CC BY
40
ISSN 9125 0912. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2011. Вин. № 13
ГІДРОГЕОЛОГІЯ ТА ІНЖЕНЕРНА ГЕОЛОГІЯ
УДК 556.491:622
Л. І. Зеленська, Г. П. Євграшкіна
Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
ЕКОЛОГО-ГІДРОГЕОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ТЕРИТОРІЙ, ПРИЛЯГАЮЧИХ ДО ХВОСТОСХОВИЩ КРИВОРІЗЬКОГО ЗАЛІЗОРУДНОГО БАСЕЙНУ ТА ШЛЯХИ ЇХ РІШЕННЯ
Розглянуті і проаналізовані геолого-гідрогеологічні умови та негативні геоеко-логічні процеси, що виникають у зоні впливу хвостосховища Північного гірничо-збагачувального комбінату. На основі прогнозних розрахунків виконаний аналіз впливу хвостосховища на еколого-гідрогеологічні умови прилеглих територій і запропоновані природоохоронні заходи гідрогеологічного напрямку.
Ключові слова: прогноз, хвостосховище, забруднення, природоохоронні заходи.
Рассмотрены и проанализированы геолого-гидрогеологические условия и негативные геоэкологические процессы, возникающие в зоне влияния хвостохранилища Северного горно-обогатительного комбината. На основе прогнозных расчетов выполнен анализ влияния хвостохранилища на эколого-гидрогеологические условия прилегающих территорий и предложены природоохранные мероприятия гидрогеологического направления.
Ключевые слова: прогноз, хвостохранилище, загрязнение, природоохранные мероприятия.
Reviewed and analyzed the geological-hydrological conditions and negative geo-ecological processes that occur in the zone of influence of the Northern GOK. On the basis of predictive calculations of the was performed analysis of the impact of tailings on environmental-hydrogeological conditions of the territory and the proposed environmental protection measures hydrogeological direction.
Keywords: prognosis, tailing, pollution, environmental measures.
Криворізький залізорудний басейн є складною природно-технічною системою з яскраво вираженою активізацією негативних геоекологічних процесів. Основні з них: підтоплення територій, прилеглих ДО ХВОСТОСХОВИЩ, оскільки вони побудовані без гідроізоляції водовміщуючої частини, складеної різною мірою водопроникними піщаними і суглинистими породами; забруднення водоносних горизонтів унаслідок інфільтрації вод підвищеної мінералізації із хвостосховищ; розвиток процесів вторинного засолення на прилягаючих до хвостосховищ територіях, як наслідок двох перших факторів. Унаслідок підойму рівня забруднених грунтових вод вище критичної глибини і збільшення їх витрати на випарування відбувається накопления солей у зоні аерації.
Найдетальніше ці процеси вивчені на території Північного гірничозбагачу-вального комбінату. Хвостосховище ПівнГЗКу розташоване у середній частині балки Петриківка, побудовано без екранізації днища та стінок. Водовміщуюча частина представлена новопетрівськими, берекськими і межигірськими пісками
І
©Л. 1. Зеленська, Г. П. Євграшкіна, 2011
23
ISSN 9125 0912. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2011. Вип. № 13
з коефіцієнтом фільтрації 3-5 м/добу. Теперішнього часу мінералізація води в хвостосховищі складає 12 г/дм3, за відсіяною дреною і на території, прилеглій до скидного каналу періодичної дії - 5 г/дм3. Канал експлуатується тільки в разі переповнення хвостосховища, і згідно з аналізом графіків режимних спостережень, цей період характеризується підвищенням рівня і мінералізації ґрунтових вод.
