CC BY
9
ДИФФУЗИЯ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКИХ СТОКОВ С ПОВЕРХНОСТИ СМОЛЯНЫХ ОЗЕР В ПОДСТИЛАЮЩИЕ ПОРОДЫ
Н.М. Качурин, Г.Г. Лускин, Ю.Н. Грязнов, Д.А. Амбарцумов
Рассмотрены процессы переноса компонентов смоляных отходов и миграции загрязняющих веществ в геологической среде с учетом многообразия условий формирования и трансформации смоляных озер. Полученные результаты математического моделирования вертикальной миграции загрязнителя в почву и далее в подстилающие породы удовлетворительно описываются одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителя твердой фазой почв и подстилающих пород.
Ключевые слова: вертикальная миграция, расчетная схема, вертикальный профиль концентрации загрязнителей, инженерно-экологические изыскания, ПДК, конвективная диффузия.
Технологическая характеристика исследуемых отходов. Чаго-дощенский стекольный завод на протяжении длительного периода времени являлся одним из крупнейших производителей оконного стекла. В качестве топлива для стекловарения завод с начала своего существования (1931 г.), вплоть до 1965 года, применял генераторный газ. В качестве первичного топлива применялись дрова, торф и каменный уголь марки Г. При выработке генераторного газа образуется большое количество побочных продуктов, главным из которых являются тяжёлые смолы пиролиза. Очистка генераторного газа от примесей, прежде всего от смолистых компонентов, осуществлялась с помощью скрубберов. Вода, служащая фильтратом очистки генераторного газа от примесей, содержащая большое количество смол и взвешенных веществ, сливалась в понижение рельефа на территории завода вблизи реки Чагодощи. С течением времени по мере заполнения понижений рельефа смоляными отходами (тяжёлые смолы пиролиза) на территории стекольного завода образовались "смоляные озера".
В дальнейшем промышленные стоки, исчерпав ёмкость естественных накопителей, стали сливаться в русло реки Чагодощи. На территории бывшего стекольного завода находятся три смоляных озера, площадь которых составляет:
- малое озеро (западное) - 7600 м2;
- большое озеро (восточное) - 16300 м2;
- озеро лесное - 43790 м2.
Участок исследований расположен в центре поселка Чагода вдоль реки Чагодоща: Вологодская обл, район Чагодощенский, п Чагода, ул. Кооперативная, д 1.
Краткая физико-географическая характеристика района исследований. Территория приурочена ко II В подрайону по климатическому
районированию России для строительства [7]. Техногенные условия участка работ характеризуются наличием смоляных отходов, расположенных в природных понижениях рельефа.
Геологическое строение Вологодской области (рис. 1) определяет состав полезных ископаемых - преобладание нерудных и почти полное отсутствие рудных. В основном это строительные материалы: известняк, доломиты, мергель, песок, гравий. Широко распространены различные виды
Рис. 1. Геологическая карта четвертичных отложений
рассматриваемого района
Чагодощенский район расположен в юго-западной части Вологодской области, граничит с Ленинградской областью на северо-западной границе района и с Новгородской на юго-западной. Также граничит с Бабаевским и Устюженским районами Вологодской области. Административным центром района является п. Чагода. Расстояния от областного центра, г. Вологды 326 км.
Максимальная протяженность района с севера на юг 60 км, с запада на восток 68 км. Общая площадь района 240863 га, что составляет 1,6 % от площади Вологодской области.
Основным транспортным направлением является федеральная трасса А-114 «Санкт - Петербург - Вологда», которая пересекает район с северо-запада на юго-восток. Также важным транспортным направлением является ветка Октябрьской железной дороги «Кабожа - Подборовье».
Климат Чагодощенского района, как и всей западной части Вологодской области, умеренноконтинентальный, с умеренно теплым летом и
умеренно холодной зимой. Абсолютная максимальная температура воздуха +35 °С. Абсолютная минимальная температура воздуха -47 °С. Наименьшее количество атмосферных осадков наблюдается в феврале и марте, наибольшее - в июле - августе. Рассматриваемый район относится к зоне избыточного увлажнения, т.к. осадки превышают испарения. Среднегодовая сумма осадков равна 628 мм. Из них 70 % (440 мм) выпадает в теплый период года с апреля по октябрь. Летний максимум отмечается в июле (82 мм).
