CC BY
1
УДК 504.062
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЫЛЕПЕРЕНОСА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА БЛАГОДАТСКОЙ ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКИ С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
Н.М. Качурин, Д.А. Амбарцумов, Г.Г. Лускин, Ю.Н. Грязнов
Рассмотрены физико-географические и климатические условия района расположения хвостохранилища Благодатской обогатительной фабрики, положенные в основу математического моделирования процессов пылепереноса с поверхности намывных техногенных отходов, при заданных направлениях и скорости ветра. Получена трехмерная модель поверхности хвостохранилища, путем обработки натурных данных полученных с применением gnss приемника, путем построения полигональной модели поверхности из координатных отметок высот, с последующим преобразованием настоящей модели из полигональной в твердотельную.
Ключевые слова: гидрометеорологические изыскания, отходы обогащения, техногенный массив, аппроксимация, пылеперенос, математическое моделирование, конвективно-турбулентная диффузия.
Краткая физико-географическая характеристика района работ.
Участок изысканий представляет собой площадку, расположенную в пади Малый Зерентуй (рис. 1.), на которой размещены намывные техногенные отвалы (хвосты) разделенные между собой оградительными дамбами, а также частично разрушенные производственные здания бывшей Благодасткой обогатительной фабрики.
В геоморфологическом отношении территория сельского поселения представляет собой преимущественно гористую территорию в сочетании с речными долинами, межгорными впадинами и понижениями.
По ресурсам поверхностных вод поселение относится к малообеспеченным.
Степень заболоченности территории незначительная. В горах могут встречаться верховные болота.
На территории сельского поселения находятся залежи полезных ископаемых: цинк, свинец, железо.
Рис. 1. Ситуационный план участка проведения изысканий
Климатические характеристики района. Район работ согласно Приложению А СП 131.13330.2020 относится к I В строительному климатическому району [5].
Климат Восточного Забайкалья, как и территории всего Забайкальского края, суровый, резко континентальный, что определяется положением ее внутри материка и высокой приподнятостью над уровнем моря. Он характеризуется отрицательной среднегодовой температурой воздуха (-2,7 °С и -3,6 °С), большими суточными и годовыми амплитудами ее, высоким давлением воздуха в течение зимнего периода. Отрицательные среднегодовые температуры воздуха в основном определяются низкими зимними значениями. Продолжительность периода с отрицательными температурами воздуха в среднем достигает 6 месяцев. Наиболее холодными месяцами являются декабрь, январь, февраль, наиболее теплым - июль. Максимальные среднемесячные температуры воздуха в зимний период -28...38 °С, максимальная среднемесячная температура воздуха летом в пределах +14,6.17,0 °С (табл. 1-3).
Среднегодовое количество осадков за многолетний период по данным метеостанции Нерчинский Завод составляет 409,4 мм, по данным метеостанции Вершино-Шахтаминский - 530.610 мм. Основная масса атмосферных осадков выпадает летом, наибольшее количество их приходится на июль-август. Зимой за 6 зимних месяцев суммарная величина осадков составляет 10.15 % их готового количества.