Канал розташований південніше с. Червоне. Він побудований у земляному руслі, складеному суглинками, має трапецієвидну форму; ширина по урізу води складає 5 м, по днищу -2 м, глибина наповнення - 3 м. Зважаючи на періодичність дії, кожен момент наповнення характеризується трьома стадіями фільтрації. Перша і друга стадії розраховані в двох варіантах для граничних значень коефіцієнта фільтрації суглинків Кф = 0,1-0,4 м/добу. Фільтраційні витрати склали відповідно 0,69-3,2 м3/добу на 1 м довжини каналу, що відповідає стовпу води 0,138-0,64 м/добу. Тривалість першої та другої стадій фільтрації, розрахована за методикою С. Ф. Авер’янова, [1] складе 4,2-15,7 доби. Третя стадія фільтрації-розтікання бугра охарактеризована таблицею 1. Первинний бугор складає 5,0 м, це відстань від поверхні води в каналі до рівня ґрунтових вод перед наповненням каналу.
Таблиця 1
Розтікання іригаційного бугра після припинення подачі води до каналу
Час t, діб Величина залишкового бугра, м Час t, діб Величина залишкового бугра, м
Кф=0,4 м/добу Кф=0,1 м/добу Кф=0,4 м/добу Кф=0,1 м/добу
1 1,13 2,22 200 0,08 0,15
2 0,8 1.55 250 0,07 0,14
5 0,51 1,02 300 0,06 0,13
10 0,36 0,71 365 0,05 0,12
25 0,23 0,48 730 0,035 0,087
50 0,16 0,32 1095 0,035 0,071
100 0,11 0,24 1460 0,035 0,055
Бугор розтікається впродовж року, якщо виник за 4-15 діб. Тому використовувати цей канал доцільно не частіше одного разу в рік з тривалістю наповнення не більше 15 діб. У результаті розтікання бугра відбувається підйом рівня ґрунтових вод на прилеглих територіях. Цей процес описується одномірним рівнянням Фур’є
d2H 1 dH
dx2 = a' dt' Ш
Його аналітичне рішення для розрахункової схеми «напівобмежений шар» отримано Н.Н. Верігіним методом суперпозиції. Канал на третій стадії фільтрації є границею І роду. Рішення має такий вигляд
4Я-дЯ0а/Л (2)
id at
У формулах (1) та (2) прийняті наступні позначення: Н-гідродинамічний напір, м; а - коефіцієнт рівнепровідності, м2/добу; х - просторова координата, від-станть від уріза води в каналі, до розрахункової точки, м; t - часова координата, тривалість розрахункового періоду, діб; АН°— перевищення рівня води в каналі над рівнем ґрунтових вод до наповнення каналу, м; ДЯ - підойм рівня ґрунтових вод у розрахунковій точці на відстані х від урізу води в каналі, м; erfc X - та-бульована функція.
Результати розрахунку підйому рівня ґрунтових вод на прилеглих територіях представлені в табл. 2.
24
ISSN 912S 0912. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2011. Вип. № 13
Таблищ 2
Результати розрахунку підйому рівня ґрунтових вод на прилеглих територіях
Координата розрахункової точки х, м Тривалість підйому t, діб
Кс >=0,4 м/добу Кф=0,4 м/добу
1 5 10 ' 1 5 10
1 2 3 4 5 6 7
1 6,54 6,79 6,86 6,09 6,59 6,71
5 4,77 5,99 6,29 2,90 5,00 5,57
10 2,89 5,00 5,57 0,71 3,26 4,24
15 1,54 4,09 4,89 0,10 1,92 3,07
20 0,72 3,27 4,24 0,007 1,00 2,11
25 0,37 2,53 3,63 0,0 0,48 1,37
зо 0,10 1,92 3,07 0,0 0,20 0,85
35 0,029 1,41 2,56 0,0 0,07 0,49
40 0,007 1,01 2,11 0,0 0,02 0,27
50 0,0 0,48 1,37 0,0 0,0014 0,07
Якщо канал буде заповнений водою за 10 діб, то рівень ґрунтових вод підніметься вище критичної глибини (2,2 м) у прилеглій до нього смузі шириною 10-15 м. Тут за результатом випару завжди відбувається накопичення солей у верхньому шарі зони аерації, але перехід порід до категорії слабозасоленних відбувається тільки при глибині залягання РГВ < 0,9 м і мінералізації ґрунтових вод Сг> 5 г/дм3. У реальних умовах підйом рівня ґрунтових вод на цій території може виявитися більше за розрахунковий, оскільки фільтраційний потік тут розвантажується з боку хвостосховища і схилу.
