УДК 669.884

Нуралина М.Е.,¹ Абсеитов Е.Т.,²

Нуралина М.Е.,¹ Абсеитов Е.Т.,²

¹«Центральная лаборатория биоконтроля, сертификации и предклинических испытаний», Комитета науки МОН РК,

²Казахский Агротехнический университет им. С. Сейфуллина

Интенсивность и скорость развития загрязнения

подземных вод в районе полигона промышленных

отходов Риддерского цинкового завода

Загрязнения пресных подземных вод определяется техногенными и природными факторами. Отрицательные последствия воздействия хозяйственной деятельности человека на гидрогеологические условия представляются в двух основных направлениях:

1) в изменении гидрохимических условий и загрязнение подземных вод;

2) в обработке уровней и истощение запасов подземных вод.[1]

В рассматриваемом случае к техногенным факторам относится полигон, представленный отвалами текущих отходов цехов Риддерского цинкового завода и приуроченные к ним загрязняющие вещества.

Среди природных факторов, влияющих на проникновение загрязняющих веществ в подземные воды и защищенность последних, важнейшими геолого-гидрогеологические условия, к которым относятся:

· строение и свойство пород зоны аэрации (мощность, литология, наличие в разрезе слабопроницаемых отложений, фильтрационные и сорбционные свойства, режим влажности);

· строение горизонта подземных вод (мощность, литология, направление и уклон потока, фильтрационные и миграционные свойства пород, пористость);

· строение и свойства водоупоров, отделяющих горизонты подземных вод (мощность и литология и их изменчивость по площади, сплошность, наличие литологических «окон» и трещин, фильтрационные и миграционные свойства);

· соотношения уровня горизонта грунтовых вод и ниже лежащих водоносных горизонтов;

· взаимосвязь водоносных горизонтов, в особенности горизонта грунтовых вод с ниже лежащим водоносным горизонтом. [ 1]

Значительные запасы пресных подземных вод приурочены к аллювиальным отложениям речных долин. В районе расположения полигона РЦЗ аллювиальный водоносный горизонт представлен нерасчлененными вехнечетвертично-современными (aQ_III-IV) и среднечетвертичными отложениями (aQ_II). Аллювиальный водоносный горизонт подпитывает нижележащий водоносный горизонт зоны открытой трещиноватости палеозойских пород (Pz). Так он гидравлически связан с поверхностными водами р. Тихой.

Общий процесс формирования, движения и разгрузки водного стока на исследуемом участке представляет несколько гидравлически взаимосвязанных, последовательно сменяющихся явлений и частных процессов. [2]

Поверхностные водные стоки с откосов насыпей кека и клинкера и подземные воды в отвальных отложениях образуются периодически, исключительно за счет атмосферных осадков, выпадающих на водосборную площадь отвала и непосредственно на его поверхность. Стоки загрязненных вод с отвала имеют залповый характер вытекания. В годовом разрезе они действуют только в теплый период года с апреля по октябрь (в среднем 207 дней), в суточном: а) поверхностные стоки не инфильтрующиеся в отложения отвала - в момент выпадения дождя в таяния снега; б) подземные воды фильтрующиеся через тело отвала.

Отвал клинкера.

Объем поверхностного загрязненного стока (Q_пов) при водосборной площади выше отвала рассчитывается по следующей формуле:

Q_пов.⁼ F₁*P*q_исп. (1)

где:

F₁- водосборная площадь выше отвала (84 тыс.м² );

Р- среднегодовая многолетняя величина метеорных осадков (560мм);

q- коэффициент поверхностного стока для района, учитывающий величину испарения и траспирации воды растениями (0.7),

Эти поверхностные воды стекают вниз по рельефу в направлении р.Тихой, образуя временные водоемы и затем инфильтруются в аллювиальный водоносный горизонт валунно-галечников.

