Мониторинг гидросферы. Основные виды загрязнений гидросферы. Загрязнение подземных вод. Мониторинг

подземных вод.

Мониторинг водных ресурсов проводится в рамках государственноговодного кадастра. Учёт водных ресурсов (кроме подземных) и наблюдение зарежимом велись на сети гидрометеорологических обсерваторий, станций ипостов Росгидромета по единой в стране системе. Роскомвод обеспечивает напредприятиях, в организациях и учреждениях контроль правильности учётаколичества вод, забранных из водоисточников, сброса в них использованных вод,осуществляя учёт использования вод.

При мониторинге гидрогеологические исследования направлены наизучение гидрогеохимических и гидродинамических параметров и процессов,определяющих состояние и динамику поверхностной и подземной гидросферыи непосредственно воздействующих на природную среду.

Согласно постановления Правительства от 23.11.96. №1404 ,,Обутверждении положения о водо-охранных зонах водных объектов и о их прибрежныхзащитных полосах, устанавливаются водо-охранные зоны для:Рек длиной до 10 км – водо-охранная зона 50 м; длиной от 10 до 50 км – водо-охранная зона 100 м; длиной от 50 до 100 км - водо-охранная зона 200 м; длиной от 100 до 200 км - водо-охранная зона 300 м; длиной от 200 до 500 км - водо-охранная зона 400 м; длиной более 500 км - водо-охранная зона 500 м. Озер, площадью 2 кв. км - водо-охранная зона 300 м; площадью более 2 кв. км - водо-охранная зона 500 м.

Задачи при мониторинге: • Наблюдение и контроль за уровнем загрязнения водоемов по физико-химическими гидробиологическим показаниям;• Изучение динамики загрязняющих веществ с целью составления прогнозов; • Выявление закономерностей процессов самоочищения и накопления загрязняющихвеществ в донных отложениях;• Изучение закономерностей выноса загрязнений через устье рек с цельюопределения их баланса в водоемах.

Пункты мониторинга организуют в первую очередь на водоемах иводотоках, имеющих народнохозяйственное значение, а также подверженныхзначительному загрязнению промышленными, хозяйственно-бытовыми исельскохозяйственными сточными водами (Методические …, 1985). Наблюденияведутся через стационарные и временно-экспедиционные посты.

Располагаются пункты контроля с учетом размещения потенциальныхисточников загрязнения, выявляемых экспедиционными наблюдениями. Последниепредставляют собой, как правило, разовые исследования состояния рек, цельюкоторых является визуальный осмотр состояния водотоков, уточнение мест ирежима сброса сточных вод, их количество и состав, определение створаполного смешения речных и сточных вод, выявление характерных для данногопункта загрязняющих веществ путем анализа единичной пробы воды.

В зависимости от размера водотока и численности населения города,пункты контроля подразделяют на четыре категории, различающиесяпериодичностью контроля качества воды и его программой (табл. 4.4.1).

Примечание: 1) Обязательная программа: расход воды, скорость течения,визуальные наблюдения, цветность, температура, прозрачность, запах,растворенный в воде кислород и углекислый газ, мутность, рН, Eh, хлориды,сульфаты, гидрокарбонаты,, фосфаты, общее железо, кремний, нефтепродукты,СПАВ, фенолы, металлы (определяются в зависимости от профиля предприятия);2) Сокращённая программа 1: расход, визуальные наблюдения, температура,растворенный в воде кислород, удельная электропроводность; 3) Сокращённаяпрограмма 2: расход воды, визуальные наблюдения, температура, рН, удельнаяэлектропроводность, мутность, ХПК, БПК 5 , концентрация 2-3-х загрязняющихвеществ, основных в данном пункте; 4) Сокращённая программа 3: расход воды,скорость течения, визуальные наблюдения, температура, рН, мутность,

Мониторинг подземных водПробы воды из наблюдательных несамоизливающихся скважин

выполняют с помощью погружных насосов или методом желонирования. Впоследнем случае достоверность информации ограничивается результатамиопределения компонентов, не изменяющих свойств при контакте с атмосферой.Воды колодцев могут быть отнесены к подземным лишь условно, так как они в тойили иной мере аэрированы, взаимодействуют со стенками колодца, частосодержат несвойственные подземным водам соединения из-за присутствияпосторонних предметов, хлорирования.

