Оценка техногенного воздействия накопителей промышленных стоков металлургических предприятий Среднего Урала на подземные воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Специальность 25.00.36 - "Геоэкология"

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Оценка техногенного воздействия накопителей промышленных стоков металлургических предприятий Среднего Урала на подземные воды

Копенкина Ольга Алексеевна

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Уральский государственный горный университет"

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Грязнов Олег Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Расулов Ариф Таджаддин оглы

кандидат геолого-минералогических наук, ведущий специалист Новиков Виталий Прокофьевич

Ведущая организация - ГОУ ВПО "Томский политехнический университет".

Защита диссертации состоится 29 декабря 2008 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО "Уральский государственный горный университет" по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3326)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Учёный секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических наук А.Б. Макаров

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одной из основных причин неблагополучного состояния окружающей среды на Среднем Урале в настоящее время является большая масса отходов горного и металлургического производств, накопленных здесь за длительный период. Наибольшую опасность для загрязнения природной среды представляют накопители поверхностного типа, к числу которых относятся шламохранилища.

Большинство накопителей построены без противофильтрационных экранов, сточные воды содержат многие макро- и микрокомпоненты в количествах значительно превышающих допустимые, что делает их потенциально опасными источниками загрязнения подземных и поверхностных вод.

Накопители имеют различные размеры и объемы. И если крупные накопители достаточно хорошо изучены, то более мелкие (количество которых существенно преобладает) функционируют часто без анализа возможных воздействий на окружающую среду и прогнозных оценок влияния накопителя на перспективу.

Подобный прогноз чрезвычайно важен для условий Свердловской области, где техногенные образования находятся, главным образом, в пределах горно-складчатого Урала, характеризующегося развитием слабо- защищенного грунтового горизонта подземных вод зоны региональной трещиноватости палеозойских пород. При недостаточной мощности и неблагоприятной литологии покровных отложений сточные загрязненные воды оказывают отрицательное воздействие, в первую очередь, на него. Это, в свою очередь, может вызвать тотальное загрязнение подземных вод территории.

Для достоверного прогнозирования качества подземных и поверхностных вод и разработки защитных мероприятий, снижающих опасность их загрязнения в районах действующих шламохранилищ, необходимо детальное изучение существующей ситуации на основе комплексной оценки природных и техногенных условий, сложившихся в период длительной эксплуатации шламохранилищ.

Цель исследований - определение и оценка масштабов воздействия малых накопителей сточных вод предприятий черной металлургии на подземные и поверхностные воды.

Идея работы заключается в том, что небольшие накопители сточных вод предприятий черной металлургии расположены в пределах Среднего Урала в сходных условиях, что позволяет создать типовую геофильтрационную модель функционирования подобного накопителя.

Задачи исследований определяются их целевым назначением и включают: подземный опасность защитный

1. Определение степени нарушенности гидродинамического и гидрохимического режимов территорий, прилегающих к накопителям сточных вод.

2. Оценка величины фильтрационных потерь из накопителей сточных вод.

3. Оценка влияния подземного стока территорий накопителей сточных вод на поверхностные воды.

4. Разработка геофильтрационной модели накопителя сточных вод.

Исходный материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы, собранные автором в период обучения в очной аспирантуре Уральского государственного горного университета в 2003 - 2006 годах и работы в ОХНИР Уральской государственной горно-геологической академии в 2001-2002 гг. В настоящей работе использованы материалы кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ, СОО ОО МАНЭБ, фондовые и производственные материалы по накопителям Ревдинского метизно-металлургического завода (РММЗ) и Нижнетагильского металлургического комбината (НТМК). Исследования проведены с использованием современных методов сбора, обобщения и анализа материалов, моделирования на основе компьютерных технологий.

Научная новизна работы:

- на примере накопителей сточных вод предприятий черной металлургии показано, что на прилегающих территориях, формируется особый гидродинамический и гидрохимический режим;

- изучены объемы и состав загрязняющих веществ, поступающих в водные объекты от накопителей сточных вод предприятий черной металлургии;

- разработана геофильтрационная модель действующего накопителя сточных вод.

На защиту выносятся следующие научные положения.

