ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ЗОЛООТВАЛА ЧИТИНСКОЙ ТЭЦ-1

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ЗОЛООТВАЛА ЧИТИНСКОЙ ТЭЦ-1

Научная статья

Усманова Л.И.¹, Усманов М.Т.^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-2278-3486;

² ORCID: 0000-0003-4676-6741;

^{1, 2} Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук, Чита, Россия

* Корреспондирующий автор (usgi[at]yandex.ru)

Аннотация

В результате фильтрационных утечек из гидрозолоотвала Читинской ТЭЦ-1 по потоку подземных вод сформировался ореол протяженностью свыше 3 км вплоть до оз. Кенон гидрокарбонатно-сульфатных вод с минерализацией более 1,0 г/л, некондиционных в питьевом отношении по общей минерализации, величине жесткости и содержанию магния и кремния. Цель данного сообщения – по результатам выполненных авторами работ показать изменение химических характеристик подземных и поверхностных вод в зоне влияния ее гидрозолоотвала. За основу исследования приняты результаты гидрогеохимических исследований природных и техногенных объектов за 2002, 2008 и 2015 годы. Пробы отбирались в осенне-летний период (период открытой воды), что, с учетом достаточно стабильного гидрогеохимического режима в пределах годового цикла является репрезентативным.

Ключевые слова: озеро Кенон, золоотвал, химический состав, термодинамические равновесия.

GEOCHEMICAL FEATURES OF GROUND AND SURFACE WATER IN AFFECTED ZONE OF ASH-DISPOSAL AREA OF CHITA TPP-1

Research article

Usmanova L.I.¹, Usmanov M.T.^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-2278-3486;

² ORCID: 0000-0003-4676-6741;

^{1, 2} Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Chita, Russia

* Corresponding author (usgi[at]yandex.ru)

Abstract

As a result of filtration leaks from the hydraulic ash disposal area of Chita TPP-1, a halo with bicarbonate-sulphate water with a length of over 3 km up to the lake Kenon was formed along the groundwater flow having a salinity of more than 1.0 g/l, off grade in terms of drinking in terms of total salinity, hardness value and magnesium and silicon content. The main goal of this paper is to show the change in the chemical characteristics of groundwater and surface water in the affected zone of hydraulic ash disposal area, based on the results of the work carried out by the authors. The work is based on the results of hydrogeochemical studies of natural and man-made objects for 2002, 2008 and 2015. Samples were taken in the autumn-summer period (the period of open water), which, taking into account the fairly stable hydrogeochemical mode within the annual cycle, is representative.

Keywords: Kenon lake, ash disposal area, chemical composition, thermodynamic equilibria.

Загрязнение природных вод на участках размещения золоотвалов – общая проблема угольных ГРЭС и ТЭЦ [1], [2]. В этом отношении Читинская ТЭЦ-1 не составляет исключения. Объектами исследований кроме самого золоотвала были пункты подземных вод в районе его размещения, а также руч. Кадалинка и оз. Кенон, попадающие в зону влияния золоотвала.

Гидрозолоотвал (ГЗО) Читинской ТЭЦ-1 находится в 3 км к северо-западу от ее площадки и оз. Кенон (рис. 1) и представляет собой огражденный дамбами накопитель в понижении рельефа Читино-Ингодинской межгорной впадины. Площадь его около 115 га, эксплуатируется он с 1973 г. К настоящему времени ГЗО практически заполнен, в стадии строительства вторая его очередь на участке, примыкающем к существующим секциям с запада.

