Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прогноз качества подземных вод в зонах влияния шламохранилищ медеплавильных комбинатов Среднего Урала

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Прогноз качества подземных вод в зонах влияния шламохранилищ медеплавильных комбинатов Среднего Урала"

РГ6

од

На правах рукописи УДК 556.388 (575.11)

Парфенова Лариса Петровна

Прогноз качества нодземных вод в ЗО' пах влияний шламохраивлшц медеплавильных комбинатов Среднего

Урала

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург, 1997г.

Работа выполнена в Уральской государственной горно -геологической академии.

Научный руководитель - доктор геол. -мин.наук, профессор } В.М.Годьдбсрг ¡(ВСЕГИНГЕО)

Научный консультант - доктор геол.-мкн.наук, профессор О.Н.Грязнов (УГТТА)

Официальные оппоненты: доктор технических наук , профессор А.М.Черняев (РосНИИВХ); кандидат геол.-мин. наук С.Н.Елохина (У ралгидроэкспедиция)

Ведущая организация- АООТ Ураяцвех-шегпразведка

Защита состоится 2 6 июня 1997 года на заседании диссертационного совета К.063.03.Об при Уральской государственной горно-геологичеокой академии (620144, Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. УПТА), Ш учебное здание, в ауд. 3307 (ул. Хохрякова, 85). Факс (3432) 225-415.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке УГТТА.

Автореферат разослан 26 мая 1997 г.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одной нз основных причин неблагополучного состояния охружающей на Среднем Урале в настоящее время является огромная аасса отходов, накопленных здесь более чем за двухвековой период. Основная масса отходов связана с горнодобывающим и металлургическим производством. Они отличаются не только значительными объемами, но и высоким уровнем токсичности. Наибольшую опасность для загрязнения природной среды представляют накопители поверхностного типа, к числу которых относятся шламохранилищ а. На Среднем Урале насчитывается более двух десятков действующих шламохранилищ, занимающих площади до нескольких тысяч гектар и имеющих емкость до десятков миллионов кубических метров. Сроки их эксплуатации превышают проектные и составляют в среднем 15-20 лет н более. Специфичность шламохранилищ как источников загрязнения всех природных сред состоит также в том, что они построены без учета каких-либо противофильтрационпых мероприятий. Эти обстоятельства наряду с предельно высохими содержаниями в жидких стоках таких ингредиентов, как железо, медь, цинк, мышьяк и т.д., требуют детального изучения влияния шламохранилищ на качество подземных и поверхностных вод. Природные и техногенные условия, сложившиеся на территориях, прилегающих к шламохра-нилищан, позволяют рассматривать последние в качестве источников загрязнения подземных вод.

Необходимость детального изучения существующей ситуации, достоверного прогнозирования качества подземных вод, разработки защитных мероприятий, снижающих опасность их загрязнения в районах действующих шламохранилищ, определяет актуальность выполненных исследований. В качестве эталонных объектами изучения явились крупнейшие на Среднем Урале Малосернистое шламохранилище Среднеуральского медеплавильпого завода и Сорьинское шламохранилище Красноуральсхого медепл авильного комбината

Цель работы - прогноз качества подземных вод в зонах влияния шламохранилищ медеплавильных комбинатов Среднего Урала на основе комплексной методики оценки природных и техногенных условий, сложившихся в период длительной эксплуат ации шламохранилищ.

Задачи исследований.-.

- установление основных закономерностей формирования природных и техногенных условий, сложившихся в период длительной эксплуатации как в самой шлам охр аннлшце, так и на прилегающей к нему те ррнтории;

- обоснование основных принципов гидродинамической и гидро-геохимическон схематизации территории, прилегающей к шламохрани-лищу в связи с прогнозированием процессов загрязнения подземных вод

- разработка обобщенной модели шлам о хранилищ а как источника загрязнения подзеыных вод особого вида;

- выбор оптимальных методов прогнозирования качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнения шламохрап илтцами;

- решение прогнозных задач с использованием данных опытно-эксплуатационных наблюдений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые обоснованы закономерности формирования природных и техногенных условий, сложившихся в результате длительного срока эксплуатации Малосернкстого и Сорьинского шламохраннлшц;

- разработаны качественные н количественные параметры физико-химического взаимодействия жидких и твердых фаз шламов, накопленных в чаше шламохраналшца;

- обоснована возможность использования метода аналогий для прогноза качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнения шлаыохравалнщами.

Основные защищаемые положения:

1. По совокупности специфических природно-технических характеристик шламохранилища выделяются в особый вид источников загрязнения подземных вод.

2. Приоритетными загрязнителями подземных вод на территориях, прилегающих к шламохранилищам, являются халькофильные элементы и железо, вовлеченные в техногенную миграцию в процессе обогащения сульфидных руд, металлургического производства меди и длител ьного хранения шланоа; они образуют наибольшие ореолы

рассеяния относительно границ источников Загрязнения

3. Прогноз влияния шламохранилищ на качество подземных вод в связи с их охраной от загрязнения обеспечивается последовательным использованием методов статистической обработки данных локального мониторинга, гидрогеологических аналогий и математического моделирования.