При проведении гидрогеологических исследований особое внимание следует обратить на изучение защитных свойств пород зоны аэрации путем определения их сорбционных параметров. Косвенным показателем условий миграции загрязняющих веществ через зону аэрации может являться распределение их концентрации в вертикальном разрезе. Натурное изучение сорбционных параметров производится на специальных типовых участках с характерным геолого-литологическим разрезом в зоне максимального воздействия проектируемого предприятия.

Опытно-миграционные работы позволяют получить количественныепараметры миграции загрязнителя в водоносных пластах, что дает возможностьпроводить соответствующие расчеты, делать прогнозы, моделировать процессызагрязнения подземных вод. Суть рассматриваемого метода заключается взапуске в водоносные горизонты химически инертных веществ или тепловыхтрассеров-индикаторов через приемные скважины и слежение за ихперемещением в водоносном пласте (Кирюхин и др., 1993).

Одним из основных факторов, учитывающихся при проектировании,строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, являетсягидрогеологическая обстановка. Она во многом предопределяет выбор местастроительства, его технологию и прогноз экологических последствий хозяйственногоиспользования созданного объекта. Особенно очевидно значение подземных водпри всех видах гидротехнического строительства, подземном строительстве иотработке полезных ископаемых, а также строительстве и эксплуатации атомныхэлектростанций и других высокотоксичных предприятий.

Распределение и движение подвижной компоненты геологической среды,которой являются подземные воды, определяется положением современных идревних базисов эрозии, пространственным соотношением непроницаемых ипроницаемых горизонтов и зон, структурными особенностями территории,литолого-петрографическим составом пород и многими другими факторами.Возможности изучения этих общих вопросов геофизическими методами быличастично освещены в предыдущих разделах книги.

При непосредственных инженерно-гидрогеологических исследованияхвыделяют четыре основных группы задач: 1) определение водопроницаемостимассивов скальных и рыхлых горных пород; 2) характеристика условий залегания идвижения подземных вод в зоне аэрации и полного водонасыщения; 3) изучениеминерализации и температуры подземных вод во всем диапазоне глубин от земнойповерхности до предельно больших глубин, представляющих интерес для данноговида строительства; 4) прогнозирование краткосрочного и долгосрочного режимаподземных вод, связанного с влиянием техногенных факторов. При использованиигеофизических методов эти задачи могут решаться как порознь, так и комплексно втом или ином их сочетании.

Формальная аналогия между геофильтрационным полем в пористой средеи полем постоянного электрического тока дает основание для далеко идущихвыводов о возможности существования устойчивых связей между параметрами,определяющими проницаемость гранулярных пород, и их электропроводностью.Фактически, однако, эта связь оказывается весьма сложной. Имеют значенияразмер и форма зерен, слагающих породу, общая пористость, конфигурацияпорового пространства, минерализация воды, температура, состав цемента имногие другие факторы. Положение до некоторой степени упрощается благодарятому, что в конкретной природной обстановке при изучении ограниченногообъема геологической среды далеко не все перечисленные факторыиспытывают резкие изменения. Относительно стабильны во многих случаяхстепень литификации пород, температура и некоторые другие факторы. Вопределенных условиях они могут подавлять друг друга, в других - усиливать.

Эксперименты, выполненные в далеко отстоящих друг от другарайонах и в условиях развития различных по составу рыхлых пород,свидетельствуют о том, что для маломинерализованных вод нередко можнонаблюдать сравнительно стабильную корреляционную связь УЭС и коэффициентафильтрации.

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Помимо УЭС и относительного сопротивления, для определенияпроницаемости довольно широко используют поляризуемость и некоторыепроизводные ее параметры. При этом применяют в основном методвозбуждения поля ВП длительными однополярными (иногда разнополярными спаузой) импульсами поляризующего тока.

