Загрязнение подземных вод

Загрязнение подземных вод в Лусаке , Замбия, где выгребная яма на заднем плане загрязняет неглубокий колодец на переднем плане патогенами и нитратами.

Загрязнение подземных вод (также называемое загрязнением подземных вод ) происходит, когда загрязняющие вещества выбрасываются на землю и попадают в грунтовые воды . Этот тип загрязнения воды также может возникать естественным путем из-за присутствия незначительных и нежелательных компонентов, загрязнителей или примесей в грунтовых водах, и в этом случае его скорее называют загрязнением , а не загрязнением . Загрязнение подземных вод может происходить из-за местных канализационных систем, фильтрата свалок , сточных вод очистных сооружений , протекающих канализационных сетей, автозаправочных станций , гидравлического разрыва пласта (разрыва пласта) или чрезмерного применения удобрений в сельском хозяйстве . Загрязнение (или контаминация) также может происходить из-за примесей природного происхождения, таких как мышьяк или фторид . Использование загрязненных подземных вод создает опасность для здоровья населения из-за отравлений или распространения болезней ( болезней, передающихся через воду ).

Загрязнитель часто образует шлейф загрязнения внутри водоносного горизонта . Движение воды и дисперсия внутри водоносного горизонта распространяют загрязняющее вещество на более широкую территорию. Его выступающая граница, часто называемая краем шлейфа, может пересекаться с колодцами с грунтовыми водами и поверхностными водами, такими как просачивания и родники, что делает запасы воды небезопасными для людей и дикой природы. Движение шлейфа, называемое фронтом шлейфа, можно проанализировать с помощью модели гидрологического переноса или модели подземных вод . Анализ загрязнения подземных вод может быть сосредоточен на характеристиках почвы местности и геологии , гидрогеологии , гидрологии и природе загрязняющих веществ. На перенос загрязняющих веществ влияют различные механизмы, например, диффузия , адсорбция , осаждение , распад в грунтовых водах.

Взаимодействие загрязнения подземных вод с поверхностными водами анализируется с использованием гидрологических моделей переноса. Взаимодействие между подземными и поверхностными водами сложное. Например, многие реки и озера питаются подземными водами. Это означает, что повреждение водоносных горизонтов подземных вод, например, в результате гидроразрыва или чрезмерного забора воды, может повлиять на реки и озера, которые зависят от него. Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты является примером такого взаимодействия. Методы предотвращения включают: применение принципа предосторожности , мониторинг качества подземных вод, зонирование земель для защиты подземных вод, правильное размещение систем канализации на территории и применение законодательства. В случае возникновения загрязнения подходы к управлению включают очистку воды в точках использования , восстановление грунтовых вод или, в крайнем случае, отказ от них.

Типы загрязнителей

Загрязнения, обнаруженные в подземных водах, охватывают широкий спектр физических, неорганических химических, органических химических, бактериологических и радиоактивных параметров. В принципе, многие из тех же загрязнителей, которые играют роль в загрязнении поверхностных вод, также могут быть обнаружены в загрязненных грунтовых водах, хотя их значимость может различаться.

Мышьяк и фторид

Основная статья: Загрязнение подземных вод мышьяком

Мышьяк и фторид признаны Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) наиболее серьезными неорганическими загрязнителями питьевой воды во всем мире.

Неорганический мышьяк является наиболее распространенным типом мышьяка в почве и воде. Металлоидный мышьяк может встречаться в природе в грунтовых водах, что чаще всего наблюдается в Азии, в том числе в Китае , Индии и Бангладеш . На равнине Ганг на севере Индии и Бангладеш серьезное загрязнение грунтовых вод природным мышьяком затрагивает 25% водяных скважин в более мелких из двух региональных водоносных горизонтов . Грунтовые воды в этих районах также загрязнены пестицидами на основе мышьяка .

Мышьяк в грунтовых водах также может присутствовать там, где ведутся горнодобывающие работы или свалки шахтных отходов , из которых происходит выщелачивание мышьяка.

Природный фторид в подземных водах вызывает растущую обеспокоенность, поскольку используются более глубокие грунтовые воды, «при этом более 200 миллионов человек подвергаются риску употребления питьевой воды с повышенными концентрациями». Фторид особенно может выделяться из кислых вулканических пород и рассеянного вулканического пепла при жесткости низкой воды. Высокий уровень фтора в грунтовых водах является серьезной проблемой в аргентинских пампасах , Чили , Мексике , Индии , Пакистане , Восточно-Африканском разломе и на некоторых вулканических островах ( Тенерифе ).

В районах, где естественным образом встречается высокий уровень фтора в грунтовых водах, которые используются для питья, зубов и флюороз скелета может быть широко распространенным и тяжелым.

Патогены

Заболевания, передающиеся через воду, могут передаваться через колодцы с грунтовыми водами, которые загрязнены фекальными патогенами из выгребных ям .

Отсутствие надлежащих санитарно-гигиенических мер, а также неправильное расположение колодцев может привести к загрязнению питьевой воды болезнетворными микроорганизмами, переносимыми с фекалиями и мочой . К таким фекально-оральным заболеваниям относятся брюшной тиф , холера и диарея . Из четырех типов патогенов , присутствующих в фекалиях ( бактерии , вирусы , простейшие и гельминты или яйца гельминтов), первые три обычно можно обнаружить в загрязненных грунтовых водах, тогда как относительно крупные яйца гельминтов обычно отфильтровываются почвенным матриксом.

Глубокие, замкнутые водоносные горизонты обычно считаются самым безопасным источником питьевой воды в отношении болезнетворных микроорганизмов. Патогены из очищенных или неочищенных сточных вод могут загрязнять некоторые, особенно неглубокие, водоносные горизонты.

Нитрат

Нитраты являются наиболее распространенным химическим загрязнителем подземных вод и водоносных горизонтов в мире. В некоторых странах с низким уровнем дохода уровень нитратов в грунтовых водах чрезвычайно высок, вызывая серьезные проблемы со здоровьем. Он также стабилен (не разлагается) в условиях высокого содержания кислорода.

