Загрязнение грунтовых вод (также называемое загрязнением грунтовых вод ) происходит, когда загрязняющие вещества выбрасываются в почву и попадают в грунтовые воды . Этот тип загрязнения воды может также возникать естественным образом из-за присутствия незначительного и нежелательного компонента, загрязняющего вещества или примеси в грунтовых водах, и в этом случае его скорее называют загрязнением, а не загрязнением . Загрязнение грунтовых вод может происходить из-за локальных систем канализации , фильтрата свалок , стоков с очистных сооружений , протекающих канализаций, заправочных станций , гидравлического разрыва пласта (фрекинг) или из-за чрезмерного применения удобрений в сельском хозяйстве . Загрязнение (или заражение) также может происходить из-за природных загрязняющих веществ, таких как мышьяк или фторид . [1] Использование загрязненных грунтовых вод создает опасность для здоровья населения из-за отравления или распространения болезней ( заболевания, передающиеся через воду ).
Загрязнитель часто создает шлейф загрязняющих веществ в водоносном горизонте . Движение воды и дисперсия в водоносном горизонте распространяют загрязняющее вещество на более широкую область. Его продвигающаяся граница, часто называемая краем шлейфа, может пересекаться с грунтовыми водными скважинами и поверхностными водами, такими как просачивания и родники, делая водоснабжение небезопасным для людей и диких животных. Движение шлейфа, называемое фронтом шлейфа, можно проанализировать с помощью гидрологической модели переноса или модели грунтовых вод . Анализ загрязнения грунтовых вод может быть сосредоточен на характеристиках почвы и геологии участка , гидрогеологии , гидрологии и природе загрязняющих веществ. Различные механизмы влияют на перенос загрязняющих веществ, например , диффузия , адсорбция , осаждение , распад в грунтовых водах.
Взаимодействие загрязнения грунтовых вод с поверхностными водами анализируется с использованием моделей гидрологического транспорта. Взаимодействие между грунтовыми и поверхностными водами является сложным. Например, многие реки и озера питаются грунтовыми водами. Это означает, что повреждение водоносных горизонтов грунтовых вод, например, фрекингом или чрезмерным забором, может, следовательно, повлиять на реки и озера, которые зависят от них. Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты является примером такого взаимодействия. [2] [3] Методы предотвращения включают: применение принципа предосторожности , мониторинг качества грунтовых вод, зонирование земель для защиты грунтовых вод, правильное расположение систем санитарии на месте и применение законодательства. Когда произошло загрязнение, подходы к управлению включают очистку воды в точке использования , восстановление грунтовых вод или, в крайнем случае, отказ.
Загрязнители, обнаруженные в грунтовых водах, охватывают широкий спектр физических, неорганических химических, органических химических, бактериологических и радиоактивных параметров. В принципе, многие из тех же самых загрязнителей, которые играют роль в загрязнении поверхностных вод, могут также быть обнаружены в загрязненных грунтовых водах, хотя их соответствующая важность может различаться.
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) признала мышьяк и фторид наиболее серьезными неорганическими загрязнителями питьевой воды во всем мире. [4] [5]
Неорганический мышьяк является наиболее распространенным типом мышьяка в почве и воде. [6] Металлоидный мышьяк может встречаться в природе в грунтовых водах, что чаще всего наблюдается в Азии, в том числе в Китае , Индии и Бангладеш . [7] На равнине Ганга в северной Индии и Бангладеш сильное загрязнение грунтовых вод естественным мышьяком затрагивает 25% скважин в более мелком из двух региональных водоносных горизонтов . Грунтовые воды в этих районах также загрязнены использованием пестицидов на основе мышьяка . [8]
Мышьяк в грунтовых водах может также присутствовать там, где ведутся горнодобывающие работы или находятся отвалы шахтных отходов , из которых выщелачивается мышьяк.
Природный фторид в грунтовых водах вызывает растущую обеспокоенность, поскольку используются более глубокие грунтовые воды, «более 200 миллионов человек подвергаются риску пить воду с повышенной концентрацией». [9] Фтор может особенно выделяться из кислых вулканических пород и рассеянного вулканического пепла, когда жесткость воды низкая. Высокий уровень фторида в грунтовых водах является серьезной проблемой в Аргентинских пампасах , Чили , Мексике , Индии , Пакистане , Восточно-Африканском разломе и на некоторых вулканических островах ( Тенерифе ) [10]
В районах, где в грунтовых водах, используемых в качестве питьевой воды, естественным образом наблюдается высокий уровень фторида , может быть распространен и протекать в тяжелой форме как флюороз зубов , так и флюороз скелета . [11]
Отсутствие надлежащих санитарных мер, а также неправильно расположенные колодцы могут привести к загрязнению питьевой воды патогенами, содержащимися в фекалиях и моче . К таким заболеваниям, передающимся фекально-оральным путем, относятся тиф , холера и диарея . [12] [13] Из четырех типов патогенов , присутствующих в фекалиях ( бактерии , вирусы , простейшие и гельминты или яйца гельминтов), первые три обычно можно найти в загрязненных грунтовых водах, тогда как относительно крупные яйца гельминтов обычно отфильтровываются почвенной матрицей. [ необходима цитата ]
Глубокие, ограниченные водоносные горизонты обычно считаются самым безопасным источником питьевой воды в отношении патогенов. Патогены из очищенных или неочищенных сточных вод могут загрязнять определенные, особенно неглубокие, водоносные горизонты. [14] [15]
