Динамика изменения состава карьерных вод на примере месторождения гипса в Архангельской области

Автор: В.А. Наход

Статья в выпуске: 7 (367), 2025 года.

Бесплатный доступ

В статье представлены результаты двухлетнего исследования состава карьерных вод на месторождении гипса, расположенного в Холмогорском районе Архангельской области. Систематический мониторинг включал определение физико-химических показателей в ключевых технологических зонах: водосборнике карьера (зумпфе) и пруде-отстойнике очистных сооружений. Для получения аналитической базы применялись стандартные методы: ГОСТ 31957-2012, ПНДФ 14.1:2:4.157-99 и прочие. Установлено, что показатель сухого остатка вод варьирует в диапазоне 1190—6700 мг/дм³ с выраженной сезонной динамикой: максимум в весенний период (март) и минимум летом (июнь). Доминирующим компонентом является сульфат-ион (до 3700 мг/дм³), что характерно для месторождений гипса. Выявлены превышения ПДК для речных вод, используемых в рыбохозяйственных и (или) питьевых целях, по содержанию сульфатов и стронция, а также эпизодически — по магнию, железу, цинку, меди, кадмию и алюминию. Показана эффективность очистных сооружений, обеспечивающих снижение концентраций взвешенных веществ до 29 %. Результаты согласуются с данными других исследователей, но демонстрируют специфику рассматриваемой территории — повышенное содержание сульфатов и стронция и замедленную седиментацию взвешенных веществ. Полученные данные представляют интерес для горнодобывающих предприятий, природоохранных организаций и научных учреждений, занимающихся проблемами экологии горного производства.

Еще

Гипсовый карьер, карьерные воды, сульфаты, стронций, экологический мониторинг, очистные сооружения

Короткий адрес: https://sciup.org/149149052

IDR: 149149052 | DOI: 10.19110/geov.2025.7.4

Текст научной статьи Динамика изменения состава карьерных вод на примере месторождения гипса в Архангельской области

Карьерные воды, формирующиеся при разработке месторождений полезных ископаемых, являются одним из основных объектов, оказывающих возможное негативное влияние на компоненты окружающей среды. По этой причине предприятие по добыче гипсового камня в Архангельской области ведет постоянный мониторинг состава карьерных вод. Согласно утвержденному проекту на разработку месторождения гипса, недропользователь обязан контролировать только количество нефтепродуктов и взвешенных веществ. В случае же гипсовых месторождений на северных территориях особую значимость приобретает контроль содержания сульфатов, стронция, а также тяжелых ме-

таллов и взвешенных веществ, поскольку их повышенные концентрации могут оказывать негативное влияние на жизнедеятельность гидробионтов и качество поверхностных вод, используемых населением для хозяйственно-питьевых нужд (Сидкина, 2023). Целью данного исследования являлся анализ изменения состава карьерных вод на гипсовом месторождении за период с декабря 2022 по декабрь 2024 года. Основными задачами были следующие: сравнение качества карьерных вод до и после очистных сооружений, оценка сезонных колебаний основных компонентов состава воды, выявление влияния технологических процессов добычи гипса на состав воды, определение эффективности работы очистных сооружений. Актуальность

исследования согласуется с результатами исследований последних лет (Caselle, 2022; Caselle, 2020; Al-Harthi, 2001), где отмечается необходимость разработки региональных нормативов для водных объектов. В частности, в методических работах ИМРГЭ 70-х годов XX века и в современных работах (Торосян, 2012) обоснована важность учета геохимических особенностей водных объектов промышленных районов.

Объект и методы исследования

Месторождение гипса расположено в Холмогорском районе Архангельской области и представляет собой типичное пластовое месторождение осадочных горных пород с горизонтальной залежью мощностью до 20 метров. Разработка карьера начата в 2008 году. Карьер включает один добычной и один вскрышной уступы, средней мощностью 7 метров. Химический (микроэлементный) состав полезного ископаемого представлен в таблице 1.

Гидрогеологические условия месторождения характеризуются приуроченностью к северо-западной части Северо-Двинского артезианского бассейна. Основными реками, расположенными рядом с участком исследования, являются Чуга и Позера — притоки нерестовой реки Пинега. Основными водоносными горизонтами и комплексами в районе работ являются: слабоводоносный верхнечетвертичный-современ-ный комплекс; слабоводоносный уфимско-нижнеказанский водоносный терригенный комплекс; водоносная ассельско-сакмарская сульфатно-карбонатная серия; водоносная средне-верхнекаменноугольная карбонатная серия. Непосредственно в карьере существенную роль играют грунтовые воды четвертичных песчано-глинистых отложений и карстовые воды, приуроченные к карстовым пустотам и трещинам в толще гипсовых пород. Единый устойчивый водоносный горизонт, связанный с базисом разгрузки, лежит ниже подошвы гипсовой толщи (ниже абс. отм. +40 м). Встречающиеся на различных гипсометрических уровнях подземные воды связаны с локальными водоносными горизонтами, приуроченными к локальным системам трещин и карстовых полостей. Река Позера не является базисом разгрузки подземных вод. Базис разгрузки подземных вод связан с подземной рекой, проявлением которой на поверхности является расположенная в пределах участка работ карстовая долина. Монолитные гипсы имеют крайне низкую водопрово-дность (коэффициент фильтрации составляет тысячные доли метра в сутки). Геолого-гидрологический разрез представлен на рисунке 1.