Для данной территории характерно преобладание юго-западных ветров в течение всего года. Летом значительно увеличивается повторяемость ветров с северной составляющей, а зимой - с южной. Наименьшую повторяемость во все сезоны года имеют ветры восточных направлений. Скорость ветра невелика. Число дней с сильным ветром (более 15м/сек) не превышает 3 - 5 в среднем за год.
Карта-схема исследуемого участка загрязненной территории представлена на рис. 2.
Рис. 2. Карта-схема расположения смоляных отходов на участке исследований: 1 - малое озеро; 2 - большое озеро; 3 - лесное озеро;
4 - пойма и русло р. Чагодоща
Оценка загрязнения земной поверхности, прилегающей к смоляным озерам, и моделирование процессов диффузии загрязнителей.
На рассматриваемом участке был проведен ряд исследований, для последующей оценки степени загрязнения компонентов окружающей среды и определения очагов загрязнения и путей поступления компонентов смоляных отходов в экосистему рассматриваемого района.
Для выявления очагов загрязнения береговой линии проводилось рекогносцировочное обследование территории. В ходе обследования были выявлены очаги объемного загрязнения береговой линии (рис. 3). Общая протяженность фронта загрязнения русла р. Чагодощи смоляными отходами составляет 3 500 м, мощность смоляного слоя, рассредоточенного в русле реки, варьируется от 0,5 до 1,5 м. по всей протяженности.
Рис. 3. Фрагмент №1 смоляного берега
В рамках определения объёма загрязнителя и оценки степени негативного воздействия на исследуемом участке были проведены нижеследующие виды работ:
- геолого-разведывательные работы;
- опытные геофизические работы;
- отбор проб почво-грунта, донных отложений, поверхностных и подземных вод, смоляных отходов;
- химико-аналитическое исследование.
Состав контролируемых показателей поверхностных вод включает определение: рН, сухой остаток, взвешенные вещества, БПК5, ХПК, полифосфаты, сульфат-ион, хлорид-ион, аммоний-ион, нитрат-ион, нитрит-ион, цианиды, гидрокарбонаты, нефтепродукты, анионные, мышьяк, хром общий, свинец, железо, медь, кадмий, кальций, магний, ртуть, барий, литий по физико-химическим показателям [8].
Определение площадок апробации для пробоотбора и непосредственно пробоотбор проводились в соответствии с п. 3, п. 5 ГОСТ 17.4.3.01-2017- «Охрана природы (ССОП). Почвы. Общие требования к отбору проб» [9] и п.5 ГОСТ 17.4.4.02-2017 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» [7].
В настоящей статье приведены результаты химико-аналитического исследования стоячих поверхностных вод (рис. 4), образующихся в следствии выпадения атмосферных осадков и таяния снега, рассматриваемых, как фактор переноса компонентов загрязнителя в почву и подстилающие породы.
Рис. 4. Стоячая вода на поверхности большого смоляного озера
Полученные результаты исследований проб воды с поверхности смоляных озер представлены в таблице.
Таким образом, возможна вертикальная диффузионная миграция данных загрязнителей с земной поверхности, прилегающей к смоляным озерам в почву и подстилающие породы.
Химические и органолиптические показатели стоячей воды _с поверхности смоляных озер__
№ Определяемые показатели, единицы измерения Объединённая проба ПДК
1 Водород. показатель 7,35 6,5-8,5
2 Запах, баллы 4 не более 2
3 Азот аммонийный, мг/дм3 3,13 1,5
4 Нитратный азот, мг/дм3 445 45,0
5 Нитритный азот, мг/дм3 0,49 3,3
6 Железо общее, мг/дм3 0,52 0,3
Окончание
7 Кальций, мг/дм3 142 -
8 Магний, мг/дм3 79,0 50
9 Калий, мг/дм3 262 -
10 Растворенный кислород, мг/дм3 4,2 не более 4
11 Сульфаты, мг/дм3 <0,5 500
12 Хлориды, мг/дм3 1254 350
13 Фториды, мг/дм3 0,59 -
14 Натрий, мг/дм3 786 200,0
15 Нефтепродукты, мг/дм3 0,11 -
16 Сухой остаток, мг/дм3 2344 1000,0
17 Взвешенные вещества, мг/дм3 97 -
18 БПК5, О2/дм3 4,65 4
19 Гидрокарбонаты, мг/дм3 514 -
20 Цветность, градус 6,95 не более 20
21 Мутность, ЕМФ 38,9 не более 2,6
22 Жесткость, мг/дм3 13,6 7-10
23 ХПК, мг/дм3 383 30
24 Марганец, мг/дм3 0,62 0,1
Миграция токсичных компонентов в почву и подстилающие породы с поверхности, прилегающей к смоляным озерам. В силу многообразия условий формирования и трансформации смоляных озер поступление стоков на прилегающие территории происходит вследствие отекания обогащенных загрязнителями атмосферных осадков, растекания и инфильтрации стоков на горизонтальных участках рельефа. Степень опасности данного явления для здоровья населения определяется вероятностью поступления поллютантов непосредственно в организм человека или вовлечения их в трофические цепи.