Рис. 1 – Местоположение гидрозолоотвала Читинской ТЭЦ-1 и пунктов отбора водных проб: 1 – пруд-отстойник ГЗО; 2 – секция сброса пульпы; 3 – труба, дренирующая секцию сброса пульпы; 4 – родниковая разгрузка; 5 – скважина в пос. Черемушки; 6 – скважина в долине руч. Кадалинка; 7, 8 – руч. Кадалинка

 

В гидрогеологическом отношении участок приурочен к осевой части Читино-Ингодинского артезианского бассейна в зоне транзита подземных вод водоносного комплекса нижнемеловых нормально-осадочных отложений доронинской свиты. Породы комплекса на глубину 500-600 м в основном представлены алевролитами и песчаниками с примерно равным соотношением пачек мощностью от 50-70 до 110-130 м. Водоносными являются преимущественно песчаники. Фильтрационные свойства пород сильно колеблются, максимальные коэффициенты фильтрации песчаников достигают 35 м/сут. Воды комплекса в верхней гидродинамической зоне (на первом водоупоре) грунтовые, с глубиной становятся напорными.

Химико-аналитические определения макро- и микрокомпонентов выполнены в сертифицированной лаборатории ИПРЭК СО РАН стандартизированными методами. Применялись титриметрический (CO₂, HCO₃^-, CO₃^2-), турбидиметрический (SO₄^2-), потенциометрический (pH, Cl, F), фотометрический (Si, P, перманганатная окисляемость), атомно-абсорбционный (основные катионы, стронций, другие металлы) и другие методы анализа. Насыщение вод по возможным вторичным минеральным фазам определялось термодинамическими расчетами по программе HydroGeo [3].

Химический состав воды отстойника ГЗО по результатам выполненных нами с 1991 г. нескольких разовых опробований до 2008 г. был сульфатным магниево-кальциевым, содержание сульфат-иона не превышало 600 мг/л. Основным источником его высоких концентраций служит сульфидная сера (в виде пирита, марказита), содержащаяся в сжигаемом угле и минеральных золообразующих компонентах. Некоторый вклад вносит также серная кислота, используемая ТЭЦ при чистке котлов от накипи. В 2008 г. отмечен рост концентраций хлора и натрия в воде отстойника, вызванный, очевидно, поступлением их в золоотвал вследствие применения в тех же целях хлорида натрия. Анионный состав воды отстойника в результате стал хлоридно-сульфатным, а катионный – натриево-магниево-кальциевым. Минерализация воды, по данным за 2002-2015 годы, в летний период изменялась от 0,77 до 1,14 г/л. Эти колебания обусловлены динамикой состава используемой для золоудаления воды, различным составом сбрасываемых в ГЗО технологических вод ТЭЦ и др. По величине pH воды отстойника щелочные (pH до 9.4). Еще одна характерная их особенность – высокие концентрации фтора. Данные по химическому составу вод отстойника и подземных вод в зоне его влияния по трем срокам опробования представлены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Физико-химические характеристики вод пруда-отстойника гидрозолоотвала Читинской ТЭЦ-1, подземных и поверхностных вод в зоне его инфильтрационного влияния (в мг/л, кроме pH)

Компонент	Пруд-отстойник			Родниковая разгрузка			Скважина			р. Када-линка
	1	2	3	1	2	3	1	2	3	24.05.11
pH	9.38	9.33	8.95	8.27	6.64	6.84	7.58	7.29	7.26	8.06
CO2	0.0	0.0	0.0	0.0	37.0	67.3	12.0	11.1	14.3	1.76
HCO3-	126.8	104.7	18.9	433.1	303.1	554.1	263.5	281.1	226.3	08.6
CO32-	10.8	9.0	13.8	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
SO42-	600.0	453.0	592.9	504.0	378.0	409.2	576.0	415.0	455.7	252
Cl-	70.8	102.4	122.6	39.8	52.5	66.5	50.2	67.6	66.5	16.2
F-	16.9	15.8	8.68	0.91	0.46	0.50	1.12	2.08	2.23	0.66
NO3-	0.71	6.2	2.66	0.68	2.97	0.88	<0,62	1.96	0.44	0.60
Ca2+	195.0	101.6	212.9	136.3	141.1	177.4	156.5	166.8	150.8	110.8
Mg2+	48.5	56.2	25.8	112.0	63.2	102.9	86.4	48.4	63.7	28.8
Na+	62.3	90.8	85.2	50.4	44.3	46.2	55.4	63.8	52.8	23.7
K+	11.1	4.5	2.9	9.2	2.9	2.0	6.8	2.7	1.9	0.67
NH4+	-	-	0.21	-	-	0.45	-	-	1.11	0.2
Сумма ионов	1144	949	1086	1286	986	1360	1196	1050	1021	641.5
P	0.205	0.145	0.058	0.099	0.083	0.072	0.14	0.095	0.065	0.075
Si	6.5	12.2	15.8	11.5	11.1	12.3	11.4	10.9	11.5	4.8
Sr	2.00	1.30	14.9	1.00	1.29	5.99	0.60	1.21	2.84	0.16
ПО, мгO2/л	3.67	2.00	1.02	3.01	1.60	1.27	3.60	4.20	1.10	3.80

