На правах рукописи

Попков Руслан Александрович

ВЛИЯНИЕ МИХАЙЛОВСКОГО ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО

КОМПЛЕКСА КМА НА ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ

Специальность: 25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы,

гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Курск 2008 2 Диссертационная работа выполнена на кафедре физической географии и геоэкологии Курского государственного университета

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кумани Михаил Владимирович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Мишон Виталий Михайлович кандидат географических наук, Дегтярев Сергей Дмитриевич

Ведущая организация: ФГУП «ВИОГЕМ»), г. Белгород.

Защита состоится « 9 » декабря 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете, по адресу: 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, д.86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работников ВГПУ по адресу: 394043, Воронеж, ул. Ленина, 86, к. 34.

Автореферат разослан « 7 » ноября 2008 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 394043, Воронеж, ул. Ленина, 86. Естественногеографический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМФакс 8 (4732) 55-19-49. E-mail: [email protected]

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, В. И. Шмыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Длительная эксплуатация Михайловского месторождения КМА, одного их крупнейших железорудных объектов центра европейской части России, оказала комплексное техногенное воздействие на окружающую среду региона. Водные ресурсы, как самый динамичный компонент природной среды, претерпели наиболее быстрые и существенные изменения.

В условиях расширения производства Михайловского горно-обогатительного комбината (ГОКа) антропогенные воздействия на поверхностные и подземные воды района становятся все более интенсивными и масштабными. Последствия загрязнения и истощения запасов природных вод являются серьезной проблемой для стабилизации и сохранения гидроэкологических условий горнопромышленных регионов.

В связи с этим вопросы объективного контроля качества и регулирования состояния водных ресурсов в Михайловском горнопромышленном районе особо важны. В целях обеспечения научно-обоснованного управления запасами и качеством поверхностных и подземных вод на его территории необходима регулярная и оперативная информация о сбросах вредных веществ в водные объекты, об уровнях их загрязнения, изменениях их водности.

Существующая система водопользования не вполне соответствует современным требованиям. Водные ресурсы используются недостаточно рационально. Система мониторинга и нормирования техногенных воздействий на водные ресурсы полностью не учитывает сезонную и многолетнюю динамику стока.

Все это обусловило актуальность темы исследования не только для изучаемого района, но и для других крупных горнодобывающих предприятий.

Цель работы. Разработка методики оценки состояния поверхностных и подземных вод в зоне влияния Михайловского горно-обогатительного комбината и усовершенствование системы водопотребления и мониторинга в целях рационального использования и охраны водных ресурсов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Дать характеристику природных и хозяйственных факторов, определяющих условия формирования и антропогенной трансформации водных ресурсов района исследований.

2. Определить степень и характер техногенной нагрузки на водную среду в зоне влияния Михайловского горно-обогатительного комбината на основе статистического анализа данных многолетних наблюдений и собственных полевых исследований.

3. Разработать методику изучения и прогноза техногенных воздействий на водные ресурсы в Михайловском горнопромышленном районе с использованием методов статистического анализа, водно-балансовых расчетов и гидродинамического моделирования.

4. Разработать усовершенствованную структуру водопотребления и мониторинга поверхностных и подземных вод для сохранения водных ресурсов.

Объект исследования. Водные ресурсы территории Михайловского горнопромышленного района.

Предмет исследования. Процессы, происходящие в зоне влияния крупного промышленного предприятия, вызывающие изменения в гидроэкологическом состоянии водных ресурсов в специфических условиях интенсивной водохозяйственной деятельности прилегающей к нему территории.

Теоретическая и методологическая база исследования. Методологической основой исследования является бассейновая концепция. Исследования базируются на разработках ведущих научных школ, их представлениях в области гидрологии, гидрогеологии, гидрохимии, гидроэкологии, инженерной геологии.

Результаты исследований А.Б. Авакяна, О.А. Алекина, Г.В. Бачурина, М.А.

Великанова, А.М. Владимирова, К.П. Воскресенского, В.Е. Водогрецкого, В.С.

Вуглинского, В.Г. Глушкова, Б.М. Доброумова, С.В. Долгова, К.Н. Дьяконова, Н.И. Коронкевича, Л.М. Корытного, П.С. Кузина, В.В. Куприянова, А.С. Курдова, А.М. Никанорова, Ю.Г. Симонова, В.И. Сметанина, В.М. Смольянинова, Б.С. Устюжанина и других ученых определили выбор методов исследований автора, базирующихся на современных представлениях об оценке состояния водных объектов в условиях растущего техногенного влияния.

Исходные материалы и методы исследования. В основу диссертации положены результаты многолетних (с 1964 по 2007 гг.) мониторинговых наблюдений гидрорежимного отряда, отдела охраны окружающей среды Михайловского ГОКа и Курского территориального центра государственного мониторинга геологической среды за уровенным режимом и качественным составом подземных вод района, многолетних (с 1948 по 2004 гг.) наблюдений за стоками и качеством поверхностных вод района, проводимыми кафедрой физической географии и геоэкологии Курского госуниверситета, Центрально-Черноземным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и МУП «Горводоканал» г. Железногорска. Использованы многочисленные фондовые и опубликованные источники по данной тематике.

Задачи исследования решались с помощью традиционных методов гидрометрических наблюдений на основе статистической обработки информации.

При анализе использовались методы территориальных обобщений, гидрологической аналогии, водного и гидрологического баланса, гидродинамического моделирования, картографический, графо-аналитический.

Научная новизна. Впервые в современных условиях выполнена комплексная гидроэкологическая оценка трансформации водных ресурсов, стока рек, качества воды в зоне влияния крупного горнодобывающего предприятия КМА Михайловского ГОКа. Для оценки трансформации стока рек впервые статистически обработаны данные многолетних наблюдений на реках района и рекаханалогах. С использованием графоаналитических методов впервые выявлены периоды и степень изменения различных элементов поверхностного стока рек.

