СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Гидрогеохимическая часть мониторинга предусматривает получение информации о формировании химического состава подземных вод за конкретные периоды времени на конкретных территориях и о характере его изменения; это система запланированных повторяющихся наблюдений, направленных на разработку контрольнопрофилактических мероприятий в целях обеспечения оптимальных условий функционирования природно-техногенных объектов и рационального использования природных водных ресурсов хорошего качества [16, 17].

Мониторинг включает слежение, наряду с подземными водами, за атмосферным воздухом, атмосферными осадками, почвой, породами зоны аэрации, водоносными породами, речными водами, донными речными и озерными осадками, стоками, твердыми отходами.

Комплексность мониторинговых наблюдений следует:

  • а) из понятия о подземной воде как о сложной системе, обладающей единством и взаимообусловленностью химических и динамических свойств, определяемых строением системы в совокупности с окружающими средами;
  • б) свойств подземной воды, обусловливающих ее высокую физико-химическую чувствительность к воздействию любых природных и техногенных сред, подверженность многосторонним изменениям и участие в глобальных природно-техногенных процессах;
  • в) миграции компонентов-загрязнителей к подземным водам по схеме: атмосфера —» почва —> подземные воды (водосодержащие породы) —> поверхностные воды (донные осадки);
  • г) взаимосвязей и взаимообусловленностей гидрогеохимических и гидродинамических трансформаций на путях от источников техногенного возмущения подземных вод до подземных и в итоге — до речных вод.

Рассмотрение мониторинга городов в качестве самостоятельной части экомониторинга системы «подземная вода» обосновывается:

  • а) существенной значимостью территорий города в распространении негативного влияния на качество подземных вод за пределами городских территорий;
  • б) неблагоприятным влиянием городов на соседние территории, особенно через атмосферу (атмосферный воздух и осадки), что приводит к загрязнению значительных площадей; наряду с атмосферой, переносчиками техногенных компонентов, свойств, явлений негативного характера за пределы городов являются также поверхностные и грунтовые воды;
  • в) существенной специфичностью состава компонентов-загрязнителей городского типа, что провоцирует возникновение за пределами городских территорий процессов, не свойственных условиям этих территорий.

Типизация подземных вод городов по физико-химическим процессам и составу загрязнений определяется зависимостью от расположения городов в районах с различными физико-географическими обстановками, характеризующимися своеобразием гидрогеохимических природных условий. В крупном плане вновь формирующиеся под влиянием городов гидрогеохимические природно-техногенные типовые условия представлены в верхней гидродинамической зоне областями:

  • а) с активным водообменом в условиях с гумидным климатом;
  • б) затрудненным водообменом в аридных физико-географических условиях;
  • в) затрудненным водообменом в криогенных условиях платформ.

Основой эколого-гидрогеохимических исследований является сеть

наблюдательных пунктов; скважин; гидрорежимных постов на опорных реках; пунктов отбора проб дождя, снега, почв и пород; объектов формирования техногенных нарушений в виде подтопления, загрязнения, агрессивного воздействия вод на сооружения и пр. Размещение и структура сети наблюдательных пунктов в значительной степени определяются положением источников техногенного возмущения и геолого-гидрогеологическими условиями распространения возмущений. При мониторинге необходимо учитывать форму источников загрязнения: точечная, площадная. В первом случае концентрация загрязнений в направлении фильтрационного потока уменьшается, во втором — увеличивается.

Структура мониторинга подлежит периодическому пересмотру в связи с изменениями в технологии производства; дополнительными технологическими циклами переработки, очистки; существенными изменениями в структуре гидрогеодинамических и гидрогеохимических условий и др. Основные положения пересмотра действующей режимной сети заключаются в оптимизации существующих наблюдательных пунктов. Предлагаемые варианты режимной наблюдательной сети должны быть экономичными и эффективными, что достигается серьезным геолого-гидрогеологическим обоснованием.