Примечание: даты отбора проб: 1 – 10.09.2002 г.; 2 – 02.06.2008 г.; 3 – 27.07.2015 г.; ПО – перманганатная окисляемость; прочерк – нет определений.

По содержанию гидрокарбонатного иона в воде отстойника резко выделяется проба в последний срок опробования. Причина такого снижения неясна. Она может быть связана как с ростом поступления кальция в водную среду, так и со снижением содержания карбонатных компонентов в сжигаемых углях. В первом случае должно усиливаться образование вторичных карбонатов, в особенности доломита, по которым вода пересыщена (табл. 2). В частности, равновесные массы доломита CaMg(CO₃)₂ по пробам отстойника за 2002 и 2015 г. равны 32 и 5.3 мг (в расчете на 1 л) соответственно при незначимой в обоих случаях массе кальцита CaCO₃ (менее 0.01 мг). Известно, что в случае высококальциевых золошлаковых отходов растут масштабы образования карбонатов, и, как следствие, существенно изменяются фильтрационные свойства подстилающих золоотвалы пород в результате вторичного карбонатообразования. Так, отмечено уменьшение фильтрационных потерь с 14.5 до менее 1.0 тыс. м³/сут. по Березовской ГРЭС (КАТЭК), при этом коэффициент фильтрации подстилающих пород на 1998 г. оценивался в 0.04 м/сут. при 5-10 м/сут. на конец 1950-х годов до ввода ГЗО в эксплуатацию [4]. Подобного по золоотвалу Читинской ТЭЦ-1 пока не отмечалось. Но насыщение по карбонатным минералам, к тому же более высокое, получено и по другим водным пробам, в том числе и подземных вод, при этом концентрации гидрокарбоната в них более чем на порядок выше. Потому более вероятна вторая причина, если исключить возможность других.

 

Таблица 2 – Равновесное количество осадка основных минералов (мг/л) по пробам, отобранным 27.07. 2015 г.

Минерал и его формула	Пробы воды
	пруд-отстойник	родниковая разгрузка	скважина	озеро Кенон
кварц; SiO2	28	21	17	0
витлокит(фосфат); Ca3(PO4)2	0.083	0.1	0.1	0.11
флюорит; CaF2	14	0	0	0
доломит; CaMg(CO3)2	5.3	140	35	14
целестин; SrSO4	29	9.6	3.5	0

 

Геохимических барьеров, существенно ограничивающих накопление в водах ГЗО сульфата, практически не существует, насыщение по гипсу CaSO₄·2H₂O не достигается. Образование целестина заметно не влияет на концентрацию в воде сульфата. Даже при полном осаждении целестина по пробе отстойника за 2015 г. в осадок уйдет не более 15.3 мг/л SO₄^2-.

Фтор уже при фильтрации через золошлаковые осадки в основном удаляется из водной среды. При содержании в воде секции сброса пульпы (точка 2 на рис. 1) 6.9-16.9 мг/л в стоке из дренажной трубы (т. 3) оно уменьшалось до 0.48-1.99 мг/л [1]. Удаление из фильтрующихся вод фтора обусловлено выпадением его в результате образования флюорита, по которому воды пульпы и отстойника пересыщены. По расчетам, из вод отстойника может высаживаться до 32 мг/л CaF₂ [5].

