Оценка роли основных источников загрязнения бором подземных и поверхностных вод долины р. Илек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка роли основных источников загрязнения бором подземных и поверхностных вод долины р. Илек

Л.М. Павличенко,

Г.Л. Склярова

Загрязнение подземных вод долины р. Илек бором было обнаружено в 1972 г.; в 1975 г. был организован опытно-производственный полигон по изучению загрязнения подземных вод борсодержащими промстоками. Многолетние наблюдения показывают, что изменение естественного режима подземных вод обусловлено фильтрацией промстоков, сбрасываемых в пруды. Фильтрация в водоносный горизонт аллювиальных отложений привела к повышению уровня грунтовых вод. Формирование химического состава грунтовых вод аллювиальных отложений на участке размещения прудов-накопителей также происходит под влиянием фильтрации промстоков, которые содержат хлориды в количестве 815--2520 мг/л, сульфаты 3800-3900, фтор 7-275, бор - до 959 мг/л, сухой остаток изменяется от 8, 6 до 10, 9 г/л.

загрязнение подземный вода бор

Приведенная выборка из данных мониторинговых наблюдений демонстрирует не только начальную стадию снижения концентраций, но и природные факторы размывания амплитуды и длины волны снижения концентраций (табл. 1). Для близко расположенных скважин очевидные факторы водности года и атмосферного переноса пылевых загрязнений можно считать одинаковыми, тем не менее сами концентрации и годы достижения их максимума отличаются весьма заметно.

Так, скважины 17 и 1583, расположенные по разным берегам р. Илек, в равной степени испытывают влияние фактора ее паводковых разливов, тем не менее концентрации в них отличаются весьма сильно. Эти скважины отличаются возрастом водовмещающих отложений (Q_iii и Q_iv соответственно). Более рыхлые современные четвертичные отложения в скв. 1583 создают оптимальные условия промывки, что и отражается в самых низких значениях концентрации бора в этой скважине. Временной сдвиг достижения максимума концентрации в скважинах с одинаковыми фильтрационными характеристиками зоны аэрации можно объяснить разной глубиной залегания уровня грунтовых вод.

Полученные авторами проекта по очистке подземных вод от бора фактические данные также не подтверждают рекомендацию ТОО «Акпан» предоставить Природе ликвидацию последствий продолжительной хозяйственной деятельности практически без учета воздействий на окружающую среду. Так, по результатам отбора проб воды из р. Илек, проведенного авторами настоящей статьи в бытность их сотрудничества с ТОО «Центр охраны здоровья и экопроектирования (ЦОЗиЭП)» (2008 г.) в районе поселка Бестамак (12 км ниже бывшего АХЗ), концентрация бора достигала 0, 84 мг/дм³. Случаи значительного превышения фиксировались также данными Актюбинского территориального управления ООС, а также Актюбинского ГМЦ (до 2, 2 мг/дм³).

Результаты послойного опробования шламов, проведенного ЦОЗиЭП в июле-августе 2008 г. впервые за историю существования шла-монакопителей, служат дополнительным фактическим опровержением всяких поводов для оптимизма. В таблице 2 представлена выборка из проб шламов, отражающая широту диапазона в них концентраций бора на разных глубинах: высокие содержания бора в пробах шламов, начиная с глубины 1 м (табл. 2) и на глубинах 0-0, 3 м.

Как видно из таблицы 2, максимальные концентрации бора, превышающие 1500 мг/дм³ в выборках по старому и новому шламонакопителям, встречаются в единичном случае и отличаются мало (1800 и 1920, соответственно), количество проб с концентрациями в интервале 1000-1500 мг/кг отличается в два раза (6 и 12), в интервалах 500-1000 и 200-500 мг/кг - в 1, 33 раза, однако теперь больше проб в старом накопителе.

Таким образом, при наличии одинакового диапазона изменений концентраций бора в шла-мах в старом шламонакопителе преобладают концентрации бора менее 1000 мг/кг (20 из 28), а в новом с этими концентрациями лишь 15 из 28, что является свидетельством большей степени естественной промытости шламов в старом шламонакопителе.

Подтверждением этого вывода служит разница минимальных концентраций бора в водной вытяжке - 170 и 360 мг/кг, соответственно, а также концентрация бора в подземных водах, контактирующих со шламами. Так, в старом шламонако-пителе концентрации бора во всех пробах, кроме одной, ниже 500 мг/кг, а в новом - только одна ниже, а все остальные выше 500 мг/кг. По таблице 2 можно судить также и о замедленном водообмене в новом шламонакопителе, поскольку средние значения бора в шламах и поровых водах в этом шламонакопителе (968 и 857 мг/кг, соответственно) отличаются очень мало (в 1, 12 раз) по сравнению со старым (835 и 422) - в 1, 98 раз.

