ХВОСТОХРАНИЛИЩЕ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Полезная модель относится к области экологии, гидротехническому строительству, природо- и недропользованию, в частности, предотвращению вредного влияния фильтрации загрязненных жидкостей (рассолов) из фильтрационных устройств в водоносные горизонты подземных вод, в том числе, грунтовые воды, и может быть также использовано для поддержания оптимального уровненного режима и качества загрязненных жидкостей (водности рассолов) в фильтрационные устройства.
Особое природоохранное значение имеют задачи, связанные с защитой подземных водоносных горизонтов и их комплексов от проникновения рассолов из бассейнов-накопителей или отстойников, которые широко используются в технологии переработки гидроминерального сырья бассейновым способом, а также для целей складирования отходов производства. Средства противофильтрационной защиты, которые обычно используются в таких случаях, это выстилка днищ и бортов бассейнов различными водопроницаемыми материалами, например, полиэтиленом, битумным покрытием, глинистыми и другими экранами. Все перечисленные варианты защитных экранов требуют значительных финансовых вложений на их сооружение, а также на содержание, эксплуатацию и контрольно-экологических режимных наблюдений (мониторинг).
Известны противофильтрационные устройства, выполненные в виде инъекционной завесы и системы скважин, несколько заходящих в водоупорные отложения [1]. Однако создание инъекционной завесы, достигаемой за счет постоянной работы системы насосов, приводит к значительным трудоемким и материальным затратам.
Известно устройство на основе технологии предотвращения фильтрации из накопителя, наиболее близкое к заявляемой полезной модели по достижению технического результата [2], принятое в качестве прототипа. Технология предотвращения фильтрации основана на заполнении чаши накопителя и работы устройства противофильтрационного экрана по днищу и бортам чаши, а также устройства водорегулирующих скважин вокруг накопителя. Реализация известного устройства основана па поддерживании внешнего контура выше уровня подземных вод во внутреннем контуре на 1,0-1,5 м., а подъем уровня подземных вод во внешнем контуре осуществляют с опережением (т.е. по мере наращивания высоты укладываемого тела накопителя) [3].
Недостатком прототипа является ненадежность защиты от вредного загрязнения подземных вод фильтрующимися из накопителя жидкими отходами промышленного производства и рассолами за счет отсутствия возможности регулирования режима уровня (объема) и качества складируемых загрязненных жидкостей, рассолов, например, доведения их до технологически необходимого состояния, регулирования их водности, экологической стабильности и управления химическим составом загрязненных жидкостей, рассолов в пределах чаши накопителя.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности защиты от загрязнения подземных вод фильтрующимися из накопителя рассолами и иными опасными для жизнедеятельности человека жидкими отходами промышленного производства, повышение возможности экологической стабильности составов, находящихся в накопителе жидких отходов или «рассолов» и доведения их до соответствующего технологически устойчивого состояния, при котором будет осуществляться максимальное предотвращение вредного влияния фильтрации загрязненных жидкостей (рассолов) из фильтрационных устройств в водоносные горизонты подземных вод, в том числе, грунтовые воды, что опасно для здоровья человека и, в целом, для экологии.
Указанный технический результат достигается новой конструкцией заявленной полезной модели (хвостохранилища для предотвращения загрязнений подземных вод - далее: хвостохранилище) за счет того, что в известном накопителе, содержащем чашу, противофильтрационный экран, расположенный на днище накопителя и бортах чаши, и водорегулирующую систему из водорегулирующих скважин, в соответствие с заявленной полезной моделью, дополнительно внутри чаши установлены водораспределительные скважины, которые соединены с водорегулирующим устройством и системой горизонтальных труб.
В заявленной полезной модели, таким образом, предотвращение фильтрации загрязненных высокоминерализованных промышленных отходов в водоносный горизонт подземных (грунтовых) вод будет осуществляться за счет поддержания уровня промышленных отходов в пределах контура противофильтрационного накопителя; при этом важно удерживать максимально допустимый перепад между расстоянием от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения, а также учитывать плотность воды в заданной точке пласта и на произвольно выбранной плоскости сравнения. Для достижения указанного технического результата важно, таким образом, поддерживать уровень высокоминерализованных промышленных отходов ниже уровня законтурных подземных вод и постоянно осуществлять его контроль по «приведенному» напору (уровню) жидкой фазы промышленных отходов.