Впервые установлены особенности трансформации запасов воды в основных водоносных горизонтах как зоны активного водообмена, так и глубоких, защищенных келловейским водоупором, горизонтов.

Впервые на основе многолетних наблюдений дана характеристика пространственно-временной изменчивости гидрохимических показателей подземных и поверхностных вод, выявлены антропогенная и природная составляющие этих изменений. Разработана и апробирована модель фильтрационных потоков района хвостохранилища и установлено их влияние на речной сток.

Практическое значение работы. Методические разработки, результаты гидрологических и гидродинамических расчетов, выполненных в работе, могут быть использованы при регламентации хозяйственной деятельности и разработке проектов индустриального развития Михайловского ГОКа, для прогнозирования изменений и оптимального использования водных ресурсов Михайловского промышленного района.

Разработанная система мониторинга влияния водопользователей района Михайловского ГОКа и полученные оценки влияния природных и хозяйственных факторов на качество поверхностных и подземных вод имеют практическое значение для принятия оптимальных управленческих решений по их охране и рациональному использованию.

Результаты исследований нашли применение в оптимизации использования водных ресурсов, на совершенствовании регламента гидроэкологического мониторинга в районе Михайловского ГОКа.

Результаты работы использованы в учебном процессе в Курском Госуниверситете при разработке и чтении курсов «Экологическое проектирование и экспертиза», «Геоэкология», «Природа Курской области» и других.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Восьмом Международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (г. Белгород, ВИОГЕМ, май 2005 г.), на Международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (г. Курск, РАЕН, июнь 2005 г.), на Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные проблемы технико-экономических сфер жизни общества» (г. Курск, РГСУ, 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (г. Белгород, октябрь 2007 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологические исследования и их отражение в географическом образовании» (г. Курск, ГОУ ВПО КГУ, ноябрь 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ, две из них в журнале, находящемся в перечне изданий, рекомендованных ВАК. Материалы исследований включены в ряд научно-производственных отчетов и технических проектов Михайловского ГОКа.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения, списка литературы и приложений. Список литературы включает 147 наименований, из них 4 на английском языке. Объем работы: 162 страницы, включая 16 таблиц, 33 рисунка, 3 табличных приложения.

1. Методика изучения и прогноза влияния крупного горнопромышленного комплекса на водные ресурсы.

Для эффективной оценки влияния разработки Михайловского месторождения на водные ресурсы целесообразно прилегающую территорию районировать по степени техногенной нагрузки и развитию воронки депрессии. В Михайловском горнопромышленном районе выделено три зоны мониторинга Изучением влияния крупных промышленных объектов на сток рек и загрязнение поверхностных и подземных вод занимались многие исследователи (Б.М. Доброумов, Б.С. Устюжанин (1980), А.М. Никаноров (2003), В.М. Смольянинов (2003) и др. Проведенный анализ литературных источников позволил предложить методику исследования и анализа влияния промышленной деятельности Михайловского ГОКа на водные ресурсы прилегайщей территории и их качество, базирующуюся на водно-балансовых и гидрохимических расчетах по бассейнам рек (рис. 2). Учет антропогенной трансформации стока в разные фазы гидрологического года выполнен по многолетним рядам наблюдений с использованием рек-аналогов графоаналитическими методами.

2. Результаты анализа изменений речного стока в разные периоды гидрологического цикла и загрязнения поверхностных вод с применением бассейнового подхода и графоаналитических методов на основе данных многолетних наблюдений.

Для получения достоверной информации по изменению стока рек и качественных показателей водотоков, подвергающихся влиянию Михайловского ГОКа, использовались данные многолетних наблюдений на водомерных постах (гидрологических пунктах) рек района. Наиболее продолжительные ряды наблюдений использовались в качестве рек-аналогов для оценки изменений режима, объемов годового стока, его внутригодового распределения.

Оценка трансформации поверхностных вод выполнялась с учетом изменений их сезонного и многолетнего стока. Водно-балансовые исследования выполнены по рекам, испытывающим влияние хвостохранилища и карьера Михайловского ГОКа в период устойчивой летней межени, когда расходы воды минимальны. Они проводились на р. Свапа и ее притоках р.р. Белый Немед, Чернь, Песочная. Обследовано 12 створов. Фоновый створ - р. Речица выше очистных сооружений г. Железногорска.

Расчеты модуля стока выполнены по формуле: М=Q x1000/F, где Q - расходы воды (м3/с), F - площади водосборов (км2), L - длины русел от истоков реки до створа (км). Притоки воды (q, л/с) на 1 км длины русла рассчитывались по формуле: q1-2 = (Q2-Q1) / (L2-L1), где q1-2 – приток воды на 1 км русла между и 2 створами; Q2 и Q1– расходы воды в двух соседних створах; L2-L1 – расстояние между расчетными створами.

Выявлено, что в бассейне р. Белый Немед модули стока с разных частей водосбора различаются в несколько раз. Максимальный модуль стока отмечен для водосбора ручья, граничащего с хвостохранилищем. Модули стока снижаются по мере удаления ручьев от хвостохранилища. Фактические расходы воды в перечисленных ручьях больше, чем объем оттока из хвостохранилища в их водосборы, так как кроме фильтрационных потерь сток рек формирует фоновый сток с их водосборных площадей.

Самый большой приток воды за счет инфильтрационных потерь из хвостохранилища наблюдается в р. Песочная, куда вода поступает подземным путем.

За счет фонового водопритока (2 л/с на км2) в реку поступает менее 15% воды.

Иная ситуация на р. Чернь в зоне влияния карьера. Из русла р. Чернь происходит отток воды в сторону карьера, о чем свидетельствует уменьшение расходов воды в русле реки на отдельных участках. Общее снижение расхода воды на участке русла р. Чернь в районе карьера около 60 л/с (рис. 3).