Фильтрация воды из гидрозолоотвала наиболее значимо проявилась в подземных водах в росте содержания сульфат-иона, как это видно по родниковой разгрузке и самоизливающей скважине в долине руч. Кадалинка (точки 4 и 6 на рис. 1). В пробах последнего по времени опробования концентрации SO₄^2- по ним были 409 и 456 мг/л соответственно (табл. 1). Ранее в этих точках фиксировалось до 635 и 580 мг/л сульфатов. В подземных водах в районе золоотвала ТЭЦ вне зоны его влияния концентрации сульфат-иона изменялись от 22.8 до 66.0 мг/л (скважины в пос. Черемушки (точка 5 на рис. 1), вблизи пос. Кутузовка и в с. Застепь к северо-западу от золоотвала выше по потоку подземных вод), анионный состав вод гидрокарбонатный. Снижение содержания SO₄^2- в подземных водах в сравнении с золоотвалом связано со смешением фильтрационных утечек с менее сульфатными водами водоносного горизонта, тогда как содержание гидрокарбоната при этом, напротив, более высокое, поскольку за пределами зоны влияния ГЗО оно кратно выше. Так, в пробе по скважине в пос. Черемушки концентрация HCO₃^- была 664.7 мг/л [5]. Высокое содержание гидрокарбоната в воде этой скважины связано, по-видимому, с локальным обогащением карбонатами водовмещающих пород (карбонатным цементом песчаников) на примыкающей площади.

В результате разгрузки подземных вод содержание SO₄^2- в воде руч. Кадалинка на приустьевом участке (т. 8 на рис. 1) достигало 528 мг/л [6], а в августе 2014 г. даже 534 мг/л [7]. Выше зоны разгрузки сульфата более 51 мг/л не отмечалось. Сток ручья, таким образом, является одним из путей поступления сульфатов в оз. Кенон [8], [9]. Поступают они и через разгрузку подземных вод непосредственно в озеро вдоль северо-западного берега, которая может достигать 550 куб. м/час [10].

С гидрозолоотвалом связано и обогащение подземных вод кремнием. Рост его концентрации в воде отстойника в сравнении с оз. Кенон, из которого производится забор воды для транспортировки золы, в какой-то мере можно сравнить с азотными термами, определяется он температурой золы и высокой щелочностью взаимодействующей с ней воды. Источником кремния служат алюмосиликатные зольные компоненты, при этом при насыщении по кварцу, концентрации его в основном контролируются аморфным кремнеземом, по которому равновесие не достигается. Практически не влияет на содержание кремния, как в воде отстойника, так и в подземных водах возможное образование вторичных глинистых минералов (бейделлитов, монтмориллонитов, иллитов и др.), осадки их суммарно не превышают 0.1 мг/л.