Таблица 1
Показатели среднемесячной и годовой температуры воздуха на территории сельского поселения «Горный Зерентуй»
Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год
Показатель, оС - 28,6 - 23,5 - 12,9 + 0,0 + 8,9 + 15,5 + 18,8 + 15,9 + 8,9 а, о" - - 15,2 - 25,8 <4 -
Таблица 2
Климатические параметры холодного периода года на территории сельского поселения «Горный Зерентуй»
№ п/п Показатель Ед. изм. Значение
1 Температура воздуха наиболее холодных суток оС -45
2 Температура воздуха наиболее холодной пяти-дневки оС -43
3 Абсолютная минимальная температура воздуха оС -53
4 Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца % 78
5 Количество осадков за ноябрь-март мм 32
6 Преобладающее направление ветра за декабрь-февраль - СЗ
Таблица 3
Климатические параметры теплого периода года на территории сельского поселения «Горный Зерентуй»
№ п/п Показатель Ед. изм. Значение
1. Барометрическое давление гПа 935
2. Средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого месяца оС +25,2
3. Абсолютная максимальная температура возду-ха оС +40
4. Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее теплого месяца % 59
5. Количество осадков за апрель-октябрь мм 375
6. Суточный максимум осадков мм 78
7. Преобладающее направление ветра за июнь-август - СЗ
Снежный покров незначителен - в среднем 8...9 см. в отдельные годы достигает 11.16 см. Распределение снежного покрова в плане крайне неравномерное. Имеются участки, совершенно лишенные снега. Ложась уже на мерзлую землю снег, сдувается ветром в пониженные участки рельефа, значительная часть испаряется до начала снеготаяния (рис. 2).
Рис. 2. Роза ветров за многолетний период
Геологическое строение. Стратифицированные образования территорий, в пределах которых расположен участок изысканий, представлены следующими подразделениями:
Венд.
Балетуйская свита. Верхняя подсвита (УЫ2). Алевролиты, песчаники, известняки, доломиты, туфопесчаники, туфы, андезиты.
Ранний кембрий.
Быстринская свита (€1 Ьб) представлена глинистыми сланцами, алевролитами, известняками и песчанниками.
Ранняя юра.
Таменгинская свита (Д^ш). Песчаники, алевролиты, аргиллиты, конгломераты. Голоцен (Он)/
Аллювиальные отложения поймы реки Малый-Зерентуй преимущественно суглинистого состава с прослойками песка, песчано-гравийных слабо глинистых разностей. В целом отложения характеризуются изменчивостью фациального состава, невыдержанностью литологических разностей в плане и по разрезу (рис. 3).
Рис. 3. Геологическая карта района
Сейсмичность. Согласно списку населенных пунктов Российской Федерации по сейсмичности СП 14.13330.2018 территория проведения инженерных изысканий по сейсмической интенсивности в баллах шкалы МБК 64 для средних грунтовых условия и степени С (1 %) сейсмической опасности в течении 50 лет имеет 8 баллов [6].
Карты ОСР-2015-А, ОСР-2015-В, ОСР-2015-С отражают 10 %, 5 %, 1 %-ую вероятность превышения в течение 50 лет интенсивности сейсмических воздействий равных соответственно - 6 баллам, 7 баллам, 8 баллам шкалы МБК-64 [6].
Рельеф. Основу рельефа территории составляют низкогорные массивы с абсолютными отметками 816-852 .
Формы рельефа обусловлены литологическими и тектоническими особенностями слагающих его пород. Положительные формы рельефа приурочены к участкам, сложенным доломитизированным известняками, окварцо-ванными сланцами и, отчасти, гранитами. Сглаженными формами рельефа обладают участки развития мезозойских и меловых кластических пород. Большое разнообразие пород и частая их перемежаемость в пространстве обуславливают довольно сложную общую морфологию рельефа.
В геоморфологическом отношении поверхность участка видоизменена в результате складирования техногенных намывных отвалов (рис. 4-7).
Рис. 4. Общий вид территории Рис. 5. Общий вид территории 1 пруда накопителя 2 пруда накопителя
Рис. 6. Общий вид территории 3 Рис. 7. Общий вид территории
пруда накопителя 3 пруда накопителя
По своим морфодинамическим характеристикам поверхность хвосто-хранилища можно разделить на несколько зон (рис. 8).
Примерно 70 % промоин расположено в промежуточной зоне («озеро») и около 30 % в прудковой зоне, где сосредоточены устьевые части промоин и аккумуляционный материал эрозии, частично выносясь через колодец за пределы хвостохранилища.
Эрозионные процессы (эоловые и аллювиальные) носят пульсацион-ный характер, активизируясь во время сильных ветров (ветровая эрозия) и во время ливней (водная эрозия).
