Гiдрогеохiмiчне моделювання впливу фiльтрацiйних втрат високомiнералiзованих шахтних вод зi ставка-накопичувача у балцi Свистунова (версiя 0.80)
Description
Ставок-накопичувач високомінералізованих шахтних вод у балці Свистунова було побудовано у 1976 р. Останні два десятиліття об'єкт щорічно приймає 10-13 млн. м3 шахтних вод від підприємств Криворізького залізорудного басейну із загальною мінералізацією 28-38 г/л. У подальшому накопичені об'єми скидаються в ріку Інгулець. При цьому частина вод неминуче втрачається через днище ставка, дренуючись у водоносний горизонт відкладів міоцену. За період експлуатації об'єкта в навколишніх гірських породах сформувався потужний ореол забруднення, який призвів до суттєвих змін гідрогеологічного режиму та хімічного складу водоносного горизонту. На південь від комплексу хвостосховищ та ставка-накопичувача практично повністю деградували ресурси питних вод четвертинного та більш захищеного неогенового водоносних горизонтів. При цьому фактична просторова межа контуру забруднення досі залишається не встановленою.
Загалом гідрогеохімічні процеси, які відбуваються із високомінералізованими шахтними водами Кривбасу, формують складний конвеєр і можуть бути поділені на декілька самостійних фаз: змішування вод різного походження в системах гідрозахисту шахтних полів; змішування та часткове відстоювання у проміжних наземних резервуарах; потрапляння та тривале відстоювання безпосередньо у ставку-накопичувачі; змішування фільтраційних втрат із місцевою водою карбонатного водоносного горизонту; і, зрештою, змішування частково <<деактивованої>> води з потоком ріки Інгулець після дренування водоносного горизонту мережею джерел. Окремо виділяється транзитна фаза змішування в період прямого регламентного скиду вод зі ставка-накопичувача. Кожна з цих фаз характеризується унікальним набором термодинамічних параметрів та домінантних геохімічних реакцій. У рамках даного дослідження фокус свідомо звужено: об'єктом вивчення є виключно фаза трансформації фільтраційних втрат зі ставка-накопичувача у межах карбонатного водоносного горизонту.
Проблема операційної діяльності ставка-накопичувача потребує багатовекторного комплексного підходу, оскільки поєднує гідрогеохімічні, екологічні, інженерні, економічні та соціальні чинники, які нелінійно взаємодіють у просторі та часі. Це вимагає глибокого системного аналізу для адекватного оцінювання екологічних ризиків та прийняття обґрунтованих управлінських рішень.
Метою представленого дослідження є чисельне моделювання довготривалого геохімічного впливу високомінералізованих шахтних вод на водоносний горизонт, що залягає у вапнякових відкладах. Для досягнення цієї мети реалізовано цикл математичного моделювання процесів масообміну та подальший аналіз отриманої геопросторової інформації. Основним інструментальним методом є обчислення локальної термодинамічної рівноваги розчинених компонентів. Особливу увагу приділено фазовим рівновагам ключових карбонатних мінералів: кальциту (Calcite), арагоніту (Aragonite), невпорядкованого доломіту (Dolomite(disordered)) та магнезиту (Magnesite). Процеси розчинення та доломітизації вапняків під дією високомінералізованих вод є фундаментальним фактором, що спричиняє не лише зміну пористості та гідродинамічної проникності товщ, але й критично впливає на переведення токсичних мікроелементів у міграційно-здатні форми.
Емпіричною базою дослідження слугують результати екологічного моніторингу (хімічні аналізи проб води), відібрані з випускної труби, акваторії ставка та мережі спостережних свердловин у період 2012-2021 рр. та навесні 2023 р. Враховуючи ймовірні інструментальні та методичні похибки моніторингу, варто наголосити, що ці масиви є єдиною наявною фактологічною базою, на яку наразі спираються державні управлінські рішення. Це робить їх легітимним та безальтернативним об'єктом для представленого дослідження. Окремо слід зауважити, що існуюча конфігурація мережі спостережних свердловин не охоплює всю геометрію зони впливу: дані свідчать, що навіть у найбільш віддалених точках спостереження стан повної термодинамічної рівноваги між сумішшю вод та вміщуючим вапняковим масивом не досягається.