Река Речица в створе выше очистных сооружений, как и р. Чернь в створе у с. Плоское может считаться фоновым створом, находящимся за пределами влияния как хвостохранилища, так и карьера ГОКа. Их сток примерно одинаков (3,3 и 2,5 л/с на 1 км русла, соответственно).

изучения графоаналитических методов и анализа Оценка сезонной динамики г/х пока- Оценка изменений г/х состава Водно-балансовые расчеты по водо- Моделирование подземных посборам рек с разным уровнем техно- токов и питание ими поверхногенного воздействия стных водотоков Прогноз трансформации Прогноз изменений режима и каче- Прогноз изменений уровней, заства поверхностных вод и гидроэко- пасов и качества подземных вод водных ресурсов Рациональное Разработка мероприятий по оптимизации водопользования, мониторинга и снижению негативных воздействий предприятия на поверхностные и подземные воды использование Рис.2. Методика оценки состояния водных ресурсов в зоне влияния Михайловского ГОКа Рис. 3. Закономерности притока и оттока подземных вод в русло Выполнен расчет водного баланса хвостохранилища в период летней межени (табл. 1). Объем перекачиваемых поверхностных вод составляет м3/сут, сброс рудничных вод -47000 м3/сут. Суммарный приток воды в хвостохранилище (Q) – 82000 м3/сут. Испарение равно 3,1 мм/сут. При площади водного зеркала хвостохранилища около 16 км2 испарение за сутки составляет 49600 м3/сут. Выполненные по гидрогеологической модели расчеты показали, что фильтрационные потери из хвостохранилища на 01.07.2007 г. составляют 31800 м3/сут.

Расчет водного баланса хвостохранилища ГОКа на 01.07.2007 г.

Невязка водного баланса менее 1% говорит о достоверности полученных выводов.

Выполненные исследования позволили установить, что: 1) на гидрологический режим рек, их модули стока в меженный период года существенное влияние оказывают хвостохранилище и карьер МГОКа; 2) фильтрационные потери из хвостохранилища увеличивают сток рек Чернь и Б. Немед в период летней межени в зависимости от расстояния между водотоком и хвостохранилищем в 2–4 раза; 3) увеличение стока воды в меженный период - положительный экологический фактор, улучшающий водный и биохимический режим рек; 4) меженный сток р. Песочной ниже хвостохранилища меньше, чем зональная норма в 3 раза, что можно считать неблагоприятным экологическим фактором.

Помимо суточных и сезонных колебаний сток рек подвержен изменениям в длительные промежутки времени, известные как вековые или многолетние циклы водности. Для оценки рядов наблюдений за водностью одной реки относительно реки-аналога за многолетний период применен метод гидрологической аналогии. Для исследований использовались ряды наблюдений на реках Усоже у г. Фатеж (аналог), Свапе у сл. Старый Город.

На рис. 4 (а) представлены разностные интегральные кривые (РИК) максимального стока весеннего половодья с 1948 по 2004 годы, где для стока рекианалога Усожи у г. Фатеж четко выделяются 22-летние циклы водности: 1950годы. Характер многолетних колебаний максимального стока не остается стабильным за весь период наблюдений. Ветвь подъема четко выражена с 1948 по 1971 годы. С 1971 по 1995 годы хорошо выражена ветвь опускания кривой. Это свидетельствует об общей тенденции уменьшения максимального стока весеннего половодья за весь период наблюдений в связи с глобальным потеплением климата, а не с хозяйственной деятельностью МГОКа.

РИК Свапы показывают, что изменения их максимального весеннего стока имеют свои особенности, отличные от Усожи. Сумма отклонений модульных коэффициентов с 1948 по 1971 г. для Усожи у г. Фатежа равна 6, с 1971 по г., соответственно, -6. На р. Свапе у Старого Города эти суммы, соответственно, равны 10 и -10. Следовательно, сток Свапы за эти два периода изменился, как и на Усоже, но причины две: естественная и антропогенная - воздействие Михайловского ГОКа. Поэтому сток Свапы изменился сильнее.

РИК максимального стока Рис. 4. Разностные интегральные кривые максимального весеннего (а) и минимального летнего меженного (б) стоков для р.Свапа (Ст.Город) и Усожа На рис. 4 (б) представлены РИК модульных коэффициентов минимального стока летней межени. Анализ кривых р. Усожи показывает наличие цикличности колебаний стока с периодичностью 11 и 22 года. РИК минимального летнего стока начинает резко возрастать с 1977 года. До года перелома летний меженный сток Усожи был меньше среднего многолетнего значения, а после перелома - сток стал стабильно превышать среднее значение. При относительно стабильном среднем годовом стоке, наблюдается резкое сокращение максимального весеннего стока. Такая ситуация возможна только при перераспределении стока внутри года. Указанная тенденция увеличения меженного стока характерна для всего Центрального Черноземья и связана не с влиянием ГОКа, а с рядом причин глобального характера. Анализ РИК р. Свапа в створе сл.

Старый Город также свидетельствует об изменении летнего минимального стока. Кроме естественной природной составляющей этого изменения явно заметна техногенная, связанная с воздействием ГОКа. Перелом кривых минимального летнего стока наметился в 1976 году, раньше, чем на р. Усоже, после ввода в эксплуатацию Копенковского водохранилища на р. Свапе и хвостохранилища на р. Песочной. Масштаб изменений существенный. Сумма отклонений модульных коэффициентов до перелома для Усожи равна -11 для летней межени и -12 для зимней межени, а за период после перелома, соответственно, 11 и 12.

