География и геология/ 3.Гидрология и водные ресурсы.

Глебов А.Ю.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Особенности формирования грунтовых вод на территории хвостовых отложений, их влияние на качество воды реки Сак-Элга

Река Сак-Элга берет начало в горнолесной зоне Челябинской области западнее горы Юрма, имеет протяженность 9,5 км. Она относится к малым рекам и не имеет крупных притоков. Питание реки происходит в основном за счет весенних паводков и грунтовых вод в летний период.

Расположенное на водосборной территории медеплавильное производство внесло существенные коррективы в качественный состав вод реки. Одним из источников загрязнения является ручей Рыжий, собирающий поверхностный и ливневой сток в промплощадки и территории города, а также хозбытовые стоки. После впадения ручья Рыжего, ниже по течению на правом берегу в 150 метрах расположено хвостовое хозяйство бывшей обогатительной фабрики, общей площадью более 40 га, которое было предназначено для складирования и захоронения отходов обогащения руды. Построенное более 40 лет назад хвостохранилище «Новое» было выведено из эксплуатации в связи с закрытием в 1989 году обогатительная фабрика. По типу хвостохранилище считается крупным, расположенное в распадке гор, которые образуют чашу хранилища, оно имеет у своего основания вторичный пруд-отстойник, предназначенный для доосветления воды. В соответствии со СНиП 2.01.28-85, ПБ 06-123-96, при возведении и эксплуатации данного сооружения ложе хранилища и упорная призма должны иметь противофильтрационный экран, исключающий возможность попадания загрязнителей в грунтовые воды [1; 2].

По проекту по окончании эксплуатации объекта должны быть предприняты меры по предотвращению или уменьшению его влияния на окружающую среду, в частности:

– устройство дренажной и водоотводящей системы;

– предусмотрены мероприятия по безвредному удалению дренированной из отвалов воды, содержащей токсичные материалы;

– создание рекультивационного слоя и противоэрозионной защиты;

– организован пропуск либо отвод плоскостного стока атмосферных осадков с прилегающей водосборной территории и т.д. [3]

Последние 20 лет объект является бесхозным, соответственно, не существует и системы мониторинга за его техническом состоянием, его влияние на окружающую среду не отслеживается. В результате проведенных рекогносцировочных, инженерно-геодезических и экологических исследований было установлено, что оно оказывает существенное влияние на качество грунтовых вод.

Для представления более полной картины происходящих процессов обратимся к технологической схеме эксплуатации хвостохранилищ (рис. 1). Отходы обогатительной фабрики в виде пульпы подаются в хвостохранилище по специальным пульпопроводам (1). Происходит равномерное послойное заполнение чаши хвостохранилища (2).

Отстаивание пульпы происходит в специальном прудке на поверхности хвостохранилища (3), откуда вода, после седиментации частиц отводится через специальные водосбросные колодцы (4), во вторичный пруд-отстойник (5), расположенный у основания дамбы. Вторичный отстойник предназначен для доосветления воды, которая насосной станцией откачивается и подается на фабрику для технических нужд.

При ликвидации хвостохранилища также должны предусматриваться меры по пропуску паводковых вод и отвода атмосферных осадков с его поверхности. После окончания эксплуатации хранилища, все инженерные коммуникации должны были быть ликвидированы в соответствии с ГОСТ 17.5.3.04-83. Все колодцы, лотки и водоотводящие коллекторы тампонируются. При обоснованной необходимости дренажная система и водосбросные колодцы оставляют в работоспособном состоянии для отвода плоскостного стока с поверхности хвостохранилища и пропуска паводковых вод.

Рисунок 1. Технологическая схема эксплуатации хвостохранилища

1 – пульпоровод; 2 – чаша хвостохранилища; 3 – пруд-отстойник; 4 - водосбросной колодец; 5 – вторичный пруд-остойник.

В виду того, что рекультивация хвостохранилища не была проведена, в настоящее время оно оказывает негативное воздействие на прилегающие территории, а система сбросных и дренажных трубопроводов продолжает функционировать, осуществляя перенос загрязнителей в грунтовые воды.

