CC BY
74
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
© Е.Ю. Куликова, 2001
УДК 622.581.5:53.05
Е.Ю. Куликова
ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОРЕОЛОВ РАСТЕКАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Г
ородские коммунальные тоннели могут служить активным источником загрязнения подземных вод, так как содержат значительное количество болезнетворных микроорганизмов. Эксфильтрация содержимого этих тоннелей приводит к заражению среды обитания человека через подземные воды. Известны случаи, когда микробы дизентерии и паратифа выносились из коллекторов подземными водами в колодцы селений в радиусе 40 км от границ Москвы. Анализ сточных вод из 14 московских коллекторов показал, что в 10 из них содержание нефтепродуктов превышает норму (Н=4 мг/л) в среднем в три раза; в трех коллекторных тоннелях содержание меди выше в 1,6-2,2 раза (Н=0,5 мг/л), цинка (Н=1,0 мг/л) - в 1,4-2,9 раза; в четырех коллекторах содержание хрома выше в 1,1-1,4 раза (Н=0,1 мг/л) и в двух из них кадмия содержится в 1,1-2 раза (Н=0,1 мг/л) выше нормы [1]. При попадании указанных соединений и элементов в подземные воды неизбежно заражение подпитываемых ими водоемов.
Изменение исходной гидрохимической обстановки обусловлено инфильтрацией из поверхностных техногенных бассейнов сточных растворов коммунального подземного строительства. Загрязненные воды могут поступать с поверхности, нарушенной строительными работами, из старых коммунальных горных выработок или загрязненных естественных водоемов. Миграция промышленных стоков от поверхностных бассейнов - не единственный путь загрязнения подземных вод. Снижение напоров при дренажных работах и развитие техногенной трещиноватости способствует усилению перетекания вод из смежных (более глубоких) горизонтов, которые отличаются худшим качеством; отжатию минерализованных поровых растворов из слабопроницаемых слоев и блоков; перетоку некондиционных вод через незатампонирован-ные скважины.
По характеру структуры миграционного потока выделяют:
а) ореолы растекания -
вождаются подчиненным
ем поперечной дисперсии [2], что является характерным для намически активных источников загрязнения, интенсивность фильтрации из которых заметно
ходит расчетный расход ного потока;
б) ореолы рассеяния -
ны для гидродинамически ных источников (сильно ванные бассейны, промышленные площадки, и т.д.), интенсивность фильтрации из них заметно ет расчетному расходу
го потока и поперечная дисперсия
играет важнейшую роль;
в) области инфильтрации загрязнений (преимущественно, нисходящей).
Процессы загрязнения и истощения ресурсов подземных и поверхностных вод в районах коммунального подземного строительства часто тесно связаны между собой: с одной стороны, осушение водоносных горизонтов усиливает миграцию техногенных растворов загрязнителей и природных некондиционных вод, резко увеличивая опасность загрязнения вод поверхностного и подземного стока. Примером загрязнения окружающей среды вредными компонентами может служить спектр загрязняющих веществ на Кожуховском коллекторном тоннеле (табл. 1 [3]).
С другой стороны, загрязнение непосредственно приводит к сокращению ресурсов подземных (а в ряде случаев и поверхностных) вод, делая их частично, или полностью непригодными для использования в народном хозяйстве.
Подобная взаимосвязь определяет комплексный характер выбора мероприятий инженерной защиты водного бассейна при ведении работ по обеспечению коммунального подземного строительства. Одним из основных этапов такого выбора является прогноз распространения загрязняющих веществ в массиве пород, вмещающем коммунальный тоннель.