Отбор проб осуществлялся во второй секции пруда-отстойника и в водосборнике карьера (зумпфе), расположенном на абсолютной отметке +52 метра. Глубина отстойника составляет около 4 метров, зумпфа — 2.5 метра. В зумпфе карьерные воды отстаивались и далее по системе карьерного водоотлива транспортировались в пруд-отстойник, состоящий из двух секций с площадью 600 и 1800 м² (рис. 2). Очистные сооружения предназначены для очистки карьерных вод, загрязненных только нефтепродуктами и взвешенными веществами, методом отстаивания и фильтрования. Отстойник работает по принципу разделения веществ за счет разности удельного веса воды и нефтепродук- 36

Таблица 1. Химический состав гипсового камня карьера «Глубокое» Архангельской области (%) Table 1. Chemical composition of gypsum stone quarry «Glubokoye», Arkhangelsk region

Параметр / Parameter Значение / Value CaSO4*2Н2О 88.7 SrSO4 0.21 СаСО3 3.51 МgСО3 1.84 Органические вещества Organic substances 2.8 Na2O 0.0482 K2O 0.083 Fе2О3 0.1255 AI2O3 0.28 Бентонитовые глины / Bentonite clays (Si8Al4O20(ОН)4*nH2O) 0.1 Кварцевый песок (SiO2) Quartz sand (SiO2) 2.3 тов и малых скоростей движения. При этом частицы веществ тяжелее воды выпадают в осадок, а нефтепродукты всплывают на поверхность воды. Количество точек и параметры отбора проб (одна точка приповерхностных вод) приняты согласно проекту разработки месторождения гипса. Продолжительность эксперимента — с декабря 2022 по декабрь 2024 года, ранее работы за контролем качества карьерных вод осуществлялась только по двум показателям (нефтепродукты и взвешенные) в рамках программы горно-экологического мониторинга промышленного предприятия. Данные по составу карьерных вод в начальный период разработки отсутствуют. Анализ проб карьерных вод проводился в аккредитованной лаборатории ФГБУ «ЦЛАТИ по СЗФО» «ЦЛАТИ по Архангельской области» с использованием следующих методов (табл. 2).

Отбор проб проводился с соблюдением следующих требований. Перед подготовкой к отбору проб открытый пробоотборник из нержавеющей стали ополаскивался анализируемой водой не менее трех раз, для хранения воды использовалась химически инертная посуда из полипропилена. Пробы на определение катионов подкислялись HNO3 до показателя pH менее двух. Для отбора использовалась поверхностная вода с глубиной забора 0.3—0.5 метров. Для транспортировки использовался переносной холодильный агрегат, позволяющий поддерживать температуру в режиме +4 °C.

Оценка качества карьерных вод выполнялась с использованием Приказа Минсельхоза России от 13.12.2016 № 552 (ред. от 13.06.2024) «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения» (табл. 3). Согласно имеющимся исследованиям А. И. Малова (Malov, 2025) водотоки района по условиям формирования состава воды подразделяются на гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевого типа (Ca-HCO3-SO4) с минимальной минерализацией (М ~0.1 г/л) — моренные озера (Сенное и Карасиное) и водотоки, имеющие сульфатно-кальциевый состав

Таблица 2. Методы измерения макро- и микроэлементов Table 2. Methods for measuring macro- and micronutrients

НД на метод измерений	Определяемый показатель / Determined indicator
ПНД Ф 14.1:2:3:4.114-2023	сухой остаток / dry residue
ПНДФ 14.1:2:4.157-99	сульфат-ион, хлорид-ион / sulfate ion, chloride ion
ПНДФ 14.1:2:4.167-2000	кальций, магний, натрий, стронций, калий calcium, magnesium, sodium, strontium, potassium
ГОСТ 31957-2012, метод А.1	гидрокарбонат-ион / hydrocarbonate ion
ПНД Ф 14.1:2:4.254-2009	взвешенные вещества / suspended solids
ПНДФ 14.1:2:4.181-02	алюминий / aluminum
ПНДФ 14.1:2:4.214-06	железо общее, медь, марганец, цинк, кобальт, кадмий, никель, свинец, хром total iron, copper, manganese, zinc, cobalt, cadmium, nickel, lead, chromium
ПНДФ 14.1.272-2012	нефтепродукты / oil products
ПНДФ 14.1:2.49-96	мышьяк / arsenic

карст четвертичные отложения (lg IHos)

суглинки

супесь суглинок валунный

С.4э скважина и ее номер

8.1(2007г.)

5— уровень грунтовых вод .. его глубина, год замера

12.0

пермские отложения сотки некая свита (P1sot)

С.А2 номер выработки

1-н номер пробы -некондиционная проба

I j> интервал опробования [а2/2-2 номер пробы -сорт гипса

18.0 глубина выработки, м

контур карьера контур подсчета запасов сырья по категории В контур подсчета запасов сырья по категории Ci контур подсчета запасов сырья по категории Сз

Рис. 1. Геолого-гидрологический разрез карьера

Fig. 1. Geological and hydrological section of the quarry

Таблица 3. Предельно допустимые концентрации химических компонентов в поверхностных водах, используемых в рыбохозяйственных целях

Table 3. Maximum permissible concentrations of chemical components in surface waters used for fishery purposes

