Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

УДК 622:504

методология оценки экологического состояния малых рек и их защиты от влияния горного производства (на примере восточного забайкалья)

Специальность

25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Коннов Василий Иванович

Москва - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» и в Забайкальском институте железнодорожного транспорта - филиале ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» в г. Чите

Научный консультант Ельчанинов Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Ермолов Валерий Александрович

доктор технических наук, профессор

Чаплыгин Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор

Сладкопевцев Сергей Андреевич

доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие: Институт водных проблем РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится «___» __________ 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.08 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан «____» ___________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. Шек В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. На территории Восточного Забайкалья, в частности в Забайкальском крае, формируются воды трех крупных водных систем Сибири и Дальнего Востока: Амурского бассейна (на него приходится около 55% от площади края), Ленского (30,4%) и Байкало-Енисейского (13,3%). На Забайкальский край приходится формирование более 7% стока бассейна Лены и более 5% площади ее водосбора, соответственно более 7% и около 13% - Амура, около 18% и 10% - Байкала. Одной из основных особенностей малых рек, образующих водосбор основных водных систем, является тесная связь формирования стока с ландшафтом бассейна. Это обусловливает существенную уязвимость рек при интенсивном ведении горных работ, распашке земель, отставании почвозащитных мероприятий, приводящих к развитию эрозионных процессов на больших площадях бассейнов малых рек, заилению русел, прудов и водохранилищ.

Интенсивное истощение резервов чистой воды обусловлено в большей степени нарастающим загрязнением водных объектов промышленными и бытовыми стоками. Особенно остро ощущают влияние сброса сточных вод малые реки Восточного Забайкалья, так как их самоочищающая способность ниже, чем у малых рек европейской части России. Этот регион отличается наиболее суровыми природно-климатическими условиями - длительными низкими температурами воздуха, наличием многолетнемерзлых грунтов, сильными ветрами, снегозаносами, гидрологическими и гидрогеологическими особенностями, сейсмичностью, сложностью рельефа, значительными колебаниями физических, химических и бактериологических показателей качества воды и др. До 80% поверхностных источников водоснабжения и водоотведения полностью перемерзают зимой. Бактериологические исследования показали, что коли-индекс в 4 пробах воды из 13 отобранных в р. Вилюй не соответствует санитарным требованиям, в 6 пробах из 13 обнаружено превышение микробного числа. Вода в р. Тура загрязнена бактериями кишечной группы - в летний период коли-индекс составляет не менее 25*103 кл./л [Х.С. Бахрамов, 2004].

Особое внимание уделяется качеству воды рек бассейна оз. Байкал, для сохранения которого принят Федеральный Закон «Об охране озера Байкал». Реки бассейна имеют в основном III класс качества вод и характеризуются как умеренно загрязненные. За период наблюдений (1898 - 2007 гг.) среднегодовое содержание органического вещества (по величине БПК5 и ХПК) превышало ПДК в 1,5 раза (1988), фенолов - в 8 раз (1992), нефтепродуктов - в 21 раз (1991), железа общего - в 14 раз (1988), ионов меди - в 7 раз (1991), цинка - в 2 раза (1992) [О.А. Вотах, 1995].

В Восточном Забайкалье значительную долю в изменение гидрологического и гидрохимического режимов рек вносит горнодобывающая промышленность. Освоение большей части пойменных земель, перенос русел малых и средних рек за границы объектов горных работ приводят к изменению водного и химического балансов поверхностных вод, что в свою очередь нарушает ход естественных природных гидрологических, гидрохимических и гидробиологических процессов в речной воде.

Многогранность процессов смешения, распространения сточных вод в речных водах и изменения концентраций загрязняющих веществ в водотоках предопределяют актуальность проблемы формирования режимов воды рек, на водосборах которых осуществляется антропогенная деятельность. Работы в этом направлении активно вели и ведут ученые самых различных направлений: экологи, химики, гидрогеологи, биологи, геологи, гидрологи и др., среди которых следует назвать Алтунина С.Т., Астахова А.С., Басса С.В., Бортина Н.Н., Будыко М.И., Булавко А.Г., Воронкова Н.А., Горошкова И.Ф., Горшкова В.К., Гуткина В.И., Дебольского В.К., Ельчанинова Е.А., Ермолова В.А., Железняка И.А., Жука Е.Г., Жукову Г.А., Захаровскую Н.Н., Знаменского В.А., Зубрева Н.И., Калашникова А.Т., Караушева А.В., Клибашева К.П., Коваленко В.С., Красавина А.П., Лапшева Н.Н., Меркулова В.А., Мирзаева Г.Г., Михалева М.А., Михайлова А.М., Новикова В.Н., Парахонского Э.В., Потапова А.И., Родзиллера И.Д., Россинского К.И., Сладкопевцева С.А., Томакова П.И., Фролова В.А., Чаплыгина Н.Н., Шикломанова И.А. и др.

Решение научной проблемы оценки экологического состояния малых рек и их защиты от загрязнения горным производством в условиях Восточного Забайкалья имеет важное народнохозяйственное значение.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методологии оценки экологического состояния водных ресурсов и их защиты от влияния горного производства, позволяющей обеспечить нормативное качество воды малых рек Восточного Забайкалья.

Идея работы заключается в выявлении и научном обосновании региональных закономерностей режимов многолетнего и внутригодового стоков малых рек Восточного Забайкалья и их учете в расчетах нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ, зависящих от вида водопользования, технологии отработки месторождений россыпного золота и разработке на этой основе методов и типовых инженерных и технических решений защиты водотоков от антропогенного загрязнения.