Поскольку явление вызванной поляризации обусловлено развитиемспецифических поверхностных процессов, возникающих на границе разделатвердой и жидкой фаз, величина η (и других, связанных с ней показателей)оказывается информативной в отношении целого ряда воднофизическихсвойств горных пород и, в частности, их проницаемости.

Еще в начале 50-х годов Г. Тиле пришел к заключению, что наиболееобоснованные выводы о проницаемости толщ горных пород могут бытьсделаны на основании анализа поперечного сопротивления и продольнойпроводимости. При этом он исходил из того, что для песчано-глинистых породпоперечное сопротивление (Tэ=h*ρ) и проницаемость закономерно и в равнойстепени возрастают с увеличением мощности и уменьшениемэлектропроводимости глинистой составляющей водоносного горизонта. Чтокасается слабопроницаемых толщ, то их водоупорные свойства находятнепосредственное отражение в величине продольной проводимости Sэ=h/p. Дляскальных пород, в которых водопроницаемость определяется трещиноватостью исоответственно пониженными значениями УЭС, роль Tэ и Sэ будет обратной. Этипринципы были положены в основу многочисленных экспериментальных ипроизводственных исследований, проведенных в различных гидрогеологическихпровинциях как на территории Советского Союза, так и за его пределами.

В последнее время делаются попытки составления болеедифференцированных зависимостей между геофильтрационными игеоэлектрическими параметрами. Устанавливаются аналогии между поперечнойводопроводимостью, вертикальным гидравлическим сопротивлением,коэффициентом горизонтальной водопроводимости, средним поперечнымкоэффициентом фильтрации (для слоистой среды), гидравлической анизотропией инекоторыми другими величинами, используемыми при геофильтрационныхрасчетах и различными соотношениями Тэ, Sэ, h и р.

Для оценки водопроводимости геологической среды помимоэлектромагнитных могут быть использованы ядерно-физические,сейсмоакустические и некоторые другие геофизические параметры. Связьпроницаемости песчано-глинистых и карбонатных пород с их естественнойрадиоактивностью определяется тем, что обе эти величины зависят от глинистости(для kф - обратная зависимость, для Iγ - прямая). Это определяет возможность внекоторых благоприятных случаях не только судить по диаграммам γ-каротажаоб относительном изменении проницаемости пород вдоль разреза скважины, но иполучать сравнительно надежные количественные критерии.

Что касается возможности использования сейсмоакустическихпараметров для оценки проницаемости, то она основывается на опыте изученияскальных пород, для которых эти параметры связаны с трещинной пустотностью.

Применение всех рассмотренных приемов изучения проницаемостирыхлых и скальных пород дает положительный эффект только в том случае, еслиисследования ведутся с использованием густой сети наблюдений, позволяющей навсех этапах подготовки и обработки материалов использовать современный аппаратстатистического анализа. При этом они должны опираться на данные, получаемыепо параметрическим кустам скважин, в которых одновременно с ихгидродинамическим опробованием выполняются специальные скважинныегеофизические наблюдения (см. ниже). В подобных условиях можно рассчитыватьполучить количественные параметры, характеризующие проницаемость пород,совпадающую с точностью до первых десятков процентов с данными детальныхгидрогеологических исследований.

ИЗУЧЕНИЕ ЗОНЫ АЭРАЦИИ

Зона аэрации - это область геологической среды от поверхности земли доглубин, превышающих в отдельных случаях 200 м (чаще всего до первых десятковметров). На нее непосредственно воздействуют солнечная радиация и процессы,происходящие в атмосфере. В ее пределах поры и трещины естественных иискусственных грунтов частично или полностью заполнены воздухом, чтоопределяет ее трехкомпонентный состав (минеральный скелет, вода, воздух). Взоне аэрации располагаются многие инженерные сооружения, которыенаходятся в условиях, резко меняющихся в пространстве и времени полейвлажности и температуры. Она воспринимает на себя основную антропогеннуюнагрузку и является фильтром для загрязненных поверхностных вод, поступающих вболее глубокие горизонты.

