СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЙ НАКОПИТЕЛЬ
METHOD TO PREVENT FILTRATION OF CONTAMINATED HIGH-MINERALISED INDUSTRIAL WASTES INTO WATER-BEARING HORIZON OF UNDERGROUND WATER AND ANTI-FILTRATION ACCUMULATOR

Изобретение 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 способы на основе работы постоянной насосной системы и 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.
Известен способ предотвращения фильтрации из накопителя, наиболее близкий к заявляемому изобретению по достижению технического результата [2], принятый в качестве прототипа. Известный способ основан на заполнении чаши накопителя и работы устройства противофильтрационного экрана по днищу и бортам чаши, а также устройства водорегулирующих скважин вокруг накопителя. При осуществлении способа уровень подземных вод во внешнем контуре поддерживают выше уровня подземных вод во внутреннем контуре на 1,0-1,5 м, а подъем уровня подземных вод во внешнем контуре осуществляют с опережением по мере наращивания высоты укладываемого тела накопителя [3].
Недостатком известного способа 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 заявленного изобретения 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.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе предотвращения фильтрации загрязненных высокоминерализованных промышленных отходов в водоносный горизонт подземных вод, включающем поддержание уровня промышленных отходов в пределах контура противофильтрационного накопителя, в соответствие с заявленным изобретением, предварительно определяют объемный вес высокоминерализованных промышленных отходов и объемный вес законтурных подземных вод, определяют расстояние от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения, определяют максимально допустимый перепад между объемными весами воды в заданной точке пласта и произвольно выбранной плоскости сравнения, а поддержание уровня высокоминерализованных промышленных отходов в противофильтрационном накопителе производят ниже естественного уровня законтурных подземных (грунтовых) вод, который контролируют по величине «приведенного» давления жидкой фазы промышленных отходов, и определяют по соотношению
пр
0
Р=hγ+z(γ+γ)/2,
пр
.
-1.
-2
где Р - приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов, М LТ;
h - гидростатическая высота (уровень) жидких промышленных отходов неоднородного состава в чаше накопителя, L;
z - расстояние от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения, L;
0
.
-2.
-2
γ и γ - объемный вес воды в заданной точке и на произвольно выбранной плоскости сравнения, МLТ.
-1.
-2
.
-3
.
-2
.
-1.
-2
Размерность уравнения (Р) М LТ=hγ=hρg=(h)L(ρ)ML(g)LT=МLT;
0
.
-1.
-2
соотношение z(γ+γ)/2 имеет также размерность МLT. Таким образом, все уравнение, приведенное выше, имеет размерность давления (http://megapaskal.ru/pribory/davlenie-pribor/82-sistema-edinic-davleniya.html)
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов выбирают ниже соответствующего естественному давлению уровню подземных (грунтовых) вод, фиксируемого наблюдательными скважинами за пределами чаши противофильтрационного накопителя.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что при горизонтальной плоскости сравнения приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов определяют из соотношения:
пр
Р=hγ
пр
.
-1.
-2
где Р - приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов, МLТ.
h - гидростатическая высота (уровень) жидких промышленных отходов неоднородного состава в чаше накопителя, L;
.
-2.
-2
γ - объемный вес жидких промышленных отходов неоднородного состава в заданной точке чаши накопителя, МLT.
Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что в противофильтрационном накопителе, содержащем чашу, противофильтрационный экран, расположенный на днище накопителя и бортах чаши, и водорегулирующую систему из водорегулирующих скважин, в соответствие с заявленным изобретением, дополнительно внутри чаши установлены водораспределительные скважины, которые соединены с водорегулирующим устройством и системой горизонтальных труб.
Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что противофильтрационный накопитель и водораспределительные скважины, соединенные с водорегулирующим устройством и системой горизонтальных труб образуют единую систему поддержания уровневого режима экологически опасной жидкой фазы загрязненных высокоминерализованных промышленных отходов и в водоносном горизонте подземных вод.
В предлагаемом изобретении, таким образом, предотвращение фильтрации загрязненных высокоминерализованных промышленных отходов в водоносный горизонт подземных (грунтовых) вод осуществляется поддержанием приведенного давления промышленных отходов в пределах контура противофильтрационного накопителя; при этом предварительно определяют расстояние от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения. Одновременно определяют максимально допустимый перепад между ними и объемный вес воды в заданной точке пласта и на произвольно выбранной плоскости сравнения. Важным для достижения технического результата является поддержание приведенного давления высокоминерализованных промышленных отходов ниже соответствующего естественному давлению уровню законтурных подземных (грунтовых) вод и их контроль по «приведенному» давлению жидкой фазы промышленных отходов.