Основные задачи исследования:

1. Анализ опубликованных данных и проведение натурных наблюдений за гидрологическим режимом речных и сточных вод с целью изучения и выявления его зональных закономерностей для разработки методологии оценки экологического состояния водных объектов и их защиты от влияния горного производства и агросистем в условиях Восточного Забайкалья.

2. Разработка метода расчета лимитов сбросов загрязняющих веществ, учитывающего закономерности гидрологического режима малых рек, виды водопользования при добыче полезных ископаемых открытым способом и поступлении сточных вод агросистем в водные объекты Восточного Забайкалья.

3. Анализ технологических процессов, входящих в них этапов и видов горных работ, а также форм их воздействия на малые реки при добыче полезных ископаемых открытым способом в руслах водотоков, выявление закономерностей влияния горного производства на состояние водных ресурсов, разработка типовых инженерных и технических решений защиты водных объектов от загрязнения сточными водами, образующимися при отработке россыпных месторождений золота в условиях Восточного Забайкалья.

4. Выявление закономерностей изменения гидрологического режима малых рек статистическими и воднобалансовыми расчетами в системе «месторождение - река» для решения задач сохранения санитарного расхода воды в водотоке в фазу межени, разработка метода контроля и регулирования концентраций загрязняющих веществ в расчетном створе водотока при отведении русла реки от границ россыпного месторождения золота с целью сохранения нормативного качества воды в водном объекте.

5. Выявление закономерностей изменения гидрохимического режима сточных вод с мелиорированных и богарных земель с целью определения влияния агросистем на экологическое состояние водных объектов и разработка типовых средств и способов защиты малых рек Восточного Забайкалья от загрязнения сточными водами сельскохозяйственного производства.

6. Оценка наносимого и предотвращенного экологического ущерба, малым рекам Восточного Забайкалья при реализации природоохранных разработок и мероприятий, предложенных в работе.

Методика исследований включает анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований и оценок влияния на реки антропогенной деятельности, проведение натурных наблюдений за гидрохимическим режимом сточных вод и гидрологическим режимом водных объектов, в бассейнах которых ведутся горные работы, обработку данных исследований методами математической статистики и теории вероятностей, установление закономерностей и зависимостей, реализация разработок в производство.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Закономерность изменения стока малых рек за многолетний период, заключающаяся в его распределении по многолетним циклам, значительно отличающимся по величинам среднегодовых расходов воды, зависящая от водности периода и предопределяющая необходимость выполнения расчета нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ, поступающих в водоток со сточными водами россыпных месторождений золота, для каждого цикла отдельно в условиях Восточного Забайкалья.

2. Метод расчета лимитов сбросов взвешенных веществ в водные объекты горнодобывающими предприятиями, заключающийся в определении расчетного расхода воды в водотоке с учетом водности периода добычи полезных ископаемых и гидрологической фазности внутригодового распределения стока малых рек Восточного Забайкалья.

3. Классификация форм воздействия видов горных работ на малые реки в зависимости от технологических этапов отработки россыпных месторождений золота, позволяющая устанавливать расчетные периоды для разработки нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ в водотоки в условиях Восточного Забайкалья.

4. Метод регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале, позволяющий не только контролировать содержание взвесей в расчетном створе водотока, поступающих со сточными водами при отработке россыпного месторождения золота, но и регулировать его, с учетом фактического и прогнозируемого состояний экологического резерва при искусственном изменении русел малых рек Восточного Забайкалья.

5. Закономерность изменения гидрохимического режима сточных вод с полигинов и агросистем, заключающаяся в том, что колебания концентраций загрязняющих веществ зависят от сезонов вегетационного периода, что связано с условиями ведения горного и сельскохозяйственного производств, позволяющая рассчитывать НДС загрязняющих веществ в условиях Восточного Забайкалья.

6. Методология оценки экологического состояния малых рек и их защиты от загрязнения сточными водами горного и сельскохозяйственного производств, базирующаяся на методах, закономерностях, классификациях, учитывающих региональные особенности гидрологического режима водотоков и производственные процессы горнодобывающих предприятий и агросистем в условиях Восточного Забайкалья.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждаются использованием опубликованных многолетних данных гидрометрических и гидрохимических наблюдений за расходами и качеством воды сточных и речных вод Забайкалгидрометеоцентром (1898-2005 гг.), обработкой данных натурных наблюдений за гидрологическими характеристиками в многолетнем и внутригодовом периодах формирования стока малых рек, в бассейнах которых ведется добыча полезных ископаемых, методами математической статистики и теории вероятностей, применением регрессионного анализа для получения функциональных зависимостей изменения концентраций загрязняющих веществ по сезонам года за вегетационный период в сточных водах агросистем, положительной реализацией разработок на производственных предприятиях и проектных институтах, удовлетворительной сходимостью расчетных данных и натурных наблюдений (расхождение - не более 10%).

Научная значимость диссертационной работы заключается в разработке методологии оценки экологического состояния малых рек и их защиты от загрязнения сточными водами горного и сельскохозяйственного производств, базирующейся на методах, закономерностях, классификации, учитывающих региональные особенности гидрологического режима водотоков и производственные процессы горнодобывающих предприятий и агросистем в условиях Восточного Забайкалья.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- разработана методика определения расчетного расхода воды водотока, учитывающая гидрологическую цикличность и фазность формирования многолетнего и внутригодового стока малых рек, позволяющая рассчитывать нормативы допустимых сбросов загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами предприятий, в том числе горнодобывающего производства, в условиях Восточного Забайкалья;

- разработан каталог типовых инженерных средств и мероприятий по защите малых рек от загрязнения сточными водами при отработке россыпных месторождений золота в их бассейнах;

- разработаны технические решения по проектированию природоохранных гидротехнических сооружений на россыпных месторождениях золота, учитывающие орографический фактор, морфометрические характеристики малых рек, условия сохранения санитарного расхода в водотоке и разработанный каталог типовых инженерных средств и мероприятий защиты водотоков от загрязнения сточными водами в условиях Восточного Забайкалья;