При формировании ФГМ зоны аэрации необходимо принимать вовнимание ее мощность, тип горных пород, интенсивность как положительного, таки отрицательного потока влажности, коэффициент влагопроводности, полекапиллярно-пленочного потенциала, степень минерализации воды и грунтов и ряддругих факторов. В принципе в них должны найти отражение характерные длязоны аэрации периодические и эпизодические изменения ряда показателей. Этимодели, таким образом, должны быть по своей сущности динамическими.Подобные сложные комплексные ФГМ до настоящего времени не разработаны.На рис. 71 приведены наиболее простые схематические модели, отвечающиенекоторым типам идеализированных однородных разрезов, при малойминерализации подземных вод и грунтов.

Модель 1 относится к гравийно-галечниковым-песчанистым породам. Взависимости от дефицита влажности и гранулометрического состава пород присущиеей электрические сопротивления могут меняться на два и более порядка (отсотен до десятков тысяч Ом-м). Поляризуемость низкая и не превышает обычно1%. Скорость продольных сейсмических волн лежит в пределах 200—500 м/с.Капиллярная кайма развита слабо и оказывает малое влияние на геофизическиепараметры. Переход в зону полного водонасыщения приводит к резкомупонижению сопротивления, заметному возрастанию поляризуемости и четковыраженному повышению скорости распространения продольных волн.Повышения скоростей поперечных волн не наблюдается.

Модель 2 описывает зону аэрации в глинистых и суглинистыхотложениях. В верхних частях разреза, в зависимости от его литологическогосостава и дефицита влажности сопротивление может быть в 2-3 раза болеевысоким, чем в случае максимальной влажности. Влияние хорошо развитойкапиллярной каймы проявляется в постепенном (градиентном) понижениисопротивлений по мере продвижения в нижележащую область грунтовых вод. Взоне капиллярной каймы поляризуемость достигает своего максимума, после чегонесколько снижается, оставаясь тем не менее в зоне полного водонасыщенияотносительно высокой. В соответствии с дефицитом влажности в верхней частиразреза и в пределах капиллярной каймы, а также под влиянием гранулярного иминералогического состава глин и суглинков, скорости продольных волниспытывают заметные колебания. Однако в большинстве случаев сложностьсейсмогеологического разреза не подавляет отчетливого повышения скоростей припереходе в область полного водонасыщения. Скоростной разрез по поперечнымволнам маловыразителен.

Модель 3 отражает особенности массивов скальных монолитных пород. Награнице зон аэрации и полного водонасыщения отмечается лишь незначительноепонижение сопротивления и столь же малозаметное повышение скоростейпродольных волн.

Модель 4 характерна для массивов трещиноватых скальных пород.Электрические сопротивления имеют тем более высокое значение, чем большую рольиграют зияющие трещины и пустоты, заполненные песком и другимкрупнодисперсным материалом. В подобных условиях отмечается значительнаяконтрастность (понижение сопротивления) при переходе в область полноговодонасыщения. Наличие глинистого заполнителя приводит к выравниванию этойконтрастности и возникновению зоны капиллярной каймы. Вне зависимости отхарактера заполнителя электропроводность вдоль господствующего простираниятрещин выше, чем в других направлениях (электрическая анизотропия).Поляризуемость возрастает по мере повышения содержания в трещинахмелкодисперсного материала и может достигать 2 - 3 %. Волновая картина в зонеаэрации для трещиноватых пород настолько сложна и неоднозначна, что практическине позволяет сколько-нибудь обоснованно анализировать особенности скоростногоразреза.

Во всех рассмотренных моделях не отражена роль почвенного слоя изоны выветривания, вносящих нередко значительные изменения в поведениеэлектрофизических и сейсмоакустических параметров и тем самым нарушающиххарактер геофизических разрезов.

