Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 5, стр. 52-64

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на развитие альтернативных способов получения энергии и использование природных источников (солнечная энергия, сила ветра, тепловая энергия недр Земли и т.д.), тепловые электрические станции все еще остаются лидерами (70%) по производству электричества и тепла [16]. Загрязнение подземных вод в районах размещения золоотвалов – накопителей отходов теплоэлектростанций, использующих в качестве топлива твердые горючие полезные ископаемые, большей частью обусловлено отсутствием надежных противофильтрационных конструкций (экранов, завес и т.д.), вследствие чего осветленные воды прудов-отстойников через горизонт первичных зол распространяются в нижележащие слои [6, 18]. Значительный объем фильтрующейся воды вызывает подъем уровня подземных вод и подтопление прилегающей территории [6], на которой могут быть расположены жилые застройки, сельскохозяйственные угодия и социально значимые объекты инфраструктуры.

Читинская теплоэлектроцентраль № 1 (Читинская ТЭЦ-1) – крупнейший производитель энергетических ресурсов в Забайкальском крае, является источником тепловой энергии для г. Чита, действующий с 1965 г, которому в настоящее время нет альтернативы [13]. Начиная с 1973 г. [20], складирование твердых отходов производства осуществляется в трехсекционный золоотвал общей площадью 1.7 км², расположенный на расстоянии 3 км к северо-западу от ТЭЦ-1 (рис. 1). Секция № 1 ввиду ее заполнения была выведена из эксплуатации в 2009 г. и впоследствии рекультивирована с применением природных грунтов c высадкой хвойных деревьев [10]. В настоящий момент действующей является секция № 2, состоящая из двух чаш: одна для приема золопульпы и осветления воды, вторая – для сброса осветленной воды из первой по самотечному трубопроводу. Отсутствие противофильтрационного экрана в секциях 1 и 2 золоотвала повлекло фильтрационные утечки техногенных вод, объем которых по различным оценкам составляет 550–800 м³/ч [1, 9], что естественным образом проявилось в виде загрязнения поверхностных и подземных вод [8], подтопления и заболачивания территории с образованием наледей и нарастанием процессов морозного пучения в зимнее время года [21]. Причины и непосредственные факторы возникновения неблагоприятных явлений выявлялись по результатам проведения многочисленных изыскательских и научно-исследовательских работ, итоги которых кратко обобщаются в материалах [7]. В обозримом будущем планируется ввод в эксплуатацию секции № 3 [9].

Рис. 1.

Обзорная карта участка исследований (с ресурса Google Earth Pro).

Цель настоящей работы – эколого-гидрогеологическая оценка современного состояния подземных вод территории в районе размещения золоотвала Читинской ТЭЦ-1, выявление возможных новых направлений негативного воздействия на геологическую среду и направленности изменения геоэкологической ситуации.

ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования является водоносный комплекс нижнемеловых отложений доронинской свиты, широко распространенный на участке исследования в Черновском районе г. Чита, условно ограниченном с севера золоотвалом Читинской ТЭЦ-1, с востока – западным берегом оз. Кенон, с запада – восточной окраиной пос. Рудник Кадала, и с юга – летным полем Читинского аэропорта (см. рис. 1).

Исследования проведены на основе данных об уровенном режиме подземных вод, результатов химико-аналитических работ и дешифрирования космических снимков, полученных в результате мониторинга геологической среды в районе золоотвала ТЭЦ-1 Восточного Забайкалья в 2008–2022 гг. Программа мониторинга включала полевое обследование территории, отбор водных проб, лабораторные работы и измерения статического уровня воды в наблюдательных скважинах (кроме самоизливающейся № 37кд).

Проведение режимных наблюдений за уровнем и химическим составом подземных вод осуществлялось с учетом рекомендаций, изложенных в методических указаниях РД 153-34.1-21.325-98 [14] и рекомендациях П 78-2000 [12]. Замеры уровня подземных вод в наблюдательных скважинах проводились ежемесячно от верха трубы наземной части скважины. Глубина залегания уровня определялась электроконтактным уровнемером и фиксировалась по подаче звукового сигнала при достижении датчиком зеркала воды.