Следует отметить, что выводы ТОО «Акпан» по работам 2005 г. (Природа сама справится с загрязнением) являются полной противоположностью их же выводам по работам 1988-1990 гг., которым, по нашему мнению, нельзя не доверять, поскольку они в полной мере опираются на результаты и выводы опытного полигона по изучению форм миграции бора. Этот полигон был организован в конце восьмидесятых годов Институтом минерального сырья КазССР с целью выявления причин превышения ПДК по бору в водозаборных скважинах г. Актюбинск.

При проведении гидрогеологических исследований установлена важная роль донных (иловых) отложений речных плесов в миграции бора по долине р. Илек: если из речного плеса будет отобрана проба ила с небольшим количеством воды, то величина бора в иловой воде в спокойном состоянии будет незначительна (на уровне содержаний в речной воде). Но, если эту пробу подвергнуть встряхиванию, то концентрация бора в иловой воде резко возрастет. Если эту же пробу высушить, а затем развести дистиллированной водой, подвергнуть взбалтыванию в течении 3-5 мин. и профильтровать, то в фильтре, как правило, обнаруживается значительное количество бора. Если эту процедуру повторять несколько раз, то результат будет одинаковый: каждый раз в фильтрате будет присутствовать бор. Объяснение описанного в том, что на частицах илов адсорбируются более труднорастворимые соединения бора (силикаты, бopaты кальция и магния), которые в водный раствор могут вновь переходить при изменении гидродинамических условий. В нашем случае это механическое встряхивание, которым, по-видимому, можно имитировать взмучивание воды при весенних паводках.

Факт адсорбции на частицах речных илов имеет важное практическое значение. Связано это с тем, что из таких твердых осадков, как шлам накопителей, почвогрунты зоны аэрации, водовмещающие породы и донные обложения плесов, наиболее динамичными, легко поддающимися транспортированию являются речные илы, на частицах которых, как описано выше, адсорбируется бор. Следовательно, по долине р. Илек бор может перемещаться в адсорбированном виде донными отложениями в период паводков. Этот вопрос имеет большое значение при эксплуатации Актюбинских хозпитьевых водозаборов и приобретает особую остроту в связи со строительством Актюбинского водохранилища на участке речной долины ниже основных источников загрязнения бором.

С целью изучения распространения бора по речной долине производился отбор илов по гидрогеологическим профилям. Профиль I является техногенно-фоновым и расположен он выше по течению от шламовых прудов. Профили от II до vII находятся в пределах Алгинского участка. Профили от VIII до XII расположены между окончанием зоны загрязненных вод и началом Актюбинского водохранилища, профили от XII до XVI приурочены к водохранилищу. Расстояние между профилями от 2 до 4 км, на отдельных участках это расстояние уменьшается до 1, 0-1, 5 км, на водохранилище профили расположены через 3, 0 км. Из плесов и водохранилища пробы илов отбирались специальным пробоотборником у правого, левого берега и в средней глубокой части. Период исследований - 1989-91 гг., ежеквартальный сезонный отбор проб.

Наибольшее загрязнение поверхностных вод происходит на участке реки, тяготеющем к старым шламонакопителям. На этом участке на профилях III-III и IV-IV содержание бора по пробам воды, отобранным во второй половине года, колеблется в пределах 55, 7-89, 2 мг/дм³ в 1989 г. и 75, 99-106, 32 мг/дм³ в 1990 г. В первой половине 1990 г. концентрация бора резко уменьшилась, по-видимому, в результате выпадения сильных дождей и интенсивного снеготаянии, приведшего к разбавлению речной воды.

Ниже старых шламонакопителей концентрация бора в поверхностных водах, оставаясь очень высокой, постепенно снижается. Это наблюдается до профиля VI-VI, включительно. На последующих профилях количество проб, содержащих бор выше ПДК, постепенно уменьшается. Профили XII-XII до ХХІ-XVI расположены на акватории Актюбинского водохранилища. Результаты анализов показывают, что в зимнее время наибольшие значения 0, 3 мг/дм³ наблюдаются у дна водохранилища, а весной 0, 4 мг/дм³ - в верхних слоях воды.

