3.3. Вынос элементов от массивов отвальных пород подземным и поверхностным стоком

Поступление загрязняющих веществ в водные системы от массивов минеральных отходов, складируемых на территориях промплощадок рудников, происходит двумя путями: вследствие воздушного переноса тонкодисперсных частиц породы и за счет подземного и поверхностного стока, формирующегося вследствие взаимодействия атмосферных осадков со складируемыми породами. В настоящее время разработаны и адаптированы методики, позволяющие эффективно оценить аэротехногенное загрязнение от массивов минеральных отходов. В частности, это использованные нами методики Ю.Е.Саета с соавторами (1990), результаты использования которых изложены выше. Оценке же миграции химических элементов в составе подземного и поверхностного стока от массивов минеральных отходов уделялось недостаточно внимания.

Для количественной оценки миграции элементов от массивов отвальных пород в составе подземного и поверхностного стока атмосферных осадков выполнено экспериментальное выщелачивание типовых отвальных пород, имитирующее процесс взаимодействия атмосферных осадков с этими породами. Эксперименты выполнялись в условиях, максимально приближенных к естественным условиям залегания отвальных пород.

Концентрации химических элементов в водах, профильтровавшихся через толщу отвальных пород, и, соответственно, степень их опасности для прилегающих водных систем будут определяться следующими параметрами (Lasaga, 1981; Gislason, Eugster, 1987):

1) константами скорости растворения химических элементов;

2) величинами концентраций насыщения рассматриваемых элементов в естественных условиях размещения отвальных пород;

3) мощностью массива отвальных пород;

4) скоростью просачивания атмосферных осадков.

Анализ данных динамики растворения породы позволяет рассчитать константы скорости растворения для исследуемых элементов. Константа скорости растворения химического элемента или соединения представляет собой количество вещества, поступающего в водный раствор с единицы поверхности твердой фазы за единицу времени. Указанные константы элементов рассчитываются методом графического дифференцирования в зависимости от концентрации элементов в водном растворе, контактирующим с породой, и от времени (Lasaga, 1981; Добровольский, 1983; Lasaga, 1984, Gislason, Eugster, 1987a).

Растворение i-го компонента породы происходит до установления равновесия между породой и раствором, оно характеризуется концентрацией насыщения при заданных физико-химических условиях среды.

Константы скорости растворения элементов, определенные по результатам экспериментов в различных условиях, и концентрации насыщения рассматриваемых химических элементов и соединений приведены в табл.3.8.

Таблица 3.8

Константы скорости растворения (К_i) и концентрации насыщения элементов

Компоненты	Кi, моль/м2·сут		Концентрация насыщения, мг/л
	в условиях постоян-ного объема раствора	в условиях фильтрационной колонки
F-	1.24·10-6	0.86·10-6	3.0
Cl-	1.55·10-6	0.87·10-6	0.75
SiO2	6.9·10-6	5.0·10-6	10.4
Fe	0.01·10-6	0.006·10-6	0.38
Al	0.48·10-6	0.33·10-6	1.6
Sr	0.018·10-6	0.007·10-6	0.1
Ca2+	0.35·10-6	0.33·10-6	1.5
Mg2+	0.25·10-6	0.19·10-6	0.6
Na+	14.37·10-6	10.94·10-6	12.6
K+	3.56·10-6	4.2·10-6	6.0

Используя экспериментально полученные значения констант скорости растворения и концентраций насыщения элементов, можно рассчитать время, необходимое для установления равновесия между водным раствором и отвальными породами различного гранулометрического состава в естественных условиях. Время t, необходимое для установления равновесия между раствором и породой, может быть определено исходя из нижеизложенных зависимостей.

Фундаментальное уравнение, описывающее одномерный массоперенос в единичном объеме гомогенной пористой среды, записывается следующим образом (Freeze, Cherry, 1979; Gislason, Eugster, 1987):

dC_i/ dt + d(C_iv)/ dx - Dd²C_i/ dx² = W,

где v - действительная скорость фильтрации; C_i - концентрация компонента; D - гидродинамическая дисперсия; W - параметр, характеризующий возможные дополнительные источники поступления вещества в рассматриваемый объем (в нашем случае они представляют собой поступление вещества вследствие процесса растворения твердой фазы); t - время; x - расстояние.

Если не рассматривать процесс конвективного массопереноса, т.е. не рассматривать механический привнос вещества "извне" в единичный объем среды, и пренебречь влиянием гидродисперсии, то изменение концентрации компонента в рассматриваемом объеме будет определяться только поступлением вещества вследствие растворения твердой фазы:

dC_i/ dt = W.

Интегрируя уравнение и разделив обе части на величину площади удельной поверхности, получим:

C_i/S = C_i0/S +Kt,

где C_i0 - концентрация компонента до взаимодействия с объемом породы; C_i - концентрация компонента после взаимодействия (в рассматриваемом случае - концентрация насыщения компонента); S - площадь удельной поверхности, которая контактирует с единицей объема жидкости; K - константа скорости растворения твердой фазы, зависящая от скорости фильтрации и физико-химических параметров среды.