Опробование скважин осуществлялось в соответствии с требованиями ГОСТ 31861 [5] после предварительной прокачки с помощью погружного центробежного скважинного насоса КВР 3/48 (KITTORY) производительность 0.3–0.7 л/с до замены 2–3 объемов столба воды в скважинах. Отобранные пробы подвергались полному химическому анализу на определение концентраций компонентов макросостава вод, 63 микроэлементов и основных физико-химических показателей в аттестованных и аккредитованных испытательных лабораториях (Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, г. Чита; Институт геохимии СО РАН, г. Иркутск) современными химическими и инструментальными методами согласно требованиям стандартизованных методик [17]. Погрешности применяемых методик измерений отвечают установленным ГОСТ 27384 нормативам [4].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Читино-Ингодинский межгорный артезианский бассейн, в центральной части которого расположен участок исследования, относится к Малхано-Становой горно-складчатой области и протягивается в северо-восточном направлении между хребтами Яблонового и Черского [3]. По условиям формирования подземных вод в различных по составу, возрасту и генезису комплексах горных пород в пределах бассейна выделены гидрогеологические подразделения, представленные на рис. 2.

Рис. 2.

Гидрогеологическая карта центральной части Читино-Ингодинского межгорного артезианского бассейна в пределах г. Чита (автор В.В. Карпов).

В пределах исследуемого участка распространены:

− порово-пластовые воды современных-верхнечетвертичных аллювиальных отложений, представленных песками различной крупности с прослоями песчано-гравийного, гравийно-галечного материала;

− трещинно-пластовые, большей частью напорные, воды нижнемеловых отложений доронинской свиты, сложенных песчаниками на глинистом, реже карбонатном цементе, чередующимися с водоупорными аргиллитами и алевролитами (безугольная толща), и углистыми алевролитами и аргиллитами с пластами бурых углей (угольная толща);

− трещинно-жильные воды зон разломов в районе долины р. Кадалинка [2].

Преимущественное распространение имеют трещинно-пластовые воды нижнемеловых отложений доронинской свиты (безугольной толщи). Воды характеризуются слабым местным напором, гидрокарбонатным кальциевым или магниевым составом; вскрыты на глубинах 16.9–29.0 м. Статические уровни устанавливаются на глубинах 16.9–25.8 м [6]. Удельные дебиты скважин при откачках 0.5–2.0 л/с с отдельными значениями до 3.6–4.05 л/с. Коэффициенты: фильтрации от 2.3 до 17.1 м/сут, водопроводимости от 48.4 до 675 м²/сут, пьезопроводности – 8.5 ⋅ 10³–3.9 ⋅ 10⁵ м²/сут [7].

Трещинно-жильные воды зон разломов вскрыты скважинами на глубинах 16.7–27.5 м в прибортовой части долины и 5–9 м в ее центральной части. Воды напорные, их статические уровни выше поверхности земли на 0.2–1.4 м. Дебиты скважин варьируют в пределах 8.5–55.5 л/с при понижениях 3.12–8.13 м. Значения коэффициентов водопроводимости в зонах разломов находятся в пределах 209–430 м²/сут [7].

Поток подземных вод на рассматриваемом участке направлен к юго-востоку от золоотвала в сторону оз. Кенон и Читинского аэропорта, о чем свидетельствуют гидроизопьезы на гидрогеологической карте (см. рис. 2).

На характер распространения и движения вод большое влияние оказывают тектонические и геокриологические условия территории. Гидрогеологические условия на участке исследования во многом определяются наличием субмеридионального разлома (см. рис. 2) шириной от 270 до 320 м, проходящего восточнее золоотвала, по восточной части взлетно-посадочной полосы Читинского аэропорта и далее южнее по седловине, где расположено Кадалинское месторождение кирпичных глин.

