CC BY
47
© А.Н. Якубович, А.В. Шпехт, 2011
А.Н. Якубович, А.В. Шпехт
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОТОКОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Рассмотрена структура геоинформационной системы для моделирования распространения загрязнений в речной сети. Приведены алгоритмы расчета загрязнений в пределах одного сегмента и во всей сети в целом. Показана общая последовательность подготовки данных и проведения моделирования.
Ключевые слова: геоинформационная система, горнопромышленная деятельность, загрязнение, речная сеть, моделирование.
Лроизводственная специализация Магаданской области, основа ее экономики - минерально-сырьевой комплекс (МСК). Предприятия, занимающиеся поиском, добычей и переработкой минерального сырья, дают около 44% валового регионального продукта и налоговых поступлений в консолидированный бюджет территории, численность работающих на них составляет 16 % занятых в экономике области, а с учетом обслуживающих отраслей минеральносырьевой комплекс обеспечивает более 35 % рабочих мест. Только по результатам лицензирования горнопромышленной деятельности областной бюджет в 2010 году получил 1 миллион 340 тысяч рублей, что почти в 6 раз больше, чем годом ранее. Стабильно возрастают объёмы добычи общераспространенных полезных ископаемых. В 2006 году в Магаданской области добывалось 56,3 тыс. куб. м., в 2007 году - 342,6 тыс. куб. м, а в 2008 году объём добычи общераспространенных полезных ископаемых составил 1197,5 тыс. куб. м.
Самыми распространенными минеральными ресурсами на территории области являются золото, олово, каменный уголь. Велики запасы ртути, вольфрама, серебра, платины, полиметаллов, минеральных вод, нефти.
Наиболее распространенным из полезных ископаемых является золото. Оно встречается в виде россыпных месторождений и реже - в рудных образованиях. Промышленные россыпи золота сосредоточены в долинах рек бассейна Колымы: Сусуманском, Среднеканском, Ягоднинском, Тенькинском районах. При истощении запасов россы-
пей золота в области активно отрабатываются рудные месторождения; перспективы региона в этом отношении довольно значительны. По экспертной оценке суммарные прогнозные ресурсы коренного золота составляют от 4 до 5 тыс. тонн. В то же время россыпная золотодобыча, несмотря на снижение объемов добычи, по-прежнему сохраняет социально-экономическое значение для области. В настоящее время россыпями занимается 201 предприятие разных форм собственности.
При отработке золотых россыпей для доступа к продуктивным пластам золотоносных песков, залегающих на глубинах до 30 и более метров, приходится удалять мощные горизонты пустых пород (торфов). Вскрышные работы сопровождаются сооружением большого количества технологических объектов (дамбы, отвалы, накопительные пруды и отстойники) с перемещением огромных масс горных пород. Показатель землеемкости горных работ составляет 1,0-1,5 м2 нарушаемой поверхности на 1 м3 вскрышных пород (для сравнения - земле-емкость разработки рудных месторождений в области находится на уровне 0,07 м2/м3). За многолетнюю добычу россыпного золота в Магаданской области сформировались огромные техногенные отложения. По экспертной оценке, в области образовано около пятисот миллионов кубических метров отвального комплекса, состоящего из торфов, галлеэфельных отвалов, песчано-глинистых и илистых отложений хвостов промывки.
В природной системе самое низкое гипсометрическое положение в рельефе занимают речные долины, что делает их наиболее уязвимыми со стороны техногенного воздействия. Их экологическая устойчивость и сохранность обитающих в них организмов зависит от состояния воды, которое, в свою очередь, определяется множеством факторов, таких как литологический состав размываемых горных пород и почв, растительность, характер климатических условий, природные катаклизмы и т.д. Нарушение одного из них ведет к цепному изменению всей речной системы.
В процессе горнопромышленной деятельности на протяжении многих километров ландшафт речных долин разрушается, с полным уничтожением почвы и растительности, механическим и химическим загрязнением воды. Степень прямых нарушений днищ речных долин, где развиты наиболее продуктивные и хозяйственно-ценные экологические системы, составляет в долинах низких и средних порядков до 30 %, высоких порядков - до 3 %.
Зона пролонгированных изменений качества экосистем поверхностных водотоков, формирующихся в результате сброса сточных вод и вторичного загрязнения продуктами эрозии нарушенных земель, охватывает практически весь бассейн Верхней Колымы. В торфах и песках в больших количествах (20-30% и более) содержатся мелкие и пылевидные глинистые фракции, которые, поступая в воду рек, резко повышают, ее мутность. Протяженность мутьевых потоков, вниз по течению реки, прослеживается до 100 км и более.
