Особенности экологического состояния подземных вод в условиях комплексного загрязнения (на примере Красноармейского углепромышленного района)

А.Б.Осипенко, Донецкий национальный технический университет

 

Необходимость изучения химического состава подземных вод каменноугольных отложений юго-западной части Донбасса обусловлена как использованием их в хозяйственно-бытовых и питьевых целях, так и тем, что при разработке угольных месторождений эти воды могут быть источником химических элементов и соединений в содержаниях, отрицательно влияющих на окружающую среду.

Основными геологическими факторами, влияющими на формирование химического состава подземных вод Красноармейского углепромышленного района, являются наличие мощной толщи покровных отложений и распространение трещинно-поровых вод. Интенсивная нарушенность продуктивной толщи сбросами, надвигами и флексурными складками осложняет гидрогеологическую обстановку и способствует распространению высокоминерализованных хлоридных вод на сравнительно небольших глубинах.

В основу данных исследований положены результаты химического и спектрального анализа 181 пробы, отобранной из водоносного комплекса каменноугольных отложений района.

Подземные воды рассматриваемого водоносного комплекса преимущественно средне- и высокоминерализованные (минерализация 5-10 и 10-35 г/л), причем на некоторых участках (Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3 и др.) встречаются рассольные воды (минерализация 35-150 г/л). Величина минерализации вод каменноугольных отложений по всей площади района превышает ПДК, таким образом, по этому показателю воды полей шахт района будут оказывать отрицательное влияние на окружающую среду.

Основными макрокомпонентами подземных вод района являются сульфат- и хлорид-ионы. Повышенные содержания сульфатов ухудшают органолептические свойства воды и оказывают отрицательное воздействие на организм человека, обладая слабительными свойствами [ ]. Содержание сульфатов, превышающее предельно допустимую концентрацию (ПДК=500 мг/л), в подземных водах каменноугольных отложений Красноармейского района отмечено на участках Северо-Родинский, Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3, достигая 2494 мг/л. (37 %)

Содержание хлоридных ионов в подземных водах практически повсеместно превышает ПДК (350 мг/л). Максимальными содержаниями хлоридов характеризуется участок Самарский-Капитальный, где на глубине 1424 м зафиксировано содержание хлора 73888 мг/л. В ходе исследований установлено, что содержание ионов хлора увеличивается с ростом минерализации воды (рис. 2.а), это объясняется тем, что прочие анионы, достигая величины произведения растворимости с соответствующими катионами, обычно начинают переходить в осадок, уступая место хлору [1]. В связи с этим, в Красноармейском районе, где с глубины 500 м подземные воды с минерализацией более 3 г/л (иногда 100 и более г/л) по содержанию хлоридов могут быть отнесены к вредным. (74 %)

Величина рН на всей территории района находится преимущественно в пределах от 6,5 до 8,5, что соответствует ГОСТу. Однако на участках Самарский - Капитальный, Добропольский - Капитальный, Красноармейский - Западный №2-3 на глубинах 747-1237 м скважинами вскрыты кислые воды с рН=5,4-6,0; на этих же участках, а также на участке Терешковский №3 в интервале глубин 240-450 м вскрыты щелочные воды с рН=8,6-12,4.

Для Красноармейского района характерны высокие значения жесткости – от 0,3 до 364,9 мг-экв/л, причем только 12 % проб воды имеют жесткость соответствующую ГОСТу (<7,0 мг-экв/л). Таким образом, по величине общей жесткости подземные воды каменноугольных отложений района непригодны для хозяйственно-питьевых целей. В результате проведенных исследований выявлено, что величина общей жесткости находится в прямой зависимости от величины минерализации вод (r=0,81) (рис.2б) и обратной зависимости от рН (r=0,39).

В Красноармейском районе Fe³⁺ не обнаружен, а Fe²⁺ повсеместно содержится в подземных водах каменноугольных отложений; превышение ПДК (0,3 мг/л) зафиксировано на участках Добропольский-Капитальный, Северо-Родинский (0,1-1 мг/л), Терешковский №3 (до 41,2 мг/л), Красноармейский - Западный № 2-3 (до 80,2 мг/л).

Из элементов I класса опасности в концентрациях, превышающих предельно допустимые, в подземных водах района выявлены: фтор, свинец и кадмий. Не обнаружены: ртуть, бериллий и фосфор. Мышьяк и цинк, встречающиеся довольно часто, в концентрациях, превышающих ПДК, не выявлены.

Фтор в подземных водах каменноугольных отложений встречается довольно часто (встречаемость 88 %), однако, содержание его очень редко достигает ПДК (только в 8 пробах из 70 содержание F превышает 1,5 мг/л), максимальное содержание (9,3 мг/л) отмечено в пробе воды на участке Соленовский 1-2 (глубина 745 м).

Кадмий обнаружен в 2 пробах воды из 10. Содержание его составляет 0,03-0,035 мг/л (при ПДК=0,001 мг/л).

Из элементов II класса опасности в концентрациях, превышающих предельно допустимые, в подземных водах Красноармейского района обнаружены: бром, бор, литий, никель и медь. Содержания молибдена, кобальта, хрома и висмута не превышают ПДК, содержание сурьмы и теллура не достигает порога чувствительности определения.