Основные этапы прогнозирования включают:
У выявление и инвентаризацию потенциальных загрязнителей вод и их материнских источников;
У установление путей миграции загрязняющих веществ в водоносные горизонты (механизм загрязнения);
У определение направленности физико химических (контакт разнородных жидкостей и пород) и химикобиологических процессов (новообразования органических соединений, сульфатредукция и т.п.);
Таблица 1
СОДЕРЖАНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДОСБОРЕ КОЖУХОВСКОГО КОЛЛЕКТОРА
Показатель Водосбор
Концентрация взвешенных веществ, поступающих в пруд, мг/л 844,8
На выходе, мг/л 16,9
Вес осадка взвешенных веществ, кг/год 371476
Толщина слоя взвешенных веществ, мм/год 23,5
Концентрация нефтепродуктов, поступающих в пруд, мг/л 15,96
На выходе, мг/л 0,32
Вес разложившихся нефтепродуктов, кг/год 7010
Таблица 2
ПЕРЕЧЕНЬ ПАРАМЕТРОВ, КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПРИ УТЕЧКАХ И В СБРАСЫВАЕМЫХ СТОЧНЫХ ВОДАХ
№ п/п Наименование параметра Диапазон измерения
1. Взвешенные вещества 0-200 мг/л
2. Железо общее 0-15000 мг/л
3. Азот аммонийный 0-50 мг/л
4. Азот нитратов 0-1 мг/л
5. Азот нитритов 0-5 мг/л
6. Хлориды 10-10000 мг/л
7. Сульфаты 10-5000 мг/л
8. Натрий 0-800 мг/л
9. Калий 0-800 мг/л
10. Кальций 0-300 мг/л
11. Магний 0-500 мг/л
12. Фенолы 0-5 мг/л
13. Нефтепродукты 0-100 мг/л
14. Медь 0-1 мг/л
15. Алюминий 0-10000
16. Сульфиды 0-10 мг/л
17. Фосфаты 0-10 мг/л
18. Марганец 0-1,1 мг/л
19. Свинец 0-0,1 мг/л
20. Цинк 0-0,2 мг/л
21. Электропроводность 1-10 сим/см
22. Растворенный кислород 0-10 мг/л
23. РН 4-14
24. Жесткость общая 0-50 мг/л
25. Химическое потребление кислорода 0-200 мг/л
26. Температура 4-40°С
27. Скорость течения 0-3 м/с
28. Уровень 0-15 м
У в случае утечек загрязняющих веществ при аварийной ситуации:
■ определение расчетной продолжительности распространения загрязнений и ликвидации аварии в коммунальном тоннеле в зависимости от сезона года, времени суток, других обстоятельств возникновения аварийной ситуации, наличия транспортных средств и средств ликвидации аварии. В табл. 2 приведен перечень параметров, контролируемых в сточных водах и при утечках из коммунальных тоннелей [3];
■ определение продолжи-
тельности опорожнения секции коммунального тоннеля после перекрытия ближайших задвижек на участке повреждения;
У при утечках загрязнителей на горно-строительной площадке:
■ определение площади и размеров «пятна» растекания загрязнителей по земной поверхности с учетом микрорельефа и других влияющих условий. В зимний период загрязнение локализуется в пределах пятна;
■ для теплого периода расчет дифференцируется для условий отсутствия и наличия стокообразующих осадков. При аварии в теплый период в условиях выпадения стокообразующих осадков или при снеготаянии будут происходить разбавление загрязняющих компонентов и вынос их поверхностным стоком за пределы загрязненного пятна, что должно учитываться в схеме расчета.
Основной вклад в загрязнение вод на стройплощадке вносят автотранспорт, используемый для обеспечения подвоза строительных материалов, и оборудование.
В связи с работой автотранспорта, поверхностные стоки, в основном, загрязнены минеральными взвешенными веществами, нефтепродуктами, горюче-смазочными материалами, которые смываются ливневыми стоками в поверхностные водоемы, вызывая их загрязнение.
Ливневые поверхностные стоки в связи с повышенным, по сравнению с ПДК, содержанием загрязнений, подлежат очистке перед их сбросом в природные водоемы. Объем ливневых стоков складывается из сточных вод, образующихся при мойке автотранспорта qa и дождевых вод qd .
Объем стоков от автотранспорта определяется по формуле:
qa = ql + qg = т + 72N (1)
где ql и qg - объем стоков от легкового и грузового автотранспорта соответственно; п и N - количество легковых и грузовых автомашин соответственно; у1 и 72 - нормы на мойку легковых и грузовых автомашин.