1. Состав загрязняющих веществ на территориях, прилегающих к накопителям сточных вод предприятий черной металлургии, определяется составом отходов, складируемых в накопитель, и в первую очередь составом жидкой фазы.

2. Условия формирования загрязнения подземных и поверхностных вод определяются природными (ландшафтные условия, наличие в разрезе пород зоны аэрации слабопроницаемых отложений; глубина залегания подземных вод; литология и фильтрационные свойства пород, перекрывающих водоносный горизонт) и техногенными (условия складирования, количество жидких отходов, состав фильтрата, наличие противофильтрационного экрана) факторами.

3. Накопители сточных вод предприятий черной металлургии Свердловской области близки по своим характеристикам, что позволяет создать их геофильтрационную модель, которую можно использовать на других объектах Среднего Урала, находящихся в схожих условиях.

Практическая значимость работы заключается в том, что в результате выполненных исследований определены состав, параметры и характеристики техногенного загрязнения территорий, прилегающих к накопителям сточных вод предприятий черной металлургии. Эти данные в дальнейшем можно использовать для оценки экономического ущерба окружающей среде и принятия управленческих решений.

Личный вклад автора. Лично автором или при его непосредственном участии были выполнены:

· постановка задач исследований;

· анализ опубликованных и фондовых источников по природным условиям Среднего Урала;

· исследование последствий эксплуатации накопителей металлургических заводов на Среднем Урале, включая непосредственное участие в полевых и камеральных работах по оценке геоэкологической обстановки в районах размещения накопителей;

· разработка геофильтрационной модели функционирования накопителя.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объёмом корректного фактического материала, использованием результатов исследований на накопителях ОАО "Святогор".

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Молодёжной научно-практической конференции "Уральская горнопромышленная декада" (2002, 2003, 2005, 2007 гг., Екатеринбург), на научных чтениях имени профессора Н.И. Толстихина "Х Толстихинские чтения" (2002, Санкт-Петербург), конференции "Экологические проблемы промышленных регионов" (2003, Екатеринбург), совещании "Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование" (2008, Оренбург).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ, в т.ч. 2 статьи в издании из перечня ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения общим объёмом 125 страниц машинописного текста, содержит 28 таблиц, 22 иллюстрации и список литературы из 81 наименования.

Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, д-ру геол.-минерал. наук, заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии О.Н. Грязнову, д-ру геол.-минерал. наук А.И. Семячкову за помощь, оказанную при сборе материалов, доценту, канд. Геол.-минерал. наук Л.П. Парфеновой за помощь при сборе, обработке материалов и подготовке диссертации.

Содержание работы

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние металлургического производства на Среднем Урале и работ по изучению условий формирования загрязнения от накопителей сточных вод.

В Свердловской области исторически сложился крупнейший в России и на Урале промышленный комплекс. Фундаментом всего хозяйственного комплекса области является горно-металлургический комплекс. В настоящее время он включает более 300 предприятий и производств, большинство из которых функционируют уже долгое время. Современное металлургическое производство содержит большое количество технологических операций. Сточные воды образуются на всех этапах металлургического передела. Сточные воды систем газоочистки, гидравлической транспортировки, обработки и отделки металлов сильно загрязнены и поступают в накопители сточных вод (шламонакопители и шламохранилища) с помощью гидротранспорта.

Из общего количества предприятий, расположенных в Свердловской области, 9 % - предприятия металлургической промышленности (табл. 1).

Таблица 1

Распределение предприятий Свердловской области по отраслям экономики

Объем образования отходов на предприятиях черной металлургии (67,2 млн т или 36,3 % от объема образования отходов по области) согласно Государственному докладу "О состоянии окружающей природной среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 2007 г.". Количество сточных вод, образованных на предприятиях черной металлургии - 160, 0 млн. м 3. Вклад основных отраслей экономики в водоотведение представлен на рис.1. Наибольшее количество загрязненных сточных вод поступает в поверхностные водные объекты от предприятий (в %):

- жилищно-коммунального хозяйства - 50,6;

- черной металлургии - 13,5;

- цветной металлургии - 7,7.