Бром относится к элементам, широко распространенным в Красноармейском районе, встречаемость его - 99%, содержание достигает 181,6 мг/л. В большинстве случаев содержание брома превышает предельно допустимую концентрацию (0,2 мг/л). Максимальные фоновые содержания (24,1 мг/л) приурочены к высокоминерализованным водам хлоридного натриевого состава (табл. 1), что вызвано наличием зависимости между содержанием брома и величиной минерализации (рис. 2д). Кроме того, в подземных водах Красноармейского района установлены лечебные содержания брома, в том числе на участке Добропольском-Капитальном - 181,6 мг/л.

Бор в подземных водах района достигает концентрации 15,07 мг/л при встречаемости 88 %. Встречается во всех химических типах подземных вод, максимальных содержаний достигает в высокоминерализованых хлоридных натриевых водах в интервале глубин их распространения (см.табл.1). В 41 % проб воды его содержание превышает ПДК (0,5 мг/л). В 2 пробах подземных вод из 159 содержание бора превысило 10 мг/л, т.е. достигло концентраций, нормируемых для лечебных вод: участки Красноармейский-Западный и Терешковский № 3.

Литий выявлен в 74 % проб воды химическим анализом, согласно которому максимальное его содержание достигает 21,0 мг/л. В максимальных количествах он содержится в высокоминерализованных хлоридных натриевых (магниевых) водах глубоких горизонтов, в водах другого состава его содержание мало (см.табл.1). Отсюда наличие тенденции лития к положительной связи со степенью минерализации (рис. 2г). Промышленные содержания его (более 10 мг/л) определены лишь в 2 пробах воды на участке Добропольском-Капитальном. В трех скважинах этого участка вода содержит литий в концентрациях, характерных для лечебных литиевых вод (более 5,0 мг/л).

Никель по данным спектральных анализов имеет встречаемость 100%, максимальное содержание 0,21 мг/л. В 10 % пробах воды его содержание превышает ПДК по санитарно-токсилогическому показателю вредности для вод хозяйственно-питьевого назначения (0,1 мг/л), однако основная масса проб воды содержит никель в невысоких количествах (0,0048-0,027 мг/л).

Медь по данным спектральных анализов имеет встречаемость 100% и максимальное содержание - 1,36 мг/л, что превышает ПДК (1,0 мг/л). Максимальные фоновые содержания к хлоридным натриевым водам (см.табл.1).

Из элементов III класса опасности в содержаниях, превышающих ПДК, в шахтных водах Донецкой области выявлены: барий, марганец, стронций, титан, ванадий. Вольфрам обнаружен содержаниях на 2-3 порядка ниже ПДК. Особое внимание следует обратить на тот факт, что даже фоновые содержания большинства элементов III класса опасности (бария, марганца, стронция, титана) значительно превышают предельно допустимые (см.табл.1).

Стронций в подземных водах встречается повсеместно (встречаемость 98 %), достигая, по данным спектрального анализа, 905,3 мг/л. Концентрации, превышающие ПДК (7,0 мг/л), зафиксированы в 59,4 % проб. Высокое содержания стронция, достигающее норм для лечебных вод (10 мг/л), встречено в 30 % проб воды всех участков района; промышленные содержания стронция (более 300 мг/л) выявлены в 6 % проб воды участка Добропольский-Капитальный. Максимальными фоновыми содержаниями характеризуются хлоридные натриевые (магниевые) воды с высокой минерализацией (см.табл.1), также отмечается четкая связь содержания стронция с величиной минерализации (рис.1б).

Барий, по результатам спектрального анализа, достигает содержаний 664,5 мг/л при встречаемости 100 %. В 8 % проб подземных вод содержания бария превышают ПДК (4,0 мг/л). В содержаниях, нормируемых для промышленных вод (200 мг/л), определен в 2 пробах воды из 44 (участки Красноармейский-Западный 2-3 и Северо-Родинский).

Марганец встречается в водах часто (встречаемость 100 % по данным спектральных анализов), максимальная концентрация - 6,3 мг/л. Содержания, превышающие ПДК (0,1 мг/л) зафиксированы в 34 % проб.

Титан по данным спектральных анализов встречается повсеместно (встречаемость 100 %). Содержание титана в водах района колеблется от 0,001 до 13,79 мг/л, причем количество проб, с концентрациями, превышающими ПДК (0,1 мг/л), составляет 80,9 %. Наиболее высокие содержания титана характерны для участков Северо-Родинский, Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3.

Содержание ванадия по данным спектрального анализа в водах района изменяется в пределах 0,006 до 0,197 мг/л (по 33 анализам), только в 5 пробах (на участках Терешковский № 3 и Добропольский-Капитальный) – его содержание превышает ПДК (0,1 мг/л).

Из вышеприведенных данных следует, что для водоносного комплекса каменноугольных отложений Красноармейского района характерны превышающие ПДК содержания следующих элементов: бром, бор, стронций, литий, рубидий, марганец, медь, никель, причем наиболее высокие содержания большинства элементов приурочены к хлоридно-натриевым водам.

Таким образом, к экологическим особенностям подземных вод каменноугольных отложений Красноармейского района, относятся превышающие ПДК концентрации в водах  и других компонентов, наличие которых отрицательно сказывается как на здоровье населения при использовании использованием их в хозяйственно-бытовых и питьевых целях, так и на состоянии природной среды, особенно гидрографической сети, при сбросе откачиваемых шахтами подземных вод.

 

Библиографический список

 

1.       Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. - М.: Недра, 1992. - 463 с.

2.       Лукашев К.И. Геохимическое поведение элементов в гипергенном цикле миграции. - Минск: Наука и техника,1964. - 463 с.

3.       Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп: Справочное издание/ Под ред. Филова В.А. – Л.: Химия, 1988 – 512 с.