Исследование состояния подземных вод на территории поселка Тогузак Костанайской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В последние десятилетия дефицит водных ресурсов все более остро ощущается многими государствами мира. Недостаток воды становится одной из причин неустойчивости экономического развития в некоторых регионах, порождает спор, конфликтные ситуации между отдельными странами и зонами, что негативно влияет на состояние региональной и глобальной безопасности [1].

Пресные подземные воды являются полезным ископаемым и очень часто единственным источником питьевого водоснабжения. Поэтому их роль в водоснабжении возрастает с каждым годом. Это обусловлено высоким качеством пресных подземных вод и лучшей защищенностью их от загрязнения по сравнению с поверхностными водами суши. Активное использование подземных вод приводит к истощению их запасов, с одной стороны, и их загрязнению с другой [2, 3, 4].

В результате хозяйственной деятельности человека на поверхность земли попадают и скапливаются там огромные количества различных веществ, большей частью антропогенного происхождения. К ним относятся, прежде всего отходы (промышленные, коммунальные, транспортные, сельскохозяйственные), которые образуют основную долю нагрузки природной среды загрязняющими веществами, а также используемые в сельском хозяйстве и промышленности удобрения и ядохимикаты, складируемые на поверхности земли и под землёй, нефтепродукты, химические реагенты и другие. Загрязняющие вещества, инфильтруясь вместе со сточными водами, атмосферными осадками и частью поверхностного стока, проникают в подземные воды и изменяют их качество - химический и органолептический состав, физические свойства. Всё это является основной причиной загрязнения подземных вод

Для республики Казахстан, как и для многих стран, проблема отходов производства и потребления является одной из актуальных проблем. Острота этой проблемы в республике обусловлена, в первую очередь, значительной концентрацией промышленного производства. В республике размещены крупные предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности, машиностроения, предприятия энергетики, автотранспорта и ряда других. На долю предприятий нефтеперерабатывающей отрасли приходится примерно 35-40% от общего образования отработанных нефтепродуктов по республике, доля предприятий топливно-энергетического комплекса составляет 25%, не менее значительны объёмы образования отработанных масел и на предприятиях машиностроительного комплекса, автотранспорта [5].

В Казахстане нелегально сбрасывается на почву и в водоёмы от 26 до 77% всех отработанных масел; 40-48% собирается, но из всех собранных отработанных масел только 14-15% идёт на регенерацию, а остальные 26-33% используются как топливо или сжигаются.

Отработанные нефтепродукты являются опасными загрязнителями практически всех компонентов природной среды - поверхностных и подземных вод, почвенно - растительного покрова, атмосферного воздуха. При оценке такого загрязнения не всегда удаётся определить возможность возврата экологической системы к устойчивому состоянию или необратимой деградации [6].

Подземные воды являются более защищёнными от загрязнения, нежели поверхностные воды. Но загрязняющие вещества инфильтруясь, проникают в водоносные слои. Как правило, в первую очередь загрязнение охватывает пресные грунтовые воды, которые находятся ближе к поверхности земли. Поэтому загрязнение подземных вод опасно для сельской местности, где население для водоснабжения использует скважины или колодцы.

В связи с этим цель работы: изучение загрязнения подземных вод нефтепродуктами на территории посёлка Тогузак Костанайской области.

Задачи:

1. Охарактеризовать природно-климатические условия района работ

2. Исследовать источники загрязнения подземных вод, особенности нефтяного загрязнения.

3. Определить области загрязнения, мощности линзы нефтепродуктов,

1. Мировой водный баланс

Гидросфера - это совокупность всех водных объектов Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры: материковые (глубинные, почвенные, поверхностные), океанические, атмосферные. Вода на земле присутствует в трех агрегатных состояниях, однако наибольший объем приходится на жидкую фазу, которая оказывает большое влияние процессы, происходящие на земле. Как особая оболочка Земли она включает воды: материковые океанические, вода в атмосфе и биологическая вода.

Несколько миллиардов лет назад Земля была лишена свободной воды. Около 4 млрд. лет назад - объем гидросферы составлял лишь 20 млн. км³, т.е. был в 7000 раз меньше современного. Процесс формирования гидросферы был длительным. Происходил он за счет процесса кристаллизации гранитной магмы, изверженной при вулканической деятельности в докембрийский период. В.И. Вернадский определил, что в настоящее время на каждые 20 км² поверхности магмы приходится приблизительно 1,3 млрд. км³ воды, что примерно совпадает с объемом мирового океана. И в настоящее время этот процесс продолжается. Весь объем воды мантии, служащий источником формирования воды на Земле, оценивается в 20 млрд. км³ (в 15 раз больше общего объема гидросферы. По некоторым данным ежегодный прирост объема гидросферы за счет дегазации мантии составляет около 1км³.

Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага), и живым веществом биосферы. Распределение воды в биосфере приведено в таблице 1.

вода подземный баланс загрязнение

Таблица 1. Распределение водных масс в гидросфере Земли

Части гидросферы	Объем (тыс. км3)	% от общего объема
Мировой океан	1370323	94,2
Подземные воды, всего,	60000	4,12
В т. ч. зоны активного Водообмена	4000	0,27
Ледники	24000	1,65
Озера	230	0,016
Почвенная влага	75	0,005
Пары атмосферы	14	0,001
Речные воды	1,2	0,0001
Вся гидросфера	1454643,2	100

Подавляющая часть природных вод (94,2%) это воды мирового океана, представляющего собой уникальную природную систему. В нем происходят грандиозные процессы обмена, трансформации энергии и вещества планеты.

Различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана - древнейшую область биосферы Земли. В процессе образования океана происходили глобальные изменения природной среды под воздействием различных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что весьма значимо, под влиянием биологических процессов. Живые организмы, поглощая солнечную энергию, способствуют накоплению свободной энергии и передачи ее по трофическим уровням в экосистемах, изменению геохимических циклов, осадкообразованию и формированию различного рода илов.

Подземные воды связаны с поверхностными: образуются они в результате процессов фильтрации поверхностных вод в глубинные слои Земли. Кроме того, подземные воды питают реки, озера и моря. Следовательно, они являются неотъемлемой частью океана и поверхностных вод суши. В той же мере это относится к атмосферной воде - парообразной влаге.

Гидросфера отличается высокой динамичностью, движущей силой которой служит круговорот воды. Гидросфера Земли находится в тесной взаимосвязи с другими сферами - литосферой и атмосферой. Связь гидросферы с земной корой осуществляется посредством подземных вод. Атмосферная влага в виде пара связывает гидросферу с атмосферой.

Гораздо сложнее взаимодействие гидросферы с живыми компонентами биосферы. Основную массу организмов составляет вода, живые организмы состоят не менее чем на 75% из воды. Но общая масса воды как части органического мира незначительна относительно объема гидросферы.

Можно сказать, что наша планета является планетой воды, а не земли, так как более 75% ее занимают водные поверхности океанов, льдов, озер и болот, а над планетой плывут облака в виде скоплений парообразной воды. Весь объем гидросферы, по современным подсчетам, несколько превышает 1,4 млрд. км ³. При этом объем воды лишь Мирового океана превышает 1,37 млрд. км³ (94% общего объема). Мировой океан - это непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и обладающая общностью солевого состава.

Современные сведения об объеме воды озер и водохранилищ не всегда достоверны. Это связано с отсутствием систематизированных данных о глубинах и площади больших озер, с трудностями учета объема воды в малых озерах. Считается, что объем воды во всех озерах мира составляет не менее 275000 км³.

Водохранилища наполняются водой речного стока, который не достигает океана. Отсюда следует, что рост объема озерной части гидросферы происходит за счет океана, теряющего соответствующий объем (5 000 км ³).

Объем почвенной влаги оценивается в 83 тыс. км³. Почвенная влага находится в непосредственном обмене с атмосферой и легко подвержена испарению, за счет транспирации. При этом часть почвенной влаги расходуется на питание подземных вод, объем которых определяется наиболее сложно (600 000 км³, 4% общего объема). Значительная масса вод земной коры химически связана с минералами, т.е. входит в их состав. Объем химически связанной воды верхней части земной коры составляет 60 млн. км³.

В пределах распространения вечной мерзлоты, до глубины 500 м, а иногда и глубже, подземные воды находятся в твердом состоянии в виде льда. В среднем на подземные воды суши приходится 35% всех ресурсов пресной воды.

Большое хозяйственное значение имеют минеральные подземные воды. Это воды, которым присущи необычные свойства (например, повышенная температура) или определенная концентрация минеральных веществ, растворенных газов и органических соединений. По своему назначению они делятся на: лечебные, которые применяются в лечебных целях (для питья или водных процедур); промышленные, которые представляют собой сырье для добычи полезных компонентов (поваренной соли, брома, иода, бора и др.); термоэнергетические, которые служат для получения подземного тепла.

Когда впервые был определен объем всех русловых речных вод Земли - около 1200 км³, или менее одной десятитысячной процента всего объема гидросферы, удивительным казалось то, что столь малый объем служит началом формирования почти всех источников пресных вод, доступных для использования. Однако это явление вполне закономерно в связи с тем, что водообмен в речных руслах обладает исключительно высокой активностью.

Крупной частью гидросферы являются полярные ледники - 1,6% общего объема гидросферы.

Недостаточно полно оценена еще одна часть гидросферы - водные пары атмосферы. Ее объем был вычислен М.И. Львовичем на основании данных о влажности воздуха в пределах тропосферы, выше которой влага фактически отсутствует. Объем, пара в пересчете на воду составил 14 000 км³ (0,001%). Объем этой части гидросферы мал, но ее значение чрезвычайно велико, так как она дает начало всем пресным водам на Земле (таблица 2) [8].

Таблица 2. Мировой водный баланс

Элемент баланса	Поступления	Расход
	объем (км3)	слой (мм)	объем (км3)	слой (мм)
Суша (поверхность 148 628 000 км2)
Осадки	108 400	720
Речной сток			37 300	250
Испарение			71 100	470
Океан (поверхность 361 455 000 км2)
Осадки	411 600	1 140
Речной сток	37 300	100
Испарение			448 900	1 240
Сумма для всего земного шара	557 300		557 300

Мировой водный баланс достаточно постоянен, но балансы континентальных и океанических вод, если их брать в отдельности, непостоянны вследствие ежегодных вариаций режима осадков.

В геологическом масштабе времени легко обнаружить частые нарушения равновесия в балансе океанических и континентальных вод. Именно этим можно объяснить значительные изменения уровня океанов, изменения с которыми в большинстве случаев связаны изменения климата на планете.

В настоящее время распределение влаги в системе континент - океан является результатом не совпадающих во времени динамических процессов (климатических, тектонических и т.д.). Современный период времени характеризуется переходом из влажной континентальной фазы в сухую. Это означает, что континенты отдают часть своей воды океанам. Наблюдения последних восьмидесяти лет подтверждают ежегодное повышение уровня океанов на 1,2 мм, что соответствует уменьшению запасов вод суши на 430 км³ в год.

Ежегодный объем воды, который человечество может использовать на свои нужды, составляет 37,3 тыс. км³, если учитывать количество воды, впадающей в моря только по гидрографической сети. Кроме того, могут быть использована часть подземных вод равная 13 тыс. км³.

1.1 Источники пресной воды

Из общего количества воды на Земле столь нужная для человечества пресная вода составляет немногим более 2% от общего объема гидросферы или 37526,3 тыс. км³ (таблица 3).

