Гидрогеоэкологические условия техногенных подземных вод в объектах размещения отходов
- 1 — д-р геол.-минерал. наук руководитель центра Институт экономики Уральского отделения РАН ▪ Orcid
- 2 — д-р геогр. наук заведующий лабораторией Институт экономики Уральского отделения РАН ▪ Orcid
- 3 — канд. экон. наук старший научный сотрудник Институт экономики Уральского отделения РАН ▪ Orcid
Аннотация
Рассмотрены специфические гидрогеоэкологические условия водоносных горизонтов некоторых техногенных образований в основном железорудных скарново-магнетитовой и титано-магнетитовой формаций. Образующиеся отходы, которые складируются в объектах размещения отходов в процессе отработки месторождений, вследствие воздействия ряда факторов (природных и техногенных) формируют техногенные воды. Объекты размещения отходов – сложные инженерные сооружения (отвалы и шламохранилища), которые в свою очередь создают свои гидрогеоэкологические условия, которые необходимо исследовать в целях предотвращения и минимизации эколого-экономических ущерба, наносимого водной среде данными объектами. В работе представлены долговременные полевые и лабораторные исследования водной среды, находящейся под воздействием объекта размещения отходов на Среднем Урале – одного из крупнейших хвостохранилищ, представляющего потенциальную экологическую и техногенную опасность. Данное хвостохранилище содержит десятки тонн отходов – хвостов обогащения и создает специфические гидрогеоэкологические условия на территории. На основе многолетних мониторинговых исследований проведен анализ данных условий – оценено качество подземных вод, находящихся под воздействием хвостохранилища. Показано, что подземные воды имеют техногенный характер, т.е. являются техногенными водами, которые оказывают существенное воздействие на поверхностную и подземную гидросферы территории.
Введение
При отработке месторождений образуются отходы, которые необходимо складировать в объекты размещения отходов (ОРО), представляющие собой технически сложные сооружения. Их можно разделить на объекты «сухого» складирования (различные отвалы) и объекты «мокрого» складирования (хвостохранилища). В результате воздействия природных и техногенных процессов (выпадения атмосферных осадков, конденсации, сброса технической воды) в ОРО формируются подземные воды в виде техногенных водоносных горизонтов.
Целью исследования является изучение условий формирования и разгрузки подземных вод в ОРО. При этом необходимо оценить факторы формирования объема и качество подземных вод в ОРО, а также их воздействие на поверхностную и подземную гидросферу.
Исследования проведены на Среднем Урале, где размещено более 10 млрд т отходов. ОРО помещены в специфические гидрологические и гидрогеологические условия в открытой структуре горно-складчатого Урала и в свою очередь создают специфические гидрогеоэкологические условия. Все это определяет необходимость изучения гидрогеоэкологических условий объектов размещения отходов, воздействие которых на водную среду нередко оценивается как катастрофическое [1-3].
Методы
В работе использованы гидрогеоэкологический анализ, геохимический и ретроспективный методы. Работа основана на большом количестве полевых наблюдений, которые авторы ведут на протяжении более 20 лет на объектах размещения отходов от предприятий горно-промышленного комплекса Среднего Урала. В работе проанализированы результаты собственных мониторинговых исследований компонентов окружающей среды – поверхностных и подземных вод, а также фондовые материалы.
В качестве примера исследовалось шламохранилище Качканарского ГОКа, химический состав его отходов, мг/дм3: Sс – 0,013; ТiО2 – 0,7; Y – 0,01; СаО – 19,2; ZnО2 – 0,1; SiO2 – 47,5; Fe – 6,3; MgO – 13,4. Для контроля качества подземных вод в районе воздействия хвостохранилища создана режимная сеть наблюдательных скважин, включающая 12 однотипных скважин, которые расположены на первом от поверхности водоносном горизонте подземных вод. Глубина скважин составила 21-47 м, диаметр 112-132 мм, с обсадкой трубами 127 мм верхней зоны глинисто-дресвяных образований и изоляцией затрубного пространства от попадания поверхностных талых и дождевых вод во вскрываемый водоносный горизонт трещинно-поровых подземных вод для предотвращения искажения результатов гидрохимического опробования подземных вод. Скважины расположены у подножья дамб шламохранилища за пределами выпусков фильтрата шламовой воды.
Основные принципы размещения скважин относительно границ хвостохранилища – доступность подхода к местам заложения, равномерность распределения по периметру хвостохранилища и соответствие направлению движения потоков подземных вод.
Воздействие выпусков с хвостохранилища на подземную гидросферу отражают три скважины. Пробы подземных и поверхностных вод отбирались ежеквартально по установленным методикам, анализировались в аккредитованных химических лабораториях. Всего было проанализировано более 200 проб.
Обсуждение результатов
Горно-склачатый Урал (Свердловская, Челябинская, Оренбургская области и Башкирия) отнесен к бассейну грунтовых вод зон трещиноватости в породах среднего и нижнего палеозоя [4-6]. Геологическое строение бассейна исключительно сложное. Длительное континентальное развитие привело к образованию относительно низкогорного рельефа с сохранившейся корой выветривания, выполняющей двоякую роль. Во-первых, остаточная кора замедляет инфильтрацию атмосферных осадков; во-вторых, способствует выравниванию инфильтрации. На участках развития глинистых кор отмечается кольматация трещин зоны выветривания. Поэтому большое значение придается линейным зонам повышенной трещиноватости, образовавшимся в постгерцинское и особенно в новейшее время.