До начала эксплуатации объектов ТЭЦ многолетнемерзлые породы (ММП) сливающегося и несливающегося типов занимали 30–35% исследуемой площади. Температура пород на глубине годовых колебаний 10 м изменялась в пределах –0.1°C – –1.0°C, на территории золоотвала ТЭЦ-1 – –0.1°C – –0.3°C [19]. Кровля ММП была вскрыта на глубине 3.0–5.0 м, подошва – на глубине 50–70 м. В результате влияния высокотемпературных вод золоотвала произошла локальная деградация ММП в его пределах. Субмеридиональный разлом, вероятно, до начала эксплуатации золоотвала ТЭЦ-1 находился в законсервированном виде под влиянием многолетней мерзлоты [20], но в результате деградации ММП приобрел водопроводящую гидрогеологическую роль в районе золоотвала, а южнее, на территории летного поля аэропорта, по нему происходит разгрузка инфильтрационных вод.

В 2016 г. на территории исследования в результате проведения электрического зондирования [11] по двум профилям, расположенным с восточной (профиль 1, длина 1795 м) и южной (профиль 2, длина 1195 м) сторон золоотвала ТЭЦ-1 (рис. 3), было выделено два типа аномалий пониженного удельного электрического сопротивления пород. Первый тип, над опорным высокоомным горизонтом, соответствует надмерзлотному стоку техногенных вод на глубине около 10 м (профиль 1 в интервале 1200–1600 м). Второй тип – низкоомные аномалии, связан с фильтрацией по трещинам и разломам на глубинах 20–40 м (профиль 1 в интервале 1400–1700 м) и 13–20 м (профиль 2 в интервалах 300–500 м и 500–800 м). По данным электротомографии сопротивление обводненных пород составляет 20–30 Ом·м, что соответствует величине минерализации подземных вод 1 г/л [11]. Данные обстоятельства подтверждают местоположение основных зон фильтрации в южной и восточной частях золоотвала.

Рис. 3.

Схема геофизического исследования территории и геоэлектрический разрез по профилю 1 [11].

Согласно данным наблюдений за гидродинамическим режимом в период 2008–2022 гг. происходит повышение среднегодового уровня подземных вод (УПВ), что наглядно демонстрируют соответствующие линии тренда на графиках (рис. 4а, б, в). Количество атмосферных осадков в многолетнем плане также имеет тенденцию к росту ввиду наступления многоводного периода (рис. 4г), однако величина соответствующих годовых сумм осадков, по данным метеостанции г. Чита, имеет слабую взаимосвязь со среднегодовыми уровнями в рассматриваемых скважинах. Максимальный коэффициент линейной корреляции соответствующих пар данных “осадки–уровень подземных вод” не достигает 0.5. Это объясняется тем, что рассматриваемый водоносный комплекс мезозойских отложений располагается под слоем слабопроницаемых горных пород, а потому выпадение атмосферных осадков существенно не сказывается на изменении уровня напорных вод.

Рис. 4.

Динамика среднегодового уровня подземных вод в скважинах на участке золоотвала ТЭЦ-1 (а, б, в) и сумма атмосферных осадков по г. Чита (г) за период с 2008 по 2022 г.

Гидродинамический режим наиболее близко расположенной к золоотвалу скв. 241А формируется преимущественно под его влиянием, и наиболее вероятной причиной колебаний уровня воды в ней может быть непостоянный гидравлический напор, вызванный либо повышением положения уреза воды в акватории золоотвала, либо изменением ее площади. Значительный подъем уровня в скв. 241А отмечается в 2017 г., а в скв. 26кн, расположенной в 1.6 км юго-восточнее золоотвала, резкого изменения амплитуды не отмечено; среднегодовые кривые подобны, что говорит о взаимосвязи этих скважин с золоотвалом (см. рис. 4а).