Таблица 3. Мировые запасы пресной воды

Источники пресной воды	Объем, тыс. км3
Пресная вода в озерах и других внутриконтинентальных водоемах	125
Пресная вода в ручьях, реках и т.д. (в среднем)	1,25
Грунтовые воды (до глубины 0,8 км от поверхности)	4200
Грунтовые воды (на глубине от 0,8 до 4 км)	4200
Пресная вода в ледниках и полярных ледяных шапках	29000

Нужно учесть, что основная часть пресных вод (около 70%) заморожена в полярных льдах, вечной мерзлоте, на горных вершинах. Воды в реках и озерах составляют лишь 3%, или 0,016% от общего объема гидросферы. Таким образом, воды, пригодные для использования человеком, составляют ничтожную часть общих запасов воды на Земле. Проблема усложняется еще и тем, что распределение пресной воды по земному шару крайне неравномерно. В Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% речных стоков.

Россия по ресурсам поверхностных вод занимает ведущее место в мире. Только в озере Байкал сосредоточено 20% мировых запасов пресной воды. При общем объеме 23 тыс. км³ в озере ежегодно воспроизводится около 60 км³ редкой по чистоте воды.

На Земле становится все больше мест, где пресной воды катастрофически не хватает. Для получения дополнительного количества воды, бурят глубокие скважины, строятся водоводы, акведуки и новые водохранилища.

Пресную воду мы получаем либо из подземных водоносных горизонтов, либо из поверхностных водоемов, т.е. из природных озер и рек или из водохранилищ, созданных руками человека. В США за тридцатилетний период, с 1950 по 1980 г., использование подземных и поверхностных вод увеличилось на 150% с 810 млрд. л до 1625 млрд. л в сутки. При этом на долю поверхностных вод пришлось около 80%, а подземных вод около 20%. Такой прирост потребления воды определяется главным образом возросшими потребностями промышленности и расходами на ирригацию [9].

Существуют и другие способы получения воды, пригодной для питья. В некоторых промышленно развитых районах обессоливание, или опреснение, морской воды каким-либо способом, например с помощью перегонки, может сделать даже океаническую воду пригодной для питья. Там, где воды очень мало, люди собирают в цистерны дождевую воду, чтобы использовать ее для своих нужд. Однако увеличение запасов воды таким дорогостоящим способом незначительно. В общем люди всецело полагаются на пресные подземные и поверхностные воды как источники питьевой воды.

1.2 Поверхностные и грунтовые воды

Плотина, перекрывающая реку, останавливает течение воды, образуя водохранилище. Она пропускает через водосбросы лишь такое количество воды, которое обеспечивает ее течение ниже, и удерживает воду выше по течению для того, чтобы постепенно выпускать ее потом, когда напор потока снизится. Водохранилище увеличивает количество воды, доступной для человека и окружающей природы. Без водохранилища не возможно устойчивое использование речных ресурсов, а из водохранилища любой город может постоянно без перебоев забирать необходимое количество воды.

Таким образом, наземные водохранилища - выравнивает поступление пресной воды во времени; собирая большие ее массы в благоприятные сезоны, он делает воду доступной в периоды, когда наблюдается ее дефицит. В противоположность этому водоносные горизонты, являющиеся естественными подземными резервуарами, в которых вода содержится до того момента, когда она перейдет в поверхностные воды озер и рек. Водоносные горизонты могут быть огромными, простираться на сотни километров; объемы воды в таких горизонтах огромны [10, 11].

По своему качеству вода из наземных водохранилищ отличается от подземных вод. В поверхностных водах всегда содержатся различные взвеси, часть которых оседает на дно, другая же остается в воде. Кроме того, в поверхностных водах, как правило, присутствуют органические соединения, попадающие туда с городскими и сельскохозяйственными стоками. Поэтому, если поверхностные воды используются для питьевых целей, они должны проходить цикл полной очистки. Очистка поверхностных вод необходима для удаления неприятного вкуса, цвета и запаха, а также для того, чтобы сделать воду прозрачной и освободить ее от опасных химических соединений и болезнетворных организмов.

Вода, извлекаемая из водоносных горизонтов, намного чище, особенно если этот горизонт долго не эксплуатировался или не был сильно истощен. В подземных водах, кроме того, содержится большое количество растворенных минеральных солей. В грунтовых водах нет водорослей, поскольку они лишены солнечного света. Вода достигает водоносного горизонта, просачиваясь через мощные слои почвы, содержание в ней бактерий и вирусов много ниже, чем в надземных водах. Однако для подземных вод характерен запах сероводорода, возникающий в результате разложения бактериями органического вещества, которое происходит в отсутствие кислорода.

Грунтовая вода может оказаться загрязненной химическими веществами, нефтепродуктами и микроорганизмами, находящимися в значительных количествах на поверхности земли. Поскольку смена воды в водоносных горизонтах происходит крайне медленно, занимая нередко нескольких столетий, в ней могут накапливаться различные микроорганизмы и концентрироваться химические элементы. Поэтому грунтовые воды могут быть крайне ненадежным источником питьевого водоснабжения - попадание в них различных загрязнителей может сделать их непригодными для целых поколений [12].

Грунтовые воды выполняют более ограниченный набор функций, чем поверхностные. Во многих городах грунтовые воды являются единственным источником водоснабжения. В сельских районах, где стоимость строительства и расширения водораспределительной системы очень высока, люди для удовлетворения своих потребностей в воде пользуются колодцами. Грунтовые воды применяются также для орошения; это обычная практика в сельскохозяйственных районах, где мало поверхностных вод или где строительство оросительных каналов чересчур дорого. Грунтовые воды обеспечивают водой около половины населения Соединенных Штатов. Они дают также приблизительно треть всей воды, используемой в США для орошения.

