Оптимизация режимов сбросов шахтных вод в речную сеть

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация режимов сбросов шахтных вод в речную сеть

Е.К. Охотник

Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск

У статті показана актуальність проблеми збільшення солоності вод вуглевидобувних регіонів України. На прикладі рік басейну Самари показана можливість моделювання та оптимізації процесів випуску шахтних вод у річкову мережу. Представлено результати оптимізації якості річкової води за запропонованою методикою. Запропоновано схему розрахунку необхідних обсягів буферних водойм.

В статье показана актуальность проблемы увеличения солености вод угледобывающих регионов Украины. На примере рек бассейна Самары показана возможность моделирования и оптимизации процессов выпуска шахтных вод в речную сеть. Представлены результаты оптимизации качества речной воды по предложенной методике. Предложена схема расчета необходимых объемов буферных водоемов.

Современное общество проявляет все большую озабоченность в охране окружающей среды, обеспечении устойчивого развития стран и регионов, защите интересов будущих поколений. Промышленно развитые страны прежде других ощутили приближение экологического кризиса. В последние десятилетия процесс воздействия человека на природу приобрел глобальный многомерный энерго- и информационно насыщенный и нерегулируемый характер, что привело в первую очередь к сильно возросшей структурной (во всех аспектах) неоднородности биосферы, ее динамической неустойчивости, расширением площади трансформированных экосистем и появлением экотехнических систем.

Наиболее сложной экологической проблемой Донбасса являются сбрасываемые в водные объекты региона шахтные и карьерные воды, не соответствующие правилам охраны поверхностных вод, что является прямой угрозой здоровью населения, учитывая использование последних в питьевом и хозяйственном водоснабжении, а также высокую токсичность именно водорастворенных форм веществ. Однозначно утверждать, что болезни людей вызываются только загрязнением вод нельзя, но нельзя и отрицать того, что растворенные в них вредные вещества оказывают на человеческий организм наиболее губительное влияние вследствие своей высокой биохимической активности.

Несмотря на резкий спад добычи и переработки угля шахтами, разрезами и обогатительными фабриками, в последнее время в Украине ежегодно формируется порядка 60-70 млн. т угольных отходов, основная часть которых складируется в отвалы; в водотоки сбрасывается 850-960 млн.м3 шахтных вод. Среднегодовой приток шахтных вод в горные выработки по состоянию на начало 2004 года составляет по Донецкому бассейну 90000 м3/ч, по Львовско-Волынскому - 900 м3/ч, Александрийскому - 1500 м3/ч. Из этого количества на технические нужды используется 13-15%, остальные воды сбрасываются в пруды-накопители, реки и водоемы.

Вследствие превышения допустимых норм минерализации водотоков, ухудшается работа водозаборов питьевого водоснабжения, понижается уровень грунтовых вод в колодцах, наблюдается падение урожайности сельскохозяйственных культур. Результаты исследований показали, что состав воды прудов-накопителей шахтных вод существенно отличается от состава воды природных водотоков с точки зрения условий формирования, величин водопритоков, химического состава, а также изменения их во времени в связи с использованием новых технологий угледобычи. Это обуславливает необходимость взвешенного, научно обоснованного подхода к выбору режима сброса высокоминерализованных вод прудов-накопителей в пределы природных водотоков, с максимальным учетом специфики и условий конкретного горнодобывающего региона.

Повышение солесодержания воды водотоков, связанное со сбросом минерализованных шахтных вод, является одной из важнейших экологических проблем в регионах с развитой угледобывающей промышленностью. Гидрохимическое состояние притоков нижнего Днепра рек Орели, Самары, Ингульца имеющих высокую природную минерализацию воды, постоянно ухудшается вследствие неудовлетворительной хозяйственной деятельности предприятий добывающей промышленности. В результате происходит недопустимое превышение ПДК [1]. Наиболее представительным водотоком для изучения данной проблемы является р. Самара и её притоки, принимающие сточные воды шахт Донбасса, крупнейшего района угольной промышленности.

В пределах бассейна р. Самары сосредоточены более сорока действующих угледобывающих предприятий производственных объединений «Павлоградуголь», «Добропольеуголь», «Донецкуголь», «Селидовуголь». Имеющиеся на предприятиях очистные сооружения по своей производительности не способны очистить весь объем сточных вод. Избыточный объем подлежит сбросу в речную сеть. Промежуточным звеном между шахтой и природным водотоком выступает пруд накопитель, где происходит осаждение взвешенных частиц. Наличие такого буфера позволяет в некоторых пределах регулировать количество поступающей в реку воды. Предлагается вариант оптимального управления сбросом минерализованных шахтных вод, который заключается в синхронизации массоотведения примесей в водоток и его ассимилирующей способности. Таким образом, наличие накопителя-регулятора позволяет реализовать способность водотока принимать определенную массу веществ в единицу времени без нарушения норм качества воды в контролируемом створе.