Основной объем отходов, образованных и накопленных на территории области, приходится на вскрышные и вмещающие породы, отходы обогащения, металлургические шлаки, золошлаки ГРЭС, ТЭЦ и котельных, коммунальные отходы и отходы содержания животных и птиц.

Рис. 1. Вклад основных отраслей в отведение сточных вод, млн м 3

На предприятия черной металлургии приходится 4,20 млн т (45,7 % от общего объема образования отходов 1-4 классов опасности по области).

На начало текущего года на территории Свердловской области существовало 98 шламо- и хвостохранилищ (табл. 2).

Таблица 2

Количество и типы объектов размещения отходов в Свердловской области на 01.01.2008 г.

Большинство из существующих шламохранилищ относятся к малым. (табл. 3)

Таблица 3

Классы хвостохранилищ (шламохранилищ)

Анализ проведенных исследований свидетельствует, что они затрагивают либо важные общие вопросы загрязнения подземной гидросферы Урала и мероприятия по ее защите, либо состояние подземных вод в районах воздействия крупных хранилищ производственных стоков. Вопросы влияния небольших накопителей жидких стоков на подземные воды, состояние и особенности обустройства их основания в открытых гидрогеологических структурах складчатого Урала практически обойдены вниманием исследователей.

Во второй главе работы приведена характеристика природных (физико-географических, геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических) условий районов расположения накопителей сточных вод.

Изучаемые накопители сточных вод расположены в пределах Свердловской области.

В геологическом отношении территории сложены палеозойскими породами, перекрытыми мезозойскими корами выветривания. Глубина распространения площадной коры выветривания очень неравномерна.

Среди четвертичных отложений выделяют делювиальные и аллювиальные образования. Делювиальные образования развиты практически сплошным покровом, прерывающимся лишь в речных долинах и скалистых водоразделах. Литологически они представлены преимущественно суглинками, песчанистыми глинами со щебнем коренных пород и дресвяными образованиями. Мощность этих отложений зависит от рельефа местности и состава коренных пород и составляет в среднем 3-5 м, иногда до 15-20 м (рис. 2, 3).

Аллювиальные образования выполняют речные долины. Представлены они суглинками, вязкими бурыми глинами, глинистым песком с линзами мелкозернистого песка. Мощность отложений колеблется от 1,0 до 12 м.

В гидрогеологическом отношении территории относятся к Большеуральскому сложному мегабассейну корово-блоковых (пластово-блоковых и пластовых) вод с повсеместным распространением безнапорных или обладающих местным напором подземных вод.

Зеркало грунтовых вод в сглаженном виде повторяет рельеф. Статические уровни располагаются на глубинах от первых метров в долинах рек до 10-15 м на приводораздельных участках.

Разгрузка подземных вод осуществляется в местную речную сеть.

Подземные воды в естественных условиях характеризуются гидрокарбонатным кальциево-магниевым составом с минерализацией 0,1-0,3 г/дм 3.

Интенсивность загрязнения подземных вод определяется их защищенностью от проникновения загрязняющих веществ с поверхности, в условиях Среднего Урала подземные воды являются недостаточно защищенными от загрязнения с поверхности. В результате фильтрации сточных вод из накопителя происходит загрязнение подземных вод на территории, прилегающей к накопителю, а затем через разгрузку подземного стока возможно загрязнение поверхностных вод.

Рис. 2. Гидрогеологический разрез территории расположения шламонакопителя РММЗ

Рис. 3. Гидрогеологический разрез территории расположения шламохранилища НТМК в пойме р. Тагил

Более опасным можно считать загрязнение поверхностных вод, так как:

1. В Свердловской области все реки являются рыбохозяйственными, и поэтому к ним предъявляются гораздо более жесткие требования, чем к водам хозяйственно-питьевым (к которым обычно относят подземные воды).

2. Главной особенностью водных ресурсов Свердловской области является их крайне неравномерное распределение по территории. Основная зона расселения населения и, следовательно, наиболее развитая промышленная зона менее всего обеспечена водными ресурсами, так как в ней расположены только верховья рек. В сложившейся ситуации при небольших расходах малых рек и невысокой величине питания накопители сточных вод становятся дополнительными источниками питания для малых рек.

