Гідрогеохімічні виявлену ореолів техногенного заміщення підземних вод у зв'язку з Ларинська полігоном ТПВ м. Донецька

Канд. геол-мін. наук ВИБОРІВ С. Г., студ. Лаврушко А. С, студ. РУДЧЕНКО Е. А., cтудия. Миняйло Є.Е. (ДонНТУ)

Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія "Гірничо-геологічна". Випуск 6 (125). - Донецьк, 2007. - С. 163-169.

Полігони твердих побутових відходів (далі ТПВ) є небезпечними джерелами забруднення навколишнього середовища. Їх негативний вплив проявляється в інтенсивному забрудненні всіх геосфер макро-і мікроелементами широкого спектру. Це створює вкрай несприятливі умови для існування рослинного і тваринного світу, життя і діяльності населення прилеглих територій. Розміри ореолів негативного впливу та інтенсивність забруднення визначаються технологією експлуатації полігону ТПВ та ландшафтно-геохімічних умов території його розміщення.

Нормативна експлуатація полігонів з дотриманням раціонального комплексу природоохоронних заходів здатна звести до мінімуму негативний вплив на навколишнє середовище [1]. Для досягнення цього комплекс природоохоронних заходів розробляється виходячи з природних ландшафтно-геохімічних умов території розміщення полігону і технології його експлуатації.

Ларинський полігон ТПВ розташований у південно-західній околиці м. Донецька в 150-200 м на південь-південний захід від с. Ларине. Відходами заповнюється локальне пониження рельєфу в межах вододілу між балкою четвертна і рікою Кальміус. Значна площа (близько 15 га) і чашевидних форма зниження послужили сприятливими факторами при виборі майданчика для складування відходів. У південній частині зниження переходить у вузьку балку, простирається на схід до р.. Кальміус.

Ларінокій полігон ТПВ є масштабним джерелом інтенсивного комплексного негативного впливу на навколишнє середовище. При його організації не були передбачені необхідні природоохоронні заходи.

Найбільш яскраво виражене вплив полігон робить на якість підземних вод прилеглої території. При цьому в зону негативного впливу потрапляє р. Кальміус і частина житлового сектору сел. Ларине, населення якого використовує грунтові води для власних потреб, має колодязі або свердловини. Тому вирішення задачі по визначенню межі зони впливу полігону з оцінкою ступеня небезпеки забруднення підземних вод в її межах набуває особливої актуальність. Поставлена проблема вирішується при ретельному вивченні гідрогеохімічних закономірностей розвитку процесу забруднення (заміщення) підземних вод у системі "вода - водовмещающая порода". При цьому геолого-структурні умови залягання водоносних горизонтів, літолого-фаціальні особливості та структурно-речові параметри водовмещающіх порід є визначальними факторами розвитку техногенного процесу забруднення підземних вод.

В геологічну будову майданчика розміщення полігону беруть участь кам'яновугільні моноклінально залягають пісковики, аргіліти і алевроліти з прошарками вапняків, перекриті елювіальний утвореннями і делювіальнимі суглинками. З поверхні дані відклади перекриті техногенними грунтами: переміщеними розкривними породами і твердими побутовими відходами. Грунтово-рослинний шар не витриманий, слаборазвіт і виявлений на природних схилах.

Кам'яновугільний відклади представляють собою товщу перешаровуються вапняків, пісковиків, алевролітів і аргілітів. Простягання порід північно-західне, падіння на північний схід під кутом 10-12 градусів.

