Современные разработки в области гидрогеоэкологии

Современные разработки в области  гидрогеоэкологии  

Загрязнение поверхностных и  подземных вод   

Выполнение  в процессе строительства буровзрывных работ, эксплуатация карьеров, углубление фарватеров рек, намыв грунта, добыча песка и гравия из русел рек  и на побережьях морей, устройство свалок под отходы строительного производства, разрушение плодородного слоя почвы, вырубка растительности на территории застройки, прокладка дорог и коммуникаций, слив загрязнений со строительных площадок оказывают отрицательное воздействие на состояние водного бассейна. 
В природных водах процессы техногенеза проявляются почти так же интенсивно и масштабно, как и в атмосфере. Происходит коренное изменение состава водных растворов, которое мы, вслед за Н.С. Курнаковым, М.Г. Валяшко, B.C. Самариной, называем метаморфизацией. Под метаморфизацией понимаются изменения химического состава природных вод, в результате которых происходит смена химических типов и подтипов (групп) вод. Метаморфизация происходит за счет супертехнофильных элементов, в понимании А.И. Перельмана. Хлор, сера (сульфат-ион), азот (ионы нитратов, нитритов, аммония), углерод (гидрокарбонат и карбонат-ион, органические вещества), а также натрий, кальций, магний, тяжелые металлы характеризуются высокой степенью технофильности. Они накапливаются в водных растворах. В результате изменяется химический тип вод и происходит их загрязнение. Ф.И. Тютюнова рассчитала параметры технофильности более чем для трех десятков элементов. 
Воды засоряются естественными продуктами, отходами, поглощающими кислород, суспензиями (взвесями), различными ядовитыми веществами (пестицидами, гербицидами), веществами, вызывающими эвтрофикацию водоемов (ускорение естественных процессов старения водных систем), тепловыми горячими стоками, различными солями, нефтепродуктами, отходами предприятий органического синтеза, моющими средствами, радиоактивными отходами, химическими веществами. Крупными производственными загрязнителями являются и бытовые сточные воды, ливневые и сельскохозяйственные стоки, в том числе поступающие с сельскохозяйственных угодий обрабатываемых пестицидами и минеральными удобрениями, а так же стоки животноводческих и птицеводческих комплексов, ежегодный объем которых составляет около 1,3 млрд м3. Поверхностные и подземные воды производят огромную геологическую работу. Неорганические примеси производственных сточных вод содовых, сернокислых, металлургических и азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик, шахт, рудников, некоторых химзаводов содержат кислоты, щелочи, соли разных металлов, сернистые соединения, минеральные и взвешенные вещества. 
Разнообразные органические примеси присутствуют в сточных водах нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, заводов органического синтеза, синтетического каучука и пластмасс, коксохимических заводов, предприятий пищевой и легкой промышленности и других объектов. Веточных водах содержатся нефтепродукты, нафтеновые кислоты, аммиак, альдегиды кетоны фенолы, спирты, синтетические смолы, меркаптаны и сероводород. В городских ливневых стоках присутствуют тетраэтилсвинец, осаждающийся из выхлопных газов автомобилей, сернистые соединения, болезнетворные бактерии, нефтепродукты и др. 
Глубокое влияние на водоемы оказывает сельское хозяйство Распашка и мелиорация новых земель, осушение болот, вырубка лесов, в том числе в бассейнах малых рек, приводят к изменению их гидрологического режима, бурным паводкам и обмелению в меженный период, пересыханию ключей и родников, высыханию болот и озер. В результате неправильного применения удобрений и пестицидов, многократного превышения норм значительная их часть смывается в водоемы, просачивается в подземные воды, вызывая эвтрофикацию малых рек и озер. 
На состояние водных ресурсов влияет и энергетика. На ТЭС и АЭС производится около 96 % всей потребляемой в мире энергии, что сопровождается выбросом токсичных веществ и тепловым загрязнением водоемов. Горячие и теплые сточные воды сбрасываются предприятиями химической и металлургической промышленности. Повышение температуры воды в водоемах способствует увеличению потребления кислорода, усилению действия токсичных веществ, вызывает нарушение биологических процессов существования водных сообществ. Пропуск больших объемов воды через охлаждающие устройства губит живые организмы, в первую очередь, планктон и мальков рыб. 