Повышенный уровень нитратов в грунтовых водах может быть вызван санитарными условиями на месте, удалением осадка сточных вод и сельскохозяйственной деятельностью. Следовательно, он может иметь городское или сельскохозяйственное происхождение.

Уровни нитратов в грунтовых водах выше 10 мг/л (10 частей на миллион) могут вызвать « синдром голубого ребенка » (приобретенной метгемоглобинемии ). Стандарты качества питьевой воды менее 50 мг/л в Европейском Союзе предусматривают содержание нитратов в питьевой воде .

Связь между нитратами в питьевой воде и синдромом голубого ребенка оспаривается в других исследованиях. Вспышки синдрома могут быть обусловлены и другими факторами, помимо повышенного содержания нитратов в питьевой воде.

Органические соединения

Основная статья: Загрязнение подземных вод ЛОС

Летучие органические соединения (ЛОС) являются опасным загрязнителем грунтовых вод. Обычно они попадают в окружающую среду в результате небрежной промышленной практики. О вреде многих из этих соединений не было известно до конца 1960-х годов, и прошло некоторое время, прежде чем регулярное тестирование грунтовых вод выявило эти вещества в источниках питьевой воды.

Первичные загрязнители ЛОС, обнаруженные в подземных водах, включают ароматические углеводороды, такие как БТЭК соединения ( бензол , толуол , этилбензол и ксилолы ), а также хлорированные растворители, включая тетрахлорэтилен (ПХЭ), трихлорэтилен (ТХЭ) и винилхлорид (ВХ). БТЭК являются важными компонентами бензина . PCE и TCE — это промышленные растворители, используемые в процессах химической чистки и в качестве обезжиривателя металлов соответственно.

Другими органическими загрязнителями, присутствующими в подземных водах и образующимися в результате промышленной деятельности, являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). По своей молекулярной массе нафталин является наиболее растворимым и подвижным ПАУ, обнаруженным в подземных водах, тогда как бензо(а)пирен является наиболее токсичным. ПАУ обычно образуются как побочные продукты при неполном сгорании органических веществ.

Органические загрязнители также можно найти в грунтовых водах в виде инсектицидов и гербицидов . Как и многие другие синтетические органические соединения, большинство пестицидов имеют очень сложную молекулярную структуру. Эта сложность определяет водорастворимость, адсорбционную способность и подвижность пестицидов в системе подземных вод. Таким образом, некоторые типы пестицидов более мобильны, чем другие, поэтому им легче достичь источника питьевой воды.

Металлы

Некоторые микроэлементы естественным образом встречаются в определенных горных породах и могут попадать в окружающую среду в результате естественных процессов, таких как выветривание. Однако промышленная деятельность, такая как горнодобывающая промышленность , металлургия , утилизация твердых отходов , лакокрасочные работы и т. д., может привести к повышенным концентрациям токсичных металлов, включая свинец , кадмий и хром . Эти загрязнители могут попасть в грунтовые воды.

На миграцию металлов (и металлоидов) в грунтовых водах будут влиять несколько факторов, в частности, химические реакции, определяющие распределение загрязняющих веществ между различными фазами и видами. Таким образом, подвижность металлов в первую очередь зависит от pH и окислительно-восстановительного состояния подземных вод.

Фармацевтика

Основная статья: Загрязнение подземных вод фармацевтическими препаратами

Следовые количества фармацевтических препаратов , проникающих в водоносный горизонт из очищенных сточных вод, входят в число новых загрязнителей подземных вод, изучаемых на всей территории Соединенных Штатов. Популярные фармацевтические препараты, такие как антибиотики, противовоспалительные средства, антидепрессанты, противозастойные средства,транквилизаторы и т. д. обычно обнаруживаются в очищенных сточных водах. Эти сточные воды сбрасываются с очистных сооружений и часто попадают в водоносный горизонт или источник поверхностных вод, используемых для питья.

Следовые количества фармацевтических препаратов как в грунтовых, так и в поверхностных водах намного ниже того, что считается опасным или вызывающим беспокойство в большинстве районов, но это может стать растущей проблемой по мере роста населения и увеличения количества очищенных сточных вод, используемых для муниципального водоснабжения.

Другие

Другие органические загрязнители включают ряд галоидорганических соединений и других химических соединений, нефтяные углеводороды , различные химические соединения, содержащиеся в средствах личной гигиены и косметических продуктах, загрязнение лекарственными средствами, включая фармацевтические препараты и их метаболиты. Неорганические загрязнители могут включать другие питательные вещества, такие как аммиак и фосфат , а также радионуклиды, такие как уран (U) или радон (Rn), которые естественным образом присутствуют в некоторых геологических образованиях. Вторжение соленой воды также является примером естественного загрязнения, но очень часто усиливается деятельностью человека.

Загрязнение подземных вод является глобальной проблемой. Исследование качества подземных вод основных водоносных горизонтов Соединенных Штатов, проведенное в период с 1991 по 2004 год, показало, что в 23% отечественных колодцев уровень загрязнений превышает контрольные показатели для здоровья человека. Другое исследование показало, что основными проблемами загрязнения подземных вод в Африке, если рассматривать их в порядке важности, являются: (1) загрязнение нитратами, (2) патогенные агенты, (3) органическое загрязнение, (4) засоление и (5) кислотные дренажи шахт.

Причины

К причинам загрязнения подземных вод относятся (подробнее ниже):

• Встречающиеся в природе (геогенные)
• Системы канализации на объекте
• Сточные воды и осадки сточных вод
• Удобрения и пестициды
• Коммерческие и промышленные утечки
• Гидравлический разрыв пласта
• Фильтрат свалки
• Другой

Естественное (геогенное)

«Геогенный» относится к естественным явлениям, возникшим в результате геологических процессов.

