А. Е. Орадовская Н. Н. Лапшин санитарная охрана водозаборов подземных вод

В незагрязненных подземных водах содержание нитратов обыч­но незначительно и редко достигает нескольких процентов от об- , щего количества анионов.

В почвах основная часть нитратов находится в органической форме. По мере того как органическое вещество и остатки расте­ний разрушаются почвенными бактериями, небольшая часть орга­нического азота трансформируется в аммонийный азот ЭМН₄⁺-В этой форме азот в почвах долго не сохраняется. В благоприят­ных условиях (повышенная температура, хорошая аэрация, рН 6,5 — 7,5) он с помощью почвенных бактерий быстро переходит в NO₃~. Нитраты хорошо растворимы в воде, мало сорбируются по­чвенными частицами; часть их усваивается корнями растений, дру­гая часть с помощью бактерий переходит в газообразный азот, а оставшиеся нитраты легко выносятся инфильтрующимися поверх­ностными водами в подземные воды.

В подземных водах МОз~ обычно стабилен, так как при ин­фильтрации через почву и зону аэрации из поверхностных вод удаляются бактерии и большая часть органических веществ, кото­рые могли бы способствовать трансформации нитратов в газооб­разный азот.

Первые случаи нитратного загрязнения подземных вод на сель­скохозяйственных территориях, связанные с применением и вымы­ванием азотных неорганических удобрений из почв, были описаны еще в конце XIX в. — начале XX в. Особенно быстро развивается нитратное загрязнение подземных вод после 40-х гг. текущего сто­летия, когда во всем мире произошло резкое увеличение исполь­зования удобрений: если в 1938 — 1939 гг. в почвы вносилось при­мерно 2,6 млн. т азота в год, то в 1975 — 1976 гг. — 40,9 млн. т в. год. Соответственно этому увеличился и вынос азота из почв в подземные воды.

Массовое применение удобрений, особенно азотных, приве­ло к нарушению почвенной экологической системы, снизило действие почвы как биологического фильтра и, как следствие, при­вело к увеличению выноса нитратов в подземные воды. Как пока­зали исследования, проведенные в ряде европейских стран, с при­менением азотных удобрений содержание нитратов в подземных водах вначале резко возросло с 10 — 12 до 25 мг/дм³, а затем на­блюдался ежегодный прирост до 2 мг/дм³ в год. Сообщения о ре­гиональном увеличении содержания нитратов в подземных водах в Великобритании, Франции, Нидерландах, Израиле и других стра­нах стали появляться все чаще с конца 60-х гг. Районы площад­ного нитратного загрязнения подземных вод за рубежом установ­лены в этих странах, а также в США, ФРГ, ГДР, ПНР, ЧССР, СФРЮ, Индии и др.

В США обследование 14600 водозаборных скважин в основных сельскохозяйственных штатах Среднего Запада (Иллинойс, Миссу­ри, Небраска, Висконсин) показало, что до 27% скважин подают воду с содержанием N — NO₃ более 10 мг/дм³.

В последующем выяснилось, что кроме избыточного удобрения почв причинами нитратного загрязнения подземных вод часто яв­ляются сточные воды животноводческих объектов и хозяйственно-бытовые. Так, по данным Ж- Бабо, Г. Кребса и К. Биара в верх­ней части долины р. Рейна (Франция), где в последнее десяти­летие содержание нитратов в подземных водах увеличилось почти вдвое, происхождение 60% нитратов, накапливающихся в почвах и подпочвенном слое, связано с сельскохозяйственным производ­ством, а 40% — с бытовыми и промышленными стоками.

В ФРГ, по данным С. Фельдхофа, К. Коса и др., региональное нитратное загрязнение подземных вод, характерное для речных долин и прибрежной части страны, развилось в первую очередь в результате увеличения количества вносимых на 1 га удобрений с 50 до 130 кг/год, а в отдельных районах до 500 кг/год (в пересчете на азот). В этих же районах в подземных водах повысилось содер­жание фосфора и калия.