В третьей главе рассматриваются основные типы накопителей промышленных стоков. Дана характеристика накопителей стоков различных отраслей промышленности. Рассмотрены классификации накопителей по условиям складирования стоков, рельефа местности, емкости накопителя и высоты ограждающих дамб. Представлена общая характеристика изучаемых накопителей, произведена оценка их воздействия на изменение гидродинамических и гидрохимических условий территорий, прилегающих к накопителям.

Накопители сточных вод (шламохранилища) относятся к группе фиксированных, постоянно действующих источников загрязнения поверхностного типа. Практически все шламохранилища Свердловской области построены и эксплуатируются без создания каких-либо защитных экранов их основания (ложа). Поскольку емкость накопителей ограничена, предусматривается сброс отстоенной воды из накопителя в поверхностную гидросеть, однако наряду с этим существуют и фильтрационные потери из- под дна накопителя в количествах, не предусмотренных проектами данных сооружений.

Большинство этих стоков содержат значительные концентрации взвешенных частиц, сульфатов, железа, марганца, ванадия, а также меди и цинка (табл. 4). Причем наличие взвешенных частиц, сульфатов, железа, марганца и ванадия определяется химическим составом обрабатываемой руды, а меди и цинка - связано с процессами обработки и травления стали.

В результате фильтрационных потерь из накопителя сточные воды смешиваются с природными и изменяют химический состав последних, часто делая их непригодными для питья.

В естественных условиях отмечается малая минерализация подземных вод (до 0,3 г/дм 3), низкая жесткость (до 3 мг-экв/дм 3), гидрокарбонатный кальциево-магниевый состав с содержанием сульфатов до 50 мг/дм 3, хлоридов до 30 мг/дм 3, незначительные содержания микрокомпонентов, отсутствие признаков техногенного воздействия.

Таблица 4

Состав сточных вод в накопителях

Такая гидрохимическая обстановка свойственна для грунтовых гидродинамических систем с активным водообменном в силикатных интрузивных массивах, сложенных породами основного состава без рудной минерализации.

Современный гидрогеохимический облик подземных вод территорий размещения накопителей отличается от естественного. Исходный гидрокарбонатный кальциево-магниевый состав преобразуется в сульфатно-гидрокарбонатный магниево-кальциевый с сухим остатком 0,5-0,7 г/дм 3, общей жесткостью 7-11 мг-экв/дм 3, содержанием сульфатов 160-360 мг/дм 3, хлоридов 30-80 мг/дм 3, в подземных водах появляются компоненты, не типичные для них в естественной обстановке (Fe, Cu, Zn, Mn) в количествах, нередко превышающих предельно допустимые.

Эксплуатация технических водоемов сопровождается существенным нарушением естественного гидродинамического режима подземных вод прилегающих территорий. Нарушение гидродинамического режима проявляется в коренном изменении уровенного режима (подъем уровней на 1-3 м за период эксплуатации накопителя 25-30 лет), скоростей и направлений фильтрации подземных вод, изменении условий питания водоносных горизонтов.

В четвертой главе рассмотрено влияние подземного стока накопителей на изменение состава поверхностных вод. Произведен расчет величины фильтрационных потерь из накопителей различными методами, в том числе и математического моделирования. Дан анализ изменения качества поверхностных вод, протекающих в зонах влияния накопителей. Разработаны геофильтрационные модели изучаемых объектов.

Заключение

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные научно обоснованные выводы и практические рекомендации.

1. Наибольшее воздействие от накопителей сточных вод предприятий черной металлургии из компонентов окружающей природной среды испытывают подземные и поверхностные воды. Подземные воды в условиях открытых гидрогеологических структур являются недостаточно защищенными, в связи, с чем подвергаются загрязнению. Состав поверхностных вод трансформируется посредством разгрузки загрязненных подземных вод. В условиях Среднего Урала при отсутствии крупных рек загрязнение поверхностных вод может иметь серьезное значение.

2. Воздействие накопителей на подземные воды проявляется в поднятии уровня грунтовых вод на прилегающих территориях и развитии процессов подтопления, а также в техногенной трансформации гидрохимического режима поверхностных и подземных вод фильтрующимися из накопителей стоками.