Элементы/Elements	Mg	SO 4^2-	Mn	Co	Ni	Cu		Zn	Cd	Sr	Pb	Al	Fe
	мг/дм³ /	mg/dm³					мкг/дм³		/ mcg/dm³
Концентрации Concentrations	40	100	10	10	10	1		10	5	400	6	40	100
Класс опасности Hazard class	4	—	4	3	3	3		3	2	3	2	4	4

Рис. 2. Точки отбора проб карьерных вод: a — пруд-отстойник очистных сооружений, b — водосборник карьера (зумпф), с — общий вид карьера гипса «Глубокое»

Fig. 2. Sampling points of quarry water: a — settling pond of treatment facilities, b — quarry catchment (sump), с — general view of the «Glubokoe» gypsum quarry

(Ca-SO4) и промежуточную минерализацию (М 0.8— 2.3 г/л) — карстовые озера и реки Позера и Чуга.

Динамика изменения состава карьерных вод за период 2023—2024 годы требовала анализа климатических характеристик (табл. 4).

Большое влияние на состав карьерных вод имеет также площадь атмохимического ореола загрязнения вокруг карьера. Согласно тому № 4 «Охрана окружающей среды» Проекта строительства карьера гипса на месторождении «Глубокое» в Холмогорском

Таблица 4. Климатические характеристики 2023, 2024 годов на основании данных по метеостанции № 22550 (г. Архангельск)

Table 4. Climate characteristics for 2023, 2024, based on data from weather station No. 22550 (Arkhangelsk)

Характеристики Characteristics	2023 год / year
Характеристики Characteristics	январь January	февраль February	март March	апрель April	май May	июнь June	июль July	август August	сентябрь September	октябрь October	ноябрь November	декабрь December
температура (день), °С temperature (day), °C	–7	–6	–3	5	15	16	20	20	16	3	–5	–11
температура (ночь), °С temperature (night), °C	–8	–9	–9	–4	5	7	13	13	10	1	–6	–11
давление, мм рт.ст. pressure, mm Hg	758	757	751	767	763	760	753	761	760	751	756	757
ветер, м/с wind, m/s	3.1	2.6	2.3	1.9	2.2	2	1.8	1.7	2.1	2.2	2.1	2.1
влажность, % humidity, %	82	83	77	72	65	68	76	79	82	83	88	85
осадки, дни/мм precipitation, days/mm	14/4	7/21	8/39	3/13	6/19	8/60	17/99	10/33	12/82	18/73	13/55	14/50
2024 год / year
температура (день), °С temperature (day), °C	–11	–8	0	1	9	20	22	20	18	6	0	–6
температура (ночь), °С temperature (night), °C	–12	–10	–4	–3	2	11	13	12	12	3	0	–6
давление, мм рт.ст. pressure, mm Hg	755	757	759	758	762	756	758	758	763	759	752	754
ветер, м/с wind, m/s	2.4	2.5	2.7	2.9	3.1	2.3	2	2.2	2.7	2.8	3.2	2.6
влажность, % humidity, %	83	82	81	77	62	74	73	75	77	93	95	93
осадки, дни/мм precipitation, days/mm	8/28	6/24	10/28	19/109	9/36	10/84	12/107	7/23	7/27	15/77	18/86	17/62

Роза ветров на основании многолетних наблюдений Wind rose based on long-term observations

Направление ветра

Wind direction

С N

С-В NE

Ю-В SE

Ю S

Ю-З SW

З W

С-З NW

Доля от годового, %

Value of annual, %

11.90

5.90

6.80

15.10

18.80

12.50

14.20

14.80

Таблица 5. Максимальные приземные концентрации на границе нормативных СЗЗ предприятия

Table 5. Maximum ground-level concentrations at the boundary of the enterprise's regulatory sanitary protection zones

Вещество / Substance	Фон, доли ПДК Background, shares of MAC	Концентрация, доли ПДК¹Concentration, shares of MAC¹
Азота диоксид / Nitrogen dioxide	0.25	0.76
Азота оксид / Nitrogen oxide	н.о.	0.06
Серы диоксид / Sulfur dioxide	0.03	0.04
Углерода оксид / Carbon oxide	0.3	0.04
Формальдегид / Formaldehyde	н.о.	0.06
Керосин / Kerosene	н.о.	0.09
Пыль с содержанием Si₂O 20—70% Dust with Si₂O content 20—70%	н.о.	0.11
Пыль с содержанием Si₂O до 20 % Dust with Si₂O content up to 20 %	н.о.	0.14

Примечания: ¹ — в таблице не приведены данные по веществам, концентрации которых на границе СЗЗ составляют менее 0.04 ПДК; н.о. — не определено.

Notes: ¹ — the table does not provide data on substances, which concentrations at the boundary of the sanitary protection zone are less than 0.04 MAC; н.о. — not determined.

районе Архангельской области, максимальные концентрации загрязняющих веществ на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) предприятия, расположенной в 500 м от границы горного отвода, приведены в таблице 5.

Согласно представленным данным, выбросы предприятия не оказывают влияние на состояние атмосферы территорий за границами СЗЗ. Максимальные концентрации загрязняющих веществ на границе нормативных СЗЗ предприятия определяются выбросами диоксида азота, которые составляют 0.76 ПДК и выбросами пыли неорганической 0.25 ПДК.

