CC BY
67
----------------------------- © Л.С. Рыбникова, А.Л. Фельдман,
П.А. Рыбников, 2009
УДК 556.3:51
Л. С. Рыбникова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ В РАЙОНАХ ЛИКВИДИРУЕМЫХ РУДНИКОВ УРАЛА
Уральский регион является территорией, длительное время испытывающей интенсивное воздействие предприятий горнодобывающего профиля. В течение продолжительного периода разработка полезных ископаемых осуществлялась под защитой дренажа при значительном понижении уровня подземных вод на десятки и сотни метров. Хозяйственное освоение прилегающих территорий ориентировалось именно на эту экологогидрогеологическую обстановку.
Изменение экономической конъюнктуры и истощение запасов обусловило массовое закрытие горнодобывающих предприятий и привело к затоплению горных выработок (так называемая «мокрая консервация»).
Это принципиально изменяет складывавшуюся до этого десятилетиями гидродинамическую и гидрохимическую обстановку в густонаселенных районах. Прекращение водоотлива, затопление карьеров и шахт приводит к формированию техногенных водоемов объемом в миллионы кубометров токсичных вод; подтоплению ранее освоенных прилегающих территорий; загрязнению подземных и поверхностных вод. Негативные процессы в областях влияния ликвидируемых рудников должны быть контролируемыми и управляемыми. Управление гидродинамической обстановкой и оптимизация экономической и экологической эффективности водоохранных мероприятий в подобных ситуациях становится важнейшей составляющей при экологических исследованиях, геоэкологическом мониторинге, проектировании, разработке оптимальной экономической схемы развития территории [1, 2].
Обоснование водоохранной деятельности в области влияния ликвидируемых рудников базируется на результатах решения задачи оптимизации и управления как потенциально опасными объек-
тами - источниками риска (техногенные водоемы и водоносные горизонты, шламохранилища), так и объектами, которые подверглись неблагоприятному воздействию (подтопленные области, области с загрязненными подземными водами - объекты приемники риска) [3]. При этом влияние техногенных водоемов учитывается как изменяющееся во времени внутреннее граничное условие. Балансовые составляющие взаимодействия водоносного горизонта и водоема определяются путем численного решения системы уравнений в частных производных и интегро-дифференциального уравнения.
Эффективная защита от подтопления, латентного загрязнения поверхностных вод основывается на управлении уровенным режимом техногенных водоемов и работой вертикального дренажа. Для управления работой вертикального дренажа используется оптимальное решение, основанное на экономическом критерии при эколого-технических ограничениях (режим уровня подземных вод, необходимая площадь осушения, допустимое положение уровня подземных вод и т.д.).
Наиболее опасными для Урала с экологической точки зрения являются медно-колчеданные месторождения - как действующие, так и законсервированные. Это связано с вещественным составом руд, способами отработки, складированием некондиционных руд и пустых пород без необходимой гидроизоляции. Предлагаемый подход был реализован при оптимизации водоохранных мероприятий на типичных для Урала горнодобывающих объектах: Узельгинском (Верхнеуральская рудная зона, Южный Урал, бассейн реки Урал) и Левихин-ском рудниках (Кировоградская рудная зона, Средний Урал, бассейн реки Тагил) [4, 5].
В связи с особенностями воздействия ликвидируемых горнодобывающих предприятий на окружающую среду необходимо последовательное решение задач оптимизации водоохранных мероприятий на объектах-источниках неблагоприятной обстановки (затопленных карьерах, шахтах и техногенных водоносных горизонтах отвалов) и оптимизации мероприятий по борьбе с результатами этого воздействия (подтопление и формирование очагов разгрузки загрязненных вод). Это связано как с различными сроками реализации этих мероприятий, так и с возможностями формализации некоторых задач и их решения методами оптимизации.
Целесообразно выделять три типа водоохранных мероприятий: оперативные (1-2 года); средней срочности (3-10 лет); долгосрочные (>10 лет).
Обоснование оперативных мероприятий (в первую очередь борьба с подтоплением и формированием очагов разгрузки загрязненных вод) может проводиться с помощью методов оптимизации, а средне- и долгосрочных - методами вариантного численного моделирования.
В связи с высокой степенью техногенного преобразования геологической среды создание геофильтрационной модели невозможно без воспроизведения всей гидродинамической истории предприятия. Такой подход может быть реализован путем решения серии стационарных задач по опорным моментам освоения месторождений.