Старые шламонакопители ТОО «Акпан» выделяет в качестве основного источника загрязнения бором подземных и поверхностных вод. В то же время устанавливается, что объектами загрязнения бором являются почвогрунгы зоны аэрации, водовмещающие отложения, подземные и поверхностные воды, донные осадки (илы) peк и водоемов, однако анализ причин загрязнении почвогрунтов зоны аэрации, в которую инфиль-трационные потоки из старого шламонакопителя никак не могли попасть, остался за рамками отчета.

Гораздо большее внимание привлек факт превышения ПДК по бору в поверхностных и подземных водах ниже основного очага загрязнения. Возникла гипотеза о поступлении его из нижних напорных водоносных горизонтов в связи общей зараженностью бором всего геологического региона. Однако проведенный в 1991 г. Акто-бегидрогеологией анализ изменения содержаний бора по результатам послойного опробования скв. 1420 (участок Илекского правобережного водозабора), пройденной по триасовым отложениям, показал, что при минерализации 5, 8 мг/дм³ и содержании бора чуть более ПДК амплитуды сезонных изменений концентраций бора в триасовых отложениях были постоянно ниже таковых в четвертичных отложениях, свидетельствуя об отсутствии перетоков снизу.

Имеющиеся материалы по содержанию бора в подземных водах отложений триасового, юрского, мелового и пермского возрастов позволили сделать вывод об исключении возможности поступления большого количества природного бора из подстилающих пород в аллювиальный водоносный горизонт. Поскольку в этой скважине содержание бора в четвертичном горизонте росло до 1986 г., а после начала заполнения Ак-тюбинского водохранилища рост прекратился, и концентрация бора снова стала мене ПДК, факт отсутствия перетоков получил дополнительное подтверждение.

Объяснением происходящего является тот факт, что Актюбинское водохранилище задерживает борсодержащие илы и откладывает их в своих донных отложениях. При попусках из водохранилища, когда сбрасывается отстоявшаяся вода, на участки ниже водохранилища борсодер-жащие илы не поступают, поэтому в контрольных и водозаборных скважинах концентрация бора уменьшилась. В самом же водохранилище происходит накопление борсодержащих илов. С течением времени объем этих илов будет постепенно расти и в перспективе Актюбинское водохранилище превратится в мощный источник бора. Очищать водохранилище от борсодер-жащих илов весьма сложно, поэтому была высказана рекомендация о необходимости его ликвидации, пока этот источник бора не приобрел угрожающий характер.

Новые шламонакопители начали эксплуатироваться с 1981 г., после консервации старых шламонакопителей. Расположены они на левом коренном берегу в глинах апского яруса нижнего мела. Для наблюдения за возможной фильтрацией промстоков из шламонакопителей по той стороне их, которая обращена к реке Илек, АХЗ пробурил 19 скважин по 4 наблюдательным створам. Работа этих скважин контролируется скважиной 1297, принадлежащей Актюбинский ГГЭ. По всем скважинам концентрация бора весьма высокая. Например, по вышеназванной скважине она колеблется в пределах 346, 9-627, 7 мг/дм³. Кроме указанной скважины были пробурены еще и другие, часть скважин оказалась безводной (1647, 1648 и др.), т.к. пройдены в сплошных глинах. Бор обнаруживается только в тех случаях, когда среди глин встречаются линзы или прослои песков, поэтому контрольная сеть здесь не развивалась.

Тем не менее во всех отчетах по мониторингу (в том числе и за 2007 г.) новые шламонакопи-тели относятся ко второму по значению источнику поступления бора в подземные воды путем аварийных ситуаций на шламопроводах и утечек через восточную дамбу.

Для представления более четкой картины влияния «стены в грунте» на состояние подземных вод проведем анализ динамики концентраций бора в скважинах режимной сети по отдельным группам скважин. Сначала рассмотрим скважины, относящиеся к створу IV-IV (табл. 3).

Скважина 1589 находится на правом берегу р. Илек, влияние подземного потока на нее не сказывается, поскольку река является региональной дреной, однако влияние весенних разливов и загрязненных почв от выбросов предприятия могут сказываться. Как видно из таблицы 3, сначала идет незначительный рост концентраций до 1999 г. (временную границу указать точно нельзя, поскольку отсутствуют наблюдения по ряду лет), после этого резкий подъем концентраций в 2000-2001 гг., а затем происходит постепенное снижение концентраций. Прекращение выбросов в 1997 г. проследить не удается, но стабильное снижение концентраций в течение 5 лет свидетельствует о промывном режиме по-чвогрунтов.

На рисунке 1 представлена динамика изменения концентраций бора по створу IV-IV для левобережных скважин. Створ расположен выше «стены в грунте» по потоку подземных вод, поэтому ее влияние должно сказаться по косвенным признакам.