Нормы расхода воды, установленные ПУ "Водоканал" на мытье автотранспорта, составляют:
71=0,3 м - для легкового автомобиля, у2 = 0,5 м - для грузовой машины.
Фактический объем сброса вод составляет: q^= qa - Ща , (2)
где а - коэффициент, учитывающий количество машин, находящихся в дальних поездках или ремонте, а =0,3.
Г одовой объем стоков от мойки автотранспорта на территории стройплощадки определяется как:
Q = 365 qf (3)
Объем стоков при односменной г-часовой работе автотранспорта, обслуживающего коммунальное подземное строительство, определяется формулой:
%ГТг
ч*™~ 24 , (4)
где Т - количество часов в рабочей смене.
Оценка экологической надежности и безопасности рассматриваемого участка коммунального строительства осуществляется путем сравнения расчетного расхода стоков от мытья автотранспорта и пропускной способности очистных сооружений, обслуживающих данное коммунальное строительство.
Расчет величины выноса загрязняющего вещества с территории стройплощадки определяется по формуле:
М = С- V, (5)
где М - годовой вынос загрязняющего вещества, кг; С -содержание загрязнителей в стоке, кг/м3; V - объем среднесуточного стока, м3.
Среднее содержание загрязняющего вещества в совокупном сбросном стоке определяется как:
с
IV-
(6)
где ЕМі - сумма выносов частных стоков; ЕУі - сумма частных объемов стока.
Прогноз нарушений в гидрогеохимическом режиме подземных вод в результате функционирования коммунального подземного объекта, требует определения показателей, так или иначе отражающих интенсивность техногенного загрязнения и природного самоочищения подземных вод. С этой целью наряду с характеристиками гидродинамического режима и фильтрационными свойствами пород оцениваются миграционные параметры водоносных горизонтов, а также параметры переноса загрязняющих веществ через зону аэрации. Одновременно изучается физико-химическая и биологическая трансформация мигрантов, поступающих в подземные воды с территории горно-строительной площадки, и определяются показатели, необходимые для прогноза возможного подтока естественных высокоминерализованных растворов или подземных вод пониженного качества, образующихся в результате растворения и выщелачивания пород в зоне интенсивного водообмена, обусловленного дренажем.
Перечень необходимых миграционных параметров, характеризующих динамику переноса инертных (на вступающих в физико-химическое взаимодействие с породой)
загрязняющих компонентов, во многом определяется ли-толого-структурными особенностями пород. Так, для песчано-глинистых вмещающих массивов, в подавляющем большинстве случаев достаточно определения пористости.
Для прогноза миграции загрязняющих компонентов через зону аэрации дополнительно определяют скорость движения фронта просачивания инфильтрационных вод под действием гравитационных и сорбционнокапиллярных сил. Она характеризует защищенность водоносных горизонтов от поверхностного загрязнения.
Если не исключена возможность загрязнения водоносных горизонтов за счет развития процессов перетекания минерализованных вод, свойственных породам нижних структурных этажей, то необходимо определять параметры миграции пород, залегающих значительно ниже подошвы коммунального подземного сооружения.
В комплекс гидрохимических исследований включается получение показателей химических и физических свойств сточных растворов, накапливаемых в старых коммунальных выработках. Для оценки процессов самоочищения загрязненных подземных вод дополнительно должны изучаться показатели сорбционного обмена, деструкции и др.
Прогнозные оценки изменения качества подземных вод в процессе загрязнения водоносных горизонтов в коммунальном подземном строительстве и при глубоком водопонижении выполняются по следующим направлениям:
1. определение путей и скоростей переноса загрязнителей в водоносных комплексах и предсказание продолжительности движения фронта загрязнения до ближайших охраняемых объектов, в частности водозаборов;
2. оценка предельных концентраций компонентов в водах, откачиваемых водозаборами и дренажными устройствами на различных стадиях функционирования коммунального подземного сооружения;
3. расчетное обоснование границ зоны санитарной охраны водозаборов и мероприятий инженерной защиты подземных вод района от загрязнения.
Основу таких прогнозов составляют аналитические расчеты и моделирование на базе теории фильтрации и массопереноса в подземных водах.