На протилежній стороні (рис. 1) розвантаження фільтраційного потоку, спрямованого від хвостосховища, відбувається в р. Саксагань. Для цієї території виконана кількісна оцінка забруднення підземних і поверхневих вод на тривалі терміни від 1 до 30 років.
1 - с. Червоне; 2 - канал; 3 - ставок зворотного водозабезпечення;
4 - Хвостосховище ПівнГЗКу.
Рис. 1. Схематичне розташування хвостосховища
Сучасні методи кількісної оцінки техногенного забруднення підземних вод і ґрунтів зони аерації базуються на основних положеннях теорії фізико-хімічної гідродинаміки пористих середовищ, згідно якої ці процеси описуються рівняннями руху і збереження маси речовини другого порядку в частинних похідних з гра-
25
ISSN 9125 0912. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2011. Вип. № 13
ничними умовами I, II і III роду. Процес забруднення підземних вод під впливом фільтрації високомінералізованих вод з хвостосховища достатньо точно описується рівнянням за лініями струму
п д2С т/ дС дС ...
дх2 дхді
де Z) - коефіцієнт гідро дисперсії, комплексний узагальнений параметр, кількісно характеризуючий всі фактори розсіювання речовини, які супутні фільтрації, м2/ добу; V— швидкість фільтрації, м/добу; т - активна пористість, частки одиниць; С - мінералізація підземних вод, г/дм3; х - просторова координата, м; t - часова координата, діб.
Перший етап досліджень - це рішення інверсної задачі, яка полягає в знаходженні міграційних параметрів D, V і т. Швидкість фільтрації обчислювалася за даними режимних спостережень із застосуванням закону Дарсі. Активна пористість у дослідженнях приймалася за рекомендаціями Бера і Заславскі [2]. Найбільші труднощі виникають при визначенні важливого параметра масопереносу -коефіцієнта гідродисперсії D. Різні методи його обчислення достатньо детально описані в літературі [1; 3-8]. У [4] запропоновано аналітичне рішення рівняння
з2/^ аг
(4)
дх2 дх
відносно параметра D. Воно має вигляд:
V А V D = —-гЛ-
С _ сі- і ~ Q+1
(5)
ln(C-l)’ ~ См-С,
і може бути застосовано, якщо визначена мінералізація підземних вод у трьох спостережних свердловинах СІ15 С, С . Недолік методу: свердловини мають бути розташовані на однакових відстанях одна від одної Ах, м. Метод інтегральних перетворень В. Б. Георгіївського [3] є бездоганним математично, але при рішенні практичних задач можливі істотні погрішності. Це пов’язано з тим, що у процесі розрахунків виникає необхідність множити малі прирости функції на великі коефіцієнти і тому незначні помилки польових спостережень, або лабораторних визначень, істотно зростають. Чисельно-аналітичний метод [7] не має недоліків попередніх двох, але він розроблений для математичних моделей вертикального солепереносу в системі «зона аерації - підземні води». На територіях, прилеглих до хвостосховища, переважає горизонтальна складова швидкості фільтрації, тому для вирішення задач у такій постановці цей метод не придатний. При мінімумі початкової інформації параметр D за першим наближенням можна оцінити за формулою С. Ф. Авер'янова [1], яка також є аналітичним рішенням рівняння (4).
VI
Д = —(6)
2 In -2s-
де Схв - мінералізація води в хвостосховищі, г/дм3; С - мінералізація води у річці, г/дм3; L - відстань від хвостосховища до річки за лініями струму, м; V— швидкість фільтрації, м.