Метеорные осадки, выпадающие на поверхность отвала клинкера, формируют подземные воды в насыпных отложениях ( воды спорадического распространения). Объем воды, фильтрующийся через клинкер (Q_под.) с водосборной площади поверхности отвала клинкера рассчитываются по формуле:

Q_под. = F₂ * P * k_п.с. (2)

где:

F₂ – водосборная площадь поверхности отвала клинкера (175 тыс.м²)

k_п.с - коэффициент подземного стока для района (0.3),

Р- среднегодовая многолетняя величина метеорных осадков (560 мм);

В течение 4 суток (при максимальном коэффициенте фильтрации отложений отвала Кф - 3.0 м/сут, мощности отвала - 12м) с начала поступления метеорной воды в насыпные отложения, поступая к подошвенной части отвала, загрязненные подземные воды вытекают родниками по контакту клинкера с подстилающими отложениями и, частично, фильтруются в лессовидные суглинки и глины. При произвольном горении клинкера часть объема подземной воды переходит в парообразное состояние с выбросом в атмосферу.

Количество воды (Q), притекающей из клинкера и кека в лессовидные отложения, рассчитывается по формуле Дарси:

Q = K * ∆ H* F/m (3)

где:

К и m – соответственно коэффициент фильтрации и средняя мощность суглинков под отвалом, К=0.01 м/сут и m= 7.0м

∆ H - средняя разница напоров в кровле и подошве суглинков и глин, при отсутствии осадков ∆ H=0,

F- площадь фильтрации отвала, 175 тыс.м²

Загрязненный водный сток поступает в понижения рельефа, образуя временные водоемы, и перетекает в водоносный горизонт аллювиальных валунно-галечников долины р. Тихой. Гидравлическая связь водоемов с подземным водоносным горизонтом имеет инверсный характер: при высоких уровнях водоемов происходит перетекание воды в подземный горизонт, при низких - грунтовые воды разгружаются в водоемы. [3]

Общее расчетное количество загрязненной поверхностной и подземной воды, вытекающей с участка отвала клинкера и кека приведено в таблице 1 и 2

Таблица 1 - Расчетное количество, загрязненных водных ресурсов, формирующихся с отвала клинкера

Вид водного стока	Величины объема, тыс м.^3/расхода м^3/ч загрязненных водных ресурсов
	По среднегодовым данным осадков (207 дн.)	По среднемесячным данным наиболее водного месяца (июль)	По максимальн суточным осадкам
1. Поверхностный:
- с водосборной площади	32.9(6.6)	6.0(8.3)	3.4(142)
- из подземных вод отвала	27.0(5.4)	4.95(6.9)	2.85(118.8)
Общий:	59.9 (12.1)	10.95(15.2)	6.25(260.8)
2. Подземный:
- с площади отвала клинкера	2.4(0.50)	0.45(0.6)	0.25(10.4)
Суммарный по участку:	62.3(12.6)	11.4(15.8)	6.5(271.2)

Таблица 2 Расчетное количество, загрязненных водных ресурсов, формирующихся с отвала кека

Вид водного стока	Величины объема, тыс м.^3/расхода м^3/ч загрязненных водных ресурсов
	По среднегодовым данным осадков (207 дн.)	По среднемесячным данным наиболее водного месяца (июль)	По максимальн суточным осадкам
1. Поверхностный:
- с водосборной площади	23.9(4.8)	4.4 (6.1)	2.5 (104.2)
- из подземных вод отвала	1.38 (0.28)	0.257 (0.36)	0.147 (6.13)
Общий:	25.3 (5.08)	4.66(6.46)	2.647 (108.33)
2. Подземный:
- с площади отвала клинкера	0.12(0.024)	0.023(0.3)	0.013(0.54)
Суммарный по участку:	25.42(5.1)	4.68(6.76)	2.66(108.87

Полученное выражение для определения ширины передовой каймы (L_р ), под которой понимается протяженность участка рассеяния в направлении потока при заданном ограничении относительной концентрации С/С₀ на определенный момент времени.

