Загрязнение подземных вод Москворецкого бассейна

Город Москва расположен в бассейне реки Москвы и является неотъемлемой частью окружающей город природной среды.

Гидрогеологические условия региона определяются его приуроченностью к южной части Московского артезианского бассейна. Здесь выделяются три литогенетических этажа: четвертично-неогеновый с пестрыми по гидродинамическим и гидрогеохимическим характеристикам грунтовыми водами, юрско-меловой и каменноугольный с артезианскими водами в преимущественно карбонатных породах.

В последнем имеется несколько водоносных горизонтов, слабо различающихся по фильтрационным свойствам и составу воды, разделенных маломощными прослоями глин и аргиллитов. Важную роль играет верхнеюрская разделяющая толща. Слоистая и прерывистая с “гидрогеологическими окнами” она не только формирует напоры в карбоне, но и предохраняет их от загрязнений.

Проводимость известняков карбона связана с геоморфологическими и геологическими особенностями водовмещающих пород: на водоразделах она составляет в среднем 500 м/сут; в долинах - более 2000 м/сут; под ненарушенными юрскими глинами - 680 м/сут; в районах без юрских глин - более 1100 м/сут.

Водоносные горизонты в четвертичных отложениях связаны с речными. Это в полной мере относится к аллювиальным отложениям пойм и террас. Первая аккумулятивная - при относительной высоте 4-7 м имеет, как правило, две толщи: верхнюю, суглинистую, и нижнюю, песчаную с гравием и галькой, содержащую горизонт грунтовых вод. Направление грунтового потока меняется по сезонам. Вторая терраса - цокольная с маломощным аллювием (до 1,5-4,0 м). В цоколе может залегать морена, юрские глины и обводненные флювиогляциальные отложения, имеющие непосредственную разгрузку в реку или связь с горизонтами вод 1-й террасы. В уступе 2-й террасы известны многочисленные родники. Выше террас притоки р.Москвы дренируют главным образом флювиогляциальные песчано-гравийные отложения. Их водоносные горизонты, как правило, плохо защищены с поверхности от загрязнения, имеют малую емкость и относительно высокую проницаемость.

Локальной гидрогеологической особенностью территории являются древние ложбины стока: доюрские, доледниковые, межледниковые и постледниковые, иногда совпадающие с современной гидрографической сетью, сложенные хорошо фильтрующим обломочным материалом и являющиеся коллекторами подземных вод. Глубина максимального переуглубления достигает 50-60 м. Переуглублены долина р.Истры ниже водохранилища и долина р.Москвы ниже п.Тучково, причем переуглубление не всегда совпадает с современным.

Химический состав грунтовых вод отличается большим разнообразием. Обычно при малых минерализациях (300-500 мг/л, редко больше 1 г/л) химический тип может резко меняться даже в пределах одного потока грунтовых вод. На водораздельных пространствах встречаются воды гидрокарбонатного класса, кальциево-магниевой группы с низкой минерализацией (около 200 мг/л). Колодцы в деревнях на террасах рек дают воду гидрокарбонатно-сульфатную и гидрокарбонатно-хлоридную с преобладанием кальция и с высокой минерализацией. Вблизи промышленных центров, городов, у свалок и т.д. состав грунтовых вод меняется на сульфатно-гидрокарбонатный и даже на сульфатно-хлоридный. Грунтовые воды, приуроченные к аллювиальным отложениям, имеют повышенную минерализацию и измененный по отношению к естественным водам состав, в котором велико содержание хлоридов и сульфатов. Нередки случаи, когда в состав макрокомпонентов химического состава грунтовых вод входит нитрат-ион, что уже прямо свидетельствует о загрязнении. Со всей определенностью можно сказать, что разгрузка грунтовых вод в реки бассейна уже в настоящее время ухудшает качество речной воды.

Артезианские воды каменноугольных отложений обычно пресные с минерализацией 0,4-0,6 г/л, хорошего качества (гидрокарбонатные, магниево-кальциевой группы). Исключением является полоса шириной 10-20 км, проходящая от Дедовска-Нахабино через Красногорск в южную часть Москвы. Здесь также имеет место пресная вода, но хлоридногидрокарбонатного класса натриево-магниево-кальциевой группы, что свидетельствует о региональном протекании загрязненных грунтовых вод в артезианские водоносные горизонты со сработанными напорами.

Система источников водоснабжения Москвы может быть представлена в виде совокупности подсистем, каждая из которых является крупной водохозяйственной системой. Она представляет собой совокупность подсистем: бассейн Вазузского водохранилища; Вазузскую гидротехническую систему; бассейн Москвы от истока до г.Москвы, включающий в себя бассейны рек Рузы и Москвы от истока до г.Звенигорода, бассейн Москвы от г.Звенигорода до г.Москвы; бассейн Волги от истока Иваньковского водохранилища и зону канала им.Москвы. Кроме того, отдельные объекты в Москве и в Московском регионе (т.е. в сфере интересов Москвы как главного объекта эксплуатации водных ресурсов) снабжаются артезианской водой, что неуклонно ведет к изменению картины состояния и формирования подземных вод региона.