Результаты и обсуждение

Результаты измерения концентраций анализируемых макро- и микроэлементов в течение 2023— 2024 годов показывают значительное превышение концентраций большинства элементов в 2023 году. Это обусловлено более высокими показателями производительности горных работ в 2023 году. Общий объем добытого гипсового камня в 2023 году на 7 % больше, чем в 2024; объем взорванной горной массы на 8 % выше в 2023 году. Данный факт подтверждает частичное техногенное воздействие на загрязнение карьерных вод. Естественной же причиной более высоких концентраций элементов в 2023 году является минимальный объем поступления вод в карьер, объем откачки в 2023 году на 19 % ниже, чем в 2024 году (121188 м3 — 2023, 144442 м3 — 2024). Исключением выступают взвешенные вещества, которые показывают противоположную динамику, обусловленную следующими причинами: меньший объём откачки вод означает снижение гидродинамической активности в карьере, что уменьшает эрозию пород и взмучивание донных отложений, тем самым снижает концентрацию ВВ; вторая причина — интенсивные осадки. Летние осадки в 2024 году были значительнее (июнь: 84 мм, июль: 107 мм), чем в 2023 (июнь: 60 мм, июль: 99 мм).

Увеличение осадков усилило поверхностный сток, что привело к большей эрозии почв и выносу взвешенных частиц в карьерные воды.

Основные компоненты состава карьерных вод

Взвешенные вещества

При анализе загрязнения сточных вод карьера взвешенными веществами отмечены зимние максимальные значения в декабре 2024 года как в зумпфе карьера (33.0 мг/дм³), так и в очистных сооружениях (24.9 мг/дм³). Минимальные же значения выявлены в летний период и колеблются в пределах 10 мг/дм³ в водосборнике карьера и 5.8—6 мг/дм³ в очистных сооружениях (рис. 3). Для сточных вод допустимая концентрация взвешенных веществ в соответствии с Приказом Минсельхоза России от 13.12.2016 № 552 (ред. от 13.06.2024) составляет 10 мг/дм³, при этом средняя концентрация взвешенных веществ на участке реки Северная Двина у с. Усть-Пинега составляет 5.3 мг/дм³ с максимумом в 23 мг/дм³ (Отчет о гидрохимических и экологических исследованиях, включая исследования на содержание микропластика, в устьевых участках рек Северная Двина и Онега и прибрежной территории Двинского залива Белого моря, проведенных в рамках проекта «Климатическая экспедиция», 2021*). Эффективность очистки в среднем варьируется около 29 %, что является низким показателем. Согласно проекту на разработку карьера, эффективность очистки от взвешенных веществ должна составлять около 90—95 %. Низкий показатель, полученный в рамках исследовательской работы, обусловлен изначально невысокими показателями взвешенных веществ в зумпфе (среднее — 16.3 мг/дм3, проектные значения — 100 мг/дм3).

Сухой остаток (минерализация)

Проведенные исследования выявили значительные колебания минерализации карьерных вод в течение двухлетнего периода наблюдений (табл. 6). Максимальные значения были зафиксированы в конце марта 2023 года в пруду-отстойнике (4600 мг/дм³) и в водосборнике карьера (6700 мг/дм³). Такие высокие показатели связаны в основном с минимальным поверхностным стоком (мерзлые грунты, снежный покров) и преимущественным поступлением подземных вод.

Сульфат-ион (SO42–)

Концентрация сульфатов как основного компонента растворяющихся пород также была максимальна в карьерных водах в «особый» период конца марта 2023 года (рис. 3). Она достигала 3700 мг/дм³, что значительно превышает предел растворимости сульфатов в пресной воде. Поэтому в отстойнике произо- шло быстрое их осаждение с образованием труднорастворимых соединений кальция. В растворенном же состоянии осталось 1430 мг/дм³, что соответствует их равновесному содержанию. Эта концентрация является также средней концентрацией сульфатов в карьерных водах за весь период наблюдений. При этом нижний диапазон колебаний достигал 75 мг/дм³ также в «особый» период апреля 2024 года, когда за месяц выпало 103 мм атмосферных осадков и произошло интенсивное разбавление карьерных вод. По содержанию сульфатов карьерные воды превышают ПДК (100 мг/дм³), однако это связано с природными условиями района месторождения, к которым адаптирована биота, а население минерализованную до 1.5— 3 г/дм³ речную воду не использует для питья. Согласно ранее проведенным исследованиям по влиянию разработки месторождения гипса на состав природных вод, фоновая концентрация сульфат-иона в ближайших реках и озерах колеблется в пределах от 30 до 1430 мг/дм³ (Наход, 2024).

Таблица 6. Результаты измерения макро- и микроэлементов карьерных вод в 2023—2024 гг. (мг/дм³)

Table 6. Results for measuring macro- and micronutrients of querry waters in 2023—2024 (mg/dm³)