Грунтовые воды выполняют еще одну довольно незаметную и до конца еще неоцененную функцию. Они подпитывают и часто не дают пересыхать летом ручьям и небольшим рекам, которые могут быть использованы в качестве источника воды.

Фактически в мировых ресурсах пресной воды ресурсы подземных вод намного превосходят ресурсы поверхностных (таблица 3). Однако представление о неограниченных их запасах обманчиво, потому что грунтовые воды накапливаются очень медленно в течение сотен и даже тысяч лет. Скорость извлечения грунтовых вод не соответствует скорости притока новых объемов воды; заполнение водоносного горизонта происходит в результате такой же медленной постоянной фильтрации, которая имела место в прошлом. Кроме того, грунтовые воды на глубине более 0,8 км часто содержат слишком много солей, чтобы использовать их в качестве воды для питья и орошения.

Использование грунтовых вод дает потребителям целый ряд преимуществ. Во-первых, поскольку грунтовая вода порой располагается вблизи пункта ее использования, можно экономить на прокладке труб, а нередко и на стоимости откачки. Во-вторых, можно обеспечить устойчивый выход воды в течение долгого времени как в сухие, так и во влажные сезоны. Это преимущество, однако, может оказаться иллюзорным, если водоносный горизонт истощен последовательными чрезмерными откачками. В-третьих, в слаборазвитых районах грунтовые воды обычно не подвержены бактериальному, вирусному или химическому загрязнению.

Существуют и исключения из этих общих характеристик качества. Грунтовая вода может оказаться загрязненной химическими веществами и микроорганизмами. Например, химические соединения из минеральных удобрений просачиваются через почву в подземный резервуар, служащий источником воды для города Тусона в Аризоне. В 1964 г. болезнетворные бактерии попали в водоносный горизонт, поставляющий часть воды для Лос-Анджелеса; из-за отсутствия надлежащего хлорирования часть населения города, пользовавшаяся этой водой, была поражена эпидемией дизентерии. Если в грунтовые воды попадут болезнетворные микроорганизмы, они могут оставаться там, в течение жизни многих поколений, поскольку смена воды в водоносных горизонтах происходит крайне медленно, занимая нередко несколько сотен лет. Другим негативным фактором, является то, что, по мере того как скважины углубляются, количество «вкусной» воды начинает уменьшаться. Вода, выкачиваемая с больших глубин, - это древняя вода, которая растворяла в себе минеральные соли из почвы, возможно, в течение тысячелетий. Мы называем такие насыщенные минеральными солями воды минерализованными. Если содержание солей высокое, то вода не будет способствовать увеличению урожаев и может даже погубить почву и растения.

Сколько же воды можно изымать из водоносного горизонта, чтобы не причинить ущерба ее запасам? Как и в случае с водохранилищами, это количество зависит от поступления воды в водоносный горизонт. Ежегодный забор воды не должен превышать ежегодное восполнение горизонта - если только потребители воды не хотят, чтобы объем воды в водоносном горизонте начал сокращаться. В некоторых районах скорость забора воды превышает скорость ее восполнения, и уровень воды в водоносных горизонтах понижается. Известно, что в пустынных областях дожди лишь изредка пополняют водоносный горизонт. В течение многих лет в результате испарения в атмосферу улетучивается большая часть воды с поверхности. Только в особо влажные годы воды оказывается достаточно для того, чтобы часть ее пополняла водоносный горизонт. Поскольку водоносные горизонты восстанавливаются очень медленно, казалось бы, разумно избегать любого длительного использования грунтовых вод, когда вода забирается со скоростью, превосходящей скорость ее естественного восполнения. Следует активно избегать орошаемого земледелия, на которое тратятся грунтовые воды намного быстрее, чем происходит их возобновление.

Несмотря на то, что новых источников воды становится все меньше, часто и сейчас можно удовлетворить растущие потребности в ней. Один из очевидных способов этого - побудить людей экономить воду. Добиться этого, в частности, можно, повысив плату за воду, поскольку тогда люди будут искать способы ее экономии. Экономить можно везде: в быту, в промышленности и в сельском хозяйстве.

Имеется и другой способ удовлетворить растущие потребности в воде без создания новых источников - это соединение и совместное использование уже существующих систем. Необходимо комплексное использование грунтовых и поверхностных вод. Поскольку запасы поверхностных вод не столь постоянны, как запасы грунтовых, т.е. доступное количество первых может меняться в разное время, грунтовые воды могут использоваться для того, чтобы «заполнять» периоды нехватки воды. Грунтовые воды компенсируют недостаток поверхностных вод, стабилизируя их запас на более высоком уровне без экстенсивного использования самих грунтовых вод.

Во многих районах часто можно создавать запасы воды, не нанося при этом значительного ущерба природе; для этого необходимо планировать управление водными ресурсами, которые координируют действия уже существующих водохранилищ. Современная инженерная наука нашла методы для того, чтобы путем объединения управлять независимыми речными системами таким образом, что выход воды из таких систем превосходил тот, который получается при их независимом использовании. Это означает, что резервуары, образующие систему, способны устойчиво давать больше воды, если спуск воды из них синхронизирован и объединен, чем, если бы каждый из них управлялся индивидуально. Создать объединенные системы главных водных источников района с целью предотвратить возможные нарушения в водоснабжении. Если бы коммуникации были объединены, то районы, имеющие избыток воды, могли бы отдавать ее часть тем районам, которым воды не хватило.

Новой технологией, опробованной пока лишь экспериментально, является нагнетание сжатого воздуха в скважины для того, чтобы «вытолкнуть» воду из ненасыщенной зоны вниз, под уровень грунтовых вод. Эта вода, удерживаемая капиллярными силами в верхней ненасыщенной зоне, обычно очень медленно просачивается вниз к водоносному горизонту.

