Теоретические основы, методы исследований и защиты гидросферы горнорудных районов оренбуржья
На правах рукописи
Алфёрова Надежда Сергеевна ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ ГОРНОРУДНЫХ РАЙОНОВ ОРЕНБУРЖЬЯ Специальность 25.00.36 Геоэкология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Пермь 2006
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (ОГУ)
Научный консультант:
доктор геолого-минералогических наук, профессор Гаев Аркадий Яковлевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, старший научный сотрудник Мельников Борис Николаевич доктор технических наук, профессор Костицын Владимир Ильич
Ведущая организация:
ООО Комплексный научно-исследовательский и внедренческий центр «Геоэкология» (ООО КНИиВЦ «Геоэкология»), г. Оренбург
Защита диссертации состоится " 23 " ноября 2006 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д212.189.05 в Пермском государственном университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева 15, в зале заседаний Ученого совета. Факс: (342)237-17-11.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета
Автореферат разослан " " октября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, доцент И.А. Старков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Гайский горнорудный район с крупнейшим в мире медно-колчеданным месторождением и горно-обогатительным комбинатом расположен на востоке Оренбургской области, в бассейне р. Урал. Под влиянием процессов техногенеза здесь сформировалась своеобразная геологическая среда (ГС). Процессы техногенеза при добыче и обогащении руд ведут к загрязнению окружающей среды (ОС) сернокислыми соединениями тяжелых металлов в зоне влияния Гайского ГОКа. При этом активизируются негативные геологические процессы (оползни, осыпи, оврагообразование на бортах карьеров и по берегам водоемов), преобразуется рельеф и формируются опустыненные, сернокислотные ландшафты. Происходят метаморфизация и загрязнение поверхностных и подземных вод. Вокруг карьеров увеличиваются площади депрессионных воронок. Воды р.Урал участками содержат тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, имеют высокий коли-индекс, цветут и непригодны для ведения рыбного хозяйства. Поэтому разработка специальных технических средств защиты и перехода к управлению качеством водохозяйственных объектов очень актуальны.
Цель работы: изучить условия развития техногенеза в горнорудном районе и разработать технические средства защиты водохозяйственных объектов и мероприятия по минимизации техногенной нагрузки.
Решались следующие задачи:
1. Исследовать и оценить интенсивность развития процессов техногенеза, построить схему типизации территории по уязвимости к загрязнению.
2. Уточнить классификацию геохимических и гидродинамических барьеров.
3. Разработать геотехнические системы (способы и устройства) для локализации негативного воздействия источников загрязнения на гидросферу.
4. Использовать особенности проявления барьерного принципа при решении задач хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Объект исследований: гидросфера и водохозяйственные объекты горнорудного района.
Предмет исследований: процессы техногенной трансформации поверхностных и подземных вод в горнорудном районе.
Фактический материал, положенный в основу работы, получен в процессе обучения на архитектурно-строительном факультете Оренбургского государственного университета и в аспирантуре под руководством профессора А.Я. Гаева (20002006 гг.). Материал собран в фондах ОГУ, в территориальных фондах и по литературным источникам. В работе использовано более анализов проб природных и сточных вод, почв, грунтов, отвалов горных пород, шламов и шлаков. Анализы выполнены в отделе геоэкологии Оренбургского НЦ УрО РАН, в лабораториях Минприроды, Гайского ГОКа и Института электрохимии УрО РАН. В водах определялись: гидрокарбонаты, карбонаты, сульфаты, хлор, нитриты, нитраты, кремнекислота, натрий, калий, кальций, магний, жесткость, минерализация, а также аммоний, алюминий, марганец, селен, окисляемость, нефтепродукты, величины рН и Eh. Применялись методы приближенно-количественного спектрального и атомно-абсорбционного анализов. Определялись: железо, никель, кобальт, хром, медь, цинк, свинец, мышьяк, молибден, марганец и ртуть.
Выполнены полевые исследования, экспериментальные работы и обобщение материалов, а также моделирование участков гидросферы. Разработаны 2 патента и 1 заявка с номером госрегистрации. На основе идей В.Д. Бабушкина, А.И.
Перельмана, А.Я. Гаева разработан барьерный принцип и обоснованы следующие защищаемые положения.
1. Теоретические основы геоэкологических исследований горнорудных районов, позволяющие минимизировать техногенную нагрузку на геологическую среду и оптимизировать применение технических средств защиты водохозяйственных объектов.
2. Установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа для локализации загрязненных флюидов от источников загрязнения, расположенных на водораздельных пространствах, позволяющая предотвратить их негативное воздействие на водохозяйственные объекты и получить воды питьевого качества.
3. Устройства барьерного типа для локализации загрязняющих веществ перед водозаборами подземных вод и источниками загрязнения, позволяющие сохранить водохозяйственные объекты от загрязнения и зарастания озерной растительностью.
Научная новизна:
1. Разработаны вопросы теории взаимодействия природного комплекса с техническими системами на основе применения качественных и количественных методов оценки техногенного воздействия объектов горнорудной промышленности на геологическую среду, реализованные в виде схем типизации территории по уязвимости к загрязнению и уточненной классификации гидродинамических и геохимических барьеров. Эти теоретические основы обеспечивают минимизацию техногенной нагрузки, особенно при размещении устройств барьерного типа среди активных в физико-химическом отношении пород с повышенным содержанием карбонатного материала: известняков, гипербазитов и базитов. Здесь эффективность комплексных барьеров усиливается, и формируются природно-техногенный и техногенно-природный типы барьеров.
Сернокислые воды при взаимодействии с ними подвергаются нейтрализации и самоочищению от тяжелых металлов.
2. Установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа представляет собой новый геотехнический способ перехвата потоков загрязненных флюидов, движущихся от источников загрязнения, расположенных на водоразделах к водохозяйственным объектам по овражному аллювию. Она способна перехватить и локализовать загрязненный поток на всю мощность его развития и тем самым предотвратить загрязнение водохозяйственных объектов от источников загрязнения, расположенных на водосборных пространствах.
3. Разработан принципиально новый подтип техногенно-природного барьера (Патент на полезную модель № 55382, зарегистрирован 10.08.06 [12]).
Установлено, что такого типа технические средства защиты гидросферы наиболее эффективны при размещении их среди известняков, гипербазитов и базитов, где могут формироваться и барьеры природно-техногенного типа.
4. Созданное техническое устройство защиты водохозяйственных объектов от источников загрязнения, расположенных на водоразделах, в совокупности с комплексными техногенно-природными барьерами позволяют локализовать и нейтрализовать негативное воздействие загрязнения как в непосредственной близости от источников, так и непосредственно перед водохозяйственными объектами. Кондиционные воды питьевого качества в горнорудных районах в условиях интенсивного развития процессов техногенеза возможно получить в зонах сосредоточения аллювиальных, трещинно-грунтовых и трещинно карстовых вод на основе применения барьерного принципа в комплексе с разработанными техническими средствами и с использованием методов восполнения ресурсов пресных подземных вод.
Практическая значимость работы.
1. Детализированная автором классификация барьеров применительно к горнорудным районам позволяет системно осуществлять мероприятия по минимизации техногенной нагрузки на водохозяйственные объекты за счет более целенаправленных разработок природоохранных мероприятий на стадии проектирования геосистем и технических средств защиты водохозяйственных объектов.
2. Созданная ус тановка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа обеспечивает перехват потоков загрязненных флюидов, стекающих от источников загрязнения, расположенных на водораздельных и водосборных пространствах, включая нижнюю час ть потока, которая другими средствами не локализуется (получен патент на полезную модель № 47914, зарегистрированную 10.09.05 [3]).
3. Разработанное устройство барьерного типа для локализации загрязняющих веществ перед водозабором подземных вод, относящееся к новому подтипу техногенно-природного барьера, обеспечивает более надежную локализацию загрязняющих веществ перед водохозяйственными объектами по сравнению с имеющимися техническими средствами за счет совмещения эффектов геохимического барьера с гидравлическим замком гидродинамического барьера (получен патент на полезную модель № 55382 от 10.08.06 [12]).
4. При совместной работе установки вертикального и горизонтального дренажа с комплексными барьерами возрастает эффективность локализации загрязняющих веществ и обеспечивается снижение техногенной нагрузки на водохозяйственные объекты и гидросферу как со стороны источников загрязнения, расположенных на водоразделах, так и непосредственно перед водохозяйственными объектами. В совокупности они также стимулируют процессы самоочищения вод и позволяют обеспечить население горнорудных районов экологически чистой питьевой водой.
5. Внедрение разработанного автором устройства геохимического барьера для очистки термальных вод теплоэлектростанций позволит предотвратить зарастание крупнейшего на Урале Ириклинского водохранилища озерной растительностью и сохранить качество водных ресурсов от теплового и биологического загрязнения (заявка № 2006119106 от 31.05.06 [11]).
Апробация результатов работы. Положения диссертации докладывались и представлялись на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях: по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды (Томск, 2004, 2006), в Оренбургских госуниверситетах (2005, 2006), в Волжском университете им. Татищева (2006), в ЕНИ Пермского госуниверситета (2005), во ВНИИГе им. Б.Е. Веденеева, СПб (2006), в Московском строительном госуниверситете (2006), на конференциях МАНЭБ в СПб (2005) и в Омске (2006), на седьмом конгрессе «ЭКВАТЭК» в Москве (2006), на совещании по подземным водам востока России, Иркутск (2006).
По теме диссертации имеются 15 основных публикаций, два патента и одна заявка на изобретение. Результаты исследований внедрены в учебный процесс при разработке и написании учебного пособия, а также в научно технические разработки для предприятий ОАО «Оренбургэнерго».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, в т.ч. текст - 149 стр., рисунков - 53, таблиц – 33. Библиографический список содержит 235 наименований.
Автор благодарен за помощь и консультации сотрудникам и преподавателям архитектурно-строительного факультета ОГУ и отдела оптимизации природопользования и охраны геологической среды Оренбургского научного центра. В оформлении работы автору оказал помощь И.Н. Алферов. Особую признательность автор выражает своему научному руководителю профессору Гаеву Аркадию Яковлевичу за постоянную поддержку в работе к.г-м.н. и Е.Н.
Сквалецкому за консультации и предоставление ряда ценных материалов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе «История исследований процессов взаимодействия техногенных систем с природным комплексом» использованы следующие работы: «Гидрогеология СССР, т. 43, Оренбургская область» (1972), работы А.Я.
Гаева и др. (1978-2006), В.С. Самариной и др. (1999), В.Д. Бабушкина и др.
(2003), А.М. Черняева (1960-2000), О.М. Севастьянова и др. (1965-2005), А.П.
Бутолина (1987-2005), Е.В. Кузнецовой (2004), З.С. Адигамовой (2004), В.Г.
Гацкова (2004), И.Н. Алферова (2005). Использованы труды В. И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, А.И. Перельмана, В.А. Кирюхина, А.И. Короткова, В.А. Мироненко, В.Г. Румынина, В.Л. Бочарова, Б.Н.
Мельникова, А. П. Красавина, В.Н. Быкова, К.Е. Питьевой, И.С. Зекцера, В. Н.