С окончанием герцинской эпохи складчатости геологическое развитие региона не прекратилось, оно продолжилось в виде физического, химического выветривания и сводово-глыбовых поднятий с эрозионными процессами. В результате этого образовалась закономерная по вертикали система трещин различной интенсивности, формирующая зоны трещиноватости. Зоны образовались в разное время, но основой для возникновения каждой последующей, согласно принципу унаследованного развития, служила предыдущая. Хотя фильтрационные и емкостные свойства, химический состав вод, скорости движения и разгрузки зон трещиноватости различаются, они образуют один водоносный горизонт.
Таким образом можно выделить две таксономические единицы или два водоносных комплекса. Один из комплексов сложен рыхлыми мезозойскими и кайнозойскими отложениями, а второй является единым водоносным комплексом зон трещиноватости пород от кембрия до девона (рис.1).
Мезозойские и кайнозойские образования аллювиального, элювиально-делювиального и техногенного генезиса содержат поровые воды. Все они формируют отдельные водоносные горизонты, которые различаются фильтрационными и емкостными свойствами, мощностью, составом отложений и условиями залегания.
Водоносный горизонт ОРО сформировался в связи с освоением многочисленных месторождений твердых полезных ископаемых Урала, неизбежно сопровождаемым выемкой из недр руд и пустых пород, складируемых в отвалы. Их дополняют шламы обогатительных фабрик и золы ТЭЦ, хвосты драг в долинах рек. Отвалы и шламохранилища имеют локальное распространение, но играют значительную роль в изменении природной обстановки в районе рудников, формируя техногенный ландшафт. Большие объемы и площади отвалов способствуют аккумуляции атмосферных осадков, талых снеговых вод, конденсации паров из воздуха [7-9].
Оценка факторов формирования объема подземных вод ОРО
Различаются сухие (например, отвалы забалансовых руд) и мокрые (хвосто- и шламохранилища) виды складирования отходов [10-12]. При сухом складировании техногенные воды формируются в основном под воздействием атмосферных осадков. При мокром складировании главную роль в период эксплуатации объекта играют производственные воды, а после прекращения его эксплуатации – атмосферные осадки [13-15]. Можно выделить три наиболее характерных варианта расположения ОРО на рельефе [16-18]:
- на водоразделе – при сухом складировании техногенные воды формируются только под воздействием атмосферных осадков, а при мокром – производственных вод (Салдинское шламохранилище);
- на склоне – в формировании химического состава техногенных вод участвует плоскостной сток, затекающий по рельефу в отвал (Тонский отвал ВГОК);
- в русловой части временных или постоянных водотоков в формировании техногенных вод участвуют поверхностные воды (Черемшанское шламохранилище, отвал мартеновских шлаков ОАО «НТМК»).
Важнейшими гидрометеорологическими факторами являются количество выпадающих атмосферных осадков, их средняя интенсивность, продолжительность, химический состав и рН. Морфометрические параметры ОРО могут оказывать большое влияние на расход подземных вод. Так, при сухом складировании определяющим фактором является мощность ОРО – чем она больше, тем продолжительнее контакт атмосферных вод с отвалом и тем выше объем подземных вод. При этом значимыми характеристиками могут быть длина и ширина ОРО [19].
На Гороблагодатском месторождении подземные воды техногенных отложений имеют широкое площадное развитие вокруг действующих шахт и карьера рудника. Определенную роль в изменении природной обстановки района месторождения играют отвалы пустых пород и шламохранилища, занимающие огромные площади (отвал 6 – 1120000 м2, отвалы 13, 14, 15 – 2250000 м2, Половинкинское шламохранилище – 2,3 млн м2). Большие площади отвалов и их высота способствуют аккумуляции жидких атмосферных осадков, талых снеговых вод, конденсации влаги воздуха и постепенному их расходованию, которое проявляется в виде мочажин, постоянно и временно действующих источников, в подпитывании небольших водоемов.
Инфильтрация атмосферных осадков, снеготаяние, подпитывание за счет поверхностного стока, конденсация влаги воздуха ведет к накоплению вод под отвалом № 6 и внезапному прорыву их на поверхность. Непосредственно в районе прорыва водосборная площадь отвала № 6 составляет 524 тыс. м2, объем 17,5 млн м3. В зависимости от количества атмосферных осадков и конденсации влаги воздуха прорывы могут происходить как ежегодно, так и с перерывом до двух лет. Прорывы в летнее время (начиная со второй половины лета) характеризуются внезапностью, и в случае их ежегодных проявлений дебит доходит до 60-70 м3/ч, продолжительность излива 15-20 сут. Общие запасы изливающихся за это время вод составляют 21-25 тыс. м3. В случаях накопления вод в течение двух лет прорывы также происходят внезапно, но дебит существенно увеличивается, составляя примерно 300 м3/ч при общей продолжительности излива до 95 сут.