Нитрат является наиболее распространенным химическим загрязнителем в грунтовых водах и водоносных горизонтах мира. [16] В некоторых странах с низким уровнем дохода уровень нитрата в грунтовых водах чрезвычайно высок, что приводит к серьезным проблемам со здоровьем. Он также стабилен (не разлагается) в условиях высокого содержания кислорода. [4]
Повышенный уровень нитратов в грунтовых водах может быть вызван местной санитарией, утилизацией осадка сточных вод и сельскохозяйственной деятельностью. [17] Поэтому он может иметь городское или сельскохозяйственное происхождение. [10]
Уровень нитратов выше 10 мг/л (10 частей на миллион) в грунтовых водах может вызвать « синдром синего ребенка » (приобретенную метгемоглобинемию ). [18] Стандарты качества питьевой воды в Европейском Союзе предусматривают содержание нитратов в питьевой воде менее 50 мг/л . [19]
Связь между нитратами в питьевой воде и синдромом синего ребенка оспаривалась в других исследованиях. [20] [21] Вспышки синдрома могут быть вызваны другими факторами, а не повышенными концентрациями нитратов в питьевой воде. [22]
Летучие органические соединения (ЛОС) являются опасным загрязнителем грунтовых вод. Они, как правило, попадают в окружающую среду из-за небрежной промышленной практики. Многие из этих соединений не были известны как вредные до конца 1960-х годов, и прошло некоторое время, прежде чем регулярные испытания грунтовых вод выявили эти вещества в источниках питьевой воды. [ необходима цитата ]
Основные загрязняющие вещества ЛОС, обнаруженные в грунтовых водах, включают ароматические углеводороды, такие как соединения BTEX ( бензол , толуол , этилбензол и ксилолы ), и хлорированные растворители, включая тетрахлорэтилен (PCE), трихлорэтилен (TCE) и винилхлорид (VC). BTEX являются важными компонентами бензина . PCE и TCE являются промышленными растворителями, используемыми в процессах химической чистки и в качестве обезжиривателя металлов соответственно. [ необходима цитата ]
Другие органические загрязнители, присутствующие в грунтовых водах и полученные в результате промышленной деятельности, - это полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Из-за своей молекулярной массы нафталин является наиболее растворимым и подвижным ПАУ, обнаруженным в грунтовых водах, тогда как бензо(а)пирен является наиболее токсичным. ПАУ обычно образуются как побочные продукты неполного сгорания органического вещества. [ необходима цитата ]
Органические загрязнители также могут быть обнаружены в грунтовых водах, как инсектициды и гербициды . Как и многие другие синтетические органические соединения, большинство пестицидов имеют очень сложную молекулярную структуру. Эта сложность определяет растворимость в воде, адсорбционную способность и подвижность пестицидов в системе грунтовых вод. Таким образом, некоторые типы пестицидов более подвижны, чем другие, поэтому они могут легче достичь источника питьевой воды. [9]
Несколько следовых металлов встречаются в природе 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 , работы по покраске и эмалированию и т. д., может привести к повышению концентрации токсичных металлов, включая свинец , кадмий и хром . Эти загрязняющие вещества могут попадать в грунтовые воды. [17]
На миграцию металлов (и металлоидов) в грунтовых водах будут влиять несколько факторов, в частности химические реакции, которые определяют распределение загрязняющих веществ между различными фазами и видами. Таким образом, подвижность металлов в первую очередь зависит от pH и окислительно -восстановительного состояния грунтовых вод. [9]
Следовые количества фармацевтических препаратов из очищенных сточных вод, просачивающихся в водоносный горизонт, входят в число новых загрязнителей грунтовых вод, изучаемых по всей территории Соединенных Штатов. [23] Популярные фармацевтические препараты, такие как антибиотики, противовоспалительные средства, антидепрессанты, противоотечные средства, транквилизаторы и т. д., обычно содержатся в очищенных сточных водах. [24] Эти сточные воды сбрасываются с очистных сооружений и часто попадают в водоносный горизонт или источник поверхностных вод, используемых для питья. [ необходима ссылка ]
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 использования большего количества очищенных сточных вод для муниципального водоснабжения. [24] [25]
Другие органические загрязнители включают ряд органогалогенидов и других химических соединений, нефтяные углеводороды , различные химические соединения, обнаруженные в средствах личной гигиены и косметических продуктах, загрязнение лекарственными средствами, включающее фармацевтические препараты и их метаболиты. Неорганические загрязнители могут включать другие питательные вещества, такие как аммиак и фосфат , и радионуклиды, такие как уран (U) или радон (Rn), естественным образом присутствующие в некоторых геологических образованиях. Вторжение соленой воды также является примером естественного загрязнения, но очень часто усиливается деятельностью человека. [ необходима цитата ]
Загрязнение грунтовых вод является всемирной проблемой. Исследование качества грунтовых вод основных водоносных горизонтов Соединенных Штатов, проведенное в период с 1991 по 2004 год, показало, что 23% внутренних скважин имели загрязняющие вещества на уровнях, превышающих контрольные показатели для здоровья человека. [26] Другое исследование показало, что основными проблемами загрязнения грунтовых вод в Африке, учитывая порядок важности, являются: (1) загрязнение нитратами, (2) патогенные агенты, (3) органическое загрязнение, (4) засоление и (5) дренаж кислотных шахт. [27]
