Рис. 4. Распределение аммония в подземных водах на участке свалки отходов (по А. Гловеру, К. Кнолвю и др., 1976 г.)

Степень естественной защищенности подземных вод от поверх­ностного загрязнения зависит от факторов, определяющих возмож­ность, скорость и время инфильтрации загрязнений с поверхности в водоносный горизонт. К таким факторам можно отнести: 1) мощ­ность, водопроницаемость и активную пористость перекрывающих пород; 2) величину перепада уровней (напоров) между загрязнен­ными водами и подземными водами рассматриваемого водоносно­го горизонта с учетом понижения уровня воды при работе водоза­бора; 3) вид и химический состав загрязнений, интенсивность и характер их поступления в подземные воды; 4) физико-химические, в частности сорбционные, свойства перекрывающих пород и загряз­няющих веществ, определяющие возможность полного или частич­ного поглощения загрязнений данного состава или их трансфор­мацию в безвредное состояние. При оценке защитной способности глин и глинистых пород, залегающих над используемым водонос­ным горизонтом, следует учитывать, что в зоне аэрации глины ча­сто обладают вертикальной макропористостью и повышенной водо­проницаемостью из-за развития корней растений, деятельности землероев, а также наличия трещин и макропор усыхания, вызван­ных усадкой при переменном увлажнении и осушении. По мере уве­личения глубины залегания глинистых пород их пористость и во­допроницаемость уменьшаются. На большой глубине в спокойных тектонических условиях и при сохранении способности самозале­чивания трещин пластическим материалом глинистые породы ча­сто характеризуются очень малым коэффициентом фильтрации (k-8 м/сут) и таким образом практически водоупорны. Под влиянием тектонических напряжений, а также в зонах эрозионного вреза в современных и древних долинах рек при фациальных из­менениях состава глинистых пород их водопроницаемость может увеличиваться и составлять 10^-4 — 10^-2 м/сут и более. При таких значениях коэффициента фильтрации, как показали изыскания при разведке на воду, через глинистые слои происходит переток под­земных вод, что указывает на возможность загрязнения смежных водоносных горизонтов.

Разнообразие геолого-гидрогеологических условий, состава и структуры перекрывающих горных пород, а также специфика от­дельных видов загрязнений (микробиологическое, химическое, ра­диоактивное) определяют большие различия в степени естествен­ной защищенности подземных вод.

Классификация степени защищенности вод, а также методики оценки и составления карт природной защищенности подземных вод от поверхностного загрязнения предложены В. М. Гольдбергом, Н. В. Роговской и другими исследователями. Такие карты могут применяться для предварительной оценки возможности загрязне­ния подземных вод в связи с задачами охраны природы при пла­нировании использования земель и водных ресурсов, в частности при выборе места расположения объектов, потенциально опасных в отношении загрязнения вод, — шламохранилищ, обогатительных фабрик черной и цветной металлургии, свалок промышленных и бытовых отходов и т. п.

Применительно к задачам охраны водозаборов подземных вод от загрязнения оценка степени естественной защищенности необхо­дима для получения однозначного ответа на вопрос: могут ли хи­мические и биологические загрязнения проникнуть с поверхности в эксплуатируемый водоносный горизонт за время, соответствую­щее заданному сроку эксплуатации водозабора?

Эта оценка влияет на выбор эксплуатируемого водоносного го­ризонта, участка расположения водозабора, размера отдельных по­ясов зоны санитарной охраны водозабора и санитарного режима в них. Природную защищенность подземных вод можно считать до­статочной в тех случаях, когда: 1) водоносный горизонт надежно изолирован от поверхностных вод, так что последние не проникнут в водоносный горизонт, а если и проникнут, то через очень большой период времени, существенно превышающий обычные сроки ис­пользования подземных вод водозабором; 2) породы, перекрыва­ющие водоносный горизонт, способны полностью очистить загряз­ненные поверхностные воды на пути их фильтрации в водоносный горизонт.

Первый случай встречается при залегании в кровле водонос­ного горизонта практически водоупорных или слабопроницаемых пород большой мощности, имеющих региональное распространение и не нарушенных литологическими окнами, трещиноватостью или тектоническими проявлениями. Загрязнения не достигнут водонос­ного горизонта, если при работе водозабора в эксплуатируемом во­доносном горизонте сохраняются высокие напоры, превышающие отметки земли, уровни в хранилищах сточных вод или уровни за­грязненных грунтовых вод. Такие условия характерны главным об­разом для глубокозалегающих напорных вод.

Второй случай возможен, если достаточная мощность, соответ­ствующий литологический состав и фильтрационные свойства пе­рекрывающих слабопроницаемых мелкозернистых отложений обес­печивают при фильтрации загрязненных вод полное исчезновение болезнетворных микроорганизмов, а также преобразование или исчезновение химических загрязнений за счет сорбции, разложения, окисления, распада и других процессов.

Во всех остальных ситуациях (горизонт грунтовых вод, наличие повышенной проницаемости или литологического «окна» в кровле напорного горизонта, тесной гидравлической связи водоносного го­ризонта с речными водами; создание водозаборов в системах ис­кусственного пополнения запасов подземных вод и др.) подземные воды оказываются недостаточно или плохо защищенными от хими­ческого загрязнения, а иногда и от микробиологического, и поэто­му необходимо принять дополнительные меры по санитарной защите в виде регламентации хозяйственной деятельности в райо­не водозаборов, специальных технических мероприятий и т. д. По­скольку при изысканиях подземных вод и проектировании водоза­боров обычно отсутствуют данные, необходимые для оценки барь­ерной роли физико-химических процессов (возможное количество, состав, свойства и интенсивность поступления загрязнений, физико-химические свойства перекрывающих пород и эксплуатируемого водоносного горизонта), для обоснования зон санитарной охраны водозабора целесообразно выделить по условиям естественной защищенности подземных вод всего две основные группы водонос­ных горизонтов: защищенные и недостаточно защищенные.

К защищенным относятся напорные и безнапорные межпла­стовые воды, имеющие в рассматриваемом районе сплошную во­доупорную кровлю и не получающие здесь как в естественных, так и в нарушенных условиях (например, при работе водозабора,-дре­нажа и др.) питания из вышележащих грунтовых вод, рек и водое­мов через разделяющие слои или гидрогеологические окна. К недо­статочно защищенным подземным водам относятся: а) грунтовые воды, получающие питание на площади распространения; б) на­порные и безнапорные межпластовые воды, которые в природных условиях и при эксплуатации водозабора и других сооружений по­лучают питание на площади ЗСО из вышележащих недостаточно защищенных подземных вод через разделяющие слои или гидро­геологические окна, а также из рек и водоемов при непосредствен­ной гидравлической связи. Пример недостаточно защищенного на­порного водоносного горизонта приведен на рис. 6.



Рис. 7. Гидрогеологический разрез на участке разведки подземных вод для во­доснабжения:

Q₂⁴ — среднечетвертичные флювиогляциальные отложения; Q_1—2 — нижнечетвертичные озер-но-аллювиальные отложения; Рз — верхнепалеогеновые (олигоценовые) отложения; 1 — пес­ки, супеси, алевриты; 2 — глины, суглинки; 3 — - уровень водоносного горизонта в отложени­ях Q_1—2; 4 — то же, в отложениях Р₃; 5 — граница стратиграфического несогласия; 6 — кровля многолетнемерзлых пород; 7 — скважина и напор воды; 8 — водоприемная часть скважины.
В отдельных случаях, при практической значимости и необхо­димости уточнения степени естественной защищенности водонос­ного горизонта, целесообразно проводить дополнительные исследо­вания и изыскания, позволяющие оценить параметры физико-хими­ческих процессов для расчета миграции и трансформации загряз­нений на пути к водоносному горизонту и водозабору. Без этого оценка защищенности производится в основном по данным о ги­дрогеологическом строении участка расположения водозабора и фильтрационных свойствах пород водоносного горизонта и вме­щающих его пород. Учитывая степень защищенности, при выборе эксплуатируемого водоносного горизонта в гидрогеологических условиях, отраженных на рис. 7, предпочтение было отдано более глубокозалегающим подземным водам в олигоценовых отложениях, перекрытых выдержанным слоем глин и суглинков мощностью не менее 15 м и толщей песчано-глинистых отложений мощностью до 70 м. Связанные с атмосферой вышележащие подземные воды в нижнечетвертичных озерно-аллювиальных отложениях были при­знаны непригодными в качестве источника централизованного во­доснабжения как недостаточно защищенные от химического загряз­нения (водозабор проектируется в нефтедобывающем районе).

Неправильная оценка роли зоны аэрации как естественной за­щиты безнапорного водоносного горизонта, приуроченного к тре­щиноватым известнякам, может быть иллюстрирована на примере создания группы городских водозаборов, расположенных в долине притока одной из рек европейской части территории СССР. Здесь над поверхностью подземных вод в известняках залегают безвод­ные известняки, а еще выше — песчано-глинистые отложения мощ­ностью до 60 м, в составе которых, как считалось ранее, имеется толща глин. При разведке и проектировании водозаборов, видимо, полагали, что зона аэрации должна явиться барьером для проник­новения поверхностных загрязнений в водоносный горизонт. Раз­витие нитратного загрязнения подземных вод в рассматриваемом районе, сопровождающееся увеличением концентрации азота, вхо­дящего в состав NO₃ (N — NO₃~), в отдельных скважинах город­ских водозаборов до 15 мг/дм³, а в прилегающей к городу сель­ской местности до 55 мг/дм³, не подтвердило этих предположений. Гидрогеологические изыскания, проведенные в связи с нитратным загрязнением подземных вод, выявили недостаточность естественной защищенности эксплуатируемого водоносного горизонта, так как многочисленные овраги, в которых зона аэрации уменьшалась до нескольких метров, служили путями сбора и активной инфильтра­ции загрязненных сточных и атмосферных вод непосредственно в водоносный горизонт. Интенсивность инфильтрации, по данным численного моделирования, в оврагах достигает 1,8-10~³ м/сут. Кроме того, было установлено, что среди пород, слагающих зону аэрации, глины отсутствуют. По гранулометрическому составу и свойствам глинистые отложения в зоне аэрации идентифицированы как суглинки с коэффициентом фильтрации от 0,1 до 0,6 м/сут, поэтому даже при мощности 50 — 60 м песчано-глинистая толща в целом довольно быстро пропускает поверхностные воды, не задер­живая всего количества содержащихся в них загрязнений.

В наибольшей степени подвержены загрязнению грунтовые во­ды; появление нефтепродуктов в заметных концентрациях в водо­заборных скважинах, использующих глубокозалегающие напорные воды, встречается реже и обычно является результатом наруше­ния целостности эксплуатационных, разведочных и наблюдатель­ных скважин на газонефтяных месторождениях. Основную часть нефти (90 — 95%) составляют разнообразные углеводороды, а в со­став примесей входят сера, азот и металлы. Плотность нефти и многих нефтепродуктов меньше плотности воды, лишь некоторые сорта мазута и углеводородов имеют более высокую плотность. Вязкость нефти и величина капиллярного натяжения также отли­чаются от соответствующих показателей воды, что определяет не­которые особенности распространения этих веществ в зоне аэра­ции и в верхнем водоносном горизонте. Нефть и большинство неф­тепродуктов с водой не смешиваются, растворимость их относи­тельно невелика. Например, для жидких парафинов и нафтеновых углеводородов она составляет 40 — 150 мг/дм³, что все же во много раз превышает ПДК. Растворимость ароматических углеводородов еще выше и достигает 500 (толуол) и даже 1800 (бензол) мг/дм³. При малом количестве разлившихся нефтепродуктов они оста­ются в зоне аэрации, обволакивая поверхность зерен и трещин в породе, а если достигают капиллярной каймы, то распространя­ются на некоторое расстояние и в горизонтальном направлении. При этом загрязнение грунтовых вод растворимыми углеводорода­ми происходит в результате промывания пород зоны аэрации атмо­сферными осадками. Сезонные колебания поверхности грунтовых вод несколько изменяют высотное положение нефтепродуктов, со­средоточенных в капиллярной кайме, что увеличивает размеры за­грязненной части пород зоны аэрации. Движение нефтепродуктов через зону аэрации сопровождается их частичным расслоением, адсорбцией в породах, биохимическим распадом и испарением. При большом количестве разлившихся нефтепродуктов в процессе вер­тикальной инфильтрации они заполняют всю зону аэрации, капил­лярную кайму и расплываются на поверхности грунтовых вод в виде слоя той или иной толщины. Колебания уровня грунтовых вод приводят к увеличению мощности загрязненных нефтепродуктами пород в водоносном горизонте.

При слоистом строении пород зоны аэрации и водовмещающей толщи форма залегания нефтепродуктов усложняется. На контак­те подземных вод с линзой или слоем нефтепродуктов последние могут переходить в подземные воды в эмульгированном виде; на всей поверхности контакта нефтепродуктов с инфильтрующимися и подземными водами происходит вынос из них растворимых угле­водородов. Эмульгированные и растворенные углеводороды вместе с потоком подземных вод мигрируют в водоносном горизонте в направлении движения подземных вод и могут загрязнять водоза­боры. Линза нефтепродуктов тоже может передвигаться; скорость ее распространения обычно меньше скорости потока подземных вод и зависит от физических свойств нефтепродуктов (вязкость, плотность, поверхностное натяжение) и водовмещающих пород (гранулометрический состав, трещиноватость, проницаемость, со­держание воды).

В водоносном горизонте в процессе анаэробных биохимических реакций происходит окисление нефтепродуктов, которое сопровож­дается развитием резко выраженной восстановительной обстанов­ки. В этих условиях из воды исчезают растворенный кислород и нитраты и уменьшается содержание сульфатов, но появляются ам­моний, сероводород, увеличивается содержание железа, марганца и свободной углекислоты, ухудшаются вкус и запах воды и она становится непригодной для питьевого использования. Такое изме­нение состава воды, кроме того, приводит к кольматации фильтров скважин и зарастанию водоводов и резервуаров, что вызывает не­обходимость обезжелезивания воды. Ухудшение качества подзем­ных вод вблизи участков разлива нефти, по данным Ф. Бирка и С. Форевера, не исчезнет и через 70 лет.

Изменение органолептических свойств воды происходит уже при очень малых содержаниях нефтепродуктов, что предъявляет повышенные требования к точности анализа воды. Определение малых количеств нефтепродуктов в воде, особенно при наличии других загрязнителей органического происхождения, вызывает за­труднения и требует применения разнообразных методов, в том числе спектральных и хроматографических.

Для определения содержания растворенных углеводородов про­бы воды иногда приходится отбирать ниже слоя нефтепродуктов,, залегающих на поверхности водоносного горизонта, и это обстоя­тельство обусловливает необходимость использования специальных пробоотборников, обеспечивающих надежную изоляцию пробы во­ды от нефтепродуктов при спуске и подъеме пробоотборника.

При разливах нефтепродуктов в районе расположения водоза­борных скважин в первую очередь принимают меры по сбору неф­тепродуктов с поверхности земли, а иногда и по удалению верхних, наиболее загрязненных пород на достижимую глубину. После этого проводят длительную откачку загрязненных подземных вод для промывки водоносного горизонта. Такие откачки проводились, на­пример, в Швейцарии, где несколько аварийных разливов нефте­продуктов произошли в непосредственной близости от водозабор­ных скважин. Несмотря на длительную откачку, один из водоза­боров в кантоне Базель все же пришлось закрыть. В другом райо­не Швейцарии в результате катастрофы на дороге на поверхности земли, в 170 м от городского водозабора, были разлиты 10 м³ ди­зельного топлива; из них 2 м³ удалось собрать на месте, а 8 м³ проникли в водоносный горизонт. На месте аварии был вырыт котлован, из которого вывезено 9 тыс. м³ загрязненных пород. По­сле этого котлован был заполнен чистым грунтом. Ниже по пото­ку от места сброса были пройдены скважины и шахта, из которых в течение 15 сут проводилась откачка воды с расходом 30 л/с. Эти мероприятия оказались действенными и защитили городской водо­забор от загрязнения.

По сообщению Г. Баттермана (1983 г.), менее успешными были трехлетние откачки загрязненных нефтепродуктами подземных вод в одном из городов ФРГ в долине Верхнего Рейна. Оставшиеся нефтепродукты продолжали быть источниками легко растворимых ароматических углеводородов, для удаления которых из воды при­шлось проводить усиленную промывку водоносного горизонта и биодеградацию загрязнений. А. Хантер-Блейр в 1978 г. описал за­грязнение подземных вод, которое произошло в Юго-Восточной Англии в результате аварии на нефтехранилище. Хотя площадь разлива составляла всего 500 м² и большая часть нефтепродуктов (дизельное топливо) была сразу собрана, все же 130 м³ проникли в почву и подстилающую толщу пород, сложенную неоднородными трещиноватыми мелами, в которых на глубине 25 м залегают под­земные воды. В 700 м от места аварии находится водозаборная скважина, обеспечивающая водоснабжение части города. Учиты­вая отсутствие альтернативного источника водоснабжения в слу­чае загрязнения водозабора, изучили распределение нефтепродук­тов в породах, после чего через две дренажные скважины провели откачку загрязненных вод. Для очистки откачиваемых вод был разработан метод и сооружена опытная установка. По данным Я. Швома (ЧССР), в одном из водозаборов подземных вод содер­жание углеводородов в воде увеличивалось до 0,18 мг/дм³ вслед­ствие утечки нефтепродуктов из склада горюче-смазочных матери­алов, находящегося в 600 м от водозабора. Для разработки мер по устранению последствий загрязнения подземных вод были про­бурены 26 разведочных скважин, установлены мощность слоя неф­тепродуктов на поверхности грунтовых вод и их концентрация в воде. Затем вблизи места утечки был пробурен перехватывающий ряд из семи скважин глубиной 15 м, оборудованных керамически­ми фильтрами. В каждой из скважин были установлены два насо­са: верхний — для отбора нефтепродуктов и нижний — для от­бора подземных вод. Откачиваемую воду очищали от нефтепро­дуктов. С целью более полного перехвата верхней части загрязнен­ного потока подземных вод, между линией дренажных скважин и водозабором, кроме того, была сооружена защитная траншея дли­ной 600 м и глубиной 4 м, засыпанная щебенкой. В верхней части траншеи до глубины 1 м была уложена трехслойная обсыпка (су­глинок, крупный песок, гравий). В траншее через каждые 100 м размещены дренажные колодцы-скважины глубиной 5 м из пер­форированных бетонных труб большого диаметра. При откачке из этих скважин, выполнявшейся с понижением уровня на 2 м, отби­ралось 100 — 600 м³/сут воды с содержанием углеводородов внача­ле 0,11, а через полгода — 0,01 мг/дм³.

Крупномасштабное загрязнение аллювиального водоносного горизонта и водозабора нефтепродуктами произошло на о-ве Жит­ном, на левобережье р. Дуная [43], в результате утечек на терри­тории нефтехимического комбината и сброса в реку недостаточно очищенных сточных вод. По данным контрольного опробования скважин и колодцев в водоносном горизонте загрязнение распро­странилось на несколько километров, растворенные нефтепродук­ты содержались по всей мощности пласта, а эмульгированные (ма­сла) собирались в верхней части пласта и над уровнем грунтовых вод. По ориентировочным расчетам на поверхности водоносного горизонта накопилось около 100 тыс. м³ нефтепродуктов. Для лик­видации загрязнения помимо мероприятий общего характера, пред­отвращающих дальнейшее поступление загрязнений в подземные воды, запроектированы специальные защитные мероприятия.