Практическое применение работы заключается в том, что предложенная методика качества подземных вод позволяет оценить уровень экологической опасности как действующих шламохранилищ, рекультивируемых ,тах и проектируемых вновь.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 1 Всесоюзном съезде гидрогеологов, инженеров-геологов и геокриологов в г.Киеве (1988), на конференциях молодых ученых ВСЕГИНГЕО в п.Зеленом (1988, 1989 гг.), на региональных и территориальных научно-технических конференциях в Челябинске, Свердловске (1988-11989), на научной и учебно-методической конференции в Алма-Ате (1992), на научных чтениях 1У Всеуральского совещания по подземным водам Урала в г.Перми (1994), на научно-практической конференции в ТГУ (1995), на Всероссийском совещании "Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология МНИ" в Екатеринбурге (1994), на совещаниях 1, П, Ш Международных выставок-семинаров "Чистая вода Урала" (1994,1995, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей и тезисов докладов в центральных, приравненных к ним и региональных изданиях.

Исходные материалы. Фактическим материалом для обоснования научных положений и выводов послужили собственные полевые и камеральные исследования автора, выполненные в 1985-1995 годах. Полевые работы включали в себя проведение опытно-фильтрационных и режимных исследований в наблюдательных скважинах Малосернистого н Сорьннского шламохранилищ. Всего проведено 53 экспресс-налива в скважины, более 30 опытных откачек, опробование в скважинах, гидрометрические работы на поверхностных водотоках, гидрогеологическое обследование дамб обвалования, отобрано более 50 проб почво-грунтов, жидких и твердых шламов, выполнены анализы более 170 проб подземных и поверхностных вод. Кроме того, в процессе работы над диссертацией использовались фондовые материалы Уральского комитета по геологии и использованию недр, Уральского

¿г

водоканалпроекта, технические архивы АО "Святогор" и АО "Среднеуральский медеплавильный завод", многочисленные литературные источники.

Методика исследований.

Оценка современного уровня загрязнения подземных вод и сопряженных с ними сред (поверхностных вод, почво-грунтов, жидких и твердых шламов) производилась на основе интерпретации результатов аналитических исследований. Макрокомпонентный состав подземных и поверхностных, сточных вод определялся в химической лаборатории научно-исследовательского центра геологического факультета УГГГА (аналитик Н.В.Пенкина). Там же выполнены количественные анализы микрокомпонентного и минералогического состава твердых шламов и почво-грунтов (аналитик Н.Г.Сапожникова). Здесь и в Институте электрохимии УрО РАН методом плазменной спектрометрии определялся микрокомпонентный состав подземных вод (аналитик - канд.хим.наук Н.И.Москаленко). Для статистической обработки данных режимных наблюдений использовалась программа "Statgraf" для построения карт методом изолиний программа "Surfer" для ПЭВМ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на М страницах машинописного текста, содержит -iS рисунков, Н таблиц, список литературы из 111 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю диссертационной работы - профессору, доктору геолого-

минералогических наук|В.М.ГОЛЬДЕЕРГУ.

Автор особо признателен профессору, доктору геолого-минералогическнх наук О.Н.Грязнову за научные консультации, советы и рекомендации при выполнении работы

Глубокую благодарность диссертант выражает доцентам Н.С.Глазыриной, Л.Л.Татарннозон, Л.С.Табаксблату, В.П.Новикову, А.Л.Фельдману, Н.С.Шебалиной за научные консультации и полезные советы, а также всем сотрудникам кафедры гидрогеологии УГГГА за оказанную помощь и поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние научных разработок, посвященных прогнозированию качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнения

Подземные воды, являясь одной из наиболее уязвимых и динамичных составляющих геологической среды, занимают особое место в общей проблеме охраны окружающей среды, а защита их от загрязнения и истощения буквально на наших глазах превратилась в одну из важнейших задач современности.

В настоящее время отечественными и зарубежными авторами уже рассмотрен весьма широкий круг вопросов, касающихся загрязнения подземных вод. Впервые особенности взаимодействия человека с окружающей средой были обозначены в работах В.Й.Вернадского, а затем А.Е.Ферсмана. Значительно продвинули решение означенной проблемы работы С.К.Абрамова, Ф.М.Бочевера, Н.И.Вернгина, И.К.Гавич, В.М.Гольдберга, Е.Л.Минкина, В.А.Мнроненко, А.Е.Орадовской, Ф.И.Тютюновой, В.М.Шестакова и др., направленные на создание методологических и теоретических основ исследований. В трудах этих и ряда других авторов представлены подробные классификации источников загрязнения подземных вод, описаны общие принципы и механизмы проявления процессов иассопереноса в гомогенных и гетерогенных средах и т.д. В настоящее время получены значительные достижения на пути сближения формализованных математических построений с физической сущностью процессов загрязнения, отличающихся высокой степенью неоднородности.