Критичний аудит літературних джерел виявив стійку проблему не обчислювального, а фундаментально-методологічного характеру. Переважна більшість екологічних оцінок вод Кривбасу спирається на методики, які фізично не працюють у високомінералізованих водах. Класичні алгоритми обчислення хімічних рівноваг, що ідеально зарекомендували себе для прісних вод, є непридатними для техногенно навантажених систем. Екстремальна іонна сила шахтних вод вимагає залучення принципово іншого математичного апарату. Екстраполяція базових інженерних спрощень на такі середовища - це не просто похибка округлення, це прямий шлях до хибних висновків щодо стійкості мінералів та токсичності ореолів забруднення. Ця ж концептуальна сліпота поширюється і на оцінку масоперенесення: багаторічні спроби моделювати фільтрацію методами класичної гідродинаміки, ігноруючи ефекти густинної конвекції та гравітаційного занурення важких мінералізованих вод, неминуче призводять до генерації фіктивних просторових моделей міграції. Подолання цієї методологічної інерції, яку нобелівський лауреат Річард Фейнман влучно охарактеризував як <<науковий карго-культ>> (Cargo Cult Science), безальтернативно вимагає повернення до суворих законів хімічної термодинаміки та фізики багатофазних потоків.
На момент проведення дослідження в публічному академічному просторі відсутні згадки про застосування методів рівноважної термодинаміки до підземних вод у зоні впливу ставка-накопичувача у балці Свистунова. З огляду на вузьке поширення обчислювальних комплексів класу PHREEQC серед вітчизняних фахівців, можна констатувати, що подібні розрахунки або не виконувалися взагалі, або залишаються ізольованими у закритих корпоративних звітах. Відтак, представлена монографія є прецедентом відкритого, відтворюваного та прозорого обчислювального аналізу геохімічної системи такого масштабу.
На відміну від традиційної дескриптивної (описової) гідрохімії, методологія роботи фокусується на прихованих термодинамічних факторах: потенційній розчинності мінеральних фаз, градієнтах індексів насичення та конкурентному комплексоутворенні мікроелементів. У рамках цього дослідження автор пропонує концептуальну інновацію: розглядати процес деградації водоносного горизонту як повноцінний геохімічний аналог інфільтраційного метасоматозу. Цей підхід дозволяє вийти за межі примітивної дифузійної парадигми (механічного <<розповзання>> солей) і трактувати інфільтрацію як активне мінералогічне заміщення мінеральної матриці. Ореол забруднення постає як складно організована макросистема, в якій формуються реакційні фронти, зони мобілізації/іммобілізації хімічних елементів та бар'єри вторинного мінералоутворення. Зона впливу ставка діє як динамічний метасоматичний пояс, що незворотно трансформує стан породного масиву.
Спираючись на ці принципи, автор пропонує новий термодинамічний критерій для встановлення меж зони техногенного впливу. На противагу застарілій практиці пошуку <<фонових концентрацій>>, запропонований підхід ґрунтується на картуванні зон порушення фазової рівноваги з кальцитом. Руйнування природної буферної рівноваги є найбільш раннім і строгим індикатором просування ореолу забруднення. Відповідно, справжня межа екологічного впливу пролягає не там, де концентрації візуально <<повертаються до норми>>, а там, де система відновлює термодинамічний баланс із вміщуючим гірським масивом.
Особливе місце в архітектурі дослідження відведено просунутій візуалізації просторових даних. У контексті багатовимірного гідрогеохімічного моделювання графічне подання є не просто ілюстрацією, а самостійним евристичним інструментом. Візуалізація багатовимірних даних уможливлює швидку ідентифікацію прихованих просторово-часових патернів, діагностично значущих кластерів та геохімічних аномалій, забезпечуючи надійну верифікацію математичних результатів.
