Загрязнение подземных вод: природные и антропогенные факторы, стандарты качества и пути решения

Природные грунтовые воды обычно богаты растворёнными элементами и соединениями, образующимися из почвы, реголита и коренных пород, через которые вода просачивалась. Некоторые из этих растворённых веществ ядовиты, другие допустимы в малых концентрациях, но вредны при высоких значениях. Загрязнение подземных вод отходами жизнедеятельности человека и промышленными стоками постоянно растёт, а чрезмерное использование ресурсов привело к падению уровня воды и возникновению сопутствующих проблем, особенно вдоль береговых линий. Морская вода может поступать на смену истощённой пресной, а поверхность земли – оседать при удалении воды из поровых пространств водоносных горизонтов. Эти процессы требуют строгого контроля за эксплуатацией подземных вод и разработки мер по предотвращению необратимых изменений в геологической среде.

Стандарты питьевой воды и общее количество растворённых твёрдых веществ. Служба общественного здравоохранения США установила предельные концентрации растворённых веществ (так называемое общее количество растворённых твёрдых веществ, или TDS) в природных водах, используемых для бытовых и других целей. В таблице «Стандарты питьевой воды для Соединённых Штатов» приведены эти ограничения; многие другие страны, особенно те, что испытывают хроническую нехватку воды (например, на Ближнем Востоке), имеют гораздо более мягкие нормативы. Пресная вода предпочтительна для домашнего использования и содержит менее 500 миллиграммов (мг) TDS на литр (л) воды. Пресная и слабосолёная вода (TDS 1000–3000 мг/л) пригодна для животноводства и орошения, тогда как вода с более высоким TDS непригодна для людей или домашнего скота. Полив с использованием воды с высоким TDS не рекомендуется, поскольку при испарении воды растворённые соли и минералы остаются в почве, ухудшая и в конечном счёте снижая продуктивность земель.

Либо большое количество растворённых твёрдых веществ, либо присутствие определённых токсичных элементов могут снизить качество грунтовых вод или загрязнить их. Большинство TDS в грунтовых водах – это соли, образующиеся при растворении местных коренных пород или почв. Соли также могут просачиваться в грунтовые воды из моря вдоль береговых линий, особенно при интенсивной откачке воды. В таких случаях морская вода часто поступает на смену истощённой пресной – этот процесс известен как проникновение (интрузия) морской воды. Понимание источников TDS необходимо для выбора рациональных методов водоподготовки и планирования водопользования в разных климатических зонах.

Жёсткая вода и обычные растворённые ионы. Растворённые соли в подземных водах обычно включают бикарбонатные (HCO₃⁻) и сульфатные (SO₄²⁻) ионы, часто связанные с другими катионами. Растворённые ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺) могут сделать воду «жёсткой». Жёсткая вода определяется как содержащая более 120 частей на миллион растворённых кальция и магния. Такая вода затрудняет вспенивание мыла и образует минеральный налёт (накипь) на кранах и трубах. Добавление натрия (Na⁺) в бытовых умягчителях может смягчить жёсткую воду, но людям с сердечно-сосудистыми заболеваниями или соблюдающим низкосолевую диету следует избегать её употребления. Жёсткая вода часто встречается в районах, где грунтовые воды просачиваются сквозь известняковые или доломитовые породы, богатые минералами, содержащими Ca²⁺ и Mg²⁺, которые легко растворяются.

Антропогенное загрязнение грунтовых вод. Грунтовые воды могут содержать множество загрязнителей как природного, так и антропогенного происхождения. К антропогенным загрязнителям относятся отходы жизнедеятельности животных и человека, пестициды, промышленные растворители, дорожные соли, нефтепродукты и другие химические вещества – серьёзная проблема во многих регионах. Крупнейшие и наиболее опасные источники загрязнения подземных вод включают: резервуары для хранения химикатов и бензина, септические системы, свалки, места захоронения опасных отходов, военные базы, а также широкое использование дорожных солей и агрохимикатов (удобрений, пестицидов). Каждый из этих источников требует специфических методов мониторинга и санации.

Агентство по охране окружающей среды (EPA) возглавило работы по ликвидации последствий утечек из протекающих резервуаров для хранения химикатов в США. По оценкам, в стране насчитывается около 10 миллионов подземных резервуаров, содержащих бензин, нефть и опасные вещества. Со временем эти резервуары могут протекать; за последние два десятилетия многие старые ёмкости были заменены на новые, более долговечные и менее подверженные коррозии. Домашние и коммерческие септические системы представляют серьёзную угрозу для некоторых систем подземных вод: большинство из них спроектированы эффективно, но некоторые установлены неправильно или плохо сконструированы. Во многих случаях загрязнение происходило из-за сброса химикатов в канализацию, которые затем попадали в септическую систему и далее в грунтовые воды.

