CC BY
59
---------------------------- © В.Б. Добрецов, А.Н. Маковский,
Д.С. Опрышко, 2006
В.Б. Добрецов, А.Н. Маковский, Д.С. Опрышко
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ И ВНУТРИГОРОДСКИХ ВОДОЕМОВ
Гридцать три года назад в своем докладе, прочитанном в Стокгольме на конференции, организованной Международным институтом по вопросам среды и Институтом народонаселения, всемирно известный ученый, путешественник и писатель Тур Хейердал, говоря о роли Океана в жизни Земли писал: "...на самом деле соотношение суши и моря либо тщательно рассчитано, либо являет собой пример исключительно благоприятного стечения обстоятельств. Ибо это соотношение сделало возможным жизнь в той форме, какая известна нам на Земле" [1].
Очевидно, что эти слова относятся ко всей гидросфере нашей планеты помимо непосредственно Океана, включающей также и реки, озера, системы внутригородских водоемов. События последних лет (катастрофические разливы Терека, рек Краснодарского края, постоянное заиление озер) требуют нового масштабного подхода к обеспечению рациональной эксплуатации водоемов, и одной из важнейших составляющих здесь является систематическое удаление донных отложений с их утилизацией и восстановление прежнего русла или конфигурации водоемов.
Водохранилища, снабжающие водой города и другие крупные населенные пункты, а также внутригородские водоемы, имеют первостепенное значение для обеспечения нормальной жизнедеятельности граждан и успешной работы промышленных и иных предприятий. Однако, с учетом вышеизложенного, к настоящему времени проблема качественного состояния и стабильной, успешной эксплуатации водохранилищ, внутригородских водоемов и водотоков становится в разряд серьезных проблем федерального значения.
Т.И. Пеняскин и О.В. Кербель (НТП "Уралгидромехпроект") отмечают [2], что для многих городов Южного Урала (Нязепет-ровск, Сатка, Карталы, Миасс и др.) опыт эксплуатации водохранилищ, питаемых горными реками, показал, что они подвержены многолетнему заилению с ежегодно увеличивающейся мощностью донных отложений. Такое положение с одной стороны приводит к значительному сокращению объемов водохранилищ со всеми вытекающими отрицательными последствиями, а с другой - к резкому ухудшению качества воды (появляется гнилостный запах, увеличивается цветность воды и пр.). Перечисленное способствует образованию благоприятной среды для интенсивного развития донной растительности с ускорением зарастания водохранилищ и их дальнейшего заиления.
В оз. Разлив по данным Л.В. Ангеловой (Центр Госсанэпиднадзора СПб) водохранилище-источнике питьевого водоснабжения содержится более 13 млн м3 илистых осадков [3].
Практически со времени создания не производилась очистка от донных отложений водоемов и водотоков водоподводящей системы г. Петродворца. Лишь в прошлом году экскаваторным способом начались работы на одном из водоемов гидросистемы. Перед этим вода была предварительно удалена, а извлечение донного ила производилось в зимний период после его промораживания. Очевидно, что такой способ не всегда допустим по экологическим соображениям и технологическим возможностям (каналы и водотоки). В то же время необходимо подчеркнуть, что Петродворцовая гидротехническая система, по данным Ленгипроводхоза, состоит из 37 крупных водных составляющих. К ним относятся 16 прудов, 9 каналов и 12 крупных ручьев и рек. Дно всех этих элементов системы покрыто слоем илистых отложений.
Общий полный объем прудов системы составляет 1411 тыс. м3, а протяженность всех водотоков равна 56 км. Из-за сравнительно неудовлетворительного уровня эксплуатации пруды и водотоки подвержены интенсивному заилению. Имеются определенные нарушения целостности откосов (обрушения в воду), крепленных камнем, а также и дна каналов, что необходимо учитывать во время производства ремонтных работ и работ по удалению донных отложений. Помимо илистых отложений на качество воды во всех элементах системы отрицательное влияние оказывают попадающие в нее (и нерегулярно удаляемые) бытовой мусор, павшие деревья
и древесные остатки, отмирающая водная растительность. Вследствие этого в воду поступают дополнительные объемы органических веществ и биогенов, которые также существенно пополняются за счет неорганизованного отдыха на берегах рек и прудов.