Змодельовані процеси переконливо свідчать, що ореол забруднення сформував двоступеневу зональну структуру, компоненти якої пов'язані петлею позитивного зворотного зв'язку. Така геохімічна конфігурація означає самопідсилення деградації масиву. Як наслідок, суто інженерна ліквідація втрат води ставка-накопичувача без виконання геохімічної ремедіації всієї <<ураженої>> зони водоносного горизонту вже не здатна зупинити запущений процес руйнування вапняків.
Дослідження свідомо виконано на перетині гідрогеохімії, науки про дані, геоінформатики та класичної теорії рудоутворення. Автор усвідомлює, що така крос-дисциплінарна оптика може здаватися неортодоксальною для вузькоспеціалізованих геологічних шкіл. Однак саме гібридизація методів забезпечує найвищу пояснювальну силу для природно-техногенних об'єктів такого рівня складності. Маючи прогностичний характер, запропоновані просторові інтерпретації є відкритими для подальшої натурної верифікації, а їхня цінність полягає у створенні принципово нового системного каркасу для розуміння проблеми ставка-накопичувача та забрудненого водоносного горизонту. Відтак геохімія (фізична хімія) розглядається у монографії як безальтернативний базис для будь-яких подальших інженерних, екологічних чи економічних оцінок ризику.
Бібліографічна та джерелознавча база монографії сформована шляхом класичного глибокого опрацювання першоджерел. Попри технічну доступність сучасних генеративних ШІ-моделей для масового агрегування літератури, автор свідомо обрав шлях прямого герменевтичного аналізу наукових праць. Це гарантує відсутність контекстуальних галюцинацій та забезпечує сувору релевантність кожної залученої теоретичної концепції до специфіки досліджуваного об'єкта.
Зрештою, незважаючи на відсутність попередніх серійних академічних публікацій у цій вузькій ніші, дана монографія є квінтесенцією багаторічної обчислювальної та аналітичної роботи, реалізованої в статусі повністю незалежного дослідника - без зовнішньої інституційної парасольки, цільових грантів чи адміністративного ресурсу. Обрані структура, стиль викладу та архітектура аргументації є свідомою спробою переосмислити класичний академічний формат монографії, адаптувавши його до динамічних реалій відкритої науки та незалежних дослідницьких ініціатив.
Той факт, що після публікації попередніх препринтів цієї роботи (починаючи з версії 0.72 на платформі Zenodo) спостерігається раптова активізація профільних організацій, які десятиліттями ігнорували термодинамічний аспект проблеми ставка-накопичувача у балці Свистунова, є найкращим індикатором її впливовості. У парадигмі відкритої науки появу альтернативних експертиз чи спроб повторити ці розрахунки слід розглядати не як конкуренцію, а як беззаперечний доказ того, що незалежне дослідження успішно зрушило екологічну проблему з мертвої точки.
Abstract (English)
The impoundment for highly mineralized mine waters in the Svystunova Gully was constructed in 1976. Over the last two decades, the facility has annually received 10–13 million m³ of mine water from the enterprises of the Kryvyi Rih Iron Ore Basin, with a total mineralization of 28–38 g/L. Subsequently, the accumulated volumes are discharged into the Inhulets River. Concurrently, a portion of the water is inevitably lost through the impoundment bed, infiltrating into the Miocene aquifer. Throughout the operation period of the facility, a massive pollution plume has formed within the surrounding host rocks, leading to significant alterations in the hydrogeological regime and the chemical composition of the aquifer. South of the tailings storage facilities complex and the impoundment, the drinking water resources of the Quaternary and the more confined Neogene aquifers have undergone almost complete degradation. Meanwhile, the actual spatial boundary of the contaminant plume contour remains undetermined to date.