- разработана методика регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале, позволяющая не только контролировать содержание взвесей в расчетном створе водотока, поступающих со сточными водами при отработке россыпного местородждения золота, но и регулировать его с учетом фактического и прогнозируемого состояний экологического резерва при искусственном изменении русел малых рек Восточного Забайкалья;

- разработаны экологическая карта бассейна р. Читы и каталог типовых инженерных и технических решений по защите малых рек от загрязнения сточными водами агросистем, использование которых позволяет предотвратить экологический ущерб, наносимый водотокам техногенной деятельностью в условиях восточного Забайкалья;

- получены функциональные зависимости гидрохимических характеристик сточных вод с агросистем, которые используются для укрупненной оценки влияния стоков на качество воды рек в разделе «Охрана окружающей природной среды» рабочих проектов строительства гидромелиоративных систем в условиях Восточного Забайкалья.

Реализация результатов работы. Основные результаты выполненных исследований и разработок получили практическую реализацию более чем в 20 проектах расчета нормативов допустимых сбросов (НДС) загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами предприятий, рабочих проектах разработки открытых месторождений россыпного золота в Забайкалье и отражены в 11 научно-исследовательских отчетах по теме диссертации, имеющих государственные регистрационные номера.

Разработанные рекомендации используются в проектных и научных институтах, государственных органах: ООО «Забайкалзолотопроект»; ОАО «ЗабайкалцветметНИИпроект»; Государственное унитарное предприятие «Проектно-изыскательский институт на железных дорогах Забайкалья» («Забайкалжелдорпроект»); Федеральное государственное учреждение «Управление мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по Читинской области»; ЗАО «Золото Сибири». Результаты работы также используются в учебном процессе при подготовке специалистов-экологов в Иркутском государственном университете путей сообщения и курсах повышения квалификации экологов на Забайкальской железной дороге.

Личный вклад автора заключается: в постановке новых задач исследований; руководстве и непосредственном участии в проведении мониторинга нарушенных земель, гидрологического режима речных вод и гидрохимического режима сточных вод; разработке разделов каталогов типовых инженерных и технических решений по защите от загрязнения малых рек; разработке методов и методик решения поставленных задач; разработке методологии оценки экологического состояния малых рек и их защиты от загрязнения сточными водами горного и сельскохозяйственного производств; достижении цели и реализации идеи работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всероссийских конференциях: «Управление водным хозяйством России» (Екатеринбург, 1992, 1993); «Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейне рек» (Екатеринбург, 1994); «Безопасность биосферы - 99» (Екатеринбург, 1999); «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (Хабаровск, 2000); «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2004); «Проблемы исполнения экологического и земельного законодательства в РФ» (Пенза, 2004); «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке» (Чита, 2006); «Актуальные проблемы современного транспорта» (Самара, 2007); Международных конференциях: «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999); «Чистая вода России - 99» (Екатеринбург, 1999); «Наука и образование на рубеже тысячелетий» (Чита, 1999); «Мир. Справедливость. Гуманизм» (Чита, 2000); «Транссибвуз - 2000» (Омск, 2000); «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 2001); «Проблемы использования водных ресурсов и экологии гидросферы» (Пенза, 2001); «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, 2002); «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья» (Чита, 2002); «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2002); «Приоритет России XXI века: от бисферы и техносферы к ноосфере» (Пенза, 2003); «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Новосибирск, 2004); «Экономика природопользования и природоохраны» (Пенза, 2005); «Экология и жизнь» (Пенза, 2005); «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза, 2006); «Развитие транспортной инфраструктуры - основы роста экономики Забайкальского края» (Чита, 2008) и на других межрегиональных и региональных конференциях; на ряде научных семинаров и курсов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 87 печатных работ. В том числе: 4 монографии (2 монографии в соавторстве); 1 патент; 18 статей в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов докторских диссертаций. В автореферате приведено 38 основных научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 207 наименований, из них 23 иностранных источника, приложений, содержит 88 рисунков и 102 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе научному консультанту докт. техн. наук, профессору кафедры «Инженерная защита окружающей среды» Ельчанинову Е.А., заведующему кафедрой ИЗОС докт. техн. наук, профессору Сластунову С.В., коллективу кафедры ИЗОС Московского государственного горного университета. При выполнении работы на разных ее этапах существенную помощь и поддержку оказали: коллектив и заведующий кафедрой «Водное хозяйство и инженерная экология» Читинского государственного университета докт. техн. наук, профессор Заслоновский В.Н.; заведующий кафедрой «Открытые горные работы» Читинского государственного университета докт. техн. наук, профессор Овешников Ю.М.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

малый река сток экологический

1. Закономерность изменения стока малых рек за многолетний период, заключающаяся в его распределении по многолетним циклам, значительно отличающимся по величинам среднегодовых расходов воды, зависящая от водности периода и предопределяющая необходимость выполнения расчета нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ, поступающих в водоток со сточными водами россыпных месторождений золота, для каждого цикла отдельно в условиях Восточного Забайкалья. Природные условия в границах различных бассейнов рек Забайкальского края существенно различаются (рис. 1). Это приводит к необходимости изучения гидрологического режима рек отдельно в каждом крупном водном бассейне Восточного Забайкалья с целью установления закономерностей и их учета в расчетах нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ в водотоки, в руслах которых ведутся горные работы.