Причины загрязнения подземных вод включают (более подробная информация ниже):
«Геогенный» относится к естественному возникновению в результате геологических процессов. [ необходима цитата ]
Естественное загрязнение мышьяком происходит из-за того, что отложения водоносного горизонта содержат органические вещества, которые создают анаэробные условия в водоносном горизонте. Эти условия приводят к микробному растворению оксидов железа в отложениях и, таким образом, к высвобождению мышьяка , обычно прочно связанного с оксидами железа, в воду. Как следствие, богатые мышьяком грунтовые воды часто богаты железом, хотя вторичные процессы часто скрывают связь растворенного мышьяка и растворенного железа. [ необходима цитата ] . Мышьяк чаще всего встречается в грунтовых водах в виде восстановленного вида арсенита и окисленного вида арсената, при этом острая токсичность арсенита несколько выше, чем у арсената. [28] Исследования ВОЗ показали, что 20% из 25 000 проверенных скважин в Бангладеш имели концентрацию мышьяка, превышающую 50 мкг/л. [4]
Наличие фторида тесно связано с распространенностью и растворимостью фторидсодержащих минералов, таких как флюорит (CaF 2 ) . [28] Значительно высокие концентрации фторида в грунтовых водах обычно вызваны недостатком кальция в водоносном горизонте. [4] Проблемы со здоровьем, связанные с флюорозом зубов, могут возникнуть, когда концентрация фторида в грунтовых водах превышает 1,5 мг/л, что является рекомендуемым значением ВОЗ с 1984 года. [4]
Швейцарский федеральный институт водных наук и технологий (EAWAG) недавно разработал интерактивную платформу оценки грунтовых вод (GAP), где геогенный риск загрязнения в заданной области может быть оценен с использованием геологических, топографических и других экологических данных без необходимости тестирования образцов из каждого отдельного ресурса грунтовых вод. Этот инструмент также позволяет пользователю создавать карты вероятности риска как для мышьяка, так и для фторида. [29]
Высокие концентрации параметров, таких как соленость, железо, марганец, уран, радон и хром, в грунтовых водах также могут иметь геогенное происхождение. Эти загрязняющие вещества могут быть важны локально, но они не так широко распространены, как мышьяк и фторид. [28]
Загрязнение грунтовых вод патогенами и нитратами может также происходить из-за жидкостей, просачивающихся в почву из местных систем канализации , таких как выгребные ямы и септики , в зависимости от плотности населения и гидрогеологических условий. [12]
Факторы, контролирующие судьбу и перенос патогенов, довольно сложны, и взаимодействие между ними не до конца изучено. [4] Если местные гидрогеологические условия (которые могут меняться в пределах нескольких квадратных километров) игнорируются, простые локальные санитарные инфраструктуры, такие как выгребные ямы, могут стать причиной значительных рисков для здоровья населения через загрязненные грунтовые воды. [ необходима ссылка ]
Жидкости выщелачиваются из ямы и проходят через ненасыщенную зону почвы (которая не полностью заполнена водой). Впоследствии эти жидкости из ямы попадают в грунтовые воды, где они могут привести к загрязнению грунтовых вод. Это проблема, если близлежащая скважина используется для подачи грунтовых вод в питьевые цели. Во время прохождения в почве патогены могут погибнуть или значительно адсорбироваться, в основном в зависимости от времени перемещения между ямой и скважиной. [30] Большинство, но не все патогены погибают в течение 50 дней перемещения через недра. [31]
Степень удаления патогенов сильно варьируется в зависимости от типа почвы, типа водоносного горизонта, расстояния и других факторов окружающей среды. [32] Например, ненасыщенная зона «промывается» во время продолжительных периодов сильных дождей, обеспечивая гидравлический путь для быстрого прохождения патогенов. [4] Трудно оценить безопасное расстояние между выгребной ямой или септиком и источником воды. В любом случае, такие рекомендации о безопасном расстоянии в основном игнорируются теми, кто строит выгребные ямы. Кроме того, приусадебные участки имеют ограниченный размер, и поэтому выгребные ямы часто строятся гораздо ближе к скважинам грунтовых вод, чем это можно считать безопасным. Это приводит к загрязнению грунтовых вод и заболеванию членов семьи при использовании этих грунтовых вод в качестве источника питьевой воды. [ необходима цитата ]
Загрязнение грунтовых вод может быть вызвано неочищенными отходами, что приводит к таким заболеваниям, как кожные поражения, кровавая диарея и дерматит. Это чаще встречается в местах с ограниченной инфраструктурой очистки сточных вод или там, где происходят систематические сбои в работе местной системы утилизации канализации. [32] Наряду с патогенами и питательными веществами неочищенные сточные воды могут также иметь значительную нагрузку тяжелых металлов, которые могут просачиваться в систему грунтовых вод. [ необходима цитата ]
Очищенные сточные воды с очистных сооружений могут также достигать водоносного горизонта, если сточные воды инфильтруются или сбрасываются в местные поверхностные водоемы. Таким образом, те вещества, которые не удаляются на обычных очистных сооружениях, могут также достигать грунтовых вод. [33] Например, обнаруженные концентрации остатков фармацевтических препаратов в грунтовых водах составляли порядка 50 мг/л в нескольких местах в Германии. [34] Это связано с тем, что на обычных очистных сооружениях микрозагрязнители, такие как гормоны , остатки фармацевтических препаратов и другие микрозагрязнители, содержащиеся в моче и кале, удаляются лишь частично, а остальная часть сбрасывается в поверхностные воды, откуда она также может попасть в грунтовые воды.
Загрязнение грунтовых вод может также происходить из-за протечек канализации, что наблюдалось, например, в Германии. [35] Это также может привести к потенциальному перекрестному загрязнению запасов питьевой воды. [36]
Распространение сточных вод или осадка сточных вод в сельском хозяйстве также может быть включено в число источников фекального загрязнения грунтовых вод. [4]
Нитрат также может попасть в грунтовые воды через чрезмерное использование удобрений, включая внесение навоза . Это происходит потому, что только часть азотных удобрений преобразуется в продукцию и другие растительные вещества. Остальная часть накапливается в почве или теряется в виде стока. [37] Высокие нормы внесения азотсодержащих удобрений в сочетании с высокой растворимостью нитрата в воде приводят к увеличению стока в поверхностные воды , а также к выщелачиванию в грунтовые воды, тем самым вызывая загрязнение грунтовых вод. [38] Чрезмерное использование азотсодержащих удобрений (будь то синтетические или натуральные) особенно разрушительно, так как большая часть азота, который не усваивается растениями, преобразуется в нитрат, который легко выщелачивается. [39]
Питательные вещества, особенно нитраты, в удобрениях могут вызывать 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 фактором, способствующим антропогенному азоту в грунтовых водах во всем мире. [40]
Откормочные площадки/загоны для животных также могут привести к потенциальному выщелачиванию азота и металлов в грунтовые воды. [36] Чрезмерное применение навоза животных также может привести к загрязнению грунтовых вод фармацевтическими остатками , полученными из ветеринарных препаратов. [ необходима ссылка ]
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и Европейская комиссия серьезно занимаются проблемой нитратов, связанной с развитием сельского хозяйства, поскольку это серьезная проблема водоснабжения, требующая соответствующего управления и регулирования. [10] [41]
Сток пестицидов может попадать в грунтовые воды, вызывая проблемы со здоровьем человека из загрязненных скважин. [4] Концентрации пестицидов, обнаруженные в грунтовых водах, как правило, низкие, и часто нормативные пределы, основанные на здоровье человека, также очень низкие. [4] Фосфорорганический инсектицид монокротофос (МЦП), по-видимому, является одним из немногих опасных, стойких, растворимых и мобильных (он не связывается с минералами в почве) пестицидов, способных достигать источника питьевой воды. [42] В целом, по мере того, как программы мониторинга качества грунтовых вод становятся более обширными, обнаруживается больше соединений пестицидов; однако в развивающихся странах мониторинг проводится гораздо реже из-за высоких затрат на анализ. [4]
В водоносных горизонтах, подлежащих коммерческой и промышленной деятельности, обнаружено большое количество как неорганических, так и органических загрязняющих веществ. [ необходима ссылка ]
Горнодобывающие и металлообрабатывающие предприятия являются основными источниками присутствия металлов в грунтовых водах антропогенного происхождения, включая мышьяк. Низкий pH, связанный с дренажем кислых шахтных вод (AMD), способствует растворимости потенциально токсичных металлов, которые в конечном итоге могут попасть в систему грунтовых вод. [ необходима цитата ]
Растет обеспокоенность по поводу загрязнения грунтовых вод бензином, вытекающим из подземных резервуаров для хранения нефти (ПЗХ) на заправочных станциях . [4] Соединения BTEX являются наиболее распространенными добавками к бензину. Соединения BTEX, включая бензол, имеют плотность ниже плотности воды (1 г/мл). Подобно разливам нефти в море, несмешивающаяся фаза, называемая легкой неводной фазой жидкости (LNAPL) , будет «плавать» на уровне грунтовых вод в водоносном горизонте. [4]
Хлорированные растворители используются практически в любой промышленной практике, где требуются обезжиривающие средства. [4] PCE является широко используемым растворителем в химической чистке из-за его эффективности очистки и относительно низкой стоимости. Он также использовался для операций по обезжириванию металлов. Поскольку он очень летуч, он чаще встречается в грунтовых водах, чем в поверхностных водах. [43] [ ненадежный источник? ] TCE исторически использовался для очистки металлов. Военный объект Anniston Army Depot (ANAD) в Соединенных Штатах был включен в Национальный список приоритетов (NPL) Агентства по охране окружающей среды из-за загрязнения грунтовых вод примерно 27 миллионами фунтов TCE. [44] Как PCE, так и TCE могут разлагаться до винилхлорида (VC), самого токсичного хлорированного углеводорода. [4]
Многие виды растворителей могли быть также утилизированы незаконно, со временем просочившись в систему грунтовых вод. [4]
Хлорированные растворители, такие как PCE и TCE, имеют плотность выше, чем у воды, а несмешивающаяся фаза называется плотными жидкостями неводной фазы (DNAPL) . [4] Как только они достигают водоносного горизонта, они «тонут» и в конечном итоге накапливаются на поверхности слоев с низкой проницаемостью. [4] [45] Исторически сложилось так, что предприятия по обработке древесины также выбрасывают в окружающую среду инсектициды, такие как пентахлорфенол (PCP) и креозот , что влияет на ресурсы грунтовых вод. [46] PCP — это высокорастворимый и токсичный устаревший пестицид, недавно включенный в Стокгольмскую конвенцию о стойких органических загрязнителях . ПАУ и другие полу-ЛОС являются распространенными загрязнителями, связанными с креозотом.
Хотя и не смешивающиеся, как LNAPL, так и DNAPL все еще имеют потенциал медленно растворяться в водной (смешивающейся) фазе, создавая шлейф и, таким образом, становясь долгосрочным источником загрязнения. DNAPL (хлорированные растворители, тяжелые ПАУ, креозот, ПХБ ) обычно трудно поддаются управлению, поскольку они могут находиться очень глубоко в системе грунтовых вод. [4]
Недавний рост скважин с гидроразрывом пласта («фрекинг») в Соединенных Штатах вызвал обеспокоенность относительно потенциальных рисков загрязнения ресурсов подземных вод. [47] Агентству по охране окружающей среды, наряду со многими другими исследователями, было поручено изучить взаимосвязь между гидроразрывом пласта и ресурсами питьевой воды. [48] Хотя можно выполнять гидроразрыв пласта без существенного воздействия на ресурсы подземных вод, если применяются строгие меры контроля и управления качеством, существует ряд случаев, когда наблюдалось загрязнение подземных вод из-за неправильного обращения или технических сбоев. [ необходима цитата ]
Хотя Агентство по охране окружающей среды не нашло существенных доказательств широко распространенного систематического воздействия на питьевую воду со стороны гидроразрыва пласта , это может быть связано с недостаточными систематическими данными о качестве питьевой воды до и после гидроразрыва пласта, а также с наличием других загрязняющих агентов , которые исключают связь между добычей нефти и сланцевого газа из плотных пород и ее воздействием. [49]
Несмотря на отсутствие у Агентства по охране окружающей среды глубоких широко распространенных доказательств, другие исследователи провели важные наблюдения за ростом загрязнения грунтовых вод в непосредственной близости от крупных мест бурения сланцевой нефти/газа, расположенных в Марцеллусе [50] [51] ( Британская Колумбия , Канада). В пределах одного километра от этих конкретных мест подгруппа мелководной питьевой воды постоянно показывала более высокие уровни концентрации метана , этана и пропана , чем обычно. Оценка более высокой концентрации гелия и других благородных газов вместе с ростом уровней углеводородов подтверждает различие между летучим газом гидроразрыва и естественным «фоновым» содержанием углеводородов . Предполагается, что это загрязнение является результатом протекающих, неисправных или неправильно установленных обсадных труб газовых скважин. [52]
Кроме того, предполагается, что загрязнение может также быть результатом капиллярной миграции глубокой остаточной гиперсоленой воды и жидкости гидроразрыва, медленно текущей через разломы и трещины, пока, наконец, не вступит в контакт с ресурсами грунтовых вод ; [52] однако, многие исследователи утверждают, что проницаемость пород, залегающих над сланцевыми образованиями, слишком низкая, чтобы позволить этому когда-либо произойти в достаточной степени. [53] Чтобы окончательно доказать эту теорию, должны быть следы токсичных тригалометанов (ТГМ), поскольку они часто связаны с наличием загрязнения рассеянным газом и, как правило, сопутствуют высоким концентрациям галогенов в гиперсоленых водах. [53] Кроме того, высокосоленые воды являются обычной природной особенностью в глубоких системах грунтовых вод. [ необходима ссылка ]
Хотя выводы относительно загрязнения грунтовых вод в результате потока жидкости гидроразрыва пласта ограничены как в пространстве, так и во времени, исследователи выдвинули гипотезу, что потенциал систематического загрязнения рассеянным газом зависит в основном от целостности структуры скважины сланцевой нефти/газа, а также от ее относительного геологического расположения по отношению к локальным системам трещин, которые потенциально могут обеспечить пути потока для миграции неконтролируемого газа. [52] [53]
Хотя широко распространенное, систематическое загрязнение в результате гидроразрыва пласта было предметом серьезных споров, одним из основных источников загрязнения, который, по общему мнению исследователей, является наиболее проблематичным, является случайный разлив жидкости гидроразрыва пласта и пластовой воды на определенном участке . До сих пор значительное большинство случаев загрязнения грунтовых вод происходит из-за антропогенных путей на поверхности, а не из-за подземного потока из нижележащих сланцевых образований. [54] Хотя ущерб может быть очевиден, и прилагаются гораздо большие усилия для предотвращения таких частых аварий, отсутствие данных о разливах нефти в результате гидроразрыва пласта продолжает оставлять исследователей в неведении. Во многих из этих случаев данные, полученные в результате утечки или разлива, часто очень расплывчаты, и, таким образом, приводят исследователей к неверным выводам. [55]
Исследователи из Федерального института геологических наук и природных ресурсов (BGR) провели модельное исследование для глубокого сланцевого газового пласта в Северо-Германском бассейне. Они пришли к выводу, что вероятность того, что подъем фракинговых жидкостей через геологические недра на поверхность повлияет на неглубокие грунтовые воды, мала. [56]
Фильтрат с санитарных свалок может привести к загрязнению грунтовых вод. Химикаты могут попасть в грунтовые воды через осадки и стоки. Новые свалки должны быть выложены глиной или другим синтетическим материалом вместе с фильтратом для защиты окружающих грунтовых вод. Однако старые свалки не имеют этих мер и часто находятся близко к поверхностным водам и в проницаемых почвах. Закрытые свалки все еще могут представлять угрозу для грунтовых вод, если они не закрыты непроницаемым материалом перед закрытием, чтобы предотвратить утечку загрязняющих веществ. [57]
Love Canal был одним из самых известных примеров загрязнения грунтовых вод. В 1978 году жители района Love Canal в северной части штата Нью-Йорк заметили высокий уровень заболеваемости раком и тревожное количество врожденных дефектов . В конечном итоге это было отслежено до органических растворителей и диоксинов с промышленной свалки, над которой и вокруг которой был построен район, которые затем проникли в систему водоснабжения и испарялись в подвалах, еще больше загрязняя воздух. Восемьсот семей получили компенсацию за свои дома и переехали после продолжительных судебных тяжб и освещения в СМИ. [ необходима цитата ]
Спутниковые данные в дельте Меконга во Вьетнаме предоставили доказательства того, что чрезмерная откачка грунтовых вод приводит к проседанию почвы , а также к последующему выбросу мышьяка и, возможно, других тяжелых металлов. [58] Мышьяк обнаруживается в глинистых слоях из-за их высокого отношения площади поверхности к объему относительно частиц размером с песок. Большая часть откачиваемых грунтовых вод проходит через пески и гравий с низкой концентрацией мышьяка. Однако во время чрезмерной откачки высокий вертикальный градиент вытягивает воду из менее проницаемых глин, тем самым способствуя выбросу мышьяка в воду. [59]
Загрязнение грунтовых вод может быть вызвано утечками химических веществ в результате коммерческой или промышленной деятельности, утечками химических веществ во время транспортировки (например, утечка дизельного топлива), незаконным сбросом отходов , инфильтрацией городских стоков или горнодобывающих работ, дорожной солью , антиобледенительными химикатами из аэропортов и даже атмосферными загрязнителями , поскольку грунтовые воды являются частью гидрологического цикла . [60]
Использование гербицидов может способствовать загрязнению грунтовых вод через инфильтрацию мышьяка. Гербициды способствуют десорбции мышьяка через мобилизацию и транспортировку загрязняющего вещества. Хлорированные гербициды оказывают меньшее влияние на десорбцию мышьяка, чем гербициды фосфатного типа. Это может помочь предотвратить загрязнение мышьяком путем выбора гербицидов, подходящих для различных концентраций мышьяка, присутствующих в определенных почвах. [61]
Захоронение трупов и их последующее разложение также может представлять опасность загрязнения грунтовых вод. [62]
Прохождение воды через недра может обеспечить надежный естественный барьер для загрязнения, но это работает только при благоприятных условиях. [12]
Стратиграфия местности играет важную роль в переносе загрязняющих веществ. Местность может иметь слои песчаной почвы, трещиноватой коренной породы, глины или твердого пласта. Области карстового рельефа на известняковой коренной породе иногда уязвимы для поверхностного загрязнения грунтовыми водами. Разломы землетрясений также могут быть путями проникновения для нисходящего проникновения загрязняющих веществ. Состояние уровня грунтовых вод имеет большое значение для питьевого водоснабжения, сельскохозяйственного орошения, утилизации отходов (включая ядерные отходы), среды обитания диких животных и других экологических проблем. [63]
Многие химикаты подвергаются реактивному распаду или химическим изменениям, особенно в течение длительных периодов времени в подземных водоемах. Примечательным классом таких химикатов являются хлорированные углеводороды, такие как трихлорэтилен (используется в промышленном обезжиривании металлов и производстве электроники) и тетрахлорэтилен, используемый в химической чистке. Оба эти химиката, которые, как считается, сами являются канцерогенами , подвергаются частичным реакциям разложения, что приводит к появлению новых опасных химикатов (включая дихлорэтилен и винилхлорид ). [64]
Хотя поверхностные и грунтовые воды взаимосвязаны, их часто изучали и управляли как отдельные ресурсы. [65] Взаимодействие между грунтовыми и поверхностными водами является сложным. Поверхностные воды просачиваются через почву и становятся грунтовыми водами. И наоборот, грунтовые воды также могут питать источники поверхностных вод. Например, многие реки и озера питаются грунтовыми водами. Это означает, что повреждение водоносных горизонтов грунтовых вод, например, фрекингом или чрезмерным забором, может, следовательно, повлиять на реки и озера, которые зависят от них. Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты является примером такого взаимодействия. [2] [3]
Разлив или продолжающийся выброс химических или радионуклидных загрязняющих веществ в почву (расположенную вдали от поверхностного водоема) может не создавать точечного или неточечного источника загрязнения, но может загрязнять водоносный горизонт ниже, создавая токсичный шлейф . Движение шлейфа можно проанализировать с помощью гидрологической модели переноса или модели грунтовых вод . [ требуется ссылка ]
Принцип предосторожности , вытекающий из Принципа 15 Декларации Рио по окружающей среде и развитию , важен для защиты ресурсов грунтовых вод от загрязнения. Принцип предосторожности предусматривает, что «там, где существуют угрозы необратимого ущерба, отсутствие полной научной уверенности не должно использоваться в качестве причины для отсрочки экономически эффективных мер по предотвращению деградации окружающей среды ». [66]
Одним из шести основных принципов водной политики Европейского Союза (ЕС) является применение принципа предосторожности. [67]
Программы мониторинга качества грунтовых вод регулярно внедряются во многих странах мира. Они являются важными компонентами для понимания гидрогеологической системы, а также для разработки концептуальных моделей и карт уязвимости водоносных горизонтов. [68]
Качество грунтовых вод должно регулярно контролироваться по всему водоносному горизонту для определения тенденций. Эффективный мониторинг грунтовых вод должен быть обусловлен конкретной целью, например, определенным загрязняющим веществом, вызывающим беспокойство. [9] Уровни загрязнения можно сравнить с рекомендациями Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по качеству питьевой воды. [69] Нередко пределы загрязняющих веществ снижаются по мере накопления медицинского опыта. [10]
Необходимо вложить достаточные средства в продолжение мониторинга в долгосрочной перспективе. При обнаружении проблемы необходимо предпринять действия по ее устранению. [9] Вспышки заболеваний, передающихся через воду, в Соединенных Штатах сократились с введением более строгих требований к мониторингу (и лечению) в начале 90-х годов. [4]
Сообщество также может помочь контролировать качество грунтовых вод. [68]
Ученые разработали методы, с помощью которых можно создавать карты опасности для геогенных токсичных веществ в грунтовых водах. [70] [71] [72] Это обеспечивает эффективный способ определения того, какие скважины следует проверить. [ необходима цитата ]
Разработка карт зонирования землепользования была реализована несколькими органами водного хозяйства в разных масштабах по всему миру. Существует два типа карт зонирования: карты уязвимости водоносных горизонтов и карты защиты источников. [9]
Это относится к внутренней (или естественной) уязвимости системы грунтовых вод к загрязнению. [9] По сути, некоторые водоносные горизонты более уязвимы к загрязнению, чем другие. [68] Неглубокие незамкнутые водоносные горизонты больше подвержены риску загрязнения, поскольку в них меньше слоев для фильтрации загрязняющих веществ. [9]
Ненасыщенная зона может играть важную роль в замедлении (а в некоторых случаях и в устранении) патогенов, поэтому ее необходимо учитывать при оценке уязвимости водоносного горизонта. [4] Биологическая активность наиболее высока в верхних слоях почвы, где ослабление патогенов, как правило, наиболее эффективно. [4]
