VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование экологического состояния минеральных источников г. Пятигорска

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Подшивалов А.П. 1

---

1МБОУ СОШ № 1

Извекова Е.Ю. 1Извекова Т.Г. 1

---

1МБОУ СОШ № 1

Работа в формате PDF

719.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Юг России располагает большим количеством месторождений известных в мире типов минеральных вод, суточный дебит которых составляет более 40 тыс. куб. м и 20-ю месторождениями различных по составу лечебных грязей. Наличие такого огромного потенциала природных ресурсов обеспечивает каждому субъекту Юга России возможность организации на своей территории современной курортной помощи населению, развития туризма и различных форм оздоровительного отдыха.

Гидроминеральные ресурсы курортов Юга России представлены углекислыми, сульфатными, йодо-бромными, радоновыми, кремнистыми, железистыми, мышьяковистыми, борными и др. водами. Широко известны: крепкие и очень крепкие сероводородные воды Мацесты; крепкие сероводородные воды гидрокарбонатно-хлоридного натриевого состава курорта Горячий ключ Краснодарского края; хлоридно-сульфатные натриевые, йодные воды Анапы; сульфидные, йодобромные, азотные, термальные источников на территории Республики Дагестан (курорты Каякент, Талги, лечебно-оздоровительные местности Кизилюрт, Кизляр и Цумадинский); йодо-бромные, борные и воды без специфических компонентов Черногрязского, Приютненского и Комсомольского месторождений Калмыкии; в Карачаево-Черкесской Республике — большие запасы минеральных вод различного химического состава и минерализации; в Тамиске (республика Северная Осетия — Алания)— крепкие сероводородные воды сульфатно-магниево-кальциевого состава, Типского месторождения; в г. Ейске — слабосероводородные воды различного ионного состава; в Хадыженске — йодо - бромные хлоридные натриевые воды; в Ростовской области в районе городов Сальска, Аксая, Зернограда — воды сложного ионного состава; в Волгоградской области — хлоридные натриевые воды с повышенным содержанием брома (Жирновский район, Качалинское месторождение); в Кабардино-Балкарии - йодо-бромные воды курорта Нальчик, минеральные воды Малкинского, Аушигерского месторождений; минеральные воды различного состава Астраханской области. Среди этого разнообразия бальнеофакторов особое место принадлежит уникальным гидроминеральным ресурсам Кавказских Минеральных Вод. Это жемчужина России, круглогодичный бальнеологический, грязевой и климатический курорт, не имеющий аналогов на всем Евро-Азиатском континенте. Уникальность региона заключается в том, что здесь, на относительно небольшой территории, площадью 5,8 тыс. кв. км, сконцентрировано более 100 источников минеральной воды 14 различных типов. Они сосредоточены на 24 месторождениях и участках с общими эксплуатационными запасами около 16 тыс. кубометров в сутки

Актуальность: экологи утверждают, что если на КМВ оставить все как есть - действующие заводы, города и поселки, свалки, потоки транспорта, насосы, выкачивающие воду из недр, то через некоторое время, когда загрязнятся глубокие водоносные горизонты, воды окончательно утратят лечебные свойства, и на месте курортов останется заурядное местообитание людей. Чтобы спасти уникальные курорты, нужно, чтобы население, и, прежде всего молодежь, учащиеся, глубоко осознали суть экологической ситуации в регионе.

Цель наших исследований - предпринять попытку проанализировать факторы антропогенной деятельности и дать оценку реального экологического состояния минеральных источников города Пятигорска.

Задачи: организация мониторинга по режимам минеральных вод в условиях эксплуатации; посильное обеспечение охраны месторождения и охраны окружающей его природы.