Скважины 1585, 1586 и 1587 находятся ближе всего к карте старого шламонакопителя с бора-товыми шламами, что отражается на концентрациях в них бора. Однако спецификой распределения концентраций бора является «неправильный» их градиент: в скв. 1585, расположенной у самой кромки шламонакопителя, концентрация меньше, чем в скв. 1586 и 1587. Такую ситуацию можно объяснить лишь наличием дополнительного источника загрязнений. Если таковым считать пыление из шламонакопителя, картина прорисовывается очень четко: поскольку скв. 1585 находится в «тени» от области выпадения даже самых тяжелых частиц, концентрация бора в ней контролируется только инфильрацией из шла-монакопителя. Скважины 1586 и 1587 находятся уже в зоне выпадений пыли, поэтому концентрация бора в них складывается под совместным влиянием инфильтрации из шламонакопителя и инфильтрации снеготалых вод и атмосферных осадков, промывающих слой пыли.

Резкое снижение содержаний бора в 1996 г. одновременно во всех скважинах створа свидетельствует, что, кроме повышенной водности, в этом году появилась дополнительная причина улучшения качества подземных вод по бору. Этой причиной может быть подъем уровня грунтовых вод возле «стены» в результате перекрытия их потока в северной и восточной части шламонакопителя. Этот подъем к 1996 г. оказался достаточным для уменьшения в несколько раз градиента восточного потока грунтовых вод (от старого шламонакопителя в сторону р. Илек) и практически полного прекращения подтока инфильтрационных вод с высокой концентрацией бора из шламонакопителя.

Зона влияния подпора к 1996 г. распространилась до скважины 1585, где «стена» отсутствует. Прекращение подтока из шламонакопителя обусловило резкое снижение концентраций бора в этой скважине. С другой стороны, разрыв восточного потока обусловил снижение градиента в оставшемся от потока «хвосте» (здесь расположены скв. 1586 и 1587), где значительное уменьшение скорости фильтрации сформировало идеальные условия для промывного режима в год повышенной водности.

Подпор грунтовых вод возле «стены» увеличивался до 1999 г. до своего максимального значения, до выхода грунтовых вод на дневную поверхность в локальных понижениях рельефа, что проявилось заболачиванием в зоне между «стеной» и шламонакопителем. В этот момент уровень подпертых «стеной» вод сравнялся с их уровнем в шламонакопителе, и дальнейшее сдерживание фильтрации из шламонакопителя стало невозможным.

Таким образом, уже в 1999 г. экологическая емкость почвогрунтов в зоне между «стеной» и шламонакопителем была окончательно исчерпана. Фактически эта зона превратилась в дополнительную емкость шламонакопителя, но без эффекта пыления. Максимального подпертого уровня оказалось достаточно для формирования в восточной части «поперечного» потока в обход «стены» и возобновления фильтрации из шламо-накопителя, что на рисунке 1 фиксируется скачком концентрации бора в 2001 г. В сложившихся под влиянием непроницаемой «стены» новых гидродинамических условиях ниже старого шла-монакопителя концентрация бора в подземных водах снова стала испытывать превалирующее влияние фильтрации из него, которое либо сглаживается в многоводный год, либо усугубляется в маловодный.

Итак, позитивное влияние «стены» сказывается в течение 4-5 лет, когда концентрации бора снизились в 12-15 раз. После этого концентрация стала определяться потоком измененной возле шламонакопителя конфигурации в обход «стены» или через разрывы в ней, промывкой почвогрунтов, часто загрязненных выбросами АХЗ и пылением с поверхности шламонакопи-теля. Рисунок 2 дает нам еще одну очень важную информацию - в период заполнения зоны между шламонакопителем и «стеной» грунтовый поток в тени старого шламонакопителя формируется исключительно за счет регионального фонового грунтового потока и инфильтрации снеготалых вод. Таким образом, концентрации бора, формируемые за счет промывки загрязненной зоны аэрации инфильтрационными водами, лежат в пределах 46-85 мг/дм³ даже в максимально загрязненной зоне близ старого шламонакопителя.

Проследим теперь влияние «стены в грунте» в следующем створе V-V, отстоящем от предыдущего на расстоянии 1, 5-2, 5 км (рисунок 2, 3). Как видно из этого рисунка, волна снижения концентраций здесь начинается в 2001 г., т.е. через 10 лет после начала строительства «стены» и через 5 лет после волны на створе IV-IV, а начало нового подъема вообще трудно зафиксировать ввиду колебаний концентраций, определяемых влиянием потоков с верхней части территории.