Вода не только служит сырьем, но и является средой обитания, участвуя в сложнейших биологических реакциях, присущих всем жизненным процессам. Вода участвует в фотосинтезе- процессе, в результате которого образуется кислород. В поддержании баланса кислорода основную роль играют растения, в том числе фитопланктон морей и океанов, продуцирующий более 50% годового объема поступления кислорода и поглощающий избыток углекислоты в атмосфере. Большая часть загрязняющих веществ внутренних водоемов и суши рано или поздно поступает во внутренние моря и в Мировом океане. Морской и речной транспорт загрязняет водоемы нефтепродуктами и мусором. Лесосплав ведет к загрязнению рек топляками деревьев и продуктами их гниения. 
Минеральное загрязнение воды развивается при техногенном оврагообразовании, при техногенной абразии берегов вдоль морей, рек, озер, при водной эрозии поверхности земли. В водоемы поступают минеральные соли, кислоты, щелочи, а также песок, глина ил, вследствие чего они мелеют. Органическое загрязнение вод происходит за счет поступления нефти, бензина, масел, органик соединений, различных растительных и животных остатков. Источниками органического загрязнения вод служат предприятия автомобильной, нефтяной и газовой промышленности. Значительными загрязнителями являются сточные воды кожевенной, целлюлозы бумажной, мясомолочной, консервной и легкой промышленности, а так же предприятий строительной индустрии и транспорт. Существенно загрязняют водоемы остатки растений, растительного масла, физиологические выделения людей и животных, остатки живого вещества. Биологическое загрязнение протекает при участии бактерий, вирусов, грибков, происходит за счет зарастания водоемов водорослями, попадания в них коммунально-бытовых вод Биологическое загрязнение вод нередко становится причиной развития инфекционных заболеваний. Тепловое загрязнение обусловливает усиление биологического. Тепловое загрязнение происходит при использовании воды в качестве охладителя. При повышении температуры снижается содержание в воде кислорода, что способствует размножению анаэробных бактерий, выделению сероводорода, метана и других ядовитых веществ, отравляющих все живое. 
Радиоактивное загрязнение вызывают испытания термоядерного оружия. Радиоактивные отходы, поступающие с предприятий, атомных электростанций, загрязняют речную воду, которая используется в качестве охладителя реакторов. Захоронение радиоактивных отходов в океанических впадинах приводит к радиоактивному загрязнению вод океана. 
По данным Всемирной организации здравоохранения, употребление загрязненной воды вызывает 80 % всех заболеваний. В США в 1916 и 1924 гг. причиной эпидемии тифа на Атлантическом побережье оказались устрицы, вылавливаемые из загрязненных вод. В 1961 г. в штатах Нью-Йорк и Нью-Джерси наблюдалась вспышка инфекционного гепатита. Выяснилось, что заболевшие ели устриц, собранных в морском заливе Раритан. Решением ООН период с 198 по 1990 и 2001-2010 гг. объявлены десятилетиями «питьевой воды». 
В загрязненных нефтяными маслами и нефтью водоемах гибнут морские животные и рыбы. Поскольку нефтепродукты нерастворимы воде, они распространяются на расстояние более 300 км от источника загрязнения. Легкие фракции нефти образуют пленки, затрудняют газообмен в водоеме. Так, одна капля нефти образует пятно диаметром до 150 см, а 1 т нефти - до 12 км. В моря ежегодно попадает около 5 млн т нефти и масел, поступающих при авариях нефтеналивных судов, а также при добыче нефти в море, смываемых с автострад сбрасываемых при мойке судов. 
Загрязненные воды разрушают железобетонные и металлические конструкции, находящиеся в воде, усиливают коррозию трубопроводов и образование различного рода отложений в них. Особенно агрессивны кислые стоки, разъедающие металлическую арматуру. При охлаждении агрегатов загрязненной водой на охлаждаемых поверхностях образуются осадки. 
Метаморфизация и загрязнение воды наносят обществу материальный и моральный ущерб. Польские ученые подсчитали, что материальный ущерб, нанесенный национальной экономике путей использования неочищенных вод в промышленности, составляет 6,2 млрд злотых в год. При предварительной очистке сточных вод национальный доход Польши был бы на 2,8 млрд злотых больше. 
Даже краткий перечень источников техногенного воздействия на водные растворы «красноречиво» характеризует процессы локального, регионального и глобального преобразования гидросферы. И для того чтобы предотвратить разрушение биосферы, эти процессы следует приостановить или хотя бы замедлить. 
 