На р. Свапе у Старого Города эти суммы, соответственно, равны -21 и - за время падения и +21 и 16 - за время подъема. Таким образом, сток р. Свапы помимо естественных колебаний подвержен антропогенному влиянию со стороны объектов Михайловского ГОКа.

Оценка влияния деятельности ГОКа на речной сток сложна, так как на естественные изменения накладываются антропогенные факторы, начало которых установить весьма трудно. Для решения этой задачи автором использовался метод графического сравнения данных с построением двойных интегральных кривых суммированных значений стока (ДИК). На рис. 5 (а, б) представлены ДИКи для гидрологических створов реки-аналога Усожа у г. Фатеж с рекой Свапой у сл. Старый Город. Период наблюдений с 1948 по 1997 г. Графики связи интегральных последовательно суммированных значений максимальных расходов весеннего половодья реки-аналога Усожи и Свапы подтверждают, что естественные и антропогенные колебания подвержены влиянию большого количества факторов. На рис. 5 (а) четко выделяются периоды естественного и нарушенного максимального стока р. Свапы.

р. Свапа - сл. Старый Город Рис. 5. Двойные интегральные кривые максимального весеннего (а) и минимального летнего меженного (б) стоков для рек Свапа (Ст.Город) и Усожа Средние восстановленные значения за период с нарушенным водным режимом (1970 - 1995 г.) на р. Свапе у сл. Старый Город равны 343 м3/с, а фактические - 244 м3/с. Разница – около 19%. Под влиянием хозяйственной деятельности средние годовые расходы увеличились, максимальные - уменьшились.

Можно выделить несколько периодов с нарушенным максимальным стоком.

Его изменения зависят от характера и степени хозяйственного воздействия. Период с 1960 по 1968 г. можно считать слабо нарушенным (k=0.167); 1968- гг. сток незначительно возрастает (k=0.142), с 1972 по 1982 гг. сток относительно реки-аналога резко уменьшается (k=0.258), с 1983 по 1991 сток также уменьшается, но меньше чем в предыдущий период. После 1991 г. отмечены бессистемные отклонения стока от естественного: в 1993 и 1994 гг. фактический сток на 50% меньше, чем естественный, а с 1992 по 1995 на 50% превышает естественный. Увеличение стока в 1968-1971 гг. объясняется влиянием возрастающих площадей урбанизированных территорий в сочетании со сбросом подземных вод в речную сеть. С 1972 по 1982 гг. сток сократился, так как в это время построены и введены в действие Копенковское водохранилище и хвостохранилище. С 1983 по 1990 гг. продолжался рост урбанизированных площадей на водосборе р. Черни, увеличилась откачка и сброс в реки подземных вод, неиспользуемых в оборотном водоснабжении МГОКа. Сток меньше, чем в период, когда не было водохранилищ, но больше, чем в предыдущий период.

На рис. 5 (б) показаны ДИК минимальных средних месячных расходов летней межени. Их анализ позволяет считать период с 1948 по 1972 гг. временем со слабо нарушенным стоком (к=0,122). С 1973 по 1976 гг. летний сток р.

Свапы возрастает (к=0,08) на 35 %, что связано с откачками подземных вод и их сбросом в р. Чернь, а также с ростом урбанизации. В 1977-78 гг. летний сток снижается до значений ниже естественного по причине заполнения Копенковского водохранилища. С 1979 по 1982 гг. наблюдается максимальное увеличение стока летней межени (к=0,074), на 60% превышающей естественные значения. Это время увеличения объемов отбора подземных вод и их сброса в р. Чернь. В 1982-89 гг. отмечено сокращение летнего стока (к=0,09).

С 1990 г. летний сток возрастает до максимальных значений (к=0,074). В этот период прекратился отбор воды из Копенковского водохранилища.

Почти на 0,5 м3/с сокращается сброс шахтных вод в р. Чернь.

В результате проведенных исследований выделено 4 периода нарушенного режима стока р. Свапы:

1) начало работы дренажной системы карьера, рост урбанизации территории г. Железногорска, сброс подземных вод в бассейн р. Чернь;

2) введение в эксплуатацию крупных прудов, Копенковского водохранилища и хвостохранилища, увеличение расходов воды на заполнение их емкостей, снижающих расходы на р. Свапа, увеличение откачек на промышленные и хозяйственные нужды;

3) введение Березовского водозабора и начало сброса сточных вод с очистных сооружений г. Железногорска в р. Свапу у с. Ратманово;

4) с 1990 г., когда сократился водоотбор из Копенковского водохранилища, а в летнее время на нужды ГОКа стала использоваться часть шахтных вод.

Для оценки влияния горных работ на качество воды р. Свапы и ее притоков использовались многолетние данные гидрохимических наблюдений. Определялись более 30 химических и органолептических характеристик поверхностных вод. Большинство из них или не обнаружены в поверхностных водах, или их концентрации не превышают ПДК. Наиболее сложными для качества вод являются периоды летней и зимней межени, когда сток рек сокращается, а поступление загрязняющих веществ остается на постоянном уровне. В результате концентрации растворенных веществ увеличиваются в несколько раз по сравнению с периодом весеннего половодья и дождевых паводков.

Наблюдения за качеством поверхностных вод показали, что их загрязнение происходит на локальных участках рек Песочная, Чернь и Речица ионами марганца, меди и железа, что связано не только со сбросом в реки загрязненных вод дренажного комплекса, но и с их высоким фоновым содержанием (табл. 2).

Загрязнение поверхностных вод Михайловского горнопромышленного района Cr2O3 1,2 высокие фоновые значения, не связано с деятельностью ГОКа орган. в-ва хозяйственно-бытовые стоки, не связано с деятельностью азот нитритный азот 10 и более хозяйственно-бытовые стоки, частично - ГОК нефтепродукты ГОК, населенные пункты, автотрассы и др. объекты Из неметаллов с дренажным комплексом карьера и хвостохранилища Михайловского ГОКа связано загрязнение рек сульфатами, аммонийным и нитритным азотом, нефтепродуктами. При неизменном уровне антропогенных нагрузок качественное состояние поверхностных вод не изменится.