Водохозяйственные системы обладают двумя главными свойствами: пропускной способностью (проницаемостью, расходом) и емкостью. Основная часть расхода определяется собственно возможностями русел ручьев, рек, каналов, труб и других водопроводящих трактов. Основная же часть емкости сосредоточена не в водотоках и водохранилищах, а в подземных резервуарах, т.е. в горизонтах подземных вод, связанных с поверхностными водами сложными, нелинейными и неоднозначными отношениями. Кроме того, для водопроводящих трактов при подходящем выборе масштаба характерны сосредоточенные источники загрязнений, а для подземных вод - рассредоточенные.

Основным объектом мониторинга подземных вод является поток подземных вод (ППВ). Предусматриваются измерения на слабо нарушенных (эталонных) ППВ, находящихся под техногенным воздействием. В последнем случае следует выделять и рассматривать природно-техногенные системы. В качестве основных признаков ППВ могут рассматриваться: геофильтрационная схема, позволяющая прогнозировать продвижение загрязнения в ППВ; конструктивные особенности источника загрязнения, определяющие условия поступления загрязняющих веществ в поток; миграционная модель ППВ, отражающая процессы переноса, превращений и взаимодействий раствора с породами в зависимости от геохимических и физико-химических свойств поллютанта и среды.

Имеющиеся в распоряжении совместного предприятия в области охраны окружающей cреды “Прима” материалы позволяют более детально рассмотреть бассейн р.Москвы. Особое внимание уделено условиям формирования подземных вод. Это вызвано тем, что среднемноголетний модуль стока р.Москвы в створе Рублево составляет 6 л/(с*км²), а модуль подземного стока - 2 л/(с*км²). Таким образом, треть всей москворецкой воды - вода подземная. Вместе с тем, минерализация и, особенно, качество подземных вод сильно отличаются от вод поверхностных, причем качество подземных вод во многих частях бассейна р.Москвы не отвечает требованиям государственного стандарта на питьевую воду. Больше того, эксплуатация подземных вод приводит к изменению показателей и режима водообмена между подземными и поверхностными водами в неблагоприятную сторону.

В Москворецкой водной системе эксплуатируются практически все водоносные горизонты. При этом грунтовые воды используются деревянными колодцами и мелкими скважинами ручного бурения, что практически не сказывается на водных ресурсах и режиме. Максимальное понижение уровня в колодцах достигает 1,5-2,0 м, что может сформировать местную воронку депрессии радиусом не более нескольких десятков метров. Все центральное водоснабжение основано на артезианских водах каменноугольных отложений. В бассейне р.Москвы выше Рублево действует 21 групповой водозабор подземных вод, затрагивающий практически все водоносные горизонты карбона. Дифференциация по зонам влияния позволяет предложить места для отбора проб в бассейнах рек Москва, Руза и Истра, а также в устьях упоминаемых в таблице 1 притоков.

Таблица 1

Сведения о современной эксплуатации подземных вод

На состояние подземных вод в бассейне Москвы выше Рублево влияют также водозаборы, расположенные ниже Рублево, поскольку их воронки занимают в рассматриваемом районе существенные площади. Особенно заметно влияние Химкинского и Московского водозаборов с суммарным водоотбором около 500 тыс.куб.м/сутки. Установлено, что восточнее меридиана Звенигорода избыточные напоры артезианских вод почти полностью сработаны. Это привело к инверсии балансовой структуры потока подземных вод в карбоне: если ранее артезианские воды разгружались в Москву-реку и в ее притоки, то сейчас, наоборот, из поверхностных и частично из грунтовых вод идет питание ранее бывших артезианскими водоносных горизонтов. Величину, т.е. расходы воды, такого питания установить точно довольно трудно, однако в целом понятно, что на инфильтрацию в подземные воды расходуется значительная часть формируемых в рассматриваемой части бассейна Москвы водных ресурсов.

По оценкам Центргеологии в бассейне р.Москвы и ее притоков в центральной части воронки депрессии на эксфильтрацию теряется 30-40% поверхностного стока. Проблема, однако, состоит в том, что воды, поступающие в глубокие подземные горизонты, по качеству далеки от природных вод. Особенно незащищенными следует считать районы, где отсутствует верхнеюрская разделяющая толща и где нет моренных глин и суглинков, а в карбоне напоры снижены. Загрязнение в таких местах может носить не только локальный, но и региональный характер.

Защищенными от загрязнения можно считать водораздельные равнины и плато, закрытые мощным плащом моренных глин и суглинков восточнее меридиана, проходящего через Дорохово и Сычево, если исключить собственно долинные часть бассейна. Всю верхнюю часть бассейна западнее указанного меридиана, равно как и низовья р.Сходни, следует считать условно защищенной. Долина Москвы-реки ниже г.Можайска, долина средней и нижней Рузы, а также долина средней и нижней Озерны не защищены, поскольку здесь, в полосе от 5 до 10 км, размыта юрская толща глин. Для мониторинга поверхностных вод это означает, что именно здесь густота сети наземных измерений должна быть наибольшей.

Рассмотрим влияние отдельных отраслей народного хозяйства на формирование качества подземных вод бассейна.

Сельское хозяйство. Здесь следует выделить земледелие, которое в результате применения удобрений и ядохимикатов следует рассматривать как отрасль, вносящую значительное количество загрязнений в подземные воды, причем необходимо подчеркнуть пространственный (площадной, рассредоточенный) характер влияния этой отрасли. Структура земледелия в бассейне довольно однородна. В Можайском и Рузском районе под пашней находится по 50 тыс.га. В Истринском и Одинцовском районах - по 30 тыс.га. Повсеместно около 40% пашни отдано под зерновые, удобряемые относительно мало. Около 50% площади занято под многолетними травами, кукурузой на силос и кормовыми корнеплодами. Около 10% пахотных земель отдано под овощи и картофель, которые выращиваются с применением высоких доз удобрений. Так, при средней по России норме в 100-120 кг в некоторых хозяйствах Подмосковья вносят до 5 т органических и неорганических удобрений на гектар.

Существенным источником загрязнения являются и пригородные хозяйства. Здесь в среднем на 1 га используемых земель вносилось удобрений на гектар: в Рузском районе - 216 кг, в Одинцовском районе - 286 кг, в Можайском районе - 424 кг, в Истринском - 491 кг.

Грунтовые воды под сельскохозяйственными угодьями загрязнены. Исследованиями кафедры гидрогеологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова в грунтовых водах аллювиального водоносного комплекса выявлены концентрации нитратов от 80 до 180 мг/л (ПДК - 10 мг/л). Имеются сведения о недопустимо высоких содержаниях аммоний-иона (до 31 мг/л (ПДК - 1,5 мг/л)) в грунтовых водах аллювия р.Малая Истра. Мощным способом непосредственного воздействия на качество грунтовых вод являются водные мелиорации.

В качестве сосредоточенных источников загрязнения в сельском хозяйстве выделяются животноводческие фермы. Среднее поголовье для них таково: крупный рогатый скот - 600 тыс.голов (250-260 ферм), свиней - 15-20 тыс.голов (3 фермы в Можайском и Истринском районах), птицы - 1,0-1,5 млн.(9 фабрик в Истринском и Одинцовском районах).

Население. В селах Московской области постоянно проживает около 210 тыс.человек. В теплый период года население здесь резко увеличивается за счет отдыхающих. Рекреационных учреждений в бассейне около 1000: в Можайском районе - 110, в Истринском - 250, в Рузском районе - 250. Их очистные сооружения устроены примитивно, устарели морально и физически, поэтому являются загрязнителями. Так, в районе Звенигорода установлено, что практически все старые очистные сооружения загрязняют грунтовые воды хлоридами, нитратами, органикой и другими веществами. Однако наибольшее влияние на качество грунтовых вод оказывают города, а в них - промышленные предприятия.

Подземные воды в районах городов и поселков городского типа таких, как Руза, Тучково, Звенигород, Истра, Голицыно, Одинцово, Дедовск и Нахабино, загрязнены органикой, хлоридами, сульфатами, нитратами, а в районах расположения механических заводов и автохозяйств - тяжелыми металлами. Практически каждый населенный пункт имеет рядом свалки для бытовых или смешанных отходов. Свалки обычно невелики по площади - не более 1-2 га, и размещаются в отработанных и зачастую совершенно неподготовленных карьерах, оврагах и прочих выемках. Крупных свалок в бассейне шесть: Чесцовская и Супоневская (Одинцовский район), площадью 7,5 и 2 га; Аннино и Дорохово (Рузский район) - по 3 га; Павловская (Истринский район) - 8,5 га; Можайская - 4 га.

Наиболее опасным компонентом свалок является фильтрат, образующийся за счет инфильтрации атмосферных осадков и отжима жидкости при уплотнении. Типичный состав фильтрата таков: минерализация 10-20 г/л; повышенные концентрации всех азотосодержащих ионов; хлоридов около 5 г/л, сульфатов 1-2 г/л, органических веществ - до 2 г/л, заметны тяжелые металлы. Отмечается, что по отношению к характерным для фильтратов соленым и агрессивным жидкостям проницаемость глин и специальных противофильтрационных экранов увеличивается иногда на 1-2 порядка.

Транспорт. Наиболее крупные железные дороги проходят по южной и северной границам бассейна, однако их влияние изучено недостаточно. На крупных автомагистралях применяются противогололедные смеси, содержащие каменную соль; за зиму вносят десятки (до 60-80) килограмм соли на погонный метр. Деревенские колодцы, даже отстоящие на сотни метров от дорог, имеют повышенную за счет хлоридов минерализацию воды. Типичными для автотранспорта являются такие загрязняющие вещества, как хлориды, нитраты, нефтепродукты, включая ароматические углеводороды (в частности, бенз(а)пирен), свинец, кадмий и другие тяжелые металлы.

Особенности нормирования химических веществ в водной среде обусловлены несколькими факторами

1. С гигиенических позиций оценивается уровень загрязнения воды, предназначенной для хозяйственно-питьевого или культурно бытового назначения.

2. Нормативы качества воды распространяются не на весь водный объект, а только на пункты водопользования населения.

3. Вода используется населением не только для питья, личной гигиены, но и для хозяйственно-бытовых и рекреационных целей. В связи с этим при нормировании учитывается как непосредственное влияние химических загрязнителей на организм (санитарно-токсикологический показатель вредности), так и их влияние на органолептические свойства воды и процессы самоочищения воды водоемов (органолептический и общесанитарный показатели вредности).

4. Для всех водных объектов, используемых населением (поверхностные и подземные воды, питьевая вода, вода систем горячего водоснабжения), устанавливаются единые гигиенические нормативы (ПДК,ОДУ).

Таблица 2

ПДК некоторых вредных веществ в воде (мг/л) и их содержание в подземных водах Москворецкого бассейна

в 1995-1996 г.

В связи с изданием в начале 1990 г. директивы Ес о защите грунтовых вод от загрязнений некоторыми опасными веществами во многих странах встала проблема необходимости очистки и самое главное охраны подземных вод от загрязнений. Например, в Великобритании с конца XIX века остро стоял вопрос об очистке воды в реке Темзе (о грунтовых водах тогда еще не думали), а в начале 1980-х годов резко поднялся уровень загрязненности в немецком Рейне. И в Великобритании (Лондон), и в Германии (Кельн, Дюссельдорф, Дуйсбург) пользовались артезианской подземной водой, создавая инверсию балансовой структуры потока подземных вод, т.е. артезианские водоносные горизонты частично питались с поверхности. Загрязнителями воды в Темзе выступали металлургические и химические заводы Рединге, Тилфорде, лондонском Ист-Энде, в Рейне - угольные шахты и нефтехимический завод Кельна, черная и цветная металлургия в Дуйсбурге и др. Для очистки поверхностных вод этих рек были предприняты следующие меры: 1) переход на замкнутый цикл водоснабжения предприятий (каждый второй кубометр воды не изымался из производства, а вторично использовался); 2) применение жестких санкций к предприятиям-загрязнителям; 3) создание “искусственных островов” как биологических фильтров; 4) высаживание по берегам Рейна растений и деревьев для укрепления береговой линии, а набережные Темзы стали каменными везде, где это возможно. В результате по таким веществам как фенолы, четыреххлористый углерод, нитраты и др. были достигнуты следующие показатели, приблизительно одинаковые и в Великобритании, и в Германии (поверхностные воды - подземные воды):

фенолы 0,0025 мг/л - 0,0015 мг/л

четыреххлористый углерод 0,008 мг/л - 0,003 мг/л

формальдегид 0,06 мг/л - 0,044 мг/л

нитраты 15,4 мг/л - 11,8 мг/л

В этом смысле ценны опыты Великобритании в области снижения содержания нитратов и ионов аммония в потоке подземных вод. Проблема решалась попытками синтеза новых удобрений, снижением нормрасхода удобрений на единицу площади, улучшение мелиорационной системы. Любопытна также борьба со свалками во Франции - Париж фактически отапливается спрессованным мусором и другими бытовыми и смешанными отходами. Свалок под Парижем больше нет.

Природа накапливала загрязнения, аккумулировала их. Но лишь до поры, до времени. Затем она сдалась и постепенно начала отдавать накопленное. Близится и наступает эпоха экологических кризисов. Подземные воды - кровь нашей земли, а болезни крови лечатся тяжело.

Список литературы:

1. Владимиров А.М.,Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды. М.,1991.

2. Галин А. По следам прошлогоднего снега. - Химия и жизнь, 4-1993.

3. Охрана окружающей среды. под ред. д.т.н. проф. Дуганова Г.В. Киев,1988.

4. Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России. М.,1995.

5. Федоров Л.А. Диоксины в питьевой воде. - Химия и жизнь, 8-1995.

6. Фомин Г.С. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. Энциклопедический справочник. М.,1995.

7. Хмара И. Вода московских родников. - Химия и жизнь, 2-1996.