Вапняки сірого, темно-сірого кольору, тонкозернисті, щільні масивні. Відзначаються численні тріщини вздовж і хрестом нашарування. У приповерхневої частини виділяються також численні тріщини вивітрювання, деякі з них відкриті, частково заповнені глинистим матеріалом, по тріщинах відзначаються гідроксиди заліза. Пласти вапняків потужністю до 3 і більше метрів оголюються на східному схилі вододілу. Численні штучні відслонення, що виникли при розробці вапняку, а також дані бурових робіт дозволяють виділити достатньо потужний шар осадових порід більше 25 м, в якому переважають вапняки. Вони оголюються практично по всій вододільній поверхні, на якої знаходиться полігон, і служать його підставою. У розрізі вапняки перешаровуються з пісковиками і алевролітами. Нижче по розрізу залягає товща, в розрізі якій переважають пісковики, дрібно-середньозернисті на карбонатному цементі, світло-сірі з зеленуватим відтінком. За тріщинах розвиваються оксиди і гідроксиди заліза.

Нижня частину вивченого розрізу кам'яновугільних відкладень складає пачка перешаровуються алевролітів і аргілітів. Алевроліти зеленувато-сірі, буро-сірі (за рахунок гідроксиди заліза в місцях інтенсивної тріщинуватості). з блискітками слюди по площинах нашарування. Тріщинуватість алевролітів нерівномірна, окрім тріщин нашарування і окремо зустрічається безліч разнооріентірованних тріщин вивітрювання. Тріщини в основному закриті, на стінках часті відкладення гідроксиди заліза. Аргіліти зеленувато-сірі, виветрелие, тріщини вивітрювання закриті, гідроксиди заліза присутні у вигляді прожилками.

залягають першими від поверхні породи перекриваються елювії нерівномірного потужності (від 0,2 до 2,5 м). Склад елювії залежить від літології материнських порід: на вапняках, пісковиках і алевролітами залягають дресвяно-щебеністие грунти на суглинному-супіщаних цементі, аргіліти перекриваються глинами з включенням дресви до 20-30%. Елювій має реліктову шаруватість і поступово переходить у материнську породу.

делювіальні суглинки поширені по периметру майданчика складування полігону на схилах вододілу, де зберігся природний рельєф. Місцями делювій відсутній. На ділянках поширення він представлений суглинками жовто-бурими, груднястій структури з включеннями карбонатів у вигляді плівок і стяженій. Потужність суглинків коливається від 0,5 до 6,0 м.

Алювіальні відклади приурочені до заплави річки Кальміус та днищ балок. Вони представлені жовтувато-сірими, темно-бурими запесоченнимі суглинками і глинами з прошарками сильно глинистих разнозерністих пісків і супісках, з включенням уламків і гальки корінних порід. Потужність до 10м.

Насипні (техногенні) грунти представлені мінеральними грунтами: делювіальнимі жовто-бурими суглинками і елювіальний суглинному-щебеністимі утвореннями, переміщеними в процесі розкривних робіт, а також твердими побутовими відходами. Техногенні суглинки складають відвали по краях майданчики складування, а відходи займають її центральну частину. На південний схід від полігону споруджена дамба з місцевих суглинків, захисна поверхневий стік з його боку в балку і далі в р. Кальміус.

За даними гідрогеологічної рекогносцировки і розвідувального буріння на майданчику розміщення полігону грунтові води залягають на глибині більше 15 м. Вони укладені в кам'яновугільних відкладах в зоні активного водообміну. У цій зоні водоносних всі кам'яновугільні породи, незалежно від літології. За характером руху води тріщиною типу. Живлення водоносного горизонту здійснюється за рахунок інфільтрації атмосферних опадів, розвантаження - у балки тринадцяту, Четвертня і в р. Кальміус. За умовами залягання горизонт не захищений від хімічного та мікробного забруднення.

На прилеглій до полігону території поширені підземні води, укладені в кам'яновугільних породах і плейстоценову відкладеннях. Геологічна будова і літологія порід визначають гідрогеологічні умови території. У даному випадку кам'яновугільні породи утворюють горизонт тріщинних і тріщини-пластових вод, до якого в долині р.. Кальміус, в б. Четвертної і в б. Тринадцятої примикають алювіальні і алювіально-делювіальні водоносні горизонти. За характеру руху підземних вод алювіальних і алювіально-делювіальні горизонти порові, води в них рухаються по порах, а водопроникність визначається величиною активної пористості грунтів. Відсутність водонепроникних відкладень на контакті між карбоновим і плейстоценовому горизонтами об'єднує їх в один комплекс підземних вод, що характеризується неоднорідною водопроникністю в плані і по глибині. Піщаники і вапняки карбонового горизонту мають коефіцієнт фільтрації (Кф) на порядок вище, ніж алевроліти і аргіліти, а Кф плейстоценову відкладень трохи нижче, ніж у аргілітів.