Основной инженерно-геологической задачей при изучении зоны аэрацииявляется оценка ее мощности. Возможность ее решения зависит отконтрастности физических свойств на поверхности раздела зоны аэрации и полноговодонасыщения, т. е. на границе между трехфазной и двухфазной средами. Дляпород с гранулярной и трещинной пустотностью наличие такой контрастностидоказано теоретическими расчетами и подтверждено лабораторными иполевыми наблюдениями. Общее представление об относительной ролиразличных геофизических методов при определении мощности зоны аэрации даетсяв табл. 11.

Физические предпосылки и практика инженерно-геофизических работпозволяют утверждать, что определение глубины залегания грунтовых вод вусловиях песчано-глинистого разреза с наибольшей надежностью осуществляетсясейсмическим методом преломленных волн.

С приближением уровня грунтовых вод к земной поверхностизатухание образующейся на этой поверхности волны возрастает. В той же степенионо определяется и мощностью водоносного слоя: чем меньше его мощность, тембыстрее затухает в нем сейсмическая волна. В частности, встречаемые в зонеаэрации линзы верховодки порождают наиболее высокочастотные быстрозатухающие волны. Отсюда возможность отфильтровывать их от преломленных волн,возникающих на поверхности грунтовых вод.

Многие из высказанных положений справедливы и при использованииэлектрометрии. Эффективность применения обоих методов зависит в первую очередьот контрастности свойств на границе неполного и полного насыщения подземнымиводами пустот в горных породах. В случае однородных песчано-гравилистыхгрунтов УГВ на кривых электрических зондирований отмечается понижением ρ ки возрастанием η к.

Считается, что надежные результаты можно получить в случае, еслиэлектрическое сопротивление и поляризуемость пород зоны аэрации отличаются оттех же параметров пород водонасыщенной толщи не менее, чем в 3 раза. При этомнужно учитывать степень засоления подземных вод и грунтов.

По надежности получаемых результатов электрометрия во всех случаяхоценки мощности зоны аэрации в разрезах, сложенных рыхлыми породами, какправило, уступает сейсмометрии. Напротив, при решении рассматриваемой задачидля трещиноватых пород возможность электрометрии и в первую очередьэлектрических зондирований ρ к значительно превосходит возможностисейсмометрии.

Изучение литологического состава, влажности и засоленности зоны аэрации

Параллельно с работами по определению мощности зоны аэрацииосуществляется ее расчленение по литологическим признакам и дается оценкавлажности выделяемых комплексов. Эти исследования проводят в основномметодами электрометрии. Лишь в редких, наиболее благоприятных случаях,возможно использование сейсмометрии, основанной главным образом насовместном анализе данных, получаемых по продольным и поперечным волнам.

За последнее время было предложено несколько геофизических методов,в известной степени свободных от упомянутых недостатков. Они позволяютопределять влажность достаточно больших объемов пород, что уменьшаетвероятность получения случайных результатов. При режимных наблюденияхобследуется всегда один и тот же объем пород при минимальном нарушенииструктуры среды.

К геофизическим методам принято относить: 1) емкостной метод(анализ диэлектрической проницаемости грунтов); 2) метод, основанный наопределении УЭС грунтов; 3) метод, в котором определяется электрическоесопротивление введенного в грунт стекловолокна, керамики или гипса; 4)термический метод, основанный на изучении теплопроводности, теплоемкости итемпературопроводности; 5) ядерно-физические методы, в основе которых лежитизучение поглощения гамма-квантов или нейтронов. В инженерной геофизикеиспользуются главным образом емкостной и ядерный методы.

Емкостной метод изучения влажности и пористости основан на ярковыраженной зависимости диэлектрической проницаемости горной породы отколичества находящейся в ней воды (см. гл. 3). Ее определяют по емкостиконденсатора, между пластинами которого находится изучаемая порода.Емкостной метод чаще всего используют для определения изменения влажности стечением времени.

Ядерные методы. Из ядерных методов наибольшее распространениеполучил гамма-метод. Он основан на просвечивании объема пород γ-лучами.Исследования могут вестись в лабораторных и полевых условиях.