В целом мониторинговая наблюдательная сеть разрабатывается на основе гидрогеологического строения территории, существенными вопросами которого являются геофильтрационные условия, структура фильтрационных природных и техногенных потоков, распределение областей питания подземных вод в естественных и нарушенных условиях, взаимосвязь подземных вод с поверхностными. Учет перечисленных гидрогеологических показателей позволяет добиться экономичного размещения наблюдательных пунктов. Экономичности и высокой эффективности работы режимной сети и получению добротной гидрогеологической информации способствует методика интерпретации информации, в которую заложены правила, позволяющие с большой точностью при возможно минимальном фактическом материале осуществлять региональную (картирование, районирование и др.) и балансовую оценки техногенных процессов.

Данные мониторинга являются основой прогноза развития техногенных процессов; для прогноза же необходимо знание целого ряда гидрогеологических параметров, закладываемых в расчетные задачи. Основные параметры: инфильтрационное естественное и техногенное питание; проводимость водоносного комплекса (комплексов); коэффициент фильтрации разделяющих слабопроницаемых (чаще всего глинистых) отложений; значение фильтрационного сопротивления русловых отложений рек; расходы рек. Определение этих параметров традиционно производят путем полевых опытных работ, включающих большие объемы дорогостоящих и длительно выполняемых операций типа кустовых откачек, гидрометрических наблюдений и пр. В условиях современного компьютерного программного обеспечения определение прогнозных параметров вполне вероятно путем решения обратных задач, при котором, однако, требуется достоверная гидрогеологическая основа.

Вышеперечисленное в целом определяет структуру наблюдательной сети: положение пунктов наблюдений, периодичность наблюдений, наблюдаемые компоненты. В случае оптимизации режимной сети среди пунктов наблюдений выделяют действующие, подлежащие ликвидации, вновь организуемые. В структуре действующих пунктов выделяют:

  • а) опорные, контролирующие ситуацию техногенных изменений непосредственно в пределах и вблизи источников техногенного возмущения;
  • б) вспомогательные, контролирующие распространение техногенных изменений в удалении от очагов возмущения;
  • в) приграничные, контролирующие изменения в положении границ между техногенными и естественными условиями формирования подземных вод и др., границ размещения участков техногенного возмущения;
  • г) резервные.

Значимость гидрогеохимических исследований при гидрогеоэкологическом мониторинге городов обосновывается:

  • • относительной частотой среди видов техногенного воздействия на подземные воды именно загрязнения и других негативных гидрогеохимических явлений;
  • • многообразием и разнонаправленностью физико-химических процессов загрязнения и других техногенных гидрогеохимических явлений;
  • • сложностью геохимических свойств компонентов-загрязнителей;
  • • широким развитием техногенных миграционных систем, характеризующихся неоднородными окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями;
  • • формированием загрязненных подземных вод со своеобразным составом и измененным (в худшую сторону) качеством;
  • • развитием физико-химических процессов, сопровождающих подтопление, просадки и другие техногенные явления и обусловливающих преобразования фильтрационных, прочностных и других свойств пород.

В целом гидрогеохимическую часть гидрогеоэкологического мониторинга городов следует понимать как систему, обеспечивающую техногенные исследования фактическими данными:

  • • натурных полевых наблюдений;
  • • экспериментальных и аналитических работ;
  • • разнообразной с методических и прикладных позиций обработкой информации;
  • • целенаправленной с методических и прикладных позиций интерпретацией результатов обработки получаемой информации, направленной на комплексную разработку предложений по поддержанию состояния городских территорий, близкого к природному.

Задачи исследований:

1. Геолого-гидрогеологическое обоснование прогнозной оценки загрязнения природных вод компонентами-загрязнителями, поступающими из атмосферы, с промстоками, твердыми отходами и др.

Решение этой задачи требует изучения:

  • • литолого-минералогического, геохимического, фильтрационного строения пород зоны аэрации;
  • • минералогических и геохимических свойств пород и структуры грунтового и эксплуатационных водоносных комплексов (горизонтов в плане и по разрезу);
  • • региональных гидродинамических условий;
  • • взаимосвязи подземных и поверхностных вод, обусловливаемой с гидрогеохимических позиций;
  • • гидрогеохимических условий водоносных комплексов для естественных и нарушенных состояний.
  • 2. Изучение физико-химических преобразований компонентов- загрязнителей в их источниках.