При решении задач, связанных с охраной подземных вод, создание системы гидрогеохимического мониторинга имеет определяющее значение. Под гидрогеохимическим мониторингом мы понимаем систему повторяющихся, заранее запланированных гидрогеохимических наблюдении за динамикой образования и развития техногенных гидро-геохииических обстановок в пределах гидрогеологических структур или их элеыентоа и напраллепного управления ими. Тахим образом, основная цель гидрогеохимического мониторинга - сохранение, улучшение я стабилизация качества подземных вод для обеспечения оптимальных условий функционирования экосистем и повышения эффективности к безопасности функционирования природно-

хозяйственных комплексов разных уровнен. Важнейшим звеном управления ресурсами и качеством подземных вод являются режимные наблюдения

Общие принципы размещения режимной сети скважин, а также гидрогеологическое обоснование охраны подземных вод от загрязнения, в тон числе особенности ннженерно-гндрогеологнческнх изысканий для прогноза изменения качества подземных вод при строительстве и эксплуатации сооружений ,- эти и другие вопросы освещены в работах Ф.М.Бочевера, В.М.Годьдберга, И.Л.Пантелеева, В.МШестахоЕа и других

Большое количество работ посвящено методологическим аспектам гидрогеологического прогнозирования. Такие авторы ,как И.К.Гавич, В.А.Мироненко, С.И.Смирнов, А.А.Рошаль, В.М.Шестаков и другие, единодушно отмечают, что сложность природных гидрогеологических процессов не дает возможности построения универсальных теоретических моделей, справедливых для любых форм движения подземных вод и в любых условиях. Поэтому неизбежна схематизация гидрогеологических условий, включающая в себя гидродинамическую схематизацию (пространственное соотношение структуры баланса и структуры течения потока подземных вод) и гидрохимическую схематизацию (основные процессы формирования химического состава подзем ных вод).

В работе рассмотрены основные методы прогноза качества подземных вод в связи с их загрязнением от шламохранилищ. В работе использованы два основных метода прогноза: метод гидрогеологических аналогий и метод математического моделирования. При этом шламохранилищ а выделяются в особый вид источников загрязнения подземных вод

2. Характеристика природных и техногенных условий, сложившихся на территориях, прилегающих к шламохранилищам

Загрязнение подземных вод определяется природными и техногенными условиями, сложившимися на территории изучаемого источника загрязнения (В.М.Гольдберг, 1984). Описание и анализ этих условий на первом этапе обобщения материалов позволяет провести гидрогеологическую схематизацию исследуемой территории на качественном уровне. Наглядная реализация этого этапа схематизации осуществляется с помощью геолого-гидрогеологических карт и разрезов, атаркже данных о количественных параметрах основных режино-

образующих факторов (величины инфильтрации, глубины уровня подземных вод, модуля минимального подземпого стока года 95%-ной обеспеченности и т.д.). Согласно этим требованиям приводится геоло-го-гидрогеологнческое описание территорий изучаемых шланохрани-лищ.

Малосерннстое шланохранилище входит в технологический цикл Среднеуральского медеплавильного завода, расположено в Центральной административном округе Свердловской области (г.Ревда). В геологическом строении территории принимают участие эффузивные образования верхнего протерозоя - нижнего девона, представленные порфиританн, диабазами, их туфами, зелеными сланцами, а также образования верхнего протерозоя - нижнего силура, представленные сланцами кремнистыми, глинисто-кремнистыми с прослоями эффузи-вов. Чаша шламохранилища размещается на литологнческон контакте этих образований, имеющем субмеридиональное простирание. Верхняя часть геологического разреза изучаемой территории представлена рыхлыми отложеннямн делювиального и элювиального генезиса, глинистого и суглинистого состава с включениями дресвы и щебня коренных пород до 10%. Мощность рыхлых отложений варьирует от 0,5 до 22 метров.

Гидрогеологическое строение площади Малосернистого шламохранилища типично для всех Уральской системы бассейнов грунтовых вод зоны трещиповатости, для которой характерна общая низкая водо-обильность и высокая степень неоднородности фильтрационных параметров водовмещающих пород. Развитые на изучаемой территории два основных водоносных комплекса имеют ннзхне фоновые значения проводимости 7,5 - 10,0 мг/сут., которая в приконтактовой зоне резко возрастает до 150 м2/сут. Глубина зоны интенсивной трещиноватости для водоносного комплекса верхнего протерозоя - нижнего девона составляет 40 - 50 м, для отложений верхнего протерозоя - нижнего силура она увеличивается до 70-80 м, но в силу литологических особенностей сланцев значение фоновой проводимости комплекса остается низким.

Основным источником питания подземных вод являются атмосферные осадки. Средняя величина инфильтрации рсоставляет 4,4.10"4 м/сут (160 мм/год). Глубина залегания подземных вод до начала строительства шламохранилища по данным изысканий составляла 10-12 и, в настоящее время - около 5 м. Подъем уровня подземных вод в районе шламохранилища, очевидно, обеспечен за счет фильтрационных потерь из пего в течение длительного (более 20 лет) срока эксплуатации. Общее направление потока подземных вод контролируется р.Чусовой и ее левым притоком - р.Еяьчевкой.

Химический состав подземных под выше шламохранилнща гидрокарбонатный магннево-кальциевый, величина сухого остатка 0,2-0,4 г/дм , содержание тяжелых металлов не превышает ПДК, соответствующих ГОСТ 2874-82. Хозяйственно-питьевое и промышленное водоснабжение осуществляется за счет поверхностных вод р.Чусовой.

Сорьинское шламохранилище расположено на промплощадке АО "Святогор" (бывшем Красноуральском медеплавильном комбинате) в Северном округе Свердловской области (г.Красноуральск). В геологическом строении площади под шламохранилищем принимают участие эффузивные образования нижнего силура - нижнего девона, представленные порфнрнтаын андезит-базальтового состава, альбито-фирами и их туфами, а также среднедевонскими мраморизованными известняками. Верхняя часть разреза сложена рыхлыми образованиями, в основном, делювиального н элювиального генезиса, представленными глинами и суглинками с включениями дресвы и щебня коренных пород до 10-15%. Мощность эгих отложений крайне неравномерна и варьирует от 0,1 до 15 м.