Непосредственно в Санкт-Петербурге к настоящему времени насчитывается 66 рек, 38 каналов и 10 озер. Однако, по данным Центра Госсанэпиднадзора СПб [3] их общее состояние вызывает весьма серьезные опасения. Во внутригородских водоемах и водотоках накоплено более 12 млн. м3 донных отложений.
В результате исследований этой же организацией установлено, что основными загрязняющими веществами внутригородских водоемов являются фракции нефтепродуктов, соли тяжелых металлов (кадмий, ртуть, свинец, цинк, никель, хром), пестициды. На дне водоемов города находятся также промышленные отходы, древесина лесосплава, строительный и бытовой мусор различного характера, пластмассы, металлические части, покрышки и пр.
Исследованиями [2] определено, что в донных отложения внутригородских водоемов протекают процессы, как разложения органического вещества, так и синтеза, с чем связана их роль не только в самоочищении, но и в увеличении, как микробного, так и органического загрязнения воды. В связи с этим донные отложения могут представлять серьезную потенциальную эпидемическую опасность и являются показателем эпидемического неблагополучия. При этом очистка городских рек, каналов и прудов является важной частью санитарно-гигиенических и санитарнопротивоэпидемических мероприятий, направленных на предупреждение кризисных условий водопользования и неблагоприятного влияния их на состояние здоровья населения.
В значительной степени загрязнены донные отложения внутренних водоемов Пушкина, Гатчины, Павловска, Ломоносова, Стрельны и других пригородов Санкт-Петербурга, причем мощность донных отложений в ряде из них достигла предельных значений, превышение которых будет означать умирание водоемов.
Здесь уместно привести еще одну цитату из упоминавшегося доклада Т. Хейердала, касающуюся нашего отношения к водным ресурсам Земли: "Всюду сыплются на землю ядохимикаты и всякие отбросы, и все это мы сплавляем в океан - как нерадивая хозяйка заметает мусор под ковер. Мы отлично знаем, что отходы совре-
менного производства по большей части ядовиты и не поддаются разложению". Особая опасность угрожает внутригородским водоемам, поскольку они в большинстве своем мелководны и в минимальной степени способны к самоочищению.
Поскольку капитальная очистка перечисленных (да и огромного множества других) водоемов не производилась практически со времени их сооружения или создания, донные отложения таких водных объектов допустимо отнести к естественно-техногенным подводным месторождениям. Сказанное предопределяет использование при решении проблемы как существующих, так и принципиально новых технических, технологических и организационных решений на базе современных гидромеханизированных способов разработки таких подводных месторождений и оригинальных решений, создаваемых в СПГГИ и ряде других организаций и предприятий (помимо упомянутых в статье).
Что касается водохранилищ, то наиболее распространенным вариантом удаления их излишних донных осадков является гидромеханизированная разработка с использованием зем-снарядов, оснащенных центробежными грунтовыми насосами. Однако практика проведения таких работ с кругооборотом воды выявила определенные недостатки земснарядной разработки донных отложений водоемов. Довольно часто происходит повторное загрязнение и заражение воды очищаемых водохранилищ частицами вскрытых в подводном забое гнилостных прослоек донных отложений, а также фрагментами быстро приживающейся и прорастающей в дальнейшем переработанной в процессе ведения подводных горных работ донной растительности.
При земснарядной очистке Магнитогорского заводского водохранилища особое внимание было уделено качественному осветлению воды на гидроотвале и совершенствованию грунтозаборных устройств земснаряда. Модернизация грунтозаборного устройства позволила сократить просор горной массы в зоне всасывания, уменьшить потери грунта в процессе разработки и качественно улучшить удаление корневой системы донной растительности.
