Защита природных водных объектов от загрязнения взвешенными веществами при вводе в эксплуатацию земляных руслоотводных каналов

Актуальность темы

В настоящее время существенно увеличилось воздействие хозяйственной деятельности на окружающую природную среду. Проблема чистой воды занимает одно из важнейших мест, поскольку поверхностные воды являются наиболее чувствительным звеном природной среды. Без тщательного контроля состояния последних невозможно предупредить возникновение неблагоприятных экологических ситуаций.

Особенно заметный ущерб наносится окружающей среде при отработке открытых россыпных месторождений полезных ископаемых.

Добыча полезных ископаемых, в частности — россыпного золота, может осуществляться на поймах рек, а также под их руслами. В последнем случае русло реки отводят от месторождения руслоотводным каналом. Подобные каналы могут применяться и в других случаях.

Руслоотводной канал без защитных покрытий по существующим нормативам проектирования рассчитывается на неразмывающую скорость. При этом предполагается, что поскольку деформаций в нем не наблюдается, то и загрязнения взвешенными веществами не будет происходить. В действительности же, в несвязных грунтах самые мелкие, слагающие канал фракции, при пропускании по нему расхода воды, способны перейти во взвешенное состояние. Вследствие этого, содержание взвешенных частиц в русле реки в начальный период ввода канала в действие может превышать предельно-допустимую концентрацию (ПДК).

Таким образом, тема работы является актуальной, поскольку традиционно применяемый в настоящее время способ ввода в эксплуатацию рус-лоотводного канала не всегда обеспечивает защиту водных объектов от загрязнения взвешенными веществами.

Основная идея работы заключается в отводе основного русла реки по руслоотводному каналу путем постепенного увеличения расхода воды в нем, в результате чего в контрольном створе водотока выполняется норматив качества воды по взвешенным веществам.

Цель работы — защита природных водных объектов от загрязнения взвешенными веществами при вводе в эксплуатацию руслоотводных каналов без защитных покрытий, проложенных в несвязных грунтах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать существующие методы расчета руслоотводных каналов, проложенных в несвязных грунтах;

— предложить методику, позволяющую рассчитывать концентрацию взвешенных веществ по длине канала в условиях их ограниченного поступления в поток при постепенно увеличивающемся расходе;

— определить время промывки и режим подачи воды во времени, при котором концентрация взвешенных веществ в реке не будет превышать допустимые нормы.

Объектами исследования являются реки, на которых ведутся горнотехнические и другие работы, связанные с отводом основного русла.

Предмет исследования. Процесс вымывания частиц грунта водой в руслоотводных каналах без защитных покрытий, проложенных в несвязных грунтах и способ расчета этого процесса.

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использовались основы теории русловых процессов. Для получения зависимостей изменения расхода воды в канале от времени и их анализа использовались стандартные программные средства, такие как макросы в системе Microsoft Excel на языке программирования Visual Basic.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— в формулу А. В. Караушева для насыщения потока взвешенными веществами по длине канала введен поправочный коэффициент, позволяющий определить мутность в условиях ограниченного поступления взвешенных веществ в поток при постепенно увеличивающемся расходе;

— получены расчетные зависимости для определения количества взвешенных веществ, выносимых из канала и времени его промывки;

— предложена зависимость изменения расхода воды от времени в рус-лоотводном канале без защитных покрытий трапецеидального гидравлически наивыгоднейшего и треугольного сечений, обеспечивающая ПДК в контрольном створе водотока.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный в формулу A.B. Караушева поправочный коэффициент позволяет определить мутность потока по длине канала в условиях ограниченного поступления взвешенных веществ в поток при постепенно увеличивающемся расходе.

2. Полученные расчетные зависимости дают возможность определить массу взвешенных веществ, выносимых из руслоотводного канала, а также время его промывки.

3. Предложенный автором режим поэтапной промывки канала, заключающийся в постепенном увеличении расхода воды в нем, позволяет обеспечивать выполнение водоохранных нормативов по выносу взвешенных веществ в природные водотоки.

Практическая значимость результатов исследований заключается в том, что внедрение предложенного режима поэтапной промывки каналов при отведении водотоков позволяет регулировать концентрацию взвешенных веществ в водотоке в пределах нормативных значений и, таким образом, повысить качество их вод.

Расчет массы выноса взвешенных веществ из руслоотводного канала применялся при выполнении раздела «Охрана окружающей среды» (ООС) проекта «Разработка оценки воздействия на окружающую среду и корректировка рабочего проекта отвода русла р. Ингода на участке отработки пласта I разреза „Восточный“ Татауровского угольного месторождения» (2001 год). Расчетный экологический эффект в случае возможного применения поэтапной промывки составит более 1,6 млн. рублей.

Результаты работы используются в учебном процессе инженерно-экологического факультета Читинского государственного университета по дисциплинам «Русловая гидравлика», «Теоретические основы защиты окружающей среды» и других.