В основу гидрологического районирования Байкальского, Амурского и Ленского бассейнов положены основные черты водного режима рек и величина их относительной водности. По условиям питания, характеру колебания водности и распределению стока внутри года в пределах бассейнов выделены основные зоны, отражающие последовательное изменение водного режима рек в направлении с юга на север. В результате исследований особенностей гидрологического районирования и режима указанных бассейнов рек на территории Забайкальского края установлено следующее.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Одна из основных особенностей малых рек - тесная связь с окружающим ландшафтом. Процессы, наблюдающиеся на малом водосборе, быстро отражаются на состоянии реки, ее стоке, русловых процессах, в то время как факторы, определяющие формирование стока большой реки, в силу разновременности воздействия на растянутой в пространстве территории, носят взаимно сглаживающий и более длительный характер. Гидрологический режим малых рек формируется под воздействием общих процессов вековых и средневековых колебаний увлажненности территории, а также местных природных факторов, не всегда совпадающих с зональными особенностями.

По характеру водного режима реки бассейнов в большей части относятся к типу рек с дождевыми паводками. Характерна для рек Восточного Забайкалья изменчивость среднегодового стока. В многоводные годы сток в 5 раз превышает сток маловодных лет. Однако для малых и средних рек засушливых районов и водотоков с очень малой долей подземного питания изменчивость стока может быть значительно выше. Наибольшие отклонения стока от нормы наблюдались для верховьев р. Хилок (ст. Сохондо) коэффициент вариации Сv = 1,2. Это свидетельствует о возможности колебаний годового стока в 400 раз.

Выраженной особенностью рек Восточного Забайкалья является распределение многолетнего стока по циклам, отличающимся водностью. На рис. 2 показано циклическое распределение среднегодового стока р. Хилкотой, расположенной в бассейне оз. Байкал.

Рис. 2. Гидрограф среднегодовых расходов воды р. Хилкотой

В результате выполнненых статистических расчетов установлено: из 31 года наблюдений за ее стоком 10 лет относятся к многоводному циклу, 11 лет - к среднему по водности периоду и 10 лет - к маловодному циклу; средний расход воды за маловодный период составил 48,9% от среднего расхода воды за многоводный период, максимальный - 43,4%, минимальный - 48,0%, соответственно. Сток по циклам изменялся более чем на 50%. Закономерность циклического изменения водности характерна для всех рек Восточного Забайкалья, что хорошо иллюстрируется данными, приведенными в табл.1.

Анализ изменения циклов водности рек показал, что маловодный период для Восточного Забайкалья длится в среднем 17,8 лет, многоводный - 16 лет и средний по водности - 15 лет.

Горнодобывающие предприятия осуществляют сброс производстенных сточных вод в водотоки как внутри циклов, так и в период, превышающий время прохождения одного или нескольких циклов.

Таблица 1

Цикличность колебания водности рек Восточного Забайкалья

Река - пункт	Период наблюдений	Площадь водосбора, км2	Количество лет наблюдений	Период и его продолжительность, лет
				маловодный	многоводный
Шилка - Сретенск	1897 - 1992	175000	96	1898 - 1905 (8)	1906 - 1920 (15)
				1921 - 1931 (11)	1932 - 1941 (10)
				1941 - 1955 (14)	1956 - 1962 (7)
				1964 - 1982 (19)	1983*
Онон - Чирон	1950- 1992	95900	43	1965 - 1982 (18)	1983*
Онон - Оловянная	1955- 1992	75100	38	1965 - 1983 (19)	1984*
Борзя - Борзя	1953- 1992	3980	40	1965 - 1982 (18)	1983*
Ингода - Атамановка	1941- 1992	22000	52	1963 - 1982 (20)	1983*
Ингода - Улеты	1949- 1991	12500	43	1963 - 1981 (19)	1982*
Чита - Чита	1946- 1991	4170	46	1963 - 1979 (17)	1980*
Чита - Бургень	1955- 1992	2640	38	1963 - 1979 (17)	1980*
Оленгуй - Елизаветино	1953- 1992	3900	40	1963 - 1982 (20)	1983*
Оленгуй - Ленинск	1957- 1992	1520	36	1963 - 1982 (20)	1983*
Унда - Ново-Ивановск	1955- 1992	7650	38	1964 - 1982 (19)	1983*
Ага - Агинское	1953- 1992	2190	40	1963 - 1983 (21)	1984*
Нерча - Нерчинск	1948- 1992	27500	45	1963 - 1981 (19)	1982*
Могоча - Могоча	1953- 1991	1340	39	1964 - 1980 (17)	1981*
Амазар - Амазар	1955- 1991	5170	37	1964 - 1980 (17)	1981*
Амазар - Могоча	1953- 1991	1020	39	1964 - 1980 (17)	1981*
Чара - Чара	1951- 1992	4150	42	1964 - 1974 (11)	1975 - 1983 (9)
Чикой - Гремячка	1943- 1992	15600	50	1965 - 1981 (17)	1982*

Примечание. Звездочкой отмечен незавершенный период.

Существующая методика расчета НДС загрязняющих веществ и микроорганизмов для водопользователей не учитывает многолетнюю цикличность изменения водности малых рек Восточного Забайкалья. Автором предложен метод, основывающийся на этой закономерности.

2. Метод расчета лимитов сбросов взвешенных веществ в водные объекты горнодобывающими предприятиями, заключающийся в определении расчетного расхода воды в водотоке с учетом водности периода добычи полезных ископаемых и гидрологической фазности внутригодового распределения стока малых рек Восточного Забайкалья. Отработка россыпных месторждений золота, гидротехническое строительство и поступление сточных вод в малые реки осуществляются обычно в период открытого русла. Лимитирующим периодом сброса сточных вод в речные является фаза межени - характерная фаза для малых рек Восточного Забайкалья. Меженные периоды различаются лишь длительностью прохождения (табл. 2).