Синякова, А.Н. Попова, Ю.С. Рыбакова, А.И. Семячкова, П.В. Ивашова, В.М.
Швеца, С.Л. Шварцева, В.А. Всеволожского, В.Т. Трофимова и др. [1, 9, 10].
Первые сведения о районе относятся к периоду академических экспедиций (XVIII – начало XIX вв.). Интерес к району был вызван целебным Купоросным озером в сухом русле истока р. Колпачки, правого притока р. Урал. В 30-х гг. XX в. сделано предположение о связи озера с Гайским медно-колчеданным месторождением, открытым в 1954 г. и эксплуатируемым с 1959 г. При съемке района Е.И. Токмачев (1953 г.) рекомендовал использовать для водоснабжения района аллювиальные воды р. Урал.
М.Б. Бородаевская (1962-1975 гг.) с соавторами, Г.Н. Пшеничный (1975), В. А. Прокин (1990) и др. установили на месторождении зональное распределение рудообразующих минералов, и та же закономерность обнаружена и в химическом составе вод. Выявлены следующие закономерности: 1) сульфат ионы образуют на месторождении ореолы рассеяния вокруг рудных тел;
2) содержание тяжелых металлов в водах превышает ПДК за пределами месторождений, фиксируя их первичные и вторичные ореолы рассеяния;
меняется характер металлоносности и содержание в водах меди, железа, цинка, свинца, никеля, кобальта, мышьяка, а также марганца, бария, молибдена, олова и серебра;
3) под влиянием реликтов морского солевого комплекса минерализация вод растет по направлению к депрессиям до 12 г/л, гидрокарбонатные воды сменяются хлоридными.
Строительство крупнейшего на Урале Ириклинского водохранилища изменило геоэкологические условия района. Глубокие преобразования природного комплекса выдвинули задачи хозяйственно-питьевого водоснабжения населения пос. Энергетик и Ириклинской ГРЭС.
Во второй главе «Методы исследований» использованы известные понятия и параметры: гидросфера, геологическая среда, техногенез, загрязнение, ноосфера, литогидромониторинг, ПДК и ПД В (Черкинский, 1977;
Израэль, 1987;
Гаев, 2001). Для разработки прогнозов используются методы оценки состояния гидросферы на определенный момент времени (Булатов, 1990;
Гаев, Якшина, 1996;
Гаев и др., 2005) [1, 6, 8, 13, 15]. Техногенное воздействие на природный комплекс оценивается как экспертным путем, так и количественно с применением модуля предельно-допустимого загрязнения (Мпдв), по А.Я. Гаеву (1989-2005). Разница между модулем химического стока с данной территории (Мпхс) и Мпдк дает модуль предельно допустимого загрязнения (Мпдв):
Мпдв Мпхс Мпдк (1) При положительном Мпдв, санитарное состояние вод считается удовлетворитель ным, а при отрицательном неудовлетворительным.
На основе результатов картографирования и типизации территории по уязвимости прогнозируется состояние гидросферы и разрабатываются мероприятия по минимизации техногенного воздействия на природный комплекс (Гаев, Якшина, 1996).
Экологическое обоснование перспективного размещения производительных сил осуществляется на основе схемы типизации территории по уязвимости к загрязнению. Целесообразно размещать новые объекты на неудобьях, слабо уязвимых к загрязнению.
Очистка загрязненных вод традиционными методами относится к дорогостоящим предприятиям. Нами разработаны приемы, связанные с использованием комплексных барьеров. Понятие о геохимических барьерах ввел в науку А.И. Перельман (1961), понимая под ними такие участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, что приводит к их концентрации. Он выделил механические, биогеохимические и физико-химические типы барьеров, а среди последних выделил классы, из которых в исследуемом районе наиболее значимы щелочной и сорбционный барьеры. Выделены также природные и техногенные барьеры, принципиально не отличающиеся друг от друга. Шахтные воды в районе имеют кислую реакцию среды, в связи с окислением сульфидов. Кислые стоки угнетают растительные и животные организмы и на их пути целесообразно создавать искусственные щелочные барьеры. Автором сделана попытка дальнейшего дополнения классификации барьеров (рис.1). Наряду с природными и техногенными выделены природно-техногенный и техногенно-природный типы барьеров. Техногенно-природный тип барьеров подразделяется на геохимический, гидродинамический и комплексный гидродинамический и геохимический.
Техногенно- Техноге нны й П риродно Природный тех ногенный природный (искусственны й) Комплексный Гидро (г идродинамический динамиче ский +геохимический) Г еохимический Физикохимич еский (окислительный, восстанови Механич еский Биогеохимич еский тельный, сульфатн ый, щелочной, кислый, испарительный, адсорб ционный, термоди намический ) Рис. 1. Классификация барьеров Система мониторинга это система наблюдения, контроля, анализа, прогноза и управления качеством ОС. Эта система регистрирует техногенные и природные изменения в ОС при помощи физико-химических, санитарно технических, технологических и социально-демографических показателей, с учетом которых разрабатываются природоохранные мероприятия.
В третьей главе «Природные условия размещения техногенных систем и технических средств защиты» характеризуются физико-географические и геологические особенности Гайского горнорудного района и его гидролого гидрогеологические условия [1, 8, 10, 15]. Климат и ландшафты района изменяются зонально с севера на юг и юго-восток от южной тайги и лесостепи до степи и сухой степи. Район охватывает среднюю часть бассейна р. Урал и долины его притоков (Сакмара, Таналык, Губерля, Орь, Суундук, Кумак).