Данное «приведенное» давление промышленных отходов определяют по соотношению [4]
пр
0
Р=hγ+z(γ+γ)/2,
пр
.
-1.
-2
где Р - приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов, МLT.
h - гидростатическая высота (уровень) жидких промышленных отходов неоднородного состава в чаше накопителя, L;
z - расстояние от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения, L;
0
.
-2.
-2
γ и γ - объемный вес воды в заданной точке и на произвольно выбранной плоскости сравнения, МLT.
Для эффективной реализации заявленного способа главным условием является то, что «приведенное» давление жидкой фазы промышленных отходов всегда ниже соответствующего естественному давлению уровню законтурных подземных (грунтовых) вод, фиксируемого в наблюдательных скважинах за пределами чаши противофильтрационного накопителя. При этом при выборе горизонтальной плоскости сравнения приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов определяют из соотношения:
Р
пр
=hγ,
пр
.
-1.
-2
где Р - приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов, МLT;
h - гидростатическая высота (уровень) жидких промышленных отходов неоднородного состава в чаше накопителя, L;
.
-2.
-2
γ - объемный вес жидких промышленных отходов неоднородного состава в заданной точке чаши накопителя, МLT.
На чертеже представлена схема противофильтрационного накопителя разноплотностных, 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 противофильтрационного накопителя (1) разноплотностных, экологически опасных промышленных отходов, расположенная в пределах водоносного горизонта подземных вод; борта чаши накопителя и противофильтрационный экран, защищающий водоносный горизонт подземных вод от проникновения экологически опасных промышленных отходов из противофильтрационного накопителя (2); днище (3) чаши противофильтрационного накопителя с бортами 2; система водорегулирующих скважин (4), расположенных вокруг чаши накопителя; система водораспределительных скважин (5), расположенных внутри чаши накопителя; система горизонтальных труб (6), соединяющих системы водорегулирующих и водораспределительных скважин; система наблюдательных (водопонизительных) скважин (7), расположенных вокруг чаши противофильтрационного накопителя. Кроме этого, для учета в заявляемом способе максимально возможного влияния природных краевых условий и характерных признаков области фильтрации, на Фиг. схеме представлены также: дневная поверхность (8); уровень подземных (грунтовых) вод (9); уровень (10) разноплотностных, экологически опасных промышленных отходов жидкой фазы в пределах чаши противофильтрационного накопителя; горизонт подземных (грунтовых) вод (11), в пределах которого располагается противофильтрационный накопитель промышленных отходов жидкой фазы; водоупорные отложения (12), подстилающие горизонт грунтовых вод.
Сущность способа, заявляемого в качестве изобретения, 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 противофильтрационного устройства-накопителя.
Надежность работы проектируемого фильтрационного накопителя 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 накопителя выполняется на основе учета конкретных природных условий и особенностей работы 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.
Заявленное изобретение было апробировано в полевых условиях.
В качестве примера определения водопонижения подземных (грунтовых) вод, с учетом схемы влияния проектируемого противофильтрационного накопителя разноплотностных, экологически опасных жидких промышленных отходов, можно рассматривать реализацию наблюдательных скважин заявленного способа, расположенных в пределах водоносного горизонта подземных (грунтовых) вод (Фиг.), в качестве водопонижающих, например, по схеме «большого колодца» применительно к создаваемому противофильтрационному накопителю.
расч
Количество взаимодействующих водопонижающих скважин в условиях квазиустановившегося движения, а также общее понижение уровня подземных (грунтовых) вод в той или иной точке области фильтрации, например, в центре проектируемого хвостохранилища, устанавливается на основе учета понижений уровня от действия каждой (отдельной) из взаимодействующих скважин, при этом понижение в подземном (грунтовом) водоносном горизонте (S), определяется по формуле (6):
расч
е
расч
e
1
2
n
S(2Н-S)=Q{lnR-(lnxx…x)/πk},
е
где Н - мощность водоносного горизонта подземных (грунтовых) вод, L;
.
