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

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.

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 шла-мов, 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 ин-фильтрационных 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 шламонако-пителя, 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 Актю-бинское 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.