1.3 Использование пресных вод

В зависимости от того, каким образом используют водные ресурсы, все отрасли хозяйственной деятельности подразделяют на две категории:

· Водопользователи - это отрасли, которые используют водоемы для различных целей, но безвозвратный водозабор не ведут. К ним относятся гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, местные органы, использующие воду для нужд населения, т.е. службы хозяйственно-питьевого потребления;

· Водопотребители - это отрасли, которые используют воду из водоемов, причем часть ее используется безвозвратно. Крупнейшими водопотребителями являются теплоэнергетика (особенно АЭС), сельское хозяйство, а из промышленности - химическая и металлургическая [13].

Современный город с населением 1 млн человек потребляет в сутки 300 тыс. м³ воды, из которых 75 - 80% превращаются в сточные воды. Потребности в чистой, пресной воде с каждым годом растут.

Все большее значение на промышленных предприятиях приобретает применение оборотной системы водоснабжения или повторного использования воды. В 1985 году удельный вес оборотной и последовательно используемой воды на производственные нужды составлял 237,6 км³, или; 71% от всей необходимой для производственных процессов. На предприятиях Оренбуржья введение оборотной системы водоснабжения дало возможность повторно использовать 1 млрд. 900 миллионов кубометров воды в год, в результате чего река Урал стала чище. Внедрение в Челябинске оборотного водоснабжения на промышленных предприятиях позволило резко сократить потребление речной воды с 8,8 до 5,5 тыс. м³/сутки и уменьшить сброс сточных вод в канализацию.

Заслуживает внимания повторное использование очищенных сточных вод из систем канализации для орошения полей и лугов. Например, в Челябинской области в 80-90-х гг. очищенными стоками поливали поля на площади более 4,5 тыс, гектаров. Следовательно, оборотное водоснабжение является существенным резервом экономного использования воды и сохранения водоемов в чистоте. Но оно должно совершенствоваться, способствуя снижению вредных стоков, отвечать правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами. Использование оборотных и замкнутых систем водоснабжения позволяет в 10 - 50 раз уменьшить потребление природной воды.

Потребление воды промышленностью и сельским хозяйством в настоящее время достигло огромных размеров. При этом многие считают, что запасы пресной воды неисчерпаемы и что пресной воды достаточно для всех нужд человечества. Конечно же, это глубокое заблуждение. Человечеству не угрожает недостаток воды. Ему грозит недостаток чистой воды.

Проблема недостатка пресной воды в настоящее время возникла по следующим основным причинам:

1. Интенсивное увеличение потребностей в воде в связи с быстрым ростом населения планеты и развитием отраслей деятельности, требующих огромных затрат водных ресурсов.

2. Потери пресной воды вследствие сокращения водоносности рек и снижения объема подземных вод.

3. Загрязнение водоемов промышленными и бытовыми стоками [14].

По оценкам специалистов, безвозвратное водопотребление составляет около 150 км³ в год, т.е. 1% устойчивого стока пресных вод. По расчетам, потребность в воде на Земле будет возрастать в среднем на 3,1% в год. В настоящее время люди ежегодно расходуют 3000 км³ пресной воды.

Больше всего воды потребляет сельское хозяйство. При этом 75% ее теряется безвозвратно. В промышленности вода используется для приготовления растворов, охлаждения и нагревания жидкостей и газов, очистки растворов и газовых смесей, для транспортировки сырья, для теплоэнергетических целей, для удаления отходов, мытья оборудования, тары, помещений и др.

Средний химический комбинат ежесуточно расходует (т.е. потребляет и отводит) 1-2 млн. м³ воды. В крупных городах с населением свыше 3 млн. человек суточный расход воды достигает 2 млн. м³, а годовой - 1 км³. При этом к качеству потребляемой воды предъявляются достаточно высокие требования, что вызывает необходимость сложных технологических процессов водоочистки и водоподготовки.

Качество воды, используемой на производственные цели, устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от назначения воды и требований технологического процесса. Качество воды - это совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обусловливающих пригодность воды для использования в промышленном производстве и быту [8].

2. Загрязнение гидросферы

Рост населения, бурное развитие промышленности, сельского хозяйства и транспорта вызывает не только увеличение водопотребления, но приводит и к прогрессирующему загрязнению воды. Загрязнение рек, озер, грунтовых вод, морей и даже океанов происходит с нарастающей скоростью, так как в водоемы поступает огромное количество взвешенных и растворенных органических и неорганических веществ, микроорганизмов, бактерий, тепла и прочих загрязнений.

2.1 Загрязнение нефтью и нефтепродуктами

К числу наиболее распространенных и вредных загрязняющих веществ относятся нефть, ежегодное поступление которой в моря и океаны, по данным ООН, достигает 6 - 7 млн. т. Ожидается дальнейший рост загрязнений нефтью из-за постоянного увеличения объема ее добычи, особенно с континентального шельфа.

Каждая тонна, нефти покрывает тонкой пленкой примерно 12 км² водной поверхности и загрязняет до миллиона тонн морской воды. Нефтяная пленка вызывает гибель оплодотворенной икры, нарушает процессы фотосинтеза и выделения кислорода, осуществляемого фитопланктоном, нарушая тем самым газообмен между атмосферой и гидросферой.

Нефтепродукты попадают в морскую воду непосредственно в результате аварий и сбросов или выноса речными и ливневыми стоками и грунтовыми водами, а также из атмосферы, главным образом в составе атмосферных осадков (таблица 4). Первый канал поступлений приводит к локальным или региональным загрязнениям морской среды, а второй - к глобальным.

