2. Загрязнение грунтовых вод и почв подвижнасть загрязняющих веществ в подповерхности

Основные рассматриваемые вопросы:

Влияние свойств грунтовых вод на миграцию загрязнителей

Значение определения гидрогеологических характеристик для оценки

динамики грунтовых вод

Влияние физических и химических свойств загрязнителей на их миграцию в грунтовых водах

Миграция загрязнителей

Перемещение, или миграция, загрязнителя в грунтовых водах может также сопровождаться химическими преобразованиями загрязнителя,

называемыми его жизненным циклом.

МИГРАЦИЯ загрязнителя есть функция от гидрогеологических

характеристик и многообразных взаимодействий между химическими,

физическими и биологическими процессами в подповерхности.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ зависит главным образом от химического поведения загрязнителя в окружающей среде

Использование понятий жизненного цикла и миграции загрязнителя

позволяет:

- Предсказать время появления и концентрацию загрязнителей в

объектах (например, колодцах);

- Установить системы мониторинга состава грунтовых вод

- Разработать эффективные методы обезвреживания загрязненных

грунтовых вод

Свойства грунтовых вод, влияющие па миграцию загрязнителей

Для правильной оценки специфических условий местности, влияющих на миграцию загрязнителей в грунтовых водах, необходимо определение геологических характеристик местности

Факторы, способные влиять на возникновение и характер движения потока грунтовых вод:

Гидрогеологические характеристики местности

- Водоносные пласты

- Геологическая структура

- Пополнение / разгрузка

- Топографические свойства

Свойства грунтовых вод, влияющие на миграцию (продолжение)

Другие факторы, которые могут иметь значение:

Зона аэрации (ненасыщенный поток):

- Пористость

- Капиллярные силы

Зона насыщения:

- Водопроницаемость

- Гидравлический градиент

- Водопропускная емкость

Гидрогеологическая характеристика

Комплексная характеристика основных геологических и гидрологических факторов, влияющих на возникновение и движения потока грунтовых вод

Водоносный пласт - это водонаполненный слой, содержащий и пропускающий значительное количество воды

- Неограниченный, или безнапорный, водоносный пласт находится в

контакте с атмосферой из-за наличия отверстий в надлежащих слоях

грунта;

- Водоупор - это непроницаемый слой, разделяющий водоносные

пласты;

- Напорный водоносный пласт - это пласт, ограниченный сверху

водоупором и обладающий давлением, достаточным для подъема

уровня воды над основанием водоупора

Гидрогеологическая характеристика (продолжение)

Пополнением подземных вод называется поступление воды в водоносный пласт. В безнапорных пластах пополнение происходит активнее, чем в напорных. Первичный источник пополнения - инфильтрация осадков; вторичный - инфильтрация воды из поверхностных водотоков

Разгрузкой подземных вод называется отток воды из одних водоносных пластов в другие, выход ее на поверхность в виде источников, в местах просачивания, а также при откачках.

Топографические свойства. Как правило, уровень подземных вод соответствует топографии поверхности. По уклону земной поверхности можно судить о градиенте и направлении потока грунтовых вод.

Ненасыщенная зона

Ненасыщенной или вадозной зоной называется та часть почвы или наносного слоя над уровнем воды, которая не полностью насыщена водой. Открытые участки (поры) заполняются воздухом, паром или влагой. На ненасыщенную зону влияют различия в давлении насыщенного пара, размеры и расположение пор.

Пористость и проницаемость - основные факторы, влияющие на течение грунтовых вод в ненасыщенных зонах. Пористость - это отношение пустого пространства к общему объему наносного слоя или породы. Проницаемость - это показатель, отражающий взаимосвязь между порами, т.е. способность пористого слоя пропускать жидкость.

Ненасыщенная зона (продолжение)

Капиллярная зона образуется в основании вадозной зоны, непосредственно над зоной насыщения, и отличается близким к насыщенному характером потока. В капиллярной зоне вода из безнапорного водоносного пласта втягивается в полости пор под действием капиллярных сил. Капиллярные силы - это силы адгезии (притяжение разнородных молекул) и силы когезии (притяжение подобных молекул).

Зона насыщения

Насыщенной зоной называется та часть водоносного пласта, в которой полости всех имеющихся пор полностью заполнены водой. На течение грунтовых вод в насыщенной зоне влияют следующие факторы: Гидравлический градиент - это уклон поверхности подземных вод (в безнапорных пластах) или потенциометрической поверхности (в напорных пластах). Это изменение уровня воды относительно расстояния по горизонтали в направлении максимального уменьшения напора.

Водопроводностью называется способность водоносного пласта пропускать воду. Водопроводность определяется размерами и формой пор, проницаемостью и физическими свойствами жидкости.