В гидрогеологическом строении площади Сорьинского шламохранилнща принимают участие водоносный горизонт среднедевонскнх карбонатных отложений, отличающийся повышенной обводненностью на глубину до 80 м, высокими значениями водопроводимости до 200 м2/сут., модуля минимального подземного стока 1,5 л/с с км2. Наряду с этимп подземные воды отличаются на фоне гидрокарбонатного кальциевого состава повышенным содержанием железа (до 15 мг/дм3), меди, цинка в пределах требований ГОСТ 2874-82. Водоносный комплекс эффузивных образований нижнего силура - нижнего девона характеризуется резко изменчивой мощностью зоны активной трещиноватости. Ее средние значения варьируют в пределах 20-40 м, увеличиваясь в приконтактовых зонах до 80-100 м. Средняя водообильность комплекса низкая, о чем свидетельствуют водопритоки в шахтные стволы, а также дебиты одиночных скважин (0,01-0,03 л/с). Химический состав подземных вод сульфатно-гидрокарбонатный, повышенное содержание сульфатов (но в пределах требований ГОСТ 2874-82) в анионном комплексе на фоне низкой общей минерализации (не более 0,5 г/дм3) объясняется в целом высокой степенью обогащения водовмещающих пород сульфидными минералами, в основном, пиритом. Основное направление движения подземных вод на изучаемой территории к речным долинам р. Сорья и Ключевка. Питьевое и промышленное водоснабжение обеспечивается из поверхностных вод р. Туры.

Промышленные объекты, сформировавшие техногенные условия на изучаемых территориях, - это крупнейшие на Среднем Урале МК, являющиеся также градообразующими. В их технологическом цикле

ю

сочетаются рудоподготовка (обогащение) и металлургическое производство, отнесенные к наиболее водоемким. Для поддержания устойчивого баланса в схеме промышленного водоснабжения построены шламохранилища. Площадь Малосернистого шламохранилища составляет 300 га, максимальная высота дамб обвалования 25,5 м. Для Сорьинского шламохранилища эти характеристики составляют 700 га и 15,5 м соответственно. Их проектные мощности 7200 гыс.м3 и 8750 тыс.м3. Оба шламохранилища наливного типа, круглогодичного действия, принадлежат ко П категории особо ответственных сооружений. Емкость пруда-отстойника используется для складирования, в основном, двух типов стоков: отходов производства суперфосфатного цеха -фосфогипсов и отходов обогатительной фабрики - шламов. По физико-химическим свойствам эти стоки весьма различны. В чаше шламохранилища они постоянно смешиваются, частично отстаиваются и поступают для вторичного использования в цикле "оборотного" водоснабжения. Сложившиеся условия позволяют считать химический состав оборотной воды за исходный раствор, вступающий в дальнейшее взаимодействие с подземными водами. Оборотная вода Малосеринстого и Сорьинского - шламохранилищ имеет следующие основные средне-многолетние характеристики состала (в иг/дм3): сульфатов 1740/1800; фосфатов 49/58; фторидов 18,1/21,0; взвесей 38/829; сухой остаток 1700/5046; меди 0,5/5,0; железа 1,6/17; мышьяка 0,9/18,0; общая жесткость в мг-экв/дм3 23,0/20,0; рН 5,5-6,5/4,5-5,5. Формирование жидкой фазы суспензированных шламов подобного химического состава объясняется ,с одногй стороны, "химизмом" производства фосфогипса и обогащенного медного концентрата, с другой- смешением и физико-химическим взаимодействием в системе твердых и жидких фаз суспензированных стоков. Основной процесс такого рода взаимодействий, характерный для данных условий- осаждение-соосаждение . Исследования осаждения оксигидрата железа и соосаждения с ним соединений меди, цинка, мышьяка проводились в натурных условиях Сорьинского шлзмохранилища. Результаты показали, что выпадение вещества происходит преимущественно при высоких исходных концентрациях. Кинетика процесса такова: начальный этап длится первые часы, окончательный этап заканчивается в течение первых суток.

Исходная концентрация железа в оборотной воде Сорьинского шламохранилища составляет в среднем 20-25 мг/куб.дм .среднее значение величины соосаждения при этом, выраженное в мг/мг,для меда 0,95 для цинка 0,15 для мышьяка 0,005.

И

Поэтому шламохранилища, в чашах которых происходят такие сложные взаимодействия, представляют собой особый вид источников загрязнения подземных вод. Это обстоятельство усугубляет тот факт, что все шламохранилища Среднего Урала построены и эксплуатируются без создания каких-либо защитных экр анов их основания (ложа).

3. Анализ условий загрязнения подземных вод на территориях, прилегающих к шламохраннлищам

Эффективное прогнозирование процессов загрязнения подземных вод во времени и в пространстве от постоянно действующего источника, какими являются шламохранилища, требует детального анализа гидродинамических и гидрохимических особенностей, характерных для изучаемых территорий. Выбор основных элементов-загрязнителей, определяющих уровень опасности самого источника, а также качественный состав подземных вод, сформировавшихся под его воздействием, размеры и скорость продвижения ареала загрязнения, и ,в конечном итоге, выбор адекватной прогностической модели - решение этих задач возможны при условии наличия необходимой информации. Сбор и анализ такой информации важны на всех стадиях изучения и работы обьекта. Чрезвычайно ценны данные по объекту, находящемуся в длительной эксплуатации, превышающей сроки долговременных прогнозов (более 20-25 лет). Они позволяют оценить уровень достоверности теоретических предположений опытным путем (опыгно-эксплуагационный метод).