Решающую роль при построении расчетных моделей миграции, на основе которых осуществляют гидрогеохимическое прогнозирование, играет миграционная схематизация процессов и условий массопереноса в водоносных пластах. Для условий, при которых фильтрационная картина не зависит от переноса вещества, выделяют два этапа:
■ фильтрационную схематизацию условий миграции;
■ схематизацию процесса массопереноса (миграционная схематизация).
Фильтрационное обоснование профильной структуры моделей массопереноса должно отражать реальное распределение расхода фильтрационного потока по отдельным профильным элементам массива, вмещающего ком-
мунальный тоннель. Процессы переноса вещества развиваются гораздо медленнее фильтрационных возмущений, поэтому допустимо рассматривать миграцию вредных компонентов на фоне квазистационарного фильтрационного поля. Существует, однако, класс задач, для которых фильтрационная и миграционная части не могут анализироваться в рамках взаимно независимых моделей. Это, прежде всего, касается условий, когда под влиянием миграционного процесса формируются поля с переменной плотностью растворов, резко меняющие исходную фильтрационную картины. Возможны также случаи, когда в процессе миграции меняются исходные фильтрационные свойства (например, в результате химического растворения или осаждения).
Миграционная схематизация состоит из двух аспектов:
1. схематизации механических процессов массопе-реноса, определяющих миграцию компонентов без учета их участия в гидрогеохимических преобразованиях. В данной модели рассматривается двумерный или одномерный массовый поток. Исходным является анализ пространственной структуры фильтрационного течения. Это позволяет выделить две основные формы миграционных потоков - ореолы растекания от гидродинамически активных источников загрязнения и ореолы рассеяния от гидродинамически пассивных источников;
2. схематизация физико-химических процессов, определяющих направленность трансформации состава мигрирующих растворов, в частности их самоочищение от загрязняющих компонентов. Она основана на учете разнообразных взаимодействий в сложных многокомпонентных системах через традиционно используемые однокомпонентные модели. Такого рода упрощения достигаются путем представления равновесных межфазовых процессов (сорбция, ионный обмен) условными опытными изотермами, характеристики которых адаптивно включаются в расчетные емкостные параметры пород (например активную пористость (трещиноватость)). Внутрифазовые процессы (деструкция) носят ярко выраженный неравновесный характер и требуют отражения в модели в явном виде.
Подобное моделирование служит не только для прогноза характера распространения загрязнений в массиве горных пород тили в водоносной структуре, но и позволяет представить процесс более наглядно и учесть все сопутствующие факторы.
Затем приступают к следующим исследованиям, которые включаются в систему оценки влияния выявленных источников загрязнения подземных вод на состояние окружающей среды при эксплуатации и консервации коммунального подземного сооружения и в разработку рекомендаций по предотвращению (снижению) загрязнения подземных вод загрязняющими компонентами:
У изучение материалов по гидрогеологическим и горногеологическим условиям эксплуатации коммунального тоннеля с целью оценки изменения экологической
обстановки под воздействием ведения горностроительных работ;
У полное гидрохимическое опробование поверхностных и подземных вод в районе размещения коммунального подземного сооружения с целью изучения и оценки химического состава природных и техногенных вод;
У лабораторные исследования отобранных проб воды, выполнение химических и спектральных анализов;
У анализ, обобщение и обработка полученных результатов полевых и лабораторных исследований;
У экологическая оценка влияния коммунального подземного сооружения на загрязнение подземных вод;
У разработка рекомендаций по предотвращению (снижению) отрицательного воздействия коммунального подземного сооружения на подземные воды.
Все существующие методы прогноза возникновения ореолов растекания загрязняющих компонентов в массиве горных пород существуют в отрыве от учета системы взаимодействия и взаимовлияния компонентов системы «коммунальное подземное сооружение - массив вмещающих пород - подземные воды - принятая технология
- окружающая среда» друг на друга. Кроме того, не учитывается, что подземные воды являются самым подвижным компонентом природной экосистемы, наиболее чутко реагирующим на любое техногенное вмешательство. Принимая во внимание факт подвижности подземных вод и взаимосвязанность всех элементов природной экосистемы, система мониторинга и последующего выбора мероприятия инженерной защиты окружающей среды от загрязнения, должна основываться на пересчете количественных и качественных изменений в природе под влиянием коммунального подземного строительства на изменение в гидросфере.