Для устранения перечисленных и некоторых других недостатков использования земснарядов со стандартными рыхлителями были созданы специальные, результаты сравнительных испытаний которых приведены в таблице.
Тип рыхлителя Время чистой работы, ч Выработка, м3 Производительность,
м3/ч %
Двухроторный 36 7560 210 130
Однороторный 42 7730 184 114
Плужный 29 7570 161 100
С целью увеличения глубины очистки водоемов успешно эксплуатируются ковшовые грунтозаборники с дополнительной подачей напорной воды к нижнему срезу всасывающего пульповода. Несвязные илистые отложения водохранилищ удовлетворительно отрабатываются земснарядами с двухступенчатыми гидроэлеваторами. По результатам эксплуатации земснарядов, оснащенных двухступенчатыми гидроэлеваторами, установлено, что производительность их увеличилась на 25%. Это происходило за счет повышения устойчивости работы земснарядов при периодических завалах подводных забоев, стабильности консистенции пульпы и создания подпора грунтовому насосу земснаряда. По нашему мнению подобная техника и технология могут быть достаточно успешно использованы при удалении излишних иловых отложений оз. Разлив, в частности при соблюдении основных требований экологии [3,4].
С.М. Штином [5] (ЗАО "Проимпэкс Интернейшнл") и П.И. По-гожевым (НП "Акватория") отмечается ряд инженерных и инженерно-биологических особенностей, относящихся к проблеме удаления донных осадков внутригородских водоемов, а также к их переработке. В частности, говоря о городских прудах, авторами подчеркивается, что из-за недостаточно полных исследований (что относится и к проблеме в целом) отсутствуют четкие и полные характеристики экосистемы городских прудов: ее элементов, звеньев трофической цепи, возможных направлений и вариантов существования, развития и деградации, какая-либо систематизация, соответственно критерии оценки.
Ими для удаления донных осадков внутригородских водоемов предполагается использовать земснаряды типа 400/20 с оснащением их специальными насосно-ковшовыми агрегатами (погружной грунтовым насос и ковшовое грунтозаборное устройство объединены в один рабочий орган). Транспортирование пульпы должно
осуществляться по резинотканевым плавучим пульповодам (для снижения шумовых нагрузок) до береговых установок, одной из которых является узел обезвоживания донных отложений до влажности 70 % (установка Циклон-центробежный сепаратор). Предварительно пульпа поступает на установки грохочения, где производится выделение песчаной фракции в шлам, затем подается на сепаратор для обезвоживания.
Отмеченное выше с одной стороны подчеркивает остроту проблемы настоятельной необходимости возрождения и рациональной эксплуатации внутригородских водоемов, а с другой - практическое отсутствие систематизированных и целенаправленных исследований и практических работ по ее комплексному решению [6, 7, 8]. Тем более, что рассматриваемая проблема носит многоплановый межотраслевой характер. В связи с этим полагаем целесообразным предложить для обсуждения в качестве первоначального варианта комплексную программу по рассматриваемой проблеме применительно к условиям Санкт-Петербурга и его пригородов.
Проект
УКРУПНЕННЫЙ ПЛАН РАБОТ ПО ЦЕЛЕВОЙ ПРОГРАММЕ "ВОЗРОЖДЕНИЕ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ВОДОХРАНИЛИЩ И ВНУТРИГОРОДСКИХ ВОДОЕМОВ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА, ПРИГОРОДОВ И ГОРОДОВ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Основные характеристики водоемов Водоемы Санкт-Петербурга
Водоемы городов-музеев (Пушкин, Петродворец, Павловск, Ломоносов, Стрельна)
Водоемы населенных пунктов Ленинградской области Мелиоративные сооружения
Анализ современного состояния внутренних водоемов, водохранилищ и гидросистем Качество вод
Состояние береговых откосов и облицовки дна Наличие осадков и донных отложений (степень заиления) Требования к обеспечению нормальной жизнедеятельности и рациональной эксплуатации внутренних водоемов
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОННЫ1Х ОТЛОЖЕНИЙ (ЕСТЕСТ-ВЕННО-ТЕХНОГЕННЫ1Х ЗАЛЕЖЕЙ) ВОДОЕМОВ И ВОДОХРАНИЛИЩ
Анализ технических средств исследования и опробования донных отложений водоемов Черпатели
Буровые и забивные агрегаты Звуколокационная съемка Основные параметры и характеристики залежей донных отложений
Площадь водной поверхности Конфигурация водоема и его дна Мощность слоя воды
Характер дна водоема (искусственный, естественный, прочностные характеристики)
Параметры донных залежей (мощность, длина, ширина, угол падения и пр.)