-1
k - коэффициент фильтрации водоносного горизонта подземных вод, LT;
1
2
n
х, x, …, x - расстояния от центра хвостохранилища до каждой из взаимодействующих водопонижающих скважин, L;
R - радиус влияния (Z) водопонижения по схеме «большого колодца» применительно к противофильтрационному накопителю, т.е. расстояние между точкой, в которой определяется понижение и контуром, в пределах которого мощность водоносного горизонта подземных (грунтовых) вод остается равной Не,
i
3
-1
Q - суммарный дебит всех взаимодействующих водопонижающих скважин, располагающихся по схеме «большого колодца» применительно к противофильтрационному накопителю, LT.
Реализация заявленного способа осуществляется следующим образом (Фиг.1). После приведения противофильтрационного 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 положением уровня жидкой фазы в противофильтрационном накопителе 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 расчетному значению их «приведенного» давления, их подача чашу накопителя прекращается.
В качестве противофильтрационного способа защиты заглубление чаши накопителя предлагается ниже уровня подземных вод. Использование предлагаемого способа противофильтрационной защиты используется одновременно с созданием противофильтрационного экрана. При заполнении чаши накопителя жидкими отходами производства через водораспределительные скважины (5), размещаемые внутри чаши накопителя, может осуществляться подача/разгрузка подземных вод в чашу накопителя в пределах высоты, определяемой уравнением h=P/ρg=P/γ, где Р - гидростатическое давление в точках, соответствующих положению уровненной поверхности подземных вод за контуром хвостохранилища:
.
-3
ρ - плотность жидкости (подземных вод), ML;
.
-2
g - ускорение силы тяжести, LТ;
.
-2.
-2
γ - объемный вес воды, МLT.
Количество водораспределительных скважин (5), размещаемых внутри чаши накопителя, определяется достоверностью оценки среднего значения гидрохимического параметра жидких отходов, имеющего определенную вариацию относительно усредненного размера хвостохранилища, и рассчитывается по известному соотношению [5]:
N,a
ar/Δ
2
N=(T-V),
N,a
где T - критическое значение критерия Стьюдента;
Var - предельные значения коэффициентов вариации;
Δ - погрешность оценки, задаваемая исследователем.
N,a
В приведенном выражении, кроме вариации, входят погрешность Δ, задаваемая исследователем, и критическое значение критерия Стьюдента T. При предельных значениях коэффициентов вариации Var<5%, в зависимости от точности оценки Δ=10%, и доверительной вероятности a=0,05 количество скважин (опробований) необходимых для фиксации изменчивости химического состава жидкой фазы должно составлять не менее N=10.
Применение заглубленных ниже уровня подземных (грунтовых) вод противофильтрационного накопителя разноплотностных, экологически опасных жидких промышленных отходов может рассматриваться в качестве действенной меры борьбы с инфильтрацией рабочих рассолов вглубь водоносных горизонтов.
Одновременно может быть решена задача поддержания оптимальной качественного состава (водности) рабочих рассолов в самой чаше хвостохранилища с помощью специально оборудованных скважин, из которых жидкие промышленные отходы либо подземные воды будут разгружаться в накопитель, создавая оптимальный в нем оптимальный гидрохимический режим.
Известно, что для предотвращения возможности проникновения разноплотностных, экологически опасных жидких отходов из фильтрационных устройств (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» давлениях (т.е. всегда должно сохраняться соотношение P>Р.
2
При этом, исходя из общепринятых положений в гидротехническом строительстве, объемный 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=ρ g, где g=981 см/с.
вес
атм
ман
ман
атм
атм
атм
Произведение hρg, в соответствии с общепринятым определением, отвечает весовому давлению р, 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 р. Это избыточное или манометрическое давление р находят из соотношения: р=р-р=р+hρg-р
ман
вес
В частном случае, когда внешнее давление равно атмосферному, например, в открытых водоемах, манометрическое давление в жидкости равно весовому: р=р=hρg. Традиционно, на практике манометрическое давление обозначается «p».
Отношение гидростатического давления к объемному весу «pg» жидкости имеет линейную размерность. В случае, подземных безнапорных (грунтовых) вод его называют гидростатической высотой давления и используют для измерения давления и характеризует как уровненную поверхность.
Исходя из этого, h=p/ρg, где p любое давление (абсолютное, избыточное или весовое), которому соответствует определенный уровень подземных вод, при этом давление будет равно p=hρg.