За наявності не менше ніж двократних режимних спостережень по трьом і більше свердловинам рівняння (3) записується в кінцевих різницях по рівномірній або нерівномірній схемам:
cu-2 q + q+l
м
D
Ахі
Ах~>
7+1 т/ 4-1 с; ... с;+1 -
Дх At
Axj + Дх2 vcu-ci,
2 ДХ] + Дх2
т-
с,т+1 - с;
At
(7)
26
ISSN 912S 0912. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2011. Вип. № 13
При рішенні інверсної задачі явна і неявна схеми рівнозначні по точності. Загальний недолік усіх розглянутих методів: вони визначають узагальнені розрахункові значення шуканих параметрів, іноді на шкоду їх фізичному змісту. Визначення параметра D у лабораторних умовах має великі переваги в тому, що зберігається фізичний зміст визначуваних величин. Проте нетотожність лабораторних і природних умов також містить погрішність, величину якої поки що не вдалося оцінити кількісно. В усіх випадках за лабораторних умов не можна врахувати макродисперсію з-за малих розмірів фізичних моделей.
На цьому етапі забезпеченості початковою інформацією коефіцієнт гідродис-персії розрахований за формулою (6). Його величина D = 9,8 м2/добу дозволяє стверджувати, що для цих умов характерна розрахункова схема «неупорядкована макродисперсія» і уточнити розрахункове значення D за формулою, запропонованою В. М. Шестаковим [9].
Середня, за лінією струму швидкість фільтрації змінюється в межах 0,015-0,020 м/добу, коефіцієнт гідродисперсії, визначений вищеописаними методами, склав 9,3-24,75 м2/добу. За 10 років ізолінія 3 г/дм3, що обмежує фронт забруднення переміщається у бік річки Саксагань на 1600-1800 м. Рішення отримано аналітичним методом Бреннера і чисельним, з реалізацією методом прогонки. Результати розрахунків добре узгоджуються.
Висновки. Аналіз результатів прогнозних розрахунків показує, що для прогнозування процесів забруднення підземних вод найбільш прийнятна схема «неупорядкована макродисперсія».
Коефіцієнт гідродисперсії доцільно визначати комплексно за режимними спостереженнями аналітичними і чисельними методами, вони добре доповнюють один одного.
Для попередження подальшого забруднення підземних вод слід збільшити об’єм хвостосховища, поділити його на дві частини і експлуатувати послідовно, заздалегідь створивши колоїдно-сольовий екран сорбуючий макрокомпоненти, з почерговим його оновленням. У цьому випадку припиняться процеси вторинного засолення, але фільтрація води з хвостосховища не закінчиться.
Скидний канал слід ліквідувати. На підтопленій території біля с. Червоне доцільно створити водойму для розведення риби, оскільки геоморфологічні умови території несприятливі для ефективної роботи дренажу.
На прилеглих до хвостосховища територіях необхідно організувати гідрогеологічний моніторинг на локальному рівні відповідно до рекомендацій, приведених у [7].
Бібліографічні посилання
1. Аверьянов С. Ф. Борьба с засолением орошаемых земель / С. Ф. Аверьянов. - М., 1978.-288 с.
2. Бэр Я. Физико-математические основы фильтрации воды: пер. с англ. / Я. Бэр, Д. Заславски, С. Ирмей. - М., 1981.-451 с.
3. Георгиевский В. Б. Унифицированные алгоритмы для определения фильтрационных параметров / В. Б. Георгиевский. - К., 1971.-328 с.
4. Гидродинамические и физико-химические свойства горных пород / С. В. Васильев, Н. Н. Веригин, В. С. Саркисян, Б. С. Шержуков / под ред. Н. Н. Веригина. - М., 1977. -271 с.