Рівень поверхню комплексу в більш згладженому вигляді повторює рельєф земної поверхні. У плані підземний потік - плоскорадіальний (розходиться), тобто рівень поверхні від полігону знижується на північ до б. Тринадцята, на схід - У бік долини р.. Кальміус і на захід до б. Четвертна. Річка і балки є природними гідродинамічними межами для полігону і прилеглій території. У межах заплави р.. Кальміус і в днищах балок грунтові води залягають на глибині до 0,5-1,0  м. Глибина залягання вод в днищі б. Четвертна поступово зростає в напрямку від гирла і в районі полігону досягає 5-8 м.

Теоретично можлива зона впливу полігону на підземні води визначається напрямком руху підземного потоку, що просувається до полігону з південно-заходу, і обмежується елементами гідрографічної мережі території: із заходу, північного заходу - б. Четвертної, з півночі - б. Тринадцятої, зі сходу і північного сходу - р.. Кальміус.

Відходи, складовані на полігоні, утворюють самостійний шар техногенних відкладень і є частиною геологічного середовища досліджуваної території. З огляду на те, що їх склад досить різноманітний, вони являють собою хімічно нерівноважні, агресивні освіти, які з часом зазнають швидкі зміни. Головними компонентами ТПВ є: папір - близько 40%, харчові відходи - 29%, поліетилен - 7%, текстиль - 5%, метал - 4,5%, скло - 4%, деревина - 1%, камені - 0,3%, інше - 9,2%. Крім цього ТПВ характеризуються наступними показниками: вологість 42-45% від загальної маси; щільність 0,2 т/м; рН -- 5,8-6,0; концентрація органічних речовин - 55-58% від сухої маси відходів.

Наведені середні показники ТПВ протягом часу змінюються у зв'язку з постійним зміною структури і речових параметрів відходів. У процесі їх ущільнення віджимається волога, що сприяє протіканню окислювально-відновних реакцій, що супроводжуються підвищенням температури. При окисленні органічних речовин виникають різні кислоти, що підвищують агресивність середовища усередині товщі відходів. Органічні речовини втрачають вологу, перегорають і ущільнюються. Метали окислюються, переходять у рухомий стан, вилуговується навколишнього агресивною рідиною (фільтратом) і далі через зону аерації мігрують у водоносні горизонти. Великі обсяги фільтрату виникають, коли відходи складуються без належного ущільнення і пошарової ізоляції інертними грунтами (суглинками). Цьому сприяють також атмосферні опади, збагачені киснем, фільтрівні крізь товщу відходів. Вони з одного боку розбавляють фільтрат, з іншого поставляють додаткові порції вологи, збагаченої киснем, що прискорює протікання хімічних реакцій, і, нарешті, збільшують обсяги агресивного фільтрату. Відомо також, що органіка є живильним середовищем для різноманітних мікроорганізмів [2,3], що прискорюють процес переробки шару відходів. Комплекс хімічних і біохімічних реакцій призводить до попутному утворення біогазу, головними компонентами якого є метан і сірководень. Період повного фізико-хімічного та біохімічного перетворення ТПВ залежать від умов експлуатації полігону і можуть становити 5-10 років. Після цього настає відносна динамічна рівновага, коли процеси перетворення шару відходів не відрізняються від змін, які спостерігаються в природних відкладеннях.