Таблица 2

Сток рек Байкальского бассейна по фазам в процентах от годового

№ п/п	Площадь водосбора рек, км2	Коли-чест-во рек	Сток рек по фазам, в % от годового
			Летне-осенняя межень	Зимняя межень	Весеннее половодье	Дождевые паводки
1	F < 1000	3	9 - 24 (16,7)	7 - 21 (12,3)	23 - 57 (39,3)	27 - 36 (31,7)
2	1000 < F < 2000	3	4 - 8 (6)	1 - 6 (3,7)	20 - 51 (35)	39 - 76 (58,7)
3	2000 < F < 10000	9	6 - 17 11,2)	1 - 14 (4,7)	12 - 32 (23,4)	39 - 81 (61,1)
4	10000<F< 20000	4	7 - 14 (9,8)	1 - 5 (3)	16 - 33 (24,3)	22 - 72 (50,5)
5	F > 20000	3	6 - 12 (9)	2 - 5 (3,7)	13 - 49 (26)	39 - 76 (58,7)

*) Диапазоны от минимальных до максимальных значений (в скобках - среднее значение).

Значительная летне-осенняя межень наблюдается в маловодные годы, когда после прохождения половодья на реках отмечается устойчивая пониженная водность. В другие годы к летне-осенней межени относятся непродолжительные прерывистые периоды с пониженным стоком, наблюдающиеся между отдельными паводками. Суммарная продолжительность прерывистых меженных периодов за время открытого русла на больших реках составляет в среднем 2 месяца, а на средних и малых - 1,5 месяца. Длительность отдельных межпаводочных периодов изменяется в основном от нескольких дней до 150 сут.

В расчетах смешения сточных и речных вод необходимо это учитывать. С этой целью автором разработан метод расчета лимитов сбросов взвешенных веществ в водные объекты горнодобывающими предприятиями, который позволяет определять расчетный расход воды в водотоке с учетом водности периода добычи полезных ископаемых и гидрологической фазности внутригодового распределения стока малых рек Восточного Забайкалья.

Проверка установленных положений показана для рек Байкальского бассейна, так как наиболее жесткие требования к качеству воды водотоков предъявляются именно в этом бассейне (установлены Федеральным Законом «Об охране озера Байкал»). Для выявления границ сезона летней межени было проведено исследование гидрологического режима рр. Хилкотой, Аса и Блудная за период наблюдений за расходами с 1960 по 1991 годы (31 год). Статистические расчеты приведены для р. Хилкотой, которая является притоком р. Катанца (впадает в р. Чикой, бассейн р. Селенги). В дальнейшем можно использовать р. Хилкотой в качестве аналога для расчета по другим малым рекам того же района, для которых нет данных гидрологических наблюдений. Для выделения меженных периодов р. Хилкотой по данным среднесуточных расходов воды (Q) были построены гидрографы стока лет разной водности.

Данные анализа позволили определить точные сроки начала и окончания меженей за каждый год, а также наиболее ранние даты начала и наиболее поздние окончания меженного периода. Фазность гидрологического режима р. Хилкотой мало зависит от водности года, лишь несколько колеблются границы меженей (табл. 3).

Таблица 3

Границы меженных периодов р. Хилкотой для разных по водности лет

Водность года, %	I период межени	I I период межени	I I I период межени
	Начало	Окончание	Начало	Окончание	Начало	Окончание
Многоводные годы	18.05	27.06	8.06	16.07	11.07	31.07
Годы средней водности	15.05	28.06	5.06	3.08	9.07	30.08
Маловодные годы	7.05	26.06	1.06	9.08	22.07	5.09
Границы меженных периодов	7.05 - 28.06	1.06 - 9.08	9.07 - 5.09

Приведенный анализ гидрологического режима малой р. Хилкотой подтверждает необходимость учета фазности стока рек при определении расчетного расхода воды водотока для установления условий смешения сточных и речных вод. Учитывая резкое изменение режима речного стока в разные фазы внутри года в условиях Восточного Забайкалья, для корректного определения величины расчетного расхода воды в реке предлагается использовать минимальные среднепентадные расходы за период межени, а не минимальные среднемесячные (по существующей методике, 2007).

Проверка методики проводилась по данным наблюдений за расходами воды рек Байкальского и Амурского бассейнов (табл. 4): по минимальным среднемесячным расходам; по минимальным среднедекадным расходам за период межени; по минимальным среднепентадным расходам за период межени. Проверка параметров биномиальной кривой стока р. Хилкотой для расчетных периодов приведена в табл. 5 (ошибки допустимы, СНиП 2.01.14-83). Расчетный гидрограф минимального среднепентадного стока 95%-ной вероятности превышения для р. Хилкотой показан на рис. 3.

Таблица 4

Гидрологическая характеристика исследуемых малых рек

Река	Объем стока, млн. м3	Средняя высота водосбора, м	Площадь водосбора, км2	Годы наблюдений
р. Хилкотой	510	283	1140	1960-91
р. Блудная	306	235	1300	1975-90
р. Аса	760	378	2010	1968-90

Для сравнения был определен расчетный минимальный месячный 95%-ной вероятности превышения расход воды р. Хилкотой по существующей методике. Он составил Q95%=4,15 м3/с и отличается от расчетного минимального месячного 95% -ной вероятности превышения расхода воды р. Хилкотой, определенного по методу компоновки, на 20% (в данном случае несколько занижен).

Расчетный минимальный среднедекадный расход Q95% вероятности превышения, определенный с учетом прохождения межени за 31-летний период наблюдений на р. Хилкотой, составил 3,71 м3/с. Расчетный расход, определенный по существующей методике, превышает рекомендуемый на 11,0 %.