Достоверность научных положений обеспечена непротиворечивостью полученных результатов существующим научным представлениям и гипотезам теории русловых процессов.

Личный вклад автора состоит:

— в постановке целей и задач исследований;

— в получении зависимостей для определения количества взвешенных веществ, выносимых из канала и времени его промывки, в условиях не-размывающей скорости;

— в обосновании режима поэтапной промывки каналов, алгоритма его реализации и выполнении численных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных конференциях: «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия» (Томск, 2000) и «Охрана и рациональное использование трансграничных вод» (Улан-Удэ — Улан-Батор, 2006) — на региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000) — на Межвузовских конференциях: «Роль фундаментальных дисциплин в формировании молодого специалиста» (Чита, 1998), «Молодежь и современный мир» (Чита, 1997), ежегодных научно-технических конференциях ЧитГУ (1997;2005). По материалам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе в издании, рекомендованном ВАК для публикации материалов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 103 страницы, в том числе 35 рисунков, 4 таблицы.

Список литературы

содержит 132 наименования.

3.4. Выводы.

В результате анализа численных экспериментов режима поэтапной промывки земляных руслоотводных каналов можно сделать следующие выводы:

У Т.

1. Относительное время промывки канала практически не завипром сит от следующих параметров: формы сечения каналарасчетного расхода йРасч'-> среднего диаметра фракций (1срдлины канала /- содержания взвешенных частиц Рвзв в массе грунта (в долях от единицы).

Расход в канале на любом этапе промывки определяется по зависимости (42), или по графику, представленному на рисунке 22, как для треугольного, так и для трапецеидального поперечных сечений канала.

Для удобства практического пользования график (рисунок 22) может быть представлен в ступенчатой форме с определенным временным интервалом.

2. Начальный расход в канале Qx (как видно из графиков, представленных на рисунках 22 и 23) стремится к нулю, и на его значение оказывает влияние только расчетный расход и средний диаметр частиц. Для определения начального расхода (){ рекомендуется пользоваться графиками, характеризующими зависимость безразмерной величины 0, рисч/(2х от среднего диаметра частиц (1ср, представленными на рисунках 28, 29 или 30.

3. Начальная глубина в канале должна быть такой, чтобы поток двигался по всей ширине канала по дну, т. е. перекрывал все неровности дна, определяемые технологией производства работ, в противном случае может произойти искривление оси потока в плане, с дальнейшим развитием процесса меандрирования.

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА РУСЛООТВОДНОГО КАНАЛА ДЛЯ Р. ИНГОДА НА УЧАСТКЕ РАЗРЕЗА «ВОСТОЧНЫЙ».

Применение поэтапной промывки и определение экологического эффекта выполнено на примере отведения русла реки Ингода в районе села Та-таурово Читинской области.

4.1 Краткая характеристика участка разреза «Восточный» на р. Ингода.

Главными факторами, определяющими своеобразие климата изучаемого района, как и всей области, является: характер общей циркуляции атмосферы, физико-географические условия территории и удаленность от океанов.

Основная черта климата — его резкая континентальность, которая наиболее ярко выражена в разнице температур и осадков холодного и теплого периодов года. Среднегодовая температура воздуха -1°. Распределение осадков в году крайне неравномерно. В основном они выпадают в летний период на долю которого приходится 88% годовой суммы. Максимум осадков падает на июль, август.

Продолжительность зимнего периода — 5 месяцев. Мощность снежного покрова невелика и составляет в среднем 9 см. Низкие отрицательные температуры воздуха в холодный период года и небольшая мощность снежного покрова обуславливают глубокое промерзание почвы (свыше 300 см).

На территории участка преобладают многолетнемерзлые породы не-сливающего типа, кровля их залегает на глубинах от 4 до 8 метров.

Река Ингода является левой составляющей р. Шилка, берет начало с северо-западных склонов горного узла — Яблонового, Даурского хребтов и хребта Чарского и протекает в горной местности. Ее длина составляет 708 км, площадь водосбора — 37 600 км².

Рассматриваемый участок реки расположен в ее среднем течении, примерно на308.315 км от устья.

Слагающие район породы повторяют общую схему, характерную для всего Забайкалья: хребты сложены разнообразным комплексом метаморфических и магматических разновозрастных пород, а заключенные между ними межгорные впадины выполнены осадочными отложениями позднемезозой-ского и кайнозойского возрастов.

Верхний пласт Татауровского буроугольнош месторождения залегает на глубине 5.42 м от поверхности. По данным геолого-геохимических изысканий под разработку месторождения в перекрывающий пласт породах отсутствуют тяжелые металлы и другие токсиканты, и перемещение их не окажет сколько-нибудь существенного влияния на химический состав среды.

