ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 2, с. 118-123
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 551.131:624.131
ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ СЕРНЫХ КАРЬЕРОВ
© 2008 г. А. М. Гайдин
Отделение горно-химического сырья Академии горных наук Украины Поступила в редакцию 22.05.2006 г.
После исправления 2.04.2007 г.
Освещается опыт изучения состава воды в озерах, образующихся на месте затопленных серных карьеров. Изложены требования к качеству воды, охарактеризованы источники затопления и соотношение вод различного состава. В формировании состава воды выделены три стадии: смешивание, водообмен, стабилизация. В период затопления ведущие процессы - смешивание вод различного состава и химическое окисление сероводорода. Смешивание вод осложняется процессом стратификации водной толщи под влиянием различия в минерализации и температуре воды. По мере затопления усиливаются биохимические процессы. Приведены результаты измерений температуры и минерализации воды на различных глубинах. Результаты наблюдений в целом подтверждают прогнозные расчеты. Затопление карьеров без предварительной гидроизоляции вскрытых серных руд и гипсоангидритов не приводит к негативным экологическим последствиям. На месте карьеров образуются прекрасные чистые озера.
Карьерные озера. В конце прошлого столетия наряду с социально-политическими потрясениями произошли большие изменения в горнодобывающей промышленности. Вследствие нерентабельности закрыто множество шахт и карьеров. Примером могут служить серные карьеры: Яво-ровский, Роздольский и Подорожненский в Украине, Махув и Пясечно в Польше.
Серные карьеры Украины расположены в Львовской области, на сочленении Восточно-Европейской платформы с Предкарпатским краевым прогибом, на площади распространения сульфатно-карбонатных отложений неогена. Основные характеристики карьеров приведены в табл. 1.
Затопление серных карьеров Украины начали в 2002 г. По состоянию на март 2007 г. глубина Роздольского озера составляет 50 м, Подорож-ненского 67 м, Яворовского - 75 м. Автор прини-
мал участие в разработке проектов ликвидации карьеров, а также проводил наблюдения за затоп-леним и формированием химического состава воды.
Требования к качеству воды [1]. Ценность новообразованных озер определяется качеством воды. Они могут использоваться для рыборазведения, водоснабжения, отдыха и спорта. Наиболее жесткие требования предъявляются к воде рыбо-хозяйственных водоемов. Содержание сульфат-иона в них не должно превышать 100 мг/л, кислорода не должно быть не менее 4 мг/л зимой и не менее 6 мг/л летом. Биологическая потребность в кислороде (БПК) не больше 2 мг/л.
В питьевой воде содержание сульфат-иона может доходить до 300 и даже 500 мг/л, хлоридов до 350 мг/л, сухой остаток до 1 г/л, а общая жесткость до 7 мг-экв/л. БПК питьевой воды не более 3 мг/л, содержание кислорода не меньше 4 мг/л.
Таблица 1. Характеристики серных карьеров
Карьер Период эксплуатации Площадь по верху, га Глубина, м Объем выемки, млн. м3* Приток подземных вод, тыс. м3/сут
Роздольский 1958-92 563 60 17.3 15
Подорожненский 1971-93 570 95 135 8-10
Яворовский 1978-93 932 75 205 100
Махув 1969-92 450 42 + 25 = 67 112 32-36
Пясечно 1958-72 160 42 30 15-20
* В таблице указаны объемы и глубины остаточных выемок карьеров ниже уровня затопления, величина притока воды в период эксплуатации.
Таблица 2. Химический состав воды из неогенового водоносного комплекса, мг/л
Карьер рН Са Mg № + К Б04 НС03 С1 Сумма
Подорожненский 7.6 25 455 84 772 3260 451 100 5122
Роздольский 6.7 39 561 53 210 1565 646 6 3041
Яворовский 6.8 47 556 62 210 1600 476 35 2940
Махув 6.8 450 Нет данных 2134 4340
Таблица 3. Химический состав речной воды, мг/л (лето 2004 г.)
Река О2 рН Са Mg № + К 804 НС03 С1 Сумма
Днестр 8-10 7.4 90 17 82 92 279 121 681
Шкло 9-11 7 84 3.6 11 40 304 11 453
Свича 11-12 7 60 6 9 53 122 28 230
В водоемах для купания допускается БПК до 6 мг/л, растворенного кислорода должно быть не менее 4 мг/л, солевой состав не нормируется. При наличии в воде сероводорода она не годится ни для рыбоводства, ни для питья, ни для отдыха. Вода, вытекающая из озера в реку, не должна понижать класс качества воды в реке.
Источники затопления. Особенность серных карьеров - наличие водоносных комплексов в сульфатно-карбонатных толщах неогена, содержащих сероводородные воды. Примеры химического состава воды неогенового водоносного комплекса даются в табл. 2. Как видно из приведенных данных, затопление выемок только подземными водами привело бы к образованию озер с водой, непригодной для питья и токсичной из-за присутствия сероводорода. Чтобы не допустить этого, в Польше перед затоплением карьера Махув на дне карьера отсыпали глиняный экран толщиной 25 м [3], для чего пришлось переместить 36 млн. м3 грунта. Кроме того, в период затопления ведется откачка воды из системы водо-понижающих скважин. Через специальный канал из реки Висла в паводковые периоды, когда речная вода отвечает первому классу качества, в карьер подается вода. Откачка сероводородной воды из скважин прекращает только после полного затопления выемки.