Вплив полігону на геологічне середовище ділянки висловлено також у фізико-хімічному перетворенні підстилаючих шар відходів порід зони аерації і водовмещающіх порід. Це відбувається під впливом проникаючого з товщі відходів хімічно агресивного водного розчину - фільтрату. В основі відходів залягає малопотужний шар делювіальних суглинків та елювіальний утворень. Нижче підставою полігону служать вапняки карбону - щільні тонкозернисті породи, складаються з органогенного і метаморфогенних кальциту з домішкою глинистих мінералів, уламкового і регенераційної кварцу. Вапняки створюють умови існування вод з підвищеною лужністю. Тому фільтрат, що проникає з товщі відходів і має кислотну реакцію, вкрай агресивний до вапняку. Органічні і мінеральні кислоти, розчинені у фільтраті, вступають у реакцію з карбонатними мінералами, розчиняють їх з утворенням вуглекислоти, її похідних, а також різноманітних сполук кальцію, магнію та ін металів. Органічні сполуки при цьому можуть концентруватися у вапняках у вигляді прожилки і вкраплення, заповнюючи тріщини і різноманітні пори.

Разом з органікою локалізуються мікроелементи, у тому числі важкі метали. Нарядуу з ними в розчин переходить вуглекислота, здатна утворювати досить стійкі комплексні сполуки, що обумовлюють міграцію багатьох важких металів. У результаті навколо полігону утворюється ореол заміщення первинних порід вторинними або епіпородамі. Найбільш змінені породи контролюють осередки забруднення підземних вод. Масштаби прояву даних ореолів залежать від агресивності що надходить з боку полігону фільтрату, його кількості, характеру водовмещающіх порід і гідродинамічних умов території. Досить потужна зона аерації (більше 10 м) і підстилають відходи вапняки є сприятливими факторами, що сприяють очищенню фільтрату і скорочення ореолу епігенетичні перетворень.

Однак в процесі буріння свердловин структурно-речові ознаки даного заміщення були чітко встановлені в свердловині № 6, пробуреної в основі дамби на південний схід від межі полігону. У суглинках жовто-бурого кольору в міру наближення до водоносного горизонту відзначалися поступово посилюються зміни, виявлені у вигляді прожілково-вкраплених агрегатів чорного кольору, насичених органічною речовиною. Щільність вторинних змін поступово збільшувалася, і на кордоні водоносного горизонту породи стали однорідними, мали чорне забарвлення і характерний запах біогазу. Велика кількість розчинених у фільтраті органічних речовин у міру просування крізь товщу порід сорбуються і осідають поверхнею первинних мінералів порід. При цьому частина мінералів первинних порід може вилуговувати, поступаючись місцем новоутворень. З часом навколо полігону формується закономірно побудований ореол заміщення первинної геологічного середовища. Сліди заміщення були встановлені на значній відстані від полігона в свердловинах, розташованих в долині р.. Кальміус на відстані 200-350  м від межі майданчика складування. Вони проявлені прожілково-вкрапленнями новостворених агрегатами темно-сірого кольору. Таким чином, ореол заміщення з боку полігону поширюється в бік р. Кал'міус відповідно до напряму руху підземного потоку, практично досягаючи її русла.

Позитивним фактором є те, що зміни водовмещающіх порід сприяють локалізації процесу забруднення грунтових вод, перешкоджають розповсюдженню забруднених техногенних вод. Відфільтрована крізь товщу порід вода очищується, а забруднені компоненти зв'язуються речовиною вміщає середовища, яка при цьому змінюється. У його центральних зонах ореолу заміщення породи насичуються забруднюючими компонентами. У цих ділянках настає рівновага в системі водовмещающая порода - фільтратом забруднена вода, а процес очищення води триває в проміжних і в зовнішніх зонах ореолу заміщення, межі яких поступово віддаляються від полігону, ореол при цьому розширюється.

В зв'язку з цим навколо майданчика складування відходів формується вторинний джерело забруднення підземних вод - ореол епігенетичного заміщення, діяльність якого буде відзначатися після закриття та рекультивації полігону і може тривати протягом десятків років. При цьому повного Восстановленія природних параметрів водовмещающей середовища на даній ділянці не відбудеться.