Шламохранилища относятся к группе фиксированных, постоянно действующих источников загрязнения поверхностного типа. Для оценки степени опасности шламохраннлищ на подземные воды необходимо оценить величину фильтрационных потерь, формирующихся под их дном, тем более, что площадь их весьма знаяительна. По соотношению величины фильтрационных потерь и расходу естественного фильтрационного потока подземных вод в пределах области влияния источника загрязнения можно оценить характер их гидродинамической связи и степень гидродинамической активности самого источника загрязнения. Принято считать, что поверхностные накопители сточных вод, не оборудованные противофильтрацнонными экранами, при условии их быстрого заполнения жидкими стоками образуют тесную гидравлическую связь с подземными водами. При этом фильтрационный поток под дном хранилища формирует "бугор растекания" и смыкается с подземными водами. Процесс смыкания происходит очень быстро (максимум 1-2 года), и хранилище работает по схеме "инфильтрацнонного бассейна

на", а величина фильтрационных потерь превышает как минимум на порядок условный расчетный расход естественного фильтрационного потока (Ф.М.Бочевер, 1985).

Анализ результатов наблюдений за динамикой положения уровня жидких шламов в шланохранилищах, детальное изучепие балансовых схем промышленного водоснабжения мелькомбинатов показывают, что при постоянном соблюдении соответствия в режиме забор-сброс, постоянстве скорости заполнения уровень жидких шламов неуклонно повышается. При этом ежегодно увеличивается количество внебалансовых вод, что в конечном итоге приводит к досрочному заполнению свободного объема хранилища. Это может означать только то, что заложенные в проектах фильтрационные потери оказываются весьма завышенными по сравнению с фактическими. Потери на фильтрацию снижаются с увеличением срока эксплуатации шламохранштаща.

В расчет фильтрационных потерь, выполненный в проекте, закладываются коэффициенты фильтрации отложений, слагающих естественный покровный слой. В случае с Малосернистым и Сорьинскнм шламохранилищами покровные отложения представлены глинами и суглинками делювиального и элювиального генезиса с включением дресвы я щебня до 10-15%. Фильтрационные характеристики отложений, используемых в качестве основания шлаиохранилища, оценивались как по данным опытно-фильтрационных работ на стадии изысканий ,ках в случае с Малосерпистым шламохранилищем (автор проекта "Уралводоканалпроект", изыскания проводилась трестом "УралТЙСИЗ"), так и принимались по литологической принадлежности, как в случае с Сорьинскнм шламохранилищем (проект института "Казмеханобр"). Порядок определенных и принятых значений коэффициента фильтрации отложений в основаниях (1 - 5).Ю'2 м/сут (в том и в другом случаях).

Для более убедительного подтверждения высказанных выше предположений были подвергнуты детальному изучению фильтрационные свойстаатвердых шламов, накопленных в данной части шламохра-нилнщ за более чем 30-летний срок эксплуатации. Определения проводились по грем параллельным направлениям: расчетным путем по результатам развернутого гранулометрического анализа твердых шламов, выполненного ареометрнческим методом (ГОСТ 12536-79); в приборах по определению фильтрационных свойств слабопроницаемых грунтов "ПФ-1" (ГОСТ 25584-90) и, наконец, методом "высоких колонн". Результаты показали высокую сходимость полученных значений фильтрационных пар аиетров твердых шламов (табл).

Наименование объекта Расчетные значения Опытные (ПФ-1) Опытные ("высокие колонны")

Шламы Малосернистого шламохранилищ а 7.10 5 * 5.10 6 5. 10 4 5.10 3 5,5.10 4 2,5.10 "3

Шламы Сорьин-ского шламохранилища 4. 10 * 2.10 6 з. ю 3. ю 2,5.10 2.1.10

"Вверху - максимальные, внизу - минимальные значения

Мощность шламов определялась методом непосредственных измерений, а также оценивалась балансовым методом. Средняя мощность слоя накопленных шламов в Малосернистом шламохранилшце принята равной 1,0 м (1,8 -0,7), в Сорьинском 2,0 м (3,5-1,5). Таким образом, можно оценить величину сопротивления ложа шламохранилища для сложившихся условий, которая в конечном итоге будет зависеть от величины коэффициента фильтрации шламов.

4. Прогноз качества подземных вод в зонах влияния шламохранилищ медеплавильных комбинатов Среднего

Урала

Шламохранилища медеплавильных комбинатов Среднего Урала находятся в стадии длительной эксплуатации и традиционно относятся к сооружениям высокого класса опасности. Прежде всего степень опасности такого рода гидротехнических сооружений оценивается по количеству накопленных отходов, высоте дамб обвалования и вероятному размеру ущерба населенным пунктам, предприятиям, водоемам и водотокам питьевого и рыбо-хозяйственного назначения. При этом под

ущербом понимаются аварийные ситуации, связанные с полным или частичным разрушением ограждающих дамб и разливом токсичных стоков по рельефу окружающей территории. Такого рода аварии оцениваются весьма низким значением вероятности и не представляют практического интереса. Несомненно, что решение инженерных гидротехнических задач, связанных с устойчивостью дамб шламохранилищ, очень важно. Но не менее важно решать и гидрогеологические задачи прогнозирования ущерба, наносимого шламохранилищамн медеплавильных комбинатов подземным водам, формирующимся в зоне их влияния н являющимся одним из источников питания расположенных здесь же водотоков, имеющих питьевое или рыбо-хозяйственное назначение. Ущерб качеству подземных вод можно оценить размерами ореолов загрязнения, сформировавшихся в зоне влияния шлаиохрани-лища, а также величиной прогнозной концентрации отдельных ингредиентов-загрязнителей в любой точке водоносного пласта на любой момент времени.