1. Месторождения минеральных вод в регионе КМВ

В регионе Кавказских Минеральных Вод разведано 20 месторождений минеральных вод различных типов с суммарными запасами в количестве более 16 тысяч кубических метров в сутки. Добыча подземных минеральных вод здесь в настоящее время ведется 26 недропользователями из 102 эксплуатационных скважин. Регион КМВ обладает громадным потенциалом ресурсов минеральных вод различных типов, используемых для питьевого и бальнеологического лечения на четырех курортах и для розлива на 46 заводах. В конце 80-х годов двадцатого столетия на эти цели шло около 6 -7 тысяч м³/сутки минеральных вод различных типов. Весьма актуальными являются проблемы горно-санитарной охраны месторождений минеральных вод и лечебной грязи. В начале 21 века для защиты минеральных вод были разработаны и утверждены, так называемые, «Горные отводы» для всех эксплуатационных объектов (скважины, источники). К сожалению, эти «горные отводы» имеют защитное влияние только на площади в радиусе от нескольких - до максимум 30 м от оголовка источника или скважины, а вся остальная территория месторождений фактически не защищена от вторжения в горные породы, в которых формируются минеральные воды. Таким образом, в настоящее время главными задачами являются более полное использование природных курортных ресурсов и сохранение гидроминеральной базы курортов КМВ, как основы их нормального функционирования и развития. (фото 1)

Из многих чудес природы, которыми богато наше Ставрополье, самое удивительное - магматические горы Пятигорья. Гигантскими каменными останцами они высятся над Минераловодской предгорной равниной, маня к себе зубцами причудливых скал, разливами пышных лесов и лугов. Но главное их богатство - это целебные воды, создаваемые природой в потаенных подземных лабораториях.

По разнообразию подземных вод у Пятигорья нет аналогов в мире. Здесь распространены минеральные воды десятков наименований: углекислые, сероводородные, радоновые, азотные, гидрокарбонатные, сульфатные, соляно-щелочные; с различными сочетаниями растворенных солей, газов и микроком­понентов, с разными концентрациями и разными температурами. Что ни гора, то свои источники - машукские, железноводские, бештаугорские, лысогорские, змеегорские, кумагорские. Со всех уголков страны, да и всего мира к нам едет отдыхать и лечиться большое количество людей. Здесь можно лечить нервную систему, органы пищеварения, кровообращения, кожные и другие заболевания. Поэтому курорты Кавказских Минеральных Вод получили мировую известность и славу.

Пятигорск - один из лучших и красивейших городов Северного Кавказа, город славного прошлого и блистательного будущего; бальнеологический и грязевый курорт, который входит в число 115 городов России, объявленных историческими. Своим рождением наш город обязан обнаруженным здесь источникам целебной воды. Природа одарила этот благодатный уголок ставропольской земли, на «пятачке» - 80 километров в длину и 30 в ширину - более 150 горячих, теплых и холодных источников. В одном только Пятигорске их - 50! Кроме специфически «пятигорских» вод здесь можно встретить источники, близкие по составу к кисловодскому Нарзану, различным номерам «Ессентуков», к водам Арзни, Боржоми, Мацеста. Пятигорск завоевал мировую славу, а его подземные «аптеки» ныне выдают «на - гора» около миллиона кубометров целебной воды в год. Тут есть почти все типы лечебных вод, причем каждый из них имеет свои, присущие ему одному, свойства. Наш родной Пятигорск входит в состав особо охраняемого эколого-курортного региона - Кавказские Минеральные Воды.

2. Материал и методика исследований

В качестве материала для исследования были взяты пробы минеральных вод различных источников. Заборы проводились в разные дни и разное время суток. Исследования осуществлялись по методике Алексеева С.В., Груздева Н.В., Грушина Э.В., изложенной в «Экологическом практикуме школьника» (2005 г).

Для проведения органолептических исследований и определения водородного показателя были использованы «Методы определения вредных веществ в воде водоемов» (1981г.), под редакцией члена-корреспондента АМН СССР, профессора А. П. Шицковой. Определение бактериологических показателей проводилось по методике Мансуровой С.Е., Кокуевой Г.Н. «Школьный практикум», (2001г.), в лаборатории Роспотребнадзора, городского центра гигиены и эпидемиологии Пятигорска. (фото 2)

3. Работа по исследованию минеральных вод.

3.1 Определение содержания ионов водорода в воде: рН-фактор воды.

Оборудование и реактивы: пробы воды, универсальная лакмусовая бумага, цветная шкала рН.