В результаті проведених робіт (буріння свердловин, відбір проб води із свердловин, колодязів і поверхневих вододжерел) були встановлені закономірності будови ореолу забруднення, масштаби та інтенсивність його прояви.

За рівнем мінералізації більша частина підземних вод досліджуваної території відноситься до категорії сильно солонуватих з вмістом солей більше 3 г/дм 3. Полігон ТПВ однозначно впливає на рівень мінералізації підземних вод прилеглої території. Максимальна мінералізація підземних вод (6,26 мг/дм3) встановлена в свердловині, розташованій в основі дамби на південний схід від полігону, де відзначається вихід фільтрату на поверхню. Приблизно така ж величина мінералізації характерна для виходить з-під землі і що стікає в р. Кальміус фільтрату. Кілька знижений рівень мінералізації підземних вод встановлений на схід від полігону в колодязі по вул. Воровського, д. 4 і в свердловинах, пробурених в долині р.. Кальміус. Високий рівень мінералізації (4,3-5,0 мг/дм3) характерний для вод в б. Четвертна. З урахуванням фонового рівня мінералізації в 2,5 г/дм 3, однозначно оцінюється вплив полігону з формуванням зонального розподілу солей в ореолі забруднення.

Хлориди утворюють локальний контрастний ореол, безпосередньо пов'язаний з майданчиком складування відходів. Максимальні концентрації в 6,5-7,25 ГДК встановлені на ділянці виходу фільтрату на поверхню. У міру віддалення від майданчика складування відходів концентрація хлоридів різко падає. Зона поширення хлоридів контролює максимальний рівень забруднення підземних вод. Її кордони незначно поширюються в сторони від полігону.

Сульфати контурних полігон зі сходу і півночі, розташовуючись по периферії зони розповсюдження хлоридів. У присутності високих концентрацій хлоридів сульфати у воді нестійкі і випадають в осад. У міру зниження концентрації хлоридів їх місце у воді займають сульфати і поступово починають переважати. Тому насичені сульфатами води як би оздоблюють хлоридні води. Тим часом встановлені закономірності підтверджують наявність сформованого зонально побудованого ореолу заміщення природних вод, який займає весь простір від б. Четвертної до р.. Кальміус.

Переважним катіоном у водах прилеглій до полігону території є натрій. Натрієві води досить широко поширюються від меж полігону, захоплюють б. Четвертна і досягають русла р.. Кальміус на ділянці виходу фільтрату. У долині р. Кальміус на північний схід від полігону відзначаються кальцій-натрієві і натрій-кальцієві води.

Таким чином, навколо полігону формується вторинна техногенна гідрохімічна зональність, виявлена закономірною зміною хлоридно-натрієвих вод сульфатно-натрієвими і далі сульфатними кальцій-натрієвими і натрій-кальцієвими водами. Більша частина мікроелементів також цілком закономірно розподіляється в ореолі заміщення.

Залізо і марганець утворюють контрастні локальні ореоли, контрольовані майданчиком складування полігону. Високі концентрації до 9-11 ГДК для заліза і 144-165 ГДК для марганцю відзначаються на ділянці виходу фільтрату. У міру віддалення від полігону концентрація даних елементів у підземних водах різко падає і в більшості свердловин і колодязях має підвищені, але рідко перевищують нормативні, показники (0,1 мг/дм3 для марганцю і 0,3 мг/дм3 для заліза).

Марганець і залізо часто в природних і техногенних процесах ведуть себе практично однаково, тому характер поширення їх ореолів збігається. Для фільтрату, що утворюється при перетворенні ТПВ, характерні високі концентрації марганцю і заліза, які вилуговується при корозії металевого лому, окислюючись, переходять в розчин. Стійкість цих металів у фільтраті обумовлена відновної безкисневому обстановкою і низьким рН (5,5-6,5). Міграція марганцю і заліза припиняється на окислювальних бар'єри або при підвищення лужності розчину. Тут вони окислюються до тривалентне (для заліза) та четирехвалентной форми (для марганцю) і випадають в осад, утворюючи скоринки, прожилки і вкрапленнікі у вмісних породах. При проходженні фільтрату крізь товщу вапняків завжди спостерігається зростання рН. Вапняки нейтралізують кислотні властивості фільтрату. Уже на цій стадії може спостерігатися випадання оксидів і гідроксиди заліза та марганцю. При змішуванні фільтрату з грунтовими водами, збагачені киснем, також відбувається додаткове осадження заліза та марганцю.