Показатель Index	Точка отбора Sampling point	05.12. 2022	27.03. 2023	14.07. 2023	10.08. 2023	01.09. 2023	03.04. 2024	24.06. 2024	23.10. 2024	12.12. 2024
взвешенные	№1	7.8	7.2	6.0	-	17.6	9.8	5.8	7.6	24.9
вещества
suspended solids	№2	10.2	9.8	10.0	-	16.4	10.4	10.0	32.0	33.0
сухой остаток	№1	2820	4600	3260	-	3140	3200	1190	1980	2170
dry residue	№2	3280	6700	2980	-	3100	3200	1490	2570	2120
сульфат-ион	№1	1500	1430	1420	1540	1510	75	640	1160	1180
sulfate ion	№2	1520	3700	1400	1430	1540	85	730	1460	1120
кальций	№1	770	790	630	730	680	670	< 50	530	700
calcium	№2	680	630	520	670	710	890	< 50	650	670
магний	№1	53.0	46.0	37.0	39.4	38.0	48.0	27.3	31.0	48.0
magnesium	№2	51.0	45.0	29.8	25.2	36.0	48.0	9.9	32.0	29.6
стронций	№1	8.0	7.6	2.7	6.4	н.о.	0.9	1.1	3.3	4.7
strontium	№2	7.4	7.1	3.2	5.0	н.о.	1.6	1.6	6.0	5.2
алюминий	№1	0.670	0.052	н.о.	н.о.	0.106	0.011	н.о.	0.051	0.028
aluminum	№2	0.680	0.056	0.095	н.о.	0.012	н.о.	н.о.	0.077	н.о.
железо общее	№1	0.127	0.016	0.410	0.026	0.090	0.072	0.043	0.014	0.021
total iron	№2	0.094	0.030	0.065	0.063	0.044	0.039	0.330	0.017	0.022
медь	№1	0.071	0.007	0.013	0.003	0.007	0.006	0.002	0.001	0.002
copper	№2	0.031	0.009	0.006	0.001	0.006	0.006	0.008	0.003	0.003
цинк	№1	0.049	0.027	0.060	0.003	0.002	0.002	0.003	0.001	0.001
zinc	№2	0.021	0.013	0.023	0.002	0.019	0.018	0.003	н.о.	0.001
свинец	№1	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	0.008	н.о.	н.о.
lead	№2	н.о.	0.003	0.013	н.о.	н.о.	н.о.	0.010	н.о.	н.о.
кобальт	№1	0.006	0.005	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.
cobalt	№2	0.000	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.
кадмий	№1	н.о.	0.002	0.001	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.
cadmium	№2	н.о.	0.002	0.001	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.
никель	№1	н.о.	н.о.	н.о.	0.032	н.о.	н.о.	0.008	н.о.	н.о.
nickel	№2	н.о.	н.о.	н.о.	0.017	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.	н.о.
гидрокарбонат-ион	№1	250	260	260	-	214	270	110	214	224
hydrocarbonate ion	№2	260	260	187	-	217	270	61	260	218

Примечания: № 1 — пруд-отстойник, № 2 — водосборник карьера; н.о. — ниже предела обнаружения.

Notes: No. 1 — settling pond, No. 2 — quarry water collection pond; н.о. — below detection limit.

Рис. 3. Показатели изменения динамики основных элементов загрязнения сточных вод Fig. 3. Indicators of changes in dynamics of main elements of sewage water pollution

Кальций (Ca²+) и магний (Mg²+)

Динамика содержания кальция в карьерных водах демонстрирует ярко выраженную сезонную зависимость (рис. 3). В весенний период (март) наблюдались максимальные концентрации, достигающие 790— 890 мг/дм³, что коррелирует с показателями концентрации сухого остатка. Общим фактором, повышающим концентрацию, являются подземные воды при минимальном поверхностном стоке. В летний период (июнь— август) концентрации снижались до 50 мг/дм³ вследствие осаждения карбонатов при повышении температуры. В целом содержания кальция в водосборнике варьировались от 50 до 890 мг/дм³ (среднее — 608 мг/дм³), в пруде-отстойнике — 50—790 мг/дм³ (среднее — 617 мг/дм³).

Содержание магния изменялось в пределах 9.9— 53 мг/дм³ (рис. 3). Источниками поступления его в сточные воды являлись процессы выщелачивания приповерхностных карбонатов, химического выветривания глинистых минералов в отвалах вскрышных пород, а также поступление с подземными водами из нижележащих горизонтов. Можно выделить зимний максимум с концентрацией магния 29.6—53 мг/дм³; летний минимум 9.9—25 мг/дм³ — за счет разбавления атмосферными осадками; осенний рост до 25—40 мг/дм³. Пространственное распределение фиксируется следующим образом: водосборник: 9.9—51 мг/дм³ (среднее — 34.1), пруд-отстойник: 27.3—53 мг/дм³ (среднее — 40.9). Также нужно отметить, что в 11 % проб выявлено незначительное превышение ПДК (40 мг/дм³). При этом максимальное значение, равное 53 мг/дм³, отмечалось в декабре 2022 года.

Сравнительный анализ Ca2+ и Mg2+ показал, что более стабильное поведение присуще магнию, данный элемент имеет меньшую амплитуду сезонных колебаний. Соотношение между элементами Ca/Mg изменялось от 5:1 до 35:1, при этом минимальные значения характерны для зимнего периода, максимальные наблюдались летом.

Микрокомпоненты

Стронций (Sr)

Стронций (рис. 3) в карьерных водах месторождения представлен преимущественно в виде свободных ионов Sr2+ (85—92 % от общего содержания), что характерно для сульфатных вод гипсовых месторождений. Можно выделить два основных источника поступления. Это природный источник, а именно изоморфное замещение кальция в кристаллической решетке гипса (CaSO4·2H2O → SrSO·2H2O), и выщелачивание включений целестина (SrSO4). Также возможно растворение включений стронцианита. Ко второму источнику относится влияние техногенных факторов: вымывание остатков использованных взрывчатых веществ (нитрат стронция) и химическое выветривание отвальных пород.