В Магаданской области нет единых инструкций по организации горных работ при добыче россыпного золота. На основе ФЗ «О недрах» федеральными органами разрабатываются отдельные инструкции по охране недр, водных ресурсов, по организации подземных работ. У контролирующих органов нет единой системы требований к правилам отработки россыпных месторождений и принципам экологического контроля. В результате, как правило, экологические аспекты технологических процессов оказываются недостаточно проработанными, горнотехнический этап рекультивации включает лишь разваловку отвалов и выполаживание откосов, биологический этап проводится несвоевременно и не дает положительных результатов. Единственным применяемым способом очистки сточных вод, если таковая применяется вообще, является отстаивание взвешенных веществ в прудах-накопителях отходов обогащения. Полностью прекращено использование методов физико-химической очистки воды с использованием коагулянтов и флокулянтов. До сих пор не востребованы прогрессивные технологии с использованием коагулянтов из местных цеолитсодержащих пород, водорастворимых эластомерных капсул-флокулянтов. Практически неизвестными и в сегодняшней экономической ситуации недоступными для горнодобывающих предприятий являются современные материалы и технологии очистки сточных вод от нефтепродуктов, предотвращения фильтрации и эрозии нарушенных земель, имеющих высокую эффективность и широчайшее использование в практике горнодобывающей промышленности за рубежом.
В условиях несовершенства нормативно-правовой базы, регулирующей экологические аспекты горнопромышленной деятельности в регионе, особую актуальность приобретает прогнозирование экологического состояния окружающей среды на горнопромышленных и смежных с ними территориях. Для оценки возможных уровней загрязнения речной сети отходами горнопромышленной деятельности
разработана специализированная геоинформационная система, позволяющая получать количественную оценку загрязнения водотоков взвешенными веществами и донными отложениями. Алгоритмическая часть ГИС позволяет выполнять моделирование переноса загрязняющих веществ в водном потоке с учетом динамики обмена загрязнителя между водной толщей и дном русла.
Структура речной сети при моделировании образуется из совокупности сегментов, каждый из которых состоит из отдельных прямолинейных участков. Каждая точка в пределах участка характеризуется следующими параметрами: расход стока Q (м3/с), скорость потока V (м/с), глубина потока Н (м), ширина потока В (м), температура воды Т (°С). Все основные параметры водного потока, используемые при моделировании, предполагаются линейно изменяющимися между начальной и конечной точками каждого участка; в местах примыкания участков параметры потока одинаковы. Таким образом, значения параметров водного потока фиксируются только в конечных точках участков. Объем поступления техногенных загрязнений в речную сеть определяется секундным расходом загрязненной воды Р (м3/с), длительностью сброса Ж (с), концентрацией загрязнений в стоке по каждой фракции ai (г/м3); при этом источники загрязнений могут располагаться только в начальных точках сегментов. Укрупненный алгоритм моделирования переноса загрязнений для одного участка приведен на рис. 1.
Скорость потока с учетом заиливания определяется как:
Н 0
V = V) ~Н~, (!)
где Н = Н 0 (1 - 4 • 10 7 р отл ) - глубина потока с учетом заиливания,
м
м, ротл = ^sдi - плотность отложений на дне в конце участка, г/м ,
1=1
М - количество фракций загрязняющих частиц разного диаметра, 5 д 1 - концентрация загрязняющих отложений ^й фракции, г/м3.
Коэффициент Шези:
С = 33
(Н
з ср
V ср /
(2)
Рис. 1. Алгоритм моделирования переноса загрязнений в пределах одного участка
М
где
1=1
Рср
Рс
- средний диаметр частиц в отложениях, мм, 4
- диаметр загрязняющих частиц і-й фракции, мм.
Характеристическое число турбулентного потока:
N = (0,7С + б)С , (3)
g
где g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.
Поправочный коэффициент:
7 0,53С - 4,1
Ь = 15^ С - 2 • (4)
Критерий гидродинамического подобия определяется как:
V 2
Fr =------. (5)
§н 3
Общая мутность взмыва, г/м :
S = Ь • N • Fr < р (6)
взм ^ -Ч — к отл V'-'/
Общая транспортирующая способность потока: с = V Г (7)
тр, общ °взм ’ V'/
где г = 1 - усредненный гидромеханический параметр
м а
HaЧ,i i=1 Гнaч,i
взвесей, а нач i =---- - относительное содержание мутностей во
р отл
взвеси для 7-й фракции, 5В i - концентрация загрязняющих частиц 7-й фракции во взвеси, г/м3, Гнач 7 - гидромеханический параметр 7й фракции во взвеси, функционально зависящий от коэффициента
. ^
Шези и параметра 07 = и7^, и7 = 0,609— - гидравлическая
|Д
крупность частиц 7-й фракции, ц - зависящий от температуры коэффициент молекулярной вязкости воды.
