Геомодель распространения загрязнений в водотоках горнопромышленных территорий Магаданской области Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© В А.Н. Якубович, Н.О. Вдовенко, 2010

А.Н. Якубович, Н.О. Вдовенко

ГЕОМОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ВОДОТОКАХ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ МАГАДАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Предложена и программно реализована геомодель распространения загрязнений в речной сети от горнопромышленной деятельности. Приведены результаты моделирования уровня загрязнения на участке р. Детрин Магаданской области. Выявлены тенденции накопления и переноса загрязняющих веществ различной крупности.

Ключевые слова: геомоделирование, россыпная золотодобыча, загрязнение, речная сеть, Магаданская область.

Магаданская область, начиная с 20-х годов XX века, является горнопромышленным регионом, ориентированным преимущественно на добычу россыпного золота. Постепенное истощение минерально-сырьевой базы, наблюдаемое на протяжении последних 10-15 лет, приводит к необходимости отработки сложных и бедных месторождений, что сопровождается увеличением объемов горных работ в расчете на единицу добытого металла. Одновременно существенно возрастает техногенная нагрузка на горнопромышленные территории, находящиеся в весьма сложных природно-климатических условиях и отличающиеся повышенной уязвимостью к техногенным воздействиям.

Одним из наиболее существенных факторов, обуславливающих ухудшение геоэкологической ситуации на территориях россыпной золотодобычи, является загрязнение природных водотоков. Основной причиной техногенного загрязнения водотоков является промывка песков и горной массы. Используемая при разработке россыпных месторождений вода загрязняется в основном взвешенными механическими примесями - шламами и нефтепродуктами, применяемыми при эксплуатации землеройнотранспортной техники. Чем больше водоемкость применяемого способа разработки россыпи, тем значительнее загрязнение вод и больше требуется усилий на выделение твердых отходов из сточных вод. Уборка отходов обогащения с применением гидромониторов, грунтовых насосов и других средств гидромеханизации мо-

жет стать причиной загрязнения рек вследствие вытеснения этими отходами загрязненной воды из отстойников. Если отходы (хвосты) обогащения выложены в русла рек, то паводковыми водами они также могут переотлагаться, заиливать и загрязнять водотоки.

При разработке обводненного участка россыпи и осушении разрезов с помощью насосов карьерного водоотлива или капитальных канав, вскрытые грунтовые воды загрязняются и сбрасываются в реки. Сократить количество этих сточных вод в сложных горногеологических условиях разработки многолетнемерзлых россыпей не всегда удается. При разработке маловодных россыпных месторождений, наоборот, вследствие высокой водопроницаемости грунтов, из которых сложены дамбы обвалования технологических водоемов, трудно удержать запас воды, необходимой для промывки горных пород. Это приводит к фильтрационной утечке 15-20% промывочной воды и загрязнению рек и ручьев. Содержание взвешенных веществ в отработанной воде, поступающей в технологические отстойники при разработке россыпей, составляет, как правило, от 5 до 40-50 тыс. мг/л.

Важной причиной вторичного загрязнения рек может быть смыв шламов, накопленных в отстойниках в период промывки песков. Источником загрязнения вод могут быть нефтепродукты и в некоторой степени шламы из пунктов заправки, мойки и ремонта землеройно-транспортной техники. Особого внимания заслуживает вопрос попадания в водотоки отработанных дизельных масел, объем которых составляет 1,5-2% общего объема потребления горючесмазочных материалов всех видов (потери нефтепродуктов составляют 0,01-0,02% этого объема).

Из выше сказанного следует, что особую опасность для горнопромышленных районов представляет собой уязвимость малых рек. Разработку россыпных месторождений ведут чаще всего в поймах и долинах рек, где развиты наиболее богатые биоценозы по сравнению с биоценозами окружающей среды. Разрезы тянутся на всем протяжении долин, как правило, средних и малых рек и ручьев. Природный гидрологический режим водотоков полностью нарушается, их русла смещаются в отработанные разрезы, спрямляются и перегораживаются дамбами и отвалами, уровень грунтовых вод и базис эрозии понижается, природная турбулентность, насыщение воды кислородом и гидрохимический состав в целом также изменяются. Это оказывает отрицательное влияние на рыбные за-

пасы водных бассейнов - основу одной из ведущих отраслей регионального народнохозяйственного комплекса. На горнопромышленных территориях Магаданской области густота русловой гидрографической сети территории при среднем значении 1,2 км/км2 (для сравнения - 0,49 км/км2 в среднем по России) достигает в отдельных районах 2-2,3 км/км2, что при больших уклонах и скорости течения, а также высокой природной активности экзогенных процессов (эрозия почвы, лавины, паводки и наводнения, распространение многолетнемерзлых пород, затрудняющих инфильтрацию атмосферных осадков) является осложняющим геоэкологическим фактором.