Таким образом, для обеспечения безопасности населения, проживающего на территории п. Чагоды и предотвращения деградации почв необходимо прогнозировать масштабы и интенсивность загрязнения окружающей среды токсичными веществами. Загрязнение окружающей среды смоляными отходами включает вертикальную миграцию фильтрата с поверхности смолы в почву и подстилающие горные породы.
Расчетная схема миграции токсичных компонентов в почву и подстилающие породы с поверхности смолы представлена на рис. 5.
Вертикальная миграция загрязнителя в почву и далее в подстилающие породы удовлетворительно описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителя твердой фазой почв и подстилающих и пород [2 - 5]. В данном случае целесообразно рассматривать полубесконечное пространство. Уравнение миграции загрязнителя имеет следующий вид:
де де д2е
— + п— = П—т - Ке, (1)
дг дг ' дz2
где 0(2,{) - концентрация загрязнителя в горных породах; w - средняя скорость фильтрации почвенного раствора; - коэффициент диффузии; К -константа скорости сорбции загрязнителя горными породами.
Рис. 5. Расчетная схема миграции загрязнителей с земной поверхности, прилегающей к смоляным озерам, в почву и подстилающие породы: 1 - почвенный слой; 2 - подстилающие породы; 3 - водоносный горизонт; 4 - водонепроницаемые породы; 5 - фильтрационно-диффузионный поток загрязнителя
Начальное условие
c (z, 0) = c0 = const. (2)
Граничные условия
c (0, t ) = cb = const, lim c ^x. (3)
z^x
Используя преобразование Лапласа, уравнение (1) можно записать следующим образом:
d 2cT
w dcL (S + K )i
cL-■
dx Ds dx Ds У L s + K у
= 0,
(4)
где сь - изображение функции ^ - комплексный параметр.
Решение уравнения (4) для условий cL (0, s ) = cb / s, lim cL ^ro,
имеет следующий вид:
cL =
co ^
s + K у
exp
а 1 2 2
yja2 + 4ß
(5)
где а = w / Д; р = (у + К) / Д.
Переходя к оригиналу выражения (5), получим
c(z,t) = c0exp(-Kt) + 0,5exp(0,5azДcb exp(-VAB)erfc(0,5>/А/1 -JÖt) + exp(VAB)erfc(0,5VА /1 + VB7) - c0exp(-At)jexp[-^A(B- K)
+
xerfcГ0,^VA77-yj(B-K)t + exp ^А(В-K)
x
xerfc
0,5^X77 + ^/(B- K) i
(6)
где A=z2 /Ds; B = 0,25Ds(w2 /d2 + 4K/Ds).
В частном случае, когда с0 = 0, зависимость (6) примет следующий
вид:
+ e
с(г) = 0,5с6 ехр(0„5а7) ехр(-)егЯс(- л/В7) + ехр()ег&(0,52/>/Д7 + ТВ7) + ехр(л/Хв)ег&(0,5л/а77+ л/В7) , (7)
где / = 0,5^/ w2/ Д2 + 4К / Д.
Вычислительны^ эксперимент проведен с использованием зависимости (6). Результаты вычислительного эксперимента представлены на рис. 6.
Миграция токсичных компонентов жидких стоков с поверхности, примыкающей к смоляным озерам может приводить к загрязнению почвы и подстилающих пород. Вычислительные эксперименты показали, что нестационарный вертикальный профиль концентрации имеет волнообразный характер с точкой максимума, обусловленной в данный момент времени в конкретной точке рассматриваемого пространства равенством скоростей процессов конвективно-диффузионного переноса и сорбции.