К минеральным удобрениям относятся неорганические химические соединения, применяемые в сельском хозяйстве в целях повышения плодородия почв. Различают макро- и микроудобрения. Минеральные макроудобрения - вещества, в состав которых входят основные элементы, повышающие плодородие (азот, фосфор, калий). Соответственно макроудобрения делятся на азотные, фосфатные, калийные и комплексные.

За относительно непродолжительный  период производство и применение в  сельском хозяйстве минеральных  макроудобрений существенно увеличилось. Так, если в 1952 г. мировое производство минеральных макроудобрений составляло 21 млн. т1 в год, то в последующие 20 лет оно возросло почти в 4 раза и в 1972 г. достигало 79 млн. т в год. В СССР за период 1940-1985 гг. (т. е. за 45 лет) применение минеральных удобрений увеличилось с 0,7 до 25,4 млн т. Расширился ассортимент минеральных удобрений. Например, группа азотных удобрений включает аммиачные (аммиачная вода), аммонийные (аммония сульфат), нитратные (калийная, натриевая и кальциевая селитра), аммонийно-нитратные (аммиачная селитра) и амидные (карбамид, мочевина) удобрения. В группу фосфатных удобрений входят простой и двойной суперфосфаты, преципитат, основные шлаки и др. К группе калийных удобрений относится калийная соль (калия хлорид), калий-магнезиальное удобрение, калийно-аммиачная селитра.

Уровень применения в сельском хозяйстве Украины в 1986-1990 гг. минеральных удобрений составляли в среднем 166,4 кг/га пашни. В целом в Украине в конце XX в. ежегодно применяли 5 млн т азотно-калийно-фосфатных удобрений. В ассортименте минеральных удобрений преобладали азотные - 42%, а на долю калийных и фосфатных приходилось 27,5 и 30,5% соответственно. При этом уровень применения азотных минеральных удобрений ежегодно уменьшался, использование фосфатных увеличивалось, а калийных - оставалось без изменений.

Современная технология применения минеральных удобрений предотвращает их максимальное накопление фитомассой сельскохозяйственных растений. Значительная часть удобрений вымывается в подземные воды, мигрирует с поверхностным стоком, разлагается в почве, образуя летучие продукты, поступающие в приземный слой атмосферного воздуха. Сегодня в научной литературе имеется достаточно убедительных данных о том, что при нерациональном использовании минеральных удобрений возникает реальная опасность для здоровья человека и окружающей среды. Наибольшее внимание уделяют азотным удобрениям.

Компоненты азотных  удобрений (аммиак, нитраты, мочевина) при чрезмерном внесении в почву  могут мигрировать в поверхностные  и подземные водоемы, загрязняя  их. Так, в Англии за 10 лет концентрация нитратов в речной воде увеличилась на 44-48%, вследствие чего более чем в 100 источниках централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения концентрация нитратов превысила 50 мг/л. Наиболее вероятно поступление нитратов (самой подвижной формы азотных удобрений) в грунтовую воду. В отдельных селах Молдовы содержание нитратов в колодезной воде достигало 100-500 мг/л. При загрязнении воды источников водоснабжения нитратами в концентрациях, превышающих 45 мг/л, у новорожденных, которые находятся на искусственном вскармливании, и людей пожилого возраста может возникнуть водно-нитратная метгемоглобинемия. Так, в Венгрии за период 1968-1979 гг. повышенное содержание нитратов было зарегистрировано в воде колодцев 176 поселений (обследовали 296 сел). За этот период было зарегистрировано 234 случая водно-нитратной метгемоглобинемии у детей.