Распределение материала залежей различного качественного состава и других характеристик по мощности отложений (стратиграфия) и их площадному распространению
Биологический и химический состав отложений Гранулометрические характеристики отложений Прочностные характеристики (консистенция) материала донных отложений
Наличие в донных залежах тяжелых металлов и других загрязнителей
Засоренность воды и донных залежей донной растительностью и крупными инородными предметами
3. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДНОУГЛУБЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДОЕМОВ ОТ ДОННЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
Дноуглубительный флот, условия эксплуатации и состав караванов
Технические средства удаления материала донных залежей внутригородских водоемов
Технология ведения подводных добычных работ Утилизация и захоронение донных отложений
4. ТЕХНИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ДОННЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
Обоснование основных принципов блочно-модуль-ной техники разработки и первичной переработки донных залежей
Модуль удаления инородных предметов и донной растительности
Основные требования к конструкции модуля подготовки массива подводной залежи к выемке
Конструктивная (принципиальная) схема добычного модуля
Грунтозаборные агрегаты добычных модулей Скреперный добычной агрегат и компоновка добычного
модуля
Конструкция при продольной разработке залежи Конструкция при поперечной разработке залежи Грунтонасосный добычной орган Выбор типа привода грунтозаборного агрегата Добычной модуль, оснащенный погружным низконапорным грунтовым насосом
Добычной модуль, оснащенный перистальтическим насосом
Добычной модуль, оснащенный гидровихревым агрегатом Шнеково-грунтонасосный добычной модуль Техника и технология валовой и селективной выемки горной массы донных залежей, область применения для различных типов отложений и условий разработки.
Разработка основных требований к специальной (щадящей) технике и технологии удаления донных отложений водоемов городов-музеев
5. ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ИЗВЛЕЧЕННЫХ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Сгущение и обезвоживание добытых донных отложений Фасовка и упаковка добытого материала, валовая погрузка в транспортные средства
6. УТИЛИЗАЦИЯ ПЕРВИЧНО-ПЕРЕРАБОТАННЫХ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Техника, агрегаты, сооружения Технология производства работ
7. ЗАХОРОНЕНИЕ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ И НЕУТИ-ЛИЗИРУЕМЫХ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Технические средства Специализированные сооружения Технология производства работ
8. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМОВ, ПРОЦЕССОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ДОННЫХ ЗАЛЕЖЕЙ, ИХ ПЕРЕРАБОТКИ И ЗАХОРОНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И НЕУТИЛИЗИРУЕМЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Работы по удалению и возможно полной утилизации ежегодно увеличивающегося объема материала донных отложений внутригородских водоемов должны осуществляться регулярно. Но, в первую очередь, такие работы необходимо произвести в увеличенных объемах с тем, чтобы довести уровень состояния водоемов до близкого к оптимальному, соответствующему основным требованиям их рациональной эксплуатации. Предполагается создание такой мобильной блочно-модульной техники удаления и первичной переработки донных отложений, которую без каких-либо затруднений можно будет перемещать с одного объекта на другой в различные регионы страны (мобильные гидромеханизированные колонны - ПГМК).