Таблица 4. Распределение потерь нефти от общей суммы потерь в океане за год

Потери, %	Вид потерь
1	При бурении скважин
5	Смывается с суши ливневыми водами
6	При аварии танкеров и буровых платформ
10	Выпадает в океан с осадками
10	Выносится сточными водами
17	Сбрасывается в портах и припортовых акваториях
23	Сбрасывается в океан с промывочными и балластными водами с танкеров
28	Выносится реками

Кроме техногенных источников загрязнения, имеются и природные. Естественные выходы нефти образуются в местах ее просачивания из нефтеносных слоев через земную кору. Такие выходы известны у берегов Южной Калифорнии, в Мексиканском и Персидском заливах, Карибском море. Скорость поступления нефти из естественных выходов обычно невелика, поэтому, таким образом в моря и океаны попадает сравнительно небольшое количество нефтяных углеводородов, а основную массу загрязнений Мирового океана (более 90%) поставляют источники антропогенного происхождения.

Нефтяные загрязнения, формирующие локальные зоны, остаются устойчивыми во времени, поэтому в их распространении огромную роль играют океанические циркуляции. Именно они переносят нефтяные загрязнения в наиболее чистые районы Мирового океана, в том числе и в Северный Ледовитый океан.

Поступившие в воду нефтепродукты деградируют в результате химического, фотохимического и бактериального разложения, а также деятельности некоторых морских организмов и высших растений. Однако «процесс» естественной нейтрализации нефтепродуктов достаточно длителен и может составлять от одного до нескольких месяцев.

Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую «нефть в воде» и обратную «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, содержащей поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно. Однако наибольшую опасность по своим последствиям представляют нефтяные пленки, образующиеся на водной поверхности и уменьшающие теплопроводность и теплоемкость верхнего водного слоя. Поэтому наличие нефтяной пленки сказывается на процессе испарения. Так, на спокойной воде из-за тонкого слоя нефти испарение уменьшается в 1,5 раза, а при скорости ветра до 6 - 8 м/с - на 60%, так как пленки служат барьером для молекул воды и снижают аэродинамическую шероховатость водной поверхности. Экспериментально установлено, что за 1 ч с поверхности океана в одну квадратную милю при наличии нефтяной пленки испаряется 45 т воды, в то время как при отсутствии пленки - 97 т. Замедление процесса испарения приводит к тому, что воздушные массы, движущиеся над океаном, слабее насыщаются водяным паром.

В естественных условиях через границу раздела атмосфера - водная поверхность непрерывно происходит обмен кислородом и углекислым газом, интенсивность которого при наличии нефтяной пленки сильно уменьшается. При определенных условиях нефтяные пленки понижают температуру поверхностного слоя воды (не ниже +4°С), что приводит к повышению ее плотности и в результате верхний слой воды погружается в глубину, занося туда нефтяное загрязнение. В мелководных бассейнах поверхностные загрязненные слои могут опускаться на дно и образовывать придонные воды, содержащие значительное количество нефти.

Нефтяные загрязнения воздействуют и на живые организмы, экранируя солнечное излучение и замедляя обновление кислорода в воде. В результате перестает размножаться планктон - основной продукт питания морских обитателей. Толстые нефтяные пленки нередко становятся причиной гибели морских птиц.

Нефть отрицательно влияет на физиологические процессы, протекающие в живых организмах, вызывают патологические изменения в тканях и органах, нарушает работу ферментативного аппарата, нервной системы. Нефть - своего рода наркотик для морских обитателей. Замечено, что некоторые рыбы, «хлебнув» однажды нефти, уже не стремятся покинуть отравленную зону. Кроме того, она отрицательно влияет на вкусовые качества мяса морских обитателей.

Нефтяное загрязнение - грозный фактор, влияющий на жизнь всего Мирового океана. Особенно опасно загрязнение высокоширотных вод, где из-за низкой температуры нефтепродукты практически не разлагаются и как бы «консервируются» льдами, поэтому нефтяное загрязнение может нанести серьезный ущерб окружающей среде Арктики и Антарктики

2.2 Загрязнение материковых вод

Материковые воды обычно подразделяют на поверхностные, почвенные, подземные. Пресные материковые воды распределены на поверхности Земли крайне неравномерно. Так, в Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% мировых речных вод. На территории России 82% речного стока приходится на северные районы страны, которые по климатическим условиям малопригодны для развития земледелия и существенно менее заселены, чем южные районы, экономически более развитые, но испытывающие дефицит пресной воды.

Неравномерное распределение осадков и все возрастающее загрязнение гидросферы привели к тому, что во многих странах ощущается недостаток пресной воды. В настоящее время около 300 млн человек испытывают проблемы, связанные с нехваткой пресной воды, и это число может возрасти в 10 раз к 2025 г.

Однако наиболее ощутимый удар по пресной воде наносят современные технологии, так как под их воздействием растет загрязнение рек и озер промышленными и бытовыми отходами, токсичными веществами. Только промышленность ежегодно сбрасывает в реки более 160 км³ промышленных стоков - неочищенных или недостаточно очищенных. Они загрязняют свыше 4 тыс. км³ речных вод, т.е. около 10% общего речного стока. В промышленно развитых странах эта цифра достигает 30% и более. В итоге большинство рек Европы, Северной Америки и других континентов в своих руслах несут уже не пресную воду, пригодную для водоснабжения населения, а разбавленные сточные воды городов, промышленных предприятий, животноводческих ферм и т.д., в реках вместо чистой воды сложные растворы и взвеси вредных химических веществ и бактерий.

Интенсивное загрязнение воды, превышающее возможности ее самоочищения, приводят к превращению в пустыни больших территорий. Некогда полноводные чистые реки и озера сплошь и рядом мелеют, в них размножаются сине-зеленые водоросли, и вода становится не пригодной ни для питья, ни для жизни рыб и других водных организмов.