Ход работы:

В пробирку с исследуемой водой опустили лакмусовую бумагу. Окраску сравнили с контрольной шкалой, выбрать ближайший по характеру образец шкалы. Данные заносятся в таблицу №1.1.

Примечание. Определение производится немедленно после взятия пробы, т.к. изменение температуры влияет на знаменатель рН.

Результат работы: Пробы брались в разные дни и в разное время суток. Но несмотря на это, значения рН практически не изменялись. В городе Пятигорске минеральные воды имеют слабокислую (5,5 - 6,8), нейтральную (6,8 - 7,2) или слабощелочную (7,2 - 8,5) реакции.

3.2 Определение температуры минеральной воды.

Работа выполняется с помощью термометра для измерения температуры воды. Пробы берутся в разное время суток. Данные заносятся в таблицу №1.2.

Результат работы: Температура минеральной воды, на момент анализа, практически равна нормативной и не зависит от времени суток и дня забора у всех источников, за исключением источника № 1. Наибольшая разница в температуре у источника № 1 наблюдается в 9 и 12 часов, она составляет соответственно 9 и 8 градусов. В городе Пятигорске минеральные воды имеют холодные (4° - 20°), тёплые (слаботермальные) (20° - 35°), горячие (термальные) (35° - 42°), очень горячие (высокотермальные) (42° - 100°) температуры.

3.3. Определение скорости наполнения емкости минеральной водой за определенный промежуток времени.

Работа производится с помощью секундомера; емкости (0,5 л). Данные заносятся в таблицу №1.3.

Результат работы: Наибольший забор воды наблюдается между 15-16 часами, но незначительные колебания происходят между 16-17 часами. Отмечено, что наблюдается истощение источника № 17, где включение идет по мере необходимости. В то время, как в остальных источниках вода идет постоянно. Чем выше забор, тем меньше скорость наполнения.

3.4 Санитарно-бактериологический режим.

Оборудование: чашки Петри, МПА (мясо - пептонный агар пипетки).

Ход работы:

Приготовили питательную среду (МПА) и разлить по чашкам Петри. В стерильную склянку набрали воду для исследований (анализ необходимо проводить в течение часа). Исследуемую воду с помощью пипетки нанесли на МПА. Все чашки поместили в теплое место (желательно в термостат) на несколько суток. Оптимальная температура +25°. По истечении времени произвели подсчёт колоний. Данные занесли в таблицу № 1.4.

Примечание. Цвет колонии кишечной палочки (Е coli) - ярко зелёного цвета.

Результат работы: Патогенной флоры не обнаружено. Источники с загрязненными водами наблюдаются среди всех типов минеральных вод, что подтверждается результатами бактериологических исследований. Наибольшее число колоний в углекислых, слабосероводородных источниках. Углекислые воды загрязнены вследствие ухудшения экологической обстановки на площади их вскрытия и использования. Эта площадь полностью урбанизирована, т.е. застроена городскими административными и жилыми домами, а также курортными сооружениями разного назначения. Ряд источников из - за неудовлетворительного санитарно - бактериологического состояния были закрыты. Колонии кишечных палочек в исследуемых источниках не были нами обнаружены.

3.5 Исследования химического состава минеральных вод.

1. Для определения присутствия сульфат – аниона взяли пробу воды. Добавили раствор хлорида бария. Если наблюдается выпадение белого осадка, нерастворимого в азотной кислоте, то в данном образце минеральной воды присутствует сульфат- анион.

Ва²⁺ + S0₄^2- = ВаS0₄

2. Для определения присутствия хлорид – аниона взяли пробу воды. Добавили раствор нитрата серебра. О присутствии хлорид - аниона свидетельствует выпавший белый - творожистый осадок.

Аg⁺ +Сl^—=АgС1

3. Для определения присутствия гидрокарбонат – аниона взяли пробу воды, добавили кислоту. Если наблюдается выделение газа, значит, данный анион присутствует в воде.

СО₂^2- + 2Н⁺= Н₂О + СО₂

НСО^- + Н⁺ = Н₂О + СО₂

3. Для определения присутствия сульфид – анионов взяли пробу воды. Добавили раствор нитрата свинца. Если наблюдается выпадение осадка чёрного цвета, значит, в пробе присутствует сульфид - ион.