Рис. 8. Эрозионные процессы на хвостохранилище
Методика производства полевых работ и камеральная обработка результатов полевых работ. Полевые гидрометеорологические работы выполнялись в соответствии с «Наставлениями гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 6. Часть 1. Гидрометеорологические наблюдения и работы на реках» (Л.: Гидрометеоиздат, 1957) [3].
Окончательная камеральная обработка материалов полевых работ производилась согласно требованиям СП 493.1325800.2020 «Инженерные изыскания для строительства в районах распределения многолетнемерзлых грунтов. Общие требования» [7], СП 47.13330-2016 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96» [8] и СП 482.1325800.2020 «Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства» [9].
Конвективно-турбулентный диффузионный перенос пыли в приземном слое атмосферы зоны действия хвостохранилища. Экспериментальные данные об интенсивности пылеуноса в рассматриваемом диапазоне скоростей для различного дисперсного состава и влажности породной массы при постоянном и пульсирующем потоке воздуха (табл. 4) свидетельствуют о том, что для частиц установленного размера величина пылеуноса резко возрастает при скорости воздуха, превышающей 5 м/с [2].
Таблица 4
Изменения интенсивности уноса пыли при различных аэродинамических
условиях
Время, мин 3 5 Интервал пульсаций 30 с
Скорость, м/с Изменение массы, мг
2,5 0,07 0,07 0,11
0,03 0,03 0,05
4,0 0,10 0,08 0,05
0,17 0,10 0,06
5,0 4,95 4,55 6,90
4,25 5,65 5,75
7,0 6,59 7,25 7,35
6,35 6,91 7,12
В общем случае необходимо учитывать осаждение пыли в процессе переноса ее воздушным потоком. Расчетная схема конвективно-турбулентного диффузионного переноса пыли в приземном слое атмосферы зоны действия хвостохранилища с учетом седиментации представлена на рис. 9 [1].
Уравнение конвективно-турбулентной диффузии пыли в приземном слое атмосферы зоны действия отвала имеет следующий вид:
дсп дсп д2сп ...
+ = Dn—f - kweCn, (1)
dt дх дх
где сп - концентрация пыли в воздушном потоке; и - средняя скорость воздуха с подветренной стороны отвала; Dn - коэффициент турбулентной диффузии пыли в приземном слое атмосферы; к - коэффициент седиментации; we -скорость витания пыли в воздухе. Начальное условие:
Cn (z,0) = 0. (1.1)
Граничные условия:
сп(0,t) = сн = const, lim сп (1.2)
Решение уравнения (1) для условий (2) - (3) получено в следующем
виде:
Рис. 9. Расчетная схема конвективно-турбулентного диффузионного переноса пыли в приземном слое атмосферы с учетом ее седиментации
сп ( х, г ) = °,5сн ^
^0,5и л -х
V »п у
exp
-0,5
и
4км>а ■ +--
О Оп
х
X
\erfc
0^
\
xerfc
0,25
( 2 и Л1 — + 4Ыа О
V п
+ exp
0,5
'и2 4ки---1---
, , °п у
V 1 п "у
X
X
0^ +\
0,25
V »п
+ 4кж,
(4)
Результаты вычислительного эксперимента с использованием зависимости (4) представлены рис. 10.
Оп(хД)
0.3
0.6
0.4
0.2
0
Рис. 10. Распределение пыли в воздушномпотоке, обтекающем хвостохранилище: Сп(х4) = сп (х,1)/сь; 1 -* = 3 мин; 2 -* = 5 мин; 3 -* = 7
мин; 4 -* = 9 мин; 5 -* = 16 мин
Анализ результатов вычислительного эксперимента показал, что в процессе переноса пыли происходит довольно интенсивное ее осаждение и накопление на внешней поверхности почвы. При этом интенсивность осаждения пыли во многом определяется величиной скорости витания пыли и значением коэффициента седиментации. В зависимости от скорости ветра и длительности его действия пыли малых фракций могут распространяться на значительные расстояния от пылящего в теплый период года хвостохранили-ща. Этот факт подтверждается и результатами натурных наблюдений [2].