Обновленные значения мутностей взвесей 5в 7 и отложений 5д 7 в конце участка:
Щ L в Н V нач нач нач
s + ^ - s \ ^'уН тр,/ V в,/ лтр4Г
в Н V кон кон кон .. (8)
^ д,1 — ^д,1 ^ ^,нач,/ ^,кон ,/ ^ 0
Учет топологических особенностей речной сети осуществляется отнесением сегментов к определенным уровням. Сегменты уровня 0 не имеют притоков, они впадают в сегменты уровня 1, которые, в свою очередь впадают в сегменты уровня 2 и т.д. Расчет ведется последовательно, начиная с уровня 0 и до максимального уровня в пределах рассматриваемого фрагмента сети. Программно уровень сегмента ограничен значением 127, что позволяет осуществлять моделирование переноса загрязнений в любом реально существующем фрагменте речной сети региона. Каждый сегмент рассчитывается как последовательность участков, начиная с истока. В точках соприкосновения сегментов (слияния водотоков) концентрация взвесей и отложений определяется с учетом изменения дебета водотока.
Период моделирования переноса загрязнений в речной сети задается пользователем. При этом, поскольку в результате накопления или размыва донных отложений величина поперечного сечения водотока динамически изменяется, непостоянными являются как средняя скорость потока, так и время прохождения по водотоку взвешенных загрязняющих веществ. Наиболее целесообразной с вычислительной точки зрения является такая организация расчетов, при которой моделирование выполняется, во-первых, последовательно по всем участкам, начиная с первых участков сегментов уровня 0, и, во-вторых, для каждого участка перенос загрязнений рассчитывается сразу на протяжении всего периода моделирования. Поскольку реализация данного алгоритма может привести к формированию чрезмерно больших массивов данных, пользователь имеет возможность задавать интервал времени, с которым сохраняются окончательные результаты моделирования (значения осадков и взвесей по фракциям).
Подготовка исходных данных для моделирования включает в себя перевод традиционных аналоговых картографических изображений (бумажных карт) в электронный вариант, а также формирование и заполнение атрибутивных таблиц. В процессе векторизации топографической информации определяются и включаются в создаваемый информационный слой только те водотоки, по которым возможно распространение загрязнений. Речная сеть сразу делится на сегменты, каждый
сегмент представляется как отдельный объект; примыкание сегментов друг к другу возможно только в их крайних точках (начальной или конечной). Для повышения производительности последующих вычислений все создаваемые сегменты имеют примерно равную протяженность.
Рис. 2. Редактирование параметров источников загрязнений
Также к необходимым исходным данным относится информационный слой с горизонталями, используемый для определения уклона отдельных участков. Атрибутивная таблица речной сети включает длину, среднюю ширину и глубину участков, начальную скорость потока. Отдельным информационным слоем является перечень источников загрязнений, для каждого из которых средствами ГИС задается интенсивность загрязнения (рис. 2).
Результаты моделирования представляются в графической форме (рис. 3); возможно, по выбору пользователя, построение следующих основных видов графиков:
- изменение концентраций взвешенных загрязняющих веществ по фракциям на протяжении времени моделирования для выбранного участка речной сети;
- изменение концентраций донных отложений по фракциям;
- сравнительная динамика формирования взвесей или донных отложений по двум различным участкам;
- динамика суммарного загрязнения (взвесями и осадком) выбранного участка___________________________________
Файл Расчет Настройки График
| Динамика формирования донных отложений ]
Рис. 3. Динамика формирования донных отложений (средний диаметр частиц, мм: 1 - 0,001; 2 - 0,002; 3 - 0,004; 4 - 0,008; 5 - 0,015; 6 - 0,030; 7 - 0,040)
В целом, описанная геоинформационная система является удобным инструментом для количественной оценки последствий горнопромышленной деятельности применительно к экологическому состоянию региональной речной сети.
Результаты моделирования обеспечивают надежную информационную основу для принятия экологически рациональных управленческих решений при планировании и организации горных работ по добыче россыпного золота в сложных природно-климатических условиях Магаданской области. ВТШ
Якубович Анатолий Николаевич -доктор техн. наук, директор политехнического института Северо-Восточного государственного университета. г. Магадан,; e-mail: [email protected].
Шпехт Анатолий Викторович - аспирант кафедры «Автомобильного транспорта» Северо-Восточного государственного университета; г. Магадан, e-mail: [email protected].