В скв. 452А, расположенной между золоотвалом и п. Энергетиков, с 2008 по 2022 г. УПВ поднялся практически на 10 м, в то время как увеличение среднегодового уровня по скв. 24кн происходит медленнее, чем в остальных, о чем свидетельствует довольно низкое значение коэффициента детерминации к аппроксимирующей линии тренда на графике (см. рис. 4б). Возможно, это связано с тем, что эта скважина находится на западном берегу оз. Кенон, положение уреза вод которого значительно не изменяется (абсолютная отметка колеблется около 653 м), поэтому максимальная амплитуда колебаний подземных вод за 14 лет не превышает 2 м.

Повышение УПВ в скважинах, расположенных в северо-западной оконечности летного поля Читинского аэропорта (268А, 1028), более устойчиво (см. рис. 4в), о чем говорят коэффициенты парной линейной корреляции, близкие к единице (0.98 и 0.96 соответственно). Динамика среднегодового уровня воды в скв. 1029 несколько отличается от предыдущих двух скважин – за период 2020–2022 гг. наблюдается его снижение на 2.8 м на фоне общей тенденции роста УПВ на исследуемой территории.

Детальный анализ графиков ежемесячных режимных наблюдений показал, что в скв. 241А и 1029 периодически происходят резкие перепады уровня воды, начавшиеся во второй половине 2010-х годов. (рис. 5). В то же время в скв. 268А и 1028, расположенных рядом со скв. 1029, подобных “скачков” уровня не установлено. По-видимому, это обусловлено тем, что эти три скважины вскрывают разные горизонты нижнемелового водоносного комплекса. Между тем, в динамике уровня по наблюдательной скв. 26кн, находящейся на пути распространения фильтрационного потока от золоотвала, резких перепадов, как в скв. 241А, не наблюдается (см. рис. 5). Вероятно, последнее обстоятельство связано с литологическими особенностями состава мезозойских отложений, слагающих разрезы данных скважин, и разной удаленностью от источника возмущающего воздействия.

Рис. 5.

Графики ежемесячных режимных наблюдений по скважинам 26кн, 241А и 1029 за период с 2008 по 2022 г.

Нарушение естественного режима УПВ может быть вызвано их отбором и фильтрационным процессом из искусственных поверхностных водоемов, в которые поступает вода. Два этих случая наглядно выражены гидроизопьезами на гидрогеологической карте – понижение УПВ с образованием депрессионной воронки в центре группового водозабора и его повышение на участке между золоотвалом и оз. Кенон (см. рис. 2). Колебания уровня в зоне влияния фильтрационного потока от золоотвала около определенной величины указывает на его относительную стабилизацию, что наблюдалось до середины 2010-х годов по скв. 26кн (см. рис. 5). Обусловлено это относительно установившимся равновесием между приходной и расходной частями водного баланса, а именно: постоянный гидравлический напор, создаваемый положением уреза воды в отстойнике золоотвала (абсолютная отметка колеблется около 715 м); неизменная площадь его акватории; непрерывная разгрузка фильтрующихся из золоотвала техногенных вод в долину р. Кадалинка в виде родников, а также через вскрытый самоизливающейся скв. 37кд водоносный горизонт, расположенной на левом борту реки у подножья склона.

Поскольку гидродинамический режим скв. 241А формируется преимущественно под воздействием золоотвала, то причиной значительных колебаний уровня воды в ней может быть только непостоянный гидравлический напор, вызванный либо повышением положения уреза воды в акватории, либо изменением ее площади. Интерпретация космоснимков с ресурса Google Earth Pro показала, что в период с 2016 по 2020 г. в новую третью секцию золоотвала производились сбросы технологических сточных вод, а также позволила обнаружить появление в 2017 г. восходящего родника в центре между золоотвалом и скв. 1029 (рис. 6).

Рис. 6.

Космоснимки территории, прилегающей к золоотвалу Читинской ТЭЦ-1 (ресурс Google Earth Pro): а – расположение секций золоотвала; б – 05.04.2016 г.; в – 15.04.2018 г.