Наиболее точным является расчетный минимальный среднепентадный расход Q95% вероятности превышения, определенный с учетом прохождения межени за 31-летний период наблюдений на р. Хилкотой, который составил 2,47 м3/с. Расчетный расход, определенный по существующей методике, превышает рекомендуемый среднепентадный на 40,5%.

Таким образом, анализ, выполненный для рек Байкальского бассейна, показал, что в расчетах НДС загрязняющих веществ за расчетный расход воды в малых реках в условиях Восточного Забайкалья принимается расход, определяемый по существующей методике, который превышает реальный (фактический) расход воды до 40,5%, что приводит к загрязнению воды малых рек.

Таблица 5

Параметры биномиальной кривой стока р. Хилкотой для расчетных периодов

№ п/п	Расчетные периоды	Параметры
		Расход воды, м3/с	Коэффициент вариации, Сv	Коэффициент асимметрии, Сs	Ошибка СQ, %	Ошибка Сv, %
1	Лимитирующий сезон	Q=(1173,73)/ /31=37,86	CV== =0,53	CS=2CV=2* *0,5324=1,07	Q=0,5324/* *100=9,5	Cv=* *100=9,8
2	Лимитирующий период	Q=(2699,18)/ /31=87,07	CV== =0,40	CS=2CV=2* *0,4041=0,81	Q=0,4041/* *100=7,3	Cv=* *100=9,3
3	Годовой сток	Q=(3998,06)/ /31=128,97	CV== =0,32	CS=2CV=2* *0,3229=0,65	Q=0,3229/* *100=5,8	Cv=* *100=9,3
4	Нелимитирующий сезон	Расчетный расход нелимитирующего сезона Qр.н.с.=Qр.л.п.- Qр.л.с.=39,62 м3/с -11,74 м3/с =27,88 м3/с
5	Нелимитирующий период	Расчетный расход нелимитирующего периода Qр.н.п.=Qр.г.- Qр.л.п.=68,35 м3/с -39,62 м3/с =28,73 м3/с



Существующий в настоящее время метод определения условий сброса сточных вод на основе минимальных среднемесячных расходов воды реки не учитывает реального распределения многолетнего и внутригодового стоков рек в условиях Восточного Забайкалья.

3. Классификация форм воздействия видов горных работ на малые реки в зависимости от технологических этапов отработки россыпных месторождений золота, позволяющая устанавливать расчетные периоды для разработки нормативов допустимых сбросов загрязняющих веществ в водотоки в условиях Восточного Забайкалья. В зависимости от типа горных машин, используемых для выемки и транспортирования песков, различают дражный, гидромеханизированный, скреперно-бульдозерный и экскаваторный способы открытой разработки россыпных месторождений золота. Наибольшее загрязнение водотоков вызывает дражный способ отработки россыпей (рис. 4).



Рис. 4. Работа драги по схеме оборотного водоснабжения:

1 - дамба с водозаборным устройством; 2 - драга; 3 - насосная станция; 4 - станция флокуляции; 5 - отвалы эфелей и галей; 6 - руслоотводной канал; 7 - отстойник сточных вод, поступающих от драги; 8 - река

Анализ технологического процесса разработки россыпных месторождений золота в условиях Восточного Забайкалья показал, что все способы открытой добычи полезного ископаемого включают в себя подготовительный, добычной (эксплуатационный), рекультивационный и послерекультивационный периоды (этапы), в течение которых необходимо определять степень влияния объекта на экологическое состояние водотоков.

В результате исследования указанных периодов были разработаны классификация видов работ и форм их вредного воздействия на водные объекты. Обследование действующих природоохранных сооружений и мероприятий на отрабатываемых месторождениях россыпного золота в Восточном Забайкалье, установление сроков их службы, а также использование классификации технологических этапов, входящих в них видов работ и форм их воздействия на малые реки позволило разработать каталог типовых мероприятий и инженерных средств защиты малых рек от загрязнения сточными водами, образующимися при добыче полезных ископаемых. Структура каталога приведена в табл. 6.

Таблица 6

Структура каталога

№ п/п	Наименование разделов
1	Организационные водоохранные мероприятия и средства защиты а) Организационные водоохранные мероприятия для защиты вод малых рек от поступления стоков с отрабатываемой открытым способом площади месторождения б) Организационные водоохранные мероприятия для защиты вод малых рек от поступления стоков, содержащих нефть и нефтепродукты в) Осуществлять мониторинг и контроль качества воды малых рек
2	Лесотехнические мероприятия на поймах рек, на которых ведется отработка месторождений
3	Гидротехнические мероприятия на отрабатываемых месторождениях, реках и их водосборах
4	Противоэрозионные мероприятия на водосборах малых рек в районе расположения месторождения
5	Естественно-биологические мероприятия на реках и их водосборах в районе расположения месторождения
6	Инженерные средства и мероприятия по защите малых рек от загрязнения сточными водами при отработке месторождений открытым способом а) Очистка сточных вод от взвешенных веществ б) Очистка сточных вод от тяжелых металлов в) Очистка сточных вод от органических и бактериальных загрязнений

Анализ форм воздействия на водные объекты технологических этапов и входящих в них видов работ, указанных в разработанной классификации, при добыче золота в руслах рек показал, что одной из значительных форм является нарушение природного гидрологического режима малых рек.

Чтобы установить изменения стока малых рек при отработке россыпных месторождений золота в их руслах, были выполнены статистические расчеты для р. Багдарин - с. Багдарин, где велась отработка золота драгой. Оценка производилась по методу аналогий, рекомендуемому СНиП 2.01.14-83 «Определение расчетных гидрологических характеристик». Были подобраны реки-аналоги р. Чина - прииск Троицкий и р. Малый Амалат - с. Малый Амалат, водосборные бассейны которых находятся в сходных физико-географических условиях с бассейном р. Багдарин и не затронуты добычей золота (табл. 7).