Таким образом, при оценке воздействия пыли породных отвалов на окружающую среду необходимо решать нестационарную задачу, чтобы прогнозировать динамику пылевой ситуации в зоне действия хвостохранилища.
Разработка расчетной модели и визуализация процесса ветровой эрозии (пыления) намывных отвалов техногенных отходов Благодатской обогатительной фабрики. Согласно ОРБ-координатам, определенным на поверхности отвала с использованием приемника [4, 10], в специальном программном обеспечении была создана 3ё-модель рассматриваемого отвала. Изначально модель представляет собой набор соединенных между собой
2 5 :
3 1 4 \
О 100 2 00 300
х, м
плоскостей (более 350) в виде треугольников и многоугольников, вершинами которых являются указанные выше точки (рис. 11.).
ЙОД) 73)00
Рис. 11. Построение полигональной модели поверхности
хвостохранилища
Для моделирования процесса обтекания поверхности отвала ветром начальная 3d модель была сглажена (аппроксимирована) более сложными, но не ломанными поверхностями. Аппроксимированная модель для анализа представлена на рис. 1 2.
Рис. 12. Аппроксимированная модель хвостохранилища
Таблица 5
Расчетная скорость ^ветра_
Направление ветра Скорость ветра, м/с Скорость на поверхности отвала, м/с (расчетные данные)
min max
СЗ 27 9,12 45,59
Расчеты проводились для всех направлений и скоростей ветра, определенных в процессе гидрометеорологических исследований района табл. 5. На рис. 13, представлен результат вычислительного эксперимента по определению очагов распределения скорости ветра на поверхности отвала, методом конечных элементов для наиболее часто повторяющегося направления ветра (северо-запад). Расчётная скорость ветра 27 м/с.
Velocity Contour 1 I—г 4.559е+001
- 4.103е+001
- 3.647е+001 3.192е+001
- 2.736е+001 2.280е+001 1,824е+001 1,368е+001
U9.119e+000
4.559е+000
О.ОООе+ООО [т зЛ-1]
Рис. 13. Распределение скорости ветра на поверхности отвала.
Ветер СЗ. Скорость 27 м/с
Выводы
1. Каждая технологическая схема складирования хвостов обусловливает присущую ей структуру отвала хвостохранилища, которая также ока-
зывает существенное влияние на физико-химические процессы, протекающие в веществе отходов, активность которых в частности зависит от измельчения и перемешивания разнородной горной массы в присутствии кислорода воздуха.
2. Интенсивность пыления хвостохранилища зависит от ряда факторов, основными из которых являются дисперсный состав и влажность пыли, а также направление и скорость ветра.
3. Моделирование аэрогазодинамических процессов при обтекании различных элементов хвостохранилища основывается в общем случае на системе уравнений О. Рейнольдса, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке, которая состоит из основных уравнений сохранения.
4. Дискретизация уравнений движения осуществляется методом конечных объемов. При этом дискретизация расчетной области производится при помощи многоблочных, неортогональных, адаптивных, структурированных сеток, где каждая подобласть представляется в виде трехмерной матрицы сеточных узлов, а в каждом сеточном узле определены все зависимые переменные.
5. Для описания распределения узлов внутри сеточной подобласти вводится понятие потокового элемента, который по своей сути является конечным элементов и на котором определены функции формы конечного элемента.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/.
Список литературы
1. Методические положения комплексной оценки воздействия породных отвалов шахт на окружающую среду / Н.Д. Лёвкин, С.З. Калаева, В.Л. Рыбак, С.М. Богданов // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2016. Вып. 1. С. 43-51.