Нитраты, которые являются компонентами нитратных (натриевая, кальциевая и калиевая селитры) и аммонийно-нитратных (аммиачная селитра) удобрений, а также образовавшиеся в почве из аммиака аммиачных (аммиачная вода), аммония аммонийных (сульфат аммония) и мочевины амидных азотных удобрений, являются предшественниками синтеза в объектах окружающей среды нитрозосоединений, большинство из которых обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. В почве постоянно присутствуют продукты разложения белковых веществ - амины и амиды, а также, при условии чрезмерного использования азотных удобрений, - нитраты и нитриты, из которых во время трансформации в почве могут образоваться нитрозамины и нитрозамиды (N-нитрозодиметиламин, N-нитрозодиэтиламин и др.). Нитрозосоединения могут синтезироваться в фитомассе сельскохозяйственных растений при условии поступления в них избыточного количества нитратов. Нитрозосоединения относительно стабильны в объектах окружающей среды, мало растворимы в воде и большинство из них высоколетучи. По экспертным оценкам, в организм человека с питьевой водой, продуктами питания, атмосферным воздухом может поступить до 5-10 мкг нитрозаминов в сутки. Нитрозосоединения нитрозамины и нитрозамиды могут образовываться в организме человека в результате эндогенного синтеза, достигая 7 мкг/сут. Большинство нитрозаминов и нитро-замидов являются сильными химическими канцерогенами. Некоторые нитрозосоединения (N-нитрозометилмочевина, N-нитрозоэтилмочевина) проникают через трансплацентарный барьер в организм плода, оказывая эмбриотоксичес-кое и тератогенное действие.

Поступление в открытые (поверхностные) водоемы минеральных  удобрений, содержащих азот и фосфор, обусловливает их эвтрофикацию (способствует размножению микрофитов и водных растений), стимулирует "цветение" водоемов, ухудшает органолептические свойства воды, разрушает водные биоценозы, нарушает процессы самоочищения водоемов и препятствует использованию их в качестве источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Значительную роль в загрязнении почвы играют фосфатные  удобрения. Поглощенные почвой фосфаты  малоподвижны и лишь 2% их вымывается из пахотного слоя. Поэтому при  чрезмерном применении фосфатных удобрений в почве накапливается Р205 в таком количестве, которое способно тормозить процессы ее самоочищения. Кроме того, фосфаты с поверхностным стоком могут попадать в открытые водоемы и вызывать их эвтрофикацию. Гигиеническое значение имеет тот факт, что фосфатные удобрения содержат примеси фторсодержащих соединений (от 0,2 до 4%), железа, стронция, селена, мышьяка (не менее 0,006%), тяжелых металлов (не менее 0,008%), в том числе кадмия (10-30 мг/кг), радионуклидов (урана, тория). Поэтому при несоблюдении гигиенических норм их применения они загрязняют почву, растения, воду подземных и поверхностных водоемов. Так, с фосфатными удобрениями в почву поступает фтор в количестве 8-20 кг/га; 0,1-0,4% его мигрирует в растения, 25% вымывается в открытые водоемы, а остальное количество накапливается в почве и мигрирует в подземные воды, иногда способствуя увеличению уровня фтора в грунтовых водах до 20 мг/л. Установлено, что при внесении в почву суперфосфата уровень кадмия в картофеле увеличивается в 4 раза по сравнению с контролем.

Калий, входящий в  состав калийных удобрений, мигрирует  из почвы в контактирующие среды  чрезвычайно медленно, не оказывая негативного воздействия на почвенный  биоценоз и способность почвы  к самоочищению. Вместе с калийными  удобрениями в почву поступают хлорида анионы. Если вносят 45-50 кг/га калийных удобрений (в перерасчете на К20), то вместе с ними поступает 30-35 кг/га хлорида аниона, что приводит к искусственному засолению почв. Накопление значительных количеств калия в почве может вызвать нарушение соотношения между калием и натрием в питьевой воде, пищевых продуктах и отрицательно повлиять на здоровье человека - вызвать нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы.

Минеральные микроудобрения вносят в почву в относительно небольших количествах (в 10-100 раз меньше, чем макроудобрений) для повышения ее плодородия. В их состав входят разнообразные микроэлементы. Самыми распространенными являются борные (0,5-1 кг/га), молибденовые, медные (10-15 кг/га), марганцевые (3-5 кг/га), цинковые (3-5 кг/га), кобальтовые (0,1-0,2 кг/га) и полимикроудобрения (ПМУ-7, ПМУ-8 и др.) При превышении норм расхода микроудобрений микроэлементы могут накапливаться в почве и растениях в избыточных количествах, оказывая отрицательное влияние на здоровье населения. В состав микроудобрений входит довольно много свинца (от 0,3 до 1%), иногда - кадмия и мышьяка. Таким образом, при нерацио- нальном использовании микроудобрений существует реальная угроза загрязнения почвы тяжелыми металлами