Число загрязнителей пресной воды достигает 2500. По данным Всемирной организации здравоохранения, до 80% всех заболеваний, связанных с качеством среды обитания, - результат употребления населением грязной воды. Почти 2,5 млрд жителей планеты страдает дизентерией, гепатитом, диареей и другими заболеваниями, связанными с загрязнением воды.

Основными источниками загрязнения материковых вод являются:

1. Атмосферные воды, несущие массы вымываемых из воздуха поллютантов (загрязнителей) промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой большие массы различных веществ. Особенно опасны стоки с городских улиц и промышленных площадок, несущие массы нефтепродуктов, мусора, фенолов и кислот [15].

2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, детергенты (поверхностно-активные моющие средства), микроорганизмы, в том числе патогенные.

3. Промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду черная металлургия, химическая, лесохимическая и нефтеперерабатывающая промышленности.

С развитием промышленности и увеличением потребления воды растет и количество жидких отходов - сточных вод. Еще в 60-х годах ежегодно в мире образовывалось около 700 млрд. м³ сточных вод. Примерно 32% из них - промышленные сточные воды, загрязненные различными веществами. Только половина жидких промышленных отходов подвергалась очистке тем или иным методом. Другая половина сбрасывалась в водоемы без какой-либо очистки.

Различные технологические процессы производят следующие основные типы сточных вод:

1. Реакционные воды, образующиеся в процессе реакций с выделением воды. Эти воды загрязнены как исходными веществами, так и продуктами реакции.

2. Воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах (свободная или связанная вода); в результате переработки загрязняются всевозможными веществами.

3. Промывные воды - воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования, маточные водные растворы.

4. Водные экстрагенты и абсорбенты.

5. Охлаждающие воды, не соприкасающиеся с технологическими продуктами и использующиеся в системах оборотного водоснабжения, несут в себе тепловое загрязнение.

6. Бытовые воды - воды столовых, прачечных, душевых, туалетов, воды после мытья помещений и т.д.

7. Атмосферные осадки, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий, загрязненные различными химическими веществами.

Общие характеристики бытовых и промышленных сточных вод приведены в таблице 5.

Таблица 5. Характеристика бытовых и промышленных сточных вод

Показатели	Бытовые сточные воды	Промышленные сточные воды
Происхождение	Образуются в результате хозяйственно-бытовой деятельности и физиологических выделений людей	Образуются в результате технологических процессов на производстве, сопровождающихся удалением отходов, потерей сырья и реагентов или готовой продукции.
Количество	Ограничено пределами водопотребления населения для физиологических и культурно-бытовых нужд	Определяется потребностями технологических процессов и характеризуется значительными колебаниями
Режим Спуска	Неравномерный, определяющаяся бытовыми условиями жизни населения	Неравномерный - соответственно технологическому процессу.
Взвешенные Вещества	Присутствуют постоянно, разнообразны по количеству и качеству	Крайне разнообразны по количеству и качеству
Реакция	Нейтральная или слабощелочная	От резко щелочной до резко кислой, нередко меняющейся во времени
Химический состав	Преобладают органические соединения животного или растительного происхождения	Преобладают органические синтетические вещества и минеральные соединения
Токсичность и бактерицидность	Обнаруживается в различной степени	Обнаруживается в различной степени
Типичность состава и свойств	Заметно выражена, колебания концентрации зависят от уровня водопотребления	Выражена лишь для одинаковых производств
Гигиеническое значение	Преимущественно эпидемиологическое, обще санитарное	Преимущественно общесанитарное значение, иногда эпидемиологическое, часто токсикологическое
Методы обезвреживания	Биологические на типовых сооружениях с дезинфекцией	Разнообразные, химические, физические, механические, дезинфекция как исключение

В сточных водах гидролизной промышленности присутствуют спиртовые и фурфурольные компоненты, последрожжевая бражка, сивушные, эфироальдегидные и скипидарные фракции, различные кислоты.

При сульфитном способе производства бумаги один из наиболее обычных сбросов - сульфитный щелок. Стоки могут иметь кислую, нейтральную или щелочную реакцию, что в любом случае связано с изменением рН водоема.

Около 30% всей массы загрязняющих веществ в различные источники воды поступает с поверхностными и ливневыми стоками с территорий санитарно неблагополучных населенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, оказывая наиболее сильное влияние в период весеннего паводка [16, 17].

В середине 90-х годов XX в. около 50% населения Казахстана использовали для питьевых целей воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по различным показателям качества. Так, в 1992 году 22,1% исследованных проб питьевой воды, подаваемой населению, не отвечали гигиеническим требованиям по санитарно-химическим и 12,3% - по микробиологическим показателям. Треть населения Казахстана для питьевых целей использует воду из децентрализованных источников. Анализ воды из таких источников показал, что 28% проб не отвечают гигиеническим требованиям по санитарно-химическим, а 29,4% - по бактериологическим показателям [18, 19].

Изменения рН водной среды в результате загрязнения оказывает отрицательное влияние на организмы. В пресноводных озерах и реках рН воды обычно 6 - 7, живые организмы адаптированы именно к этому уровню. Изменение реакции воды всего на одну единицу рН по сравнению с оптимумом приводит в большинстве случаев к стрессу, а нередко и к гибели различных групп водных организмов. Подкисление озер и рек влияет и на сухопутных животных, так как многие птицы и звери входят в состав пищевых цепей, начинающихся с водных экосистем.

Сброс канализационных стоков, особенно неочищенных или недостаточно очищенных, оказывает отрицательное влияние на круговорот органического вещества в водоеме, грозит опасностью инфекционных заболеваний, и в первую очередь человека. Из загрязняющих веществ очень опасны детергенты, или синтетические моющие средства. Выброшенные в водоемы, они сильно пенятся. Слой пены может достигать значительной толщины и препятствует доступу кислорода в воду [20].