Район приурочен к южной части западного крыла Магнитогорского прогиба, выполненного вулканогенно-осадочными образованиями. Преобладают тектонические разломы общеуральского простирания с шириной от 1-2 до 15- км. Интрузивные породы представлены цепочками гипербазитов, дайками габброидов и отдельными массивами гранитоидов на востоке территории.
Ступенчато погружающиеся и поднимающиеся блоки образуют структурно формационные зоны.
Жаркий, резко континентальный климат и значительное испарение ограничивают ресурсы пресных вод, которые сосредоточены в речных долинах и аллювиальных водоносных горизонтах поймы р. Урал и его притоков.
Практическое значение имеют также трещинные воды палеозойских пород.
Дефицит водных ресурсов усугубляется паводковым и ливневым характером водного стока, частыми суховеями и пыльными бурями, не защищенностью водоносных горизонтов от загрязняющих веществ.
В четвёртой главе «Теоретические основы исследований и оценка состояния водохозяйственных объектов» даны теоретические представления о воздействии технических систем на гидросферу и водные ресурсы района, отличающиеся неравномерным распределением стока [1, 2, 7, 10, 14].
На Гайском ГОКе важнейшими источниками загрязнения служат шахта и карьеры, отвалы пород, пруды-накопители и отстойники, обогатительная фабрика, заводы, ТЭЦ, птицефабрика, фермы, животноводческие комплексы.
Под отвалами высотой до 65 м сформировался техногенный горизонт кислых минерализованных вод, стекающих в Колпачку и Елшанку. Стоки после нейтрализации поступают в пруды-накопители. Илы сорбируют загрязняющие вещества. Рудничные стоки и стоки обогатительной фабрики имеют рН 2.14.2 и минерализацию до 270 г/л при резком преобладании сульфатов (7198%-экв) над хлоридами. При нейтрализации сточных вод путем известкования растет их рН, тяжелые металлы выпадают из раствора. Сточные воды после очистки идут в оборотные системы водоснабжения, а часть их попадает в Сух. Губерлю.
Территория испытывает текущую и исторически накопленную нарастающую во времени техногенную нагрузку.
Взаимодействие ареалов загрязнения с ГС на разных площадях протекает неодинаково. На рис. 2 выделено 4 типа гидрогеоэкологических разрезов и районов их развития. В первом и третьем типах разрезов на поверхность выходят палеозойские породы, отмытые от реликтов солей морского солевого комплекса.
Второй тип представлен с поверхности третичными и мезозойскими отложениями, содержащими такие реликты и включения гипса. Третий тип отличается от первого высокой физико-химической активностью вмещающих пород, что отражается на своеобразии процессов техногенеза. Четвертый тип районов сложен аллювиальными отложениями с ценными водными ресурсами.
Определяющую роль в гидрогеоэкологии территории играют: первый тип разреза, характерный для бассейнов рек Колпачки и Елшанки, и третий тип, имеющий место в бассейне Сух. Губерли, Губерли и в районе пос. Энергетик.
С учетом изложенного выполнена типизация территории горнорудных районов Восточного Оренбуржья по уязвимости к загрязнению в понимании Марга, Врба, Запорожца, К.Е. Питьевой (1999), И.С. Зекцера (2001) (рис.3). На схеме отображено текущее значение модуля предельно-допустимого загрязнения (Мпдв), по А.Я. Гаеву (1989), отражающее запас экологической устойчивости территории. Для прогноза ситуации использован принцип оценочного картографирования на базе интегральных показателей, полученных при количественной и балльной экспертной оценке широкого спектра природных и техногенных факторов [14].
Типы гидрогеоэкологических 2500м 0 2500 5000 7500м разрезов Ириклинское водох ранилище Условнык обозн ачения типов эколого-геологических разркзов I т ип Г ай II тип III тип Колпакское IV тип р.Е лшанка Банное р.Бо л.к рал р. У Новотро ицк IV тип Орск р.Орь ал р.У р Условные обозначения:
Рис. 2. Схема Гайского горнорудного района с различными типами гидрогеоэкологического разреза Рис. 3. Схема типизации территории горнорудных районов Восточного Оренбуржья по уязвимости к загрязнению с учетом экспертно-балльной оценки:
Типы районов: 1 - слабо уязвимые (до 1 балла;
МПДВ 50-70 т/км2 в год), рекомендуемые к неограниченному использованию с минимальными мероприятиями по охране окружающей среды (ОС);
2 - уязвимые (1-2 балла;
М ПДВ 20-50 т/км2 в год), рекомендуемые к ограниченному использованию с приемлемыми затратами на охрану ОС;
3 - значительно уязвимые (2-3 балла;
МПДВ 5-20 т/км2 в год), рекомендуемые к весьма ограниченному использованию с высокими затратами на охрану ОС;
4 - весьма уязвимые (более 3-х баллов;
М ПДВ менее 5 т/км2 в год ), рекомендуемые к исключительно ограниченному использованию;
5 - Гайский горнорудный район Данная схема может быть использована проектными организациями на стадии проектирования новых производственных объектов путем экологически обоснованного размещения их на слабо уязвимых к загрязнению площадях.
Водохозяйственные объекты приурочены к четвертому весьма уязвимому типу районов.