Для этого исследуются:

  • • закономерности распространения соединений серы, азотных соединений, углерода и тяжелых металлов в атмосфере в зависимости от направления и скорости ветра, от температуры воздуха;
  • • корреляционные связи между компонентами-загрязнителями в атмосферных условиях;
  • • особенности распределения в атмосфере компонентов-загрязнителей в зависимости от их геохимических свойств;
  • • состав стоков и изменение его во времени.
  • 3. Физико-химические преобразования компонентов-загрязнителей в зоне аэрации:
    • • выявление условий формирования устойчивых миграционных форм, их распространенности, процессов и их особенностей в зависимости от щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных обстановок.
  • 4. Оценка гидрогеохимической защищенности подземных вод от загрязнения комплексом компонентов-загрязнителей городского типа:
    • • разграничение компонентов-загрязнителей на геохимически инертные по отношению к породам зоны аэрации и сорбируемые; выявление компонентов пород, по отношению к которым промстоки агрессивны;
    • • разработка комплексного подхода к составлению карты защищенности, учитывающего фильтрационные и физико-химические параметры.
  • 5. Установление закономерностей распространения компонентов-загрязнителей в подземных и поверхностных водах:
    • • уточнение естественного фона по компонентам-загрязнителям;
    • • установление миграционных форм компонентов-загрязнителей;
    • • оценка аномального состояния компонентов-загрязнителей в природных водах по отношению к фону и ПДК вод хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения;
    • • изучение карбонатного и сульфатного равновесий в загрязненных водах;
    • • районирование территории городов и сопредельных территорий по условиям распространения компонентов-загрязнителей в природных водах.
  • 6. Комплексное изучение техногенных процессов:
    • • подтопления;
    • • пространственно-временного изменения уровня, минерализации и компонентного состава подземных вод;
  • • агрессивных свойств подземных вод по отношению к фундаментам сооружений и процессов формирования видов агрессивности;
  • • пространственно-временных изменнений в агрессивности вод

и их тенденций.

  • 7. Определение роли глубинных компонентов в процессах формирования состава подземных вод и в их загрязнении.
  • 8. Установление закономерностей формирования и распространения микрокомпонентов в подземных и поверхностных водах в связи с региональным прогнозом загрязнения природных вод стоками; количественная оценка регионального фона микрокомпонентов и его превышения по ПДК.
  • 9. Комплексный прогноз загрязнения вод компонентами-загрязнителями: разработка методики прогноза загрязнения подземных вод основными компонентами-загрязнителями с учетом их химических свойств, форм миграции и процессов, приводящих к позитивным и негативным последствиям.

Объекты опробования:

Водные: а) подземные воды; б) поверхностные воды; в) атмосферные осадки; г) сточные воды.

Породы: опробуются на глубинах 0,5—0,7 м вследствие наибольшей их подверженности техногенному влиянию.

Территории городов представляют собой сложнейшие природнотехногенные комплексы городского типа. При выборе природнотехногенных объектов для опробования учитывается целый ряд характеристических особенностей строения территории и основных источников негативного влияния на химический состав и качество подземных вод. В итоге в программу полевых работ включаются участки:

  • 1) пищевой, хлопкообрабатывающей, льняной, бумажной промышленности; пищеблоки и многие другие объекты, отходы которых содержат значительные количества органических веществ и связанных с ними органо-минеральных компонентов, включающих тяжелые металлы и пр.;
  • 2) разработок торфяников с образованием отходов смешанного органического и органо-минерального состава, содержащими галоиды;
  • 3) нефтебаз, хранилищ газа и нефти, нефтеперерабатывающих заводов, бензохранилищ, автозаправочных станций и др. с отходами, содержащими углеводороды;
  • 4) ТЭЦ, автобаз, автодорожных станций, автомагистралей и пр., загрязняющих атмосферу газами серы, азотными, водородными, а также в пылеватой форме;
  • 5) цветной и черной металлургической промышленности, чугунолитейной промышленности, станкостроения и др., в отходах которых сосредоточены значительные концентрации микрокомпонентов, особенно тяжелых металлов;
  • 6) стекольной, керамической промышленности, переработки строительных глин, песков, и прочих видов промышленности с набором в значительных концентрациях геохимически нейтральных компонентов;
  • 7) жилых кварталов;
  • 8) полей фильтрации;
  • 9) станций аэрации и очистных сооружений;
  • 10) водозаборов с позиций: а) возможного влияния на качество подземных вод промышленных, коммунально-бытовых, сельскохозяйственных и других объектов; б) удаленности от любых техногенных объектов; в) влияния поверхностных загрязненных вод на качество подземных вод;
  • 11) распространения подземных и поверхностных вод на территориях, наименее и наиболее подверженных техногенному влиянию.

Отбор водных проб и пород проводится одновременно в каждом предусмотренном программой пункте.

Таким образом, основные технические задачи мониторинга: контроль за загрязнением природных сред территории (подземных, речных, атмосферных вод, пород) всем возможным комплексом компонентов- загрязнителей, поступающих в природные воды и породы из атмосферы, в виде техногенных вод от перерабатывающих объектов, твердых отходов, подземных хранилищ газа, полигонов подземного захоронения промстоков; контроль за изменением качества речных вод, имеющих хозяйственно-питьевое и рыбохозяйственное значение, и за агрессивностью смесей подземных и сточных вод на участках подтопления; контроль за изменением под влиянием техногенных процессов фильтрационных и прочностных свойств пород на участках подтопления, в районе подземного захоронения промстоков и др.

Учет гидрогеологических показателей при оптимизации режимной сети и прогнозе техногенных нарушений осуществляется посредством анализа изменчивости контролируемых параметров во времени и пространстве.

Поэтому главная задача режимных наблюдений — обоснованный подбор исследуемых параметров, которые имеют как естественное, так и техногенное формирование. Это — уровень, глубины залегания, температура, минерализация подземных вод, величины Eh, pH, с°2 своб; CO?-, НСО-, SO?-, С1-, Са2+, Mg2+, Na+, К+, Fe2+, Fe3+, NO", NOj, NH4, N2, микрокомпоненты (Cu, Li, Cd, B, Mn, Zn, Ni, Pb, P, Hg и др.), органические вещества, нефтепродукты, H2S, изотоп серы сульфатов.

Рекомендуется учитывать следующие особенности анализа: в нефильтрованной воде определяют физические свойства, pH, Eh, гидрокарбонаты, железо, содержание азотных соединений, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, окисляемость.

Если невозможно определить окисляемость сразу после доставки пробы, отмеряют 100 мл (или меньшее количество) воды, подкисляют 5 мл H2S04 (1:3) и на следующий день заканчивают определение. Остальные компоненты после консервации пробы могут анализироваться в последующие дни. Солевой состав SO?", СГ, Са2+, Mg2+, Na+, К+ определяют в фильтрованной воде, но для весовых определений профильтрованная вода в отмеренных объемах тотчас же должна быть подкислена кислотой, после чего может быть оставлена на 1—2 дня.

Пробы для определения аммиака консервируют серной кислотой (1:3), приливая 2 мл кислоты на 1 дм3 исследуемой воды; пробы для определения нитритов и нитратов консервируют 2 мл хлороформа (на 1 дм3 воды). Для стабилизации форм минерального азота лучший эффект по сравнению с органическими консервантами дает прибавление окиси ртути в количестве 0,1 г на 1 дм3. Для определения сульфатов и тяжелых металлов пробу подкисляют: 1 см3 НС1 (1:1) на 0,5 дм3 воды. Для определения фенолов воду подщелачивают добавлением 5 г едкой щелочи на 1 дм3 воды. Проба на нефтепродукты: лучше всего сразу после отбора экстрагировать СС14 — экстракты в прохладном месте могут хранится 7—10 мес; в бутылку с пробой добавляют 2—4 см3 СС14 и встряхивают 2—3 мин — проба хранится 2 недели [23].