Распределение растворенных веществ в водной массе связано с процессами внутреннего водообмена. Химическая и биохимическая трансформация растворенных веществ происходит на фоне гидролого-гидродинамических процессов. Основные факторы, влияющие на формирование гидродинамического режима водотока, следует определять по региональным зависимостям к отдельным гидрологическим периодам.

Годовой объём шахтных вод в пределах бассейна р.Самара составляет 114,27 млн. м3. При этом следует учесть, что в условиях недостаточного увлажнения расход воды в речной сети колеблется в зависимости от водности года, уменьшаясь в меженный период до значений сопоставимых с объемами воды в реках бассейна. Кроме того, специфика размещения источников поступления шахтных вод в водотоки бассейна р. Самары такова, что большая часть предприятий расположена в истоках малых рек, на которых не ведутся (или ведутся в недостаточных объемах) наблюдения за гидрологическими и гидрохимическими показателями.

Выявить и оценить особенности пространственно-временной динамики поля концентрации загрязняющих веществ в зависимости от гидрометеоусловий, расположения и интенсивности источников загрязнений речной системы, интенсивности процесса биохимической деструкции позволяют динамические модели качества воды.

Для модельного исследования состояния качества водных ресурсов определены основные процессы и факторы, влияющие на динамику загрязняющих веществ (ЗВ): фоновый уровень загрязнения (количественный и качественный состав ЗВ в реке; интенсивность нагрузки на водоток; гидродинамические процессы в реке (расходы, скорости течения); самоочищающая способность реки (скорость биохимического распада неконсервативных загрязняющих веществ, зависящая от температуры воды и от сезона года).

1. Информация на входе:

значения исходных параметров, характеризующих состояние природных водотоков по основным гидрологическим и гидрохимическим показателям;

значения исходных параметров, характеризующих состояние пруда-накопителя (величина водопритока, показатели химического состава шахтных вод).

2 . Информация на выходе:

анализ качества природных вод и состояния компонентов природных систем в результате регулирования влияния выпускаемых шахтных вод по основным гидрологическим и гидрохимическим показателям;

рекомендации по разработке оптимального режима функционирования природно-техногенной системы «шахта - пруд-накопитель - природный водоток» [2].

При разработке режима регулируемого сброса минерализованных шахтных вод, в пределах рассматриваемого бассейна использована точечная балансовая модель смешения вод различной минерализации [3]. В этом случае система уравнений расчета расхода и минерализации по периодам имеет вид:

соленость речной угледобывающий водоем

qci = qri + qpi (1)

, i = 1, …, 12 (2)

где индекс i определяет расчетный период, величины ri, pi - уровень минерализации воды в реке и пруду, qri - расход воды в реке, qpi - управляющий параметр, определяющий уровень сброса воды с пруда, min - минимально возможное значение минерализации воды в реке с учетом выполнения суммарного годового сброса воды из пруда.

Значение min определяется из условия обеспечения суммарного годового сброса из пруда-накопителя, которое запишется следующим образом:

(3)

Система уравнений (1) - (3) является замкнутой и позволяет определить значения управляющих параметров qpi, обеспечивающие минимально возможное значение параметра минерализации min:

, i = 1, … , 12 (4)

Подставляя полученное значение (4) в формулу (1) получаем величину суммарного расхода воды в реке с учетом оптимального сброса из пруда- накопителя.

Расчетные значения параметров минерализации и расхода воды, определяющие результат слияния двух рек, или результат сброса воды из пруда-накопителя, также определяются по формулам (1), (2). При наличии суммарных значений этих параметров соотношения (1), (2) позволяют восстановить их фоновые значения для истоков рек.

Расчетные значения седиментации и фильтрации расхода по длине реки определяются по формулам:

(5)

(6)

где: 1 - коэффициента самоочищения воды на участке единичной длины; 2 - коэффициента фильтрации.

По результатам имеющихся измерений, для рассматриваемого бассейна эти коэффициенты принимают значения 1 = 0,003 км-1 и 2 = 0,001 км-1.

Для получения исходной информации о фоновом составе природных вод на основе статистической и графической обработки гидрологических данных определяются среднемноголетние расходы р. Самары, её притоков р. Бык, р. Волчья и притоков второго порядка, соотношение между этими расходами, минерализация речных вод, а также зависимости минерализации речных вод от расхода рек.

Для построения математической модели необходимо определить природную составляющую основных характеристик (расход и минерализация) водотоков рассматриваемого бассейна.