В зимнее время поступление вод происходит в начальный момент медленно с образованием наледи, которая по мере роста продвигается в сторону поселка Благодать. Постепенное продвижение вод приводит к затоплению подвалов домов, наледью перекрывается дорога на дробильно-обогатительную фабрику № 3. Высота наледи достигает 0,5-3,0 м, площадь примерно 70 тыс. м2. Только с увеличением дебита прорыва вода прокладывает себе путь, и по канаве происходит сравнительное быстрая разгрузка накопившихся под отвалом вод. Общий объем вод при условии накопления несколько лет значительный – до 500-600 тыс. м3 (рис.2).
Накопление большой массы воды и внезапный прорыв объясняются тем, что отвал сложен неоднородными по размеру частицами – глиной, древесиной, щебнем и глыбами. Холодный воздух зимой, теплый – летом проветривает отвал, неся по сезону тепло или холод. Зимой в краевых частях отвал промораживается, внутренние части в силу большой мощности остаются непромороженными. Конденсация влаги воздуха происходит и в теплый, и в холодный периоды с образованием каменно-ледяной линзы на границе талой и мерзлой частей отвала. Накопление вод происходит как в форме льда, так и в жидком виде. Удерживается она как плотиной, каменно-ледяной линзой, а в краевых ее частях – прослоями глин, создающих условия для накопления. С накоплением вод до критического уровня происходит протаивание линзы и внезапный прорыв, обычно в ноябре-декабре. Прорывы происходят постоянно на протяжении 50 лет.
На Естюнинском месторождении постоянный родник зафиксирован у подножия северного отвала. В то же время существовала скрытая разгрузка вод техногенных отложений в подземные выработки, которая стала явной после возникновения оползневого цирка на участке обрушения пород. Отвалы располагаются на поверхности относительно ровных участков местности, примыкают к склонам гор и находятся всегда выше уровня грунтовых вод. Мощность и площади подстилающих глинистых отложений таковы, что позволяют удерживать воду круглый год, поэтому такие водоносные горизонты можно считать постоянно действующими.
Шламохранилища занимают пониженные участки рельефа, например, в долинах рек, в отработанных карьерах, где кроме воды, участвующей в транспортировке шламов, происходит подпитка грунтовыми водами [20-23]. Подобные водоносные горизонты сформировались на Гусевогорском месторождении титаномагнетитов (хвостохранилище), на Черемшанском шламохранилище Высокогорского месторождения, на Половинкинском и Салдинском шламохранилищах Гороблагодатского рудного поля. Под шламохранилищами произошло поднятие уровня подземных вод на 15-20 м с образованием куполов растекания, в основании плотин сформировались родники.
Геолого-технический разрез по скважине наблюдательной сети: техногенные отложения tQ (глубина залегания 0-3 м, мощность слоя 3 м); суглинок делювиальный Q (глубина залегания 3-3,9 м, мощность слоя 0,9 м); суглинок элювиальный светло-желтый плотный Q (глубина залегания 3,9-8 м, мощность слоя 4,1 м); габбро S1I1-2 (глубина залегания 8-27 м, мощность слоя 19 м); диаметр бурения 127-132 мм, глубина обсадки 110 мм; глубина бурения 6,7 м; уровень воды – появление 12 м, установившийся 12 м.
Оценка формирования качества подземных вод в ОРО
Формирование состава подземных вод при их взаимодействии с твердыми фазами ОРО происходит в результате выщелачивания [24] – избирательного растворения жидкостью одного или нескольких компонентов твердой фазы. Растворение происходит до тех пор, пока химические потенциалы растворяющегося компонента в жидкой и твердой фазах не сравняются. Достигаемая при этом предельная концентрация компонента Сн соответствует состоянию насыщенного раствора и называется растворимостью, величина которой зависит от многих факторов. Поэтому при изучении закономерностей взаимодействия в системе вода – порода большое значение имеют методы натурного моделирования.
Для прогнозирования выноса компонентов из твердой фазы ОРО в жидкую необходимо определить следующие параметры: константу скорости выщелачивания, сут–1; начальный удельный объем вещества, д.ед.; скорость фильтрации или инфильтрации, дм/сут; плотность вещества, г/дм3; концентрацию насыщенного раствора, г/дм3.
Для определения константы скорости выщелачивания на специальном стенде проводится фильтрационный опыт. Навеска опытного материала объемом 500 мл помещается в фильтрационную колонку, и через нее фильтруется дистиллированная вода с рН, соответствующим рН осадков или фильтрационных вод данного района. Скорость фильтрации должна быть приближена к реальной обстановке. С момента поступления фильтрата начинается отсчет времени и ведется отбор проб.
Исследование выноса загрязняющих веществ из шламов и шлаков показало, что шлаки, имею-щие более высокое содержание металлов, более грубодисперсный состав и вследствие этого меньшую площадь контакта твердой и жидкой фаз, обладают более низкой способностью к выщелачиванию [25-27]. Авторами рассчитано время полного выщелачивания металлов в рассматриваемых отходах. Этот период учитывает время контакта водной и твердой фаз. Для отходов сухого складирования при средней продолжительности осадков около восьми часов и среднего периода без осадков 40 дней общая продолжительность контакта осадков и твердой фазы составит около одних суток в год. С учетом этого время полного выщелачивания атмосферными осадками металлов из шламов составит сотни, а из шлаков – тысячи лет [28-30].