2
в
в
В качестве примера 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 поверхности уровня подземных (грунтовых) в водоносных горизонтах может определяться не столько их движением, сколько различием их объемного веса с учетом глубины залегания горизонта.
Чтобы исключить воздействие этих факторов при определении направления движения природных вод, используют не естественные уровни, а приведенные давления подземных вод. Только перепад приведенного 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.
Приведенное давление 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 объемного веса 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 объемного веса (γ) или плотности воды (ρ) от глубины, как функции f(z).
i
В общем случае, когда объемный вес воды в вертикальном разрезе изменяется постепенно и плоскость сравнения расположена ниже точки z замера пластового давления, приведенное давление определяется по следующему соотношению:
пр
0
Р=hγ+z(γ+γ)/2,
пр
.
-1.
-2
где Р - приведенное давление жидкой фазы промышленных отходов, МLT.
h - гидростатическая высота (уровень) жидких промышленных отходов неоднородного состава в чаше накопителя, L;
z - расстояние от заданной точки пласта до произвольно выбранной плоскости сравнения, L;
0
.
-2.
-2
γ и γ - объемный вес воды в заданной точке и на произвольно выбранной плоскости сравнения, МLT.
пр
0
При этом следует иметь в виду, что в случае, когда плоскость сравнения горизонтальна, то величина значения z будет равна 0. Тогда уравнение Р=hγ+z(γ+γ)/2,
пр
примет вид Р=hγ.
пр
Поверхность уровня вод в накопителе (хвостохранилище) обычно горизонтальна, однако плотность складируемой в нем жидкой фазы, может значительно отличаться (в большую сторону) от объемного веса 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 уровня, соответствующего приведенному давлению (Р) разноплотностной, экологически опасной жидкой фазы (отходов) в хвостохранилище (1). 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 накопителя (1) и системы водораспределительных скважин (5), расположенных внутри чаши накопителя (1), соединенных системой горизонтальных труб (6). Система наблюдательных (водопонижающих) скважин (7), расположенных также вокруг чаши накопителя (1), предназначена для наблюдения за положением уровня подземных (грунтовых) вод (9), за пределами чащи накопителя (1) разноплотностных, экологически опасных жидких отходов.
Кроме того, система водорегулирующих и водораспределительных скважин позволяет подавать слабо минерализованные в чашу накопителя (хвостохранилище) и, тем самым, регулировать не только уровень, но и химический состав разноплотностной, экологически опасной жидкой фазы (отходов) непосредственно в самом накопителе.
Реализация заявленного способа осуществляется также конструкцией противофильрационного накопителя, который содержит водорегулирующие скважины (4), расположенные вокруг чаши (1), и водораспределительные скважины (5), размещенные внутри чаши накопителя, с помощью соединительной системы горизонтальных труб (6), используемые в качестве системы, с помощью которой регулируется «приведенное» давление (10) и качество разно плотностной, экологически опасной жидкой фазы (отходов) в чаше накопителя (1), при этом устанавливаемое в чаше накопителя (1) расчетное «приведенное» давление жидкой фазы (отходов) (10) не должено превышать абсолютной отметки соответствующему естественному давлению уровню подземных (грунтовых) вод (9), фиксируемому наблюдательными (водопонизительными) скважинами (7) за пределами чаши накопителя (1).
Заявленный способ предназначен для снижения степени инфильтрации жидких отходов производства, рассолов из накопителей-хвостохранилищ в подстилающие их водоносные горизонты и позволяет защищать подземные (грунтовые) воды от загрязнения.
Заявленный способ может быть также применен для предупреждения инфильтрации через толщу складируемых твердых отходов атмосферных осадков, накапливающихся в поровом пространстве свалочных масс на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО) в жидкой фазы, что, в свою очередь, также способствует защите подземных водоносных горизонтов от загрязнения.
Отличительной от известных аналогов и привлекательной для достижения технического результата особенностью заявленного способа является разделение систем, определяющих поддержание оптимального уровненного и качественного режимов, подземных вод в водоносном горизонте, жидких отходов производства, рассолов в бассейне (накопителе-хвостохранилище). Так, если за соблюдение уровненного режима, как в водоносном горизонте, так и в чаше накопителя, отвечают скважины, используемые для водопонижения подземных вод при заглублении бассейна (хвостохранилища), то за поддержание оптимального качества (водности) жидких отходов производства, рабочих рассолов в самой чаше накопителя, 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.