В Соединённых Штатах насчитывается более 20 000 известных и заброшенных мест захоронения опасных отходов. На некоторых из них хранятся многочисленные бочки с химикатами и опасными материалами, которые могут протекать, загрязняя водоснабжение. Свалки также могут содержать опасные химические вещества; при проектировании предполагается наличие защитного непроницаемого нижнего слоя, предотвращающего миграцию загрязнителей. Однако некоторые химикаты, ошибочно размещённые на свалках, иногда прожигают дыры в базальном слое, попадая (наряду с другими веществами) в систему грунтовых вод. В регионах с заморозками для борьбы с гололёдом на дорогах используют дорожные соли; эти соли растворяются в дождевой воде и со временем могут просачиваться в водоносные горизонты, делая их солёными. Вместе с удобрениями и пестицидами концентрация этих химических веществ становится критической для обеспечения безопасного качества воды.

Время пребывания загрязняющих веществ в грунтовых водах. Загрязнение подземных вод – как природное, так и антропогенное – является серьёзной проблемой из-за ограниченности водных ресурсов. Загрязнители в системе грунтовых вод не смываются следующим дождём, в отличие от многих растворённых токсинов в поверхностных водах. Время пребывания (средняя продолжительность нахождения загрязнителя в системе) обычно составляет сотни или тысячи лет. Многие системы подземных вод могут самоочищаться от естественных биологических загрязнений с помощью бактерий, но другие химические загрязнители сохраняются значительно дольше. Это требует долгосрочных стратегий защиты и восстановления водоносных горизонтов.

Мышьяк в грунтовых водах. В некоторых частях мира многие люди заболели из-за растворённого в грунтовых водах мышьяка. Отравление мышьяком (арсеноз) приводит к ряду тяжёлых заболеваний: гиперпигментация (обилие красноватых пятен), гиперкератоз (чешуйчатые образования на коже), раковые поражения кожи и плоскоклеточная карцинома. Мышьяк может попадать в пищевую цепь разными путями. В провинции Гуйчжоу (Китай) сельские жители сушат перец чили в помещении на углях; к сожалению, уголь там богат мышьяком (содержание достигает 35 000 частей на миллион), и большая часть этого мышьяка переходит в перец во время сушки. Тысячи местных жителей страдают от отравления мышьяком; рак и другие болезни разрушают семьи и целые деревни.

Большая часть природного мышьяка попадает в пищевую цепочку через загрязнённые грунтовые воды. Мышьяк в подземных водах обычно образуется при растворении минералов из выветрелых горных пород и почв. В Бангладеш и Западной Бенгалии (Индия) от 25 до 75 миллионов человек подвержены риску заболевания арсенозом из-за высокой концентрации природного мышьяка в подземных водах. С 1975 года максимально допустимый уровень мышьяка в питьевой воде США составлял 50 частей на миллиард (ppb). EPA рассматривает возможность введения новых стандартов. Учёные из Национальной академии наук США рекомендуют снизить допустимую концентрацию до 10 ppb, но администрация Буша отменила этот уровень. Проблема – в затратах: по оценкам EPA, достижение уровня 10 ppb обойдётся предприятиям и налогоплательщикам в 181 миллион долларов в год, хотя некоторые частные фонды считают эту оценку заниженной втрое. Расходы лягут на потребителей, и счета за воду могут вырасти вчетверо. По оценкам EPA, польза для здоровья от такого снижения предотвратит от 7 до 33 смертей от рака мочевого пузыря и лёгких в год. Эти вопросы отражают сложный выбор, стоящий перед правительством: EPA стремится «максимизировать пользу для здоровья при затратах, оправданных получаемыми выгодами». Сколько стоит спасти 7–33 жизни в год? Не лучше ли потратить эти деньги иначе?

Концентрация мышьяка в системе подземных вод США, как и в любой другой стране, неравномерна. В 2000 году Геологическая служба США опубликовала серию карт с концентрациями мышьяка в десятках тысяч скважин по всей стране. Высокие концентрации сосредоточены на юго-западе США, с отдельными пиками в южном Техасе, некоторых районах Монтаны (из-за горных работ) и в ряде мест верхних равнинных штатов. План ликвидации, нацеленный на самые высокие концентрации, вероятно, будет наиболее эффективным с точки зрения затрат и принесёт наибольшую пользу здоровью.

Загрязнение сточными водами. Основной проблемой является загрязнение сточными водами. Если бактерии группы кишечной палочки (E. coli) попадают в грунтовые воды, водоносный горизонт считается загрязнённым, и необходимо проводить анализ проб перед употреблением воды. Во многих случаях фильтрация через песок позволяет удалить бактерии, а водоносные горизонты, загрязнённые фекальными бактериями, очищаются легче, чем те, что загрязнены многими минеральными токсинами. Хотя детальное обсуждение загрязнения подземных вод отходами жизнедеятельности человека выходит за рамки данной статьи, читатели могут обратиться к источникам, перечисленным в конце, для получения более подробной информации.