При обследовании территории хвостохранилища в Качканаре, проведенном в разные сезоны, выявлены семь источников формирования разгрузки подземных вод (табл.1). Таким образом, общий разрешенный расход сточных водв результате разгрузки подземных вод с территории хвостохранилища составляет 30796,0 тыс. м3/год. Со сточными водами в водные объекты поступают взвешенные вещества, сульфаты, соединения азота, железо, ванадий, медь, нефтепродукты. Основным экологически опасным компонентом в шламовом водообороте является поставляемый карьерными водами нитрат-ион [31].
Оценка воздействия подземных вод в ОРО на поверхностную и подземную гидросферу
Проведем анализ воздействия на поверхностные и подземные воды одного из крупнейших хвостохранилищ Среднего Урала, являющегося объектом размещения отходов – хвостов обогащения титаномагнетитовых руд Гусевогорского месторождения. Площадь хвостохранилища составляет 19,75 км2. В состав хвостохранилища входят дамбы: № 1 (насыпная с максимальной высотой 82,5 м), № 2 (насыпная с максимальной высотой дамбы – 61,5 м) и восточная (намывная высотой 79 м). Фильтрационными водами дамб формируются три выпуска сточных вод, которые попадают в р. Выя. Сравнение объемов фактического сброса сточных вод с хвостохранилища в реку с разрешенными значениями в динамике последних лет приведено в табл.2.
Таблица 1
Показатели разгрузки подземных вод хвостохранилища в Качканаре
Источник выделения загрязняющих веществ |
Загрязняющее вещество |
Объем сброса сточных вод |
|||
тыс. м3/год |
мг/дм3 |
т/год |
|||
Рогалевский отсек |
Фильтрация через дамбу № 3
|
Взвешенные вещества |
1361,0 |
4,0 |
5,444 |
Сухой остаток |
387,0 |
526,707 |
|||
БПК20 |
2,5 |
3,403 |
|||
БПК5 |
1,9 |
2,586 |
|||
Сульфаты |
54,0 |
73,494 |
|||
Нитрат-ион |
45,0 |
61,245 |
|||
Нитрит-ион |
0,18 |
0,245 |
|||
Азот аммонийный |
0,1 |
0,136 |
|||
Железо |
0,34 |
0,463 |
|||
Ванадий |
0,01 |
0,014 |
|||
Медь |
0,0126 |
0,017 |
|||
Нефтепродукты |
0,11 |
0,150 |
|||
Фильтрация через дамбу № 4 |
Взвешенные вещества |
1499,0 |
3,75 |
5,621 |
|
Сухой остаток |
385,0 |
577,115 |
|||
БПК20 |
5,3 |
7,945 |
|||
БПК5 |
3,5 |
5,247 |
|||
Сульфаты |
53,0 |
79,447 |
|||
Нитрат-ион |
45,0 |
67,455 |
|||
Нитрит-ион |
0,19 |
0,285 |
|||
Азот аммонийный |
0,1 |
0,150 |
|||
Железо |
0,3 |
0,450 |
|||
Ванадий |
0,003 |
0,004 |
|||
Медь |
0,0089 |
0,013 |
|||
Нефтепродукты |
0,11 |
0,165 |
|||
Итого по Рогалевскому отсеку 2860,0 тыс. м3/год |
|||||
Промежуточный отсек |
Фильтрация через дамбу № 1 |
Взвешенные вещества |
521,0 |
4,0 |
2,084 |
Сухой остаток |
393,0 |
204,753 |
|||
БПК20 |
3,0 |
1,563 |
|||
БПК5 |
2,0 |
1,042 |
|||
Сульфаты |
56,0 |
29,176 |
|||
Нитрат-ион |
40,0 |
20,840 |
|||
Нитрит-ион |
0,08 |
0,042 |
|||
Азот аммонийный |
0,39 |
0,203 |
|||
Железо |
0,21 |
0,109 |
|||
Ванадий |
0,002 |
0,001 |
|||
Медь |
0,001 |
0,001 |
|||
Нефтепродукты |
0,05 |
0,026 |
|||
Фильтрация через дамбу № 2 |
Взвешенные вещества |
3632,0 |
2,75 |
9,988 |
|
Сухой остаток |
384,0 |
1394,688 |
|||
БПК20 |
2,9 |
10,533 |
|||
БПК5 |
2,0 |
7,264 |
|||
Сульфаты |
51,0 |
185,232 |
|||
Нитрат-ион |
45,0 |
163,440 |
|||
Нитрит-ион |
0,13 |
0,472 |
|||
Азот аммонийный |
0,1 |
0,363 |
|||
Железо |
0,34 |
1,235 |
|||
Ванадий |
0,01 |
0,036 |
|||
Медь |
0,0126 |
0,046 |
|||
Нефтепродукты |
0,19 |
0,690 |
|||
Фильтрация через восточную дамбу |
Взвешенные вещества |
3095,0 |
2,78 |
8,604 |
|
Сухой остаток |
388,0 |
1200,860 |
|||
БПК20 |
2,7 |
8,357 |
|||
БПК5 |
1,8 |
5,571 |
|||
Сульфаты |
53,0 |
164,035 |
|||
Нитрат-ион |
45,0 |
139,275 |
|||
Нитрит-ион |
0,2 |
0,619 |
|||
Азот аммонийный |
0,1 |
0,310 |
|||
Железо |
0,34 |
1,052 |
|||
Ванадий |
0,003 |
0,009 |
