая проблема заключается в выявлении зон распространения под­земных вод, которые определяются с помощью гидрогеологиче­ских карт и разрезов.

В ряде случаев уравнение (6.20) можно решить аналитиче­ски, например сделав следующие допущения.

1. Водоносные пласты однородны и изотропны.

2. Сброс загрязняющих агентов происходит из точечного ис­точника с координатами (0, 0, z₁) в водоносный пласт бесконеч­ной мощности (толщины) и протяженности. Это означает, что практически мощность пласта превышает 100 м, а его горизон­тальная протяженность — более 20 км.

3. Сброс загрязняющих агентов происходит мгновенно, т. е. рассматривается аварийный сброс. Мгновенным сбросом может интерпретироваться сброс, происходящий в течение нескольких часов или суток, так как скорость миграции загрязнений в под­земных водах очень мала и обычно составляет 1 — 100 м/год.

Начальное условие к рассматриваемой задаче состоит в том, что в момент времени t - 0 в водоносный пласт сбрасывают ко­личество загрязнений Q (в единицах массы либо радиоактивно­сти). Граничное условие заключается в зеркальном отражении частиц загрязняющих агентов от верхней поверхности водонос­ного пласта.

При перечисленных допущениях и сформулированных на­чальном и граничном условиях уравнение (6.20) имеет аналити­ческое решение:

В выражениях (6.23)—(6.25) параметры дисперсии выражаются через коэффициенты турбулентной диффузии следующим образом:

Сравнивая выражения (6.23)—(6.25) с формулой (5.1) для ат­мосферной дисперсии, можно обнаружить аналогию между про­цессами переноса в воздушной среде и в подземных водах.