Определение нитритов в сточных водах следует проводить немедленно после взятия пробы, потому что превращение нитритов в нитраты или в аммиак под действием микроорганизмов происходит постоянно. Этот процесс можно задержать не более чем на сутки, добавляя в пробу серную кислоту до pH 2—3.

Обращается серьезное внимание при анализе компонентного состава водных растворов на их минерализацию. Диапазон минерализации подземных вод верхней части подземной гидросферы довольно существенный — от нескольких десятков—сотен мг/дм3 в районах с гумидным климатом до 50—60 г/дм3 и более в районах с аридным климатом; диапазон минерализации стоков — от первых единиц до десятков граммов на 1 дм3.

При анализе минерализованных вод требуется их разбавление, которое производится с таким расчетом, чтобы при объемных определениях объем титрованного раствора находился в пределах 5—20 см3, а при весовом определении масса осадка была бы в пределах 100— 400 мг. При этом минимальный объем разбавленной воды, отбираемой на определение, должен составлять 25—50 см3.

Разбавление вод с минерализацией более 40—50 мг/дм3 лучше производить в два этапа: вначале относительно небольшой объем аликвитной части (25 или 50 см3) — в 10 раз, затем еще одно разбавление в необходимое число раз.

Важная проблема мониторинга — возможность сопоставления информации, полученной на разной аппаратуре всевозможными методами. Для получения сопоставимых результатов необходимо использовать унифицированные методы анализа.

Современное химико-аналитическое обеспечение представлено высокочувствительными, надежными и достаточно быстрыми методами определения большинства контролируемых минеральных и органических компонентов; pH и Eh определяются потенциометри- чески. Прецезионные потенциометры выпускаются фирмами Radiometer (Дания) и Radetkis (Венгрия).

Для определения органических веществ, органического и общего углерода, нефтепродуктов рекомендуются ИК- и УФ-спекгрофотометры, и особенно газовая хроматография. Метод газовой хроматографии позволяет разделить многокомпонентные смеси с близкими свойствами на отдельные компоненты и определить несколько веществ в одной и той же пробе. Чувствительность метода высокая. Анализу, как правило, предшествует выделение органического вещества из воды путем экстракции соответствующим растворителем. При определении в сточных водах общего и органического углерода методом газовой хроматографии из отечественных стационарных хроматографов средней чувствительности используются приборы серии ХЛ.

Высокой чувствительностью и большими возможностями обладают хроматографы ЛХМ-7А, ЛХМ-8М, ЛХМ-ШМ. К высокочувствительным и надежным приборам относятся хроматографы типа «Цвет», модели «Цвет-3», «Цвет-4», «Цвет-5», «Цвет-6», снабженные несколькими детекторами для количественного определения различных веществ.

Наиболее доступными и дешевыми зарубежными приборами являются хроматографы типа «Хром» (наиболее совершенные модели — «Хром-3» и «Хром-31»).

Очень перспективен атомно-абсорбционный спектрофотометр (ААСФ) с зеемановским эффектом, который реализован в приборе модели 180—80 фирмы «Хитачи» и позволяет осуществлять учет неселективного поглощения до 1,7 ед. поглощательной способности, что делает возможным определение нанограммовых количеств ряда элементов из концентрированных растворов без отделения от мешающих компонентов матрицы, дающих неселективное поглощение (например, в морской воде), и обеспечивает более высокую точность анализа. В отечественном ААСФ «Сатурн» используется дейтериевый корректор фона, который обеспечивает учет неселективного поглощения лишь до 0,3—0,4 ед. поглощательной способности спектрофотометров (нитраты, нефтепродукты и др.): СФ-10, СФ-18 — регистрирующие, СФ-14 и СФ-16 — нерегистрирующие отечественных или зарубежных фирм: Хитачи (Япония), модель 557 (США); фотоэлектроколориметров: ФЭК-56, ФЭК-60; флуориметров: ФО-1, Анализ-1, ФАС-1, ФЛЮМ и др. и, как указывалось выше, — газовых хроматографов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >