Уязвимость подземных вод

Можно выделять в процессе загрязнения подземных вод с поверхности три стадии. Первая соответствует инфильтрации загрязненных вод через зону аэрации. На второй происходит внедрение этих вод с посторонними компонентами через капиллярную бахрому в зону полного насыщения. На третьей посторонние компоненты распространяются в зоне полного насыщения. Таким образом, загрязнение как акт совершается только на второй стадии. Уровень грунтовых вод является той границей, через которую в подземные воды проникает основная масса загрязнителей.

Рисунок 0‑5. Гидрогеохимические провинции подземных вод с повышенными относительно ПДКконцентраци­ями (1- Fe; 2- Mn; 3- Al; 4- Se; 5- Hg; 6– Be) натерритории бывшего СССР. Границы распространения грунтовых вод с повышенным содержаниемFe: 7– в провинции многолетнеей мерзлоты; 8— в провинции умеренной влажности. 9- зона высокого содержания Fe в грунтовых водах Южного Урала. [Крайнев, Закутин, 1994].

Защищенность подземных водпредставляет собой совокупность гидрогеологических условий, обеспечивающих предотвращение проникновения загрязняющих веществ в водоносные горизонты.

Защищенность в России имеет несколько другое содержание. Во-первых, первоначально Н.В.Роговская, а позже и В.М. Гольдберг предложили различать защищенность грунтовых и напорных вод. Во-вторых, оценивая эти защищенности, они фактически не принимают в расчет свойства и процессы самих водоносных горизонтов. Учету подлежат свойства и процессы только пород, которые залегают непосредственно выше, т.е. зоны аэрации в случае грунтовых вод и водоупорной кровли для напорных вод. Это означает, что под защищенностью подземных вод они понимают способность пород препятствовать только внедрению посторонних компонентов в подстилающие водонасыщенные породы. В таком значении защищенность можно было бы рассматривать как составную часть уязвимости.

Следовательно, защищенность грунтовых вод - это, как правило, и защищенность всех вод зоны полного насыщения (фреатичес­ких вод), в том числе и напорных. Вмешиваясь в процессы влагообмена в зоне аэрации, можно влиять на скорость и интенсивность поступления опасных компонентов в подземные воды, можно даже предотвратить их загрязнение. Защитные свойства зоны аэрации по своей сути определяют величину начального и наиболее интенсивного загрязнения фреатических вод. В этом заключается та главная роль пород зоны аэрации, которую, вероятно, следует выделять, учитывать и оценивать как защищенность. Очень важно, что такая защищенность выделяется не только по комплексу ненасыщенных пород, но и по специфике процессов, которые имеют место только в данных породах. Эта специфика связана с инфильтрацией, т.е. с совершенно конкретным видом преимущественно вертикальной миграции воды и загрязняющих компонентов в условиях неполного насыщения.

Поведение посторонних компонентов ниже уровня грунтовых вод подчинено другим процессам и зависит от иных факторов: направления и скорости фильтрации, фильтрационной дисперсии, физико-химических свойств коллектора, состава, свойств самих подземных вод и т.д. Их действие не прекращается с фильтрацией вод из одного водоносного горизонта в другой, а распространяется на весь объем зоны полного насыщения. Оно контролирует не проникновение, а распространение посторонних компонентов в составе подземной воды. Вмешиваясь в режим поведения и состава этих вод, можно ограничить распространение загрязнителей, предотвратить их проникновение в другие горизонты, но нельзя изменить величину их начальной концентрации. Такую способность геологической среды препятствовать распространению посторонних компонентов в зоне полного насыщения (в составе фреатических вод) можно назвать чувствительностью подземных вод к загрязнению. В зарубежной литературе к данному пониманию наиболее близок термин «suscepti­bi­lity», который, согласно руководству [3], характеризует «неспособность подземных вод противостоять воздействию загрязнителей на их качество» [стр. 117]. Тогда защищенность и чувствительность можно было бы представить как дополняющие друг друга слагаемые уязвимости подземных вод в целом.

Однако, Н.В.Роговская [12] и В.М.Гольдберг [9] используют понятие защищенности в применении к артезианским водам. Причем они говорят об их защищенности с поверхности, но оценивают ее лишь в интервале мощности их водоупорной кровли. Так, В.Н.Гольдберг [9] в качестве меры защищенности напорных вод предлагает время фильтрации воды только через их водоупорную кровлю.

Во-первых, питание напорных, тем более артезианских вод носит значительно более сложный характер. Посторонние компоненты могут попадать в них не только по кратчайшему расстоянию от поверхности, но и путем фильтрации вдоль пласта со стороны областей питания. В этом случае предложенные оценки их защитных свойств не могут считаться полными и могут привести к большим ошибкам.

Во-вторых, не только водоупорная кровля лежит на пути миграции загрязнителей в напорные воды. На своем пути посторонние компоненты прежде должны преодолеть зону аэрации, которая защищает от загрязнения с поверхности как грунтовые воды, так и все подземные воды зоны полного насыщения. После зоны аэрации эти опасные компоненты обязательно попадут в грунтовые воды, а последние могут унести их далеко в сторону от той кратчайшей прямой от поверхности, которую выбрали Н.В.Роговская [12] и В.М. Гольдберг [9]. В соответствии с их методикой при мощной зоне аэрации и тонкой водоупорной кровле на одной и той же территории грунтовые воды могут быть защищены, а напорные под ними нет.

Очевидно, что для оценки защитных свойств любого напорного горизонта с поверхности необходимо учитывать поведение посторонних компонентов не только в его водоупорной кровле, а и в залегающих выше грунтовых водах, и в зоне аэрации. Это значит, что загрязнение напорных вод зависит как от защищенности, которую определяет зона аэрации, так и от чувствительности подземных вод на всем пути их фильтрации от уровня грунтовых вод до напорного горизонта, т.е. обусловлено той способностью геологической среды, которую за рубежом называют уязвимостью. И чтобы исключить противоречия между российской и зарубежной терминологией, в случае напорных негрунтовых вод, очевидно, следует говорить не о их защищенности, а об их уязвимости. Это тем более справедливо, поскольку процессы, контролирующие миграцию опасных компонентов, в зоне аэрации и в водоупорной кровле напорного горизонта в значительной степени разные.

Таким образом, анализ использования терминов уязвимости и защищенности в нашей стране и за рубежом позволяет унифицировать их содержание следующим образом. Под уязвимостьюследует понимать способность геологической среды препятствовать внедрению посторонних компонентов в подземные воды и их распространению в составе этих вод. Уязвимость представляет собой суммарный результат проявления защищенности и чувствительности подземных вод. Под защищенностью надо понимать способность зоны аэрации препятствовать внедрению посторонних компонентов в состав вод зоны полного насыщения (фреатических вод) и прежде всего в состав грунтовых вод. Чувствительность- способность геологической среды препятствовать распространению посторонних компонентов в составе подземных вод зоны полного насыщения. В работе [15] уязвимость фактически отождествлялась с чувствительностью, что находится в некотором противоречии с представлениями зарубежных гидрогеологов.

Если рассматривать недра как живой организм, а водоносные горизонты в качестве его кровеносной системы, то зону аэрации с ее защитными свойствами можно сравнить с кожей, а чувствительность с иммунитетом. Защищенность контролирует защитные свойства геологической среды по отношению к внешним очагам загрязнения, а именно длительность миграции опасных компонентов через зону аэрации, степень и площадь ареалов их проникновения через уровень грунтовых вод. Чувствительность контролирует защитные свойства геологической среды по отношению к очагам загрязнения, оказавшимся на границе или внутри зоны полного насыщения. Она определяет ореолы рассеивания посторонних компонентов, темпы понижения их концентраций, направление и дальность их распространения в процессе фильтрации. При такой унификации содержания рассматриваемых терминов защищенность, как таковая, может быть только у грунтовых вод, как у безнапорных, так и у напорных. При оценке защитных свойств всех более глубоких подземных вод следует говорить об их уязвимости.

Предложенная дифференциация защитных способностей геологической среды в отношении подземных вод позволяет более конкретно исследовать и классифицировать роль антропогенных факторов. К их числу относятся характер и содержание постороннего компонента, а также способ его внедрения в геологическую среду.

Состав, свойства и количество загрязняющего вещества, несомненно, имеют огромное влияние на экологические последствия. Авторы многих методик защищенности или уязвимости пытаются их учитывать через параметры состава подземных вод, адсорбционных свойств пород и почв. Но нитраты, тяжелые металлы, органические соединения, радиоактивные нуклиды и т.д. характеризующиеся разными химическими и физическими свойствами, различной продолжительностью существования в природных условиях. В будущем могут быть созданы или обнаружены новые опасные вещества. Поэтому А.~Запорожец [3] различает общую и специальную уязвимости. По аналогии защищенность и чувствительностm так же могут быть общими и специальными. Под общими понимаются те, которые не учитывают индивидуальные свойства загрязнителей и применимы к любому из них, под специальными - защищенность или чувствительность в отношении конкретной группы или отдельного компонента, иногда с учетом способов их использования.

Под способом внедрения посторонних компонентов следует понимать характер и степень искусственных изменений защищенности или чувствительности геологической среды. Эти изменения могут иметь место как до, так и в момент внедрения постороннего компонента. Потому способы внедрения удобно рассматривать независимо от характера и количества загрязнителя.

Внедрение и проникновение посторонних компонентов в подземные воды может происходить без нарушений уязвимости геологической среды. Такие неизмененные уязвимость, защищенность и чувствительность определяются только естественными факторами и, согласно Н.~В.~Роговской, называются естественными. Внедрение опасных компонентов из атмосферы, как, например, радиоактивных нуклидов Чернобыльской аварии, происходит на большей части суши в условиях естественной защищенности, а распространение - в условиях естественной чувствительности подземных вод.

Но защищенность и чувствительность подземных вод могут быть заметно изменены человеком, т.е. нарушены. Эти нарушения можно разделить на пассивные и активные (вне­дрения). К пассивным относятся изменения только свойств или состава геологической среды, прежде всего мощности, свойств, состава или условий залегания ее грунтов. Среди них изменение мощности зоны аэрации (подтоп­ле­ние, карьеры, свалки), захоронение сухих отходов и т.д., а также асфальтирование или бетонирование территорий. К активным нарушениям (вне­дрениям) относятся изменения непосредственно интенсивности водообмена. В случае защищенноститакое нарушение связано с орошением, со складированием жидких отходов на поверхности, с периодическим или долгосрочным затоплением территорий и т.д. Во всех указанных случаях нарушен режим поступления влаги с поверхности. В отношении чувствительностиактивное нарушение (внедрение) связано с изменением режима фильтрации вследствие мелиоративных мероприятий, откачек или нагнетаний вод в скважинах.

Часто нарушения защищенности или чувствительности подземных вод носят сложный комбинированный характер, т.е. включают одновременно как пассивное, так и активное внедрение. Такие сложные нарушения имеют место в отстойниках, хвостохранилищах, на поливных сельскохозяйственных угодьях, при захоронении сухих отходов ниже уровня грунтовых вод и т.д.

[i] Известия, от 16 марта 2000 г.

1 Известия, №219 (25564) от 20.11.1999