Время t, необходимое для достижения концентрации насыщения i-го элемента при взаимодействии воды с породой, рассчитывается по следующей формуле (Gislason, Eugster, 1987):

t = (C_i - C_i0)/KS,

где C_i0 - концентрация элемента до взаимодействия с объемом породы; C_i - концентрация насыщения элемента; S - площадь удельной поверхности, которая контактирует с единицей объема жидкости; K - константа скорости растворения элемента.

Результаты расчета по приведенной формуле показывают, что при полном водонасыщении породы, представленной уртитом однородного гранулометрического состава (фракции 0.16-0.40 мм), для установления равновесия между породой и раствором в зависимости от химического элемента необходим временной интервал от 0.2 до 9.5 сут.

Если условно схематизировать отвалы как однородную фракцию уртита 0.16-0.40 мм, то в случае равномерной фильтрации атмосферных вод через породу со скоростью 1.2 м/сут. для достижения равновесного состояния по всем рассматриваемым элементам поток воды должен просочиться через слой мощностью 19.5 м. В естественных условиях присутствие в массивах отвалов тонкозернистой песчаной, пылеватой и глинистой фракций многократно увеличивает площадь удельной поверхности твердой фазы и тем самым уменьшает время, необходимое для установления равновесия между водой и твердой фазой.

Высота массивов отвальных пород на исследуемой территории в большинстве случаев превышает 100 м (Дудкин, 1996). Площадь, занимаемая отвалами, составляет более 1 км². Согласно О.Б.Дудкину (1996), по гранулометрическому составу отвалы представляют собой смесь глыб (70%), дресвы (15-20%), песчаной (до 10%) и пылевато-глинистой фракций (1-10%). Выпадение атмосферных осадков на исследуемой территории оценивается величиной порядка 800-1000 мм/год, 50-60% из которых выпадает в виде снега (Иванова, 1975). Небольшие количества единовременно выпадающих осадков в течение летнего периода (максимум до 50 мм/сут.) обусловливают фильтрацию атмосферных вод через отвалы, главным образом посредством капиллярного просачивания, скорость которого на песчано-пылеватых отложениях может быть принята менее 1 м/сут.

Сопоставление изложенных экспериментальных данных по скорости установления концентраций насыщения элементов при взаимодействии воды и образцов отвальных пород с данными по мощности, гранулометрическому составу отвалов и количеству атмосферных осадков позволяет делать вывод о том, что атмосферные воды после фильтрации через массивы отвальных пород находятся в состоянии равновесия с вмещающими породами и приобретают повышенные концентрации F, Al, Sr, Mn и других элементов. По ряду элементов (F, Al, Fe) эти концентрации значительно превышают фоновые значения для грунтовых вод исследуемой территории.

Учитывая большую площадь, занимаемую массивами отвальных пород (более 1 км²), вынос повышенных концентраций химических элементов подземным и поверхностным стоком от отвалов можно рассматривать как важный источник поступления загрязняющих веществ в природные воды.

Полученные результаты изучения закономерностей формирования потоков загрязняющих веществ в природные воды при разработке Хибинских апатитонефелиновых месторождений показывают, что повышенные концентрации токсичных веществ поступают в природные воды в составе карьерных и рудничных вод, вследствие аэротехногенного загрязнения территории и в результате выноса элементов от массивов отвальных пород подземным и поверхностным стоком. Характерной особенностью миграции металлов в этих техногенно обусловленных процессах является преимущественное их нахождение в взвешенной форме, то есть связанными с минеральным и органическим веществом в устойчивые структурные образования. Результаты гранулометрического анализа взвешенного вещества карьерных и рудничных вод показывают, что основную массу взвешенных частиц (около 90%) составляют частицы песчаной и пылеватой фракций. Сведения о концентрации химических элементов в пылевых частицах представлены в табл.3.9.

Таблица 3.9

Концентрации химических элементов и выпадение пыли

на исследуемой территории

Элемент	Концентрация, мг/л	Элемент	Концентрация, мг/л
Cl	4.814	Pb	0.001
SO4	4.003	Zn	0.009
NO2	0.010	Mn	0.011
NO3	0.465	Cr	0.00603
P	0.021	Ni	0.008
Ва	0.007	Cu	0.00376
Be	0.00002	Co	0.000
V	0.00172	Nb	0.00106
Sb	0.00033	Fe2O3	0.486
Bi	0.00001	Al2O3	0.734
Mo	0.00004	Пыль, мг/м2·сут.	11.84

Для того чтобы оценить вклад каждого из рассматриваемых процессов в загрязнение природных вод, необходимо изучение распределения концентраций приоритетных загрязняющих веществ в водных системах, форм миграции металлов, а также распределения металлов в донных отложениях водоемов и водотоков прилегающей территории. В нижеследующих главах последовательно рассматриваются особенности водной миграции химических элементов с участков горных разработок и распределение металлов в донных отложениях поверхностных водных объектов.