2. Аэрогазодинамика и перенос пыли техногенных минеральных образований / Н.М. Качурин, Д.О. Прохоров, Д.А. Амбарцумов, И.А. Ерогин // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2023. Вып. 1. С. 531-543.
3. Наставлениями гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 6. Часть 1. Гидрометеорологические наблюдения и работы на реках. (Л.: Гидрометеоиздат, 1957).
4. Основы ГНСС-технологий: учеб. пособие / В. И. Дударев. - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - 60 с.
5. СП 131.13330.2020 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология».
6. СП 14.13330.2018 «Свод правил. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81».
7. СП 493.1325800.2020 «Инженерные изыскания для строительства в районах распределения многолетнемерзлых грунтов. Общие требования».
8. СП 47.13330-2016 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96».
9. СП 482.1325800.2020 «Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства».
10. СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства».
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecologytsu _ tulaa, mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Амбарцумов Дмитрий Александрович, директор по стратегическому развитию, [email protected], Россия, Москва, ООО «НПП «РусХимСинтез»,
Лускин Григорий Геннадьевич, асп., ggluskin a mail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Грязнов Юрий Николаевич, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
MATHEMATICAL MODELING DUST TRANSFER IN THE SURFACE LAYER OF THE ATMOSPHERE OF THE BLAGODATSKAYA TAILING DUMP PROCESSING PLANT TAKING INTO ACCOUNT CLIMA TIC CONDITIONS
N.M. Kachurin, D.A. Ambartsumov, G.G. Luskin, Y.N. Gryaznov
The physical, geographical and climatic conditions of the area of the location of the tailings dump of the Blagodatskaya concentrating plant, which are the basis for mathematical modeling of dust transfer processes from the surface of alluvial technological waste, at given wind directions and speeds, are considered. A three-dimensional model of the surface of the tailings dump was obtained by processing full-scale data obtained using a gnss receiver, by constructing a polygonal model of the surface from coordinate elevation marks, followed by converting this model from polygonal to solid-state.
Key words: hydrometeorological surveys, enrichment waste, technogenic array, approximation, dust transfer, mathematical modeling, convective-turbulent diffusion.
Kachurin Nikolay Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, ecology tsu _ [email protected] , Tula, Russia, Tula State University,
Ambartsumov Dmitry Alexandrovich, director of strategic development, [email protected] , Russia, Moscow, NPP Ruskhimsintez LLC,
Luskin Grigory Gennadievich, asp., [email protected] , Tula, Russia, Tula State University,
Gryaznov Yuri Nikolaevich, asp., [email protected] , Tula, Russia, Tula State University
Reference
1. Methodological provisions of a comprehensive assessment of the impact of rock dumps of mines on the environment / N.D. Levkin, S.Z. Kalaeva, V.L. Rybak, S.M. Bogdanov // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2016. Issue 1. pp. 43-51.
2. Aerogasodynamics and dust transfer of technogenic mineral formations / N.M. Kachurin, D.O. Prokhorov, D.A. Ambartsumov, I.A. Erogin // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2023. Issue 1. C. 531-543.
3. Instructions to hydrometeorological stations and posts. Launch 6. Part 1. Hydromete-orological observations and work on rivers. (L.: Hydrometeoizdat, 1957).
4. Fundamentals of GNSS technologies: textbook. the manual / V. I. Dudarev. - Novosibirsk : SGUGiT, 2016. - 60 p.
5. SP 131.13330.2020 "SNiP 23-01-99* Construction climatology".
6. SP 14.13330.2018 "Code of rules. Construction in seismic areas. Updated version of SNiP II-7-81".
7. SP 493.1325800.2020 "Engineering surveys for construction in permafrost distribution areas. General requirements".
8. SP 47.13330-2016 "Engineering surveys for construction. The main provisions. Updated version of SNiP 11-02-96".
9. SP 482.1325800.2020 "Engineering and hydrometeorological research for construction".
10. SP 11-104-97 "Engineering and geodetic surveys for construction".