Для подтверждения предположения о влиянии золоотвала на режим подземных вод в юго-западном направлении был проведен корреляционный анализ гидродинамических данных по скважинам 1029, 26кн и 241А за период с 2008 по 2022 г. Ввиду различной удаленности этих скважин от источника техногенного воздействия на подземные водоносные горизонты, волна, создаваемая гидростатическим давлением столба воды на ложе золоотвала, доходит в разные точки не одновременно, а с некоторым опозданием, поэтому для корректного сопоставления данных анализ проведен с учетом соответствующего временного интервала.

Статистическая обработка результатов наблюдений показала тесноту взаимосвязи гидродинамического режима скв. № 26кн и 1029 с уровнем воды в скв. № 241А в разные периоды времени. Представленные на рис. 7 графики наглядно демонстрируют силу корреляции при варьировании объема выборки данных.

Рис. 7.

Взаимосвязь уровней воды в скв. 26кн и 1029 с уровнем воды в скв. 241А за различные интервалы времени: а – 2008–2022 гг.; б – 2016–2022 гг.; в – 2018–2022 гг.; г – 2020–2022 гг.

Для всех выбранных периодов времени и разных объемов данных подтверждается очень тесная взаимосвязь уровней воды в скв. 26кн и № 241А (табл. 1), что также очевидно при сопоставлении графиков ежемесячных режимных наблюдений по этим двум скважинам (см. рис. 5) и химическому составу воды (табл. 2). Результаты корреляционного анализа показывают, что взаимосвязь между скв. 1029 и 241А явно прослеживается в период “дестабилизации” уровенного режима в первой и усиливается с уменьшением выборки данных, корреляционные коэффициенты r превышают критические значения для соответствующих объемов выборок с доверительной вероятностью 95% (α = 0.05), что свидетельствует о значимости корреляции (см. табл. 1).

Проведенные ранее исследования [1] фильтрационных свойств грунтов, залегающих в основании ложа новой третьей секции, показали, что они обладают довольно высокой проницаемостью с коэффициентами фильтрации 12 м/сут и более. При заданных параметрах мощности противофильтрационного суглинистого экрана менее 1 м, слое обводненной пульпы над ним порядка 10 м и низкого положения УПВ, создавшиеся напорные градиенты I ≤ 10 могут вызвать в нем суффозионные деформации с образованием фильтрационных каналов, что значительно увеличит коэффициент фильтрации подстилающих грунтов и приведет к повышению объемов утечек техногенных вод [1]. Принимая во внимание эти обстоятельства, появление родниковой разгрузки к юго-западу от золоотвала, резкие колебания статического уровня воды в скв. 1029, согласующиеся со скв. 241А при непостоянных сбросах в новую секцию, указывают на проявляющееся негативное воздействие техногенного объекта в северо-западной части летного поля аэропорта, которое может усилиться при вводе данной секции в эксплуатацию.

Подземные воды Читино-Ингодинского артезианского бассейна по химическому составу гидрокарбонатные, среди катионов преобладают натрий и кальций. Минерализация изменяется в пределах 100–500 мг/л и редко достигает 1000 мг/л. Низкая минерализация 80–200 мг/л характерна для прибортовых частей впадины. Высокая минерализация 500–1000 мг/л и повышенное содержание сульфатов наблюдаются на участках с затрудненным водообменом (рис. 8): Черновская мульда (скв. 19/15), район оз. Угдан (скв. 468), участок золоотвала Читинской ТЭЦ-1. Общая жесткость изменяется в пределах 1–9.4°Ж. На отдельных участках артезианского бассейна встречаются повышенные содержания железа до 20 мг/л и выше, марганца до 5 мг/л, которые не связаны с техногенными источниками загрязнения [3].

Рис. 8.

Карта распространения сульфатов в центральной части Читино-Ингодинского межгорного артезианского бассейна в пределах г. Чита (автор В.В. Карпов).