Наши исследования выявили четкую пространственную дифференциацию распределения содержаний стронция. Так, для водосборника карьера получены следующие данные: среднегодовая концентрация — 4.1 мг/дм³, при этом максимальное значение (7.4 мг/дм³) отмечается в декабре 2022, а минимальное значение (1.6 мг/дм³) — в апреле и июне 2024 го- да. Пруду-отстойнику соответствуют следующие показатели: среднегодовая концентрация в размере 3.9 мг/дм³; максимальное значение (8 мг/дм³) отмечается в декабре 2022, а минимальное значение (1.1 мг/дм³) — в июне 2024 года. Сезонная динамика стронция в целом коррелирует с динамикой сульфатов. Минимальные значения (1.1—1.6 мг/дм³) в летний период связаны с разбавлением карьерных вод атмосферными осадками, активностью водной растительности и усилением сорбционных процессов.

По содержанию стронция карьерные воды превышают ПДК (0.4 мг/дм³), однако это связано с природными условиями района месторождения. Исследования прошлых лет показали, что фоновые значения концентрации стронция в ближайших водотоках составляют в среднем 2.92 мг/дм³ с ростом до 6.4 мг/дм³ (Наход, 2024).

Алюминий

Динамика содержания алюминия в карьерных водах показала сложную зависимость от сезонных и технологических факторов (рис. 3). Максимальная концентрация 0.68 мг/дм³ (17 ПДК для рыбохозяйственных водоемов) была зафиксирована в декабре 2022 года. Она существенно превышает концентрации алюминия в речных водах в естественном состоянии и связана с техногенным воздействием. Кроме того, могли сыграть дополнительную роль и процессы подкисления среды в зимний период наряду с увеличением подвижности Al3+ при низких температурах. К 2024 году содержание алюминия снизилось до 0.028 мг/дм³, что ниже ПДК.

Железо (Fe), медь (Cu), цинк (Zn), свинец (Pb)

В карьерных водах железо показывает следующие зависимости: максимальная концентрация 0.41 мг/дм³ была зафиксирована в июле 2023 года в пруде-отстойнике, зимой наблюдалось снижение концентрации до 0.014 мг/дм³ вследствие замедления химических и биологических процессов, ослабления фильтрации из болот и осаждения в виде гидроксидов (рис. 3). Также надо отметить, что наличие проб с превышением ПДК было зафиксировано трижды: в декабре 2022 г. (0.127 мг/дм³), июле 2023 г. (0.41 мг/дм³) и июне 2024 г. (0.33 мг/дм³) при норме 0.1 мг/дм³.

Нужно отметить, что повышенные содержания железа в воде могут привести к его осаждению, а осадки железа могут откладываться на дыхательных жабрах рыб, что приводит к сокращению биоразнообразия. Кроме того, наблюдалась смертность икры ручьевой форели и кижуча, покрытой частицами железа (Bury, 2011). Избыточное содержание железа может вызвать и гистопатологию печени и почек, снизить скорость роста и повысить смертность речных обитателей (Desjardins, 1987).

В то же время высокие концентрации железа до 0.4—0.8 мг/дм³ характерны для небольших северных рек с болотным питанием. Это объясняется высоким сродством Fe с органическим веществом по сравнению с другими металлами. Благодаря этому железо сохраняется в поверхностных водах не только при низких значениях Eh < 0 и pH < 7, но и в слабощелочной 43

окислительной обстановке. При этом Fe2+ окисляется до Fe3+ и образует устойчивое комплексное соединение с фульвокислотой, способное противостоять гидролизу (Malov, 2023).

Показатели по меди (рис. 3) имели следующие закономерности: максимальное значение в 0.071 мг/дм³ отмечалось в пруде-отстойнике, минимальное значение 0.001 мг/дм³ — в водосборнике карьера. При оценке сезонных колебаний можно выделить весенний пик (0.006—0.009 мг/дм³), обусловленный выносом элемента с талыми водами, после которого следует летний минимум (0.002—0.008 мг/дм³), связанный с сорбционными процессами, и постепенный осенний рост (0.006—0.007 мг/дм³), связанный с усилением процессов выщелачивания. Аналогичная ситуация характерна и для цинка, и для свинца (рис. 3). Практически все пробы не соответствовали требованиям к содержанию меди в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей (ПДК 0.001 мг/дм³). Восемь проб не соответствовали требованиям по содержанию цинка (ПДК 0.01 мг/дм³) и 3 пробы — по содержанию свинца (ПДК 0.006 мг/дм³). А. И. Малов и другие (Malov, 2023) показали, что доминирующей формой меди в поверхностных водах региона является CuCO30, тогда как цинк мигрирует преимущественно в свободной ионной форме Zn2+.

В целом природу Sr, Fe и макрокомпонентов можно определить как литогенную, для остальных элементов преобладают антропогенные источники. В процессе горных работ на гипсовом месторождении используются бурение, взрывные работы, процессы дробления гипсового камня, отгрузка и транспортировка продукции. При этом образуется мелкая гипсовая пыль, которая поглощает подвижные формы тяжелых металлов, а затем оседает, образуя ореол загрязнения вокруг карьера.