Водопропускная емкость (для напорных пластов) отражает водопропускной потенциал водоносного пласта. Эта величина равняется водопроводности, умноженной на мощность пласта, и показывает полную водопропускную емкость пласта данной мощности.

Течение водотоков и грунтовых вод по крупным трещинам и зонам карста носит турбулентный характер. Течение грунтовых вод через пористые

среды (например, песок) характеризуется ламинарностью, т.е. описывается

преимущественно прямыми линиями (по крайней мере, на небольших

расстояниях).

В связи с ламинарностью потока в пористой среде он может быть описан с помощью закона Дарси:

Q= KA(dh/dl),

где Q - расход воды,л/сут

К - водопроводность, в литрах на сут/м

А - площадь поперечного сечения потока, м²

dh/dl - гидравлический градиент, м/м

Свойства загрязнителей, влияющие на миграцию

Хотя грунтовые воды и являются средой распространения загрязняющих веществ, существует ряд химических и физических свойств, препятствующих перемещению загрязнителей. Эти свойства не зависят от тех свойств, которые влияют на перемещение самих грунтовых вод. Они связаны преимущественно с органическими соединениями.

Физические свойства, влияющие на миграцию загрязнителей

- Плотность

- Растворимость

- Вязкость

- Поверхностное натяжение

- Давление насыщенного пара (летучесть )

Химические свойства, влияющие на миграцию загрязнителей

- Адсорбция

- Распад

Физические свойства

Плотность - масса на единицу объема, г/см³

- Определяет скорость перемещения загрязнителя и то, будет ли он перемещаться с потоком или осаждаться

- Загрязнитель, плотность которых выше плотности воды ( < 1,0 г/см³ ) имеют тенденцию к осаждению, тогда как загрязнители с плотностью, меньшей плотности воды ( < 1,0 г/см³ ), скорее всего будут перемещаться вместе с потоком.

- Данные о плотности загрязнителей обычно берут из опубликованных источников, но они могут определяться и лабораторным путем, особенно если отходы представляют собой смесь веществ с различной плотностью Растворимость - мг/л

- Скорость и степень растворения загрязнителя в воде.

- Загрязнители с более высокими показателями растворимости (например, ацетон и спирты) легче растворяются в воде.

- Загрязнители с более низкими показателями растворимости (например, трихлорэтилен) плохо растворяются в воде и могут присутствовать в виде жидкостей неводной фазы.

Жидкости неводной фазы плохо растворяются в воде и могут существовать как самостоятельные жидкостные фазы. Инфильтрация происходит главным образом за счет силы тяжести, вязкости и капиллярных сил.

- Легкие жидкости неводной фазы имеют плотность меньше плотности

воды, перемещаются по поверхности водного потока (в безнапорных

пластах) и втягиваются в капиллярную зону.

- Примеры: углеводородные виды топлива (например, бензин, печное

топливо)

- Плотные жидкости неводной фазы обладают плотностью,

превышающей плотность воды, и мигрируют вниз до

столкновения с непроницаемым объектом (например, водоупором).

Жидкость образует скопления и мигрирует вдоль основания пласта в

направлении угла падения пласта.

- Примеры: галогенированные соединения - трихлорэтилен,

четыреххлористый углерод.

- Плотность загрязнителей должна учитываться при разработке систем

мониторинга загрязненности грунтовых вод.

Вязкость

- Внутреннее сопротивление растеканию, проявляемое жидкостью - - Показатель скорости перемещения загрязнителя в среде водоносного пласта и ненасыщенного потока

- Учитывается при разработке систем мониторинга и обезвреживания Поверхностное натяжение

- Отражает степень распространения химического вещества и интенсивность поглощения загрязнителя ненасыщенными слоями под действием капиллярных сил

- Чем выше показатель поверхностного натяжения у загрязнителя, тем в меньшей степени он будет распространяться по поверхности воды и тем интенсивнее он будет поглощаться ненасыщенной зоной под действием капиллярных сил

- Используется при определении относительного распределения загрязнителя между насыщенной и ненасыщенной зонами

- Используется при определении масштабов распространения загрязнителя. Эти данные используются при разработке систем мониторинга грунтовых вод для осуществления контроля за распространением загрязнений.