В 1978 — 1980 гг. в ФРГ было проведено массовое обследование водозаборных скважин (6 тыс. скважин в групповых водозаборах и 2 млн. индивидуальных водозаборных скважин), используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Нитратное загрязнение было установлено в 5 — 8% скважин, при этом максимальное за­грязнение приурочено к районам интенсивного животноводства, где навоз и сточные воды ферм используются как удобрение. Вбли­зи ферм концентрация N0₃~ в водозаборных скважинах достигала 400 мг/дм³. По данным Д. Поха, на 1971г. в ГДР в 15% групповых водозаборов содержание нитратов составляло более 50 мг/дм³, а в сельской местности в 50% водозаборных скважин — более 60 мг/дм³.

Имеются многочисленные данные об увеличении количества ни­тратов в грунтовых водах на территориях городов и населенных пунктов, произошедшем в результате инфильтрации хозяйственно-бытовых и сточных вод при утечках из канализационной сети и, особенно, на неканализованных территориях.

Проведенное в ВНР широкое изучение качества подземных вод с обследованием более тысячи водозаборных скважин и более 10 тыс. колодцев и родников показало, что во многих колодцах содержание нитратов превышает 100 мг/дм³. Определяющими при­чинами нитратного загрязнения грунтовых вод признаны интенсив­ное использование азотных удобрений (до 300 кг/год на 1 га при выращивании кукурузы), инфильтрация сточных вод на животно­водческих фермах и на неканализованных территориях. Приток за­грязненных нитратами подземных вод со стороны населенных тер­риторий приводил к загрязнению даже инфильтрационных водоза­боров, использовавших в основном речные воды, содержащие мало нитратов; обнаружены также случаи нитратного загрязнения водо­носного горизонта на глубине до 150 м, что явилось следствием вовлечения загрязненных грунтовых и поверхностных вод в депрес-сионные воронки действующих водозаборов.

В СССР повышенное содержание нитратов в подземных водах обнаружено в ряде сельскохозяйственных районов. Интенсивное строительство животноводческих комплексов, сопровождающееся концентрацией больших количеств навоза и использованием его для удобрения, выдвигает задачу защиты от загрязнения водоза­боров, эксплуатирующих неглубокозалегающие подземные воды. Актуальность этой задачи определяется отсутствием эффективных методов очистки питьевых вод от нитратов.

Представляют интерес результаты выполненного авторами в 1981 — 1983 гг. изучения причин и развития нитратного загрязнения в районе одного из городов, где интенсивно развивающееся хозяй­ственно-питьевое водоснабжение целиком основано на использова­нии подземных вод. Город, пересеченный глубокими оврагами, рас­положен на правом берегу реки. Большинство рассматриваемых водозаборов находятся в черте города (рис. 9). Средний годовой отбор воды семью городскими водозаборами составляет примерно 200 тыс. м³/сут и 38 ведомственными водозаборами — 30 тыс. м³/сут. Территория города канализована не полностью. Эксплуати­руемый водозаборами безнапорный верхнедевонский водоносный горизонт сложен трещиноватыми и кавернозными известняками, коэффициент фильтрации которых на отдельных участках достига­ет 160 м/сут. Над поверхностью подземных вод залегают необвод­ненные трещиноватые известняки, а еще выше — неоген-четвертич­ные песчано-суглинистые отложения, которые обладают значитель­ной водопроницаемостью, что обеспечивает питание основного во­доносного горизонта атмосферными осадками. Максимальную мощ­ность (до 60 м) песчано-суглинистая толща имеет на межовражных пространствах, в оврагах она уменьшается до 10 м и менее. Недо­статочная естественная защищенность водоносного горизонта спо­собствует ухудшению качества подземных вод под влиянием ин­фильтрации загрязненных поверхностных вод. В 1969 г. в город­ских водозаборах содержание N-NO₃~ составляло 2 — 5 мг/дм³. Уве­личение количества нитратов было впервые обнаружено в 1977 г. на водозаборе I; в последующий период в отдельных скважинах этого водозабора концентрация N-NO₃~ периодически достигала 17 мг/дм³, т. е. была выше ПДК. Состав воды на водозаборе I ухудшился и по другим показателям: увеличилось до 100 мг/дм³ содержание хлоридов (было 10 — 20 мг/дм³), сульфатов — до 100 мг/дм³ (было 15 — 30 мг/дм³), возросла до 8,7 мг-экв/дм³ об­щая жесткость воды. Количество азота нитратов в воде во времени не стабильно, в период паводков и многоводных лет наблюдается увеличение их содержания.