Загрязняющие вещества в подземной гидросфере перемещаются преимущественно потоками фильтрующих вод, гидродинамические поля которых в основном определяют траектории миграции и формирование пространственной структуры ореолов загрязнения. Миграция -движение растворенных веществ в зоне аэрации и водонасыщенной среде, осложненное физико-химическим взаимодействием в системе: инфильтрат - подземные воды - водовмещающие породы. При схематизации пространственной структуры фильтрационного потока в границах шламохранилища допускается пренебрежение нормальной напластованию компоненты скорости фильтрации (предпосылка Дюпюи), так как слой накопленных твердых шламов имеет крайне низкие значения коэффициентов фильтрации порядка 10"4 - 10"3 м/сут. Целесообразность такого подхода не исключается и при описании миграционных процессов. Плановая фильтрационная модель шламохранилища позволяет в первом приближении заменить двухмерную модель одномерной и оконтурить в плане зону нарушения естественного гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод за счет конвекции (без учета дисперсионных эффектов). Эта зона ограничена нейтральными линиями тока. Характер гидродинамической сетки потока подземных вод, создание подпертого режима фильтрации по всей зоне влияния шламохранилища свидетельствуют о том, что такой источник фиксированного загрязнения гидродинамически пассивен, и на фоне параллельных изменений в гидродинамическом режиме подземных вод формируются ореолы рассеяния загрязнителей. Учитывая, что процессы переноса вещества развиваются гораздо медленнее фильтрационных возмущений, допустимо рассматривать миграцию компонентов на фоне квазистационарного фильтрационного поля (достаточно длительный

процесс загрязнения ао времени). Применение одномерных моделей наиболее корректно при незначительных мощностях водоносного горизонта, измеряемых единицами метров, в других случаях используются профильно-двухмерные модели. Для приближенных оценок приемлемы аналитические расчеты по выделенным лентам токов (плановая фильтрационная модель), в пределах которой возможен дополнительный анализ профильных моделей (Ф.М.Бочевер, 1979 ; И.К.Гавич и др., 1985 ), рекомендующие картировать распространение загрязняющих ингредиентов от фиксированных источников загрязнения по гидродинамической сетке фильтрации (карге гидроизогипс). Однако традиционная детальность таких карт для большинства шламохрани-лнщ медеплавильпых комбинатов Среднего Урала (для подобных им объектов) не позволяет оценить траекторию движения загрязнителей и отражает лишь их общую направленность. Поэтому для выявления трасс миграции загрязнителей, часто приобретающих случайный характер, нео бходима специальная детализация исследований.

Трещинно-поровый и трещинно-жильный, струхтурно-блоковый характер строения водовмещающих сред, близость речных долин, а также четкие плановые границы значительной протяженности самих шламохранилищ (дамб обвалования) обуславливают специфическую гидродинамическую сетку фильтрации, а также пространственную ориентацию сформировавшихся ореолов загрязнения (при заданном положении уровня жидких стоков в шламохранилшце).

Как отмечают В.А.Мироненко, В.Г.Румынии, условия существенного различия геометрических и фильтрационных характеристик отдельных блоков, пространственная изменчивость и анизотропия фильтрационных свойств внутри водоносных пластов, описание процессов переноса на основе статистически осредненных расчетных схем ограничены, и использование в прогнозных расчетах детерминированных моделей малоэффективно. Информация для прогнозных оценок может быть получена по материалам опытно-эксплуатационных наблюдений или крупномасштабных экспериментов области, превышающей размер элементов неоднородности. Отличным примером тому являются наблюдения, проводимые на шламохранилищах в течение длительного срока их эк сплуатации.

Как известно, общее описание конвективно-дисперсионной модели миграции загрязняющих веществ для трещинно-пористых сред имеет вид (Бочевер и др.1979Гольдберг 1979)

пдс ^эь 1Гдс ¿м ,

основные составляющие модели: конвекция (1/агх' )■ гидроднс-персия ), фазовый массообиен ££ ). Здесь н далее:

коэффициент гидродинамической дисперсии; 1Г - скорость фильтрации;/? - эффективная пористость среды; СИЛ/- массовое количество вещества в жидкой и твердой фазах в момент вре иени .

Фазовый массообиен учитывает проявление физико-химических процессов взаимодействия растворов с водопроводящей средой, результаты которых проявляются в поглощении растворенных компонентов органоминеральными фракциями грунта (сорбция), и/или переход соединений из твердой фазы грунта в раствор (десорбция). Для описания массообменав упрощенном виде используется уравнение линейной кинетики сорбции:

А/п

где (здесь и далее) оС - коэффициент массообмена между жидкой и твердой фазами; уЗ - коэффициент распределения вещества между твердой и жидкой фазами; /У/7 - предельное значение сорбции при концентрации вещества в жидкой фазе, равной предельному значению Сп.