In general, the hydrogeochemical processes occurring with the highly mineralized mine waters of the Kryvbas form a complex conveyor system and can be subdivided into several distinct phases: the mixing of waters of various origins within the hydro-protection systems of mine fields; mixing and partial sedimentation in intermediate surface reservoirs; entry and long-term sedimentation directly within the impoundment; the mixing of seepage losses with local water of the carbonate aquifer; and, ultimately, the mixing of the partially "deactivated" water with the flow of the Inhulets River after the drainage of the aquifer by a network of springs. A separate transit phase of mixing during the period of direct regulated discharge of water from the impoundment is distinguished. Each of these phases is characterized by a unique set of thermodynamic parameters and dominant geochemical reactions. Within the scope of this study, the focus is deliberately narrowed: the object of study is exclusively the transformation phase of seepage losses from the impoundment within the carbonate aquifer.
The problem of the operational activity of the impoundment requires a multi-vector integrated approach, as it combines hydrogeochemical, environmental, engineering, economic, and social factors that interact non-linearly in space and time. This necessitates a profound systemic analysis to adequately assess environmental risks and make well-founded management decisions.
The objective of the presented study is the numerical modeling of the long-term geochemical impact of highly mineralized mine waters on the aquifer confined to limestone deposits. To achieve this objective, a cycle of mathematical modeling of mass transfer processes and a subsequent analysis of the obtained geospatial information were implemented. The primary instrumental method is the calculation of the local thermodynamic equilibrium of dissolved components. Particular attention is paid to the phase equilibria of key carbonate minerals: calcite, aragonite, disordered dolomite, and magnesite. The processes of limestone dissolution and dolomitization under the influence of highly mineralized waters are a fundamental factor causing not only changes in the porosity and hydrodynamic permeability of the strata, but also critically affecting the partitioning of toxic trace elements into mobile (migration-capable) forms.
The empirical basis of the study comprises the results of environmental monitoring (chemical analyses of water samples) collected from the discharge pipe, the impoundment water area, and the network of observation wells during the period of 2012–2021 and in the spring of 2023. Given the probable instrumental and methodological errors of monitoring, it is necessary to emphasize that these datasets constitute the only available factual basis upon which state management decisions currently rely. This renders them a legitimate and unalternative object for the presented study. Separately, it should be noted that the existing configuration of the observation well network does not cover the entire geometry of the impact zone: the data indicate that even at the most remote monitoring points, a state of complete thermodynamic equilibrium between the water mixture and the host limestone massif is not reached.
A critical audit of literature sources revealed a persistent problem of a fundamental-methodological rather than computational nature. The vast majority of environmental assessments of Kryvbas waters rely on methodologies that physically do not function in highly mineralized waters. Classical algorithms for calculating chemical equilibria, which have proven themselves perfectly for freshwaters, are inapplicable to technologically stressed systems. The extreme ionic strength of mine waters requires the involvement of a fundamentally different mathematical apparatus. The extrapolation of basic engineering simplifications to such environments is not merely a rounding error; it is a direct path to erroneous conclusions regarding mineral stability and the toxicity of contaminant plumes. This same conceptual blindness extends to mass transport assessment: multi-year attempts to model filtration using classical hydrodynamics, while ignoring the effects of density-driven convection and gravitational sinking of heavy mineralized waters, inevitably result in the generation of fictitious spatial migration models. Overcoming this methodological inertia, which Nobel laureate Richard Feynman aptly characterized as "Cargo Cult Science", unalternatively requires a return to the rigorous laws of chemical thermodynamics and multiphase flow physics.
At the time of the study, there are no mentions in the public academic space regarding the application of equilibrium thermodynamics methods to groundwaters within the impact zone of the impoundment in the Svystunova Gully. Given the narrow distribution of computational complexes of the PHREEQC class among domestic specialists, it can be stated that such calculations were either not performed at all or remain isolated within closed corporate reports. Consequently, the presented monograph serves as a precedent for an open, reproducible, and transparent computational analysis of a geochemical system of this scale.