По имеющимся данным угли Татауровского месторождения относятся к группе наиболее низко-радиоактивных. Радиометрический анализ показал, что среднее содержание урана в Татауровском угольном месторождении составляет в среднем 0,83%.

Отведение русла реки Ингода при разработке Татауровского угольного месторождения предусмотрено для осушения территории при разработках пласта угля.

Трасса канала простирается по левобережной пойме реки (рисунок 31). Учитывая границы месторождения, проектная трасса руслоотвода будет проходить по левой стороне поймы на расстоянии 0,7. 1,2 км от прежнего русла. Время отработки запасов и существование руслоотвода определено заказчиком в 50 лет. Руслоотвод является временным сооружением, но поскольку срок службы значителен, то для расчета руслоотводного канала применимы нормы как для постоянного сооружения [113]. При основном расчетном случае ежегодная вероятность превышения максимального расхода составляет 5%, при поверочном — 1% .

Руслоотвод запроектирован как большой земляной канал в полувыемке-полунасыпи.

Рисунок 31 — Схема расположения участка проектирования.

Проектное русло имеет три участка, два из которых быстротечные (1 и 3 участки) — в начале и конце трассы, закрепленные каменной наброской (рисунок 32). Быстротечные участки запроектированы с уклоном 0,006 (что меньше критического) и расчетной скоростью воды 3,74 м/сек. Основная часть руслоотвода (2-й участок) проходит с уклоном 0,0002, бытовой глубиной воды 1,4 м и скоростью 0,57 м/с). При пропуске паводка 5% обеспеченности, расчетная глубина составит 6,2 м и скорость 1,72 м/с.

Для поддержания проектной глубины в начале концевого (3-го) быстротечного участка предусмотрен водослив с боковым сжатием до ширины 55 м, с дальнейшим постепенным расширением в плане до 208 м.

Поскольку 1 и 3 участки закреплены каменной наброской, то при определении выноса взвешенных веществ рассматривался только 2-й участок канала.

Строительство руслоотводного канала окажет воздействие на качество воды за счет повышения ее мутности в период ликвидации перемычек, ограждающих канал от поступления воды в него в период строительства, а также в начальный период эксплуатации вследствие выноса наиболее мелких частиц, слагающих канал на втором участке.

1-й Участок 2-ей Участок 3-й Участок.

Рисунок 32 — Продольная схема руслоотводного канала.

Параметры руслоотводного канала приведены в таблице 4. Канал имеет трапецеидальное поперечное сечение (рисунок 33) с коэффициентами заложения откосов т = 3, шириной канала по дну Ь=140 м, глубиной к=6,2 м, расчетным расходом () =1734 л/3 / сек и уклоном / =0,0002.

Рисунок 33 — Поперечная схема сечения канала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе, на основании исследований, выполненных автором, содержится решение важной задачи по защите от загрязнения взвешенными веществами водных объектов, путем применения поэтапной промывки земляного руслоотводного канала, проложенного в несвязных грунтах.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Проанализированы существующие методы расчета руслоотводных каналов, которые предполагают, что концентрация взвешенных веществ на входе в канал равна их концентрации на выходе. Показано, что в действительности, в случае неоднородного несвязного грунта, это предположение в начальный период работы канала не выдерживается и наблюдается загрязнение водного объекта взвешенными веществами. При этом концентрация взвешенных веществ в потоке может значительно превышать предельно допустимую.

2. В качестве одного из методов предотвращения загрязнения водотока предложен режим поэтапной промывки канала, который представляет собой постепенное по времени увеличение расхода воды в канале, в результате чего мутность воды в реке не будет превышать ПДК.

3. Предложены расчетные зависимости для определения количества взвешенных веществ, выносимых из руслоотводного канала и времени его промывки.

4. Концентрацию взвешенных загрязняющих частиц (мутность) по длине потока предлагается определять по формуле A.B. Караушева, с учетом предложенного автором данной работы поправочного (корректирующего) коэффициента.

5. Предложена зависимость изменения расхода воды от времени в рус-лоотводном канале без защитных покрытий трапецеидального гидравлически наивыгоднейшего и треугольного сечений, обеспечивающая ПДК в контрольном створе водотока.

6. Выполненный автором расчет поэтапной промывки канала по разработанной методике для реального объекта угледобычи показал, что применение предложенного способа поэтапной промывки существенно снизит плату за загрязнение водного объекта и уменьшит вред, наносимый окружающей среде. Расчетный экологический эффект для данного объекта составит более 1,6 млн руб. (в ценах 2007 года).

7. Предлагаемый автором режим промывки позволит привести проектирование и эксплуатацию каналов различного назначения в начальный период их работы в соответствие с нормативами водопользования и охраны окружающей природной среды.

Расчет поэтапной промывки канала также используется в учебном процессе вуза для обучения студентов специальностей «Инженерная защита окружающей среды» и «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» по дисциплинам «Русловая гидравлика», «Теоретические основы защиты окружающей среды» и других.