Статистический анализ полученных показателей

Для определения зависимостей между элементами были определены основные статистические показатели, построены гистограммы распределения, проведен корреляционный и факторный анализы, выделены взаимосвязи между элементами и факторы, влияющие на распределение элементов. Не учитывались следующие элементы: кадмий, кобальт, никель, свинец, хром, нефтепродукты и мышьяк — по причине недостаточного количества проб для статистического анализа. В большей части элементов ввиду небольшой выборки (количество наблюдений меньше 30) не удаётся определить принадлежность к нормальному или логнормальному распределению. Для Mn, Cl, Mg, Ca, HCO₃ и сухого остатка удалось выделить значения мод. Ни одно из значений средних и медиан не сопоставимо с модами, исходя из чего становится очевидным невозможность оценить распределения как нормальные. Все значения асимметрии и эксцесса противоречат необходимым условиям для нормального распределения. По значениям асимметрии и эксцесса можно предположить для меди и калия логнормальное распределение. Для более точного определения распределения визуально были построены гистограммы. Было определено оптимальное количество клас- 44

сов по формуле Стержесса (5 бинов) и построены гистограммы для 5 бинов по каждому элементу. Исходя из визуальной проверки можно сказать о том, что оценить закон распределения каждого из элементов невозможно. Никаких закономерностей не выделяется, для этого необходимо большее количество данных.

Следующим этапом анализа стала оценка корреляционной матрицы (табл. 7), в которой был выбран ряд значений, которые являются значимыми. Из них были выбраны пары элементов, у которых коэффициент корреляции выше 0.87 (сильная связь при r = 0.6); для них построены диаграммы рассеяния по содержаниям (рис. 4). Для слабых связей коэффициент корреляции составил 0.58, для средних — 0.72 и для сильных — более 0.86. Схема связей представлена на рисунке 5.

Итоговым анализом статистических данных явился факторный анализ, в рамках которого была сформирована таблица факторов (табл. 8). Анализ ее позволил установить, что первый фактор вносит 32 % общей доли дисперсии и является значимым для натрия, стронция, магния, кальция, гидрокарбонатов и сухого остатка — для всех элементов влияние прямое и значение фактора положительное. Этот фактор отражает природные процессы формирования химического состава карьерных вод за счет растворения карбонатных и сульфатных пород. В этот фактор можно включить также сульфаты и цинк, которые показывают максимальные значения 0.59 и 0.56 соответственно при факторе № 1. Источником цинка является органоминеральный и торфяной почвенные горизонты, в которых происходит образование его устойчивых соединений с органическими веществами (Иванищев, 2022). Таким образом, поверхностные стоки являются преобладающим фактором переноса элементов. Объемы откачки карьерных вод по годам представлены в таблице 9.

Второй фактор является значимым для алюминия, марганца и меди. В него также можно включить цинк и железо. Этот фактор, по всей видимости, отражает смешанное влияние природных и антропогенных источников.

От третьего фактора и далее значимых нагрузок нет. Суммарная доля дисперсии около 70 % приходится на 3 фактора, исходя из чего они были выбраны единственно значимыми и были далее проанализированы с построением диаграмм рассеяния (рис. 6). При анализе диаграммы рассеяния химических элементов по факторам 1 и 2 видно, что ни один из них почти не влияет на калий. Также можно заметить, что для фактора 1 имеется слабое отрицательное значение для взвешенных веществ и общего железа. На остальные элементы влияние положительно. Диаграмма рассеяния химических элементов по факторам 1 и 3 показывает, что для фактора 3 почти нет влияния меди и марганца. На графике визуализировано наибольшее влияние для фактора 3 по хлору и общему железу, а наименьшее — для взвешенных веществ.

Выводы

Целью исследования являлся анализ изменения состава карьерных вод на гипсовом месторождении за период с декабря 2022 по декабрь 2024 года. Исследование выявило значительные сезонные колебания: весенние максимумы минерализации и суль-

Таблица 7. Корреляционная матрица макро- и микроэлементов Table 7. Correlation matrix of macro- and micronutrients

tn о

ОО

40 о

со

ОО о см

о о о

см о

04 СМ см

tn 04 tn

см 04 ш

^ см со

tn 1—1 04

со

СО со см

о о о

1—(

Цн

чо CN о о

tn о см

гН 40 О

о tn о

со см см

о о

см ш

ш 04 о

см 1—( tn

о ш

ш о tn

о ш tn

$ tn

о о о

1—(

^{1 73}

к 2

з » cs

» з

£ = 5

о tn tn

см ^ tn

^ см о

5 о

ш со см

04 см о

ш tn ^

о см

см о

о см

см см

о о о

1—(

Св и

ш о

см

см о

tn о

см о

со 04

о 40

см о

со

ш о

04 04

о о о

1—(

ью 2

^ о

tn 40 tn

ш 40 ш

tn о

см 40 ^

04 tn

^ ш tn

40 tn о

со tn ^

о см ш

о о о

гН

=s о ,$

>. Еч Q и ^ ё £

ОО

О ш о

tn 04 о

40 см о

см ОО о

1—(

й см о

04 04 ш

tn о ш

о о о

гН

ей

tn о

о 04 ш

ОО см

tn ш ^ о

40 о

^ ш см

04 04 см

о о о

гН

см о

tn tn ^

гН

о со ш

ш о tn

о о о

гН

й N

tn о

о ш

40 tn tn

tn ^ tn

см

40 о

гН

о о о

ГН

О on

гН 40 ^ о

ОО о о

$ о

tn 04 о

о tn

о о о

1—(

3 и

о о

3 о

ОО о

04 ОО

40 о

о о о

гН

о со

см

tn Ln 04

о о о

гН

tn см

о о о

гН

tn о

о о о

1—(

се

о о о

1—(

се

СП

й N

н з

о ¹⁴

О ПО

се о

СП

О» О

^ ^И

й 2^

Я ц, Ц>

И Я tn

со 0> Ь

СО СО ио

О ь

to о и к

Рис. 4. Диаграммы рассеивания по содержанию для элементов с сильными корреляционными связями