Результаты численного моделирования показали, что особый практический интерес представляет стационарный вертикальный профиль загрязнителя, так как при этом устанавливается максимальное распределение загрязнителя.
C(z,t) 0 . 3
3.6 0 . 4 4
2 \ \ \ \ 3
з. г
1 \ \
3
ю
15
z, м
Рис. 6. Нестационарный вертикальный профиль концентрации загрязнителей, поступающих с земной поверхности, прилегающей к смоляным озерам, С(г,() = с(г,()/сь: 1 -* = 1 сут; 2 -* = 2 сут.; 3 -* = 3 сут.; 4 -* = 4 сут.; 5 -* = 5 сут.
Стационарное вертикальное распределение загрязнителя описывается следующим дифференциальным уравнением:
л
d с w dc К „
(8)
, —с = 0 .
dzL Ds dz Ds
Решение уравнения (8) для условий: с(0) = cb = const; lim с ^ x;
имеет следующий вид:
с (7) = съ ехр
w
2DS 2)
г л2 w
V Ds У
+ ■
4 K
(9)
Вертикальный профиль концентрации загрязнителей, заданный зависимостью (9), представлен на рис. 7 при различных значениях скорости фильтрации загрязненной воды, коэффициенте диффузии 10-5 м2 /с и константе скорости сорбции 10-6 1/с.
Рис. 7. Стационарный вертикальный профиль концентрации загрязнителей, поступающих с земной поверхности, прилегающей к смоляным озерам, при скорости фильтрации м/с: 1 - 210-5; 2 -1,5 10-5; 3 -10-5; 4 - 0,510-5; 5 - 0,3 10-5
Глубина проникновения фронта загрязнителя, для которого выполняется следующее условие: с (ккр ) = ПДК, где ккр - предельно допустимая
глубина проникновения загрязнителя по санитарно-гигиеническому фактору; ПДК - предельно допустимая концентрация загрязнителя в почвах и подстилающих горных породах; определяется из алгебраического уравнения:
ПДК = съ ехр
w
1
2Д
г \ w
V В У
4 К
а.
к
кр
(10)
Решение уравнения имеет вид
ккр = 2
w
а X
г \ w
V В У
+
4 К
В.,
-1
1п
/ПДКЛ
V съ У
(11)
Предварительные результаты, полученные для загрязнителей, источником которых является поверхность смоляных отходов, показывают,
что критическая глубина проникновения фронта загрязнителя составляет 10 - 15 м, то есть, практически, невозможно проникновение загрязнителей в подземные воды при концентрациях, превышающих ПДК. Рассматривая всю территорию, представленную на рис. 2, следует отметить, что миграция загрязнителей возможна только непосредственно вблизи смоляных озер и загрязненной прибрежной части.
Заключение
1. В силу многообразия условий формирования и трансформации смоляных озер, поступление стоков на прилегающие территории происходит вследствие стекания обогащенных загрязнителями атмосферных осадков, растекания и инфильтрации стоков на горизонтальных участках рельефа. При этом имеет место вертикальная диффузионная миграция загрязнителей.
2. Вертикальная миграция загрязнителя в почву и далее в подстилающие породы удовлетворительно описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителя твердой фазой почв и подстилающих пород.
3. Миграция загрязнителей возможна только непосредственно вблизи смоляных озер и загрязненной прибрежной части.
4. Площадь, на которой целесообразно проводить геолого-геодезические и инженерно-экологические изыскания ограничивается территориями вблизи смоляных озер и загрязненной прибрежной части. При этом бурение скважин должно осуществляться на глубину не более 15 м.
5. Предварительные результаты, полученные для загрязнителей, источником которых являются смоляные отходы Чагодощенского стекольного завода, показывают, что критическая глубина проникновения фронта загрязнителя составляет 10 - 15 м.
6. Проникновение загрязнителей в подземные воды при концентрациях, превышающих ПДК, практически, невозможно.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/.
Список литературы
1. Семёнов Д.Ф., Трошичев Д.А. Геология Вологодской области: монография. Вологда: ВГПУ, 2014. 122 с.
2. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М., 1977. 664 с.
3. Качурин Н.М., Левкин Н.Д., Комиссаров М.С. Геоэкологические проблемы угледобывающих регионов. Тула.: Изд-во ТулГУ, 2011. 560 с.
4. Комплексное использование буроугольных месторождений / Л.А. Пучков, Н.М. Качурин, Н.И. Абрамкин, Г.Г. Рябов. М.: Горная книга. 2007. 277 с.