5. Мироненко В. А. О некоторых спорных тенденциях в исследованиях миграции подземных вод / В. А. Мироненко //Геоэкология. - М., 1993. -№ 5. - С. 3-12.
6. Brenner Н. The diffusion model longitudinal mixing in beds of finite length Numerical values / H. Brenner // Chem. Engng. Sci. - 1962. -№ 1. - P. 229-243.
7. Евграшкина Г. П. Влияние горнодобывающей промышленности на гидрогеологические и почвенно-мелиоративные условия территорий: монография / Г. П. Евграшкина. - Д., 2003. -200 с.
97
ISSN 9125 0912. Вісник Дніпропетровського університету. Серія «Геологія. Географія», 2011. Вип. N«13
8. Ситников А. Б. Динамика влаги и солей в почвогрунтах зоны аэрации / А. Б. Ситников. -К., 1986. - 151 с.
9. Шестаков В. М. Динамика подземных вод / В. М. Шестаков. - М., 1979. - 368 с. Надійшла до редколегії 18.04.11.
УДК 556.491:622
Л. І. Зеленська, Г. П. Євграшкіна, А. Ю. Омельчук
Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
ЗАКОНОМІРНОСТІ ЗМІНИ ГІДРОГЕЛОГІЧНИХ ТА ГІДРОЛОГІЧНИХ УМОВ НА ТЕРИТОРІЇ, ПРИЛЕГЛІЙ ДО СТАВКА-НАКОПИЧУВАЧА СКИДНИХ ШАХТНИХ ВОД «БАЛКИ СВІДОВОК»
У ЗАХІДНОМУ ДОНБАСІ
На основі теорії фізико-хімічної гідродинаміки пористих середовищ запропонована математична модель міграційних процесів у підземних водах, прилеглих до ставка територій. На першому етапі досліджень побудована гідродинамічна сітка. Планова задача по кількісній прогнозній оцінці забруднення підземних вод у результаті фільтраційних витрат ставка вирішується системою одномірних рівнянь за лініями току. Запропоновано каскадний метод реконструкції ставка, який повністю виключає забруднення водоносних горизонтів
Ключові слова: гідродинамічна сітка, забруднення, водоносний горизонт, міграційний процес.
На основе теории физико-химической гидродинамики пористых сред предложена математическая модель миграционных процессов в подземных водах, прилегающих к пруду территорий. На первом этапе исследований построена гидродинамическая сетка. Плановая задача по количественной прогнозной оценке загрязнения подземных вод в результате фильтрационных потерь пруда решается системой одномерных уравнений по лентам тока. Предложен каскадный метод реконструкции пруда, полностью исключающий загрязнение водоносных горизонтов.
Ключевые слова: гидродинамическая сетка, загрязнение, водоносный горизонт, миграционный процесс.
On the basis of theory of physical and chemical hydrodynamics of porous environments the mathematical model of migratory processes is offered in underwaters, adjoining to the pond of territories. On the first stage of researches a hydrodynamic net is built. The planned task by quantitative prognosis estimation of contamination of underwaters as a result of lauter losses of pond decides the system of unidimensional equalizations on the ribbons of current. The cascade method of reconstruction of pond is offered, fully eliminating contamination of aquiferous horizons.
Key words: hydrodynamic net, contamination, aquiferous horizon, migratory process.
Постанова проблеми. Видобуток вугілля супроводжується інтенсивним водовідливом шахтних вод підвищеної мінералізації, які акумулюються у ставках-накопичувачах, побудованих без екранізації днищ. Запропоновані як радикальний засіб охорони грунтів, поверхневих і підземних вод, у даний час вони є джерелами їх забруднення. Рішення прогнозних міграційних задач за кількісною оцінкою забруднення підземних та поверхневих вод, дозволить науково обґрунтувати раціональний комплекс природоохоронних заходів гідрогеологічного напрямку. * 28
© Л. І. Зеленська, Г. П. Євграшкіна, А. Ю. Омельчук, 2011
28