Особенность географического расположения хвостохранилища «Новое» заключается в том, что оно распложено в распадке гор, поверхность склонов которых является его водосборной территорией, площадью около 0,9 км². Этим обусловлена аккумуляция плоскостного стока атмосферных осадков на поверхности хвостохранилища. Если учесть, что среднегодовой уровень осадков в горнолесной зоне составляет 550 – 600 мм, а площадь поверхности самого хвостохранилища – 20 га, получим:

550мм × (0,9 + 0,2) км² ≈ 605 м³ (1)

Это значит, что ежегодно на поверхность хранилища поступает более 600 м³ атмосферных осадков.

Рисунок 2. Водосборная площадь хвостохранилища «Новое»

Конструктивной особенностью подобных сооружений является то, что в них исключена возможность свободного стока воды с поверхности, из чего следует, что весь плоскостной сток расходуется на инфильтрацию и испарение.

После того как плоскостной сток достиг поверхности пиритовых отложений, начинается его инфильтрации (процесс просачивания атмосферных осадков и поверхностных вод в горные породы по капиллярным, субкапиллярным порам и трещинам через зону аэрации до уровня грунтовых вод). Скорость инфильтрации атмосферных осадков можно рассчитать по следующей формуле:

υ_инф. = Q / S, [2]

где Q – расход воды на инфильтрацию, м³/ч;

S – площадь поперечного сечения.

Проведенные полевые и камеральные исследования по определению коэффициента фильтрации показали, что средняя скорость фильтрации составляет ≈ 0,23 мм/ч.

Горнолесная зона, где расположено хвостохранилище – зона избыточного увлажнения, основная доля осадков – 70 – 80% приходятся на теплое время года. Испарение в рассматриваемой зоне меньше, чем годовое количество осадков и в среднем составляет 450 мм. Но эта цифра приведена для испарений с водной поверхности, испарение и поверхности суши существеннее ниже. Путем несложных вычислений мы можем получить количество воды, расходуемой на испарение с поверхности хранилища:

V_исп = S × h → 0,20 км² × 0,45 ≈ 90 м ³ (3)

В формуле 3 модуль испарения воды с поверхности хвостохранилища условно принят равным испарению с поверхности воды, но фактически он много меньше. Тем не менее, из расчета следует, что испарение составляет не более 15% всего объема поступающей воды. В течение непродолжительного времени вода под действием сил гравитации проникает в толщи пиритовых отложений, заполняя поровое пространство. Испарение поровой влаги многократно меньше испарения с открытой поверхности.

Особую опасность для окружающей среды представляют продукты тех процессов, которые происходят во время инфильтрации воды через пиритовые отложения хвостохранилища. На рисунке 3 представлена зависимость изменения pH воды от времени ее контакта с материалом хвостохранилища.

Рисунок 3. Процесс закисления воды в зависимости от времени

контакта с хвостами

Это доказывает, что при контакте воды с хвостами происходит ее закисление и выщелачивание ионов тяжелых металлов, таких как Fe, Zn, Cd, Cu, Mn, Al и др. из солей, содержащихся в отходах. В результате атмосферные осадки, обогащенные ионами солей тяжелых металлов через дренажную систему попадают в грунтовые воды. Далее с водотоком грунтовых вод они переносятся в реку Сак-Элга и Аргазинское водохранилище.

В настоящее время развернута система мониторинга за химическим, физико-химическим составом грунтовых вод и вод в реке Сак-Элга, проводятся исследования мест выхода фильтрационных вод из хвостохранилища и оценка расхода фильтрационных вод. Полученные данные позволят оценить влияние хвостохранилища «Новое» на качество вод реки Сак-Элга и предпринять эффективные меры по предотвращению переноса загрязнения в окружающую гидросферу и защитить поверхность от действия водной эрозии.

Литература:

1. ГОСТ 17.5.3.04-83. Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель. – М.: Госстрой России. – 1983

2. СНиП 2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию. – М.: Госстрой России. – 1985

3. ПБ 06-123-96. Правила безопасности при эксплуатации хвостовых, шламовых и гидроотвальных хозяйств. – М.: 1996

4. ПБ 03-483-02. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов. – М.: ГУП «НТЦ Безопасности в промышленности ГГТЗ России», 2003

5. Будаговский А. И. Испарений почвенной влаги. — М.: Наука, 1964