5. Лыков А.В. Тепломассообмен // Энергия. М. 1978. 479 с.
6. Стратегия социально-экономического развития Чагодощенского муниципального района Вологодской области. Вологда, 2017. 140 с.
7. Свод правил СП 131.13330.2020 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология». 149 с. УТВЕРЖДЕН приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 24 декабря 2020 г. №859/пр и введен в действие с 25 июня 2021 г.
8. СанПин 2.1.3684-21 Санитарные правила и нормы Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению населения, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических мероприятий).
9. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 17.4.3.01-2017- Охрана природы (ССОП). Почвы. Общие требования к отбору проб. 5 с.
10. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 17.4.4.02-2017 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. 10 с.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology tsu _ tula@, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лускин Григорий Геннадьевич, ген. Директор, ООО «Росконтракт», gglus-kin@mail.com, Россия, Тульская область, Новомосковск,
Грязнов Юрий Николаевич, директор департамента, 5558050@gmail.com, Россия, Москва, АО «ЮМАТЕКС»,
Амбарцумов Дмитрий Александрович, директор по стратегическому развитию, 5022359@gmail. com, Россия, Москва, ООО «НПП «РусХимСинтез»
MODELING OF THE DIFFUSION OF POLLUTANTS ON THE TERRITORY OF THE CHAGODOSHCHENSK GLASS PLANT (VILLAGE OF CHAGODA, VOLOGDA REGION)
N.M. Kachurin, G.G. Luskin, Y.N. Gryaznov, D.A. Ambartsumov
The processes of transfer of resin waste components and migration of pollutants in the geological environment considered, taking into account the variety of conditions for the formation and transformation of resin lakes. The results of mathematical modeling of vertical migration of the pollutant into the soil and further into the underlying rocks are satisfactorily described by a one-dimensional convective diffusion equation taking into account the kinetics of sorption of the pollutant by the solid phase of soils and underlying rocks.
Key words: vertical migration, calculation scheme, vertical profile of concentration of pollutants, engineering and geological surveys, MPC, convective diffusion.
Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of the chair, ecologytsu _ tula@, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Luskin Grigory Gennadievich, general director, «Roscontract», ggluskin@,mail.com, Russia, Tula region, Novomoskovsk, LLC
Gryaznov Yuri Nikolaevich, director of the department, 5558050@gmail.com , Russia, Moscow, JSC "YUMATEX",
Ambartsumov Dmitry Alexandrovich, director of strategic development, 5022359@gmail.com , Russia, Moscow, LLC "NPP "Ruskhimsintez"
Reference
1. Semenov D.F., Troshichev D.A. Geology of the Vologda region: monograph. Vologda. VSPU, 2014. 122 p.
2. Polubarinova-Kochina P.Ya. Theory of groundwater movement. M.: 1977. 664 p.
3. Kachurin N.M., Levkin N.D., Komissarov M.S. Geoecological problems of coalmining regions. Tula.: TulSU Publishing House. 2011. 560 p.
4. Complex use of brown coal deposits / L.A. Puchkov, N.M. Kachurin, N.I. Abram-kin, G.G. Ryabov // Gornaya kniga. M. 2007. 277 p.
5. Lykov A.V. Heat and mass transfer // Energy. M. 1978. 479 p.
6. Strategy of socio-economic development of the Chagodoshchensky municipal district of the Vologda region // Vologda, 2017. 140 p.
7. Code of rules SP 131.13330.2020 "SNiP 23-01-99* Construction climatology". 149 p . APPROVED by Order of the Ministry of Construction and Housing and Communal Services of the Russian Federation No. 859/pr dated December 24, 2020 and put into effect from June 25, 2021.
8. SanPiN 2.1.3684-21 "Sanitary rules and norms of sanitary and epidemiological requirements for the maintenance of urban and rural settlements, for water bodies, drinking water and drinking water supply to the population, atmospheric air, soils, residential premises, organization and conduct of sanitary and anti-epidemic (preventive measures)".
9. Interstate standard. GOST 17.4.3.01-2017 - "Nature protection (SSOP). Soil. General requirements for sampling". 5 p.
10. Interstate standard. GOST 17.4.4.02-2017 "Nature protection. Soil. Methods of sampling and preparation of samples for chemical, bacteriological, helminthological analysis". 10 p .