Pb₂₊ + S^{2 -} = PbS

3.6 Количественный химический анализ минеральных вод.

1. Для определения сульфат – анионов поместили в отверстие мутномера две пробирки с рисунком на дне. В одну из пробирок налили анализируемую воду до высоты 100 мм. Добавили пипеткой 2 капли раствора соляной кислоты и 15 капель раствора нитрата бария, соблюдая осторожность (нитрат бария токсичен). Герметично закрыли пробирку пробкой и встряхнули, чтобы перемешать содержимое. Пробирку с раствором оставили на 6 минут для образования белого осадка (суспензии). Закрытую пробирку снова встряхнули, чтобы перемешать содержимое. Пипеткой перенесли образовавшуюся суспензию во вторую пробирку до момента появления изображения рисунка на дне. Измерили высоту столба суспензии в первой пробирке (h₁ мм). Наблюдение проводили, направляя свет на вращающийся экран мутномера, установленный под 45°. Продолжили переносить суспензию во вторую пробирку до тех пор, пока в ней не скрылся изображаемый рисунок. Измерили высоту столбика суспензии во второй пробирке (h₂ мм). Рассчитали среднеарифметическое измерение высоты суспензии h.

Для определения хлорид – аниона в колбу налили 10 мл анализируемой воды. Добавили в колбу пипеткой - капельницей 3 капли раствора хромата калия. Герметично закрыли колбу пробкой, встряхнули до перемешивания содержимого. Постепенно титровали содержимое колбы раствором нитрата серебра (АgNO₃) до появления неисчезающей бурой окраски. Определили объём раствора, израсходованный на титрование. Рассчитали массовую концентрацию хлорид - аниона.

2. Для определения карбонат - и гидрокарбонат – анионов в склянку налили 10 мл анализируемой воды. Добавили в склянку пипеткой 5-6 капель раствора фенолфталеина.

Примечание. При отсутствии окрашивания раствора, либо при слабо - розовом окрашивании считают, что НСО₃^-в пробе отсутствует (рН пробы меньше 8,0 - 8,2).

Добавили пипеткой 1-2 капли раствора метилового оранжевого. Проба приобрела жёлтую окраску. Постепенно титруем пробу раствором соляной кислоты (0.05 н) при перемешивании до перехода жёлтой окраски в розовую. Определяем объём раствора, израсходованного на титрование. Рассчитали массовую концентрацию НСО₃^-.

Результат работы:

1) Источник № 16: углекислая сероводородная вода.

Химический состав воды (в г/л):

1. Для определения НСО₃ рассчитали объем израсходованного на титрование раствора - 5,47 мл. Произвели расчет массовой концентрации НСО₃^-: Сгк = 5,47 х 305 = 1670 мг/л или 1,670 г/л.

2. При определении SO₄ ^2-изображение на дне мутномерной пробирки возникает при высоте столба суспензии 40 мл (таблица 12.9), поэтому пробу разбавляем дистиллированной водой. В данном случае разбавление произвели в 16 раз, т.к. суспензия оказалась слишком концентрированной. Данной высоте суспензии соответствует массовая концентрация 804 - 53 мг/л. Но т. к. разбавление произвели 16 раз, полученный результат умножаем на 16.

Ссульф = 53 х 16 = 848 г/мл или 0,848 г/л.

3. Для определения Cl^- провели титрование анализируемой воды. Определили объем раствора, израсходованный на титрование - 6,25 мл. Произвели расчеты: 6,25 х 178 = 1114,3 мг/л или 1,114 г/л.

2) Источник № 24: углекисло-гидрокарбонатно -хлоридо-натриевая вода.

Химический состав воды (в г/л)

1. Для определения НСО₃^- рассчитали объем израсходованного на титрование раствора - 5,62 мл. Произвели расчет массовой концентрации НСО₃^-: 5,62х 305 = 1714 мг/л или 1,714 г/л.

2. При определении SO₄ ^2-, выяснили, чтоданной высоте столба суспензии соответствует массовая концентрация SО₄ - 47 мг/л. Разбавление производили 16 раз. Ссульф = 47 х 16 = 752 мг/л или 0,752 г/л.