Unlike traditional descriptive hydrochemistry, the methodology of this work focuses on hidden thermodynamic factors: the potential solubility of mineral phases, saturation index gradients, and competitive complexation of trace elements. Within the scope of this study, the author proposes a conceptual innovation: to consider the aquifer degradation process as a full-fledged geochemical analog of infiltration metasomatism. This approach allows moving beyond the primitive diffusion paradigm (the mechanical "spreading" of salts) and treating infiltration as active mineralogical replacement of the mineral matrix. The contaminant plume emerges as a complexly organized macro-system in which reaction fronts, zones of mobilization/immobilization of chemical elements, and barriers of secondary mineral formation are shaped. The impoundment's impact zone acts as a dynamic metasomatic belt that irreversibly transforms the state of the rock massif.
Relying on these principles, the author proposes a new thermodynamic criterion for establishing the boundaries of the anthropogenic impact zone. In contrast to the obsolete practice of searching for "background concentrations", the proposed approach is based on mapping the zones of phase equilibrium disruption with calcite. The destruction of the natural buffering equilibrium is the earliest and most rigorous indicator of the contaminant plume's advancement. Accordingly, the true boundary of environmental impact lies not where concentrations visually "return to normal", but where the system restores thermodynamic balance with the host rock massif.
A special place in the architecture of the study is allocated to advanced spatial data visualization. In the context of multidimensional hydrogeochemical modeling, graphical representation is not merely an illustration but an independent heuristic tool. The visualization of multidimensional data enables the rapid identification of hidden spatiotemporal patterns, diagnostically significant clusters, and geochemical anomalies, ensuring reliable verification of mathematical results.
The modeled processes convincingly demonstrate that the contaminant plume has formed a two-tier zonal structure, the components of which are linked by a positive feedback loop. Such a geochemical configuration implies the self-reinforcement of the massif's degradation. Consequently, the purely engineering elimination of water losses from the impoundment, without performing geochemical remediation of the entire "affected" zone of the aquifer, is no longer capable of stopping the initiated process of limestone destruction.
The study was deliberately carried out at the intersection of hydrogeochemistry, data science, geoinformatics, and classical ore formation theory. The author is aware that such a cross-disciplinary lens may seem unorthodox to narrow-specialized geological schools. However, it is precisely the hybridization of methods that provides the highest explanatory power for natural-technogenic systems of this level of complexity. Possessing a prognostic character, the proposed spatial interpretations are open to further field verification, and their value lies in creating a fundamentally new systemic framework for understanding the problem of the impoundment and the contaminated aquifer. Hence, geochemistry (physical chemistry) is considered in the monograph as an unalternative basis for any subsequent engineering, environmental, or economic risk assessments.
The bibliographic and source base of the monograph was formed through a classical, deep examination of primary sources. Despite the technical availability of modern generative AI models for mass literature aggregation, the author deliberately chose the path of direct hermeneutic analysis of scientific works. This guarantees the absence of contextual hallucinations and ensures the rigorous relevance of every involved theoretical concept to the specific features of the object under study.
Ultimately, despite the absence of a prior serial academic publication record in this narrow niche, this monograph represents the quintessence of long-term computational and analytical work implemented in the status of a fully independent researcher—without an external institutional umbrella, targeted grants, or administrative resources. The chosen structure, style of presentation, and architecture of argumentation constitute a deliberate attempt to break down and rethink the classical academic format of a monograph, adapting it to the dynamic realities of open science and independent research initiatives.
The fact that following the publication of earlier preprints of this work (starting with version 0.72 on the Zenodo platform), a sudden activation of relevant organizations has been observed—which for decades had ignored the thermodynamic aspect of the impoundment problem in the Svystunova Gully—serves as the best indicator of its impact. Within the open science paradigm, the emergence of alternative expert assessments or attempts to replicate these calculations should be viewed not as competition, but as undeniable proof that independent research has successfully broken the environmental problem out of its deadlock.
Files
SvistProg_20260615.pdf
Files
(6.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:2a3ad8d0f8698ccb8370cbaa817cec5e
|
6.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (English)
- Hydrogeochemical modeling of the impact of filtration loss of highly mineralized mine water from the storage pond in the Svystunova gully (version 0.80)
Related works
- Has version
- Book: 10.5281/zenodo.15528795 (DOI)
Dates
- Updated
-
2026-06-15Updated draft