После обследования здесь были проведены гидрогеологические изыскания, в результате которых изучено развитие нитратного за­грязнения на площади водоносного горизонта, оценена защитная роль зоны аэрации, определена интенсивность инфильтрации за­грязненных поверхностных вод на отдельных участках водоносного горизонта, уточнены размеры областей захвата водозаборов. В со­став гидрогеологических изысканий вошли бурение разведочных скважин, химические анализы подземных и поверхностных вод, изучение водопроницаемости пород зоны аэрации и определение в них содержания и форм азота, моделирование фильтрации под­земных вод. Увеличение концентрации азота во времени было про­слежено не только на водозаборе I, но и на других городских водо­заборах. Максимальные концентрации в отдельных скважинах за 1969 — 1982 гг. составляли (в мг/дм³): на водозаборе II — 11,5; на водозаборе III — 12; на водозаборе IV — 8; на водозаборе V — 6,4 и на водозаборе VI — 15. Во многих ведомственных водозаборных скважинах содержание азота в воде также повышено. Наиболь­шая загрязненность подземных вод соединениями азота обнаруже­на при опробовании разведочных скважин, пробуренных вблизи свиноводческого комплекса и птицефабрики; здесь кроме NO₃~ обнаружены также NH₄+ (до 1,6 мг/дм³) и NO₂~ (до 1,84 мг/дм³). В подземных водах неоднократно наблюдалась бактериальная за­грязненность, в связи с чем на водозаборах воду обеззараживают.

Изучение состава песчано-глинистой толщи, залегающей выше водоносного горизонта, показало, что в ней аккумулировано зна­чительное количество азотсодержащих веществ в виде NH₃~,

NH4+ и NO2~, что является следствием фильтрации через эту тол­щу загрязненных поверхностных и сточных вод. На карте (см. рис. 9) по интенсивности нитратного загрязнения выделены четы­ре зоны. Зона чистых подземных вод, где N-NO₃<5 мг/дм³, рас­полагается в основном к северо-востоку от городской территории. Зона с содержанием N-NO₃~ от 5 до 10 мг/дм³ характерна для той части водоносного горизонта, где нитратные загрязнения поступа­ют в относительно небольших количествах, так что после их сме­шения с подземными водами концентрация N-NO₃~ не достигает ПДК. Однако, поскольку здесь концентрации превышают фоновые значения, эту зону тоже можно считать затронутой загрязнением» Она охватывает овраги и прилежащие к ним территории, прирез ную часть выше города. В зоне с концентрацией N-NO₃~ от 10 до 20 мг/дм³ в водоносный горизонт, по-видимому, поступает настоль­ко значительное количество нитратсодержащих поверхностных вод, что эффективность разбавления при смешении с подземными водами недостаточна и подземные воды становятся практически непригодными для питьевых целей. Эта зона приурочена к террито­рии города, оврагам и примыкающим к ним площадям. Наиболее загрязненные подземные воды (N-NO₃->20 мг/дм³) выявлены на севере в верховьях одного из логов, где расположены свиноводче­ский комплекс и птицефабрика. Концентрация N-NO₃~>20 мг/дм³ свидетельствует о большой интенсивности источников загрязнения как по количеству инфильтрующихся загрязненных вод, так и по концентрации загрязнений в поверхностных стоках и водах. Появ­ление этого очага загрязнения подземных вод, видимо, стало при­чиной ухудшения качества воды в наиболее крупном городском водозаборе III, отбирающем 60 тыс. м³/сут.