L_р=3.6 . (4)

В описываемой схеме объемной формой вещества является сочетание объема растекания и объема рассеяния, причем протяженность объема растекания х линейно зависят от времени, а протяженность объема рассеяния L_р от корня квадратного из времени. В этой связи анализ протяженности объемов растекания и рассеяния в натуральных условиях позволил В.М.Шестакову сделать вывод о пренебрежительно малой величине последнего.[4]

X=v/n*t₀ (5)

Основными параметрами уравнения одномерного рассеяния являются скорость фильтрации v , пористость n, коэффициент дисперсии D. Коэффициент дисперсии - величина переменная, зависимая от действительной скорости. Анализ результатов лабораторных опытов, выполненных разными авторами[5], позволил получить следующую зависимость:

D= 0.23 (v/n)^1.3 (6)

При реализации сопутствующих процессов структура указанных параметров будет следующей:

D* = Db /1+b (7)

где:

b - коэффициент распределения вещества в равновесных условиях

(b = C₀ /N₀); C₀, N₀ – соответственно предельные равновесные концентрации в растворе и сорбенте или в проточных и тупиковых порах.

Приближенная оценка времени достижения уровня грунтовых вод фильтрующимися с поверхности сточными водами для условия однородного разреза зоны аэрации и постоянство уровня стоков в хранилище может быть выполнена по известной формуле Цункера [5]

t = n*H₀/k [m/H₀ – ln ( 1 + m/ H₀)] (8)

Время t движения через нижний слой согласно[35] определяется по следующей формуле:

t= n₂*H₀ /k₂ {m₂/H₀ - [1- m₁/H₀ (k₂/k₁ –1)] ln (1+m₂/ H₀+m₁)} (9)

В этом случае время достижения стоками уровня грунтовых вод может быть определено по формуле (11)

t = n*m / (10)

Во втором случае ( q>k), когда на поверхности земли образуется изменяющейся во времени столб воды H=f (t),время фильтрации до уровня грунтовых вод определяется по формуле:

t= (11)

Важным фактором, влияющим на формирование области загрязнения в водоносном горизонте, является естественный поток подземных вод. Фильтрующиеся с поверхности земли сточные воды под влиянием естественного потока подземных вод будут распространяться не по всей мощности водоносного горизонта, а только в его верхней части, в пределах области растекания. Мощность этой зоны растекания увеличивается вниз по потоку. Так в случае точечного источника загрязнения, расположенного в кровле водоносного пласта большой мощности, область растекания загрязненных подземных вод характеризуется следующими размерами.

Таблица 3 – Величина объемных форм загрязнений водоносном горизонте в районе полигона РЦЗ

Параметры расчета	Формулы для расчета	Ед. изм	Расчетные значения
			Лессовид. отложения	Валлуногалечное отлож.
Коэффициент дисперсии	D= 0.23 (v/n)^1.3		0.025	0.06
Время достижения стоками уровня грунтовых		Cут.	184	11.5
Фильтрационные потери на единицу длины хранилища	qф = k*m*H0 / (DL)	м^3/сут.	0.002	9.4
Скорость движения загрязненных вод при фильтрации из хранилища	v = qф / 2m*n0 + vе / n0	м^3/сут.	0.0004	1.4
Расстояние х, на которое переместятся загрязненные воды за время t	X= V * t.	М.	0.07	16.1
Область растекания загрязненных подземных вод:
Непосредственно под источником загрязнения	Z0=	м^3/сут. м^3/год	0.01 1.06	0.5 50
Вниз по потоку на значительном удалении от источника загрязнения	Z=	м^3/сут м^3/год	0.015 1.5	0.72 71
Протяженность участка рассеяния в направлении потока	Lр=3.6	м	10.9	6.0

В результате изучения существующих очагов загрязнения подземных вод дана оценка масштабов загрязнения подземных вод в районе полигона промышленных отходов Риддерского цинкового завода, включающая оценку площади, интенсивность и скорость развития загрязнения.

Литература:

1. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения / Под ред. В.Д Бабушкин.- М.: Недра, 2001.- 240 с.

2. Зверев В.П. Роль подземных вод в миграции химических элементов.- М.: Недра, 1982. 186 с.

3. Справочное руководство гидрогеолога. 3-е изд., перераб. И доп. Т. 1/В.М. Максимов, Н.Н. Веригин и др. Под ред. В.М. Максимова. Л., Недра, 1989. 512 с.

4. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. – М.: Недра, 1984.- 262 с.

5. Самсонов Б.Г., Самсонова Л.М. Миграция вещества и решение гидрогеологических задач. – М.: Недра, 1997 – 127 с.