Естественное загрязнение мышьяком происходит потому, что отложения водоносного горизонта содержат органические вещества, которые создают анаэробные условия в водоносном горизонте. Эти условия приводят к микробному растворению оксидов железа в осадке и, таким образом, к выбросу мышьяка в воду , обычно прочно связанного с оксидами железа. Как следствие, подземные воды, богатые мышьяком, часто богаты железом, хотя вторичные процессы часто скрывают связь растворенного мышьяка и растворенного железа. . Мышьяк чаще всего встречается в грунтовых водах в виде восстановленных видов арсенита и окисленных видов арсената, при этом острая токсичность арсенита несколько выше, чем у арсената. Расследования ВОЗ показали, что в 20% из 25 000 проверенных скважин в Бангладеш концентрация мышьяка превышала 50 мкг/л.

Наличие фторида тесно связано с обилием и растворимостью фторидсодержащих минералов, таких как флюорит (CaF ₂ ) . Значительно высокие концентрации фторида в грунтовых водах обычно вызваны недостатком кальция в водоносном горизонте. Проблемы со здоровьем, связанные с флюорозом зубов, могут возникнуть, когда концентрация фторида в грунтовых водах превышает 1,5 мг/л, что является нормативным значением ВОЗ с 1984 года.

Швейцарский федеральный институт водных наук и технологий (EAWAG) недавно разработал интерактивную платформу оценки подземных вод (GAP), с помощью которой геогенный риск загрязнения на определенной территории можно оценить с использованием геологических, топографических и других экологических данных без необходимости тестирования образцов. из каждого отдельного ресурса подземных вод. Этот инструмент также позволяет пользователю составить карту вероятностного риска как для мышьяка, так и для фторида.

Высокие концентрации в подземных водах таких параметров, как соленость, железо, марганец, уран, радон и хром, также могут иметь геогенное происхождение. Эти загрязнители могут иметь важное значение на местном уровне, но они не так широко распространены, как мышьяк и фторид.

Системы канализации на объекте

Традиционный жилой комплекс недалеко от Герата, Афганистан, где неглубокий колодец (на переднем плане) находится в непосредственной близости от выгребной ямы (за белой теплицей), что приводит к загрязнению грунтовых вод.

Загрязнение подземных вод болезнетворными микроорганизмами и нитратами может также происходить из-за жидкостей, проникающих в почву из местных санитарных систем, таких как выгребные ямы и септики , в зависимости от плотности населения и гидрогеологических условий.

Факторы, контролирующие судьбу и транспорт патогенов, довольно сложны, и взаимодействие между ними недостаточно изучено. Если игнорировать местные гидрогеологические условия (которые могут варьироваться на площади в несколько квадратных километров), простая инфраструктура канализации на территории, такая как выгребные ямы, может вызвать значительные риски для здоровья населения из-за загрязненных грунтовых вод.

Жидкости вымываются из ямы и проходят через зону ненасыщенного грунта (которая не полностью заполнена водой). В дальнейшем эти жидкости из карьера попадают в подземные воды, где могут привести к загрязнению подземных вод. Это проблема, если близлежащая скважина используется для подачи грунтовых вод для питьевых целей. За время прохождения в почве возбудители могут погибнуть или значительно адсорбироваться, что в основном зависит от времени прохождения между ямой и колодцем. Большинство, но не все патогены умирают в течение 50 дней после путешествия по недрам.

Степень удаления патогенов сильно зависит от типа почвы, типа водоносного горизонта, расстояния и других факторов окружающей среды. Например, ненасыщенная зона «омывается» во время длительных периодов сильного дождя, обеспечивая гидравлический путь для быстрого прохождения патогенов. Трудно оценить безопасное расстояние между выгребной ямой или септиком и источником воды. В любом случае, подобные рекомендации о безопасном расстоянии по большей части игнорируются теми, кто строит выгребные ямы. Кроме того, приусадебные участки имеют ограниченный размер, и поэтому уборные с выгребными ямами часто строятся гораздо ближе к колодцам с грунтовыми водами, чем это можно считать безопасным. Это приводит к загрязнению грунтовых вод и заболеванию членов домохозяйств при использовании этих грунтовых вод в качестве источника питьевой воды.

Сточные воды и осадки сточных вод

Загрязнение подземных вод может быть вызвано сбросами неочищенных отходов, что приводит к таким заболеваниям, как поражения кожи, кровавая диарея и дерматит. Это чаще встречается в местах с ограниченной инфраструктурой очистки сточных вод или там, где систематически возникают сбои в системе удаления сточных вод. Наряду с патогенами и питательными веществами неочищенные сточные воды также могут содержать значительную нагрузку тяжелых металлов, которые могут просачиваться в систему грунтовых вод.

Очищенные сточные воды очистных сооружений также могут достигать водоносного горизонта, если сточные воды фильтруются или сбрасываются в местные поверхностные водоемы. Следовательно, те вещества, которые не удаляются на обычных очистных сооружениях, также могут попасть в грунтовые воды. Например, обнаруженные концентрации остатков фармацевтических препаратов в грунтовых водах составляли порядка 50 мг/л в нескольких местах Германии. Это связано с тем, что на обычных очистных сооружениях микрозагрязнители, такие как гормоны , остатки фармацевтических препаратов и другие микрозагрязнители, содержащиеся в моче и фекалиях , удаляются лишь частично, а остальные сбрасываются в поверхностные воды, откуда они также могут попасть в грунтовые воды.

Загрязнение подземных вод также может происходить из-за протекающей канализации, что наблюдалось, например, в Германии. Это также может привести к потенциальному перекрестному загрязнению источников питьевой воды.

Распространение сточных вод или осадка сточных вод в сельском хозяйстве также можно отнести к источникам фекального загрязнения грунтовых вод.

Удобрения и пестициды

Нитраты также могут попасть в грунтовые воды при чрезмерном использовании удобрений, в том числе при разбрасывании навоза . Это связано с тем, что только часть азотных удобрений преобразуется в продукцию и другие растительные вещества. Остальная часть накапливается в почве или теряется со стоками. Высокие нормы внесения азотсодержащих удобрений в сочетании с высокой растворимостью нитратов в воде приводят к увеличению стока в поверхностные воды , а также выщелачиванию в грунтовые воды, что приводит к загрязнению подземных вод. Чрезмерное использование азотсодержащих удобрений (синтетических или натуральных) особенно вредно, так как большая часть не усваиваемого растениями азота превращается в нитраты, которые легко выщелачиваются.

Неправильные методы управления разбрасыванием навоза могут привести к попаданию в систему грунтовых вод как болезнетворных микроорганизмов, так и питательных веществ (нитратов).

Питательные вещества, особенно нитраты, содержащиеся в удобрениях, могут вызвать проблемы для естественной среды обитания и здоровья человека, если они смываются из почвы в водотоки или выщелачиваются через почву в грунтовые воды. Интенсивное использование азотных удобрений в системах земледелия является крупнейшим источником антропогенного азота в грунтовых водах во всем мире.

Откормочные площадки/загоны для животных также могут привести к потенциальному вымыванию азота и металлов в грунтовые воды. Чрезмерное внесение навоза может также привести к загрязнению грунтовых вод остатками фармацевтических препаратов, полученных из ветеринарных препаратов.

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и Европейская комиссия серьезно занимаются проблемой нитратов, связанной с развитием сельского хозяйства, как серьезной проблемой водоснабжения, которая требует надлежащего управления и управления.

Сточные воды из загрязненных колодцев пестицидов могут попадать в грунтовые воды, вызывая проблемы со здоровьем людей. Концентрации пестицидов, обнаруживаемые в грунтовых водах, обычно низкие, и зачастую превышение нормативных пределов, связанных со здоровьем человека, также очень низкое. Фосфорорганический инсектицид монокротофос (MCP), по-видимому, является одним из немногих опасных, стойких, растворимых и мобильных (он не связывается с минералами в почве) пестицидов, способных достигать источника питьевой воды. В целом, по мере того, как программы мониторинга качества подземных вод становятся более обширными, выявляется больше соединений пестицидов; однако в развивающихся странах мониторинг проводится гораздо меньше из-за высоких затрат на анализ.

и

В водоносных горизонтах, лежащих в основе коммерческой и промышленной деятельности, обнаружено большое разнообразие как неорганических, так и органических загрязнителей.

Предприятия по добыче и переработке руд являются основной причиной наличия в подземных водах металлов антропогенного происхождения, в том числе мышьяка. Низкий уровень pH, связанный с кислым дренажем шахт (AMD), способствует растворимости потенциально токсичных металлов, которые в конечном итоге могут попасть в систему подземных вод.

Разливы нефти, связанные с подземными трубопроводами и резервуарами, могут привести к выбросу бензола и других растворимых нефтяных углеводородов, которые быстро просачиваются в водоносный горизонт.

Растет обеспокоенность по поводу загрязнения подземных вод бензином, вытекающим из подземных резервуаров для хранения нефти (ПНС) автозаправочных станций . Соединения БТЭК являются наиболее распространенными добавками к бензину. Соединения БТЭК, включая бензол, имеют плотность ниже, чем у воды (1 г/мл). Подобно разливам нефти в море, несмешивающаяся фаза, называемая легкой неводной фазовой жидкостью (LNAPL) , будет «плавать» на уровне грунтовых вод в водоносном горизонте.

Хлорированные растворители используются практически в любой промышленной практике, где требуются обезжиривающие средства. PCE является широко используемым растворителем в химической чистке из-за его эффективности очистки и относительно низкой стоимости. Его также использовали для операций по обезжириванию металлов. Поскольку он очень летуч, его чаще можно обнаружить в грунтовых водах, чем в поверхностных. TCE исторически использовался для очистки металлов. Военный объект Армейский склад Аннистон (ANAD) в Соединенных Штатах был внесен в Список национальных приоритетов Суперфонда Агентства по охране окружающей среды (NPL) из-за загрязнения подземных вод целых 27 миллионами фунтов ТВК. И ПХЭ, и ТХЭ могут разлагаться до винилхлорида (ВХ), наиболее токсичного хлорированного углеводорода.

Многие типы растворителей также могли быть утилизированы незаконно, со временем попадая в систему грунтовых вод.

Хлорированные растворители, такие как PCE и TCE, имеют плотность выше, чем у воды, а несмешивающаяся фаза называется жидкой плотной неводной фазой (DNAPL) . Достигнув водоносного горизонта, они «тонут» и в конечном итоге накапливаются на поверхности слоев с низкой проницаемостью. Исторически предприятия по обработке древесины также выбрасывали в окружающую среду инсектициды, такие как пентахлорфенол (ПХФ) и креозот , что оказывало воздействие на ресурсы подземных вод. ПХФ – это хорошо растворимый и токсичный устаревший пестицид, недавно внесенный в список Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях . ПАУ и другие полу-ЛОС являются распространенными загрязнителями, связанными с креозотом.

Несмотря на то, что LNAPL и DNAPL не смешиваются, они все же могут медленно растворяться в водной (смешиваемой) фазе, создавая шлейф и, таким образом, становясь долгосрочным источником загрязнения. С ДНКПЛ (хлорированные растворители, тяжелые ПАУ, креозот, ПХБ ), как правило, трудно бороться, поскольку они могут находиться очень глубоко в системе грунтовых вод.

Гидроразрыв пласта

Дополнительная информация: Гидроразрыв пласта.

Недавний рост количества скважин гидроразрыва («ГРП») в Соединенных Штатах вызвал обеспокоенность по поводу потенциальных рисков загрязнения ресурсов подземных вод. Агентству по охране окружающей среды вместе со многими другими исследователями было поручено изучить взаимосвязь между гидроразрывом пласта и ресурсами питьевой воды. Хотя при наличии строгих мер контроля и управления качеством проведение гидроразрыва пласта не оказывает соответствующего воздействия на ресурсы подземных вод, в ряде случаев наблюдалось загрязнение подземных вод из-за неправильного обращения или технических сбоев.

Хотя Агентство по охране окружающей среды не обнаружило существенных доказательств широко распространенного систематического воздействия гидроразрыва пласта на питьевую воду , это может быть связано с недостаточными систематическими данными о качестве питьевой воды до и после гидроразрыва пласта, а также наличием других агентов загрязнения , которые исключают связь между добычей трудноизвлекаемой нефти и сланцевого газа и ее последствия.

Несмотря на отсутствие у Агентства по охране окружающей среды убедительных и широко распространенных доказательств, другие исследователи сделали важные наблюдения за ростом загрязнения подземных вод в непосредственной близости от крупных мест добычи сланцевой нефти и газа, расположенных в Марцелле. ( Британская Колумбия , Канада). В пределах одного километра от этих конкретных участков в мелкой питьевой воде постоянно наблюдались более высокие уровни концентрации метана , этана и пропана , чем обычно. Оценка более высокой концентрации гелия и других благородных газов наряду с повышением уровня углеводородов подтверждает различие между летучим газом гидроразрыва пласта и естественным «фоновым» содержанием углеводородов . Предполагается, что это загрязнение является результатом негерметичных, неисправных или неправильно установленных обсадных труб газовых скважин.

Кроме того, предполагается, что загрязнение также может быть результатом капиллярной миграции глубокой остаточной гиперсоленой воды и жидкости гидроразрыва, медленно протекающих через разломы и трещины, пока, наконец, не вступит в контакт с ресурсами подземных вод ; однако многие исследователи утверждают, что проницаемость пород, перекрывающих сланцевые формации, слишком низка, чтобы это могло когда-либо произойти в достаточной степени. Чтобы окончательно доказать эту теорию, должны быть следы токсичных тригалометанов (ТГМ), поскольку они часто связаны с наличием случайного газового загрязнения и обычно возникают одновременно с высокими концентрациями галогенов в гиперсоленых водах. Кроме того, высокосоленые воды являются обычным явлением в системах глубоких подземных вод.

Хотя выводы относительно загрязнения подземных вод в результате потока жидкости гидроразрыва ограничены как в пространстве, так и во времени, исследователи предположили, что вероятность систематического загрязнения посторонним газом зависит главным образом от целостности структуры сланцевой нефтяной/газовой скважины, а также от ее относительной от геологического местоположения до локальных систем трещин, которые потенциально могут обеспечить пути потока для миграции неорганизованного газа.

Хотя повсеместное систематическое загрязнение в результате гидроразрыва широко оспаривается, одним из основных источников загрязнения, который, по мнению исследователей, является наиболее проблематичным, является случайный разлив жидкости гидроразрыва и попутной воды на конкретном участке . На сегодняшний день значительная часть случаев загрязнения подземных вод происходит в результате антропогенных маршрутов на уровне поверхности, а не подземных потоков из нижележащих сланцевых формаций. Хотя ущерб может быть очевиден, и предпринимаются гораздо больше усилий, чтобы предотвратить столь частое возникновение этих аварий, отсутствие данных о разливах нефти при гидроразрыве продолжает оставлять исследователей в неведении. Во многих из этих событий данные, полученные в результате утечки или разлива, часто очень расплывчаты и, таким образом, приводят исследователей к отсутствию выводов.

Исследователи из Федерального института геонаук и природных ресурсов (BGR) провели модельное исследование глубокой залежи сланцевого газа в Северо-Немецком бассейне. Они пришли к выводу, что вероятность того, что подъем жидкости гидроразрыва через геологические подземные слои на поверхность окажет воздействие на неглубокие грунтовые воды, мала.

Фильтрат свалки

Фильтрат с санитарных свалок может привести к загрязнению грунтовых вод. Химические вещества могут попасть в грунтовые воды через осадки и стоки. Новые свалки должны быть покрыты глиной или другим синтетическим материалом, а также фильтратом для защиты окружающих грунтовых вод. Однако на старых свалках эти меры отсутствуют, и они часто располагаются вблизи поверхностных вод и в проницаемых почвах. Закрытые свалки по-прежнему могут представлять угрозу для грунтовых вод, если перед закрытием они не закрыты непроницаемым материалом для предотвращения утечки загрязняющих веществ.

Канал Любви был одним из наиболее широко известных примеров загрязнения подземных вод. В 1978 году жители района Лав-Канал в северной части штата Нью-Йорк заметили высокий уровень заболеваемости раком и тревожное количество врожденных дефектов . В конечном итоге это было связано с органическими растворителями и диоксинами с промышленной свалки, вокруг которой был построен район, которые затем проникли в систему водоснабжения и испарились в подвалах, еще больше загрязнив воздух. Восемьсот семей получили компенсацию за свои дома и переехали после длительных судебных баталий и освещения в СМИ.

Перекачка

Спутниковые данные в дельте Меконга во Вьетнаме предоставили доказательства того, что чрезмерная откачка грунтовых вод приводит к проседанию земли , а также к последующему выбросу мышьяка и, возможно, других тяжелых металлов. Мышьяк обнаруживается в глинистых пластах из-за их высокого соотношения площади поверхности к объему по сравнению с частицами размером с песок. Большая часть перекачиваемых грунтовых вод проходит через пески и гравий с низкой концентрацией мышьяка. Однако при перекачке высокий вертикальный уклон вытягивает воду из менее проницаемых глин, тем самым способствуя выбросу мышьяка в воду.

Другое

Загрязнение грунтовых вод может быть вызвано разливами химических веществ в результате коммерческих или промышленных операций, разливами химических веществ во время транспорта (например, разливами дизельного топлива), незаконными сбросами отходов , проникновением городских сточных вод или горнодобывающих предприятий, дорожной солью , противообледенительными химикатами из аэропортов и даже атмосферные загрязнения , поскольку грунтовые воды являются частью гидрологического цикла .

Использование гербицидов может способствовать загрязнению грунтовых вод из-за проникновения мышьяка. Гербициды способствуют десорбции мышьяка за счет мобилизации и транспортировки загрязнителя. Хлорированные гербициды оказывают меньшее влияние на десорбцию мышьяка, чем гербициды фосфатного типа. Это может помочь предотвратить загрязнение мышьяком за счет выбора гербицидов, подходящих для различных концентраций мышьяка, присутствующего в определенных почвах.

Захоронение трупов и их последующее разложение также может представлять опасность загрязнения грунтовых вод.

Механизмы

Прохождение воды через недра может стать надежным естественным барьером для загрязнения, но работает только при благоприятных условиях.