3. Результаты гидроэкологической оценки изменений уровенного режима и качества воды основных водоносных горизонтов в зоне влияния Михайловского ГОКа по материалам многолетних гидрорежимных наблюдений.

Мониторинг подземных вод проводился на участках питания и разгрузки подземных вод, сформировавшихся под влиянием техногенных факторов; в пределах контуров депрессионных воронок, обусловленных шахтным водоотливом и эксплуатацией водозаборов, контуров подпора грунтовых вод; участков подтопления.

Гидронаблюдательные скважины (181 шт.) распределены неравномерно по выделенным зонам мониторинга (рис.1). Неравномерность существующей наблюдательной сети создавала определенные трудности при интерпретации данных о параметрах и развитии депрессионных воронок, очагах загрязнения грунтовых вод в районах хвосто- и шламонакопителей, характере фильтрационных потоков из хвостохранилища и уровенном режиме на участках интенсификации дренажа подземных вод.

Наблюдения за колебаниями уровней воды ведутся с 1963 года по аптсеноманскому, батскому, среднедевонским, рудно-кристаллическому, техногенному четвертичному горизонтам.

Четвертичный (техногенный) водоносный горизонт В естественном виде четвертичный горизонт был представлен отдельными маломощными линзами глин и суглинков. Строительство промышленных объектов ГОКа привело к существенному ухудшению поверхностного стока атмосферных вод и образованию сплошного четвертичного горизонта на некоторых участках. Наибольшие изменения произошли на территории промплощадки ГОКа в период до ввода в эксплуатацию хвостохранилища. При проведении инженерно-геологических изысканий в 1967 - 1968 гг. на участке промплощадки грунтовые воды имели абсолютные отметки 228.9 - 230.6 м. В настоящее время поверхность зеркала воды четвертичного водоносного горизонта на промплощадке имеет куполообразную форму с максимальными абсолютными отметками 242,0-243,6 м. От промплощадки поток подземных вод устремлен в радиальных направлениях.

Апт-сеноманский водоносный горизонт (K1-2ap-sm) В процессе техногенных воздействий в апт-сеноманском горизонте вокруг карьера сформировалась локальная воронка депрессии с радиусом до 250- м. В прибортовой части карьера в зоне 100-150 м произошло снижение его уровней на 10-12 м. За пределами этой зоны карьер не оказывает существенного влияния на уровенный режим апт-сеноманского горизонта. Это подтверждено данными режимных наблюдений в скв.263 (рис. 6 (а). Повышение уровня подземных вод произошло в начальный период наблюдений (1975-1985 гг.) на 3,0 м, что объясняется применением технологии гидровскрыши, приведшее к технологическим утечкам воды. В период с 1985 по 2007 гг. уровень подземных вод здесь стабилизировался.

Абс. отметка уровней, м Апт-сеноманский горизонт в междуречье рек Чернь и Песочная до года имел безнапорный режим. Его уровень в районе промплощадки ГОКа находился на отметках 200-205 м, т.е. на глубине 40-45 м от дневной поверхности.

После ввода в эксплуатацию фабрик обогащения и окомкования (1974 г.) гидрогеологические условия здесь постепенно менялись в связи с заполнением хвостохранилища в долине р. Песочной. Интенсивное повышение уровня подземных вод (до 1.2 м/год) происходило в первые годы (1974-1986 гг.) заполнения хвостохранилища (в среднем на 1.25 м/год). За этот период подъем уровня воды в горизонте составил до 9 м (скв. 01). С 1987 года интенсивность повышения уровня воды в хвостохранилище постепенно снижалась и к 1990 г. стабилизовалась (рис. 6 (б). С 1990 года гидродинамический режим поверхностных вод хвостохранилища и подземных вод апт-сеноманского горизонта стабильны.

Батский водоносный горизонт (J2bt) Уровни напора батского водоносного горизонта возрастают при погружении его кровли в юго-западном направлении от 10 до 100 м. Батский горизонт основной, подлежащий осушению при отработке месторождения. Уровенный режим горизонта определяется работой подземного дренажного комплекса (ПДК) и с начала осушения характеризуется снижением по всей площади карьера (на 39,9–81,3 м). В последние годы продолжалось расширение и углубление депрессионной воронки, по конфигурации имеющей форму эллипса. Диаметр ее по большой оси - 85-90 км, по малой - 60-70 км, глубина – 75-90 м. Вокруг карьера батский горизонт приобрел безнапорный характер. Изменения уровня батского горизонта представлены на рис. 7 (а) по наблюдениям в скважине 19ю (восточный борт карьера). Интенсивное снижение уровня батского горизонта происходило с 1963 по 1976 гг. Это связано с проведением работ по осушению карьера. Позднее по скважинам отмечается понижение уровня вод горизонта, связанное со снижением объемов откачки подземных вод.

Абс.отметка уровней, Рис. 7. Изменения уровня воды батского (а) и мосоловского (б) горизонтов Батский горизонт эксплуатируется для водоснабжения населенных пунктов иногда вместе с девонскими горизонтами (г. Железногорск, с. Михайловка).

Среднедевонский (мосоловско-клинцовский) водоносный комплекс (D2ms-kl) Гидрорежимные наблюдения на девонский водоносный комплекс ведутся по мосоловскому и клинцовскому горизонтам. Мосоловский водоносный горизонт имеет сплошное распространение, клинцовский развит лишь в западной части исследуемого района.

