Качество питьевой бутилированной воды и перспективы расширения линий розлива в Вологодской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Основные генетические типы вод

1.2 Физические свойства вод

1.3 Химический состав вод

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

3.1 Географическое положение

3.2 Основные черты рельефа

3.3 Особенности климата

3.4 Гидрография области

3.5 Характеристика почвенного покрова

3.6 Геологическое строение

3.7 Гидрогеологические особенности

4. ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

4.1 Техногенные источники загрязнения подземных вод

4.2 Качество подземных вод

4.3 Методы водоподготовки подземных вод для бутылочного розлива

4.4 Использование подземных вод для бутылочного розлива

4.5 Перспективы использования подземных вод для бутылочного розлива

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Этикетки исследуемых торговых марок бутилированной воды, выпускаемой предприятиями

Вологодской области

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Картограмма распределения частоты встречаемости повышенных содержаний железа (С_Fe 0.3 мг/л) в пресных подземных водах по административным районам

Вологодской области

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Картограмма распределения частоты встречаемости пониженных содержаний фтора (С_F 0,5 мг/л) в пресных подземных водах по административным районам

Вологодской области



ВВЕДЕНИЕ

подземный вода загрязнение бутылочный

Запасы воды на Земле огромны. Большая часть всей воды сосредоточена в Мировом океане, который занимает почти три четвёртых поверхности планеты. Общие запасы воды на Земле, по последним подсчётам, составляют около 1,5 млрд.км². Из общих учтённых на Земле запасов воды на долю вод, которые без особых энергетических затрат могут быть использованы человеком для удовлетворения своих потребностей, приходится только 2,5 %. Из 35 млн. м³ пресных вод, пригодных для использования человеком, почти 69 % заключено в ледниках, а более 30 % содержатся в водоносных слоях глубоко под землей. На долю пресных вод, содержащихся в реках мира, приходится всего 0,006 % общих запасов пресной воды на Земле. Эти цифры говорят о том, что воды пригодной человеку для обеспечения его жизнедеятельности на планете мало [1, 2].

Среди природных геологических ресурсов особое место принадлежит подземным водам. Их главная особенность состоит в том, что это единственные геологические ресурсы, которые постоянно возобновляются под влиянием круговорота влаги на земле.

По своим физическим, химическим и биологическим свойствам вода занимает исключительное положение в природе. Все явления в литосфере, биосфере и атмосфере совершаются с участием воды. Воду изучают физики, астрофизики, химики, гидрохимики, геологи, гидрогеологи, биологи, гидробиологи, географы, почвоведы и другие специалисты.

Вода становится одним из самых дефицитных даров природы. Ещё недавно в наиболее развитых странах водные ресурсы рассматривались как неистощимое богатство природы. Считалось, что воду можно использовать из любых источников и в любом количестве. Но недостаток пресной воды в настоящее время ощущается на всей планете. Острота проблемы обеспечения человечества пресной водой заключается не столько в недостатке водных ресурсов, сколько в значительном росте загрязнения вод в процессе хозяйственной деятельности человека.

Проблема качества питьевой бутилированной воды очень актуальна в настоящее время, так как поверхностные грунтовые воды подвергаются различным загрязнениям, в частности вблизи населённых пунктов, и остается только перспектива развития и использования питьевых подземных вод, расширения источников минеральных ресурсов. Спектр загрязняющих воду веществ чрезвычайно велик, это и тяжелые металлы, микроэлементы, токсические органические соединения и радиоактивные вещества.

Объектом исследования в данной работе являются подземные воды Вологодской области.

Цель исследования - изучение качества питьевой воды бутылочного розлива Вологодской области и оценка перспектив использования новых источников.

Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать качество питьевой бутилированной воды, выпускаемой предприятиями области.

2. Определить факторы формирования химического состава подземных вод Вологодской области.

3. Изучить эколого-гидрогеологические особенности подземных вод области.



1. ЭКОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Основные генетические типы вод

Подземные воды по происхождению разделяются на экзогенные и эндогенные. Экзогенные воды поступают в недра Земли сверху, а эндогенные - снизу из магматических очагов и мантии.

Экзогенные подземные воды разделяются на инфильтрогенные и седиментогенные. Инфильтрогенные (метеогенные) подземные воды образуются из вод атмосферного происхождения. По механизму проникновения в земные недра они разделяются на инфильтрационные и конденсационные. Инфильтрационные воды создаются в процессе просачивания (инфильтрации) в глубь Земли дождевых и талых вод по порам и трещинам в горных породах. Конденсационные воды формируются при проникновении в земные недра водяного пара, который конденсируясь, переходит в жидкую воду. Инфильтрационные воды преобладают над конденсационными. Седиментогенные подземные воды образуются за счёт вод тех бассейнов, в которых происходил процесс осадконакопления, то есть, это воды, которые сохранились между частицами осадочных пород ещё с тех пор, когда они осаждались на дне древних морей и океанов. Свежеобразовавшиеся на морском дне осадки содержат до 90% воды, захваченной ими из водоёма. Когда они перекрываются сверху новыми слоями осадков, в результате давления вышележащей массы происходит их уплотнение и превращение в горные породы. По мере уплотнения часть воды из них выжимается и поступает в другие водопроницаемые породы (эпигенетические, или элизионные, седиментационные воды), другая часть остаётся в “материнской” горной породе (сингенетические, или погребённые, седиментационные воды). [3]

Эндогенные подземные воды разделяются на магматогенные и метаморфогенные. Магматогенные (ювенильные) воды образуются за счёт выделения водяных паров из магмы при её остывании и кристаллизации. Попадая в области с более низкими температурами, водяные пары, конденсируясь, переходят в жидкое состояние. Такие воды встречаются в районах современного вулканизма. Метаморфогенные воды образуются при метаморфизме горных пород, содержащих минералы, в состав которых входит химически связанная вода. Причиной дегидратации (обезвоживания) является повышение температуры и давления, что вызывает разрушение кристаллической решётки минералов и выделение свободной воды. Такой процесс обычно происходит вблизи магматических очагов или на больших глубинах (более двух км) [3].