Так как на рассматриваемой территории шахтные воды вносят значительный вклад в формирование водотоков - фактически до 50% стока малых рек, - прямые измерения фоновых показателей приемных водотоков не представляется возможным. Эти данные могут быть получены интерполяцией между значениями, полученными для бассейнов-аналогов по данным наиболее продолжительных рядов гидрометрических наблюдений.

Исследования различных авторов показывают, что между расходом Q и минерализацией M во многих случаях существует довольно тесная корреляционная связь. В идеальном случае эта связь отражает процесс разбавления и выражается гиперболической функцией. Отклонения от этого типа связи вызывается особенностями формирования химического состава воды рек, находящихся в различных природных условиях и определяются главным образом химическим составом и физическими свойствами почв и пород речных водосборов. Опыт аппроксимации исследуемых связей показал, что могут иметь место следующие типы зависимостей: M = а+в/Q; M = аQ-в; M = аевQ и некоторые другие [4].

Таким образом, определив параметры зависимости M = f(Q) для реки-аналога можно использовать ее для нахождения фоновой (без учета сброса минерализованных шахтных вод) минерализации исследуемых водотоков и определить минерализацию на тех участках рек, где отсутствуют гидрометрические данные.

В качестве реки-аналога для исследуемой территории была выбрана река Мокрые Ялы, левый приток р. Волчья, площадью 2810 км2, отвечающей следующим требованиям для рек-аналогов:

географическая близость расположения водосборов;

сходство климатических условий;

однородность условий формирования стока - однотипность почв (грунтов) и гидрогеологических условий [5].

В данную реку не производится сброс шахтных вод на всем протяжении, кроме того, в нижнем течении ее расположен гидрологический пост в п. Грушевский, на котором производятся замеры расхода и минерализации речной воды начиная с 1930 г. На основании этих данных был построен график зависимости минерализации воды р. Мокрые Ялы от величины среднемесячного расхода (рисунок 1). Наиболее полно эти данные аппроксимируются зависимостью:

М=аQb (7)

где а =1,5623 и b =-0,1537.

При этом коэффициент корреляции составляет 0,7675.

Анализ данных показал, что при интерполяции на территорию верховьев р. Волчьей данная зависимость верна в пределах значений минерализации от 1840 мг/л до 2500 мг/л [6].

Рисунок 1 - Зависимость минерализации речной воды от ее расхода (для р.Мокрые Ялы)

Ретроспективный анализ гидрохимической характеристики бассейна р. Самары выявил, что в 1940 г. территория истоков р. Волчьей была отнесена к районам с минерализацией более 2000 мг/л. При этом отмечено: “местные явления (по данным наших анализов) повышенной минерализации до значений превышающих 2000 мг/л имели место в бассейне рек Волчьей, Соленой и Гайчур, что вызвано, по видимому, локальными условиями…” Очевидно, что кроме непосредственного влияния испарения на минерализацию речных вод здесь влияют также почвенно-геологические условия - распространение степных черноземов и солончаковых почв, а также подстилающие породы, богатые гипсом лессы и пестроцветные глины, дренируемые долинами рек [6].

Для осуществления динамического подхода к управлению качеством речной воды необходима система непрерывного контроля и регулирования качества с учетом ассимилирующей способности водотока. По своему физическому смыслу ассимилирующая способность водотока Aij представляет величину массового расхода i-го нормированного вещества, который предельно может допускаться в створе j с тем, чтобы в створе (j+1) качество воды по i-му показателю отвечало норме.

Работоспособность и эффективность функционирования таких систем зависят от возможности получения информации о токсичности смеси сточной и речной вод до того, как сточная вода поступила в водоток. Блок управления выдает команды для регулирования расхода сточных вод, сбрасываемых в водоток путем их частичного или полного отведения в регулирующие резервуары при дефиците свободной ассимилирующей способности водотока и последующего освобождения регулирующих резервуаров в случае ее возрастания.

Приведенный на рисунке 2 результат внедрения регулируемого сброса шахтных вод в речную сеть на примере р. Волчьей. Реализация сценария регулируемого сброса высокоминерализованных вод из пруда-накопителя позволит снизить показатель минерализации в природном водотоке. Минерализация природного водотока в контрольном створе на выходе из промышленной зоны ПО «Селидовуголь» (место слияния р. Соленой и р. Волчьей) при реализации различных способов сброса минерализованных вод из прудов-накопителей при 95% обеспеченности изменяется в таких пределах: среднегодовой показатель - 2,87 г/л, такая минерализация удерживается в течение всего года при регулируемом сбросе, при равномерном сбросе максимальный среднемесячный показатель составит 3,01 в августе-октябре, а минимальный - 2,58 будет наблюдаться в марте. При залповом режиме сброса максимальный среднемесячный показатель минерализации составит 2,99 г/л в ноябре, а минимальный - 2,36 г/л (фоновая минерализация) в мае, когда отсутствует сброс шахтных вод. В сравнении с традиционными вариантами сброса влияние прудов при регулировании сброса сократится на 0,08 г/л - для равномерных выпусков в меженный период (с мая по ноябрь), для залповых - на 0,2 г/л в течение апреля, ноября и декабря.

Рисунок 2 - Изменение минерализации на выходе из промышленной зоны при различных вариантах 95% обеспеченности природного водотока

На рисунок 3 изображено изменение значения показателя минерализации вод р. Волчьей и результат оптимизации по пунктам наблюдений (места слияния с притоками) при реализации сценария равномерного и регулируемого сброса. Расчет выполнен для августа, как наименее водного месяца в году, то есть периода, когда водоток и подвергаются наибольшей солевой нагрузке.

Рисунок 3 - Изменение минерализации воды в р. Волчья по пунктам наблюдений в результате регулирования влияния прудов (95 % обеспеченность водного стока реки, август)

Из рисунка 3 следует, что на участке ниже места впадения реки Соленой полноводность притоков обеспечивает разбавление минерализованных вод до фоновых значений. Тем не менее, в истоках реки, где ассимилирующая способность водотока мала, регулирование выпусков минерализованных вод позволяет снизить влияние вод прудов-накопителей на качество воды р. Волчьей.

Как уже отмечалось выше, для реализации описываемого метода выпуска шахтных вод в речную сеть необходимо наличие буфера в виде пруда-накопителя шахтных вод. Объем пруда должен позволять в течение периода, когда ассимилирующая способность реки мала, накапливать большую часть поступающих шахтных вод. Поэтому важной задачей является определение необходимых объемов прудов-накопителей шахтных вод.

Сравнив степень заполненности пруда для каждого месяца в течение года для различных режимов выпусков, видим, что при равных исходных значениях заполненного объема, ход изменения этого показателя существенно отличается в зависимости от сценария сброса (рисунок 4).

Так, при равномерном сбросе, в силу того, что объем воды, поступающей из шахты, равен объему воды, выпускаемой в природный водоток, объем воды в пруде остается постоянным. При залповом сбросе в первые четыре месяца года, когда ежемесячно производится выпуск вдвое превышающий поступление шахтных вод в пруд, степень заполненности пруда уменьшается по сравнению с таковым при равномерном сбросе. В период последующих шести месяцев сброс не производится, - происходит накопление воды и заполненный объем значительно превышает таковой при равномерном сбросе.

Рисунок 4 - Динамика заполненного объема пруда-накопителя б. Лозовая-2 при различных режимах сброса шахтных вод (95% обеспеченность водного стока реки)

В течение оставшихся двух месяцев объем снова снижается до исходного (и равного заполненному объему при равномерном выпуске).

При реализации сценария регулируемого сброса выпуск производится исходя из среднегодового и среднемесячного показателей минерализации природного водотока.

Величина произведения минерализации и расхода характеризует количество минеральных веществ в водотоке и определяет величину этого же произведения выпуска при регулируемом сбросе. Эта информация позволяет рассчитать необходимый объем пруда.

Разработанная модель позволяет проанализировать степень влияния выпускаемых шахтных вод на качество природных вод и сопоставить результаты различных вариантов регулирования влияния выпускаемых шахтных вод по основным гидрологическим и гидрохимическим показателям. Исходя из полученной информации, могут быть сформулированы рекомендации по разработке оптимального режима функционирования природно-техногенной системы «шахта - пруд-накопитель - природный водоток».

Перечень ссылок

1. Національна доповідь про стан навколишнього природного середовища в Україні, 1996. - К.: Вид-во Раєвського, 1998. - С. 15-23.

2. Горєв Л.М. Основи моделювання в гідроекології. - К.: Либідь, 1996 385 с.

3. Пасечник А.Н., Буканова Н.С., Колдрус Л.Л. Математическое моделирование процессов минимизации и оптимального управления состоянием водных экосистем // Питання прикладної математики і математичного моделювання. - Дніпропетровськ: ДНУ, 2004.- С.146-153.

4. Фадеев В.В., Тарасов М.Н., Павелко В.Л. Зависимость минерализации и ионного состава воды рек от их водного режима. - Л.:Гидрометеоиздат. - 1989.

5. Определение расчетных гидрологических характеристик СНиП 2.01.14-83.

6. Кононенко А.Д. Гидрохимическая характеристика малых рек УССР. - К., 1952.

Размещено на Allbest.ru