Из анализа карты гидроизогипс, построенной по натурным на­блюдениям и уточненной на фильтрационной модели, следует, что городская территория, овраги и вся площадь выше города до водо­раздела находятся в области захвата городских водозаборов I — VII и многих ведомственных водозаборов; определенная при моде­лировании максимальная интенсивность инфильтрационного пита­ния подземных вод (0,0018 м/сут) приурочена к области развития оврагов, где защищенность водоносного горизонта минимальна, по­этому поступающие в него талые, ливневые и сточные воды ока­зывают такое большое влияние на качество подземных вод.

Нитратное загрязнение подземных вод происходит и на водо­раздельных участках, если интенсивность поступления и загрязнен­ность сточных вод особенно велики, как, например, на участке рас­положения птицефабрики.

Для улучшения качества отбираемых водозаборами подземных вод намечены мероприятия по ликвидации источников микробио­логического и нитратного загрязнений в зонах санитарной охраны водозаборов. Предполагается также строительство резервуаров и дополнительных водоводов для смешения перед подачей потреби­телям воды, получаемой из загрязненных и чистых водозаборов, что позволит снизить содержание нитратов в воде до ПДК.
ОРГАНИЧЕСКИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
Одним из распространенных, но еще недостаточно изученных видов ухудшения качества подземных вод является загрязнение органическими синтетическими веществами, входящими в состав многочисленных химических веществ, широко применяемых в про­мышленности, сельском хозяйстве и быту. Присутствие этих ве­ществ уже в очень малых количествах делает воду непригодной для питья. Трудность быстрого выявления и идентификации орга­нических загрязнителей обусловлена необходимостью применения специальных очень чувствительных методов исследований, которые при выборе источника водоснабжения и оценке качества питьевых вод ранее обычно не применялись.

Предварительные представления о масштабе загрязненности подземных вод органическими компонентами можно получить на основании определения содержания в воде летучей и нелетучей фракций общего органического углерода и общего количества хлор-органических соединений. Более точные данные об индивидуальных органических веществах дают методы газовой хроматографии,, масс-спектрометрии, адсорбции на активированном угле с после­дующим использованием микроколориметрического детектора.

Хлорорганические соединения, входящие в состав дефолиантов, инсектицидов и других сельскохозяйственных ядохимикатов, а так­же широко используемые в промышленности (в том числе при об­работке металлов), в качестве растворителей при чистке одежды и для других целей обнаружены в подземных водах многих стран. Хлорированные углеводороды имеют повышенную плотность, за­метно растворимы в воде (от 50 мг/дм³ до 40 г/дм³) и отличаются малыми значениями ПДК. В питьевой подземной воде хлороргани-ческие соединения впервые были обнаружены в 1973 г. в ФРГ, а затем после широкого привлечения для анализа воды методов хро­матографии и масс-спектрометрии — ив США. Согласно данным Агентства по охране окружающей среды США, приведенным Г. Вестерхоффом и В. Юлом, этими соединениями загрязнены 45% крупных и 12% мелких систем централизованного водоснабжения США, использующих подземные воды.

Дж. Даксен и А. Гесс приводят сведения о том, что при об­следовании органические загрязнения подземных вод были обна­ружены в 44 системах водоснабжения шт. Массачусетс, B 25 — шт. Коннектикут, в 25 — шт. Пенсильвания, в 24 — шт. Нью-Йорк. В г. Джексон по этой причине была прекращена подача воды из 100 питьевых скважин, размещенных в районе городской свалки. В г. Ведфорд (шт. Массачусетс) около 85% скважин в городских водозаборах вышли из строя из-за высокого содержания органики. Большое число водозаборных скважин, воды которых содержали трихлорэтилен, было ликвидировано в долине р. Сан-Габриэль (шт. Калифорния) и в других районах США.