Таблица 7

Характеристика бассейнов исследуемых рек

Река - пункт	Длина реки до створа, км	Зале-сен-ность, %	Забо-лочен-ность, %	Средний уклон реки, 0/00	Средний уклон водосбора, 0/00	Среднемноголетние данные по расходу воды, м3/с
						Среднегодовой	Макси-мальный	Минимальный за 30 суток
р.Багдарин -с.Багдарин	30	80	0	19,8	219	1,51	184	0,90
р.Чина - пр-к Троицкий	39	50	<5	4,0	91,9	3,38	244	1,94
р.М.Ама-лат - с.М.Амалат	49	85	<5	12,9	--	5,71	419	2,87

Период наблюдений за стоком рек ведется: р. Багдарин - с. Багдарин - с 1959 г.; р. Чина - прииск Троицкий - с 1958 г.; р. Малый Амалат - с. Малый Амалат - с 1959 г. Оценка изменений стока р. Багдарин под влиянием хозяйственной деятельности выполнялась по зависимости:

, м3/с, (3.1)

где и - расходы р. Багдарин и рек-аналогов.

На рис. 5 приведены графики связи среднегодовых, максимальных и минимальных 30-суточных расходов воды р. Багдарин и рек-аналогов. Графики связи показывают, что в конце 70-х годов наблюдалось изменение стока р. Багдарин, в то же время связь между реками-аналогами остается без изменений. Для более точного определения даты начала нарушений водного режима был использован статистический метод анализа.

Рис. 5. Связь интегральных значений стока р. Багдарин - с. Багдарин и р. Чина - прииск Троицкий:

а - среднегодовой сток, б - минимальный 30-суточный сток, в - максимальный сток

За каждый год рассчитывалась разница рассматриваемых характеристик исследуемой реки и реки-аналога:

, м3/с. (3.2)

Для получения ряда значений путем последовательного расчета отыскивалась статистика :

, (3.3)

где - ; - средние квадратические отклонения первой и второй частей ряда; n - общее число членов ряда; Т - длина ряда до точки перелома, найденной по интегральному графику связи.

Моменту нарушений будет соответствовать минимальное значение статистики .

Таким образом, расчеты показали, что отработка россыпных месторождений золота в руслах рек приводит к изменению гидрологического режим малых водотоков, которое характеризуется следующими показателями: для среднегодового и минимального 30-суточного стоков датой начала изменений является 1979 год, когда сток начал уменьшаться; за период с 1979 по 1992 годы уменьшение составило: для среднегодового стока около - 21,5%, для минимального 30-суточного расхода воды 95%-ной вероятности превышения - около 60%; максимальный сток начал изменяться с 1976-1977 г.г. в сторону увеличения, которое составило в среднем 25%, после 1984-1985 гг. появилась тенденция к уменьшению и сближению с естественной прямой связи.

В связи с выявленной закономерностью необходимо выполнять воднобалансовые расчеты в системе «месторождение - река» с целью сохранения санитарного минимального 30-суточного расхода воды 95%-ной вероятности превышения в водном объекте горного и предгорного типа в условиях Восточного Забайкалья для соблюдения требований нормативных документов.

4. Метод регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале, позволяющий не только контролировать содержание взвесей в расчетном створе водотока, поступающих со сточными водами при отработке россыпного местородждения золота, но и регулировать его, с учетом фактического и прогнозируемого состояний экологического резерва при искусственном изменении русел малых рек Восточного Забайкалья. Отработка россыпных месторождений золота, строительство гидротехнических сооружений в руслах рек обычно осуществляется после отведения речного потока по одному или нескольким руслоотводным каналам в зависимости от расположения объекта в русле реки и рельефа местности. В начальный период эксплуатации каналов при их значительных размерах и переменных расходах воды имеет место интенсивный вынос взвешенных веществ в ненарушенную нижележащую часть русла реки. Это приводит к загрязнению водотока твердым материалом, который поступает в контрольный створ водного объекта: в период самоотмостки руслоотводного канала; при выносе взвешенных веществ фильтрационными стоками, поступающими через целик из первого (нижнего) отрабатываемого блока; с площади нарушенных земель в границах месторождения.

Автором разработан метод регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале, позволяющий не только контролировать содержание взвесей в расчетном створе водотока, поступающих со сточными водами при отработке россыпного местородждения золота, но и регулировать его, с учетом фактического и прогнозируемого состояний экологического резерва при искусственном изменении русел малых рек Восточного Забайкалья. Он заключается в следующем.

В качестве объектов исследований взяты малые водотоки, в некоторой части которых производилась, производится или проектируется отработка россыпных месторождений золота, а речной поток отводится по руслоотводному каналу. В Амурском бассейне выделено 20 малых рек длиной от 10 до 120 км, в Ленском бассейне - 9 рек длиной от 19 до 48 км и в Байкальском - 12 рек длиной от 15 до 90 км.

В результате анализа донных наносов, уклонов верхнего, среднего и нижнего участков водотоков Ленского и Байкальского бассейнов было установлено, что их верхний участок в подавляющем большинстве случаев относится по классификации к горным участкам рек. К таким рекам в Ленском бассейне из 9 исследованных водотоков относятся 8, в Байкальском из 12 - 6. В Амурском бассейне 5 рек из 20 исследованных в верхнем течении имеют уклон более 0,05. Средние и нижние участки изучаемых рек имеют уклон водной поверхности, лежащий в пределах от 0,001 до 0,05, и лишь две реки в нижнем течении имеют уклоны менее 0,001. Участки рек с уклонами от 0,001 до 0,05 относятся к предгорным участкам. В табл. 8 приведена классификация участков обследованных малых рек, разработанная на основании анализа их уклонов и среднего диаметра грунта, слагающего русло водотоков.