Високі концентрації кадмію контролюються ділянками розповсюдження забруднених фільтратом грунтових вод. У свердловині біля основи греблі встановлена концентрація кадмію, що перевищує ГДК (0,001 мг/дм 3) в 4 рази. Ореол кадмію, обмежений концентрацією в 1 ГДК, досягає б. Четвертня і долину р.. Кальміус.

Аномальні концентрації свинцю встановлені в більшості відібраних проб води. Максимально забруднені свинцем води знаходяться на деякій відстані від меж полігону, утворюючи своєрідну облямівкою. На ділянці виходу фільтрату відзначаються помірно забруднені свинцем води. Максимальне забруднення свинцем в 13,3 ГДК (0,03 мг/дм3) встановлено на схід від полігону на ділянці заболочування в долині р.. Кальміус. Характер поведінки свинцю підтверджує висновок про закономірний розподіл макро-і мікрокомпонентів всередині ореолу заміщення природних вод, коли від центру до периферії відзначається закономірні зміни не тільки концентрацій компонентів, але і їх асоціацій.

На підставі отриманих результатів можна зробити наступні висновки:

1. Зона впливу полігону на підземні води визначається напрямком руху підземного потоку і обмежується елементами гідрографічної мережі території: б. Четвертна на захід, північний захід від полігону; б. Тринадцята на північ і р. Кальміус на північний схід і схід від нього.

2. У межах встановленої зони впливу сформований ореол заміщення природних вод, усередині якого макро-і мікрокомпоненти розподілені цілком закономірно по відношенню до джерела забруднення.

3. Основними компонентами, що випробовують привнось з боку полігону та інтенсивну диференціацію всередині ореолу заміщення, є: хлориди, сульфати, марганець, залізо, натрій, свинець і кадмій.

4. Інтенсивно забруднені води мають високий рівень мінералізації і жорсткості.

5. Позитивними факторами, що істотно знижують ступінь забруднення підземних вод і скорочують розміри ореолу заміщення, є досить потужна зона аерації (10-15 м) і те, що головними порід, що складають зону аерації, служать вапняки, які вкрай агресивні до фільтрату, що володіє кислотними властивостями. Нейтралізація фільтрату на виході з боку днища полігону супроводжується осадженням великого спектру макро-і мікрокомпонентів. Це сприяє очищенню води, з одного боку, і забруднює водовмещающіе породи, з іншого. При цьому відбувається локалізація процесу забруднення в певному обсязі порід - ореолі техногенного заміщення. Цим пояснюється скорочення зони впливу полігону зі східної сторони, де розташований найбільш потужний шар вапняку. Тому підземні води в долині р.. Кальміус мають близькі до нормативним показники по більшості компонентів - забруднювачів.

6. Отримані дані можуть служити обгрунтуванням для організації системи регулярного моніторингу підземних вод в зоні впливу полігону.

7. Для локалізації зони впливу полігону необхідно розробка природоохоронних заходів, що попереджають утворення та розповсюдження забруднених фільтратом підземних вод.

Список літератури

1. ДБН В.2.4-2-2005. Проектування. Полігони ТПВ. Основні положення проектування. - К.: Держбуд України, 2005. - 32 с.

2. Алексеенко В.А. Екологічна геохімія - М.: Логос, 2000 - 626 с.

3. Шварцем С.Л., Піннекер Е.В., Перельман А.П. та ін Основи гідрогеології. Гідрогеохімія. - Новосибирск: Наука, 1982. - 287 с.

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://masters.donntu.edu.ua