В США в воде питьевых водозаборов установлено уже более 700 специфических органических компонентов, среди которых наиболее часто встречаются тригалометаны и хлорированные углево­дородные соединения трихлорэтилен и тетрахлорэтилен. Содержа­ние последних в подземных водах на отдельных участках оказалось более высоким, чем в неочищенных и очищенных водах наиболее загрязненных рек, и достигло 3,5 мг/дм³.

В г. Тусон (шт. Аризона), хозяйственно-питьевое водоснабже­ние которого целиком основано на использовании аллювиального водоносного горизонта, загрязнение подземных вод трихлорэтиле-ном и тяжелыми металлами связано с поступлением в воду с тер­ритории промышленной зоны, где размещены аэропорт, военные заводы, предприятия электронной промышленности и др.

В г. Гровленд (шт. Массачусетс) в 1979 г. в двух основных городских водозаборах в подземных водах было обнаружено зна­чительное количество трихлорэтилена. В город в аварийном по­рядке пришлось подать воду из соседних городов. Одним из рас­смотренных вариантов восстановления качества воды была откач­ка подземных вод из перехватывающих скважин и очистка воды на фильтрах с активированным углем. В 25 городах шт. Массачу­сетс после 1978 г. исключена из эксплуатации часть водозаборных скважин из-за загрязнения воды органическими веществами.

В Великобритании, по данным П. Бардена, также обнаружено органическое загрязнение подземных вод, используемых в системе общественного водоснабжения, причем концентрация трихлорэти­лена и трихлорэтана в подземных водах намного превысила ПДК. До 30% потенциальных запасов подземных вод были выведены из использования вследствие их опасного загрязнения.

При обследовании водозаборов подземных вод, снабжающих водой южную часть г. Вены (Австрия), в воде были обнаружены хлорированные углеводороды (трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, трихлорэтан, дихлорметан), потребление которых в стране велико и составляет в общем примерно 14 тыс. т. Загрязнение подземных вод вызвано потерями этих веществ при транспортировке, склади­ровании и использовании предприятиями бытового обслуживания. Оценка степени загрязненности подземных вод хлорорганическими веществами была выполнена по общему содержанию в воде этих веществ: при концентрации менее 0,001 мг/дм³ считалось, что за­грязнение отсутствует; при концентрации 0,001 — 0,01 мг/дм³ — оно незначительно; при концентрации более 0,01 мг/дм³ — загрязне­ние сильное (данные В. Кашпера, Ф. Зайдельбергера).

В ФРГ на территориях городов земли Баден-Вюртемберг от­мечено до 60 случаев загрязнения подземных вод тетрахлорэтиле-ном, хлороформом и трихлорэтиленом.

В г. Милане (Италия) в 1975 г. ликвидированы водозаборные скважины, в которых были обнаружены хлорированные углево­дороды в количестве более 0,25 мг/дм³. Длительная откачка из этих скважин не улучшила состава подземных вод из-за большой площади загрязнения.

В Японии в префектуре Тояма в подземных водах были обна­ружены такие органические вещества-загрязнители, как метилхлориды, дихлорметан, хлороформ, четыреххлористый углерод, Дихлорэтан, трихлорэтан, дихлорэтилен, тетрахлорэтилен, толуол, ксилол, дибутилфталат и этилметилфталат.

На сельскохозяйственных территориях, особенно при иррига­ции, определенную роль в загрязнении подземных вод органиче­скими синтетическими веществами играют химические средства защиты растений — пестициды. Вместе с оросительными водами они могут быть вынесены за пределы корнеобитаемого слоя. Хотя в зоне аэрации основная часть ядохимикатов подвергается распа­ду, однако при большом периоде детоксикации и значительной норме орошения ядохимикаты могут быть вынесены в водоносный горизонт. Большинство пестицидов относятся к высокотоксичным веществам, ПДК многих из них в питьевой воде измеряются соты­ми и тысячными долями миллиграмма на кубический дециметр.