Такое условие достигается, как видно из схемы, представленной на Фиг., новой конструкцией заявленной полезной модели, в которой водораспределительные скважины, соединенные с водорегулирующим устройством и системой горизонтальных труб, образуют единую систему поддержания уровневого режима экологически опасной жидкой фазы загрязненных высокоминерализованных промышленных отходов в водоносный горизонт подземных вод.
«Приведенный» уровень промышленных отходов определяют по известному соотношению [4]:
пр
0
h=hρ+z(ρ+ρ)/2,
пр
где h - «приведенный» уровень промышленных отходов в чаше хвостохранилища, м;
z - расстояние от заданной точки чаши хвостохранилища до произвольно выбранной плоскости сравнения, м;
0
3
ρ и ρ плотность воды в заданной точке чаши накопителя и на произвольно выбранной плоскости сравнения в пределах естественного уровня законтурных подземных вод, г/см.
пр
Для эффективной реализации предотвращения загрязнения, осуществляемой с помощью заявленной полезной модели, главным условием является то, что «приведенный» уровень жидкой фазы промышленных отходов всегда ниже естественного уровня подземных вод, фиксируемого наблюдательными скважинами за пределами чаши хвостохранилища. При этом, при выборе горизонтальной плоскости сравнения, приведенный уровень жидкой фазы промышленных отходов определяют из соотношения: h=hρ.
На Фиг. представлена схема хвостохранилища для предотвращения загрязнений подземных вод разно плотностных, экологически опасных жидких промышленных отходов, расположенных в пределах водоносного горизонта грунтовых вод. Эта схема иллюстрирует организацию единой системы поддержания уровневого режима и оптимального химического состава высокоминерализованных промышленных отходов в накопителе экологически опасных жидких отходов.
На схеме представлены (Фиг.): чаша хвостохранилища для предотвращения загрязнений подземных вод (1) разно плотностных, экологически опасных промышленных отходов, расположенная в пределах водоносного горизонта подземных вод; борта чаши хвостохранилища и противофильтрационный экран, защищающий водоносный горизонт подземных вод от проникновения экологически опасных промышленных отходов из хвостохранилища (2); днище (3) чаши хвостохранилища с бортами 2; система водорегулирующих скважин (4), расположенных вокруг чаши хвостохранилища; система водораспределительных скважин (5), расположенных внутри чаши хвостохранилищ; система горизонтальных труб (6), соединяющих системы водорегулирующих и водораспределительных скважин; система наблюдательных (водопонизительных) скважин (7), расположенных вокруг чаши хвостохранилища. Для учета в заявляемой полезной модели максимально возможного влияния природных краевых условий и характерных признаков области фильтрации, на Фиг. схемно представлены также: дневная поверхность (8); уровень подземных (грунтовых) вод (9); уровень (10) разно плотностных, экологически опасных промышленных отходов жидкой фазы в пределах чаши хвостохранилища; горизонт подземных (грунтовых) вод (11), в пределах которого располагается хвостохранилище промышленных отходов жидкой фазы; водоупорные отложения (12), подстилающие горизонт грунтовых вод.
Технический результат заявленной полезной модели состоит в повышении экологической безопасности и надежности предотвращения фильтрации загрязненных промышленных отходов в водоносный горизонт подземных вод за счет учета конкретных природных условий и особенностей работы проектируемого устройства-хвостохранилища. Надежность работы проектируемого хвостохранилища для предотвращения загрязнений подземных вод будет зависеть от того, насколько обоснованно будут схематизированы и учтены краевые условия и характерные признаки области фильтрации.
Определение водопонижения подземных (грунтовых) вод при строительстве чаши хвостохранилища выполняется на основе учета конкретных природных условий и особенностей работы этого проектируемого сооружения. При схематизации природных условий и обосновании водопонижения подземных (грунтовых) вод следует иметь в виду, что в области фильтрации подземных вод распределение основных гидродинамических элементов потока определяется начальными и граничными условиями на ее границах. Поэтому точность определения водопонижения подземных (грунтовых) вод зависит от обоснования схематизации и учета в соответствующей схеме краевых условий и характерных признаков области фильтрации.
Заявленная полезная модель была апробирована в полевых условиях.
В качестве примера определения технического результата, получаемого от заявленной полезной модели, с учетом схемы ее влияния, можно рассматривать реализацию устройства на примере расположенных в пределах водоносного горизонта подземных (грунтовых) вод (Фиг.), например, по схеме «большого колодца» применительно к хвостохранилищу-накопителю.
Количество взаимодействующих скважин в условиях квазиустановившегося движения, а также общее понижение уровня подземных (грунтовых) вод в той или иной точке области фильтрации, например, в центре хвостохранилища, устанавливается на основе учета понижений уровня от действия каждой (отдельной) из взаимодействующих скважин, при этом понижение в подземном (грунтовом) водоносном горизонте определяется по принципу «большого колодца»:
расч
e
c
i
c-i
a
a
2
2
S=He-√-{Q/2πк(ln2,25t/r )+ΣQ/2πк(ln2,25t/r )},
a
где  - коэффициент уровнепроводности;
t - период эксплуатации водопонизительной установки;
c
r - радиус скважины, в которой определяется понижение;
c-I
i
r - расстояние между скважиной, в которой определяется понижение, и взаимодействующей с ней скважиной, с дебитом Q.
Реализация заявленной полезной модели осуществляется следующим образом (Фиг.). После приведения чаши хвостохранилища-накопителя разноплотностных, экологически опасных промышленных отходов жидкой фазы в пределах водоносного горизонта подземных (грунтовых) вод (1) в рабочее состояние, осуществляется его заполнение жидкой фазой экологически опасных промышленных отходов. Жидкая фаза подается через систему водорегулирующих скважин, расположенных вокруг чаши накопителя (4), систему водораспределительных скважин, расположенных внутри чаши накопителя (5), а также через систему горизонтальных труб, соединяющих системы водорегулирующих и водораспределительных скважин (6). Наблюдение за соотношением уровня жидкой фазы в чаше хвостохранилища-накопителя осуществляется с помощью системы наблюдательных (водопонизительных) скважин, расположенных вокруг чаши противофильтрационного накопителя (7);
При достижении положения абсолютных отметок уровня разноплотностных, экологически опасных жидких промышленных отходов, отвечающему его «приведенному» значению, подача отходов прекращается.
D
Для достижения технического результата заглубление чаши хвостохранилища-накопителя осуществляется ниже уровня подземных вод. При заполнении чаши хвостохранилища-накопителя жидкими отходами производства через водораспределительные скважины (5), размещаемые внутри чаши хвостохранилища, осуществляется фонтанирование/разгрузка подземных вод в чашу хвостохранилища-накопителя в пределах высоты, определяемой уравнением h=P/pg, где P - гидростатическое давление в точках, соответствующих положению уровненной поверхности подземных вод за контуром хвостохранилища;
р - плотность жидкости (подземных вод);
g - ускорение свободного падения.
Количество водораспределительных скважин (5), размещаемых внутри чаши хвостохранилища-накопителя, определяется достоверностью оценки среднего значения гидрохимического параметра жидких отходов, имеющего определенную вариацию относительно усредненного размера хвостохранилища, и рассчитывается по известному соотношению соотношению [5]:
N,α
a
2
N=(T·Vr/Δ),
N,α
где T - критическое значение критерия Стьюдента;
a
Vr - предельные значения коэффициентов вариации;
Δ - погрешность оценки, задаваемая исследователем.
N,α
a
В приведенном выражении, кроме вариации, входят погрешность Δ, задаваемая исследователем, и критическое значение критерия Стьюдента T. При предельных значениях коэффициентов вариации Vr≤5%, в зависимости от точности оценки Δ=10%, и доверительной вероятности α=0,05 количество скважин (опробований) необходимых для фиксации изменчивости химического состава жидкой фазы должно составлять не менее N=10.
Применение заглубленных под уровень подземных (грунтовых) вод садочных бассейнов может рассматриваться в качестве действенной меры борьбы с инфильтрацией рабочих рассолов вглубь водоносных горизонтов.
Одновременно с новой конструкцией заявленной полезной модели может быть решена задача поддержания оптимальной качественного состава (водности) рабочих рассолов в самом бассейне с помощью специально оборудованных скважин, из которых жидкие промышленные отходы либо подземные воды будут разгружаться в чашу хвостохранилища, создавая оптимальный в ней гидрохимический режим.
Известно, что для предотвращения возможности проникновения разноплотностных, экологически опасных жидких отходов из накопителей в подстилающий его водоносный горизонт, уровень подземных (грунтовых) вод должен обязательно быть выше жидкой фазы (отходов) в самом накопителе.
пр
В этом случае на практике используется положение о «приведенных» напорах (т.е. всегда должно сохраняться соотношение h≥h).
2
При этом, исходя из общепринятых положений в гидротехническом строительстве, удельный вес (γ) жидкости (т.е. вес жидкости, содержащейся в единице объема) и плотность (ρ) жидкости (т.е., в данном случае, это масса жидкости, содержащейся в единице объема) связаны между собой соотношением γ=ρg, где g=9,81 м/с.
вес
атм
ман
ман
атм
0
ат.
Произведение hρg, в соответствии с общепринятым определением, отвечает весовому давлению p, которое определяется весом самой жидкости. Таким образом, полное или абсолютное гидростатическое давление равно сумме внешнего и весового давлений. В то же время на практике часто пользуются не полным гидростатическим давлением p, а только избытком его над атмосферным давлением p. Это избыточное или манометрическое давление p находят из соотношения: p=p-p=p+hρg-p
ман
вес
В частном случае, когда внешнее давление равно атмосферному, например, в открытых водоемах, монометрическое давление в жидкости равно весовому p=p=hρg. Традиционно, на практике, монометрическое давление обозначается «p».
Отношение гидростатического давления к удельному весу «ρg» жидкости имеет линейную размерность. В случае напорных подземных вод его называют пьезометрической высотой давления и используют для измерения давления. В условиях безнапорных (грунтовых) вод оно характеризует их уровенную поверхность.
Исходя из этого, h=p/ρg, где p любое давление (абсолютное, избыточное или весовое), которому соответствует определенная уровенная (пьезометрическая) высота, при этом давление будет равно p=hρg.
2
в
в
В качестве конкретного примера успешного достижения заявленной полезной моделью технического результата - максимального предотвращения загрязнениями глубинных вод - можно отметить, что давление в 1 кгс/см (техническая атмосфера) соответствует столбу пресной воды высотой, определяемой из соотношения: p/ρg=p/γ=1/0,001=1000 см=10 м.
Отсюда, положение уровненной поверхности подземных (грунтовых) в водоносных горизонтах может определяться не только их движением, но и различием их плотности с учетом глубины залегания горизонта.
Чтобы исключить воздействие этих факторов при определении направления движения природных вод, используют не естественные уровни, а приведенные напоры (приведенные давления) подземных вод. Только перепад приведенного напора (давления) может служить показателем направления движения подземных напорных вод.
Для определения приведенного давления выбирается произвольно любая горизонтальная плоскость сравнения (ее еще называют «плоскость приведения»), по отношению к которой определяется давление всех скважин.
Чтобы было понятно, за счет чего достигается технический результат заявленной полезной моделью, конструкция которой при сооружении зависит исключительно от конкретных природных условий, ниже приведено определение «приведенного» давления, которое складывается из двух составляющих:
1) пластового давления в заданной точке пласта;
2) давления, создаваемого столбом воды, от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения.
На практике пластовое давление измеряют манометрами, но его можно также определить по величине статического уровня воды в скважине.
Вторая составляющая зависит от глубины пласта и от изменения плотности воды, заключенной в породах, от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения.
Эта величина определяется только расчетным путем в соответствии с известной (или условно принимаемой) зависимостью плотности воды от глубины ρ=f(z).
i
В общем случае, когда плотность воды в вертикальном разрезе изменяется постепенно и плоскость сравнения расположена ниже точки z замера пластового давления, приведенное давление определяется по следующему соотношению:
пр
0
h=hρ+z(ρ+ρ)/2,
пр
где h - приведенный напор воды, м;
z - расстояние от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения, м;
0
3
ρ и ρ плотность воды в заданной точке и на произвольно выбранной плоскости сравнения, г/см.
пр
0
пр
При этом следует иметь в виду, что в случае, когда плоскость сравнения горизонтальна, то величина значения z будет равна 0. Тогда уравнение h=hρ+z(ρ+ρ)/2 примет вид h=hρ.
пр
пр
Поверхность уровня вод в накопителе (хвостохранилище) обычно горизонтальна, однако плотность складируемой в нем жидкой фазы, может значительно отличаться (в большую сторону) от плотности подземных вод распространенных за его пределами. Следовательно, для того чтобы предотвратить возможность проникновения из хвостохранилища разноплотностных, экологически опасных жидких отходов в подстилающий его водоносный горизонт, уровень подземных (грунтовых) вод (9) в данном водоносном горизонте h, должен быть обязательно выше приведенного уровня (h) разноплотностной, экологически опасной жидкой фазы (отходов) в самом хвостохранилище 1, а именно в нашем случае всегда должно сохраняться соотношение h≥h. Регулировка положения уровня разноплотностных, экологически опасных жидких отходов (10) относительно уровня подземных (грунтовых) вод (9) осуществляется с помощью системы водорегулирующих скважин (4), расположенных вокруг чаши хвостохранилища-накопителя (1) и системы водораспределительных скважин (5), расположенных внутри чаши хвостохранилища-накопителя (1), соединенных системой горизонтальных труб (6). Система наблюдательных (водопонизительных) скважин (7), расположенных также вокруг чаши хвостохранилища-накопителя (1), предназначена для наблюдения за положением уровня подземных (грунтовых) вод (9), за пределами чащи хвостохранилища-накопителя (1) разноплотностных, экологически опасных жидких отходов.
Кроме того, система водорегулирующих и водораспределительных скважин позволяет подавать слабо минерализованные рассолы в чашу хвостохранилища-накопителя и, тем самым, регулировать не только уровень, но и химический состав разноплотностной, экологически опасной жидкой фазы (отходов) непосредственно в самой полезной иоделе, что очень важно для экологической безопасности окружающей среды.
Новая конструкция заявленной полезной модели позволяет осуществлять такую реализацию максимального предотвращения загрязнений, которая содержит водорегулирующие скважины (4), расположенные вокруг чаши (1), и водораспределительные скважины (5), размещенные внутри чаши хвостохранилища-накопителя, с помощью соединительной системы горизонтальных труб (6), используемые в качестве системы, с помощью которой регулируется «приведенный» уровень (10) и качество разно плотностной, экологически опасной жидкой фазы (отходов) в чаше накопителя (1), при этом устанавливаемый в чаше накопителя (1) расчетный «приведенный» уровень жидкой фазы (отходов) (10) не должен превышать абсолютной отметки естественного уровня подземных (грунтовых) вод (9), фиксируемого наблюдательными (водопонизительными) скважинами (7) за пределами чаши накопителя (1).
Заявленная полезная модель предназначена для снижения степени инфильтрации жидких отходов производства, рассолов из хвостохранилищ-накопителей в подстилающие их водоносные горизонты и позволяет защищать подземные (грунтовые) воды от загрязнения.
Заявленная полезная модель может быть также использована для предупреждения инфильтрации через толщу складируемых твердых отходов атмосферных осадков, накапливающихся в поровом пространстве свалочных масс на полигонах твердых бытовых отходов жидкой фазы, что, в свою очередь, также способствует защите подземных водоносных горизонтов от загрязнения.
Отличительной от известных аналогов и наиболее привлекательной для достижения указанного технического результата особенностью заявленной полезной модели является предоставляемая ею возможность разделения систем, определяющих поддержание оптимального уровненного и качественного режимов подземных вод. в водоносном горизонте, жидких отходов производства, рассолов в хвостохранилище-накопителе. Так, если за соблюдение уровненного режима, как в водоносном горизонте, так и в чаше хвостохранилища, отвечают скважины, используемые для водопонижения подземных вод при заглублении хвостохранилища, то за поддержание оптимального качества (водности) жидких отходов производства, рабочих рассолов в самой чаше хвостохранилища, используются специально оборудованные законтурные и внутриконтурные скважины.
Используемые источники информации
1. Патент РФ №2408442 (RU)
2. Патент РФ №2068048 (RU)
3. Патент РФ №2392375 (RU) - прототип
4. Силин-Бекчурин А.И. Динамика подземных вод. М., 1965
5. Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: основы моделирования и первичная обработка данных. - М.: Финансы и статистика, 1983