Крупнейшим водохозяйственным объектом Урала является Ириклинское водохранилище, созданное для обеспечения водой Восточного Оренбуржья. Его 3 объем при НПУ равен 3.26 км, площадь зеркала 260 км при средней глубине 12.5 м. Вода на 80% идет на охлаждение агрегатов Ириклинской ГРЭС мощностью 2400 МВт, что вызывает подогревом воды в нем на 8-11 [10]. Это стимулирует развитие озерной флоры и сине-зеленых водорослей. В паводок (апрель-май) количество взвешенных веществ возрастает до 7.89.1 мг/л, 0 превышая ПДК в 5.26.5 раз. Цветность воды увеличивается до 35 54 (1.752. ПДК). Такое качество воды длится 47 месяцев. В последние 5 лет цветность и мутность в 1.12.3 раза превысили санитарные нормы и требуют больших затрат на очистку. Индекс загрязнения воды (ИЗВ) в водоеме в районе пос. Энергетик в отдельные годы (2001) достигает 2.22, что свидетельствует о масштабном загрязнении водоема. На отдельных участках при этом отмечено превышение рыбохозяйственных нормативов по железу, марганцу, цинку, титану и нефтепродуктам. При подготовке воды ее хлорируют, ухудшая вкус и качество.
В результате токсичный остаточный хлор превышает нормы.
Восточной ГРЭ пробурен ряд скважин в районе пос. Энергетик. С участием Е.Н. Сквалецкого проанализированы результаты опробования 23 скважин на площади 30 км2. 2/3 выработок вскрыли слабо обводненные и безводные породы. В большей части скважин воды оказались соленые и очень жесткие (35.954.2 моль/л). Для питьевых целей гидрогеологи рекомендовали использовать скв. 7 и 8, отметив их недостаточную водообильнос ть. Учитывая генезис солевого комплекса пород каменноугольной системы и тенденцию к его промыванию, очевидна возможность восполнения ресурсов подземных вод водами водохранилища. Моделирование химического состава смесей подземных и поверхностных вод показало, что в процессе восполнения запасов происходит их самоочищение, и высокое качество вод не вызывает сомнения (рис. 4).
Mg Ca Na Cl SO4 HCO 1 а) -25,5- 41,6 - 73,3 23,7 89,6 222, б) - 24,2 -42,9 -78,2 33,1 92,8 209, в) -23,0-44,2 -83,0 42,5 96,0 197, - 200,0 -100,0 0,0 100,0 200,0 300,0 400, мг/л 2 а) - 261,6-455,8 -856,0 989,4 1831,1 151, б) -207, - 365,0 -686,9 784,2 1447,3 155, в) - 154, -274,3-517,9 579,0 1063,5 158, -2000,0 -1000,0 0,0 1000,0 2000,0 3000,0 4000, мг/л Na Ca Mg Cl SO4 HCO Рис. 4. Модели химического состава вод каменноугольного водоносного комплекса при восполнении их запасов за счет водохранилища, в среднем за год:
1) в скв.8;
2) в скв.4;
а) на 10%;
б) на 30%;
в) на 50% В пятой главе «Рекомендации по созданию технических средств защиты водохозяйственных объектов» исходной позицией служит факт проникновения ареалов от крупных ис точников загрязнения в долины рек [1, 3, 4, 5, 11, 12, 13].
Расстояние от ис точников загрязнения до аллювиальных водоносных горизонтов в районе обычно меньше 1000 м, а водоемы нейтрализации кислых рудничных вод расположены непосредственно на аллювии рек Елшанки и Колпачки. По расчетам время распространения загрязненных вод от промышленного источника до р. Урал не превышает 7075 лет, а от водоемов нейтрализации 510 лет (Кузнецова, 2004;
Минигазимов, 2002). Крупные предприятия в Орске появились в середине 30-х годов, в Новотроицке в 40-х, а в Гае в 50-х годах. Геоэкологическая ус тойчивость района в результате техногенной трансформации ГС исчерпана. Требуется инженерное усиление способности ОС к самоочищению. Рекомендуется создавать гибкие непроницаемые гидродинамические барьеры по В.Д. Бабушкину в комплексе с геохимическими барьерами по А.И. Перельману.
Рассмотрены существующие и разработаны новые способы, отражающие особенности миграции загрязняющих веществ к водохозяйственным сооружениям от источников загрязнения:
1) расположенных на водоразделах и водосборных пространствах, откуда загрязняющие вещества движутся к водохозяйственным объектам в долинах рек;
2) расположенных непосредственно у водоема, питающего инфильтрационные и открытые водозаборы;
3) расположенных в частично осолоненных пластах каменноугольного водоносного комплекса;
при работе водозабора комплексный барьер отделяет пресные воды от соленых.
От источников загрязнения, расположенных на водосборных площадях, потоки загрязняющих веществ движутся не только по поверхностным водотокам, но и по плохо отсортированному овражному аллювию на глубинах от 46 до 812 м. Эффективных технических средств предотвращения загрязнения водохозяйственных объектов от подземных потоков не существует, а источников загрязнения в горнорудных районах на водосборах достаточно много. Нами разработана установка совмещенного горизонтального и вертикального дренажа, предназначенная для локализации загрязненных флюидов [3] (рис. 5).
Рис. 5. Установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа с целью перехвата загрязняющих веществ (патент РФ № зарегистрирован 10.09.05): а) в плане, б) в разрезе:
1 - горизонтальная горная выработка с дренажной трубой, заполненная щебнем;
2 - дренажная труба с перфорацией;
3 - выводная труба;
4 - эксплуатационные скважины с погружными насосами;
5 - специальные скважины с щебнистой засыпкой;
6 - наблюдательная скважина пьезометр;
7 - интервалы перфорации фильтра в эксплуатационных и наблюдательных скважинах;
8 – зумпф для сбора загрязненных вод;
9 - обсадные трубы;
10 - щебнистый заполнитель Конструкция ус тановки состоит из дренажной канавы глубиной 46 м и двух эксплуатационных скважин на верхний водоносный горизонт. Вокруг них пробурены по кругу 6 скважин, в пять из которых засыпается мелкий щебень, с извлечением обсадных труб. Одна из шести скважин наблюдательная. Эта конструкция обеспечивает максимальный приток загрязненных вод при невысокой проницаемости вмещающих пород. Установка принципиально отличается от известных, и на нее получен патент № 47914 10.09.05. Особенно эффективно совмещать ее с искусственными водоемами с фильтрующими плотинами, которые содержат в составе фильтров активные в физико химическом отношении породы. В связи с этим предложено устройство напорной фильтрующей плотины (рис. 6). Расчетное время фильтрации загрязненной жидкости обеспечивает необходимый уровень очистки и определяется экспериментально.
3 Рис. 6. Устройство напорной фильтрующей плотины для малых и временных водотоков горнорудного района:
1- верхний бьеф;
2- бетонное тело плотины;
3- лоток для аварийного сброса;
4- фильтрующий блок;
5- нижний бьеф Для нейтрализации источников загрязнения, расположенных у водоемов, например, Ириклинской ГРЭС, предложено устройство совмещенного механического и биогеохимического барьера для очистки термальных вод (рис.
7), которое устанавливается на выходе из водоотводного канала, по которому сбрасываются термальные сточные воды ГРЭС.
а) 2 5 6 7 1 3 б) 2 1- 5 Рис. 7 Устройство совмещенного механического и биогеохимического барьера для очистки термальных вод (заявка №2006119106 от 31 мая 2006):
а) в плане;
б) в разрезе;
1 - бетонное основание, 2 - берегоукрепительные бетонные борта, 3 бетонный каркас, 4 - непроницаемые блоки, 5 - проницаемые блоки, 6 - лоток для аварийного сброса вод, 7 - водосбросный канал.
Барьерное устройство является проницаемым. Пропуская воду, оно задерживает загрязняющие вещества. Увеличивается объем и снижается скорость движения воды по каналу. Ускоряются процессы очистки вод от водорослей. В фильтрующую часть плотины дозиметрами подается озонированная вода, ускоряющая процессы окисления органических загрязняющих веществ. По мере загрязнения предусматривается замена фильтров.
Водохранилище играет роль не только накопителя воды и отстойника, но и служит источником восполнения запасов вод аллювиального водоносного горизонта. Ресурсы этого горизонта в нижнем бьефе водохранилища после заполнения водоема резко возросли.
Как уже отмечено выше, в зоне влияния водохранилища водоносный горизонт отмыт от реликтов солей морского солевого комплекса (скв. 7, 8 и др.).
В соседних скважинах, не затронутых влиянием водохранилища, обнаружены соленые воды, не пригодные для водоснабжения (скв. 4 и др.). Для решения вопросов водоснабжения за счет опресненных вод каменноугольного водоносного комплекса нами выполнены следующие разработки.
1. По восполнению запасов опресненных вод каменноугольного комплекса за счет вод Ириклинского водохранилища.
2. Мероприятий по отделению пресных вод комплекса от соленых.
3. По обеспечению высокого уровня самоочищения вод.
Рассмотрены два основных источника хозяйственно-питьевого водоснабжения населения пос. Энергетик и персонала ИГРЭС: 1) за счет частично осолоненных вод каменноугольного водоносного комплекса и 2) за счет аллювиального водоносного горизонта. Ресурсы пресных вод каменноугольного комплекса недостаточны для обеспечения указанных объектов. Поэтому предложен вариант восполнения запасов этого комплекса за счет вод Ириклинского водохранилища (рис. 8).
2 3 1 Рис. 8. Восполнение запасов пресных вод каменноугольного водоносного комплекса за счет поверхностных вод Ириклинского водохранилища:
1 – водоем;
2 – водозаборная скважина чистых вод;
3 – емкость для воды;
4 – терригенно карбонатные породы каменноугольного водоносного комплекса;
5 – статический уровень грунтовых вод;
6 - динамический уровень грунтовых вод;
7 - практически водоупорные породы каменноугольного водоносного комплекса;
8 – направление потока движения вод Для более эффективной работы водозабора пресных вод предложено устройство, состоящее из параллельно отстоящих друг от друга водозабора пресных вод и дренажа соленых вод (рис. 9). Между ними размещена водонепроницаемая перемычка.
5 3 Рис. 9. Устройство барьерного типа перед водозабором пресных подземных вод с целью изоляции их от осолоненных (или загрязненных) вод в разрезе (патент РФ № 55382, зарегистрирован 10.08.06):
1 - водозаборная скважина чистых вод;
2 - скважина для дренажа загрязненных вод;
3 водоносный горизонт;
4 – геохимический барьер в виде стенки из адсорбционного материала глинобетона или активированного угля;
5 – водоупорные породы Устройство содержит водозаборную скважину (или куст) чистых вод и скважину для дренажа соленых вод, пройденную на всю мощность водоносного горизонта.
При этом поток соленых вод, обходя геохимический барьер в виде стенки из адсорбционного материала, очищается, а оставшиеся загрязняющие вещества откачиваются через дренажные скважины. Роль барьера играют терригенно карбонатные водовмещающие породы, обладающие высокой физико химической активностью (9г на 100г породы). Гидродинамическим барьером служит поверхность раздела между пресными и солеными водами с границей раздела потоков в зоне пресных вод. При этом исключается возможность поступления соленых вод в водозабор пресных вод.
Непосредственный забор достаточного количества высококачественной воды из скважин пока получен лишь в аллювиальном водоносном горизонте. Его можно вскрыть рядом с пос. Энергетик из-под слоя воды на водохранилище или в долине р. Урал, ниже пос. Ириклинский.
Аллювиальные горизонты у пос. Энергетик затоплены и эксплуатировать их возможно только из-под водохранилища, аналогично тому, как разрабатываются субмаринные источники. С надводной платформы бурится куст наклонных эксплуатационных скважин (рис. 10). Опыт такого строительства в мире свидетельствует о реальности и рентабельности данного варианта. При этом нет необходимости строить водоводы большой протяженности.
Система мониторинга на предприятии горнорудного района включает технологический и дистанционный контроль над зонами влияния предприятий, а также геофизический, гидрогеологический и санитарно-геохимический контроль. В условиях дефицита пресных вод гидрогеологический контроль заключается в картографировании ареалов загрязнения и их ис точников и в контроле над водопритоками в горные выработки.
5 1 2 3 4 5 6 Рис. 10. Надводная платформа для строительства наклонных гидрогеологических эксплуатационных скважин на аллювиальный водоносный горизонт:
1 – р. Урал (нижний бьеф);
2- аллювиальный водоносный горизонт пойменной террасы;
3 – аллювиальный водоносный горизонт первой надпойменной террасы;
4 - аллювиальный водоносный горизонт второй надпойменной террасы;
5 - аллювиальный водоносный горизонт третьей надпойменной террасы;
6 – подстилающие породы;
7 – платформа для строительства куста наклонных гидрогеологических эксплуатационных скважин на аллювиальный водоносный горизонт;
8 – буронабивные сваи платформы;
9 - наклонные гидрогеологические эксплуатационные скважины;
10 – Ириклинское водохранилище (верхний бьеф) Выполняются водно-балансовые расчеты водопритоков в горные выработки, и фиксируется качество природных и сточных вод.
Технологический контроль на предприятиях осуществляется по всей технологической линии: от добычи и транспортировки руд до обогатительной фабрики. Регистрируются коррозия оборудования, расходы сточных, технических и питьевых вод, давление в трубопроводах и аппаратах, уровни в накопителях и объемы газопылевых выбросов.
Санитарно-геохимический контроль приурочен к санитарно-защитной зоне (СЗЗ) вокруг предприятия. Ширина первого пояса СЗЗ составляет от 50 до 500 м с отводом земель и строгой регламентацией природопользования. Второй пояс приурочен к площадям наиболее вероятного влияния предприятий на водохозяйственные объекты. Третий пояс приурочен к водосбору бассейна, сток которого формируется и в районе предприятий.
Геофизический контроль позволяет установить особенности геологических процессов, дать оценку состояния ГС и определить техническое состояние производственных объектов, водозаборов, наблюдательных скважин и водоводов. Геофизическими методами выявляются также зоны перетоков поверхностных и подземных вод и зоны взаимодействия отвалов, карьеров и других объектов горнорудных предприятий с природным комплексом.
Дистанционный контроль выполняется путем систематического производства аэро- и космических снимков, фиксирующих состояние ГС и биосферы на определенные моменты времени с выявлением техногенно напряженных площадей. Дистанционными методами устанавливаются площади проявления процессов эрозии почв, подтопления территорий, проявления оползней, тектонических разломов, участки загрязнения и осолонения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Водохозяйственные объекты в условиях горнорудного района и полуаридного климата подвержены значительной техногенной трансформации и нуждаются в принципиально новых технических средствах защиты, основанных на создании комплексных барьеров.
1. Развиты вопросы теории взаимодействия природного комплекса с техническими системами на основе применения качественных и количественных методов оценки техногенного воздействия горнорудной промышленности на ГС, реализованные в виде схем типизации территории по уязвимости к загрязнению и уточненной классификации гидродинамических и геохимических барьеров. Эти положения позволяют систематизировать и повысить эффективность водоохранных мероприятий на водохозяйственных объектах.
2. Разработана геотехническая установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа для перехвата потоков загрязненных флюидов, движущихся от источников загрязнения, расположенных на водоразделах к водохозяйственным объектам по овражному аллювию на всю мощность его развития и способная тем самым предотвратить загрязнение водохозяйственных объектов от источников загрязнения, расположенных на водосборных пространствах (патент на полезную модель № 47914 от 10.09.05).
3. Разработаны устройства барьерного типа для локализации загрязняющих веществ как перед водохозяйственным объектом, так и в непосредственной близости от источника загрязнения (патент на полезную модель № 55382, от 10.08.06 и заявка с номером госрегистрации № 2006119106 от 31.05.06).
Минимизация техногенной нагрузки при использовании этих устройств эффективно достигается при их размещении среди массивов пород с высокой физико-химической активностью и повышенным содержанием карбонатного материала. Сернокислые воды при взаимодействии с такими породами нейтрализуются, а тяжелые металлы выпадают из раствора.
4. Комплексирование геотехнической установки совмещенного вертикального и горизонтального дренажа с барьерными устройствами позволяет предотвратить негативное воздействие источников загрязнения на водохозяйственные объекты и получить в зонах сосредоточения аллювиальных, трещинно-грунтовых и трещинно-карстовых вод горнорудных районов кондиционные воды питьевого качества в условиях интенсивного развития процессов техногенеза.
5. Предложено устройство, реализующее свойства биогеохимического барьера за счет возведения плотины и наращивания бортов водосбросного канала, увеличивающих объем и снижающих скорость движения воды по каналу и ускоряющих процессы очистки термальных вод. Внедрение разработанного автором устройства геохимического барьера для очистки термальных вод теплоэлектростанций позволит предотвратить зарастание крупнейшего на Урале Ириклинского водохранилища озерной растительностью и сохранить качество водных ресурсов от теплового и биологического загрязнения (заявка № 2006119106 от 31.05.06).
6. Предложен способ восполнения запасов подземных вод в терригенно карбонатных породах каменноугольного водоносного комплекса за счет поверхностных вод водохранилища. Для защиты ресурсов пресных вод предложено геотехническое устройство, состоящее из параллельно отстоящих друг от друга водозабора пресных и дренажа соленых вод, позволяющее повысить эффективность работы водозабора пресных вод. Поток соленых вод, обходя геохимический барьер (стенку из адсорбционного материала), очищается, а оставшиеся загрязняющие вещества откачиваются через дренажные скважины.
7. Аллювиальный водоносный горизонт на водохранилище возможно эксплуатировать с надводной платформы из-под водохранилища, аналогично субмаринным водозаборам. При этом исключается необходимость строительства водоводов большой протяженности. На горнорудных предприятиях предложено создавать искусственные водоемы с устройством напорной фильтрующей плотины из активных в физико-химическом отношении пород. Они обеспечивают необходимый уровень очистки вод.
8. Предложенные нами геотехнические средства защиты обеспечивают сохранение ресурсов пресных вод и очистку загрязненных сточных вод горнорудных районов от разнообразных загрязняющих компонентов, а система мониторинга дает объективную оценку применяемой технологии.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации 1. Водоснабжение и инженерные мелиорации. Ч.1. Гидрогеоэкологические исследования при решении практических задач,: Учеб. пособие для студ. геол. и строит. спец./ Под общ.ред.
А.Я.Гаева;
Перм. ун-т - Пермь, 2005. - 367 с. С.203-241 (соавт. А.Я. Гаев, В.Д. Бабушкин, В.Г.
Гацков, и др.;
доля автора 10%).
2. Геоэкологические аспекты перспективного развития горнодобывающих районов Оренбуржья // IХ М еждунар. конф. «Экология и развитие общества»: М атериалы конф. СПб:
МАНЭБ. 2005. С 28-29 (соавт. А.Я. Гаев, Е.В Лихненко, З.С Адигамова.;
доля автора 25%).
3. Установка совмещенного вертикального и горизонтального дренажа при локализации загрязненных флюидов. Патент № 47914, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10 сентября 2005 г. (соавт. А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Е.В. Лихненко;
доля автора 25%).
4. Рекомендации по защите ресурсов вод Оренбуржья // Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов: Тезисы докл. Междунар. науч. конф./ФГНУ «ЕНИ» и др. Пермь, 2005. С. 4-5.
5. Рекомендации по защите ресурсов поверхностных и подземных вод платформенного Оренбуржья // Вызовы ХХI века и образование: М атериалы Всерос.научно-практич. конф.
Оренбург: ОГУ, 2006. С. 43-46.
6. О методах и способах защиты окружающей среды от загрязнения // Вызовы ХХI века и образование: М атериалы всерос.научно-практич. конф. Оренбург: ОГУ, 2006. С. 48-52. (соавт.
А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Е.В. Лихненко и др.;
доля автора 25%).
7. Геоэкологическое картирование горнодобывающих районов Оренбуржья // Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды: М атериалы М еждунар. научной конференции “Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики” Тольятти:
Волжский университет им. В.Н. Татищева, 2006. С.143-150 (соавт. А.Я. Гаев, Д.А. Альбакасов, А.В. М алкин;
доля автора 25%).
8. Об экологической емкости геологической среды (на примере Оренбуржья) // Социальные, медицинские и инженерные вопросы экологической безопасности населения: Труды Сибирского конгресса по экологии с междунар. участием / МАНЭБ, Омск, 2006. С. 145- (соавт. А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, Д.А. Альбакасов, А.В. М алкин;
доля автора 20%).
9. История гидрогеоэкологических исследований Гайского района // Теории, содержание и технологии высшего образования в условиях глобализации образовательного процесса:
М атериалы XXVII препод. научно-практич. конф. Ч. 6. Оренбург: ОГПУ, 2006. С. 118-134.
10. Гидрохимическая характеристика Ириклинского водохранилища как источника питьевого водоснабжения // Теории, содержание и технологии высшего образования в условиях глобализации образовательного процесса: XXVII препод. научно-практич. конф. Ч. 6.
Оренбург: ОГПУ, 2006. С. 236-244 (соавт. Е.Н. Сквалецкий, А.Я. Гаев;
доля автора 33%).
11. Устройство геохимического барьера для очистки термальных вод теплоэлектростанций.
Заявка №2006119106 от 31 мая 2006 (соавторы А.Я. Гаев, И.Н. Алферов, А.В. М алкин, Д.А.
Альбакасов;
доля автора 20%).
12. Устройство барьерного типа перед водозабором пресных подземных вод. Патент № 55382, зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.08.06 г. (соавт. А.Я.
Гаев, И.Н. Алферов, Е.В. Лихненко;
доля автора 25%).
13. Барьеры по защите водозаборов// ЭКВАТЭК-2006: седьмой М еждунар. конгресс «Вода:
экология и технология» Ч. 1. М.: 2006.С. 166 (соавт. Гаев А.Я., Альбакасов Д.А., М алкин А.В., Бабушкин В.Д.;
доля автора 20%).
14. Уязвимость геологической среды к загрязнению// М еждународная научно-техническая конференция "Экология урбанизированных территорий". М.: 2006. С. 101-103 (соавт. А.Я.
Гаев, Д.А. Альбакасов;
доля автора 33%).
15. Геоэкологические задачи в горнодобывающих районах (на примере Оренбуржья)// Вестник Оренбургского государственного университета. 2006 №6. С. 77-85 (соавт. А.Я. Гаев, Д.А. Альбакасов, В.Г. Гацков и др.;
доля автора 13%) Подписано в печать 12.10.2006. Формат 60 х 84/16. Бум. ВХИ Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № _ Типография Пермского государственного университета 614990, г. Пермь, ул. Букирева,