Описанный метод, основанный на поглощении γ-излучения, позволяетпроводить наблюдения, не нарушая естественного состояния пород. При этомрезультаты практически не зависят от структуры и текстуры, а также химическогосостава грунтов.

Недостатком является то, что ослабление интенсивности γ-излучениязависит одновременно от плотности и влажности породы. В связи с этим возникаетнеобходимость определения одной из них независимым способом. Ведетсяразработка приемов определения одновременно обеих изучаемых величин врезультате использования двух источников γ-излучения, обладающих различнойэнергией. Влажность может быть также определена путем наблюдений запоглощением потока нейтронов.

Ядерно-физические методы, так же как и емкостные, дают наиболеенадежные результаты при стационарных режимных наблюдениях за изменениемвлажности пород в зоне аэрации.

Движение воды в горных породах приводит к возникновениюэлектрического поля фильтрации. Природа этого поля связана с образованиемдвойного электрического слоя на границе минерального скелета и поровой влаги. Всвязи с тем, что двойной слой имеет диффузионный характер, часть его в жидкойфазе перемещается при движении поровой влаги. Обычно в природных условияхнеподвижно связанная с твердой фазой часть двойного слоя имеетотрицательный заряд, а подвижная - положительный. Таким образом, внаправлении движения жидкости происходит вынос положительных зарядов.Потенциал фильтрации, возникающий на концах единичного капилляра,определяется уравнениемГельмгольца.

В области формирования грунтовых вод отрицательными аномалиями потенциалов выделяются участки повышенной инфильтрации, связанной с выпадениематмосферных осадков, таянием снега и льда и другими причинами (рис. 73). Припоступлении талых вод в карстовые полости отрицательные аномалии могутдостигать десятков милливольт. Движение подземных вод снизу вверх, т. е. ихразгрузка приводит к возникновению электрических потенциалов,характеризующихся максимумом, спадающим более или менее равномерно повсем направлениям. По таким максимумам было найдено местоположениемногих скрытых источников, выходящих в долинах рек под аллювиальными иделювиальными отложениями.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В практике гидрогеологических исследований для определения

действительной скорости подземных вод традиционно используются различногорода индикаторы-трассеры (красители, электролиты, безопасные радиоактивныепрепараты). В процессе эксперимента в точке, расположенной на более высокихотметках гидроизогипс, в поток вводят тот или иной трассер и определяютвремя его прихода в гипсометрически нижележащие точки. Он можетзапускаться либо в места интенсивного поглощения подземных вод (например,в карстовые воронки, каналы или пещеры), либо в буровые скважины,вскрывшие изучаемый водный поток. Появление индикаторов отмечается висточниках или по системе наблюдательных скважин.

Во многих случаях более технологичным представляется приемисследований, основанный на изучении искажений в искусственномэлектрическом поле, создаваемом движением электролита в водном потоке.Этот прием используется для определения направлений и скорости движенияподземных вод по одиночным буровым скважинам (так называемый методзаряженного тела - МЗТ). Введенный в скважину электролит постепеннопроникает в окружающие горные породы. Проникновение будет, естественно,наибольшим в направлении движения подземных вод.

Таким образом, на некоторой глубине от поверхности земли создаетсяувеличивающееся с течением времени тело высокой электропроводности.

На поверхности земли по наблюдательным лучам находят положениеэквипотенциальной линии, соответствующей начальной форме зоны электролита(«заряженного тела»). При малых скоростях потока эта форма близка к круговой.Если через некоторое время вновь определить положение эквипотенциальныхлиний, то оно окажется смещенным по отношению к начальному. Это смещениебудет наибольшим в направлении перемещения тела высокойэлектропроводности, иначе говоря, в направлении движения подземных вод. Дляполучения более надежных данных последовательно снимают несколькоэквипотенциальных линий.

По направлению среднемаксимального смещения всехэквипотенциальных линий находят наиболее вероятное направление движенияподземных вод. Для определения скорости потока строят график, по оси ординаткоторого откладывают значения максимального смещения ∆l, а по оси абсцисс -промежуток времени между съемками эквипотенциальных линий.