Большинство медноколчеданных месторождений Урала расположены в схожих с позиций геофильтрационной схематизации условиях. Основной водоносный горизонт или водоносный комплекс приурочен к зонам трещиноватости эффузивно-осадочных и карбонатных отложений. В естественных условиях закономерности изменения фильтрационных свойств основного водоносного горизонта или комплекса, как правило, следующие - убывание проводимости в зависимости от расстояния до реки и абсолютных отметок, логнормальное распределение значений проводимости по площади, экспоненциальное убывание по вертикали. В нарушенных условиях в районах отработки месторождений формируются как техногенные зоны трещиноватости, так и техногенные экраны. При геофильтрацион-ной схематизации области влияния рудников, расположенных в зонах распространения вулканогенных пород, необходимо учитывать высокое влияние на фильтрационную неоднородность тектонических нарушений и контактов пород.
С учетом полученных закономерностей были построены обобщенные карты распределения фильтрационных свойств для Узельгинского и Левихинского рудника.
Оба предприятия существуют достаточно длительный промежуток времени - Левихинский рудник с 20-х годов 20 века, Узель-гинский - с 50-х. Рудники отрабатывали группы компактно расположенных медно-колчеданных месторождений. Воздействие на окружающую среду в первую очередь связано со складированием отвалов, содержащих сульфиды и тяжелые металлы, созданием тех-
ногенных водоемов-отстойников для шахтных и подотвальных вод. В районе Узельгинского рудника размещение водоема-отстойника в бывшем карьере привело к перетоку техногенных водоемов в отвалы, образованию техногенного водоносного горизонта.
В настоящее время горные выработки Узельгинского и Леви-хинскго рудников полностью затоплены. Основными задачами в сложившейся ситуации являются:
• предотвращение возможного подтопления прилегающих территорий;
• перехват кислых шахтных вод (Левихинский рудник), уменьшение расхода разгрузки кислых подотвальных вод (Узель-гинский рудник);
• организация безопасной отработки других участков Узель-гинского месторождения, предотвращение миграции загрязненных подземных вод от затопленного Левихинского рудника.
Оперативные мероприятия
В районе Узельгинского рудника основным оперативным мероприятием должна быть борьба с подтоплением прилегающих к карьеру Объединенный территорий - поселка Межозерный и сельхозугодий в долине реки Узельга. Задача борьбы с подтоплением формализуется и разбивается на два этапа.
На первом этапе для оценки изменения области подтопления при работе дренажа решается задача определения уровня подземных вод в выбранной области при вариации параметров времени и расхода откачки. Затем по полученным зависимостям и определенным экономическим параметрам определяется оптимальное значение критерия экономической эффективности при ограничениях на время, минимальную площадь осушения, допустимое понижение уровня подземных вод в дренажных скважинах.
На втором этапе необходимо решить задачу управления режимом подземных вод. После достижения необходимой площади осушения оптимальный расход откачки уменьшается и решается прогнозная задача определения глубины залегания уровня подземных вод в контрольных точках. Из решения прогнозной задачи определяется промежуток времени, за который понижение в этих точках достигнет наибольшего допустимого значения. Как только, при уменьшенном расходе откачки, уровень
■—-■■■■режим управления
------оптимальный режим для времени 60 сут
- - - - оптимальный режим для времени 3650 сут
------допустимый диапазон изменения уровня подземных вод в наблюдательных
скважинах
Рис. 1. Обоснование краткосрочных водоохранных мероприятий на Узельгинском руднике
| 243 ■ - ■ -243 (дренаж) | | 249 ■ - - -249 (дренаж) |
Сопоставительные графики прогнозного изменения уровня подземных вод в наблюдательных скважинах
| 243 - ■ - ■ 243 (дренаж) | 1’ сут | 249 - - - - 249 (дренаж) | сут
Сопоставительные графики прогнозных концентраций сульфатов вод в наблюдательных скважинах Рис. 2. Обоснование среднесрочных водоохранных мероприятий на Левихинском руднике
- - Вариант 1 (сброс в Шламоотстойный пруд отсутствует, водоотбор из карьера Объединенный
0)
—■— Вариант 2 (сброс в Шламоотстойный пруд отстутствует, водоотбор из карьера Объединенный 8 000 м3/сут)
—*■ - Вариант 3 (сброс в Шламоотстойный пруд 14 000 м3/сут, водоотбор из карьера
Объединенный 4 000 м3/сут, уровень в Шламоотстойном пруду не превышает 517 м)
—Объединенный -щ— Шламоотстойный
1 тело---------5 тело - * - 6 тело
Рис. 3. Обоснование долго- и среднесрочных водоохранных мероприятий на Узельгинском руднике
понижения в наблюдательной скважине достигнет максимального положения, расход откачки уменьшается и решается следующая прогнозная задача определения временного промежутка. И так далее до окончания срока эксплуатации дренажной системы.
Для оптимального режима осушения населенного пункта Ме-жозерный дебит откачки должен составлять из двух скважин 1,5 тыс.м3/сут в течение двух месяцев. В дальнейшем дебит работы дренажных сооружений может быть уменьшен до 0,75 тыс.м3/сут, при этом ожидаемое значение предотвращенного ущерба (в соответствии с [6]) составит на пятый год прогноза порядка 1,5 млн. руб.