В серных карьерах Украины дренажные воды менее минерализованы и содержат на порядок меньше сероводорода. Проведенными нами пред-проектными расчетами было показано, что обеспечение удовлетворительного качества воды может быть достигнуто в результате разбавления, окисления сероводорода и биохимических процессов. Со временем химически активные серные руды и гипсоангидрит, вскрытые карьером, сами собой покроются глинистыми осадками, сползающими с крутых откосов карьера. На основании этих прогнозов проектами предусмотрено запол-
нение выемок подземными и поверхностными водами без предварительного создания водоупорного экрана.
Затопление карьеров проводится подземными водами, водой из рек, а также осадками, выпадающими на водосборной площади карьера. Вода в реках западной Украины отличается малой минерализацией. Примеры приводятся в табл. 3.
Значительную роль при затоплении играют атмосферные осадки, выпадающие на водосборную площадь карьера. Состав этой инфильтрую-щейся воды зависит от степени загрязнения земной поверхности. Вокруг серных карьеров она загрязнена пылью сульфатных и карбонатных пород, а также серой. Поэтому в начале затопления минерализация стекающей в карьер атмосферной воды была пестрой и местами достигала 1 г/л. Только со временем поверхность очистилась.
Соотношение вод различного состава. В период затопления в выемку поступают подземные воды, атмосферные осадки с площади водосбора, а также полный или частичный сток рек. Приток поверхностных вод изменяется в зависимости от гидрометеорологических условий, а приток подземных вод уменьшается по мере затопления выемки. Количество вод различного состава, которые поступят в карьер в период затопления, вычисляли путем численного интегрирования балансового уравнения
(бп№ + ба + бр)йг = - (1)
где бп(5) - приток подземных вод, зависящий от понижения уровня воды 5 по сравнению с первоначальным (статическим) напором, ба + бр - приток атмосферной и речной воды за вычетом испарения, ^Х^) - площадь водного зеркала, увеличивающаяся по мере затопления выемки и уменьшения - приращение уровня за промежуток времени йг.
Интегрирование уравнения позволяет рассчитать длительность затопления выемки и количество воды различного состава, которое поступит в карьер. Так, например, расчетами установлено, что в период затопления в Яворовский карьер поступит 20% подземных вод, столько же атмосферных и 60% воды из речек. Все эти воды представляют собой разбавленные растворы, и при их смешивании химические реакции не наблюдаются, за исключением взаимодействия кислорода поверхностных вод с сероводородом подземных.
Стадии формирования состава воды в озере.
Следует различать три стадии: смешивание, водообмен и стабилизация. Смешивание - основной процесс формирования химического состава воды в период затопления. Зная количественное соотношение и состав вод, можно рассчитать состав смеси С по формуле
С =(КСа + УрСр + УПСП),
(2)
вытекающей воды приблизится к минерализации притекающей. Наступит период стабилизации химического состава воды, когда изменения происходят только под влиянием гидрометеорологических и антропогенных факторов.
Окисление сероводорода. Присутствие сероводорода в подземных водах серных месторождений объясняется деятельностью сульфат-восста-навливающих бактерий. Сероводород хорошо растворяется в воде и находится в ней в виде молекул И2Б и ионов ИБ- и Б2-, между которыми поддерживается равновесие, зависящее от рН. При смешивании поверхностных и подземных вод сероводород быстро окисляется кислородом. Окисление проходит в несколько стадий с образованием промежуточных продуктов, конечным продуктом является сульфат-ион:
И.Б + 2О2 = 2Н+ + Б 02
(3)
где Уа, Ур, Уп - доли поступившей в карьер атмосферной, речной и подземной воды соответственно, Са, Ср, Сп - соответствующие концентрации растворенных в воде компонентов. Приводим пример расчета минерализации смеси для Яво-ровского карьера: Уа = 0.2, Са = 0.6 г/л, Ур = 0.6, Ср = 0.45 г/л, Уп = 0.2, Сп = 2.9 г/л. Подставляя данные, получим С = 0.95 г/л. Таким же образом можно рассчитать содержание каждого компонента. Расчет показал, что по общей минерализации вода будет удовлетворять требованиям к питьевой воде. Только содержание сульфат-йона превысит норму.
Период водообмена наступает после достижения максимального уровня воды. Приток подземной воды достигает минимума и стабилизируется. Теперь соотношение между количествами поступающей в озеро поверхностной воды зависит только от сезонных факторов. Из озера начинает вытекать смесь поверхностных и подземных вод, минерализация которой выше, чем у притекающей воды. В результате количество вносимых в озеро солей меньше, чем количество выносимых. Например, в Яворовское озеро приток подземных вод с минерализацией 2.7 кг/м3 составит 3.7 млн. м3 в год, а приток речных и атмосферных с общей минерализацией 0.5 кг/м3 - 4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.