Изучение условий формирования загрязнения района коммунального подземного строительства, включая первичную концентрацию всех источников выбросов, является основой для разработки сети мониторинга, определения точек контроля, объема и состава необходимых данных по контрольным постам, периодичности отбора проб и передачи полученных результатов для последующей оценки.
Для правильности оценки фактического влияния объекта коммунального подземного строительства на окружающую среду требуется рассмотрение новой для биосферы формации - систем технобиогеоценоза.
Одним из негативных последствий техногенного вмешательства в природную экологическую систему является ее загрязнение, причем максимальный прирост токсичной массы приходится на долю поверхностных вод. Куда бы ни направлялись отходы, они неминуемо проявят свое влияние на поверхностные воды, что дает основание проводить все расчеты применительно к гидросфере при условии приведения действия всех загрязнителей на эквивалентное загрязнение воды.
Необходимость принятия данного положения связана также с тем, что сегодня мы имеем только один четкий
критерий для оценки мероприятий по охране окружающей среды - тарифы на воду.
Сравнить различные источники вредных выбросов в окружающую среду можно при помощи индексов относительной токсичности:
10 =
ПДК1
ПДК,
(7)
где ПДК1 - предельно допустимая концентрация условного вещества, принятая за эталон; для водных объектов равна 1 мг/л; ПДК - предельно допустимая концентрация сравниваемого ,-го вещества.
Индекс I позволяет оценить токсичность загрязнения окружающей среды:
ПДКХ
- единичного I, = С^0 = С,
ПДК,
(8)
(9)
N
- общего ^=21
(10)
г=1
где С, - концентрация ,-ого вещества в выбросах.
Исходя из санитарных нормативов, для одной природной сферы должно соблюдаться следующее условие: <1. (11) Куда бы ни поступали выбросы вредных веществ, максимальный прирост токсичной массы приходится на долю поверхностных вод. Это позволяет все расчеты производить применительно к гидросфере при условии приведения в действие всех загрязнителей на эквивалентное загрязнение воды.
Нахождение условий приведения всех загрязнителей на эквивалентное загрязнение воды отражает следующая система уравнений:
^ ПДКа.в. = -2 + 0•86lg пПДКв.п.п.;
^ ПДКа = 0,611е ПДКв п п., ( )
где ПДКа.в - предельно допустимая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе, мг/м3; ПДКе - предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе производственных помещений, мг/м3; ПДКв.п.п - предельно допустимая концентрация вредного вещества в водоеме, мг/л.
Решение вышеприведенной системы уравнений показывает, что
ПДКа.в = 0,01ПДКв141. (13)
Учитывая, что эталонная величина ПДКв = 1 мг/л для воды, эталонная величина для атмосферного воздуха будет соответствовать ПДКав = 0,01 мг/л.
Приведение действия твердых веществ к эквивалентному загрязнению воды осуществляется по растворимой части водной вытяжки с помощью лабораторного анализа ее состава и определения коэффициента растворимости.
Общее относительное загрязнение окружающей среды определяется по формуле:
1об =1ж+1г+1т!+а1т , (14)
где 1ж., 1г,, 1т - относительная токсичность жидких, газообразных и твердых выбросов вредных веществ в окружающую среду; а - коэффициент растворимости твердых веществ в долях единицы.
При наличии одного загрязняющего вещества одновременно в воздухе, воде и почве, необходимым санитарно-гигиеническим условием является неравенство:
Ж +1гг +1т1 +И <1. (15)
Для пересчета любых загрязнителей на эквивалентное загрязнение воды определение соответствующей относительной токсичной массы выброса осуществляется по формулам:
- единичного т,=1,У,; (16)
- группового тп=1пУп; (17)
- общего т^/=1^1 (18)
где V,; Уп; VN - объем единичного, группового и общего выброса вредных веществ в окружающую среду.