3. Для определения Cl^- провели титрование анализируемой воды. Определили объем раствора на титрование. - 5,12 мл. Произвели расчеты: 5,12 х 178 = 911,36 мг/л (0,911 г/л)

3) Источник № 7 им. И.П.Павлова (юго-западный склон горы Машук, близ санатория им. Лермонтова): углекислая вода

Химический состав воды (в г/л)

1. При определении НСО₃^- рассчитали объем израсходованного на титрование раствора 5,45 мл. Расчет массовой концентрации гидрокарбонат - анионов: 5,45 х 305 = 1662 мг/л или 1,662 г/л.

2. При определении сульфат – анионов выяснили что данной высоте суспензии соответствует массовая концентрация S0₄- 53 мг/л. Разбавление производили 16 раз. Поэтому Ссульф = 53 х 16 = 848 мг/л или 0,848 г/л.

3. Для определения Cl^- провели титрование анализируемой воды. Определили объем раствора на титрование - 5,8 мл. Произвели расчеты: 5,8 х 178 = 1032,4 мг/л или 1,032 г/л

4) Источник № 1: буровая им. И.И.Володкевича (около санатория «Тарханы»)

Химический состав воды (в г/л

1. Для определения НСО₃ рассчитали объем израсходованного на титрование раствора 5,47 мл. Произвели расчет массовой концентрации гидрокарбонат - анионов: 5,47 х 305 = 1668,35 мг/л или 1,6683 г/л.

2. При определении SO₄ ^2-выяснили, чтоданной высоте суспензии соответствует массовая концентрация SО₄ - 53 мг/л. Разбавление производили 16 раз. Поэтому С сульф = 53 х 16 = 848 мг/л или 0,848 г/л.

3. Для определения Cl^- провели титрование анализируемой воды. Определили объем раствора на титрование. - 5,9 мл. Произвели расчеты: 5,9 х 178 = 1050 мг/л или 1,050 г/л

5) Источник Красноармейский (Центральная галерея): углекислая вода

Химический состав воды (в г/л).

1. Для определения НСО₃ рассчитали объем израсходованного на титрование раствора - 5,66 мл. Расчет массовой концентрации гидрокарбонат - анионов: Сгк = 5,66 х 305 = 1726,3 мг/л или 1,726 г/л.

2. При определении SO₄ ^2-выяснили, чтоданной высоте суспензии соответствует массовая концентрация SО₄- 50 мг/л. Разбавление производили 16 раз. Поэтому С сульф = 50 х 16 = 800 мг/л или 0,800 г/л.

3. Для определения Cl^- Провели титрование анализируемой воды. Определили объем раствора на титрование - 5,44 мл. Произвели расчеты: 5,44 х 178 = 968,3 мг/л или 0,968 г/л

6) Источник № 17: углекислая соляно-щелочная вода

1. Для определения НСО₃ рассчитали объем израсходованного на титрование раствора 15,19 мл. Расчет массовой концентрации гидрокарбонат - анионов: Сгк = 15,19 х 305 = 4633 мг/л или 4,633 г/л.

2. При определении SO₄ ^2-выяснили, что данной высоте суспензии соответствует массовая концентрация SО₄- 47 мг/л. Разбавление производили 16 раз. Поэтому 47 х 16 = 752 мг/л или 0,752 г/л.

3. Для определения Cl^-провели титрование анализируемой воды. Определили объем раствора на титрование -9,68 мл. Произвели расчеты: 9,68 х 178 = 1723 мг/л или 1,723 г/л.

4. Заключение и выводы

За длительный период существования и развития курортов нарастающая урбанизация, связанная с наличием некурортной промышленности и агропромышленного комплекса, отсутствие современной системы приема и очистки сточных вод, утилизации бытовых отходов, привели к опасному загрязнению природной среды, снижению качества лечебных ресурсов.