Проникновение морской воды в прибрежные водоносные горизонты. Попадание морской воды в питьевые и оросительные скважины – растущая проблема для многих прибрежных сообществ по всему миру. Пористые грунты и породы под уровнем грунтовых вод на суше обычно насыщены пресной водой, тогда как пористые отложения под океанами – солёной. В прибрежных условиях существует граница между пресной и солёной грунтовыми водами. В некоторых случаях это вертикальная граница; в других – наклонная, где более плотная солёная вода залегает под более лёгкой пресной. В районах со сложной стратиграфией граница может состоять из множества линз.

При нормальном равновесии граница между пресной и солёной водой остаётся довольно постоянной. Во время засухи граница может смещаться в сторону суши или вверх; при обильных осадках – в сторону моря или вниз. С повышением уровня моря граница перемещается вглубь материка, и из скважин, прежде дававших пресную воду, начинает поступать солёная – это и есть проникновение морской воды. Многие прибрежные сообщества интенсивно развиты: жилые кварталы, города и фермы получают воду из скважин. Когда эти скважины выкачивают из прибрежных водоносных горизонтов больше воды, чем пополняется за счёт осадков, линза пресной воды истощается. Солёная вода поступает в пустые поровые пространства, вытесняя пресную. В конечном счёте скважины начинают забирать солёную воду, становясь бесполезными. Это ещё один путь засоления колодцев. При сильной засухе процесс может быть естественным, но в большинстве случаев проникновение морской воды вызвано чрезмерной откачкой, усугубляемой засухой.

Многие населённые пункты США пострадали от проникновения морской воды. Например, многие сообщества Восточного побережья отказались от своих колодцев и были вынуждены использовать водопроводную воду из удалённых резервуаров. Более сложный сценарий – западный Лонг-Айленд (штат Нью-Йорк), где в конце XIX – начале XX века интенсивная откачка вызвала серьёзное проникновение морской воды в прибрежные водоносные горизонты. Использованная вода, возвращавшаяся в водоносный горизонт через септические системы, начала сбрасываться непосредственно в море после прокладки канализационных труб в 1950-х годах; в результате уровень грунтовых вод за 20 лет снизился более чем на 20 футов. Это снижение сопровождалось дополнительной интрузией морской воды. Уровень начал восстанавливаться в 1970-х годах, когда большая часть территории перешла на воду из водохранилищ в горах Катскилл к северу от Нью-Йорка.

Резюме. Большая часть мировых запасов пресной воды заключена в ледниках и ледяных шапках, а около 25 % пресной воды хранится в системе подземных вод. Вода в этой системе постоянно, но медленно перемещается, пополняясь за счёт дождя и снега, и разгружается в ручьи, озёра, родники, а также извлекается из колодцев. Вода, проходя через пористую среду, образует водоносные горизонты; подземные слои, ограничивающие сток, называются водоупорами. Водоносные горизонты в зонах разломов обычно сложены непроницаемыми кристаллическими породами, но разломы и трещины создают вторичную пористость вдоль трещин. При выходе на поверхность эти трещины могут заполняться водой и служить отличными источниками водоснабжения в засушливых регионах.

Системе подземных вод угрожают загрязнители – от природных, но смертельно опасных элементов, таких как мышьяк, до сточных вод, промышленных отходов и нефтепродуктов, просочившихся из подземных хранилищ или небрежно сброшенных. Некоторые химические вещества недолго задерживаются в системе и вскоре эффективно удаляются, но другие могут сохраняться годы или тысячелетия, прежде чем подземные воды снова станут пригодными для питья. Рациональное управление, строгий мониторинг и международное сотрудничество необходимы для сохранения этого важнейшего ресурса для будущих поколений.

Для дальнейшего чтения: Элли, Уильям М., Томас Э. Рейли и О. Л. Франке. Устойчивость ресурсов подземных вод. Рестон, Вирджиния: Циркуляр Геологической службы США 1186, 1999;
Форд, Д. и П. Уильямс. Геоморфология и гидрология карста. Лондон: Анвин Хайман, 1989;

Келлер, Эдвард А. Экологическая геология. 8-е изд. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл, 2000;
Куски, Т. М. Наводнения: опасность для систем поверхностных и подземных вод. Нью-Йорк: Факты в архиве, 2008;
Скиннер, Брайан Дж. и Стивен К. Портер. Динамическая Земля, введение в физическую геологию. 5-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 2004.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.