Загрязнение подземных вод ядохимикатами особенно опасно в связи с тем, что применение последних имеет площадной харак­тер и, кроме того, для сельскохозяйственных районов характерно децентрализованное водоснабжение населенных пунктов, при ко­тором водозаборные скважины находятся внутри или вблизи мас­сивов, где применяются ядохимикаты. В таких районах пестициды могут содержаться и в водах рек и каналов, поступая в них вмес­те с загрязненным дренажным и ливневым стоком, а также при обработке полей ядохимикатами с использованием авиации. Воз­можны и аварийные поступления ядохимикатов в водоносный го­ризонт на участках их складирования, при транспортировке и т. п.

Загрязнение подземных вод и водозаборов сельскохозяйствен­ными ядохимикатами обнаружено во многих странах.

В сельскохозяйственных районах США входящие в состав пес­тицидов трихлорэтилен и 1,2-дибромо-З-хлорпропан были обна­ружены в водозаборных скважинах в штатах Пенсильвания, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Калифорния и др. По данным Р. Ваймара, М. Дугласа, Р. Карселя, С. Коэна, Д. Уолтерса и др., наличие пестицида алдикарба установлено в водозаборах на Лонг-Айленде (шт. Нью-Йорк), ландана и алдрина — в шт. Южная Каролина, паратиона — в шт. Флорида, ДДТ — в районе г. Мэдисон (шт. Висконсин), а также в Южной Каролине, в шт. Вашингтон.

В округе Клейтон (шт. Айова) подземные воды закарстован-ных карбонатных пород содержат гербициды при повышенной концентрации нитратов. В шт. Небраска в грунтовых водах, за­легающих под песчано-суглинистыми почвами на глубине 5 — 7 м от поверхности, был обнаружен гербицид атразин. По-видимому, этот препарат был применен в большом количестве, так как спе­циальные полевые опыты показали, что в гидрогеологических ус­ловиях данного района безопасная доза внесения атразина на по­верхность составляет всего 2,2 — 4,4 кг на 1 га.

В шт. Аризона пестициды в подземных водах были обнару­жены после того, как сельскохозяйственные земли, на которых выращивали цитрусовые культуры, были заняты жилой застрой­кой, а из скважин, которые раньше использовались для орошения, стали отбирать воду для сельскохозяйственных нужд. В 50 водо­заборных скважинах установлено заметное содержание канцеро­генного пестицида 1,2-дибромо-З-хлорпропана (ДВСР).

По данным А. Хорвата, в ВНР, в одном из сельскохозяйствен­ных районов, где водоснабжение населения осуществляется из неглубоких колодцев, в 1974 г. было установлено загрязнение грунтовых вод мышьяком в концентрации до 0,6 мг/дм³. Мышьяк также был обнаружен в грунтах в количестве до 100 мкг/кг. За­грязнение подземных вод в данном случае было связано с мышь-якосодержащим пестицидом дарсином, использование которого в Венгрии было запрещено еще в 1968 г. К 1975 г. зона загрязне­ния подземных вод все еще занимала площадь 2,1 км².

X. Босеа в 1980 г. описал случай загрязнения подземных вод инсектицидом дибутоксом вблизи г. Аджуд (СРР), которое про­изошло из-за сброса в фильтрующую канаву сточных вод, обра­зующихся на территории областного центра защиты растений при промывке емкостей и приспособлений для приготовления и рас­пыления раствора. Вынос ядохимикатов из залегающих под кана­вой песчано-гравийных аллювиальных отложений происходил при подъеме уровйя грунтовых вод в периоды паводков и часто выпа­дающих осадков. Содержание дибутокса в водозаборных скважи­нах в момент его обнаружения в воде составляло 0,5 — 3,0 мг/дм³; через 9 мес. загрязнение все еще было на уровне 0,1 — 0,3 мг/дм³, а желтая окраска подземных вод в ареале загрязнения исчезла только через 2 года.

Загрязнение 28 водозаборных скважин при аварийной утечке пестицидов в ЧССР в пос. Храсте в 1978 г. описано Р. Хонсом и О. Марковой. В связи с длительным временем (по расчету 150 — 200 сут) деградации этих веществ в грунтах, для локализации за­грязнения и восстановления качества воды запроектирован дре­наж.