Стратиграфия территории играет важную роль в переносе загрязняющих веществ. На территории могут быть слои песчаной почвы, трещиноватой коренной породы, глины или твердого покрытия. Участки карстового рельефа на известняковой основе иногда уязвимы для поверхностного загрязнения грунтовыми водами. Сейсмические разломы также могут быть маршрутами проникновения загрязняющих веществ вниз. Состояние уровня грунтовых вод имеет большое значение для обеспечения питьевой водой, сельскохозяйственного орошения, удаления отходов (включая ядерные отходы), среды обитания диких животных и других экологических проблем.

Многие химические вещества подвергаются реактивному распаду или химическим изменениям, особенно в течение длительных периодов времени в подземных вод резервуарах . Примечательным классом таких химикатов являются хлорированные углеводороды, такие как трихлорэтилен (используется при промышленном обезжиривании металлов и производстве электроники) и тетрахлорэтилен, используемый в химической чистке. Оба этих химиката, которые сами считаются канцерогенами , подвергаются реакциям частичного разложения, что приводит к образованию новых опасных химикатов (включая дихлорэтилен и винилхлорид ).

Взаимодействие с поверхностными водами

взаимосвязаны, Хотя поверхностные и подземные воды они часто изучаются и управляются как отдельные ресурсы. Взаимодействие между подземными и поверхностными водами сложное. Поверхностные воды просачиваются сквозь почву и становятся грунтовыми. И наоборот, подземные воды могут также питать источники поверхностных вод. Например, многие реки и озера питаются подземными водами. Это означает, что повреждение водоносных горизонтов подземных вод, например, в результате гидроразрыва или чрезмерного забора воды, может повлиять на реки и озера, которые зависят от него. Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты является примером такого взаимодействия.

Разлив или продолжающийся выброс химических или радионуклидных загрязнителей в почву (расположенную вдали от поверхностного водного объекта) может не создавать точечного или неточечного источника загрязнения, но может загрязнять водоносный горизонт ниже, создавая токсичный шлейф . Движение шлейфа можно проанализировать с помощью модели гидрологического переноса или модели подземных вод .

Профилактика

Схема, показывающая, что риск загрязнения подземных вод снижается при большей глубине колодца.

Принцип предосторожности

Дополнительная информация: Принцип предосторожности.

Принцип предосторожности , возникший на основе Принципа 15 Рио-де- Жанейрской декларации по окружающей среде и развитию , важен для защиты ресурсов подземных вод от загрязнения. Принцип предосторожности предусматривает, что «при наличии угрозы необратимого ущерба отсутствие полной научной уверенности не может использоваться в качестве причины для отсрочки экономически эффективных мер по предотвращению деградации окружающей среды ».

Одним из шести основных принципов водной политики Европейского Союза (ЕС) является применение принципа предосторожности.

качества

Программы мониторинга качества подземных вод регулярно реализуются во многих странах мира. Они являются важными компонентами для понимания гидрогеологической системы, а также для разработки концептуальных моделей и карт уязвимости водоносных горизонтов.

Качество подземных вод необходимо регулярно контролировать по всему водоносному горизонту для определения тенденций. Эффективный мониторинг подземных вод должен быть обусловлен конкретной целью, например, конкретным загрязнителем, вызывающим обеспокоенность. Уровни загрязнения можно сравнить с рекомендациями Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по качеству питьевой воды. Нередко пределы содержания загрязняющих веществ снижаются по мере приобретения большего медицинского опыта.

Необходимо выделить достаточные инвестиции для продолжения мониторинга в долгосрочной перспективе. При обнаружении проблемы следует принять меры по ее устранению. Вспышки заболеваний, передающихся через воду, в США уменьшились с введением в начале 90-х годов более строгих требований к мониторингу (и лечению).

Сообщество также может помочь контролировать качество грунтовых вод.

Ученые разработали методы, с помощью которых можно составить карты опасностей геогенных токсичных веществ в подземных водах. Это обеспечивает эффективный способ определения того, какие скважины следует протестировать.

Зонирование земель для охраны подземных вод

Разработка карт зонирования землепользования осуществлялась несколькими водными ведомствами различного масштаба по всему миру. Существует два типа карт зонирования: карты уязвимости водоносных горизонтов и карты защиты источников.

Карта уязвимостей водоносного горизонта

Это относится к внутренней (или естественной) уязвимости системы подземных вод к загрязнению. По сути, некоторые водоносные горизонты более уязвимы к загрязнению, чем другие. Неглубокие незамкнутые водоносные горизонты более подвержены риску загрязнения, поскольку в них меньше слоев для фильтрации загрязнений.

Ненасыщенная зона может играть важную роль в сдерживании (а в некоторых случаях и устранении) патогенов, и поэтому ее следует учитывать при оценке уязвимости водоносного горизонта. Биологическая активность наиболее высока в верхних слоях почвы, где подавление болезнетворных микроорганизмов обычно наиболее эффективно.

Подготовка карт уязвимости обычно включает наложение нескольких тематических карт физических факторов, выбранных для описания уязвимости водоносного горизонта. Метод параметрического картографирования GOD на основе индексов, разработанный Фостером и Хиратой (1988), использует три общедоступных или легко оцениваемых параметра: степень гидравлической изоляции подземных вод, геологическую природу вышележащих слоев и глубину до грунтовых вод. Дальнейший подход, разработанный Агентством по охране окружающей среды, рейтинговая система под названием «DRASTIC», использует семь гидрогеологических факторов для разработки индекса уязвимости: глубина до уровня грунтовых вод, чистый пополнение запасов , горизонтный горизонт, южная нефтяная среда, топография (наклон), Воздействую на зону и гидравлическую проводимость . вадозную

Среди гидрогеологов ведутся особые споры о том, следует ли устанавливать уязвимость водоносного горизонта общим (природным) способом для всех загрязнителей или конкретно для каждого загрязнителя.