Подготовка карт уязвимости обычно включает наложение нескольких тематических карт физических факторов, которые были выбраны для описания уязвимости водоносного горизонта. [68] Метод параметрического картирования на основе индекса GOD, разработанный Фостером и Хиратой (1988), использует три общедоступных или легко оцениваемых параметра: степень гидравлического ограничения грунтовых вод, геологическую природу вышележащих слоев и глубину залегания грунтовых вод. [68] [73] [74] Еще один 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 подпиточный уровень, среда водоносного горизонта, среда нефтяного слоя , рельеф (уклон), воздействие на зону аэрации и гидравлическая проводимость . [68] [75]
Среди гидрогеологов ведутся особые дебаты по поводу того, следует ли устанавливать уязвимость водоносного горизонта в общем (внутреннем) плане для всех загрязняющих веществ или конкретно для каждого загрязняющего вещества. [68]
Это относится к зонам захвата вокруг отдельного источника грунтовых вод, например, колодца или родника, чтобы особенно защитить их от загрязнения. Таким образом, потенциальные источники разлагаемых загрязняющих веществ, таких как патогены, могут быть расположены на расстояниях, на которых время перемещения по путям потока достаточно велико для того, чтобы загрязняющее вещество было устранено посредством фильтрации или адсорбции. [9]
Аналитические методы, использующие уравнения для определения потока грунтовых вод и переноса загрязняющих веществ, являются наиболее широко используемыми. [76] WHPA — это полуаналитическая программа моделирования потока грунтовых вод, разработанная Агентством по охране окружающей среды США для определения зон захвата в зоне защиты устья скважины. [77]
Простейшая форма зонирования использует методы фиксированного расстояния, при которых деятельность исключается в пределах равномерно применяемого заданного расстояния вокруг точек забора. [76]
Поскольку воздействие большинства токсичных химических веществ на здоровье проявляется после длительного воздействия, риск для здоровья от химических веществ, как правило, ниже, чем от патогенов. [4] Таким образом, качество мер защиты источника является важным компонентом в контроле того, могут ли патогены присутствовать в конечной питьевой воде. [76]
Системы канализации на месте могут быть спроектированы таким образом, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод этими системами канализации. [12] [31] Разработаны подробные руководящие принципы для оценки безопасных расстояний для защиты источников грунтовых вод от загрязнения от систем канализации на месте . [78] [79] Для безопасного размещения (т.е. принятия решения о местоположении) систем канализации на месте были предложены следующие критерии: [12]
В качестве очень общей рекомендации рекомендуется, чтобы дно ямы было не менее чем на 2 м выше уровня грунтовых вод, а минимальное горизонтальное расстояние между ямой и источником воды обычно рекомендуется в 30 м для ограничения воздействия микробного загрязнения. [1] Однако не следует делать никаких общих заявлений относительно минимальных расстояний бокового разделения, необходимых для предотвращения загрязнения колодца от выгребной ямы. [12] Например, даже 50-метровое расстояние бокового разделения может быть недостаточным в сильно закарстованной системе с нисходящим питающим колодцем или родником, в то время как 10-метровое расстояние бокового разделения вполне достаточно, если есть хорошо развитый слой глинистого покрова и кольцевое пространство колодца грунтовых вод хорошо герметизировано. [ требуется ссылка ]
Институциональные и правовые вопросы имеют решающее значение для определения успеха или неудачи политики и стратегий защиты грунтовых вод. [4] В Соединенных Штатах Закон о сохранении и восстановлении ресурсов защищает грунтовые воды, регулируя утилизацию твердых отходов и опасных отходов , а Закон о всеобъемлющем экологическом реагировании, компенсации и ответственности , также известный как «Суперфонд», требует рекультивации заброшенных мест захоронения опасных отходов. [80] [81]
Варианты очистки загрязненных подземных вод можно разделить на следующие категории:
Портативные устройства для очистки воды или системы очистки воды "point-of-use" (POU) и методы дезинфекции воды в полевых условиях могут использоваться для удаления некоторых форм загрязнения грунтовых вод перед употреблением, а именно любого фекального загрязнения. Доступно множество коммерческих портативных систем очистки воды или химических добавок, которые могут удалять патогены, хлор, неприятный привкус, запахи и тяжелые металлы, такие как свинец и ртуть. [83]
Методы включают кипячение, фильтрацию, абсорбцию активированным углем, химическую дезинфекцию, ультрафиолетовую очистку, дезинфекцию воды озоном, солнечную дезинфекцию воды, солнечную дистилляцию, самодельные фильтры для воды. [ необходима ссылка ]
Фильтры для удаления мышьяка (ARF) — это специальные технологии, которые обычно устанавливаются для удаления мышьяка. Многие из этих технологий требуют капиталовложений и долгосрочного обслуживания. Фильтры в Бангладеш обычно не используются пользователями из-за их высокой стоимости и сложного обслуживания, которое также довольно дорого. [ необходима цитата ]
Загрязнение грунтовых вод гораздо сложнее уменьшить, чем поверхностное загрязнение, поскольку грунтовые воды могут перемещаться на большие расстояния через невидимые водоносные горизонты . Непористые водоносные горизонты, такие как глины, частично очищают воду от бактерий путем простой фильтрации (адсорбции и абсорбции), разбавления и, в некоторых случаях, химических реакций и биологической активности; однако, в некоторых случаях загрязняющие вещества просто трансформируются в загрязнители почвы . Грунтовые воды, которые перемещаются через открытые трещины и пещеры, не фильтруются и могут транспортироваться так же легко, как и поверхностные воды. Фактически, это может усугубляться человеческой тенденцией использовать естественные карстовые воронки в качестве свалок в районах карстового рельефа . [84]
Загрязнители и загрязняющие вещества могут быть удалены из грунтовых вод с помощью различных методов, тем самым делая их безопасными для использования. Методы очистки (или рекультивации) грунтовых вод охватывают биологические, химические и физические технологии очистки. Большинство методов очистки грунтовых вод используют комбинацию технологий. Некоторые из методов биологической очистки включают биоаугментацию , биовентиляцию , биобарботаж , биовсасывание и фиторемедиацию . Некоторые методы химической очистки включают в себя впрыскивание озона и кислорода, химическое осаждение , мембранное разделение , ионный обмен , поглощение углерода, водное химическое окисление и восстановление с помощью поверхностно-активных веществ. Некоторые химические методы могут быть реализованы с использованием наноматериалов . Физические методы очистки включают, помимо прочего, насос и очистку, барботаж воздухом и двухфазную экстракцию.