Неконтролируемая застройка курортов значения привела к системной вырубке лесопарковых зон, городских лесов, бульварного озеленения, строительству многочисленных торговых центров, АЗС, в том числе в рекреационных зонах, привело к снижению комфортности проживания и снижению привлекательности для отдыхающих. К настоящему времени в силу многолетнего антропогенного давления на природные лечебные ресурсы сформированы серьезные экологические проблемы, характерные для всех курортов. По данным ФГБУ ПГНИИК ФМБА России имеются факты нарушения природоохранного режима на территории зон горно-санитарной охраны курортов, в большей части связанные с высокой плотностью проживания, в том числе на особо охраняемых территориях (водоохранных зонах, зонах формирования минеральных вод). Застройка водоохранных зон и зон горно-санитарной защиты месторождений также создает напряженную экологическую обстановку в областях формирования минеральных вод. Реальную угрозу месторождениям минеральных вод представляет застройка первых охранных зон. Мы понимаем нереальность в настоящее время выноса зданий и сооружений из первых охранных зон, хотя это и предусматривается ст. 96 Земельного кодекса Российской Федерации.

5. Рекомендации

В результате загрязнения грунтовых вод продуктами жизнедеятельности на отдельных участках на некоторых месторождениях России имели место факты загрязнения минеральных вод, формирующихся вблизи дневной поверхности. Так, были загрязнены радоновые воды Пятигорского месторождения. В целях обеспечения экологической безопасности на курортно-рекреационных площадях Северного Кавказа необходимо создать сеть особо охраняемых природных территорий (национальных парков и заказников), обеспечить чистоту атмосферы и водной среды, провести рекультивацию нарушенных земель, повсеместно внедрять новые технологии в сфере сбора, транспортировки и утилизации твердых бытовых отходов. (фото3). Сравнивая полученные нами результаты с данными, полученными ФГБУ ПГНИИК ФМБА России, Пятигорск, Россия (таблица 1.5) можно сделать вывод, что обедняемая бактериальная флора сульфатредуцирующих бактерий снижает лечебное качество минеральной воды.

Приложение 1

Карта региона КМВ, где расположены скважины минеральных вод

Таблица № 1.1. Сводные данные рН – исследований

Таблица № 1.2.Температурные режимы минеральных источников

Таблица № 1.3. Сводные данные

по санитарно - бактериологическому режиму (по данным лаборатории)

Таблица 1.4.

Химический состав минеральных вод, отобранных для микробиологических исследований (данные ФГБУ ПГНИИК ФМБА России, Пятигорск, Россия (2016 год))

Таблица 1.5 Результаты модельных опытов

по бактериальному образованию

сероводорода в пластовых водах КМВ

Приложение 2

Фото 1. Естественный выход минеральных вод

Литература:

1. Алексеев С.В. Практикум по экологии. М. 1996 г.

2. Денисенко В.З. Методические рекомендации. Пятигорск, 1992 г.

3. Методические рекомендации по выполнению измерений содержания гидрокарбонатов в пробах природных вод титриметрическим методом. Государственный комитет РФ по охране окружающей среды. М. 1997 г.

4. Потапов Е.Г. и др. Микробиология и геохимия подземных минеральных вод района КМВ - ФГБУН Институт микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН, Москва, Россия, 2015 г.

5. Потапов Е.Г., Данилов С.Р., Ляшенко С.И. Современное состояние природных лечебных ресурсов особо охраняемого эколого - курортного региона РФ – Кавказские Минеральные Воды ФГБУ ПГНИИК ФМБА России, г. Пятигорск, 2015 г.

6. Потапов Е.Г., Данилов С.Р., Ляшенко С.И. Состояние гидроминеральной базы особо охраняемого эколого-курортного региона Российской Федерации - Кавказские Минеральные Воды ФГБУ ПГНИИК ФМБА России, г.Пятигорск, 2014

7. Потапов Е.Г., Ефименко Н.В., Данилов С.Р., Ляшенко С.И. Анализ современного состояния гидромелиоративных ресурсов особо охраняемого эколого-курортного региона Российской Федерации – Кавказские Минеральные Воды Федеральное государственное бюджетное учреждение «Пятигорский государственный научно-исследовательский институт курортологии Федерального медико-биологического агентства», Пятигорск, Россия, 2015 г.