В результате фильтрации из гидрозолоотвала Читинской ТЭЦ-1 сформировался ореол протяженностью свыше 3 км вплоть до оз. Кенон гидрокарбонатно-сульфатных вод с минерализацией более 1,0 г/л, некондиционных в питьевом отношении по общей минерализации, величине жесткости и содержанию магния и кремния. Вследствие смешения фильтрационных утечек с подземными водами водоносного горизонта содержания сульфат-иона по сравнению с золоотвалом уменьшаются, а гидрокарбоната из-за более высокого содержания его в подземных водах растут, но доминирующим анионом в зоне загрязнения остается сульфат. За прошедший более чем 40-летний период эксплуатации гидрозолоотвал остается источником загрязнения подземных вод, что свидетельствует об отсутствии кольматации подстилающих пород, значимой для снижения фильтрационных потерь, и незначительных масштабах вторичного минералообразования.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Замана Л. В. Влияние золотвала Читинской ТЭЦ-1 на геологическую среду / Л. В. Замана, М.Т. Усманов, Л. И. Усманова и др. // Сергеевские чтения. Вып. 6. Инженерная геология и охрана геологической среды. Современное состояние и перспективы развития Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Москва. 23-24 марта 2004). – М.: ГЕОС. – 2004. – С. 246-250.
2. Павлов С. Х. Фильтрационные утечки из золошлакоотвала и их взаимодействие с геологической средой / С.Х. Павлов, А. И. Оргильянов, П. С. Бадминови др. // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Науки о Земле. – 2014. – Т. 7. – С. 100-115.
3. Букаты М. Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач / М. Б. Букаты // Известия ТПУ. – 2002. – Т.305. Вып. 8. – С. 348-365.
4. Белый В. В. Использование золошлаковых отходов для защиты подземных вод от фильтрации из золоотвала Березовской ГРЭС-1 / В. В. Белый, Г. И. Кузнецов, А. Ю. Озерский // Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России. – Иркутск: Изд-во ИрТГУ. – 2003. – С. 201-203.
5. Замана Л. В Гидрохимия отстойника золоотвала Читинской ТЭЦ-1 и подземных вод в зоне его инфильтрационного влияния / Л. В. Замана, Л. И. Усманова, М. Т. Усманов // Вестник Бурятского гос. университета. – 2010. – Вып. 3: Химия, физика. – С. 28-33.
6. Усманова Л. И Влияние золоотвалов Читинских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 на природные воды прилегающих территорий / Л.И. Усманова, М. Т. Усманов // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. – 2010. – № 2. Вып. 16. – С. 167-178.
7. Цыбекмитова Г. Ц. Качество фильтрационных вод золошлакоотвала ТЭЦ-1 и возможные пути их поступления в оз. Кенон (Забайкальский край) / Г. Ц. Цыбекмитова // Вода: химия и экология. – 2016. – № 2. – С. 11-17.
8. Усманова Л. И. Характеристика химического состава речных вод на территории и в окрестностях города Читы / Л.И. Усманова // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 7. – С. 200-208.
9. Цыбекмитова Г. Ц. Гидрохимия озера Кенон (Забайкальский край) / Г. Ц. Цыбекмитова, М. Н. Бутенко // Материалы III Всероссийской научной конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии». – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН – 2016. – С. 327-329.
10. Итигилова М. Ц. Экология городского водоема / М. Ц. Итигилова, А. П. Чечель, Л. В. Замана и др. – Новосибирск: Издательство СО РАН. – 1998. – 260 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Zamana L. V. Gidrohimiya otstojnika zolootvala CHitinskoj TEHC-1 i podzemnyh vod v zone ego infiltracionnogo vliyaniya [The influence of the gold of the Chita TPP-1 on the geological environment] / L. V. Zamana, M. T. Usmanov, L. I. Usmanova, and others // Sergeevskie chteniya. Vyp 6. Inzhenernaya geologiya I ohrana geologicheskoj sredy/ Sovremennoe sostoyanie I perspektivy razvitiya. Materialy-godichnoj sessii Nauchnogo soveta RAN po problemam geoehkologii inzhenernoj geologii I gidrogeologii (Moskva 23-24 marta-2004) [Sergeevskie readings. Issue 6. Engineering geology and protection of the geological environment. Current State and Development Prospects Materials of the annual session of the Scientific Council of the RAS on the problems of geoecology, engineering geology and hydrogeology (Moscow. March 23-24, 2004)]. – M.: GEOS. – 2004. – P. 246-250. [in Russian]