Особо следует остановиться на позициях 6 и 7 проекта Программы. Если только по водоемам СПб и пригородов объемы естественно-техногенных залежей водоемов составляют более 30-35 млн м3, то по крупным городам РФ или, хотя бы, по городам Северо-Западного региона РФ объемы донных отложений составят весьма внушительную цифру, а между тем, централизованного учета объема таких отложений практически не существует. В связи с этим, с учетом того, что значительная часть донных естественнотехногенных отложений загрязнена, то после их извлечения абсолютно необходима обязательная очистка извлеченного материала, и его утилизация для различных направлений использования.
Работы по массовому удалению материала естественнотехногенных залежей внутригородских водоемов практически еще не начиналась. Сказанное относится также и к процессам очистки добытого материала залежей и утилизации полученного после очистки сырья. В этом отношении целесообразно отметить ряд научных исследований по обезвреживанию (очистке) донных добытых отложений, среди которых к ряду интересных, работ можно отнести исследования Е.В. Щербаковой [9], где помимо технологии очистки загрязненных вод предложены варианты обезвреживания и утилизации осадков после очистки бытовых и промышленных стоков, а также нефтезагрязненных грунтов, донных, отложений и буровых шламов.
Автором работы [9] предложены и успешно многократно опробованы способы переработки вязкопластичных и твердых промышленных и бытовых отходов путем их литификации для получения конечных продуктов в виде строительных материалов. По предложенной технологии осуществляется физикохимическая переработка различных видов промышленных отходов в искусственные грунты, экологически безопасные для окружающей среды, которые при соответствующем изменении их состава, могут быть использованы в различных вариантах (укрепленные грунты, рекультивационные смеси, гидроизоляционные материалы и пр.). С учетом этого обеспечивается получение возвратной стоимости, т.е. стоимости произведенных на основе обезвреживаемых отходов материалов.
Использование интеграционной минерально-матричной технологии для получения вторичных материальных ресурсов на основе отходов может служить альтернативой существующей затратной практике борьбы с промышленными отходами.
Еще раз подчеркнем, все вышеизложенное не является локальной задачей относящейся только к водоемам Санкт-Петербурга и его пригородов. По нашему мнению - это проблема федерального значения, требующая системного подхода к ее комплексному решению, причем явно существует настоятельная необходимость скорейшего начала ее решения, в первую очередь с разработки научно обоснованной Федеральной программы и, возможно, под началом МЧС.
1. Хейердал Т. Уязвимое море. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973.
2. Пеняскин Т.Л., Кербель О.В. Гидромеханизированная очистка водохранилищ. Гидромеханизация - 2003. По материалам Третьего съезда гидромеханизаторов России. Изд-во МГГУ, 2004.
3. Ангелова Л.В. Гигиенические аспекты производства дноуглубительных работ, извлечения, транспортировки и утилизации донных отложений. Тезисы научных докладов VIII Международной конференции "Экология и развитие общества". СПб, МАНЭБ, 2003.
4. Добрецов В.Б. Экология при подводной разработке полезных ископаемых. РИО ЛГИ, 1990.
5. С.М. Штин. Озерные сапропели и их комплексное освоение. М. Из-во МГГУ, 2005.
6. Добрецов В.Б., Капелькина Л.Н., Лигоцкий Д.Н., Федотов А.Б.. Проблема обеспечения рационального функционирования водохранилищ и внутригородских водоемов. Сб. докл. УП-ой Международной конференции "Акватерра" СПб, 2004.
7. Добрецов В.Б., Д.С. Опрышко. Проблемы восстановления и обеспечения рациональной эксплуатации водохранилищ и внутригородских водоемов. Сб. трудов IX Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада РФ". СПб, МАНЭБ, 2005.
8. В.Б. Добрецов. Сапропели России. Освоение, использование, экология. СПб. "ГИОРД", 2005.
9. Е.В. Щербакова. Хемосорбционная минерально-матричная технология очистки и регенерации загрязненных вод гидролизованными алюмосиликатами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., СПГГИ(ТУ), 2005.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Добрецов В.Б., Маковский А.Н., Опрышко Д.С. - Санкт-Петер-бургский
государственный горный институт (технический университет).