3. В районах изучаемых накопителей произошла довольно сильная трансформация химического состава подземных вод, связанная с увеличением концентраций ряда макро- и микрокомпонентов. В большей степени это относится к сухому остатку, сульфатам, хлоридам, общей жесткости.

4. Поскольку изучаемые накопители действуют уже десятки лет, можно утверждать, что гидродинамическая и гидрохимическая обстановки на прилегающих к ним территориям стабилизировалась, что подтверждается результатами режимных наблюдений. В скважинах, удаленных от накопителей на разные расстояния, практически не наблюдается изменения химического состава подземных вод.

5. Разработанная геофильтрационная модель накопителя при небольшой корректировке может быть использована и на других подобных объектах Среднего Урала. С ее помощью можно оценить фильтрационные потери из накопителей на любой момент времени даже при наличии небольшого количества наблюдательных скважин. Эти данные также могут быть использованы для нормирования и оценки поступления загрязняющих веществ в поверхностные воды с подземным стоком.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Монографии

1. Семячков А.И. Теория и практика ведения локального экологического мониторинга окружающей среды меднорудных горно-металлургических комплексов / А.И. Семячков, Л.П. Парфенова, В.А. Почечун, О.А. Копенкина; Под ред. А.И. Семячкова. - Екатеринбург, 2008. - 225 стр.

2. Статьи, опубликованные в ведущем рецензируемом научном журнале, определенном Перечнем Высшей аттестационной комиссии

2. Парфенова Л.П. Проблемы гидрогеологических исследований с целью создания режимной сети на действующих шламохранилищах металлургических предприятий Среднего Урала / Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина // Записки Горного института (том 153). - СПб, 2003. - С. 93-95.

3. Бичукина И.А.. Изучение геоэкологических условий на территории Сорьинского хвостохранилища / И.А. Бичукина, Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина // Известия вузов. Горный журнал. - 2008. - №8. - С. 194-196.

3. Статьи, опубликованные в материалах конференций

4. Парфенова Л.П. Проблемы гидрогеологических исследований с целью создания режимной сети на действующих шламохранилищах металлургических предприятий Среднего Урала и пути их решения / Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина // Научные чтения имени профессора Н.И. Толстихина (Х Толстихинские чтения). - СПб., 2002. - С.101-103.

5. Парфенова Л.П. Мониторинг подземных вод на участках размещения промышленных стоков металлургических предприятий Свердловской области / Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина // Экологические проблемы промышленных регионов. - Екатеринбург, 2003. - С. 192-194.

6. Копенкина О.А. Наблюдения за изменением гидродинамических условий на участке расположения шламонакопителя РММЗ / О.А. Копенкина // Материалы Уральской горнопромышленной декады. - Екатеринбург, 2005. - С.89-90.

7. Парфенова Л.П. Экологический мониторинг для оценки масштабов воздействия медеплавильного комбината и обоснования размеров его санитарно-защитной зоны / Л.П. Парфенова, И.А. Бичукина, О.А. Копенкина // Современные методы управления отходами на региональном и муниципальном уровне. - Казань, 2006. - С. 82-83.

8. Парфенова Л.П. Закономерности формирования гидрогеологических условий территории размещения хвостохранилища ОАО "Святогор" / Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина // Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование. - Оренбург, 2008. - С. 252-256.

9. Парфенова Л.П. Результаты экологического мониторинга окружающей среды района влияния ОАО "Святогор" / Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина, И.А. Бичукина // Материалы 1-го Уральского международного экологического конгресса "Экологическая безопасность горнопромышленных регионов". - Екатеринбург, 2008. - С.182-186.

10. Парфенова Л.П. Формирование геоэкологических условий городских территорий на примере г. Красноуральск / Л.П. Парфенова, О.А. Копенкина, И.А. Бичукина // Сборник материалов научно-практической конференции "Экологическая безопасность государств-членов Шанхайской Организации Сотрудничества" и X Международного симпозиума "Чистая вода России". - Екатеринбург, 2008. - С.109-114.

Размещено на Allbest.ru