На уровенный режим мосоловского и клинцовского водоносных горизонтов в западной части основное влияние оказывает эксплуатация водозабора «Погарщина», в восточной части – подземный дренажный комплекс. В среднедевонском водоносном комплексе продолжает сохраняться разрыв пьезометрических уровней клинцовского и мосоловского горизонтов. На рис. 7 (б) представлен график понижения уровня воды мосоловского (скв. 440) горизонта.

График характеризует снижение уровня подземных вод, связанное с увеличением водоотбора водозабором «Погарщина».

Региональная воронка депрессии охватывает практически всю территорию распространения подземных вод клинцовского и мосоловского водоносных горизонтов. Крылья воронки ассиметричные в плане и довольно крутые.

Рудно-кристаллический водоносный горизонт (AR-PR ) Подземные воды рудно-кристаллического водоносного горизонта приурочены к выветрелым породам фундамента. Непосредственно на породах археяпротерозоя залегает клинцовский водоносный горизонт. Уровни воды в руднокристаллическом горизонте характеризуются стабильным снижением по всей площади карьерного поля и за его пределами (0,9-15,6 м).

В водоносной зоне кристаллических пород сформировалась региональная воронка депрессии, по конфигурации похожая на воронки в клинцовском и батском водоносных горизонтах. Темп их снижения в нижнем водоносном комплексе при достигнутом объеме водоотлива замедляется. Для водоснабжения воды горизонта не используются в связи с невысокой его водообильностью.

Техногенный режим нижних горизонтов подземных вод характеризуется снижением их запасов, уровней подземных вод в региональном масштабе. Но одновременно отмечается обводнение верхних водоносных горизонтов зоны активного водообмена в районе промплощадки, хвостохранилища Михайловского ГОКа и созданных для его водоснабжения водохранилищ.

Гидрохимическим исследованиям подвергались апт-сеноманский, батский и среднедевонские (мосоловский, клинцовский) водоносные горизонты. Многолетние наблюдения позволили установить, что гидрохимический состав подземных вод подкелловейского и надкелловейского комплексов различен и относится к разным гидрохимическим типам: а) апт-сеноманского водоносного горизонта – к гидрокарбонатно-кальциево-магниевому; б) батского – к гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридно-кальциево-магниевому; в) мосоловского и клинцовского – к хлоридно-гидрокарбонатно-кальциевому.

Качественный состав подземных вод представлен в табл. 3. Выполненные исследования позволили установить незначительные повышения содержаний загрязняющих веществ, которые имеют спорадический характер и отмечены вблизи промышленных объектов, являющихся потенциальными источниками загрязнения: карьер, шламо- и хвостохранилища, хранилища минеральных удобрений и горюче-смазочных материалов. Для апт-сеноманского горизонта отмечены изменения содержания железа, соединений азота, нефтепродуктов, органолептических свойств, общей минерализации. В водах подкелловейского комплекса, защищенного региональным водоупором, отмечаются лишь незначительные колебания цветности, окисляемости, содержания железа, меди.

4. Фильтрационная модель района хвостохранилища ГОКа и полученный с ее помощью расчет качественно-количественных показателей современных и прогноз будущих потоков подземных вод, влияющих на условия грунтового питания поверхностных водотоков.

Основными объектами, оказывающими наибольшее влияние на состояние водных ресурсов района, являются карьер и хвостохранилище ГОКа. Автором выполнена оценка природных и техногенных условий для создания фильтраци Качественный состав подземных вод района за период с 2004 по 2007 годы Азот аммон.

(NH4) онной модели района хвостохранилища. Решены прогнозные задачи (прямая и обратная), дающие возможность оценить системы водопользования и мониторинга водных ресурсов района с целью их усовершенствования.

Хвостохранилище расположено в зоне активного водообмена четвертичного и апт-сеноманского водоносных горизонтов. Строительство объектов Михайловского ГОКа и длительная их эксплуатация привели к изменениям их уровенных режимов. Апт-сеноманский горизонт характеризуется сплошным, развитием на территории междуречья Чернь-Песочная-Белый Немед-Свапа.

При создании фильтрационной модели хвостохранилища (совместно с институтом ВИОГЕМ (г. Белгород) схематизация природных условий заключалась в определении структуры строения водоносной толщи и значений расчетных параметров водоносных горизонтов, в выборе и обосновании размеров области исследований, ее границ и законов изменения в них уровней или расходов потока подземных вод, определении условий их питания и разгрузки.

Для исследования процессов фильтрации вод в районе хвостохранилища применен метод гидродинамического моделирования по программе GMS, версия 2,0. GMS - комплексная программа для трехмерного численного моделирования потока подземных вод, которая включает четыре самостоятельные программы (Modflow, Modpath, MT3D и Femwater). Программы имеют общий интерфейс. Фильтрационная модель хвостохранилища создавалась на основе программы Modflow, интерфейс которой содержится в модуле 3D Grids.

Основные параметры для моделирования фильтрационных процессов мощность, напоры, интенсивность инфильтрационного питания по площади, фильтрационные свойства водоносного горизонта и водоупорных отложений.

При формировании модели приняты следующие границы области фильтрации:

на западе – река Чернь, на востоке – река Белый Немед, на юге - р. Свапа и Копенковское водохранилище, на севере - линия, соединяющая исток р. Белый Немед с верховьем водохранилища на р. Чернь. Для решения задач фильтрации поле области моделирования разбито равномерной сеткой на 54000 блоков (100х100м). Область моделирования - прямоугольник, вытянутый с юга на север размером 30000х18000 м, площадью 540 км2.

Проверка модели была выполнена на основе решения обратной задачи.

Было принято, что к настоящему времени в районе сформировался близкий к стационарному режим подземных вод. Решение обратной задачи осуществлялось для достижения приближенного соответствия модельных условий натурным. В результате ее решения были уточнены величины гидравлических сопротивлений донных отложений рек, ложа и хвостов хвостохранилища. Определены фильтрационные потери из хвостохранилища по каждому из его отсеков в различных направлениях и построена карта гидроизогипс с выделением лент тока, по которым определялись фильтрационные потери (табл. 4).