Карта защиты источника

Это относится к зонам захвата вокруг отдельного источника подземных вод, например, колодца или родника, чтобы особенно защитить их от загрязнения. Таким образом, потенциальные источники разлагаемых загрязнителей, таких как болезнетворные микроорганизмы, могут располагаться на расстояниях, время прохождения которых по путям потока достаточно велико для того, чтобы загрязнитель мог быть удален путем фильтрации или адсорбции.

Наиболее широко используются аналитические методы, использующие уравнения для определения потока подземных вод и переноса загрязнений. WHPA — это полуаналитическая программа моделирования потока подземных вод, разработанная Агентством по охране окружающей среды США для определения зон захвата в зоне защиты устья скважины.

В простейшей форме зонирования используются методы фиксированного расстояния, при которых деятельность исключается в пределах равномерно применяемого заданного расстояния вокруг точек абстракции.

Расположение систем канализации на территории

Поскольку воздействие большинства токсичных химических веществ на здоровье возникает после длительного воздействия, риск для здоровья от химических веществ обычно ниже, чем от патогенов. Таким образом, качество мер по защите источников является важным компонентом контроля наличия патогенов в конечной питьевой воде.

Системы канализации на объекте могут быть спроектированы таким образом, чтобы предотвратить загрязнение подземных вод этими системами санитарии. Были разработаны подробные рекомендации по расчету безопасных расстояний для защиты источников подземных вод на территории от загрязнения в результате канализации . Следующие критерии были предложены для безопасного размещения (т.е. принятия решения о местоположении) систем канализации на объекте:

• Горизонтальное расстояние между источником питьевой воды и системой канализации
  • Ориентировочные значения горизонтальных расстояний между локальными системами канализации и источниками воды сильно различаются (например, от 15 до 100 м по горизонтали между выгребной ямой и колодцами с грунтовыми водами ).
• Расстояние по вертикали между колодцем с питьевой водой и системой канализации
• Тип водоносного горизонта
• Направление потока грунтовых вод
• Непроницаемые слои
• Склон и поверхностный дренаж
• Объем утечки сточных вод
• Суперпозиция, т.е. необходимость учитывать большую площадь планирования.

В качестве очень общего руководства рекомендуется, чтобы дно ямы было на высоте не менее 2 м над уровнем грунтовых вод, а минимальное горизонтальное расстояние 30 м между ямой и источником воды обычно рекомендуется для ограничения воздействия микробного загрязнения. ^[1] Однако не следует делать каких-либо общих утверждений относительно минимальных боковых расстояний, необходимых для предотвращения загрязнения колодца выгребной ямой. Например, даже 50-метрового бокового разделения может быть недостаточно в сильно закарстованной системе с нисходящим питающим колодцем или родником, тогда как 10-метровое боковое расстояние вполне достаточно при наличии хорошо развитого глиняного покрова и кольцевого пространства Колодец с грунтовыми водами хорошо герметизирован.

Законодательство

Институциональные и правовые вопросы имеют решающее значение для определения успеха или неудачи политики и стратегии защиты подземных вод. В Соединенных Штатах Закон о сохранении и восстановлении ресурсов защищает грунтовые воды, регулируя утилизацию твердых и опасных отходов , а Закон о комплексном реагировании на окружающую среду, компенсациях и ответственности , также известный как «Суперфонд», требует восстановления заброшенных свалок опасных отходов.

Знак возле Мангейма, Германия, обозначающий зону как специальную «зону защиты подземных вод».

Управление

Варианты восстановления загрязненных грунтовых вод можно сгруппировать в следующие категории:

• содержать загрязняющие вещества, чтобы предотвратить их дальнейшую миграцию
• удаление загрязняющих веществ из водоносного горизонта
• восстановление водоносного горизонта путем иммобилизации или детоксикации загрязняющих веществ, пока они еще находятся в водоносном горизонте (на месте)
• очистка грунтовых вод в местах их использования
• отказ от использования подземных вод этого водоносного горизонта и поиск альтернативного источника воды.

Обработка на месте использования

Основная статья: Портативная очистка воды

Портативные устройства для очистки воды или системы очистки воды «на месте использования» (POU) и методы дезинфекции полевой воды могут использоваться для удаления некоторых форм загрязнения подземных вод перед питьем, а именно любого фекального загрязнения. Доступно множество коммерческих портативных систем очистки воды или химических добавок, которые могут удалять болезнетворные микроорганизмы, хлор, неприятный привкус, запахи и тяжелые металлы, такие как свинец и ртуть.

Методы включают кипячение, фильтрацию, абсорбцию активированным углем, химическую дезинфекцию, очистку ультрафиолетом, дезинфекцию воды озоном, солнечную дезинфекцию воды, солнечную дистилляцию, самодельные фильтры для воды.

Фильтры удаления мышьяка (ARF) — это специальные технологии, которые обычно устанавливаются для удаления мышьяка. Многие из этих технологий требуют капиталовложений и долгосрочного обслуживания. От фильтров в Бангладеш пользователи обычно отказываются из-за их дороговизны и сложного обслуживания, которое к тому же довольно дорогое.

Восстановление

Основная статья: Восстановление подземных вод

Борьба с загрязнением подземных вод гораздо труднее, чем с поверхностным загрязнением, поскольку грунтовые воды могут перемещаться на большие расстояния через невидимые водоносные горизонты . Непористые водоносные горизонты, такие как глины, частично очищают воду от бактерий за счет простой фильтрации (адсорбции и абсорбции), разбавления и, в некоторых случаях, химических реакций и биологической активности; однако в некоторых случаях загрязняющие вещества просто превращаются в загрязнители почвы . Грунтовые воды, движущиеся через открытые трещины и каверны, не фильтруются и могут транспортироваться так же легко, как и поверхностные воды. Фактически, это может усугубляться склонностью человека использовать естественные воронки в качестве свалок в районах с карстовым рельефом .