1.2 Физические свойства вод

Оценка физических свойств подземных вод необходима при любых гидрогеологических исследованиях, так как эти свойства являются важнейшими показателями качества. При перспективе хозяйственно-питьевого использования подземных вод оценка соответствия их существующим государственным стандартам является обязательной [4].

Мутность и прозрачность. Мутность воды обусловлена наличием взвешенных частиц величиной более 100 нанометров и выражается их массой на единицу объема воды (мг/дм³). Наличие взвесей является редким для подземных вод, поэтому обычно для их оценки с этой точки зрения пользуются показателем “прозрачность”, величина которого обратна мутности. При ориентировочной оценке прозрачность выражается предельной высотой столба воды (см) в градуированном цилиндре с плоским дном, расположенного на расстоянии четыре см от дна цилиндра, или виден “крест” с толщиной линии один мм. Более точно оценка прозрачности (мг/дм³) проводится фотометрическим путем сравнения со стандартными эталонными суспензиями каолина. Вода, которая используется для хозяйственно-питьевого водоснабжения, должна иметь прозрачность “по шрифту” не менее 30 см и “по кресту” не менее 300 см, по стандартной шкале - не более 1,5 (мг/дм³) [Там же].

Цветность. Подземные воды обычно бесцветны. Окраску от слабожелтой до бурой придают гуминовые и фульвокислоты, а так же их растворимые соли, в первую очередь гуматы и фульваты окисного железа. Зеленоватую и красноватую окраску имеют воды, обогащенные соответствующими микроорганизмами, например водорослями, зеленовато-голубую - закисным железом или сероводородом. Цветность определяют фотометрически в градусах цветности по шкале стандартных растворов (смесь бихромата калия и сульфата кобальта), имитирующих цвет природной воды [4].

Запах, вкус воды зависят от содержания в ней газов, минеральных и органических веществ и могут быть естественного и искусственного генезиса. Определение интенсивности запаха и вкуса проводится органолептически при температурах 20 и 60 °С и оценивается по пятибалльной системе (0 - нет,1 - очень слабая, 2 - слабая, 3 - заметная, 4 - отчетливая, 5 - очень сильная). Запах оценивают в соответствии с ощущениями (гнилистый, землистый, хлорный). Для вкуса существуют четыре определения: соленый, кислый, сладкий, горький [Там же].

Температура подземных вод - это один из важнейших показателей генезиса и глубины их циркуляции. Диапазон изменения известных температур природных вод на Земле составляет около 400 °С: от -5 °С и ниже в районах развития многолетнемерзлых пород, до 100 °С и более в гейзерах вулканических областей и до 350 - 370 °С в глубинных субаквальных источниках океанических впадин. Температура грунтовых вод в гумидной зоне обычно 3 - 10 °С, в аридной зоне до 12 °С и более. Артезианские воды могут достигать температуры 90 - 100 °С и более. Из множества классификаций подземных вод по температуре приведена классификация А.В. Щербакова [Там же].

Плотность чистой воды при 25 °С и давлении 101,325 кПа составляет 0,99797 г/см³, она меняется в зависимости от температуры, давления, количества растворенных, взвешенных веществ и газов. Плотность рассолов в Иркутском артезианском бассейне достигает 1,5 г/. Определение плотности воды проводят при точно измеренной температуре и с помощью температурных коэффициентов пересчитывают на температуру воды в пласте [Там же].

Вязкость (внутренне трение) имеет большое значение для процесса фильтрации, особенно в слабопроницаемых породах. Единицей динамической вязкости в системе СИ служит паскаль/секунда - вязкость такой среды, в которой при давлении сдвига один Па разность скоростей ламинарного движения жидкости на расстоянии м составляет один м * с. Исследования структуры и свойств воды обнаружили не закономерность изменения вязкости воды с повышением давления: в интервале температур 0 - 30 °C она несколько уменьшается, затем длинное время практически не изменяется и начинает увеличиваться, как и всех жидкостей, лишь по достижении давления порядка 108 Па. Вязкость воды уменьшается с ростом температуры [Там же].

Электропроводность - способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Подземные воды в зависимости от содержания тех или иных количеств электролитов обладают различной электропроводностью. Она составляет от 3 * 10^-5 до 3 * 10^-3 Ом*м для пресных вод и далее возрастает до 5 * 10^-3 - 1,2 * 100 Ом*м в рассолах [Там же].

Радиоактивность подземных вод определяется содержанием в них растворенных соединений урана, радия, а также инертных газов: нерадиоактивного гелия и радона. Единицей радиоактивности в системе СИ является беккерель (Бк) - активность нуклида один распад в одну секунду. Радиоактивность подземных вод, содержащих уран и радий, всегда связана с содержанием их в водовмещающих породах, поэтому максимальной радиоактивностью характеризуются воды кислых магматических пород, а наименьшей - осадочные породы [Там же].

Содержание гелия в подземных водах в последние годы стало объектом пристального изучения. Гелий, представляющий собой продукт распада радиоактивных элементов, непрерывно образуется в земной коре и мигрирует к поверхности по трещиноватым зонам [Там же].

1.3 Химический состав вод

Понятие “химический состав подземных вод” означает совокупность содержащихся растворенных минеральных и органических соединений за исключением тех, из которых состоит живое вещество. Основой химического состава всего разнообразия природных вод Земли (дождевых, речных, морских, океанических, подземных) является весьма ограниченный набор ионов. Различия, свойственные химическому составу вод Земли, определяются множеством сочетаний этих ионов и их абсолютным и относительным процентным содержанием [5].

Одноатомные и многоатомные ионы, входящие в этот набор, образованы преимущественно высококларковыми элементами, природные соединения которых в литосфере обладают наибольшей растворимостью. Это анионы: Сl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, катионы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, а также кремнекислота H₄SiO₄. В меньших количествах присутствуют в химическом составе воды, и редко являются преобладающими такие ионы, как NH₄⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, NO₂^-, NO₃^-, H₃PO₄ (иногда Br, I, F, Sr, Al), - их называют мезокомпонентами. К микрокомпонентам относят ионы, присутствующие в водах в микроколичествах - обычно от единиц до сотен мкг/дм³ - элементы: Pb, Zn, Cu, Sn, Ag, Mo, Co, Ba, радиоактивные Ra, U, Rn, Th, а также Be, Se, Rb, Ni, Li, Mn, и многие другие [Там же].

Интегральными характеристиками общего количества вещества в подземных водах являются расчетные величины: минерализация и сумма ионов, а также определяемый экспериментально сухой остаток. Минерализация (мг/дм³) - это суммарная масса растворенных твердых минеральных веществ в единице объема или массы воды - вычисляется суммированием весовых количеств всех веществ, определенных при химическом анализе [6].

Сухой остаток - это масса нелетучих (при 110 или 180 С) минеральных и органических соединений, отнесенная к единице объема или (для рассолов) массы воды - определяется взвешиванием осадка, который получается при выпаривании и последующем высушивании определенного объема воды. Величина сухого остатка используется для контроля химических анализов. Она может быть не равна величине минерализации за счет потерь при прокаливании летучих компонентов, образующихся при разложении HCO₃^- и CO₃^2-, а также органических соединений [Там же].

Минерализация подземных вод изменяется в широких пределах - от первых единиц до десятков мг/дм³ в грунтовых водах кристаллических пород в гумидной зоне до сотен г/дм³ в рассолах. Наименьшую минерализацию имеют воды, содержащие самые слаборастворимые соединения - силикаты, карбонаты. Приращение минерализации подземных вод происходит за счет появления в их составе все более и более растворимых соединений (сульфатов, хлоридов), поэтому в определенных интервалах минерализации преобладают различные ионы: от 0,01 до 0,05 г/ - H₄SiO₄ и Na⁺, от 0,05 до 0,6 - HCO₃ и Ca²⁺, от 0,6 до 3,3 - SO₄^2- и Na⁺ (Ca²⁺), выше - Сl^- и Na⁺ (Ca²⁺) (рисунок 1.1) [6].

Рисунок 1.1 - Относительное содержание анионов (а) и катионов (б) в подземных водах различной минерализации [6]

В соответствии с ГОСТом природные воды по минерализации делят на следующие группы (г/кг): пресные до 1; солоноватые 1 - 25; соленые 25 - 50; рассолы более 50 [Там же].

Водородный показатель (рН) дает представление об общем щелочно-кислотном состоянии воды и, как и минерализация, является одной из её важнейших интегральных характеристик. От щелочно-кислотного состояния воды зависят такие гидрохимические процессы как осаждение и растворение, миграционная способность, характер микрофлоры. Водородный показатель (рН) представляет собой десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком: [7].

При равенстве концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов реакция среды должна быть нейтральной (рН=7,0). При большей концентрации ионов водорода, то есть при рН <7, вода будет иметь кислую реакцию и соответственно при меньшей - щелочную [Там же].

Величины рН подземных вод изменяются в широком диапазоне - от 0 до 2,0 - 3,5 в ультракислых водах областей современного вулканизма до 9,0 - 12,5 в некоторых водах, связанных с ультраосновными породами. Обычные величины рН составляют: для грунтовых вод 6,4 - 7,5, для артезианских составляют 7,3 - 8,5. Для вод зоны гипергенеза Л.С.Шварцев выделяет четыре градации по щелочно-кислотным свойствам: сильнокислые (рН<3,0), кислые и слабокислые (рН 3,0 - 6,5), нейтральные и слабощелочные (рН 6,5 - 8,5), сильнощелочные (рН>8,5). Питьевая вода должна иметь рН в пределах от шести до девяти [8].

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) - Eh воды характеризует соотношение окисленных и восстановленных форм всех содержащихся в ней элементов переменной валентности и так же, как и две предыдущие, является важнейшей интегральной характеристикой состава воды. Из таких элементов для химического состава подземных вод наибольшее значение имеют: сера (-2, +2, +4, +6), железо (+2, +3), азот (-3, +3, +5), марганец (+2, +3, +4) и другие [7].

Важнейшее значение и наибольшую информативность в гидрогеохимии имеет совместная интерпретация данных по щелочно-кислотным и окислительно-восстановительным свойствам подземных вод. Большое распространение получили Eh-pH диаграммы, позволяющие получить наглядную картину возможных равновесий и миграционных форм в системах элементов переменной валентности (рисунок 1.2) [5].

Рисунок 1.2 - Положение различных типов природных водна Eh-pH диаграмме (Подземные воды: 1 - кислые термальные районов современного магматизма; 2 - грунтовые, в том числе воды зон окисления (pH<4) и цементации (pH>6) сульфидных месторождений; 5,6 - минеральные (5 - углекислые, 6 - азотные термальные); 7 - рассолы артезианских бассейнов платформ, краевых прогибов и межгорных впадин. Атмосферные воды: 3 - дождевые. Поверхностные воды: 4 - морские и океанические) [5]

Значения ОВП подземных вод изменяются в широком диапазоне от +0,7 до -0,5 В. Поверхностные и грунтовые воды характеризуются величинами Eh от +0,15 до +0,7 В, подземные воды глубоких частей артезианских бассейнов - от 0 до -0,5 В. Низкие величины наблюдаются в водах нефтяных месторождений, минимальные (до -0,6 В) - в сильнощелочных рассолах в гипсах, максимальные (до +0,86 В при pH<2) обнаружены в рудничных водах при активной деятельности железобактерий [Там же].

Величины ОВП систем элементов, замеренные в стандартных условиях и превышающие значение нормального потенциала, считаются положительными, меньшие - отрицательными. Это не означает, что в системах с положительными значениями ОВП происходит только окисление, а с отрицательными - только восстановление. Каждая из них может оказаться как окислительной, так и восстановительной в зависимости от того, по отношению к какой системе ее рассматривать. Потенциалзадающие системы подземных вод - системы кислорода, серы и в меньшей степени железа, азота, органических веществ [Там же].

Жесткость воды объясняется наличием в ней соединений кальция и магния. Жесткая воды плохо мылится, образует накипь, непригодна для многих производств (сахарного, кожевенного). Различают пять видов жесткости: общую, карбонатную, некарбонатную, устранимую (временную), неустранимую (постоянную). Количественной мерой общей жесткости является сумма миллиграмм-эквивалентов кальция и магния в единице объема (мг-экв/л или моль/дм³). Карбонатная жесткость численно равна сумме ммоль HCO₃^- + CO₃^2- в один дм³, если эта сумма меньше общей жесткости, и приравнивается к величине общей жесткости, если сумма ммоль HCO₃^- + CO₃^2- больше ее [9].

Методы устранения: термоумягчение - метод основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи; реагентное умягчение - метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na₂CO₃ или гашёной извести Ca(OH)₂, при этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок; катионирование - метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы), такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец); обратный осмос - метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные), вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей, эффективность очистки может достигать 99,9 %; электродиализ - метод основан на удалении из воды солей под действием электрического поля [Там же].

Устранимая жесткость в отличии от карбонатной определяется экспериментально и представляет собой разность между содержанием соединений кальция и магния до и после длительного кипячения. Эта величина обычно на 1,0 - 1,5 ммоль/дм³ меньше карбонатной благодаря тому, что часть карбонатов кальция и магния остается в растворе, а из той части их, которая выпадает в осадок при кипячении, некоторое количество растворяется вновь [Там же].

Неустранимая и некарбонатная жесткость обусловлены наличием сульфатных, хлоридных или иных солей кальция и магния, а так же их гидроксидов и определяются по величине разности между общей жесткостью и соответствующим ее видом [Там же].

По величине общей жесткости различают воды: очень мягкие (жесткость до 1,5 ммоль/дм³), мягкие (1,5 - 3,0), умеренно жесткие (3,0 - 5,4), жесткие (5,4 - 10,7) и очень жесткие воды (более 10,7 ммоль/дм³). Мягкими являются грунтовые воды Севера, воды, связанные с кристаллическими породами, дождевые. Повышенной жесткостью обладают воды известняков, доломитов и других карбонатных пород. Для питьевых целей используют подземные воды с жесткостью до семи мг-экв/дм³ [7].

Агрессивность - показатель способности воды к разрушению материалов (цемента, бетона, металлов), строительных сооружений. Различают несколько видов агрессивности: углекислотную, выщелачивания, общекислотную, сульфатную, а также вызывающую коррозию металлов [Там же].

Углекислотная агрессивность проявляется в разрушении карбоната кальция, входящего в состав бетона, под действием, так называемой агрессивности, то есть избыточной по сравнению с равновесной, части свободной угольной кислоты. Содержание CO₂ растет с уменьшением pH природных вод. CO₂ определяют по номограммам или экспериментально. В зависимости от содержания HCO₃ - иона, минерализации, конструкции сооружения и гидродинамических параметров нормативами допускается различное содержание агрессивной углекислоты - от 8,3 до 3,0 мг/дм³ в наиболее опасных условиях [Там же].

Агрессивность выщелачивания характерна для вод с содержанием HCO₃^- меньшим, чем необходимо для равновесия с имеющимся количеством свободной углекислоты. Обычно эту величину определяет концентрация СО₂ в атмосфере или в почвенном воздухе. Вода будет растворять CaCO₃ и Ca(OH)₂ до тех пор, пока не будет достигнуто произведение растворимости последнего. Нормы агрессивности выщелачивания в выражении минимально допустимых концентраций HCO₃^- от 0,4 до 1,5 ммоль/дм³ [Там же].

Общекислотная агрессивность присуща водам при низких величинах pH. Ионы Н⁺, нейтрализуя гидроксид-ионы, образующиеся при диссоциации Ca(OH)₂ цементного камня, способствуют его дальнейшему растворению. Поэтому допустимые значения pH воды, контактирующей с нормальным бетоном специальных покрытий, не должны быть ниже 5,0 - 6,3 [Там же].

Сульфатная агрессивность присуща водам с высоким (более 280 мг/дм³) содержанием сульфат-иона и обусловлена опасностью разрушения (вспучивания) несульфатостойких сортов бетона за счет образования сульфатных соединений общего объема [Там же].

Магнезиальная агрессивность вызывается процессами катионного обмена Ca²⁺ бетона на Mg²⁺ воды, которые приводят к образованию в теле бетона рыхлого осадка гидроксида магния. Она наблюдается при содержании магния в водах более 750 мг/дм³. Степень сульфатной и магнезиальной агрессивности определяют экспериментально [7].

Агрессивность вод является причиной коррозии металлов, главным образом, железа, и имеет биохимическое, химическое и электрохимическое происхождение. Электрохимическая агрессивность вызывает разрушение металла при образовании микрогальванических токов между металлом и электролитами воды или кислородом водяного пара, химическая взаимодействует с кислородом воды, а также с кислотами и щелочами в её составе, биохимическая - с жизнедеятельностью железобактерий. Все виды данной агрессивности приводят к появлению ржавчины и разрушению сооружений, скважин [Там же].

Исходя из вышесказанного следует вывод - вода играет первостепенную роль в жизни всех живых существ, и человека в том числе. В России примерно 20 % хозяйственных и производственных нужд обеспечивается за счет подземных вод и нужно подчеркнуть, что в настоящее время наметилась тенденция резкого увеличения их использования, ввиду возрастающего с каждым годом загрязнения поверхностных водоёмов.

Работы исследователей посвящены использованию подземных вод в лечебных целях (изучению химического состава, распространения по территории, лечебные свойства), в промышленных целях (перспективы добычи полезных химических компонентов) и для нужд сельского хозяйства (в качестве удобрений для почв и для орошения лугов и пастбищ). Наиболее изученный вопрос - это использования подземных вод в лечебных целях. Он рассматривается в трудах многих авторов, но, в то же время, многие моменты данной проблемы требуют дальнейшего более подробного исследования.

Проблема использования пресных вод области для хозяйственно - питьевого водоснабжения нашла отражение в научных трудах многих исследователей. Масштабность литературных источников позволяет широко проанализировать данную тему дипломной работы.



2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Прежде всего, стоит подчеркнуть, что объектом данного исследования, в узком смысле, являются питьевые бутилированные воды некоторых торговых марок, которые пользуются наибольшим спросом, выпускаемых предприятиями Вологодской области, а в более широком смысле - сама область и ее отдельные “проблемные” районы, где отмечены превышения ПДК.

Исходными данными к дипломной работе служили учетные карточки эксплуатационных скважин на воду. Первичная информация по скважинам получена в Департаменте природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области, на кафедре геоэкологии и инженерной геологии Вологодского государственного технического университета.

Также в данной дипломной работе были использованы документы, определяющие качественные характеристики воды, используемой для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения: СанПиН 2.1.4.1074-01 “Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества”, утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 26.09.2001 (зарегистрировано в Минюсте РФ 31 октября 2001 г. N 3011); ГН 2.1.5.1315-03 “Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования”, утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 27.04.2003 (зарегистрировано в Минюсте РФ 19 мая 2003 г. N 4550); МР 2.3.1.2432 -08 “Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации”, утвержденные Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 18.12.2008 [30].

Были собраны и обработаны материалы изысканий и исследований прошлых лет. Изучению подлежали сведения по геоморфологии, геологии, тектонике, гидрогеологии и другие особенности природных условий облсти. В процессе работы были изучены результаты ранее выполненных тематических работ, обобщенные материалы по подземным, поверхностным водам районов и отчеты по оценке гидроминеральных ресурсов Вологодской области. Проведен сбор и предварительный анализ имеющегося литературного материала.

Для описания факторов формирования подземных вод применялся комплексный геоэкологический подход, включающий в себя характеристику географического положения, климата и рельефа и почвенного покрова, особенности геологического строения и гидрогеологические параметры. В ходе выполнения работы использовались методы: метод ретроспективного анализа, описательный метод, картографический метод, расчётный, сравнительный метод.

В ретроспективном анализе, в отличие от обычного анализа, обязательно учитывается такой фактор, как время. Анализируемое явление рассматривается в историческом аспекте. Изучаются его прошлые состояния, которые привели к нынешнему. Суть метода - в установлении причинно-следственных связей.

Описательный географический метод был применен в главе “Природные условия и факторы формирования состава подземных вод Вологодской области”. Суть данного метода заключается в последовательном и плановом изложении существующей в настоящее время ситуации на территории. План описания - это стандарт, поэтому изменения его либо отступления от него нежелательны. Комплексный геоэкологический подход предполагает изложение ситуации в следующей последовательности: природные, климатические условия (географическое положение, геология, рельеф, климат) и другие.

Картографический метод нацелен на создание карты или же серии карт и обозначение на них нужного явления с целью более быстрого и наглядного его познания. При помощи заранее разработанных, оговоренных условных знаков на картографическую основу наносятся элементы изученной территории. В случае данной работы это будут концентрации химических элементов в питьевых подземных водах разных муниципальных районов.

Сравнительный метод использовался для формулировки выводов о сходстве и различии химического состава воды по определенным параметрам, а именно для сопоставления химического состава воды до подготовки к розливу в пластмассовую тару, и уже в процессе эксплуатации, после водоподготовки.

На основании изложенной информации о материалах и методах, с помощью которых выполнено исследование, следуют выводы о некоторой его специфичности. Специфику, уникальность любого исследования обеспечивают оригинальные и ценные материалы и особое сочетание методов, на основе которых она выполнялась. Здесь есть как первое, так и второе. С одной стороны, оригинальные, источники, а с другой, и что немаловажно, - большое число методов.

Исходя из многообразия перечисленных в главе методов (анализа, синтеза, аналогии, сравнения, а также некоторых других), можно говорить о том, что указанная методика достаточна для раскрытия темы исследования, как в количественном, так и в качественном отношении.



3. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

3.1 Географическое положение

Вологодская область находится на севере Европейской части России в центре Нечерноземной зоны. В её состав входят 26 районов (рисунок 3.1): Бабаевский, Бабушкинский, Белозерский, Вашкинский, Великоустюгский, Верховажский, Вожегодский, Вологодский, Вытегорский, Грязовецкий, Кадуйский, Кирилловский, Кичменгско-Городецкий, Междуреченский, Никольский, Нюксенский, Сокольский, Сямженский, Тарногский, Тотемский, Усть-Кубинский, Устюженский, Харовский, Чагодощенский, Череповецкий, Шекснинский [10].

Рисунок 3.1 - Схематическая карта Вологодской области [12]

По площади Вологодская область является одной из крупнейших областей Российской Федерации и составляет почти один процент ее территории. Площадь - 145,7 тыс.км².

Область занимает обширную территорию Восточно-Европейской равнины, в континентальной части таёжной зоны. Параллель 60° с. ш. делит область на две примерно равные части -- северную и южную. Наибольшая протяженность с севера на юг - 358 км, с запада на восток - 650 км. Область граничит на западе с Новгородской и Ленинградской областями, на севере - с Республикой Карелией и Архангельской областью, на востоке - с Кировской, на юге - с Костромской и Ярославской, на юго-западе - с Тверской областями [11].

Географическое положение области - это основной фактор, влияющий на качественные характеристики подземных вод. Обширная территория области охватывает различные формы рельефа, различные гидрологические особенности, которые как и другие факторы влияют на течение разнообразных процессов, которые вызывают изменения минерализации и химического состава вод.

3.2 Основные черты рельефа

Рельеф - является одним из основных факторов, который определяет качественный состав подземных вод. На возвышенных участках бассейнов, где породы достаточно хорошо промываются, подземные воды имеют незначительную минерализацию и в основном гидрокарбонатный состав: в пониженных частях, куда направлен сток солей с возвышенностей, минерализация увеличивается, в водах повышается концентрация сульфатов и хлоридов. Рельеф воздействует на условия водообмена, от этого зависит минерализация и химический состав вод. Степень расчленённости рельефа определяет размеры поверхностного стока и дренированность подземных вод. Чем расчленённее рельеф, тем интенсивнее водообмен и тем более благоприятные условия создаются для формирования пресных вод. Рельеф области отличается заметной пестротой, область богата и низаинами, холмами и увалами, грядами и другими.

Территория области приурочена к северо-западной части Русской плиты; на северо-западе, в районе Прионежья, она примыкает к Балтийскому кристаллическому щиту. В геоструктурном отношении регион приурочен к Московской синеклизе. Поверхность области представляет собой плоскую или волнистую, а на востоке - увалистую равнину, на которой выделяются низины, гряды и группы холмов. Абсолютные высоты равнины обычно не превышают 100 - 200 метров. Наименьшие высоты приурочены к побережью Онежского озера и долине реки Малой Северной Двины (34 - 50 м), наибольшие наблюдаются в пределах Вепсовской возвышенности (304 м) и Северных Увалов (294 м). Большая часть территории имеет региональный уклон к северу и северо-западу и только в части ее, расположенной южнее Главного водораздела Русской равнины, поверхность наклонена к югу [13], (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Схематическая карта рельефа Вологодской области [14].

Для центральной и западной частей области присуще чередование возвышенных участков и низин и сравнительно слабая расчлененность водоразделов. Восточная часть области имеет более однообразный рельеф; эрозионное расчленение водоразделов здесь более значительно, особенно на юго-востоке (Северные Увалы). В западной части территории расположены Прионежская и Кема-Белозерско-Молого-Судская низины, имеющие террасированную поверхность. Первая из них приурочена к девонской доледниковой впадине, окаймляющей Онежское озеро, вторая в основном -к карбоновому плато. Низины разделяются Мегорско- или Вепсовско-Андомской возвышенностью - полосой холмистого и грядового рельефа, которая приурочена к уступу карбонового плато - карбоновому глинту и маскирует последний. Северо-западный склон этой возвышенности называется Валдайский уступ. Кема-Белозерско-Молого-Судская низина с востока ограничена Белозерско-Кирилловскими и Андогскими грядами, представляющими возвышенный массив холмисто-грядового рельефа, а несколько южнее - Вологодской возвышенностью. Южное обрамление этой низины образуют окраинные части Вышневолоцкой гряды. В бассейне Ковжи пониженные участки низины заняты Белым озером, а в низовьях рек Шексны, Суды и Мологи - Рыбинским водохранилищем [13].

В центральной части области располагаются Воже-Кубено-Верхнесухонская низина, которая приурочена к дочетвертичной эрозионной ложбине Праонеги, а восточнее города Тотьмы выработана уже в четвертичное время. На западе эту низину ограничивают Кирилловские гряды и Вологодская возвышенность, на востоке и северо-востоке - Присухонская водораздельная равнина. На юго-востоке ее обрамляет склон Чухломско-Галичской гряды. В южной части низины - островная возвышенность Авнига. Восточная часть области представляет собой волнисто-увалистую водораздельную равнину 150 - 250 м высоты, которая разделена Сухонской низиной [Там же].

Прежде чем приобрести современный облик, рельеф области прошел достаточно длительный и сложный путь развития. Его формирование происходило под влиянием целого комплекса взаимодействующих эндогенных и экзогенных факторов. Можно выделить два основных этапа развития рельефа: дочетвертичный и четвертичный. В дочетвертичное время на поверхности палеозойских и мезозойских осадочных пород был выработан структурно-денудационный рельеф платформы, который определил основные черты современного рельефа территории. В четвертичном периоде рельеф формировался главным образом под влиянием деятельности ледников и талых ледниковых вод. В пределах рассматриваемой территории наблюдаются повторяющиеся сочетания форм рельефа одинакового происхождения и возраста. Они образуют генетические типы рельефа, каждый из которых характеризуется специфическими чертами поверхности и геологического строения [13].

По возрасту выделяются доледниковые, ледниковые, позднеледниковые и послеледниковые типы рельефа. Доледниковыми являются структурно-денудационные типы рельефа поверхности палеозойских и мезозойских пород, расчлененные древними эрозионными ложбинами и усложненные валообразными тектоническими поднятиями (в бассейне среднего течения реки Сухоны и верховьев реки Кунож). Среди типов рельефа ледникового времени наиболее распространены моренные равнины, холмистый и увалистый моренный и холмистый камовый рельеф. Позднеледниковые типы рельефа представлены в основном, озерно-ледниковыми аккумулятивными и абразионно-аккумулятивными равнинами. К послеледниковым типам рельефа относятся аккумулятивные и абразионно-аккумулятивные озерные и аккумулятивные болотные равнины. Типы рельефа образуют в пределах территории ряд естественных комплексов - участков с различным обликом и строением поверхности [Там же].

Таким образом, рельеф является косвенным фактором формирования состава вод. Он оказывает влияние на условия водообмена, а от последних зависят минерализация и химический состав природных вод. Степень расчлененности рельефа определяет размеры поверхностного стока и дренированность подземных вод. Чем расчленённее рельеф, тем интенсивнее водообмен и тем более благоприятные условия создаются для формирования пресных вод. Так, положительные формы рельефа являются местами рассоления, а отрицательные - засоления, причем эти явления сопровождаются катионным обменом и смешением.

Несколько иная взаимосвязь наблюдается между рельефом и накоплением ресурсов подземных вод. Рельеф перераспределяет выпадающие на земную поверхность осадки, вследствие чего на возвышенностях и их склонах усиливается поверхностный сток и условия питания подземных вод ухудшаются и совершенно иначе - в пониженных формах рельефа поверхностный сток замедляется и увеличивается инфильтрация вод в почву; это способствует накоплению запасов подземных вод.

3.3 Особенности климата

Климат - один из главнейших факторов формирования состава подземных вод. Прежде всего, оказывают влияние следующие климатические факторы - атмосферные осадки, температура и испарение.

Для Вологодской области характерен умеренно континентальный климат лесной зоны, с умеренно-теплым летом, продолжительной умеренно-холодной зимой и неустойчивым режимом погоды. Степень континетнальности климата не одинакова для области и увеличивается с запада на восток [16]. Формирование его (климата), как и любого другого климата на земле, происходит при участии причин, относящихся к двум категориям: радиационным, то есть связанным с приходом и расходом солнечной энергии, и циркуляционным, под которыми подразумеваются те или иные движения воздушных масс [15].

В Вологодской области устойчивый снежный покров укрывает землю на 165-170 дней, достигая к концу зимы высоты от 40 до 60 см в поле и до 75 см в лесу. Средняя месячная температура самого теплого месяца - июля составляет 16,6 - 17,3 °С, самого холодного месяца - января от -10,8 до -13,8 °С. Погода неустойчива: зимой наблюдаются оттепели, весной возможны сильные морозы до -30 °С. Среднегодовая относительная влажность воздуха составляет 78 - 81 %. Область расположена в зоне избыточного увлажнения [17].

Годовое количество осадков на территории области уменьшается с запада на восток от 560 - 600 до 520 - 550 мм, что намного больше величины испаряемости. Жидкие осадки составляют около 55 - 60 % годового количества, на долю твердых приходится 25 - 30 % и смешанных - около 10 - 15 % [19].

Таким образом, климат области определяет метеорологические условия, от которых зависит водный режим грунтовых и более глубоко залегающих подземных вод. Прежде всего, оказывают влияние следующие климатические факторы - атмосферные осадки, температура и испарение [20].

Атмосферные осадки вызывают существенные изменения количества запасов, минерализации подземных вод и их состава. Не все атмосферные осадки участвуют в воспополнении запасов подземных вод. Наиболее эффективными в этом отношении являются максимальные осадки, часть которых, инфильтруясь в почву, достигает уровня грунтовых вод. Минерализация атмосферных осадков, как правило, ниже минерализации подземных вод, таким образом при попадании большого количества осадков минерализация подземных вод снижается. Около 10 - 30 % от выпадающих атмосферных осадков обычно уходит на восполнение запасов подземных вод [Там же].

Благодаря изменением температуры атмосферного воздуха осуществляются процессы промерзания и оттаивания почв и пород в зоне годовых колебаний температуры, что передаётся условиям питания вод и, следовательно, отражается на их минерализации и химическом составе. Всякие колебания температуры воды обусловливают изменение растворимости солей, находящихся в природных растворах [Там же].

Существует всего два вида испарения подземных вод: капиллярное и внутригрунтовое. Процесс капиллярного испарения существует при глубине залегания грунтовых вод, не превышающей мощности капиллярной каймы. Когда вода проходит вверх по капиллярам, она обогащает почву солями. При таком испарении уровень грунтовых вод падает, но минерализация их не увеличивается. Инфильтрующимися дождевыми или снеговыми осадками соли из почв могут быть частично вмыты обратно в водоносный горизонт и вызывать увеличение минерализации грунтовых вод. Внутригрунтовое испарение заключается в том, что молекулы воды, отрываясь от поверхности зеркала грунтовых вод, диффундируют в воздух [Там же].

3.4. Гидрография области

Речная сеть Вологодской области принадлежит к бассейнам трех морей: Белого, Балтийского и Каспийского. К бассейну Белого моря относятся реки, собирающие свои воды с северной покатости Восточно-Европейской равнины и изливающие в него свои воды через Северную Двину и Онегу. Площадь этого бассейна составляет более 70 % территории области. Западную часть занимает сравнительно небольшой бассейн Балтийского моря (8 %) и на юге - бассейн Каспийского моря (до 22 %). Количество водотоков, протекающих по территории Вологодской области - примерно 20 тысяч, их общая протяженность - свыше 70 тысяч километров. Самые малые водотоки длиной до 25 км составляют 98 %, малые реки длиной до 100 км составляют около 1,5 %, реки протяженностью от 100 до 1000 км составляют менее одного процента.

Весьма широкое, но чрезвычайно неравномерное распределение по территории имеют озера. В Вологодской области насчитывается 1083 озера (длиною более 0,5 км), которые вместе с Шекснинским отрогом Рыбинского водохранилища занимают площадь 418,3 км², или три процента территории области. Наибольшее число озер (более 87 %) наблюдается в западной части Вологодской области и меньшее - в восточной (менее 13 %). Они, представляют собой остатки некогда существовавших озерно-ледниковых водоемов. К этой группе относятся: Воже, Белое, Кубенское, Никольское, Катромское, Шиченгское и другие озёра Вологосдкой области[19].

Значительное развитие имеют так же озера, образовавшиеся в котловинах ледникового выпахивания и в понижениях моренного холмистого рельефа. Помимо озер, связанных по своему происхождению с процессами древнего оледенения, здесь встречаются изредка небольшие карстовые озера почти правильной округлой формы с крутыми склонами (группа озер без названия в западной части области, южнее озер Онежского и Большого Тозьменского, Малого Тозьменского и другие на востоке области), а также озера-старицы, развитые в поймах рек (Верхняя Сухона, Шексна, Чагодоща, Юг и другие) [Там же].

Болота в пределах области развиты широко. Преобладают верховые болота, которые составляют 56 % общей площади болот, переходные - 24 % и низинные - 20 %. На распределение болот в пределах Вологодской области существенное влияние оказывает рельеф: в пониженной равнинной части территории с отметками поверхности до 100 м сосредоточено наибольшее число болот, и, наоборот, на участках повышенных, отличающихся более расчлененным рельефом, болота встречаются относительно редко [21].

Наибольшей заболоченностью характеризуется юго-западная часть области, где болота занимают 27 % территории, а наименьшей - восточная часть с заболоченностью менее 1,8 %. Распространены болота преимущественно в пределах бывших озер и озерно-ледниковых равнин, на террасах озер и в поймах рек. Плоские, плохо дренированные поверхности местами заболочены весьма сильно и обладают большими болотными массивами. Примером могут служить Молого-Шекснинская, Присухонская и другие низины [Там же].

Избыточное увлажнение и замедленный сток благоприятствуют скоплению огромных запасов пресных подземных вод на территории области. По характеру залегания и составу различают грунтовые воды, близкие к поверхности, и более глубокие пластовые и артезианские [22].

Распределение речной сети в пределах области, ее структура и особенности носят различный характер и значительно меняются по территории. Эти различия обусловлены в основном особенностями рельефа, геологического строения и геоморфологии, сложившимися в результате длительной истории Вологодской области. Большую роль в распределении и характере гидрографической сети сыграли процессы древнего оледенения, создавшие холмистый рельеф и ряд плоских низин, занятых некогда озерно-ледниковыми водоемами. Климатические условия в области повсюду обеспечивают избыточное увлажнение, и достаточно наличия даже небольших уклонов местности, чтобы начался сток поверхностных вод и образовались водотоки [21].

Поверхность грунтовых вод в общих чертах повторяет рельеф местности с учетом характера вмещающих пород. В глинистых и суглинистых грунтах воды залегают обычно ближе к поверхности, в песчаных же, особенно на возвышенностях, иногда встречаются на глубине 20-30 метров [22].

На склонах возвышенностей и речных долин воды нередко выходят на поверхность в виде небольших родников и мокрых полос, а на дне долин и низин часто сливаются с горизонтом поверхностных вод: рек, озер и болот - и питают их. Уровень грунтовых вод подвержен значительным колебаниям в зависимости от осадков и уровня поверхностных вод, с которыми они непосредственно связаны. Грунтовые воды широко используются для колодезного водоснабжения сельского населения. Они особенно обильны в областях, сложенных известняками, гипсами и другими растворимыми и карстующимися породами, - на Валдайско-Вепсовской возвышенности, в бассейнах Онеги, Северной Двины, Пинеги и Кулоя [22].

Пластовые воды залегают в толще осадочных пород под грунтовыми водами, с которыми они обычно связаны. Их химический состав зависит от состава вмещающих пород, однако в общем наблюдается закономерное увеличение степени минерализации с глубиной [Там же].

Глубинные пластовые воды достаточно минерализованы. С давних пор использовались для выварки поваренной соли источники Вологодской области (Тотьма, Бабушкино). Менее полно еще используются целебные источники и грязи, хотя, Вологодские бромистые рассолы известны уже давно [Там же].

Таким образом, густота гидрографической сети, глубина эрозионного вреза, режим и химический состав речных и озерных вод, характер взаимоотношения речных вод с подземными и другие гидрографические факторы очень сильно влияют на качественные характеристики вод. Густая гидрографическая сеть способствует водообмену в водоносных горизонтах, выносу солей из них и обусловливает формирование пресных грунтовых вод. В условиях редкой сети подземный сток затруднен, что вызывает повышение минерализации грунтовых вод. Всякие режимные изменения в реках сказываются на подземных водах прибрежной полосы, а именно на их минерализацию и химический состав.

3.5. Характеристика почвенного покрова

Область располагается в северо-западной части Европейской платформы, и этим определяются особенности геологического строения ее территории: здесь распространена мощная толща палеозойских и мезозойских осадочных пород. Они почти не принимают непосредственного участия в почвообразовании, так как на большей части перекрыты четвертичными отложениями комплексных континентальных образований московского и валдайского оледенения, верхняя часть которых участвует в формировании почв [23].

В результате проявления подзолообразовательного, дернового и болотного процессов на территории Вологодской области сформировались подзолистые, дерново-подзолистые, дерновые, болотно-подзолистые, болотные и пойменные почвы. В соответствии с условиями увлажнения почв выделяются три крупные группы: автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные [18].

Среди аморфных почв на территории Вологодской области встречаются почвы подзолистого, дерново-подзолистого и дернового типов. Подзолистые почвы создают основной фон почвенного покрова области и развиваются там, где до настоящего времени сохранилась лесная, прежде всего хвойная растительность, или леса, вырубленные в последнее десятилетие. Дерново-подзолистые почвы составляют основной земельный фонд сельскохозяйственных угодий, особенно на востоке и юго-западе Вологодской области. Большая часть этого типа почв образовалась на месте подзолистых почв, которые были изменены в процессе их вовлечения в сельскохозяйственное производство или другого рода нарушений подзолообразовательного процесса. Так, например, часто дерново-подзолистые почвы образуются на месте вырубок леса при развитии луговой растительности. На территории Вологодской области почвы дернового типа (особенно дерново-карбонатные) являются лучшими по агрохимическим показателям. Наибольшее распространение они получили в Усть-Кубинском, Кирилловском, Белозерском, Вожегодском, Харовском, Сокольском, Вологодском районах (рисунок 3.3) [Там же].

...