К основным факторам, влияющим на поступление твердого стока в реки, относятся летне-осенние дождевые паводки, горный рельеф, характеризующийся значительными уклонами рек, и легкий механический состав грунтов. Строительство линейных сооружений (руслоотводных каналов) в таких условиях имеет свои сложности. Из-за стесненных условий трассирование поворотов каналов не удается выполнить с расчетным радиусом кривизны, что вызывает отжим потока и отложение мели за выпуклым берегом. В паводки происходит вторичное загрязнение реки взвешенными веществами.

Для исключения загрязнения водного объекта взвешенными веществами, выносимыми потоком в процессе самоотмостки руслоотводного канала в начальный период его эксплуатации, предлагается использовать следующие способы: поэтапную промывку руслоотводного канала такими расходами воды, при которых в расчетном створе на водотоке концентрация взвешенных веществ не будет превышать предельно допустимую (ПДК); проектирование нижней части руслоотводного канала с условием аккумуляции наносов; строительство наносоперехватывающих сооружений по трассе руслоотводного канала; строительство бассейнов-накопителей взвешенных веществ в нижней части руслоотводных каналов; отработка россыпного месторождения золота лентами с поочередным строительством руслоотводного канала на правом и левом бортах поймы реки.

Таблица 8

Классификация участков малых рек, в руслах которых производилась, производится или проектируется отработка россыпных месторождений золота

Речной бассейн	Количество участков рек, их уклоны, средний диаметр грунта русла
	Верхние участки горного типа	Средние участки предгорного типа	Нижние участки равнинного типа
	Уклон i >0,05, диаметр грунта d>50 мм	Уклон 0,001< i <0,05, диаметр грунта 1<d<50 мм	Уклон i <0,001, диаметр грунта d<1 мм
Амурский	5	14	1
Байкальский	6	6	-
Ленский	8	-	1

Автором предложен метод регулирования расходов воды и концентраций взвешенных частиц в руслоотводном канале, который заключается в следующем.

1. Определение гидравлических элементов и параметров руслоотводного канала при пропуске по нему расчетного расхода. Расчетный расход назначается в зависимости от класса сооружения и срока его службы по СНиП 2.06.01-86. «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования», М., 1987 г. Гидравлический расчет выполняется по формуле равномерного движения потока (формула Шези):

, м3/с, (4.1)

где W - площадь поперечного сечения канала, м2; С - коэффициент Шези, м0,5/с; R - гидравлический радиус, м; i - уклон дна канала;

, (4.2)

где n - коэффициент шероховатости;

, (4.3)

, (4.4)

где B - ширина канала по дну, м; m0 - коэффициент заложения откосов канала; h - глубина воды в канале, м;

, (4.5)

где - смоченный периметр, м;

. (4.6)

2. Определение глубины воды в канале h, при которой по каналу будет проходить расчетный расход Q.

3. Определение фактической скорости воды в канале по формуле:

, м/с. (4.7)

4. Расчет допускаемой неразмывающей и незаиляющей скоростей Vдоп, Vнез. Допускаемая неразмывающая донная скорость для однородных по крупности несвязных грунтов находится по формуле (Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. П. Г. Киселева. - М.: 1972) (м/с):

, м/с, (4.8)

Допускаемая неразмывающая средняя скорость потока (, м/с):

, м/с, (4.9)

где - плотности соответственно материала частиц несвязного грунта и воды, кг/м3; d - средний диаметр частиц грунта, м; Снун- усталостная прочность на разрыв несвязного грунта, Па; К - коэффициент однородности несвязных грунтов.

Допускаемая неразмывающая скорость водного потока для неоднородных несвязных грунтов определяется по следующим формулам.

Донная скорость потока (м/с):

. (4.10)

Допускаемая неразмывающая средняя скорость потока (м/с)

, (4.11)

где - средний диаметр частиц отмостки, вычисляемый как средневзвешенный по площади, занимаемой на дне потока частицами укрупненного слоя грунта.

Допускаемые неразмывающие скорости водного потока для связных грунтов определяются по приведенным ниже зависимостям.

Допускаемая неразмывающая донная скорость потока (, м/с):

, (4.12)

, (4.13)

где Сун- нормативная усталостная прочность на разрыв связного грунта, Па; d- средний размер агрегатов (отрывающихся отдельностей) грунта, приведенный к диаметру равнообъемного шара, м; m - коэффициент условий работы; К - коэффициент однородности связных грунтов.

При этом должно выполняться следующее условие: Vнез<Vфак<Vдоп.нер.

Если это условие выполняется, то производятся расчеты первого этапа промывки:

а) от общего расхода воды в реке Qоб часть отводится в руслоотводной канал - Qк1, и в реке остается - Qр1. Величина Qк1 назначается подбором таким образом, чтобы этот расход был максимальным, но при этом должно выполняться условие (расчет m1, р1 приводится ниже).

Определяются гидравлические элементы и параметры поперечного сечения руслоотводного канала и реки для расходов Qк1 и Qр1, фактические скорости Vфак и Vнез для каждого расхода и оцениваются в соответствии с приведенным выше неравенством;

б) определяется допускаемая к сбросу концентрация взвешенных веществ в воде канала для отдельных выпусков без учета некосервативности для условий Забайкалья:

, мг/л, (4.14)

где р - допустимое по санитарным правилам увеличение содержания взвешенных веществ в водном объекте после сброса воды в реку по каналу; b - фоновое содержание взвешенных веществ в воде реки, мг/л; а1 - коэффициент смешения;

, (4.15)

где d1 - коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке;

, (4.16)

где Z - коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод; Kи - коэффициент извилистости реки; D1 - коэффициент турбулентной диффузии, м2/c;