|||
Медь |
0,0094 |
0,029 |
|||
Нефтепродукты |
0,11 |
0,340 |
|||
Итого по Промежуточному отсеку 7248,0 тыс. м3/год |
|||||
Выйский отсек |
Сифонный выпуск с хвостохранилища в р. Выя |
Взвешенные вещества |
20688,0 |
9,0 |
186,192 |
Сухой остаток |
304,0 |
6289,152 |
|||
БПК20 |
3,0 |
62,064 |
|||
БПК5 |
2,0 |
41,376 |
|||
Сульфаты |
56,0 |
1158,528 |
|||
Нитрат-ион |
40,0 |
827,520 |
|||
Нитрит-ион |
0,08 |
1,655 |
|||
Азот аммонийный |
0,39 |
8,068 |
|||
Железо |
0,21 |
4,344 |
|||
Ванадий |
0,002 |
0,041 |
|||
Медь |
0,001 |
0,021 |
|||
Нефтепродукты |
0,05 |
1,034 |
|||
Итого по Выйскому отсеку 20688,0 тыс. м3/год |
Таблица 2
Динамика объемов фактического сброса сточных вод с хвостохранилища в р. Выя и их сравнение с разрешенными значениями
Наименование |
Сброс сточных вод, тыс. м3 |
Кратность превышения |
|
Фактический |
Нормативно- |
||
2018 |
|||
Дамба № 1 |
60 |
132 |
– |
Дамба № 2 |
3940 |
3750 |
1,1 |
Восточная дамба |
1130 |
1910 |
– |
2019 |
|||
Дамба № 1 |
521,0 |
120,0 |
4,3 |
Дамба № 2 |
3632,0 |
5100,0 |
– |
Восточная дамба |
2090,0 |
2890,0 |
– |
2020 |
|||
Дамба № 1 |
429,7 |
521,0 |
– |
Дамба № 2 |
4049,6 |
3632,0 |
1,1 |
Восточная дамба |
3201,5 |
2090,0 |
1,5 |
Как видно из табл.2, по всем выпускам за рассматриваемый отрезок времени отмечаются резкие колебания объемов с периодическим превышением допустимого сброса. Рост объема сточных вод объясняется ростом тела дамбы из-за ее намыва, уменьшение объема происходит из-за увеличения тела дамбы вследствие пригрузки низовых откосов скальной породой.
Концентрации химических элементов и веществ в выпусках показывают, что существуют превышения над разрешенным сбросом по ряду показателей:
- В выпуске № 1: сухой остаток – до 1,1 раза (1 год из 5); БПК20 – до 1,2 раза (1 из 5); сульфаты – до 1,1 раза (1 из 5); нитрат-ион – до 2,1 раза (5 из 5); нитрит-ион – до 2,5 раза (1 из 5); железо – до 2,1 раза (2 из 5); ванадий – до 1,7 раза (1 из 5); медь – до 3,0 раза (2 из 5).
- В выпуске № 2: сухой остаток – до 1,1 раза (1 год из 5); сульфаты – до 1,3 раза (1 из 5); нитрат-ион – до 1,8 раза (4 из 5); нитрит-ион – до 2,6 раза (2 из 5); железо – до 1,3 раза (1 из 5); ванадий – до 1,4 раза (1 из 5); медь – до 2,0 раза (1 из 5); нефтепродукты – до 2,2 раза (3 из 5).
- Фильтрация через восточную дамбу: сухой остаток – до 1,1 раза (1 год из 5); сульфаты – до 1,4 раза (1 из 5); нитрат-ион – до 1,8 раза (5 из 5); нитрит-ион – до 4,0 раза (3 из 5); железо – до 1,4 раза (1 из 5); медь – до 3,0 раза (1 из 5); нефтепродукты – до 2,2 раза (2 из 5).
При ведении горных работ применяются взрывчатые вещества, содержащие в больших концентрациях нитраты, которые также являются характерным загрязняющим веществом и имеют значительные превышения. Для взрывов используется аммиачная селитра с содержанием азота до 30 %. Ежегодно предприятием затрачиваются тысячи тонн взрывчатых веществ, и, соответственно, в окружающую среду поступают тысячи тонн азота.
Таблица 3
Результаты контроля природных вод р. Выя
Показатели состава |
ПДКр/х* для водных |
Фоновые |
Содержание загрязняющих веществ |
Взвешенные вещества |
+0,75 к фону |
3,0 |
3,0 |
Сухой остаток |
– |
67,7 |
315,0 |
БПК20 |
3,0 |
5,0 |
4,98 |
Сульфаты |
100 |
4,90 |
45,0 |
Азот нитратов (нитрат-ион) |
9,1 |
0,99 |
94,0 |
Нитрит ион |
0,02 |
0,03 |
0,055 |
Ванадий |
0,001 |
0,0015 |
0,0037 |
Медь |
0,001 |
0,002 |
0,0029 |
* В качестве критерия степени загрязнения подземных вод принято значение предельно допустимой концентрации для рыбохозяйственных водоемов (ПДКр/х), в связи с тем, что подземные воды в районе хвостохранилища участвуют в питании поверхностных водоемов и водотоков, имеющих рыбохозяйственную ценность.