Fig. 4. Scatter diagrams by content for elements with strong correlation links

Рис. 5. Схема связи между элементами: 1 — слабая, 2 — средняя, 3 — сильная

Fig. 5. Schematic of the links between the elements: 1 — weak, 2 — medium, 3 — strong фатов (до 6700 и 3700 мг/дм³ соответственно) действительно обусловлены преобладанием подземного питания при минимальном поверхностном стоке, а летнее снижение (например, кальция до < 50 мг/дм³ в июне 2024 г.) — разбавлением атмосферными осадками. Это подтверждается климатическими данными: экстремальные осадки в апреле 2024 г. (109 мм против 13 мм в 2023 г.) объясняют аномально низкие значения сульфатов (85 мг/дм³) в этот период. Преимущественное поступление вод в водосборник карьера осуществлялось благодаря подземному питанию. В карьерных водах обнаружено периодическое превышение предельно допустимых концентраций стронция, 46

магния, железа, цинка, меди, кадмия и алюминия. Это требует усиленного контроля и возможной корректировки технологических процессов добычи гипсового камня. Очистные сооружения продемонстрировали низкую эффективность, снижая концентрацию взвешенных веществ на 29 %, но основной причиной этого являются невысокие показатели взвешенных веществ в карьерных водах.

Корреляционный и факторный анализы позволили установить, что первый фактор вносит 32 % общей доли дисперсии и является значимым для натрия, стронция, магния, кальция, гидрокарбонатов и сухого остатка, цинка и железа. Этот фактор отражает природные процессы формирования химического состава карьерных вод за счет растворения карбонатных и сульфатных пород. Второй фактор (21 % общей доли дисперсии) является значимым для алюминия, марганца и меди. Этот фактор, по всей видимости, отражает смешанное влияние природных и антропогенных источников. Корреляционный анализ (например, сильная связь Ca—HCO3, r = 0.91) указывает на литогенное происхождение макрокомпонентов (кальций, магний, гидрокарбонаты), тогда как техногенное влияние более выражено для алюминия (пик 0.68 мг/дм³ в 2022 г.) и тяжёлых металлов (медь, цинк), связанных с гипсовой пылью от взрывных работ. Антропогенный вклад на гипсовом месторождении может возникать за счет мелкой гипсовой пыли, которая поглощает подвижные формы тяжелых металлов, а затем оседает, образуя ореол загрязнения вокруг карьера.

Таким образом, хотя сезонные закономерности и природная обусловленность сульфатов/стронция доказаны убедительно, межгодовые различия требуют

Таблица 8. Факторный анализ химического состава карьерных вод Table 8. Factor analysis of quarry water chemical composition

	Фактор 1 Factor 1	Фактор 2 Factor 2	Фактор 3 Factor 3	Фактор 4 Factor 4	Фактор 5 Factor 5	Фактор 6 Factor 6
Na	0.71	–0.41	0.43	–0.14	0.14	–0.12
K	0.02	–0.12	–0.64	–0.09	–0.37	0.64
Al	0.33	0.85	–0.20	0.21	0.04	–0.18
Mn	0.30	0.81	0.00	0.25	0.27	0.16
Cu	0.51	0.79	–0.02	0.00	–0.16	–0.05
SO 4	0.59	–0.24	0.24	0.63	–0.23	0.17
Zn	0.56	0.39	0.40	–0.36	–0.37	–0.04
Cl	0.40	–0.46	0.63	0.17	–0.06	0.08
Sr	0.75	0.05	–0.22	0.50	–0.20	–0.15
сухой остаток dry residue	0.79	–0.36	0.24	0.12	0.13	0.18
Mg	0.79	0.10	–0.37	–0.31	0.17	0.24
Ca	0.75	–0.25	–0.41	–0.33	0.00	–0.22
взвеш. вещ-ва suspended solids	–0.15	–0.38	–0.62	0.22	–0.44	–0.36
Fe	–0.16	0.32	0.62	–0.34	–0.53	0.02
HCO₃	0.80	–0.22	–0.30	–0.35	0.04	–0.13
общ. дис. total dispersion	4.82	3.10	2.53	1.45	1.01	0.83
доля общ. total share	0.32	0.21	0.17	0.10	0.07	0.06

Таблица 9. Динамика откачки карьерных вод Table 9. Dynamics of quarry water pumping

Год / Year	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	2023	2024
Объем откачки Pumping volume	76136	116592	77934	236332	247119	259497	334234	188122	221203	121188	144442

Рис. 6. Диаграммы рассеивания элементов

Fig. 6. Scatter diagrams of the elements

более глубокого наблюдения с учётом гидроклимати-ческих условий. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации системы экологического мониторинга, совершенствования технологий очистки карьерных вод, учитывающих специфику северных месторождений.

Статья научная