С целью оценки и прогнозирования экологического состояния речной сети на горнопромышленных территориях Магаданской области разработана и программно реализована геомодель распространения загрязнений в природных водотоках, учитывающая основные законы транспортировки и осаждения взвешенных веществ. При моделировании система водотоков разбивается на отдельные сегменты, соприкасающиеся друг с другом только в своих крайних (начальных или конечных) точках. Каждый сегмент представляется в виде совокупности прямолинейных участков; в пределах каждого участка гидромеханические параметры потока считаются постоянными. Зависимости между концентрациями взвешенных веществ (мутность потока) и осадка (мутность отложений) в начальной и конечной точках участка имеют вид:

u L

)• е

С

в ,кон

Стр 1 \Св,нач Стр ,

Он

Ок

С — С I С _ С ^ о

о,кон ~ о,нач в,нач в,кон ~

(1)

где Яв нач и Яв кон - мутность потока в начале и конце участка, г/м3,

Со нач и Со кон - мутность отложений в начале и конце участка, г/м3,

Стр - транспортирующая способность потока, г/м3, и - гидравлическая крупность загрязняющих частиц, м/с, Г - гидромеханический параметр взвесей, L - длина участка, м, V и Н - средние по участку скорость (м/с) и глубина потока (м), Онач и Окон - дебит в начале и конце участка, м3/с.

Гидромеханический параметр взвесей при одновременном учете нескольких фракций загрязняющих веществ определяется как:

г

f 4 _1 м а

нач,г у i=1 Гнач,1

(2)

где M- общее количество фракций различной крупности, а Hmi -относительное содержание мутности во взвеси для i-й фракции в начале участка, Гнач i - гидромеханический параметр взвеси для i-й

фракции в начале участка.

Транспортирующая способность неоднородного (многофракционного) потока, выраженная в г/м3:

smp = N ■ b ■ Fr Г, (3)

где N - характеристическое число турбулентного потока с2/м, b - поправочный множитель, зависящий от коэффициента Шези, м/с2, Fr -число Фруда.

Геомодель распространения загрязнений в речной сети, основанная на зависимостях (1)-(3), была использована для прогнозирования экологического состояния водотоков на горнопромышленных территориях, примыкающих к р. Детрин. Структура речной сети и участки россыпной золотодобычи (источники техногенных загрязнений) показаны на рис. 1. Информационная основа геомоделирования была получена путем векторизации фрагментов топографических карт масштаба 1:200000, отражающих расположение природных водотоков и высотные отметки рельефа. Программная реализация геомодели осуществлена средствами Visual Basic for Applications.

Общее количество сегментов, образующих рассматриваемую речную сеть, равно 13; основные показатели, характеризующие каждый сегмент, приведены в табл. 1. Длина участка варьируется от 33 м до 124 м; общее количество участков в пределах сегмента лежит в пределах от 13 (сегмент 2) до 376 (сегмент 1). Необходимо отметить значительное расхождение в значениях параметров, обуславливающих перенос и осаждение

150° 00'

Рис. 1. Структура речной сети, объединяющей участки россыпной золотодобычи в районе р. Детрин (нумерация сегментов согласно табл. 1)

загрязняющих веществ по отдельным сегментам. Р. Детрин (сегменты 1-4) характеризуется малым уклоном (до 2%о) и, соответственно, малой скоростью течения, низкой транспортирующей способностью потока и повышенными темпами осаждения взвешенных веществ. Аналогичная качественная картина переноса загрязнений наблюдается для р. Амын (сегмент 6, уклон по всей протяженности не более 7%о). Притоки ручья Осеннего (сегменты 7-10) по характеру водного потока близки к горным рекам (уклон 50-100%о), что практически исключает накопление осадка для большинства фракций загрязнителей, которые без заметного осаждения выносятся в примыкающие сегменты речной сети.

Таблица 1

Характеристика сегментов речной сети,

№ Наименование Протяженность, км Перепад высот, м Интенсивность загрязнения, г/с

1 Детрин 33,0 57,2 1000

2 Детрин 1,2 2,2 -

3 Детрин 4,9 8,7 -

4 Детрин 15,8 11,8 -

5 бп.пр.Детрин 5,7 217,7 150

6 Амын 15,5 82,3 250

7 1пр.пр.Осенний 4,3 201,0 500

8 1л.пр.Осенний 8,1 402,1 1000

9 2л.пр.Осенний 2,00 137,8 500

10 2пр.пр.Осенний 2,09 202,2 1000

11 Осенний 11,9 541,9 250

12 Осенний 1,7 21,6 -

13 Осенний 2,0 21,1 -

Характер водного потока ручья Осенний существенно меняется от истока (уклон более 50%о) до места впадения в р. Детрин, где уклон не превышает 7%о и создаются благоприятные условия для аккумуляции донных отложений от 5 вышерасположенных источников техногенных загрязнений.