Давление насыщенных паров (летучесть)

- Характеризует процесс переноса загрязнителя из почвы или воды в атмосферу

- Может иметь место как в насыщенной, так и в ненасыщенной зоне - Обусловливает утечки загрязняющих веществ в атмосферу и изменение их концентраций в насыщенной и ненасыщенной зонах

- Может способствовать скоплению паров в ненасыщенной зоне

- Является причиной образования подземных газов, содержащих летучие вещества; может становиться причиной взрывов, возгораний, нарушений здоровья в подповерхностных сооружениях (шахтах, подвалах)

Химические свойства

Адсорбция

- Переход загрязнителей из раствора в поверхность твердого тела

- Определяет относительное распределение загрязнителей между

грунтовыми водами и почвой; влияет на скорость перемещения

загрязнителя

- Среди факторов, влияющих на адсорбцию - химические и физические

свойства загрязнителя, химический состав поверхности твердого тела

(обычно это частицы грунта) и жидкой среды (обычно вода)

Распад

- Процесс, в котором загрязняющее вещество подвергается одной или

нескольким химическим реакциям, приводящим к исчезновению или

химическому превращению загрязнителя

- Продукты распада могут быть химически стойкими, более токсичными

и менее токсичными, чем исходное соединение

- Хотя основным способом распада загрязнителей является

биологический, возможно также их разложение путем окисления

(восстановления) и гидролиза

- Продуктами полного распада являются двуокись углерода и вода

- Знание возможных продуктов распада загрязнителей помогает в

разработке систем мониторинга грунтовых вод

Особенности миграции различных химических соединений

Химические соединения можно подразделить на классы в соответствии с их химической стойкостью и подвижностью

Эти классы соединений четко различаются по миграционным свойствам

Соединения, входящие в эти классы, представляют значительный риск для загрязняемых ими объектов, и их определение является одной из важных задач анализа

Четыре основных класса загрязнителей

Ароматические соединения (органические соединения с кольцевой структурой)

Алифатические углеводороды (органические соединения с прямой цепочечной структурой)

Неорганические соединения

Металлы

Класс А: Ароматические соединения

Примеры ароматических соединений

- Производные анилина (используются в изготовлении красителей,

лаков, пестицидов)

- Бензол и другие фракции нефти (входят в состав многих видов

горючего)

- Дифенилы (например, диоксин)

Миграционные свойства ароматических соединений

- Растворимость в воде невысока

- Способность к адсорбции невысока из-за большого размера молекул

- Существуют обычно в жидкой органической форме, не смешиваемой с

водой

- Распадаются путем биологического разложения с образованием

токсических ароматических соединений и воды

Класс Б: Алифатические углеводороды

Примеры алифатических углеводородов

- Формальдегид и его производные: используются в производстве

парфюмерии в качестве растворителей; являются консервантами;

распадаются с образованием фосгена

- Хлоросодержащие соединения: четыреххлористый углерод -

используется в промышленности; тетрахлорэтилен - используется в

качестве химического растворителя

- Азотистые соединения: карбаматы; этилентиомочевина (продукт

распада пестицидов); морфолин (используется в изготовлении

парафина и красителей)

Миграционные свойства алифатических углеводородов

- Некоторые из них полярны и хорошо растворяются в воде

- Многие могут распадаться биологическим путем с образованием

других токсичных соединений

- Алифатические углеводороды с длинноцепной молекулой плохо

адсорбируются и плохо стабилизируются, если не подвергаются

биологическому разложению (цепь должна распасться)

- Многие алифатические углеводороды поддаются биохимическому

обезвреживанию

Класс С: Неорганические соединения

Примеры неорганических соединений

- Цианиды (применяются при нанесении гальванических покрытий) - - Сульфиды и производные аммиака (применяются во многих производственных отраслях); выделяют токсичные кислые газы (например, сероводород)

- Токсичные соединения металлов - используются при нанесении гальванических покрытий (хромовая кислота), производстве красок и покрытий

Миграционные свойства неорганических соединений

- Большинство неорганических соединений обладают некоторой способностью к растворению в воде и некоторой подвижностью в среде грунтовых вод

- Атомы металлов обезвреживаются только путем связывания (например, отвердение)

Класс D: Металлы

Примеры металлических загрязнителей

- Простые металлы - кадмий, ртуть, хром

- Эти и другие простые металлы широко используются в промышленном производстве; опасны даже следовые количества некоторых металлов Миграционные свойства металлов

- Ограниченная подвижность в почве и грунтовых водах в связи с

адсорбцией на поверхности минеральных частиц

- Основную опасность представляет непосредственный контакт с

металлами, а не их миграция в подповерхности

- Подвижность металлов в подповерхности может, однако, повышаться

при попадании растворимых ионов металлов в кислую песчаную почву

с низким содержанием органических и глинистых компонентов

- Пример: шестивалентный хром (+6) растворяется в грунтовых водах и

проявляет некоторую подвижность, в то время как трехвалентный

хром (+3) неподвижен и нерастворим

- Для обезвреживания большинства соединений металлов применяется

связывание; для ртути предпочтительнее регенерация

Для определения приоритетов и разработки оптимальных методов очистки необходимо знание химических свойств отходов и загрязнителей Методы отбора и анализа проб должны быть специфичными для исследуемых соединений

Определяются как качественные, так и количественные показатели