Спросить
Войти
хгуэп ХГУЭП ХГУЭП ХГУЭП ХГУЭП ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ хгзл хгзл хгзл хгзл гзл
УДК 504.06 : 504.4 В.И. Лебухов,
канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры товароведения торгово-технологического факультета Хабаровского государственного университета экономики и права
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ОБУСЛОВЛИВАЮЩИЕ ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Освоение прирусловых долин сопровождается выносом в водные объекты сконцентрированных в аллювиальных отложениях глинистых минералов, представленных частицами различной крупности. Повышенное содержание дисперсной минеральной фазы, изменяя физические и химические свойства воды и нарушая функционирование водных экосистем, приводит к деградации и разрушению их структуры. Проведённые автором численные оценки показывают, что для реальных дисперсий с повышенным содержанием твёрдого, при температуре воды близкой к 0°С, седиментационно устойчивы не только коллоиды и сверхтонкие, но также тонкие частицы (до 110 мкм), способные переноситься водотоками на значительные расстояния изменяя биоценозы прилегающих территорий. Показано, что при последовательном расположении предприятий загрязнение возрастает пропорционально увеличению их числа и снижению порядка водотока.
The development of river point valleys includes the removal of water bodies that are concentrated in alluvial retentions of clay minerals represented by particles of different size. The high content of dispersed mineral phase which is changing the physical and chemical properties of water and disrupting the functioning of aquatic ecosystems leads to the degradation and destruction of their structure. Numerical calculations conducted by the author show that for real dispersions with a high firm structure with the water temperature close to 0 ° C, the colloids, ultrafine and fine particles (110 цт) capable to be transported by water streams at considerable distances by changing the biogenesis of the surrounding areas have sedimentation stability. It is shown that the sequential arrangement of the enterprises leads to the increased pollution in proportion to increasing of their number and decreasing stream order.
Природная специфика большей части территории регионов Дальнего Востока и Сибири (свыше 70 %) характеризуется необычайно высокой уязвимостью природных комплексов по отношению к хозяйственной деятельности человека, что находит выражение, как минимум, в двух обстоятельствах. Вопервых, в более высокой, чем в экосистемах европейской части России, их трансформации при идентичной нагрузке, во-вторых, в более экстремальных и соответственно более затратных условиях ведения хозяйства. И первый и второй факторы прямо и опосредованно проявляются в формировании экологической ситуации. В регионе основная масса производств представлена горнодобывающими и перерабатывающими предприятиями, которые размещены в гористой местности и приурочены к водотокам. В процессах горной добычи и технологического передела образуется большое количество тонкодисперсных взвесей, эти взвеси концентрируются в технологических, промывных, ливневых водах, и в итоге значительная их часть выносится водотоками с территории полигонов и попадает в речную систему.
При освоении прирусловых долин в водные объекты (озёра, реки, ручьи) неизбежно попадают сконцентрированные в аллювиальных отложениях глинистые минералы, представленные частицами различной крупности. Размеры этих частиц варьируют в широких пределах - от нескольких тысяч до долей микрона. Различают грубые частицы: их размеры превышают 500 мкм; частицы средней крупности - от 500 до 100 мкм; тонкие частицы, эффективный диаметр которых лежит в пределах 100-40 мкм;
сверхтонкие частицы, гидравлическая крупность которых находится в интервале 40-0,2 мкм. Если объекты имеют характерные размеры, менее 0,2 мкм, их определяют как коллоиды (золи) [1]. Сверхтонкие частицы и золи природных взвесей представляют в совокупности тонкодисперсные частицы.
Повышенное содержание тонкодисперсной минеральной фазы изменяет физические и химические свойства воды, при этом нарушается функционирование структур водных экосистем и они разрушаются, увеличивается число рыб с патологией, сопровождающейся накоплением токсичных элементов и тяжёлых металлов в их внутренних органах и мышцах, снижаются биоразнообразие, численность и биомасса населяющих водоёмы гидробионтов. В работе [2] описан факт значительного пространственного нарушения (вынос мутного шлейфа примерно на 20 км вдоль водотока) биоценоза реки Биллях в 2005 г., вызванного прорывом дамбы. Как следствие, у рыб повсеместно наблюдались ослизне-ние и бледность жабр, из бентосного сообщества выпали пиявки, личинки хиро-монид, жуков, подёнок, веснянок и ручейников, общая численность зоопланктона снизилась до 65 экз./м (при фоновой численности = 5300 экз.
а биомасса
упала до 1,5 мг/м (фоновая = 329 мг/м3).
Особо сильному антропогенному давлению водные системы подвержены в зоне влияния горных предприятий и их вспомогательных служб, так как именно они аккумулируют воздействие всех негативных процессов и загрязнений наземных экосистем. Практически во всех обследованных водотоках превышена предельно допустимая концентрация для ряда химических веществ, в частности: концентрация соединений фосфора (первый класс опасности) превышает ПДК для рыбохозяйственных водоёмов в десятки - сотни раз, ртути в 1,5 - 9 раз, повышено содержание соединений Cd, Se, Zn, B, Cu, Pb, взвешенных частиц. В загрязнённых водотоках повсеместно отмечено снижение видового состава, численности, биомассы гидробионтов [3]. Деградация водных сообществ развивается пропорционально уровню техногенной трансформации среды обитания гидробионтов.
Особую опасность для гидробионтов представляют тонкодисперсные частицы, что обусловлено двумя факторами: крайне низкой скоростью осаждения частиц и их крайне высокой удельной поверхностью, а значит, и высокой сорбционной способностью, определяющей биологическую и физико-химическую активность этих объектов.
Для частиц дисперсной фазы <0,5 мкм активно проявляется эффект броуновского движения, которое поддерживает их равномерное распределение в объёме дисперсии, и такие частицы практически не осаждаются. Транзит более крупных частиц в естественном водотоке имеет сложный характер, но для описания их движения можно воспользоваться традиционными представлениями физики сплошных сред [4], приняв во внимание то, что на помещенную в жидкость твёрдую сферическую частицу действуют:
сила тяжести
р = пт-= --ж&Кз& , (1)
Архимедова сила выталкивания 4 я
Я = Жт-рж- = -&Ж& Рж-, (2)
гидравлическое сопротивление среды, вызванное падением частицы
где - характеристическая вязкость среды; с - весовая концентрация в ней твёрдой фазы; - объём частицы; рТ и рж - соответственно плотности частицы и жидкости; g - ускорение свободного падения; V - скорость падения частицы; ЯТ - радиус частицы. Следует отметить, что представленный выражением (1.3) закон Стокса справедлив только для медленных частиц, имеющих малые радиусы. Движение более крупных и быстрых частиц описывается иной формулой гидравлического сопротивления, которая
^ = 6-Ят-У,
имеет следующий вид:
¥ = 6 -ж Х- К • V-I 1 + 3 •Рж &Г&Кт +...
I рж Л
где величина I —Ж-— I называется
числом Рейнольдса. Когда число Рей-нольдса велико, возникает турбулентность, и гидравлическое сопротивление среды возрастает пропорционально квадрату скорости частицы: ¥ « V2 [5].
Воспользуемся формальным условием баланса сил Р + F + Я = 0 и, подставив в него вышеприведённые соотношения, проведя необходимые преобразования и раскрыв полученное выражение, в явном виде найдём зависимость между скоростью осаждения частицы, её размером и характеристиками среды:
V = Яг2---рт -р)— = СоШ- —.
Характеристическая вязкость дисперсии при небольших концентрациях твёрдой фазы с достаточной точностью соответствует динамической вязкости воды, которая приведена в таблице для интервала температур от 0 до 20 °С [6, 7].
Таблица - Зависимость динамической вязкости воды ¥ от температуры при нормальном давлении
Температура (°С) 0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
¥10& (Па с) 1,721 1,567 1,473 1,386 1,308 1,237 1,172 1,112 1,057 1,005 0,960
Из анализа выражения (4) следует, что при низкой температуре промывной воды в ней способны накапливаться более крупные частицы, следовательно, гранулометрический состав взвесей, относящихся к тонкодисперсным фракциям, изменяется не только в зависимости от состава вмещающих пород, но и от широтной расположенности предприятия и сезонности проведения горных работ. В работе [8] показано, что в сильно разбавленных дисперсиях при
комнатной температуре скорость осаждения глинистых частиц размером 5 мкм составляет 11,5 мм/час, значит, приняв во внимание соотношение (4), можно сделать вывод о том, что при температуре воды, близкой к 0°С, размер частиц, осаждающихся с той же скоростью, возрастёт примерно в ^2 раз до 7,2 мкм.
Ливневые воды, формирующие стоки с поверхности нарушенных территорий, дорог, селитебной зоны, промывные и сточные воды предприятий далеки от идеальных разбавленных дисперсий, концентрация твёрдого в них велика, а гранулометрический и минеральный состав варьирует в широких пределах, поэтому необходимо рассматривать седиментацию отдельной частицы в условиях её стеснённого падения.
В работе [9] выведена формула вязкости однородной дисперсии, представленной малыми сферическими частицами с плотностью п.
W = —. 2
= const -n- R3 . (5)
Подставив (5) в (4) получим: 1
V = const - ■
Анализ соотношения (6) показывает, что увеличение концентрации частиц в дисперсии приводит к повышению её се-диментационной устойчивости, при этом фактор крупности частиц становится менее значимым, то есть седиментационно устойчивыми становятся более грубые суспензии. С.С. Забродским [10] под-тверждёна обратная зависимость между концентрацией частиц и их скоростью при рассмотрении гидродинамической модели потока в приближении Тодеса-Розенбаума.
Процесс стеснённого падения частиц в приближении реальной дисперсии нигде теоретически не описан, но для оценочных расчётов А.М. Годэном [11] было предложено уравнение, связывающее скорость стеснённого падения разнородных частиц Vст с их суммарной объёмной концентрацией в жидкости:
V™ = ке-(1 -г)-(1 -г)23-(1 - 2,5 -Д (7)
где у - объёмная концентрация твёрдого в дисперсии, Vсв - скорость свободного падения частиц в жидкости. В работе [12] рассмотрен вариант, в котором стеснённость условий падения частицы характеризуется не объёмным, а весовым содержанием твёрдого компонента в пульпе:
V„ = V, 1 T
где Т - действительное весовое содержание твёрдой фазы во взвеси; Т^^х -максимально возможное процентное содержание, определяемое по формуле:
-100%. (9)
(Рт - Рж)+ — ■ Рж к
Найденным для реальной разбавленной дисперсии численным значением Vсm можно воспользоваться для определения значения критического (максимального) диаметра частиц, образующих устойчивую систему. У реальных природных дисперсий плотность вмещённой фазы примем равной 2,5 кг/м (что соответствует средней плотности глинистых минералов [13]), g = 9,8 м/с , плотность воды в рабочих интервалах температур с хорошей точностью равна
С помощью соотношения (7) оценим размер частицы, которая выпадает со скоростью 11,5 мм/ час из дисперсии, имеющей т/ж = 2,5 г/дм , что соответствует у = 10 :
^ = 3,3-(1-10-3) -(1-10-3)з-(1-2,5-г)^К- = 6,603-10-3 ^К - 0,0813
(мм) = 81 мкм.
Проведённые численные оценки показывают, что со снижением температуры воды и с повышением содержания взвесей в ней повышается седиментаци-онная устойчивость частиц, в частности увеличение концентрации твёрдого до 2,5 г/л приводит к ситуации, когда частицы размером ~80 мкм осаждаются со скоростью, характерной для 5 микронных частиц, а если учесть температурную зависимость, отражённую в формуле (4), то можно утверждать, что в реальных дисперсиях при температуре, близкой к 0°С, седиментационно устойчивыми становятся не только коллоиды и сверхтонкие, но также тонкие частицы с размерами до 110 мкм, которые способны переноситься водотоками на очень значительные расстояния, изменяя биоценозы прилегающих территорий.
Экологические последствия техногенного вмешательства определяются не только используемыми технологиями и объёмами производства при освоении прирусловых территорий, но и особенностями строения речной системы. Среди этих особенностей ведущую роль играют орография водосборной площади, густота и разветвлённость речной сети, уклон речных долин и дебет единичных водотоков.
В южной части Дальневосточного региона России наиболее освоена территория речного водосбора реки Амур, которая формировалась в течение огромного отрезка геологического времени. Расположенная в пределах Сибирской платформы горная северозападная часть оформилась как континент еще в раннем докембрии; образование западных горных массивов Хин-гано-Буреинского и Ханкайского началось в нижнем палеозое; наращивание территории на востоке происходило за счет складкообразования по периферии платформ и срединных массивов, в результате чего Сибирская и Китайская докембрийские платформы в конце палеозоя _ мезозое оказались скрепленными палеозойскими и раннемезозой-скими складчатыми сооружениями; свое геосинклинальное развитие продолжили восточная часть Сихотэ-Алиня, Сахалин и Курильская островная дуга; в мезозое происходило образование ряда межгорных депрессий, являющихся основанием большей части дальневосточных равнин; на границе мезозоя с палеогеном формировались горы Сихотэ-Алинь, а в неогене - острова Курильской гряды, где эндогенные процессы продолжают активно протекать и в настоящее время. Рельеф до наших дней повсеместно подвергается размыву и денудации на фоне дифференцированных подвижек отдельных блоков. Детальное рассмотрение карты территории показывает следующее.
- водосборная площадь имеет гористый рельеф;
- речная сеть сильно разветвлена и характеризуется высокой густотой;
- основное количество месторождений, а значит, и горнодобывающих предприятий, дислоцировано на притоках высоких порядков;
- большинство водотоков системы
представлено горными реками с достаточно высокими скоростями течения;
- для региона наиболее типично последовательное расположение нескольких добывающих предприятий вдоль водотоков различного порядка.
При доминирующем в настоящее время способе очистки вод посредством их последовательного отстаивания в каскаде прудов-отстойников, тонкодисперсные минеральные примеси не извлекаются из воды и сбрасываются в речную сеть.
Величина этого вида загрязнения природных вод в случае последовательного расположения источников (предприятий) возрастает по кумулятивной кривой пропорционально увеличению числа предприятий и снижению порядка водотока в речной системе (см. рисунок).
Водозабор Щ Концентрация тонкодисперсных частиц в сбросе = ^
Фоновая концентрация тонкодисперсных частиц tф - const
Концентрация тонкодисперсных частиц в сбросе = ^ Водозабор Щ
Водозабор Щ Концентрация тонкодисперсных частиц в сбросе = t2
Предприятие 1
Концентрация техногенных тонкодисперсных частиц - to
Дебит водотока
Рисунок - Принципиальная схема формирования техногенных загрязнений водотоков тонкодисперсными взвесями при разработке россыпей Для водотока высокого порядка (п), на
котором эксплуатируется несколько (Ы)
пр■ Ж
месторождений, общий сброс в него тонкодисперсных фракций (Тп) составит:
тп =Ужч-,
если считать, что происходит сброс с
нормативным загрязнением, то = I,
норм.
Тп = УЖ1^норм. , где Ы - число пред1=1
приятий на водотоке пго порядка, Ж -водозабор, обеспечивающий нужды гго предприятия. Тогда уровень загрязнения этого водотока ниже места впадения стоков последнего предприятия составит:
гр / 1 1 норм■
где Ж„ - общий дебет водотока пго порядка, на котором размещено N объектов.
Анализ выражения (12) показывает, что необходимость соблюдения нормативного показателя по водотоку в целом приводит к ограничению числа последовательно расположенных предприятий даже в том случае, когда каждое их них соблюдает нормативные требования к стоку. Максимально возможное по условиям экологической безопасности для водотока число предприятий на нём (Ыпр) составит:
где Ж ср. соответствует усреднённому для этих предприятий водозабору.
При освоении территорий в верховьях водотоков высокого порядка загрязнению тонкодисперсными взвесями подвергаются все водотоки речной системы, включая и ствол (главную реку). Общее количество твёрдых взвесей при этом интегрально возрастает по мере снижения порядка притока в системе, а удельный показатель замутнения вод (4л) изменяется обратно пропорционально дебиту принимающих загрязнение водотоков (Жгл).
&-М- ( 1 =
У У упи
<гл =
/=1 V 1=1 V 1=1
Особенно чувствительны к подобным воздействиям водотоки, в которых нерестятся проходные анадромные виды, представленные в бассейнах рек Дальнего Востока тихоокеанскими лососями.
Сохранение рыбохозяйственного и биосферного значения прирусловых долин и водотоков российского Дальнего Востока является важнейшим условием освоения гигантской по площади территории. Если это условие не будет соблюдено, то страна рискует остаться как без изъятых и
невозобновимых минеральных ресурсов, так и без базы для возобновляемых биологических ресурсов, а значит, и без собственного будущего.
Список использованных источников