В гидрохимическом плане в зоне распространения фильтрационного потока от золоотвала (скв. 241А, 26кн, 37кд) и на его периферии (скв. 24кн, 452А) в подземных водах отмечаются повышенные содержания некоторых компонентов, часто с превышением ПДК [15], которые не характерны для естественного фона Читино-Ингодинского межгорного артезианского бассейна (см. табл. 2). Наиболее типичными индикаторами загрязнения являются сульфат-, хлорид-, фторид-ионы, бор и некоторые другие компоненты химического состава сточных вод золоотвала. Величина водородного показателя (рН) в подземных водах находится в отведенных границах ПДК, в то время как в золоотвале она достигает 10. Состав воды из восходящего родника, образовавшегося в 2017 г. в 1 км юго-западнее третьей секции гидротехнического сооружения, свидетельствует о разгрузке фильтрующихся вод золоотвала в данной точке (см. табл. 2). В химическом составе воды из скважин, расположенных с северо-западной стороны летного поля Читинского аэропорта (268А, 1028 и 1029), компонентов сточных вод золоотвала в повышенных концентрациях не обнаружено.

В зоне влияния золоотвала распространены воды с преобладанием в анионном составе сульфат-иона. Диаграмма Пайпера наглядно показывает химическую типизацию исследованных вод (рис. 9а). Результаты многолетних наблюдений за химическим составом подземных вод на участке исследований по скв. 37кд позволяют проследить изменение концентрации сульфатов в юго-восточном направлении. Данная динамика отвечает изменениям в содержании сульфатов в золоотвале (см. рис. 9б).

Рис. 9.

Диаграмма Пайпера с нанесением данных по химическому составу подземных вод Читино-Ингодинского межгорного артезианского бассейна в 2022 г., % эквивалентов (а) и изменение концентрации сульфатов на участке золоотвала Читинской ТЭЦ-1 за период 1977–2022 гг. (б).

Площадь загрязнения подземных вод в районе золоотвала Читинской ТЭЦ-1 в настоящее время оценивается приблизительно в 12 км² (см. рис. 8). С учетом обстоятельств, связанных с установленными закономерностями изменения гидродинамического режима подземных вод, и принимая во внимание тенденцию распространения фронта загрязнения на юго-восток, можно ожидать расширения границы ореола в юго-западную сторону от золоотвала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов предшествующих работ и фактического материала, полученного в рамках настоящего исследования, позволяет сделать заключение о высокой вероятности расширения зоны влияния золоотвала Читинской ТЭЦ-1 в случае ввода в эксплуатацию третьей секции. Это влияние в первую очередь проявится в повышении уровня подземных вод в юго-западном направлении от золоотвала, что неминуемо приведет к увеличению расхода в точках существующих разгрузок и подтоплению находящихся с ними рядом жилых застроек, а также создаст условия для подтопления ранее не затронутого участка аэропортового комплекса – западной оконечности взлетно-посадочной полосы.

Данные о химическом составе исследованных подземных вод в зоне влияния золоотвала подтверждают проведенные ранее гидрохимические исследования. Водоносные горизонты, вскрываемые скважинами, расположенными с северо-западной стороны летного поля аэропорта, в настоящее время не имеют признаков явного загрязнения водами золоотвала, однако концентрации веществ-индикаторов в воде восходящего родника подтверждают происходящую трансформацию химического состава подземных вод. Площадь химического загрязнения нижнемелового водоносного комплекса компонентами золошлаковых отходов в настоящее время сохраняется на прежнем уровне, но через определенный период времени в созданных условиях фронт загрязнения может распространиться и в новом направлении, что грозит ухудшением экологической обстановки в данной местности.

Авторы выражают глубокую признательность за помощь в проведении исследований главному гидрогеологу ГУП “Забайкалгеомониторинг” Виктору Васильевичу Карпову.

Работа выполнена в рамках темы госзадания ИПРЭК СО РАН (№ госрегистрации 121032200070-2, “Геоэкология водных экосистем Забайкалья в условиях современного климата и техногенеза, основные подходы к рациональному использованию вод и их биологических ресурсов”).