Загрязнения и примеси можно удалить из грунтовых вод с помощью различных методов, что делает их безопасными для использования. Методы очистки (или восстановления) подземных вод включают в себя технологии биологической, химической и физической очистки. Большинство методов очистки подземных вод используют комбинацию технологий. Некоторые из методов биологической очистки включают биоаугментацию , биовентиляцию , биопромывку , биопромывку и фиторемедиацию . Некоторые методы химической обработки включают впрыскивание озона и газообразного кислорода, химическое осаждение , мембранное разделение , ионный обмен , абсорбцию углерода, водное химическое окисление и извлечение, усиленное поверхностно-активными веществами. Некоторые химические методы могут быть реализованы с использованием наноматериалов . Методы физической очистки включают, помимо прочего, откачку и обработку, барботаж воздухом и двухфазную экстракцию.

Отказ

Если очистка или восстановление загрязненных подземных вод считается слишком сложной или дорогостоящей задачей, то единственным выходом является отказ от использования подземных вод этого водоносного горизонта и поиск альтернативного источника воды.

Примеры

Африка

Лусака, Замбия

См. Также: Водоснабжение и канализация в Замбии.

Пригородные районы Лусаки, столицы Замбии, имеют сильно закарстованный грунт, и по этой причине – вместе с растущей плотностью населения в этих пригородных районах – загрязнение колодцев выгребными ямами является серьезной проблемой для общественного здравоохранения. угроза там.

Город Бабати, Танзания

См. Также: Водоснабжение и канализация в Танзании.

В Танзании многие жители полагаются на источники подземных вод, в основном из неглубоких колодцев, для питья и других бытовых целей. Стоимость официального водоснабжения привела к тому, что многие домохозяйства полагаются на частные колодцы, а не на городские системы водоснабжения и канализации Бабати. Потребление воды из временных водных источников неизвестного качества (в основном из неглубоких колодцев) привело к тому, что большое количество людей страдает от заболеваний, передающихся через воду. Сообщается, что в Танзании 23 900 детей в возрасте до 5 лет умирают каждый год от дизентерии и диареи, связанных с употреблением небезопасной воды.

Азия

Индия

См. Также: Водоснабжение и канализация в Индии.

Бассейн реки Ганга (GRB), который является священным водоемом для индусов, сталкивается с серьезным загрязнением мышьяком . Индия покрывает 79% территории GRB, поэтому пострадали многие штаты. Затронутые штаты включают Уттаракханд , Уттар-Прадеш , Дели , Мадхья-Прадеш , Бихар , Джаркханд , Раджастхан , Чхаттисгарх , Пенджаб , Харьяну и Западную Бенгалию . Уровни мышьяка составляют до 4730 мкг/л в грунтовых водах, ~1000 мкг/л в оросительной воде и до 3947 мкг/кг в пищевых материалах, что превышает стандарт Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций для ирригации. воды и Всемирной организации здравоохранения стандарты для питьевой воды. В результате люди, подвергшиеся воздействию, страдают от заболеваний, которые влияют на их кожные, неврологические, репродуктивные и когнитивные функции и могут даже привести к раку.

В Индии правительство приступило к содействию развитию санитарии, чтобы бороться с ростом загрязнения грунтовых вод в нескольких регионах страны. Эти усилия принесли результаты: удалось снизить загрязнение грунтовых вод и снизить вероятность заболеваний среди матерей и детей, которые в основном пострадали от этой проблемы. Это было крайне необходимо, поскольку, согласно исследованию, ежегодно более 117 000 детей в возрасте до пяти лет умирают из-за употребления загрязненной воды. Усилия страны увенчались успехом в более экономически развитых частях страны.

Северная Америка

См. Также: Водоснабжение и канализация в США и Водоснабжение и канализация в Канаде.

Хинкли, США

В городе Хинкли, штат Калифорния (США), подземные воды были загрязнены шестивалентным хромом начиная с 1952 года , что привело к судебному иску против компании Pacific Gas & Electric (PG&E) и многомиллионному урегулированию спора в 1996 году. фильм Эрин Брокович , вышедший на экраны в 2000 году.

Сан-Хоакин, США

Интенсивная откачка воды в округе Сан-Хоакин, штат Калифорния, привела к загрязнению мышьяком. Округ Сан-Хоакин столкнулся с серьезной интенсивной откачкой воды, которая привела к оседанию земли под Сан-Хоакином и, в свою очередь, повредила инфраструктуру. Такое интенсивное закачивание в грунтовые воды позволило мышьяку попасть в водоносные горизонты, которые снабжают питьевой водой по меньшей мере миллион жителей и используются для орошения сельскохозяйственных культур на некоторых из самых богатых сельскохозяйственных угодий США. Водоносные горизонты состоят из песка и гравия, разделенных тонкими слоями глины, которая действует как губка, удерживающая воду и мышьяк. При интенсивной закачке воды водоносный горизонт сжимается и грунт опускается, что приводит к выделению мышьяка из глины. Исследование показывает, что водоносные горизонты, загрязненные в результате чрезмерной откачки, могут восстановиться, если забор воды прекратится.

Норко, Калифорния

Город Норко, Калифорния, пострадал от трихлорэтиленом и гидразином загрязнения подземных вод в результате неправильного и небрежного обращения с опасными материалами и их утилизации на предприятии Wyle Laboratories , которое располагалось рядом со средней школой Норко . Уровни трихлорэтилена были обнаружены в 128 раз выше, чем безопасный предел штата для питьевой воды, а гидразин был обнаружен в 2 близлежащих колодцах.

Объект больше не работает и является активной площадкой по очистке от опасностей.

Уокертон, Канада

В 2000 году загрязнение подземных вод произошло в небольшом городке Уолкертон, Канада, что привело к семи смертельным случаям в результате так называемой в Уолкертоне кишечной палочки вспышки . Водопровод, добываемый из подземных вод, был заражен особо опасным O157:H7 штаммом бактерий E. coli . Это загрязнение произошло из-за стоков с фермы в соседний колодец , который был уязвим для загрязнения грунтовых вод.

Внешние ссылки

• Геологическая служба США - Управление подземных вод
• Британский форум по подземным водам
• IGRAC, Международный центр оценки ресурсов подземных вод
• МАГ, Международная ассоциация гидрогеологов
• Загрязнение подземных вод и санитария (документы в библиотеке Альянса устойчивой санитарии )
• UPGro – Раскрытие потенциала подземных вод для бедных слоев населения