Обобщенные результаты геомоделирования распространения загрязнений от горнопромышленной деятельности приведены в табл. 2. Превышение суммарной по всем фракциям концентрации взвешенных веществ уровня 700 мг/л рассматривается как критическое для жизнедеятельности ихтиофауны и, соответственно, как абсолютно неприемлемое с экологической точки зрения. Подобная ситуация наблюдается в верховьях притоков р. Осенний, где практически всё загрязняющее вещество переходит во взвешенное состояние, и в низовьях р. Осенний вследствие накопления загрязнения.

Динамика изменения уровня загрязнений водотока отдельными фракциями взвешенных веществ показана на рис. 2. Результаты моделирования распространения загрязняющих веществ приведены в режиме чередования 5-часовых интервалов загрязнения и его отсутствия. Поскольку точка моделирования отличается значительным дебитом воды (более 500 м3/с), максимальные концентрации взвесей относительно невелики.

Таблица 2

№ Максимальная суммарная концентрация в конце сегмента, мг/л Средняя максимальная концентрация по сегменту, мг/л Протяженность участков с максимальной концентрацией взвесей более 700 мг/л

взвеси осадок взвеси осадок км %

1 17 9 38 32 - 0

2 7 4 10 5 - 0

3 38 18 38 18 - 0

4 76 37 68 35 - 0

5 64 37 149 155 - 0

6 59 54 270 261 1,45 9,4

7 271 270 507 520 1,02 23,7

8 271 196 774 799 3,62 44,7

9 326 212 880 844 0,92 46,0

10 349 321 1024 1015 1,00 47,8

11 67 73 220 233 - 0

12 500 485 509 508 - 0

13 652 590 738 685 1,35 67,5

Темпы распространения взвесей по речной сети достаточно высокие; появление загрязнения в ее конечной точке фиксируется уже через 2,5 часа после начала горнопромышленных работ. Наибольшие концентрации взвешенных веществ наблюдаются через 78 часов (т.е. по истечении 2-3 часов после окончания первого 5часового периода сброса). С ростом крупности фракций наблюдается уменьшение максимальной концентрации, поскольку более крупные частицы отличаются повышенными темпами осаждения на предыдущих участках речной сети. Для крупных фракций, по сравнению с более мелкими, также характерна большая инерционность колебания концентрации: мутность взвесей медленнее нарастает в периоды сброса загрязнений и медленнее снижается во время отсутствия сбросов. Подобная качественная картина объясняется более интенсивными процессами обмена загрязняющего вещества крупных фракций между водной средой и дном водотоков.

Моделируемая динамика формирования донных отложений приведена на рис. 3. Можно видеть, что фракции со средним размером загрязняющих частиц до 4 мкм отличаются

____I

взвесь,

мг/л

10

8

6

4

2

0

3^ О-

Т>-' 7 \\

Л \\ у

ч V 7

■Г" ^7 г

и ъ

10 12

14

время,

часов

Рис. 2. Динамика изменения концентрации взвесей в конечной точке 4 сегмента (средние крупности по фракциям: 1 - 1 мкм, 2 - 2 мкм, 3 - 4 мкм, 4 - 8 мкм, 5 - 15 мкм, 6 - 30 мкм, 7 - 40 мкм)

крайне низкими темпами обмена веществом с водной средой: осадок практически не накапливается в периоды поступления загрязнений и очень плохо размывается чистым водным потоком. Фракции со средним размером 30 мкм и более имеют явно выраженную тенденцию к накоплению донных отложений; их формирование происходит заметно быстрее, чем переход во взвесь во время отсутствия поступления загрязнений. Именно эти фракции представляют наибольшую опасность для заиливания природных водотоков и, как следствие, изменения гидрологического режима речной сети. Инерционность колебания концентрации осадков несколько выше, чем взвесей; локальные экстремумы на рис. 3 наблюдаются на 1-2 часа позднее, чем для соответствующих фракций на рис. 2.

Предлагаемая геомодель позволяет оценивать и прогнозировать экологические последствия работ по добыче россыпного золота, проводимых на территории Магаданской области. На основе программно реализованной методики моделирования

осадок

мг/л

10

8

6

4

2

0

0 2 4 6 8 10 12 14 ВР6***’

часов

Рис. 3. Динамика изменения концентрации донных отложений в конечной точке 4 сегмента (средние крупности по фракциям - см. подпись к рис. 2)

распространения техногенных загрязнений в речной сети становится возможным, в частности, нормирование предельно допустимых сбросов (систематических и залповых) загрязняющих веществ в природные водотоки. Результаты геомоделирования могут быть использованы для поддержки принятия экологически рациональных управленческих решений при планировании и осуществлении горнопромышленной деятельности в условиях Крайнего Северо-Востока России, гатш

— Коротко об авторах --------------------------------------------------

Якубович А.Н. - директор политехнического института СевероВосточного государственного университета; доктор технических наук; e-mail [email protected].

Вдовенко Н.О. - старший преподаватель кафедры «Физики» СевероВосточного государственного университета;

тел. (413-2) 622-943.______________________________________________