Фильтрационные потери из хвостохранилища по состоянию на 01.07.07 г.

№ отсек/m, сут - Фактические потери из хвостохранилища по данным МГОКа 32,0 Потери из хвостохранилища, полученные по результатам решения обратной задачи на выполненной модели, практически полностью совпадают с фактическими потерями на 01.07.07 г. (табл.1). Для корректировки модели были использованы данные гидрологической съемки, проведенной с участием автора на реках района хвостохранилища (рис. 3).

Сравнение положения гидроизогипс апт-сеноманского водоносного горизонта, полученного на площади модели, с фактическим свидетельствует о высокой сходимости модельных условий с натурными. После достижения их достаточной сходимости на базе окончательно сформированной модели проведено прогнозное моделирование фильтрационных потерь из хвостохранилища при заполнении до отметок 240 м и 245 м. Суммарные потери составят, соответственно, 36,5 тыс. м3/сут. и 41,6 м3/сут.

В связи с увеличением потерь воды из хвостохранилища Михайловского ГОКа в процессе его заполнения до проектных отметок возрастут притоки воды в реки Чернь, Белый Немед и Песочная, соответственно, с 19,2 до 23,3 тыс.

м3/сут, с 9,3 до 12,9 тыс. м3/сут, с 3,5 до 5,3 тыс. м3/сут. Меженный сток всех трех рек увеличится и станет более стабильным, что можно считать положительным гидроэкологическим фактором.

5. Рекомендации по усовершенствованию систем водопользования и мониторинга для организации рационального использования и охраны водных ресурсов Михайловского горнопромышленного района.

Анализ результатов многолетних наблюдений за изменениями режима и качества подземных и поверхностных вод в Михайловском горнопромышленном районе позволил установить, что нецелесообразно проводить эти работы по существующей системе. Степень техногенной нагрузки на поверхностные и подземные воды в районе Михайловского ГОКа существенно отличается по зонам мониторинга (рис.1). Автор предлагает усовершенствовать систему мониторинга подземных вод, увязав ее с этими зонами и с сезонами гидрологического года. Замеры уровней подземных вод рекомендуется выполнять по схеме: в I и II зонах на апт-сеноманский и четвертичный горизонты – 1 раз в месяц; в остальных скважинах – 1 раз в квартал.

Предлагаемая система мониторинговых наблюдений (табл. 5) позволит в 2,7 раза сократить количество замеров уровня подземных вод в скважинах, увеличив при этом количество гидронаблюдательных скважин в 1,3 раза (табл. 6).

Гидрогеохимическим опробованием рекомендуется охватить более полно водоносные горизонты (табл. 5) с частотой отбора проб 1 раз в квартал, привязав их к сезонным изменениям. Это позволит получать более полную информацию о состоянии подземных вод, соответствию их качества СанПИН 2.1.4.559прогнозировать и своевременно выявлять потенциальные источники их загрязнения, разработать мероприятия по их рациональному использованию.

В целях усовершенствования системы мониторинга поверхностных вод в районе исследований автор предлагает:

- сократить количество гидрологических пунктов на реках Речица, Рясник, Чернь и Песочная со стабильными показателями качества и расхода воды;

- продолжать контроль за химическим составом поверхностных вод района, включив в комплекс работ не более 15 ингредиентов, концентрации которых превышают или достигают ПДК.

- сроки отбора проб увязывать с фазами гидрологического режима рек;

Усовершенствование системы мониторинговых наблюдений подземных вод в Михайловском промышленном районе

I II III I II III I II III I II III I II III

ня подземных ское опробоПредлагаемая – Усовершенствование сети гидронаблюдательных скважин по зонам мониторинга Водоносные горизонты - усилить контроль за качеством воды в хвостохранилище, являющееся основным источником питания апт-сеноманского водоносного горизонта.

Отбор проб на химические и бактериологические анализы выполнять 1 раз в квартал из каждого отсека хвостохранилища. Количество определяемых компонентов в пробах должно соответствовать требованиям СанПИН 4630-88.

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения Михайловского ГОКа используются только подземные воды. Водообеспечение промплощадки «бедных руд»

осуществляется с водозабора «Чернь». Для водоснабжения объектов комбината на промплощадке «богатых руд» используются дренажные воды шахты из батского водоносного горизонта, запасы которого в связи с длительной эксплуатацией к настоящему времени значительно истощены. Это сказывается на производительности водозабора, которая неуклонно снижается. Одновременно происходит и ухудшение качества воды. Обеспечение промплощадки «богатых руд» и строящихся объектов промплощадки «бедных руд» качественной водой требует усовершенствования системы водопотребления следующим образом:

- за счет расширения водозабора «Чернь», позволяющего увеличить объем водоотбора в 1,5 раза и покрыть потребность комбината в питьевой воде.

- запуск в эксплуатацию водозабора агрофирмы «Горняк» позволит прекратить использование поверхностных вод из р. Чернь для питьевых нужд.

Техническое водообеспечение производства Михайловского ГОКа базируется на использовании поверхностных и подземных вод. Объем потребления технической воды в последние годы - около 350 млн.м3. Автор считает целесообразным провести оптимизацию сложившегося баланса потребления технической воды в период с 2008 по 2012 гг. Суть ее заключается в следующем:

- для подпитки хвостохранилища рекомендуется увеличить объем используемых дренажных вод шахты на 11-12%, сократив сброс шахтных вод в р. Речицу на 80% и ликвидировав подземный водозабор дренажной шахты;

- в связи с расширением производства и увеличением объема хозяйственно-питьевого водоснабжения целесообразно увеличить сброс воды в хвостохранилище с очистных сооружений промплощадки «бедных руд» на 70%;

- увеличение сброса шахтных вод в хвостохранилище и запуск в эксплуатацию водозабора свинокомплекса агрофирмы «Горняк» на 60% снизят объем водозабора поверхностных вод из р. Чернь.