Мероприятия средней срочности
В соответствии с предлагаемой дифференциацией водоохранных мероприятий в качестве мероприятий средней срочности для Узельгинского рудника вариантным моделированием доказано, что наиболее экономически и экологически эффективным является строительство нового пруда-отстойника и перенос очистных сооружений. При этом освободившиеся мощности используются для очистки дополнительно откачиваемой воды из карьера Объединенный. В случае реализации этих мероприятий разгрузка подотваль-ных вод уменьшится на порядок до 1-1,5 тыс.м3/сут, а уровень воды в карьере Объединенный понизится на 5-10 м, что позволит частично снять проблемы с развитием процесса подтопления.
Решение прогнозных фильтрационных задач, имитирующих затопление Левихинского рудника, позволило определить зоны выхода шахтных вод на поверхность, скорость заполнения подземных выработок, области подтопления. Было установлено, что подземные выработки будут полностью затоплены за 3 года, наибольший расход шахтных вод ожидается в районе бывшей шахты Левиха XIV - до 2 тыс.м3/сут, где в случае отсутствия дренажных мероприятий вероятно образование техногенного водоема, заполненного кислыми водами.
В случае бесконтрольного затопления рудника фронт загрязнения от затопленного Левихинского рудника достигает р. Тагил за 5 лет и характеризуется следующими средними концентрациями на участке разгрузки загрязненных подземных вод по основным компонентам-загрязнителям: медь - 50 мг/л, цинк - 150 мг/л. Наиболее эффективным водоохранным мероприятием средней срочности в такой ситуации является использование горизонтального дрена-
жа, перехватывающего загрязненные подземные воды к востоку от рудника и отводящего их в существующий пруд-отстойник. В случае реализации этих мероприятий содержания меди и цинка на участке разгрузки подземных вод составят, соответственно, 0,7 и 2 мг/л.
Приведенный прогноз полностью подтвердился при затоплении рудника в 2003-2005 году. Строительство станции перекачки в районе бывшей шахты Левиха XIV, где произошло формирование техногенного водоема, обеспечило возможность своевременного перехвата и последующей очистки кислых вод и предотвратило поступление значительных объемов загрязненных вод в р.Тагил и фактически предотвратило экологическую катастрофу в этом районе.
Долгосрочные мероприятия
Долгосрочные водоохранные мероприятия на Узельгинском руднике могут быть совмещены с организацией осушения верхних этажей Узельгинского месторождения, планируемых к отработке шахтой. В качестве вариантов рассматривались: дренажный (наиболее эффективное водопонижение над рудными телами, перераспределение водоотбора в процессе отработки) и водохозяйственный - увеличенный водоотбор и фиксированное расположение дренажных скважин. Как показали вариантные расчеты, с экологоэкономических позиций более эффективным является водохозяйственный вариант, при котором проектируемый северный дренажный узел выполняет роль барража, перехватывая загрязненные подземные воды из карьера Объединенный. В этом случае воды южного дренажного узла будут удовлетворять санитарным нормам и могут использоваться для хозяйственно-питьевого водоснабжения поселка и предприятия.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мироненко В.А. Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэколгии. Монография в 3-х т. М.: Изд-во МГГУ, 1999.
2. Шестаков В.М. Принципы геофизико-экологического мониторинга // Геоэкология. 1999. № 4. С. 362-365.
3. Rosen L., LeGrand H.E. An outline of a guidance framework for assessing hydrogeological risks at early stages // Ground Water. 1997. № 2. Р. 195-204.
4. Фельдман А.Л. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Оптимизация защиты подземных и поверхностных вод в районах ликвидируемых горнодобывающих предприятий Урала: геоэкологические и экономические аспекты // Вода: экология и
технология: Тезисы докладов шестого международного конгресса «Экватэк-2004» (Москва, 1-4 июня 2004 г.). М.: «Фирма СИБИКО Интренэшнл», 2004. С. 221-222.
5. Фельдман А.Л. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Мониторинг подземных и поверхностных вод в горнодобывающих районах (на примере Урала) // Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы. СПб.: СПбГУ, ВВМ, 2008. С. 298-307.
6. Методические рекомендации по оценке риска и ущерба при подтоплении территорий / под ред. Н.П. Куранова, С.В. Верле, Л.Н. Копейкина и др. М.: ФГУП НИИ ВОДГЕО ДАР/ВОДГЕО, 2001. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Рыбникова Л.С. - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник,
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
E-mail: [email protected]
Фельдман А.Л. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, директор,
Рыбников П.А. - кандидат геолого-минералогических наук, главный инженер,
НПиПП «ПАНЭКС», г. Екатеринбург.