Известно, что коэффициент массообмена оС пряно пропорционален скорости фильтрации загрязняющих ингредиентов в потоке подземных вод . Учитывая, что загрязняющие вещества в подземных водах в растворенном состоянии мигрируют, в основной, в форме нолекул неэлектролитов либо в виде ионов, можно с некоторой долей условности применить молекулярно-кинетическую модель миграции загрязнителей в подземных водах зоны влияния шламохранилищ мелькомбинатов. Очевидно, что процесс сорбции соответствует задержке вещества нз раствора при его фильтрации через породу. Ограничимся условиями квазистационарной одномерной фильтрации, так как границы сформировавшегося концентрационного поля распределения вещества мало меняются во времени, сравнимом с временем эксплуатации шла-мохранилища. Пусть во входном сечении водоносного пласта, совпадающем с границей дамбы (в напорной ее части), обеспечивается постоянная во времени концентрация частиц вещества). Далее частицы I переместились потоком на расстояние ( .соответствующее границе выделенного концентрационного поля (ореола). Причем процесс накопления частиц вещества в потоке на расстоянии СОЛЯТ от источника поступления за время t в наблюдаемом сечении будет зависеть от размера кинетической энергии самих частиц (от самых быстрых до самых медленных). Для практических расчетов и

прогнозирования воспользуемся математической моделью миграции загрязнителя (частиц I ) а потоке вод для массообмена 1 типа (сорбции), предложенной А-Б.Вороновым (1985):

г ;

с

У"С • ,

в преобразованном виде, учитывая, что У^ - >

Гс "Р" * = сопя! ;

'А) яра - соля? ;

где Л/ - масса комплекса, в который входит данная частица с массой и коэффициентом гидродинамической активности

обозначение стандартной табулированной нормальной функции распределения; - газовая постоянная; Т - температура . по Кельвину.

Использование сравнительно простой однопараметрической модели удобно для решения прогнозных задач на объектах со сложившимися квазиоднородными условиями. Однако следует учитывать, что является обобщенным параметром, зависящим от хи-

мического состава подземных вод, свойств водовмещающих пород и перового пространства, скорости потока и пр. факторов. Данное математическое описание следует рассматривать как базовое, соответствующее условиям одномерной квазистационарной фильтрации с постоянными значениями концентрации вещества на входе.

Предлагаемая_модель базируется на полуограниченной функции Лапласа ^ -2ф ' У~1 ) . так как во всех случаях

¿£>¿7 И 0^1'Щ<а<3- Важным положением используемой концепции процесса миграции различных ингредиентов в фильтрационном потоке является то, что макродисперсия любого компонента водного раствора во времени и по расстоянию определяется дисперсией скорости Ь поступательного движения частиц в поперечном размере водопрово-дящих пор. Под феноменологической скоростью любого ком-

понента потока, включая молекулы воды, принимаем среднеквадра-

тлчную скорость поступательного движения частиц ¿-го вещества. Отсюда

с£ = 2ф(-1) ~ 0.32 .

По экспериментальной кривой C¿ при фикси-

рованном t , получают значения ¿у . Далее рассчитываем ;

V* = А.

Аналогичньм способом по экспериментальной кривой с,- = У (^ • )

при фиксированном € находим ,а. Затем '

I 1

¿* I

При этом значение Ц} определяется для каждого нз загрязняющих ингредиентов и соответствует эффехтипнон скорости миграции (или действительной скорости фильтрации ) . В соответствии с основным законом фильтрации принимаем допущение существования различных коэффициентов фильтрации для соответствующих компонентов , по в едином поровом пространстве . Таким образом , согласно предложенной модели прогнозной оценки загрязнения подземных вод в зоне влияния шламохраннлищ , возможно на любой момент времени определить относительную конценрацгао основных элементов - загрязнителей и оценить размеры ореолов их рассеяния . Выходные кривые , построенные с учетом результатов лабораторных иследова-ний, хорошо согласуются с данными режимных наблюдений , что дает основание считать предложенную модель адекватной сложившейся ситуации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа полученных данных можно сделать ряд обобщений и выводов.

1. Длительная эксплуатация шламохранилищ медеплавильных комбинатов, специфичность физико-химических параметров накопленных жидких и твердых шламов, отсутствие защитных противофильтра-ционных мероприятий и ряд других факторов позволяют выделить шламохранилища в особый вид источников загрязнения подземных вод

2. Наблюдения за динамикой изиенения уровня накопленных шламов. а также уровня подземных вод по сети наблюдательных скважин и данным ВЭЗ, результаты оценки фильтрационных свойств донных отложений с учетом их мощности позволяют сделать вывод о том, что шламохранилища в результате длительной эксплуатации могут быть отнесены к категории гидродинамически пассивных источников загрязнения подземных воя

3. Удельная величина фильтрационных потерь в целом под дном шламохранилища, рассчитанная с учетом фильтрационных параметров слоя твердых шламов, имеет тот же порядок, что ри величина естественной инфильтрации, характерная для данной территории. При этом инфильтрация атмосферных осадков является основным ресурсообра-зующим фактором подземных воя

Основные фильтрационные потери из шламохранилищ формируются через напорные дамбы обвалования (плотины), имеющие значительную протяженность и сложенные из глинисто-суглинистого материала с включением гальки и щебня до 10-15%. Значения коэффициента фильтрации этих отложений на два порядка выше, чем техно-генньк фунтов, накопленньи в оснсвални шламохранилищ.