Остальные составляющие баланса питьевой и технической воды можно оставить без существенных изменений.

1. Методика оценки влияния крупного горнопромышленного предприятия на водные ресурсы должна учитывать многолетнюю динамику изменения всех элементов речного стока, трансформацию запасов подземных вод и связанного с этим изменения водного баланса. Оценка загрязнения водных объектов должна базироваться не только на отборе гидрохимических проб, но и на учете водного баланса водосборов и взаимодействия поверхностных и подземных вод.

2. Хозяйственная деятельность ГОКа оказывает влияние на водный режимприлегающих поверхностных водных объектов. Создание техногенных водохранилищ, откачки и сброс в речную сеть дренажных вод увеличили средний годовой (на 10-30%), минимальный летний и зимний (на 60-80%) стоки, снизили объем стока (на 20-30%) и максимальный расход (40-50%) весеннего половодья. Такие изменения имеют положительный гидроэкологический эффект, улучшающий водный режим рек, повышая их способность к самоочищению.

3. Сброс сточных и дренажных вод из карьера и с отвалов Михайловского ГОКа приводит к загрязнению поверхностных водных объектов только на локальных участках ионами Mn, Fe, Cu, SO4, NO3. По большинству показателей загрязнения не превышают ПДК или естественного фона.

Работа ГОКа на качество воды в основной для района реке Свапе заметного влияния не оказывает.

4. Эксплуатация Михайловского месторождения явилась причиной существенного изменения режима подземных вод прилегающего района. В нижнем подкелловейском комплексе образовались депрессионные воронки диаметром до 90 км и падением уровней до 90 м. Снизился уровень и запасы подземных вод нижних горизонтов. В последние годы отмечены прекращение падения и стабилизация уровней. В надкелловейском комплексе, в зоне активного водообмена, установлено локальное падение уровней вблизи карьера. В районе хвостохранилища, водохранилищ, промышленных площадок ГОКа отмечено обводнение верхних водоносных горизонтов, рост уровней воды на 5-10 м, что свидетельствует об увеличении здесь запасов подземных вод.

5. Незначительные повышения содержания загрязняющих веществ надкелловейского комплекса отмечены на локальных участках вблизи промышленных объектов. В водах подкелловейского комплекса, защищенного региональным водоупором, отмечаются лишь незначительные колебания цветности, окисляемости, содержания железа, меди.

6. Выполненные с помощью фильтрационной модели хвостохранилища ГОКа расчеты качественно-количественных показателей потоков подземных вод, подтвержденные материалами гидрологических съемок на речной сети и водно-балансовыми расчетами, показали, что обводнение горизонтов зоны активного водообмена приводит к обильному питанию рек подземными водами, что увеличивает их годовой и меженный сток.

7. Выявленные особенности трансформации поверхностных и подземных вод, их взаимодействия, особенности перемещения загрязняющих веществ позволили усовершенствовать систему мониторинга водных ресурсов в зоне влияния Михайловского ГОКа для получения более объективных данных при меньших затратах. Предложения внедрены соответствующими службами ГОКа.

8. Результаты анализа и моделирования процессов влияния Михайловского ГОКа на водные ресурсы позволили разработать, внедрить в производство и включить в планы мероприятия, позволяющие, с одной стороны, улучшить систему водопотребления объектов ГОКа, а с другой - снизить негативное влияние Михайловского горнопромышленного комплекса на водные ресурсы.

Список основных публикаций по теме диссертации 1. Кумани, М.В. Мониторинг подземных вод Михайловского горнопромышленного района (КМА) / М.В. Кумани, Р.А. Попков // Вестник Воронежского ун-та. Серия геол. – 2006. – Вып.1. – с. 175-179.* 2. Кумани, М.В. Влияние промышленной эксплуатации Михайловского железорудного месторождения (КМА) на режим поверхностных вод района / М.В. Кумани, Р.А. Попков // Вестник Воронежского ун-та. Серия геол. – 2007. – Вып.2. - с. 189-194.* 3. Попков, Р.А. Техногенные изменения режима подземных вод в Михайловском горнопромышленном районе и задачи их мониторинга / Р.А. Попков // Материалы Восьмого Международного симпозиума «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях», Часть II, Белгород, ВИОГЕМ, 2005 г., с. 312-320.

4. Попков, Р.А. Техногенные изменения режима подземных вод в Михайловском горнопромышленном районе и задачи их мониторинга / Р.А. Попков, Н.В. Попкова // Геоэкологические исследования в Курской области. – Курск, КГУ, 2005. – с. 150-157.

5. Попков, Р.А. Мониторинг подземных вод в Михайловском горнопромышленном районе. Рациональное использование извлекаемых подземных вод / Р.А. Попков // Материалы Международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья», Часть II, г. Курск, РАЕН, 2005 г., с. 47-53.

6. Кумани, М.В. Особенности загрязнения почв в зоне влияния Михайловского ГОКа тяжелыми металлами / М.В. Кумани, И.А. Гонеев, Р.А. Попков // Теоретические и прикладные проблемы технико-экономических сфер жизни общества. Материалы Международной научно-практической конференции. - г.

Курск, РГСУ, 2007. - с. 145-147.

7. Попков Р.А. Трансформация подземных вод в районе хозяйственной деятельности Михайловского ГОКа / Р.А. Попков // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Геоэкологические исследования и их отражение в географическом образовании», г. Курск, ГОУ ВПО Курский Госуниверситет, 2007 г.

Примечание: * - статья опубликована в издании, рекомендованном ВАК.