Если скорость изменения амплитуд сохранилась прежней, заметный стабильный подъем должен был начаться в 2006-2007 гг., однако за этот период мониторинговые данные отсутствуют даже в отчете по результатам мониторинга загрязнения подземных вод за 2005-2007 г. Размах снижения концентраций здесь тоже намного меньше - его величина составляет уже не 12-15, а 4-6. Если учесть, что расстояние между профилями составляет 1, 5-2, 5 км, то скорость реакции на изменения гидродинамических условий в очаге загрязнения составит 300-500 м. Таким образом, скорость продвижения фронта понижения концентраций (а, следовательно, и фронта загрязнения) составит около 300-500 м.

На следующем створе VI-VI (рисунок 3) вообще трудно поймать синхронное снижение концентрации бора во всех левобережных скважинах, что свидетельствует о воздействии на концентрации большого количества факторов (климатических, геологических, геоморфологических, гидрогеохимических и пр.), размывающих фронт волны загрязнения.

К числу таких факторов можно отнести разбавление и осаждение бора на глинистых частицах водовмещающих отложений в грунтовом региональном потоке, влияние промывки пород зоны аэрации, загрязненные потоки со стороны территории завода, следов аварийных разливов шламопровода и утечек из нового шламонакопителя, попавших в водоносный горизонт путем инфильтрации после смыва загрязнений с поверхности.

Итак, чем дальше от шламонакопителя находится скважина, тем позднее к ней попадут загрязненные подземные воды из зоны его влияния. При этом амплитуда изменения концентраций заметно уменьшится, а влияние «стены в грунте» станет практически незаметным.

Гидрогеологические и гидродинамические характеристики долины р. Илек определяют сложное и изменяющееся во времени и пространстве взаимодействие подземных и поверхностных вод. С позиций оценки выноса в Актюбинское водохранилище илов р. Илек наибольший интерес представляет уровень загрязнения выклинивающихся подземных вод в р. Илек в непосредственной близости от водохранилища. В этой зоне ближе всего к р. Илек находится скважина 1381. Динамика концентраций бора в ней представлена на рисунке 4.

Как видно из рисунка, до 1995 г. идет очень медленный рост концентраций бора, в 1996 и 1997 г. происходит скачок, затем медленное снижение до 2001 г., затем снова скачок и затем колебания содержаний бора с трендом к снижению. Скважина наблюдается с 1981 г., и если бы сказывалось заметное влияние выпадений выбросов АХЗ, то рост концентраций до 1995 г. был заметнее.

Следовательно, эта скважина находится в зоне практического отсутствия влияния инфильтрации с загрязненных выбросами АХЗ почвогрунтов. Небольшой, но закономерный рост концентраций бора в период до 1995 г. является следствием дисперсии фронта загрязнения подземных вод со стороны очага. Максимум концентрации бора в этой скважине приходится на 2002 г., следовательно, фронт первичного сосредоточенного загрязнения, начало формирования которого относится к заполнению всей площади дна старого шламонакопителя (1963 г. + приблизительно 1/41/3 срока его действия до 1980 г.), продвигался к ней около 32-35 лет, т.е. за год фронт загрязнения продвигался приблизительно на 280-300 м. Влияние строительства «стены» в 1994 г. в этой скважине скажется не ранее 2020 г.

При этом под влиянием совокупности факторов сорбции бора водовмещающими отложениями и инфильтрации паводковых вод и ливневых осадков максимальные концентрации в зоне формирования очага загрязнения, составляющие 700-300 мг/дм³, со средневзвешенным значением около 400 мг/дм³ уменьшились до 40 мг/дм³, т.е. около 10 раз.

Полученная по данным мониторинга загрязнения подземных вод в скв. 1381 скорость движения фронта загрязнения подземных вод - 280300 м вполне сопоставима со скоростью фронта снижения концентраций под влиянием «стены», рассчитанной по профилю V-V, - 300-500 м.

Итак, в результате обобщения данных многолетнего мониторинга загрязнения бором подземных и поверхностных вод на участке г. Алга-Актобе, анализа фондовых гидрогеологических материалов и собственных экспериментальных исследований можно утверждать, что основными источниками загрязнения, формирующими очаг загрязнения подземных вод с высокими концентрациями бора, являются старый шламонакопи-тель, новый шламонакопитель, промплощадка АХЗ, загрязненные выбросами АХЗ и пылением с осушенной поверхности шламонакопителей и мест аварийных утечек пульпопровода почво-грунты.

Размещено на Allbest.ru