2. Pavlov S. Kh. Filtracionnye utechki iz zoloshlakootvala i ih vzaimodejstvie s geologicheskoj sredoj [Filtration leaks from the ash dump and their interaction with the geological environment] / S. Kh. Pavlov, A. I. Orgilyanov, P. S. Badminov, and others // Izvestiya Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta Seriya Nauki o Zemle [News of Irkutsk State University. Series: Earth Sciences]. – 2014. – T. 7. – P. 100-115. [in Russian]
3. Bukaty M. B. Razrabotka programmnogo obespecheniya dlya resheniya gidrogeologicheskih zadach [Software development for solving hydrogeological problems] / M. B. Bukaty // Izvestiya TPU. – 2002. – V.305. Issue 8. – P. 348-365.
4. Bely V. V. Ispolzovanie zoloshlakovyh othodov dlya zashchity podzemnyh vod ot filtracii iz zolootvala Berezovskoj GREHS-1 [The use of ash and slag waste to protect groundwater from filtration from the ash dump of Berezovskaya GRES-1] / V. V.Bely, G. I. Kuznetsov, A. Yu. Ozersky // Materialy Vserossijskogo soveshchaniya po podzemnym vodam Vostoka Rossii [Materials of the All-Russian Conference on the Groundwaters of Eastern Russia]. – Irkutsk: Publishing house IrtGU. – 2003. – P. 201-203. [in Russian]
5. Zamana L. V. Gidrohimiya otstojnika zolootvala CHitinskoj TEHC-1 i podzemnyh vod v zone ego infiltracionnogo vliyaniya. [Hydrochemistry of a settler of the ash dump of the Chita TPP-1 and groundwater in the zone of its infiltration influence] / L. V. Zamana, L. I. Usmanova, M. T. Usmanov // Vestnik Buryatskogo gos universiteta – 2010. – Vyp 3 Himiya fizika. [Bulletin of the Buryat State. university. 2010. Issue 3: Chemistry, physics]. – P. 28-33. [in Russian]
6. Usmanova L. I. Vliyanie zolootvalov CHitinskih TEHC-1 i TEHC-2 na prirodnye vody prilegayushchih territorij [Influence of the ash dumps of the Chita CHPP-1 and CHPP-2 on the natural waters of the adjacent territories] / L.I. Usmanova, M.T. Usmanov // Vestnik KRAUNC Nauki o Zemle [Vestnik KRAUNC. Earth Sciences]. 2010. – No. 2. Vol. 16. – P. 167-178. [in Russian]
7. Tsybekmitova G. Ts. Kachestvo filtracionnyh vod zoloshlakootvala TEHC-1 i vozmozhnye puti ih postupleniya v oz Kenon (Zabajkalskij kraj) [The quality of seepage water from the ash dump of CHP-1 and the possible ways of their entry into the lake. Kenon (Zabaykalsky Krai)] / G. TS. Tsybekmitova // Voda himiya i ehkologiya [Water: chemistry and ecology]. – 2016. – No. 2. – P. 11-17. [in Russian]
8. Usmanova L. I. Harakteristika himicheskogo sostava rechnyh vod na territorii i v okrestnostyah goroda Chity [Characteristics of the chemical composition of river water in and around the city of Chita] / L. I. Usmanova. // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya [Successes of modern science]. – 2018. – № 7. – P. 200-208.
9. Tsybekmitova G. Ts. Gidrohimiya ozera Kenon Zabajkalskij kraj [Hydrochemistry of Kenon Lake (Zabaykalsky Krai)] / G. Ts. Tsybekmitova, M. N. Butenko // Materialy III Vserossijskoj nauchnoj konferencii Raznoobrazie pochv i bioty Severnoj i Centralnoj Azii [Proceedings of the III All-Russian Scientific Conference «Diversity of soils and biota of Northern and Central Asia»]. – Ulan-Ude: Publishing House of the BSC SB RAS. – 2016. – P. 327-329.
10. Itigilova M. Ts. Ekologiya gorodskogo vodoema [Ecology of a city reservoir] / M. Ts. Itigilova, A. P.Chechel, L. V. Zamana and others. – Novosibirsk: Publisher SB RAS. – 1998. – 260 p. [in Russian