Таблица 4
Результаты опробования подземных вод в районе хвостохранилища
Наименование |
ПДКр/х, мг/дм3 |
2018 |
2019 |
2020 |
|||
Содержание |
Кратность ПДК |
Содержание компонентов, мг/м3 |
Кратность ПДК |
Содержание компонентов, мг/м3 |
Кратность |
||
Скважина 9 |
|||||||
Сульфаты |
100 |
49,3 |
– |
33,4 |
– |
37,9 |
– |
Хлориды |
300 |
26,0 |
– |
4,86 |
– |
10,2 |
– |
Нитраты |
40 |
3,03 |
– |
2,77 |
– |
0,43 |
– |
Марганец |
0,01 |
1,27 |
127 |
0,096 |
9,6 |
0,154 |
15,4 |
Медь |
0,01 |
0,009 |
– |
0,014 |
1,4 |
0,003 |
– |
Железо |
0,1 |
0,466 |
4,66 |
0,3 |
3 |
3,18 |
31,8 |
Цинк |
0,01 |
0,012 |
1,2 |
0,014 |
1,4 |
0,031 |
3,1 |
Ванадий |
0,001 |
0,0664 |
66,4 |
0,027 |
27 |
0,009 |
9 |
Сухой остаток |
1000 |
232,0 |
– |
53,0 |
– |
172,3 |
– |
Взвешенные вещества |
3,25 |
0,3 |
– |
581,6 |
179 |
812,3 |
250 |
Скважина 10 |
|||||||
Сульфаты |
100 |
98,1 |
– |
– |
– |
– |
– |
Хлориды |
300 |
5,2 |
– |
– |
– |
– |
– |
Нитраты |
40 |
3,4 |
– |
– |
– |
– |
– |
Марганец |
0,01 |
4,0 |
400 |
– |
– |
– |
– |
Медь |
0,01 |
0,031 |
3,1 |
– |
– |
– |
– |
Железо |
0,1 |
0,326 |
3,26 |
– |
– |
– |
– |
Цинк |
0,01 |
0,034 |
3,4 |
– |
– |
– |
– |
Ванадий |
0,001 |
0,0328 |
32,8 |
– |
– |
– |
– |
Сухой остаток |
1000 |
348,0 |
– |
– |
– |
– |
– |
Взвешенные вещества |
3,25 |
2,58 |
– |
– |
– |
– |
– |
Скважина 11 |
|||||||
Сульфаты |
100 |
71,3 |
– |
79,3 |
– |
96,6 |
– |
Хлориды |
300 |
3,47 |
– |
8,1 |
– |
12,2 |
– |
Нитраты |
40 |
1,6 |
– |
2,34 |
– |
1,17 |
– |
Марганец |
0,01 |
0,126 |
12,6 |
0,058 |
5,8 |
0,116 |
11,6 |
Медь |
0,01 |
0,022 |
2,2 |
0,007 |
– |
0,003 |
– |
Железо |
0,1 |
0,217 |
2,17 |
2,83 |
28,3 |
1,13 |
11,3 |
Цинк |
0,01 |
0,006 |
– |
0,034 |
3,4 |
0,009 |
- |
Ванадий |
0,001 |
0,0177 |
17,7 |
0,015 |
15 |
0,036 |
36 |
Сухой остаток |
1000 |
176,0 |
– |
101,0 |
– |
302,0 |
– |
Взвешенные вещества |
3,25 |
18,98 |
5,8 |
545,6 |
168 |
812,3 |
250 |
Примечание. В качестве критерия степени загрязнения подземных вод предлагается принять фоновую скважину 4-н, в связи с тем, что некоторые загрязняющие вещества (например, медь, марганец, ванадий, железо) являются характерными для района, что связано с многочисленными рудными залежами на рассматриваемой территории и большим количеством действующих и выведенных из эксплуатации горных выработок различной глубины и площади, а также накопителей отходов, выпусков сточных вод промышленных предприятий.
Объективными показателями уровня негативного воздействия техногенного объекта на водоток являются фоновые значения контролируемых в стоках загрязняющих веществ и результаты анализов в контрольном створе после всех выпусков [32-34]. Для определения фоновых концентраций веществ в реки принят створ, расположенный выше выпусков сточных вод. Контроль за состоянием р. Выя после сбросов сточных вод от всех выпусков осуществляется предприятием в контрольном створе, расположенном ниже выпусков. Среднегодовые результаты контроля за природными водами реки приведены в табл.3.
Анализ табл.3 показывает, что по сравнению с фоновыми значениями концентраций химических веществ в р. Выя в контрольном створе увеличивается содержание следующих загрязняющих веществ: сухого остатка – на 246,4 мг/л (в 4,7 раза, без превышения значения ПДКр/х); сульфатов – на 40,13 мг/л (в 9,2 раза, без превышения ПДКр/х); азота нитратов – на 92,5 мг/л (в 93,5 раза); нитрит-иона – на 0,05 мг/л (в 2,5 раза); ванадия – на 0,0022 мг/л (в 2,57 раза); меди – на 0,0008 мг/л (в 1,4 раза).
Механизм воздействия хвостохранилища на состояние подземных вод заключается в утечках шламовых вод через дамбу № 1 (выпуск сточных вод № 2), дамбу № 2 и восточную дамбу (выпуски № 3 и 9) в долине р. Выя, где намечается зона техногенного воздействия на состояние подземной гидросферы.
Исследование подземных вод в районе хвостохранилища осуществляется на специально созданной для этих целей сети наблюдательных скважин (рис.3) [35]. Воздействие хвостохранилища на подземные воды характеризуется содержанием загрязняющих веществ в скважинах 9, 10 и 11 наблюдательной сети [35]. Опробование данных скважин проводилось ежеквартально. Результаты опробования представлены в табл.4.
Результаты исследований подземных вод горизонта региональной трещиноватости, отобранных в районе хвостохранилища, указывают на существенное загрязнение подземных вод по следующим показателям: марганец (до 400 ПДК), железо (до 67 ПДК), цинк (до 4 ПДК), ванадий
(до 67 ПДК), взвешенные вещества (до 250 ПДК).
Заключение
В гидрогеологии, как одном из разделов наук о Земле, накоплен большой материал для формирования нового научного направления о подземных водах в объектах размещения отходов. Установлено, что гидрогеэкологические условия подземных вод в объектах размещения отходов зачастую являются сложными по условиям формирования расходов и качеству подземных вод. Определены факторы формирования подземных вод в ОРО, которые связаны с условиями размещения и морфометрическими параметрами, гранулометрическим и химическим составом отходов.
На примере одного из ОРО Среднего Урала показано, что подземные воды объектов размещения отходов оказывают значительное негативное воздействие на поверхностную и подземную гидросферу. Поэтому необходимо планомерное изучение гидрогеологических условий подземных вод ОРО как на стадии эксплуатации, так и в период консервации отходов.
Литература
- Коновалов В.Е. Реабилитация горнопромышленных ландшафтов // Экологическая и техносферная безопасность горнопромышленных регионов: Труды VI Международной научно-практической конференции 10 апреля 2018 / Отв. ред. А.И.Семячков. Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, Уральский государственный горный университет, 2018. С. 89-95.
- Семячков А.И., Почечун В.А., Коновалов В.Е., Ганин Е.В. Экологическая концепция реабилитации горнопромышленных ландшафтов // Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2020. 190 с.
- Максимович Н.Г., Пьянков С.В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения. Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2018. 288 с.
- Danilov A., Smirnov Y., Korelskiy D. Effective methods for reclamation of area sources of dust emission // Journal of Ecolo-gical Engineering. 2017. Vol. 18. Iss. 5. P. 1-7. DOI: 10.12911/22998993/74947
- Strizhenok A.V., Korelskiy D.S. Improvement of the system of industrial environmental monitoring of atmospheric air in the area of anthropogenic arrays impact // Journal of Physics: Conference Series. Vol.1384 (1). № 012052. DOI: 10.1088/1742-6596/1384/1/012052
- Семячков А.И., Славиковская Ю.О., Почечун В.А. Методологические особенности оценки экономического ущерба от неблагоприятных экологических последствий в условиях территорий с развитым горнопромышленным комплексом // Экология и промышленность России. 2018. Т. 22. № 4. С. 46-51.
- Стратегические направления и приоритеты регионального развития в условиях глобальных вызовов / Под общ. ред. Ю.Г.Лавриковой, Е.Л. Андреевой. Екатеринбург: УрО РАН, 2019. 504 с. DOI: 10.17059/1_2019
- Антонинова Н.Ю., Рыбникова Л.С., Славиковская Ю.О., Шубина Л.А. Эколого-экономические аспекты выбора направлений реабилитации территорий размещения промышленных отходов горно-металлургического комплекса // Горная промышленность. 2022. № S С. 71-77. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-1S-71-77
- Ляшенко В.И., Воробьев А.Е., Хоменко О.Е., Дудар Т.В. Развитие технологий и технических средств для снижения воздействия на окружающую среду в зоне влияния хвостохранилища // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2022. Т. 20. № 1. С. 25-41. DOI: 10.18503/1995-2732-2022-20-1-25-41
- Плохов А.С., Харько П.А., Пашкевич М.А. Исследование влияния хвостового хозяйства медно-колчеданного месторождения на поверхностные воды // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 4. С. 57-68. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_4_0_57
- Хансиварова Н.М. Оценка механической устойчивости и защищенности подземных вод на территориях распространения дисперсных просадочных грунтов // Естественные и технические науки. 2021. № 10 (161). С. 120-125. DOI: 10.25633/ETN.2021.10.06
- Ковригин А.А., Слесарев М.Ю. Модель изменения гидротехнических характеристик территории полигона твердых промышленных и бытовых отходов // Вестник Московского государственного строительного университета. 2021. Т. 16. № 6. С. 770-780. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.770-780
- Лямин И.А., Рузманов Р.Ю. Оценка защищенности подземных вод на территории размещения отходов горнодобывающего предприятия // Вестник Пермского университета. Геология. 2020. Т. 19. № 3. С. 241-246. DOI: 10.17072/psu.geol.19.3.241
- Баев О.А., Сильченко В.Ф. Анализ воздействия накопителей на поверхностные и подземные воды (обзор) // Экология и водное хозяйство. 2020. № 4 (7). С. 100-113. DOI: 10.31774/2658-7890-2020-4-100-113
- Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Физико-химическая модель формирования подземных вод в районах затопленных медноколчеданных рудников Урала // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № S37. С. 584-595. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-11-37-584-595
- Сабуров Х.М., Мурадов Б.З., Мухамедгалиев Б.А. Загрязнение окружающей природной среды отходами производства // Булатовские чтения. 2019. Т. 4. С. 110-111.
- Коновалов В.Е., Германович Ю.Г. Миграция вещества при добыче полезных ископаемых и их первичной переработке // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2018. № 2. С. 30-39. DOI: 10.21440/0536-1028-2018-2-30-39
- Хайрулина Е.А. Воздействие фильтрационных вод шламохранилища с солесодержащими отходами на поверхностные и подземные воды // Географический вестник. 2018. № 2 (45). С. 145-155. DOI: 10.17072/2079-7877-2018-2-145-155
- Гюльмамедов Ч.Д. Влияние техногенной деятельности человека на гидрогеологические условия // Наука и мир. 2020. № 2-1 (78). С. 15-19.
- Кузнецов Ю.С., Чапля Б.Ю., Хафизов А.Р., Шульгина А.П. Экологические аспекты проблемы складирования жидких отходов многотоннажных производств в подземных хранилищах // Нефтегазовое дело. 2019. Т. 17. № 3. С. 56-61. DOI: 10.17122/ngdelo-2019-3-56-61
- Клёцкина О.В., Ощепкова А.З. Методический подход к обоснованию критериев допустимого воздействия объекта размещения отходов на подземные воды с использованием гидрогеологического моделирования // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. 2019. № 2 (39). С. 337-342.
- Пичура В.И., Скок С.В. Влияние урбосистем на гидрогеологические и гидрохимические условия водоносных горизонтов // Вiсник Національного університету біоресурсів і природокористування України. 2019. № 6 (82). С. 1-16. DOI: 10.31548/dopovidi2019.06.001
- Simion A.F., Drebenstedt C., Lazar M. The Influence of Tailings Storage Facilities in the Eastern Part of Jiu Valley on the Water Quality // Горная наука и техника. Т. 4. № 4. С. 292-301. DOI: 10.17073/2500-0632-2019-4-292-301
- Харлямов Д.А., Смирнова Н.Н., Шарафутдинов Р.Н., Маврин Г.В. Оценка качества подземных вод территорий с разной антропогенно-техногенной нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 2-2 (116). С. 28- DOI: 10.23670/IRJ.2022.116.2.036
- Трофимова Ю.В., Расторгуев А.В. Оценка полигона твердых промышленных и бытовых отходов как источника загрязнения подземных вод // Инженерные изыскания. 2019. Т. 13. № 3. С. 28-39. DOI: 10.25296/1997-8650-2019-13-3-28-38
- Дегтярь М.В., Галкина Е.П. Экологический мониторинг состояния окружающей среды объектов захоронения отходов // Наукові нотатки. 2019. № 65. С. 55-60.
- Фисун Н.В. Экологический потенциал эколого-гидрогеологических систем в зоне влияния кучинского полигона твёрдых бытовых отходов (Московская область) // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2018. № 3. С. 58-64.
- Понамарев Ю.Ю., Хазипова В.В. Мониторинг подземных и поверхностных вод в зоне влияния полигона промышленных отходов // Пожарная и техносферная безопасность: проблемы и пути совершенствования. 2018. № 1 (1). С. 143-146.
- Колесникова Л.А., Ковальчук Т.В. Проблемы и перспективы экологической безопасности горнодобывающих регионов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2021. № 2-1. С. 275-286. DOI: 10.25018/0236-1493-2021-21-0-275-286
- Шепелев И.И., Еськова Е.Н., Пиляева О.В. и др. Сохранение экологической стабильности управляемой природно-технической системы под влиянием антропогенных факторов // Проблемы региональной экологии. 2021. № 1. С. 76-82. DOI: 10.24412/1728-323X-2021-1-76-82
- Мусихина Т.А., Юрлов А.А., Земцова Е.А., Филатов В.Ю. Комплексная оценка токсичности речных и сточных вод, формируемых на загрязненной промышленными отходами территории // Теоретическая и прикладная экология. 2021. № 4. С. 133-139. DOI: 10.25750/1995-4301-2021-4-133-139
- Ляшенко В.И., Голик В.И., Дятчин В.З. Повышение экологической безопасности при снижении техногенной нагрузки в горнодобывающих регионах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 7. С. 529-538. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-7-529-538
- Ахмадиев А.К., Экзарьян В.Н. Реабилитация природной среды – структурный элемент экологической безопасности // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 2. С. 112-120. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-2-0-112-120
- Глухов В.В., Мовчан К.С. Экономическая оценка технологии переработки отходов с учетом воздействия на окружаю-щую среду // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Экономические науки. 2019. Т. 12. № 1. С. 159-167. DOI: 10.18721/JE.12113
- Тагильцев С.Н., Чередниченко А.В., Мельник В.В. Комплексирование методов гидрогеомеханики, электроразведки и биолокации для выбора мест заложения гидрогеологических скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 3-1. С. 236-246. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31-0-236-246