В наибольшем количестве в фосфатсодержащих моющих средствах присутствуют соединения фосфора, служащие для смягчения воды. Сухие моющие средства (порошки) обычно содержат триполифосфат натрия; жидкие моющие средства могут содержать фосфаты калия или натрия. Смягчители необходимы потому, что вода нередко содержит ионы кальция или магния. Ионы магния и кальция соединяются с мылом и образуют нерастворимый осадок. Этот осадок не дает мыльной пены и не растворяет грязь или жир. Аналогичным образом ионы кальция и магния могут связываться с поверхностно-активными, или растворяющими грязь молекулами моющих средств. Смягчители воды образуют комплексы с этими кальциевыми и магниевыми ионами. Без смягчителей производителям пришлось бы вводить в выпускаемые ими моющие средства большое количество довольно дорогих поверхностно-активных веществ, чтобы быть уверенным в возможности успешного применения их продукции в местах с жесткой водой.

Попадающие в воду полициклические ароматические углеводороды, ароматические амины (например, бензин), N-нитрозосоединения обладают канцерогенным действием, вызывая опухолевые образования в разных органах.

Экологически опасны не только токсичные вещества, содержащиеся в сточных водах. Масса волокон, выбрасываемых предприятиями, связанных с производством различных материалов, способна забивать дыхательные системы водных организмов и вызывать их гибель.

Источником загрязнения водных объектов является и сельское хозяйство. Во-первых, повышение урожайности, продуктивности земель неизбежно связано с применением ядохимикатов, используемых для подавления вредителей, болезней растений и сорняков. Эти ядохимикаты непосредственно попадают на поверхность почвы или смываются на большие расстояния, неизбежно оказываясь в водных объектах.

Во-вторых, животноводство связано с образованием больших масс мертвой органики (навоза, подстилки), мочевины, которые опять-таки могут оказываться в водных объектах. Эти отходы не ядовиты, но их массы огромны (вспомним, что получение 1 кг. мяса «стоит» 70 - 90 кг кормов) и, несмотря на их не токсичность, они ведут к тяжелым последствиям для водных экологических систем. Сточные воды, содержащие органические вещества (не только от животноводства), содержат массу биогенных элементов, в том числе азота и фосфора [21].

Ртуть давно известна как яд. Она поступает в природные воды различными путями из многих источников. Во время дождя и таяния снега ртуть может смываться с промышленных площадок [22].

Спектр загрязняющих материковые воды веществ очень широк и включает в себя не только основные загрязнители морей и океанов, но и специфические загрязнители. Считается, что в водоемы поступает свыше 500 тыс. различных веществ [23]. Тяжелые металлы (свинец, ртуть, цинк, медь, кадмий) активно накапливаются в пищевых цепях, конечное звено которых занимает человек. В качестве интегральной характеристики загрязненности материковых вод используются классы опасности качества воды (таблица 6).

Таблица 6. Характеристики интегральной оценки качества воды

Индекс загрязненности воды (ИЗВ)	Класс качества воды	Оценка качества воды
менее 0,2	I	Очень чистые
более 0,2	II	Чистые
более 1	III	Умеренно загрязненные
более 2	IV	Загрязненные
более 4	V	Грязные
более 6	VI	Очень грязные
более 10	VII	Чрезвычайно грязные

Еще один вид загрязнения природных вод - тепловое загрязнение. Промышленные предприятия, электростанции (ТЭС, АЭС) нередко сбрасывают в водоемы (водохранилища) подогретую воду, приводящую к повышению в них температуры. В водоемах с повышением температуры уменьшается содержание кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие, происходит смена видового состава организмов, например, водорослей. С повышением температуры в загрязненной воде наблюдается бурное размножение болезнетворных микроорганизмов и вирусов.

Важным источником пресной воды в ряде регионов Казахстана являются подземные воды. Однако подземные воды в последние годы также подвергаются техногенному загрязнению из-за сильного загрязнения поверхности земли и наземных водотоков. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них непригодна для питья.

Большую опасность представляют загрязнения вод радиоактивными веществами. Поведение радионуклидов в водоемах значительно сложнее, чем в атмосфере, так как здесь на скорость их перемещения, направленность и характер рассеивания влияет значительно большее число факторов. Кроме того, в водоемах помимо рассеивания происходит и концентрирование радиоактивных веществ.

Распространение радионуклидов в воде осуществляется под влиянием двух факторов:

а) физико-химических: адсорбция, ионный обмен, осаждение, седиментация (осадок), флоккуляция (хлопьеобразование);

б) биотических - поглощение водными организмами непосредственно из воды, накопление некоторых из них как в организмах, так и в почве.

В некоторых случаях процессу накопления радионуклидов в донных отложениях способствуют бентосные организмы, которые при жизни интенсивно их инкорпорируют, а, отмирая, отдают грунту.

По характеру распределения в водоеме радиоактивные изотопы могут быть разделены на четыре группы:

1) гидротропные, остающиеся в большом количестве в воде;

2) биотропные, интенсивно поглощающиеся живыми организмами;

3) педотропные, накапливающиеся преимущественно в донных отложениях;

4) эвритропные, равномерно распределяющиеся между различными составляющими водоема.

На поведение радиоактивных веществ в реках существенное влияние оказывает химический состав воды, степень ее минерализации, количество и характер взвешенных примесей. В реках, где взвешенные твердые частицы имеют тенденцию к оседанию в определенных местах, большая часть радиоактивных продуктов неравномерно задерживается на дне, создавая локальные очаги загрязнения.

Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы, по следующим причинам:

1 процессы регенерации или самоочищения протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе;