CC BY
96
2005
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА,
Сер. 7 Вып. 1
КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 556.38 А. А. Шварц
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО РЕГИОНА В СВЕТЕ НОВЫХ ТРЕБОВАНИЙ К КАЧЕСТВУ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
Гигиеническим критерием качества подземных вод являются предельно допустимые концентрации (ПДК). Их нормы устанавливаются по органолептическим и санитарно-токсикологическим показателям. Первая группа показателей связана с физико-химическими свойствами воды (вкус, запах, прозрачность и т.д.), вторая - с токсичностью и возможностью накопления в организме человека нормируемых элементов и соединений. С 1 января 2002 г. в России действуют Санитарные правила и нормы (СанПиН) 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»- В отличие от старого ГОСТ 2874-82, в нем существеннЬ расширен список нормируемых показателей. При этом их структура и количество максимально приближены к рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Кроме того, с июля 2002 г. введен в действие СанПин 2.1.4.116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества». Этот документ вводит понятие питьевой воды первой и высшей категорий качества. По сравнению с требованиями к питьевой воде для централизованных систем водоснабжения, в требованиях к фасованной питьевой воде высшей категории ужесточены ПДК по 17 элементам, а по 6 введено понятие минимально допустимых концентраций. В табл. 1 приведены основные показатели естественного состава вод, по которым различаются требования к качеству воды для централизованных систем питьевого водоснабжения, фасованной воды первой и высшей категорий. При таких строгих требованиях невольно возникает вопрос, а может ли в принципе природная подземная вода иметь состав, указанный в таблице или максимально к нему приближенный. Кроме того, актуальной стала разработка классификации качества подземных вод, используемых для питья, опирающейся на существующие государственные нормативы для питьевой воды и учитывающей физиологические свойства и специфику подземных вод.
Если качество воды не соответствует требованиям нормативных документов для питьевой воды, их классификация может быть проведена по степени опасности превышающих ПДК компонентов и сложности технологии требуемой очистки. Здесь можно выделить две категории качества: удовлетворительное и неудовлетворительное. К водам удовлетворительного качества относятся те, в которых превышены ПДК по органолептическим показателям и которым требуется простая очистка аэрированием (от сероводорода, радона или легко окисляемого железа) и/или простая реагентная очистка для обеззараживания (например, с повышенным содержанием коли-бактерий); к неудовлетворительным - те, где превышено ПДК по токсикологическим показателям и необходима комплексная реагентная очистка.
С учетом вышеизложенного была разработана классификация качества подземных вод, используемых для питья, согласно которой можно выделить:
1) неудовлетворительное качество: превышение одним и более техногенными компонентами ПДК по токсикологическим и/или органолептическим показателям, а также превышение ПДК по токсикологическим показателям одним или несколькими компонентами естественного состава подземных вод;
2) удовлетворительное качество: превышение одним и более компонентами естественного состава ПДК по органолептическим показателям и/или несоответствие воды требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по микробиологическим показателям;
3) соответствие СанПиН: вода должна отвечать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01;
4) первая категория: вода не должна содержать вещества антропогенного и техногенного происхождения. При проведении биотестирования оценка должна быть положительной. Концентрации компонентов естественного происхЬждения должны соответствовать требованиям, предъявляемым СанПиН 2.1 А1116-02 к питьевой воде первой категории;
О А. А. Шварц, 2005
Таблица 1. Основные показатели естественного состава, по которым различаются требования к качеству воды для централизованных систем питьевого водоснабжения, фасованной воды первой и высшей категорий
Показатель Питьевая вода
централизованных систем первой категории высшей категории
рН 6-9 6,5-8,5 6,5-8,5
Минерализация, мг/л 1000 1000 200-500
Жесткость, мг-экв./л 7 7 1,5-7
Бикарбонаты, мг/л - 400 30-400
Хлориды, мг/л 350 250 150
Сульфаты, мг/л 500 250 150
Нитраты, мг/л 45 20 5
Кальций, мг/л - 130 25-80
Магний, мг/л - 65 5-50
Натрий, мг/л 200 200 20
Калий, мг/л - 20 2-20
Алюминий, мг/л 0,5 0,2 0,1
Барий, мг/л 0,7 0,7 од
Марганец, мг/л 0,1 0,05 0,05
Молибден, мг/л 0,25 0,07 0,07
Никель, мг/л 0,1 0,02 0,02
Ртуть, мг/л 0,0005 0,0005 0,0002
Серебро, мг/л 0.05 0,025 0,025
Свинец, мг/л 0,03 0,01 0,005 *
Сурьма, мг/л 0,05 0,005 0,005
Хром (6*), мг/л 0,05 0,05 0,03
Бор, мг/л 0,5 0,5 0,3
Мышьяк, мг/л 0,05 0,01 0,006
Бромид ион, мг/л 0,2 0,2 од
Фторид ион, мг/л 1,5 1,5 0,6-1,2
Йодид ион, мкг/л - 125 40-60
5) высшая категория: при сохранении всех позиций предыдущей категории, концентрации компонентов естественного происхождения должны соответствовать требованиям, предъявляемым СанПиН 2.1.4.1116—02 к питьевой воде высшей категории.
Исключение может составлять только оптимальное содержание йода, при его низких концентрациях предлагается проводить йодирование исходной природной воды. Это связано с тем, что в большинстве пресных подземных вод концентрация йода существенно ниже рекомендованного нижнего предела содержания (40 мкг/л). К специфике подземных вод можно отнести также требование отсутствия веществ антропогенного происхождения в водах первой и высшей категорий качества. СанПиН 2Л .4.1116-02 допускает их наличие, хотя и в незначительных количествах.
В качестве полигона для апробации предложенной классификации был выбран Санкт-Петербургский регион (Санкт-Петербург и Ленинградская обл.). Отличительной чертой данной территории, находящейся на стыке Балтийского щита и Русской платформы, являются значительная изменчивость геологического строения и гидрогеологических условий и, как следствие, разнообразие макро- и микрокомпонентного составов подземных вод. Оценка качества воды и анализ распределения концентраций по отдельным компонентам были выполнены с помощью разработанной геоинформационной системы.
Таблица 2. Концентрации макроэлементов в пресных подземных водах Санкт-Петербургского региона
Водоносные комплексы
Показатели О С И 0 е-о е V АЛ-РЯ
качества Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб % Ко-лич. проб %
Минерализация, мг/л <200 36 40,4 1 1,8 6 3,9 1 0,8 0,0 0,0 49 32,2 14 4'5,2 108 16,4
200-500 43 48,3 52 91,2 79 51,0 65 52,4 5 31,3 11 31,4 54 35,5 13 41,9 322 48,8
500-1000 9 10,1 4 7,0 59 38,1 54 43,5 11 68,8 17 48,6 34 22,4 4 12,9 192 29,1
1000-1500 1 1,1 0,0 11 7,1 4 3,2 0,0 7 20,0 15 9,9 0,0 38 5,8
Всего 89 100 57 100 155 100 124 100 16 100 35 100 152 100 31 100 660 100
Жесткость, мг-экв./л <1,5 42 47,2 1 1,8 3 1,9 2 1,6 1 6,3 20 57,1 80 52,6 14 45,2 164 24,8
1,5-7 47 52,8 56 98,2 135 87,1 107 86,3 12 75,0 15 42,9 70 46,1 16 51,6 458 69,4
7-10 0,0 0,0 15 9,7 12 9,7 2 12,5 0,0 2 1,3 1 3,2 32 4,8
>10 0,0 0,0 2 1,3 3 2,4 1 6,3 0,0 0,0 0,0 6 0,9
Всего 89 100 57 100 155 100 124 100 16 100 35 100 152 100 31 100 660 100
НСОз, мг/л
<30 2 2,2 0 0,0 2 1,3 0 0,0 0,0 0,0 1 0,7 3 9,7 8 1,2
30-400 83 93,3 55 96,5 123 79,9 104 83,9 12 75,0 24 68,6 146 96,1 27 87,1 574 87,2
>400 4 4,5 2 3,5 29 18,8 20 16,1 4 25,0 11 31,4 5 3,3 1 3,2 76 11,6
Всего 89 100 57 100 154 100 124 100 16 100 35 100 152 100 31 100 658 100
$04) мг/л
<150 81 98,8 57 100 131 89,1 113 93,4 14 87,5 35 100 152 100 31 100 603 95,9
150-250 1 1,2 9 6,1 2 1,7 1 6,3 12 1,9
250-500 6 4,1 6 5,0 1 6,3 13 2,1
>500 1 0,7 0,0 0,0 1 0,2
Всего 82 100,0 57 100 147 100 121 100 16 100 35 100 152 100 31 100 629 100
С1, мг/л
<150 86 96,6 57 100 142 91,6 118 95,2 12 75,0 23 65,7 110 72,4 28 90,3 576 87,4
150-250 3 3,4 7 4,5 4 3,2 3 18,8 4 11,4 14 9,2 1 3,2 36 5,5
250-350 1 0,6 1 0,8 1 6,3 5 14,3 13 8,6 2 6,5 23 3,5
>350 5 3,2 1 0,8 0,0 3 8,6 15 9,9 0,0 24 3,6
Всего 89 100,0 57 100 155 100 124 100 16 100 35 100 152 100 31 100 659 юр
Ыа, мг/л
<20 43 48,3 45 80,4 55 35,7 46 38,3 2 14,3 2 5,7 38 25,С 17 54,8 248 38,1
20-200 43 48,3 11 19,6 88 57,1 68 56,7 11 78,6 18 51,4 82 53,^ 14 45,2 335 51,5
>200 3 3,4 0,0 11 7,1 6 5,0 1 7,1 15 42,9 32 21,1 0,0 68 10,4
Всего 89 100 1 56 100 154 100 120 100 14 100 35 100 152 100 31 100 651 100
Таблица 3. Концентрации микроэлементов в пресных
Водоносные
Содержание 0 с Б О
микроэлементов Колич. проб % Колич. проб % Колич. проб % Колич. проб %
Ре, мг/л
<0,3 26 40,6 5 20,0 21 26,3 31 43,1
0,3-1 15 23,4 12 48,0 33 41,3 30 41,7
1-10 17 26,6 8 , 32,0 25 31,3 11 15,3
>10 6 9,4 0,0 1 1,3 0,0
Р, мг/л
<0,6 1 3,7 1' 9,1 0,0
0,6-1,2 14 51,9 4 36,4 7 63,6
1,2-1,5 6 22,2 5 45,5 3 27,3
>1,5 6 22,2 1 9,1 1 9Д
А1, мг/л
<0,1 6 100,0 7 87,5 13 81,3 12 80,0
0,1-0,2 1 12,5 0,0 2 13,3
0,2-0,5 0 0,0 3 18,8 1 6,7
>0,5 0 0 , 0,0 0 0,0
Ва, мг/л
<0,1 4 36,4 5 62,5 11 47,8' 6 25,0
0,1-0,7 6 54,5 3 37,5 7 30,4 15 62,5
>0,7 1 9,1 0 5 21,7 3 # 12,5
Мп, мг/л
<0,05 . 5 45,5 6 75,0 16 69,6 20 83,3
0,05-0,1 1 9,1 2 25,0 4 17,4 1 4,2
0,1-0,5 0 0 0 0,0 3 13,0 3 12,5
>0,5 5 45,5 0 0 0 0,0 0 0,0
РЬ, мг/л
<0,005 9 81,8 5 62,5 20 87,0 20 83,3
0,005-0,01 1 9,1 0 • 0 0 0,0 3 12,5
0,01-0,03 1 9Д 2 25 3 13,0 1 4,2
>0,03 0 0,0 1 12,5 0 0,0 0 0,0
В, мг/л
<0,3 2 100,0 7 87,5 3 27,3 7 100,0
0,3-0,5 1 12,5 3 27,3
>0,5 0 5 45,5
На изучаемой территории эксплуатируются воды следующих водоносных горизонтов и комплексов (характеристика состава подземных вод дается для участков их эксплуатации с целью хозяйственно-питьевого водоснабжения):
1. Протерозойско-архейский (РЯ-АЛ) комплекс образован разнообразными кристаллическими сланцами, гра-нито-гнейсами, гнейсами и другими метаморфическими и интрузивными горными породами; воды в северной части рассматриваемой территории, как правило, пресные и ультрапресные с минерализацией 0,1-0,4 г/л, гидрокарбонатные и хлоридно-гидрокарбонатные натриевые и кальциево-натриевые.
2. Вендский (V) водоносный комплекс сложен песчаниками и алевритами, перемежающимися с глинами и аргиллитами. Минерализация вод плавно увеличивается с севера на юг. Причем в северо-западной части территории, где происходит интенсивный водообмен (питание и разгрузка), минерализация вод низка и колеблется от 0,1 до 0,2 г/л, воды гидрокарбонатные со смешанным катионным составом. В восточном и юго-восточном направлениях, где разгрузка вод прекращается и водоносный горизонт углубляется, она последовательно возрастает до 88
подземных водах Санкт-Петербургского региона
комплексы Всего
е-о С V АЯ-РЯ
Колич. проб % Колич. проб % Колич. проб % Колич. проб % Колич. проб %
1 11,1 10 62,5 42 42,9 5 22,7 191 49,5
5 55,6 3 18,8 36 36,7 8 36,4 92 23,8
3 33,3 3 18,8 20 20,4 9 40,9 95 24,6
0,0 0,0 0,0 0 0,0 8 2,1
0,0 0 0,0 0,0 2 2,9
2 100,0 3 20,0 1 25,0 26 37,1
0,0 5 33,3 2 50,0 22 31,4
0,0 7 46,7- 1 25,0 20 28,6
1 100,0 1 100,0 33 86,8 5 71,4 78 84,8
4 10,5 2 28,6 9 9,8
0 0,0 0,0 4 4,3
1 2,6 0,0 1 1,1
1 25,0 3 60,0 8 17,8 6 85,7 44 34,6
2 50,0 2 40,0 28 62,2 1 14,3 64 50,4
1 25 0 9 20,0 0,0 19 15,0
3 75,0 4 80,0 21 46,7 1 14,3 76 59,8
0,0 0,0 11 24,4 1 14,3 20 15,7
1 25 0 6 13,3 5 71,4 18 14,2
0 1 20 7 15,6 0,0 13 10,2
3 75,0 2 40 40 88,9 6 85,7 105 82,7
- 0,0 3 60 1 2,2 1 14,3 9 7,1
1 25 0 4 8,9 0,0 12 9,4
0 0 0,0 0,0 1 0,8
0 0 21 70,0 2 100,0 42 70,0
о 0 1 3,3 5 8,3
0 0 8 26,7 13 21,7
1 г/л. Южнее линии г. Сестрорецк - ст. Песочная - ст. Пери - пос. Никулясы (бывшие) минерализация превышает 1 г/л, а воды становятся хлоридными натриевыми.
3. Нижне-кембрийский (С^т) водоносный комплекс, представленный ломоносовским горизонтом, состоит из мелко- и среднезернистых песчаников, переслаивающихся тонкими прослоями алевролитов и глин. В юго-западной части территории горизонт содержит пресные воды гидрокарбонатного натриевого состава с минерализацией 0,5-0,7 г/л, в северо-западной - пресные воды гидрокарбонатного и хлоридно-гидрокарбонатного натриево-кальциевого составов с минерализацией 0,1-0,6 г/л.
4. Кембро-ордовикский (€-0) водоносный горизонт сложен песками и слабосцементированными песчаниками тонко- и мелкозернистыми с маломощными прослоями глин и алевролитов. Как источник водоснабжения, наибольшее значение он имеет в приглинтовой полосе, где распространены пресные воды с минерализацией 0,3-0,5 г/л, гидрокарбонатного магниево-кальциевого состава.
5. Ордовикский (О) водоносный комплекс приурочен к трещиноватым закарстованным известнякам ордовикского возраста. На большей части этой территории подземные воды пресные, с минерализацией 0,3-0,5 г/л, гидрокарбонатные магниево-кальциевые и кальциево-магниевые, умеренно жесткие и жесткие.
6. Девонский (Б) водоносный комплекс на большей территории сложен песчано-глинистыми породами, менее распространены мергели, известняки и доломиты. Подземные воды гидрокарбонатные кальциево-магниевые и магниево-кальциевые с минерализацией 0,2-0,6 г/л.
7. Водоносный комплекс отложений карбона (С) приурочен к трещиноватым известнякам каменноугольного возраста. Воды пресные, жесткие, гидрокарбонатные кальциево-магниевые с минерализацией 0,4-0,6 г/л.
8. Четвертичный (0) водоносный комплекс в местах эксплуатации приурочен в основном к межморенным отложениям. Воды гидрокарбонатные со смешанным катионным составом, минерализация 0,15-0,3 г/л.
В настоящее время антропогенное загрязнение водоносных горизонтов, используемых для централизованного водоснабжения в Санкт-Петербургском регионе, носит локальный характер, и, несмотря на всю важность данной проблемы, основное влияние на качество подземных вод оказывает их естественный состав.
В табл. 2 представлены результаты оценки качества подземных вод с учетом только макрокомпонентного состава и распределение концентраций макрокомпонентов, влияющих на данную оценку. В целом по Санкт-Петербургскому региону при оценке качества воды, с позиций соответствия ее состава требованиям к воде для централизованного водоснабжения, среди макрокомпонентов наибольший процент превышения ПДК характерен для ионов натрия (10%), на втором месте - суммарная концентрация ионов кальция и магния (общая жесткость 5%) и на третьем - ионы хлора (4%). Наиболее часто превышение ПДК ионами натрия можно встретить в ломоносовском водоносном горизонте (43%) и вендском водоносном комплексе (21%), причем в первом случае это связано с гидрокарбонатно-натриевым составом воды, а во втором - с переходом гидрокарбонатно-натриевого состава в хлоридно-натриевый. Общая жесткость наиболее часто повышена в водах, приуроченных к карбонатным отложениям ордовика (12%) и терригенно-карбонатным отложениям кембро-ордовика (18%) и девона (11%). Величина жесткости обусловлена не только химическим составом водов мешающих пород, но и интенсивностью водообмена. Так, наблюдения за составом воды эксплуатирующихся скважин показали в большинстве случаев ее уменьшение после начала работы скважины. Концентрация ионов хлора наиболее часто превышает ПДК в водах ломоносовского водоносного горизонта (9%) и вендского водоносного комплекса (10%), при этом следует еще раз подчеркнуть, что речь идет только об участках эксплуатации данных горизонтов для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения.
При оценке качества воды, с позиций соответствия ее состава требованиям к воде высшей категории качества, среди макрокомпонентов наибольший процент превышения ПДК типичен для ионов натрия (62%), на втором месте - суммарная концентрация ионов кальция и магния (общая жесткость 30%), а на третьем - гидрокарбонаты (12,8%) и ионы хлора (12,6%). Воды с содержанием натрия менее 20 мг/л преобладают только в каменноугольных карбонатных отложениях и в гранитах и гран ито-гнейсах архей-протерозойского возраста. Вообще в целом для региона можно отметить увеличение концентрации натрия (и хлора) по мере возрастания «седиментационной» составляющей в химическом составе воды. В процент проб, не соответствующих требованиям к воде высшего качества по общей жесткости, основной вклад вносят мягкие воды с жесткостью менее 1,5 мг-экв./л (25%). Такие воды характерны прежде всего для водоносных горизонтов, приуроченных к кембрийским, вендским и четвертичным отложениям (57, 52 и 47% соответственно), а также к архей-протерозойским породам (45%). Несоответствие концентрации гидрокарбонатов требованиям к воде высшей категории качества связано главным образом с их высокой щелочностью (11,6%). Самую большую щелочность имеют воды кембрийских и кембро-ордовикских отложений. Превышение ПДК по содержанию хлора свойственно, в первую очередь водам ломоносовского водоносного горизонта (34%) и вендского водоносного комплекса (28%). Это вызвано общим повышением минерализации и возрастанием «седиментационной» составляющей в химическом составе воды по мере погружения данных горизонтов в юго-восточном направлении на большую глубину.
Наилучшими для питья по макрокомпонентному составу являются воды каменноугольных отложений. Более 70% проб, отобранных из различных водопунктов, эксплуатирующих воды данных отложений, по макрокомпонентному составу соответствуют требованиям, предъявляемым к питьевой воде высшего качества. Для сравнения, в водопунктах, эксплуатирующих воды ордовикских отложений, вода по макрокомпонентному составу соответствует требованиям, предъявляемым к питьевой воде высшего качества, только в 28 случаях из 100. Практически отсутствуют воды высшего качества в водоносных горизонтах кембрия и венда (менее 5%).
Среди микроэлементов, регламентирующих качество подземных вод Сан^-Петербургского региона, основными являются Ре, Мп, Ва, В, Р, А1 и РЬ. В табл. 3 приводится их распределение по концентрациям, определяющее отнесение воды к той или иной категории качества. Все семь основных микроэлементов, регламентирующих качество воды в водоносных горизонтах, достаточно широко распространены в водовмещающих породах региона. В табл. 4 приведены данньш А. Б. Ронова и А. А. Мигдисова по распространенности элементов в алевропесчаниках и карбонатах Русской платформы [1]. Из них следует, что величина их концентраций в подземных водах, как правило, лимитируется физико-химическими условиями перехода из твердой фазы в жидкую.
В отдельных водоносных горизонтах отмечаются повышенные, относительно существующих нормативов, концентрации Вг, Яп и Яа.
Требования к питьевой воде высшей и первой категорий качества настолько строги, что подземные пресные воды, соответствующие им, являются дефицитным, особо ценным ресурсом. По мере увеличения числа определяемых компонентов процент водогтунктов, содержащих воду высшей и первой категорий качества, уменьшается.
Таблица 4. Распространенность элементов в алевропесчаниках и карбонатах Русской платформы (мг/кг)
Элементы
Fe
Мп
Ва
В
F
Al
Pb
Алевропесчаные породы
30120 540 566 86 363 49320 12,4
Карбонатные породы
8650 310 84 61 581 7780 7
На рисунке представлено распределение по категориям качества пресных подземных вод Санкт-Петербургского региона. На нем видно, что если по макрокомпонентному составу высшей и первой категориям качества соответствует вода 75% эксплуатируемых скважин, то с учетом 25 основных микроэлементов - менее 20%. Следует отметить, что в число рассматриваемых микроэлементов не входят радиоактивные элементы, содержание которых в воде ряда водоносных горизонтов региона иногда превышает существующие нормативы. Как отмечалось выше, при отнесении воды к высшей категории качества не учитывалось содержание йода.
Ш /
Ш2
В 3
U4
Категории качества маломинерализованных подземных вод Санкт-Петербургского региона. а - с учетом макрокомпонентов (660 скв.), б - с учетом макрокомпонентов и Fe (386 скв.), в - с учетом макрокомпонентов и 25 микроэлементов (127 скв.) Качество воды: 1 - высшая категория, 2- первая категория, 3 - соответствие СанПиН, 4 - удовлетворительное качество, 5 - неудовлетворительное качество.
Для более полного представления о гидрогеохимии основных микроэлементов были рассчитаны преобладающие формы их миграции. Расчет миграционных форм был выполнен с использованием программы SOFA, которая является ключевым блоком программного комплекса S03D, аттестованного Госатомнадзором РФ для моделирова-
ния процессов миграции радионуклидов в подземных водах (авторы В. Н. Озябкин, С. В. Озябкин) [2]. При расчете учитывался весь макро- и микрокомпонентный составы воды.
Среди выделенных микроэлементов встречаются элементы как с переменной, так и с постоянной валентностью. Следует отметить, что концентрации элементов с переменной валентностью в основном связаны с окислительно-восстановительными и щелочно-кислотными условиями в водоносных горизонтах и с составом водовме-щающих пород (Fe, Мп), концентрации элементов с постоянной валентностью - с литологией, минеральным составом водовмещающих пород и их обменным ионно-солевым комплексом и палеогидрогеологическими условиями. Повышенные концентрации 226Ra, 222Rn в первую очередь определяются содержанием урана и радия в водовмещающих породах.
Наибольшие концентрации Fe (до 30 мг/л) отмечаются в подземных водах, приуроченных к четвертичным отложениям в местах, где они перекрыты водоупорными породами, и соответственно в горизонтах имеют место восстановительные условия (Eh = 50-100). Для остальных горизонтов характерны низкие концентрации Fe (менее 1,0 мг/л), при высоких значениях Eh (до +400) и повышенные Fe (до 3-5 мг/л) при уменьшении Eh. Увеличению концентрации железа способствует наличие в воде органических веществ гумусового ряда. С одной стороны, они способствуют понижению Eh, а с другой - образуют устойчивые комплексы с Fe3*. Мигрирует железо при восстановительных условиях, в основном в виде ионов Fe2+ и FeHC03+, а в окислительных условиях - ионных ассоциаций Fe(OH)3°, Fe(OHV и FeOK+. Наиболее часто повышенные содержания ионов железа (более 1 мг/л) встречаются в водах, приуроченных к архей-протерозойским породам (40%), четвертичным отложениям (36%), а также к толщам карбона, девона и кембро-ордовика (32, 32,6 и 33% соответственно).
Распределение концентраций Мп, благодаря общности геохимических свойств, подчиняется тем же закономерностям, что и Fe. Однако распространение Mn-содержащих минералов несколько отличается. Повышенные концентрации данного элемента отмечены в напорных водоносных горизонтах, приуроченных к четвертичным отложениям. Мигрирует Мп в основном в виде иона Мп2+ (до 90%) и ионных ассоциаций с анионом С032~ и НСОз" и в значительно меньшей степени SOj2-. Наиболее часто высокие концентрации Мп (более 0,5 мг/л) встречаются в водах четвертичных (45%) и вендских (16%) отложений.
Повышенные концентрации Ва связаны с наличием Ва-содержащих минералов (барита и баритокальцита) и лимитируются присутствием в воде сульфатов из-за низкой растворимости сульфата бария. Максимальные концентрации отмечены в вендском водоносном комплексе - до 1,2 мг/л, ордовикском водоносном горизонте -до 2,7 мг/л, в водах девонского комплекса - до 1,7 мг/л, в кембро-ордовикском водоносном комплексе -до 1,7 мг/л, в водах четвертичных отложений - до 0,9 мг/л. Следует отметить, что в большинстве проб по всем водоносным горизонтам концентрация Ва превышает ПДК, установленное для питьевых вод высшей категории качества (0,1 мг/л), однако меньше величины, рекомендуемой как максимально допустимая концентрация ВОЗ (0,7 мг/л) и принятой в последнее время для централизованного водоснабжения в России. Мигрирует Ва в основном в виде иона Ва2+ (до 90%), комплексного иона Ва(НС03)+ и ионной ассоциации BaSO40. Наиболее часто концентрации бария более 0,7 мг/л встречаются в подземных водах девонских (22%) и вендских (20%) отложений. Самые низкие концентрации отмечаются в водах, приуроченных к архей-протерозойским породам.
Источником бора в подземных водах могут служить горные породы - соленосные отложения и скарны, а также глины, в которых может присутствовать бор, сорбированный из морской воды. Формы миграции бора зависят от рН среды. Поскольку натриевые соли борных кислот имеют сравнительно высокую растворимость (например, Na2B407 - 26 г/л), а кальциевые и магниевые - низкую, бор хорошо мигрирует в щелочных водах, плохо - в жестких. Повышенные концентрации В (более 0,5 мг/л) наиболее часто отмечаются в водах девонских (45%) и вендских (27%) отложений, причем они возрастают вместе с минерализацией. В целом для всех водоносных горизонтов коэффициент корреляции между минерализацией и содержанием бора составляет 0,62, а для наиболее изученного вендского водоносного комплекса - 0,75. По всей видимости, это связано с наличием данного элемента в водах морского генезиса, встречающихся в комплексах водовмещающих пород. И, как следствие, повышение концентраций бора приурочено к местам наименьшей промытости инфильтрационными водами. Мигрирует бор в основном (около 90%) в виде иона дигидробората (Н2В03~) и комплексных ионов дигидробората с катионами кальция и магния.
Данные по концентрации фтора у нас имеются не по всем эксплуатируемым водоносным горизонтам и комплексам. Миграционная способность фтора в водах в значительной степени зависит от содержания кальция, образующего со фтором малорастворимые соединения. Повышение рН способствуют увеличению его подвижности. В целом на рассматриваемой территории связи концентрации фтора с химическим составом воды не установлено. Все парные коэффициенты корреляции имеют незначимую величину, а это может свидетельствовать о том, что величина концентрации фтора в данном случае контролируется неравномерностью распределения фторсодержа-щих минералов. Исключение составляют воды, приуроченные к ордовикским отложениям. Здесь наблюдаются прямая парная корреляция концентрации фтора с концентрациями ионов хлора, сульфата и магния (коэффициенты корреляции 0,68; 0,70 и 0,71 соответственно) и отсутствие связи с концентрациями ионов гидрокарбоната и кальция (коэффициенты корреляции 0,39 и 0,02). Это может свидетельствовать о том, что в данном случае существенную роль в увеличении концентрации фтора играет «седиментационная» составляющая химического состава воды. Однако полученные результаты нельзя считать полностью корректными из-за небольшой выборки по водам ордовикских отложений (11 проб). Наиболее часто повышенные (более 1,5 мг/л) концентрации фтора встречаются в
водах, приуроченных к вендским (47%) и четвертичным (22%) отложениям, а также к архей-протерозойским породам (25%). Мигрирует фтор в основном в виде аниона F" (более 90%), а также комплексных ионов с катионами алюминия, магния, кальция и других металлов.
Концентрация алюминия в подземных водах региона в целом невелика, и до введения новых нормативов качества питьевой воды, как правило, не рассматривалась. Но введение новых ПДК (0,1 мг/л для воды категории высшего качества) привело к тому, что теперь при оценке качества воды содержание алюминия может определить* к какой категории качества относится та или иная вода. В подземные воды алюминий поступает главным образом в процессе выветривания различных алюмосиликатов. В воде он может находиться в истинных растворах и коллоидной форме. Концентрации более 0,1 мг/л встречаются в подземных водах региона в 15% проб. Наибольшее относительное число повышенных концентраций было встречено в подземных водах, приуроченных к архей-протерозойским породам (28%). Мигрирует алюминий в основном в виде комплексных соединений с гидроксиль-ной группой и ионом фтора.
Концентрация свинца в подземных водах региона в целом незначительна, и до введения новых нормативов качества питьевой воды, так же как и алюминий, как правило, не рассматривалась. Однако введение новых ПДК (0,005 мг/л для воды категории высшего качества) привело к тому, что теперь при оценке качества воды содержание свинца может определить, к какой категории качества относится та или иная вода. Концентрации свинца более 0,005 мг/л встречаются в подземных водах региона в 17% проб. Наибольшее относительное число повышенных его концентраций было обнаружено в подземных водах, приуроченных к каменноугольным отложениям (37%). Мигрирует свинец в основном в виде комплексных соединений с гидроксильной группой и ионами карбоната и гидро-кэдбоната; ионы РЬ2+ составляют, как правило, не более 10% от общего содержания элемента в воде.
Повышенные концентрации брома отмечаются в водах вендского комплекса, причем они возрастают вместе с минерализацией и достигают максимальных значений для пресных вод (до 1 г/л) при переходе состава вод от НСОз-Na к Cl-Na. По всей видимости, это связано с наличием данного галофильного элемента в водах морского генезиса, встречающихся в комплексе водовмещающих вендских песчаников и прослоях аргиллитов и алевритов. И, как следствие, увеличение его концентраций приурочено к местам наименьшей промытости инфильтрационны-ми водами.
Значительные концентрации в воде 226Ra и 222Rn тесно связаны друг с другом, однако прямой корреляции не установлено. По-видимому, это обусловлено большей миграционной способностью радона. Наиболее высокие концентрации 226Ra приурочены к подземным водам вендских отложений в местах, где они залегают непосредственно на архейско-протерозойских породах фундамента, а воды имеют хлоридный натриевый состав и минерализацию более 1 г/л (до 5,7 Бк/л). Максимальные концентрации 222Rn встречаются в подземных водах, приуроченных к отложениям кембро-ордовика и гранитным интрузиям (до 700 Бк/л). Поскольку концентрация радона в воде в первую очередь определяется содержанием радия в водовмещающих породах, ее распределение в пределах отдельного водоносного горизонта может быть очень неравномерно: в пределах одного водозабора, в отдельных водозаборных скважинах, она может различаться в несколько раз.
Таким образом, на основании вышеприведенных данных можно прийти к следующим выводам:
1) в пределах Санкт-Петербургского региона подземные маломинерализованные воды, соответствующие требованиям высшей и первой категорий качества, являются дефицитным, особо ценным ресурсом;
2) наиболее благоприятные условия для формирования подземных вод высшей категории качества существуют в комплексах карбонатных пород, перекрытых слабопроницаемыми породами и содержащих воду преимущественно инфильтрационного генезиса;
3) к основным факторам, определяющим уровень концентрации выделенных микроэлементов в подземных водах, относятся неоднородность минералогического состава водовмещающих пород, палеогидрогеологические условия и физико-химические условия перехода элемента из твердой фазы в раствор.
Summary
Shvarts А. A. Chemical composition of ground water in the area of St.-Petersburg in view of new requirements to the portable water quality.
New documents normalizing the portable water quality are considered. A new classification to qualify the ground water for drinking is proposed in terms of its chemical composition meeting the new requirements. The elements mainly responsible for worsening the ground water quality in the area are identified.
Литература
1. Ронов А. Я, Мигдисов A. А. Количественные закономерности строения и состава осадочных толщ Восточноевропейской платформы и Русской плиты и их место в ряду древних платформ мира // Литология и полезные ископаемые. 1996. № 5. 2. Озябкии В. Н., ОзябкинС. В. Программные имитаторы для моделирования геохимической миграции неорганических загрязнений // Геоэкология. 1996. № 1.
Статья поступила в редакцию 5 октября 2004 г.