Для общей характеристики вредного выброса в окружающую среду принимают единицу относительной токсичности массы, характеризующей загрязненность среды (природной, техногенной) объемом 1 м3 при значении индекса относительной токсичности 10 =1 и содержании 1 кг токсичной массы. Эта единица является производной международной системы единиц СИ и условно обозначается етм.
При наличии в сточных водах, направляемых в водоем, одновременно загрязняющих веществ, относящихся к разным группам по лимитирующим показателям вредности: санитарно-токсиколо-гического (СТ), токсикологического (ТЛ) и общесанитарного (ОС) действия, следует (при необходимости) привести к суммарным значениям относительной токсичной массы внутри каждой группы Мст, Мтл, Мос к общей величине:
Моб =£МСт+£Мтл+£Мос , (19)
Сопоставление Моб (или т) конкретных источников выбросов позволяет определить приоритетные направления природозащитных мероприятий по сравнительной оценке мощностей выбросов в окружающую среду.
Этот расчет включается в систему мониторинга подземных вод - окончательного этапа прогноза миграции загрязнений в окружающую среду.
Мониторинг подземных вод является частью более общей системы - экомониторинга. В системе мониторинга используются следующие методы:
1. аналитический, т.е. определение с помощью инструментальных или лабораторных устройств и приборов химического состава и свойств проб газообразных и водных сред;
2. биоиндикационный, т.е. определение интегральных характеристик состояния воздуха, воды, почвы по параметрам растительных и животных сообществ;
3. гидрогеологический, основанный на исследовании элементов и параметров естественных или искусственно возмущенных фильтрационных полей;
4. геофизический, позволяющий судить о влажности, солености, напряженном состоянии, направлении движения потока подземных вод и искусственных грунтов;
5. дистанционный, основанный на использовании и обоснованных способах интерпретации и дешифрирования аэро- и космоснимков.
В системе мониторинга подземных вод выделяют три основных метода управления подземными водами: охрана, защита и реабилитация.
Под охраной подземных вод понимается комплекс запретительных и разрешительных мер, направленных на профилактику негативных изменений качественных и количественных характеристик подземных вод. Примером такого типа управления может служить назначение зон и округов санитарной охраны водозаборов, для проектирования которых имеются соответствующие нормативнометодические материалы (СНиП, СанПиН и т.п.).
Защита подземных вод подразумевает комплекс инженерных воздействий на них и другие компоненты экосистемы с целью ограничения в пространстве и времени негативного влияния коммунальных подземных сооружений и/или хозяйственной деятельности.
Применяемые в настоящее время меры защиты сводятся к следующим: искусственное пополнение запасов подземных как средство защиты от истощения; изоляция потенциального или функционирующего источника загрязнения от подземных вод с помощью экранов, завес, дренажей и других средств; локализация пятен загрязнения подземных вод с помощью отвлекающих водозаборов, создания противофильтрационных завес, барражей, «стен в грунте» и т.п.
Под реабилитацией подземных вод понимается возвращение им (вместе с другими компонентами экосистемы) экологически приемлемых свойств и качеств. Для этого могут использоваться меры профилактики в сочетании с мерами инженерного воздействия, а также биологические, химические, социальные средства.
Примером реабилитации могут служить очистка водоносных пород и пород зоны аэрации от нефтепродуктов с помощью различных культур микроорганизмов.
Все методы прогноза загрязнения водного бассейна под влиянием подземного коммунального строительства должны базироваться на количественном и качественном аспектах риска загрязнения окружающей среды и комплексном подход к системе «коммунальное подземное сооружение - массив горных пород - подземные воды -принятая технология - окружающая среда».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Под ред. Юшманова. - М.: Агропромиздат, 1985.
2. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. - М.: Недра, 1983.
3. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в
России. - Уч. и справочное пособие. -М.: Финансы и статистика, 1999, 672с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------
,___________________________________________________________________________________________6}
Ста
Куликова Елена Юрьевна - доцент, кандидат технических наук, докторант кафедры «Строи-тельство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