Если очистка или восстановление загрязненных подземных вод считается слишком сложным или дорогостоящим процессом, то единственным выходом является отказ от использования подземных вод этого водоносного горизонта и поиск альтернативного источника воды.
Пригородные районы Лусаки, столицы Замбии, имеют сильно закарстованные грунты, и по этой причине — вместе с растущей плотностью населения в этих пригородных районах — загрязнение колодцев из выгребных ям представляет собой серьезную угрозу общественному здоровью. [85]
В Танзании многие жители полагаются на источники грунтовых вод, в основном из неглубоких скважин на месте, для питья и других бытовых целей. Стоимость официального водоснабжения привела к тому, что многие домохозяйства полагаются на частные скважины, а не на городские водопроводные и канализационные сооружения Бабати. Потребление воды из временных источников воды неизвестного качества (в основном неглубоких скважин) привело к тому, что большое количество людей страдает от заболеваний, передающихся через воду. В Танзании, как сообщается, 23 900 детей в возрасте до 5 лет умирают каждый год от дизентерии и диареи, связанных с употреблением небезопасной воды. [86]
Бассейн реки Ганг (GRB) , который является священным водоемом для индусов, сталкивается с серьезным загрязнением мышьяком . Индия покрывает 79% GRB, и, таким образом, пострадали многочисленные штаты. В число пострадавших штатов входят Уттаракханд , Уттар-Прадеш , Дели , Мадхья-Прадеш , Бихар , Джаркханд , Раджастхан , Чхаттисгарх , Пенджаб , Харьяна и Западная Бенгалия . Уровни мышьяка составляют до 4730 мкг/л в грунтовых водах, ~1000 мкг/л в воде для орошения и до 3947 мкг/кг в пищевых продуктах, все из которых превышают стандарт Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций для воды для орошения и стандарты Всемирной организации здравоохранения 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. [87]
В Индии правительство приступило к содействию развитию санитарии, чтобы бороться с ростом загрязнения грунтовых вод в нескольких регионах страны. Усилия, как оказалось, дали результаты и снизили загрязнение грунтовых вод и снизили вероятность заболеваний у матерей и детей, которые в основном пострадали от этой проблемы. Это было крайне необходимо, поскольку, согласно исследованию, более 117 000 детей в возрасте до пяти лет умирают каждый год из-за потребления загрязненной воды. Усилия страны увенчались успехом в более экономически развитых частях страны. [88]
В городе Хинкли, штат Калифорния (США), грунтовые воды были загрязнены шестивалентным хромом с 1952 года, что привело к судебному разбирательству против Pacific Gas & Electric (PG&E) и многомиллионному урегулированию в 1996 году. Судебное разбирательство было экранизировано в фильме « Эрин Брокович» , выпущенном в 2000 году.
Сан-Хоакин, США
Интенсивная откачка воды в округе Сан-Хоакин, Калифорния, привела к загрязнению мышьяком. Округ Сан-Хоакин столкнулся с серьезной интенсивной откачкой, которая привела к оседанию земли под Сан-Хоакином и, в свою очередь, повреждению инфраструктуры. Эта интенсивная откачка в грунтовые воды позволила мышьяку попасть в водоносные горизонты грунтовых вод, которые снабжают питьевой водой не менее миллиона жителей и используются для орошения сельскохозяйственных культур на некоторых из самых богатых сельскохозяйственных угодий в США. Водоносные горизонты состоят из песка и гравия, разделенных тонкими слоями глины, которая действует как губка, удерживающая воду и мышьяк. Когда вода интенсивно откачивается, водоносный горизонт сжимается, а земля опускается, что приводит к высвобождению мышьяка глиной. Исследования показывают, что водоносные горизонты, загрязненные в результате чрезмерной откачки, могут восстановиться, если изъятие прекратится. [89]
Город Норко, Калифорния, пострадал от загрязнения грунтовых вод трихлорэтиленом и гидразином в результате неправильного и небрежного обращения с опасными материалами и методов утилизации на объекте Wyle Laboratories , который находился рядом со средней школой Норко . Уровни трихлорэтилена были обнаружены в 128 раз выше безопасного предела штата для питьевой воды, а гидразин был обнаружен в двух близлежащих колодцах. [90]
Объект больше не функционирует и является действующим объектом по очистке от опасных отходов.
В 2000 году в небольшом городе Уолкертон, Канада, произошло загрязнение грунтовых вод, что привело к семи смертям в результате вспышки кишечной палочки Уолкертон . Водоснабжение, которое осуществлялось из грунтовых вод, было загрязнено крайне опасным штаммом бактерий E. coli O157:H7 . [91] Это загрязнение произошло из-за стока с фермы в соседний колодец , который был уязвим для загрязнения грунтовых вод.
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link)