4. При проведении плановой геофильтрационной схематизации фильтрационного потока в границах шламохранилища допускается пренебрежение нормальной напластованию компоненты скорости фильтрации (предпосылка Дюпюи). Плановая фильтрационная модель шламохранилища позволяет в первом приближении заменить двухмерную модель одномерной и оконтурить в плане зону нарушения естественного гидродинамического режима подземных вод за счет конвекции (без учета дисперсионных эффектов). Эта зова (зона влияния шламохранилища) ограничивается нейтральными линиями тока и речными долинами.

2.0

5. Сравнительный анализ характера гидродинамической сетки потока подземных вод, создан: подпертого режима фильтрации по всей зоне влияния шламохранилищ свидетельствует о том, что последние на фоне общего подъема уровня подземных вод формируют ореолы рассеяния ингредиентов-загрязнителей. Учитывая наличие значительного влияния таких процессов ,как смешение и сорбция, тормозящих развитие миграционных процессов, допустимо рассматривать последние как квазнстацнонарные, постоянные во времени. При этом процесс миграции для каждого из ингредиентов характеризуется созданием собственного концентр ационного поля (ореола загрязнения).

6. Массообменные процессы, характерные для системы инфильтрат - техногенные грунты - подземные воды, прямо пропорциональны скорости фильтрации и обратно пропорциональны времени межфазового взаимодействия. При этом коэффициент массообмена ( ) при фильтрации через напорные ограждающие дамбы имеет максимальные значения н характеризует фактор максимального замедления. Качество инфильтрата под основанием шламохранилища зависит от градиента концентрации загрязнителя в жидких шламах и в поровой воде слоя твердых шламов и контролируется в основном процессом молекулярной диффузии. Эти два процесса имеют различные кинетические параметры (1/сут. и Угод).

7. Решение задачи прогнозирования качества подземных вод во многом определяется уровнем информационной обеспеченности, характерный для изучаемого объекта. Анализ имеющейся информации показал, что в зоне влияния Сорьинского шламохранилища распределение режимных скважин по площади и их общее количество (9) значительно уступает режимной сети на Малосернистом шламохрани-лище (23).Недостаточная на первый взгляд информация может быть компенсирована с помощью применения метода гидрогеологических анологий.

Список основных работ автора, опубликованных по теме диссертации

1. Некоторые проблемы инженерно-геологического и гидрогеологического мониторинга при разработке медноколчеданных месторождений Среднего УралаЛ Изучение инженерно-геологических условий месторождений Урала различных генетических типов: Тез.докл-. Свердловск, 1983 (Совместно с Л ЛТатариновой, В.М.Николаевым)

2. Проблемы охраны окружающей Среды при разработке меднорудных месторождений Урала и пути их решения//Гез.докл. 1 Всесоюзного съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. -Киев, 10-14 октября 1988. (Совместно с НС.Глазыриной).

3. Гидрогеохимический метод оценки уровней загрязнения природных сред на действующем меднорудном месторождении/УТез.докл. Всероссийской конференции по изучению подземных вод Урала. • Свердловск-Челябинск, 1989.

4. Оценка степени защищенности подземных вод от поверхностного загрязнения на месторождении "Большая Волковка".-'Деп. в ВИНИТИ 29.03..89.

5. Влияние шламохранилищ медеплавильных комбинатов (МК) на загрязнение подземных и поверхностных вод//Матер. научной и учебно-методической конференции, посвященной 60-летнему юбилею кафедры гидрогеологии и инженерной геологии.- Алма-АтаКГУ; 1992.

6. Оценка защищенности подземных вод на участках размещения шламохранилищ медеплавильных комбинатов Среднего Ура-ла//Информационные материалы по интегральной проблеме "Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология МПИ". - Екатеринбург, УГГГА, 1994.

7. Прогноз влияния шламохранилищ медеплавильных комбинатов на качество подземных вод//Тез.докл. 1У Всеуральского совещания по подземным водам четырех сопредельных территорий, посвященное 90-летию профессора ТАМаксимовича - Пермь, 1994.

8. Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии при разведке и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых на Урале //Изв. Ур.Горного.Сер.Геол. и геофиз.,1993.Вып. 2.С.189-199 (Совместно с И.В.Абатуровой,Э.ИАфанаснади,О.НГрязновым)

2.2.

9. Прогноз качества подземных вод в зоне влияния шламохрани-лищ Среднего Урала I х сз.докл. П Международной выставки-семинара "Чистая вода Урала - 95". - Екатеринбург, 1995.

Ю.Шланохранилнща медеплавильных комбинатов-особый вид источников загрязнения подземных вод// Основные проблемы охраны геологической средыИнфориац. мзтер.-Томск,ТГУ,1995.

П.Влияние шлам о хранилищ на качество поверхностных водотоков хозяйственпо-питьевого назначения на Среднем Ура-леЙТез.докл.111 Международной выставки-семинара „Чистая вода Урала-9б.-Екатеринбург,1996.

Подписано к печати 26.05.97г. п.л. 1,5

Формат бумаги 60x84 Тираж 100 заказ 95

Лаб. множительной техники УПТА 620144, Екатеринбург, Куйбышева, 30