Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема отведения избыточных рассолов на предприятиях калийной промышленности 9
1.1 Переработка калийного сырья 9
1.2 Характеристика основных месторождения калийных солей в мире 12
1.3 Способы отведения жидких и утилизации твердых отходов на калийных предприятиях мира 16
1.4 Отведения избыточных рассолов на калийных предприятиях мира 22
2 Гидрологическая и гидрохимическая характеристика потенциального приемника избыточных рассолов района ВКМКС 28
2.1 Особенности гидрологического и гидрохимического режима р.Камы в районе г.Березники 28
2.1.1 Гидрологический режим реки Кама в районе г.Соликамска 28
2.1.2 Гидрохимический режим реки Кама в районе г. Соликамска 56
2.1.3 Расчеты характеристик весеннего половодья в предполагаемом створе отведения сточных вод 64
2.2. Характеристика гидрологического и гидрохимического режима р.Яйва 67
2.2.1 Водный режим реки Яйва 67
2.2.2 Гидрохимический режим реки Яйва 79
2.2.3 Расчеты характеристик весеннего половодья в предполагаемых створах отведения сточных вод 84
2.3 Расчет потенциальной ассимилирующей способности водных объектов 91
3 Общие принципы организации регулируемого сброса сточных вод 112
3.1 Общие принципы реализации ассимилирующего потенциала водного объекта и оценки требуемых линейных размеров водовыпуска 117
3.2 Расчет нормативов допустимого сброса (НДС) избыточных рассолов в регулируемом режиме 131
3.3 Условия размещения рассеивающего водовыпуска 135
4 Имитационное гидродинамическое моделирование формирования качества воды р. Камы (Камское водохранилище) в масштабах Соликамско-Березниковского промузла 137
4.1 Гидродинамическое моделирование в трехмерной постановке 138
4.2 Двумерное гидродинамическое моделирование 148
Заключение 180
Список использованных источников
- Характеристика основных месторождения калийных солей в мире
- Гидрологический режим реки Кама в районе г.Соликамска
- Расчеты характеристик весеннего половодья в предполагаемых створах отведения сточных вод
- Двумерное гидродинамическое моделирование
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Добыча и обогащение калийных руд для производства минеральных удобрений оказывает весьма значительное влияние на окружающую среду. Это влияние может выражаться в изменении ландшафта, загрязнении воды и почвы, избыточном потреблении воды и загрязнении атмосферы. Наиболее острая проблема связана с воздействием на поверхностные водные объекты
В настоящее время обогащение калийных руд производится, как правило, в водной фазе, т.к. сухое обогащение, основанное на использовании метода электростатической сепарации, эффективно только для достаточно узкого круга руд.
Растворение хлористого магния и хлористого калия возможно только в водном растворе. При этом для растворения 1 т руды требуется около 3 м3 воды. В связи с этим возникает проблема отведения и утилизации избыточных рассолов. В зависимости от географического положения месторождений, горногеологической структуры месторождений и других факторов, калийные компании различно решают данную проблему.
Наиболее просто и эффективно данная проблема решается на месторождениях, расположенных вблизи морских побережий, путем организации сброса рассолов в глубинные части морей (Канада, США). К сожалению, применительно к условиям Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), расположенного на значительном расстоянии (~ 1000 км) от морских водоемов, данные схемы не реалистичны. Поэтому в сложившейся ситуации основным способом утилизации избыточных рассолов стало их отведение в поверхностные и подземные водные объекты. Такая схема действует в настоящее время и на предприятии Kali und Salt (Германия).
Ужесточение водного законодательства, требований к охране вод, отсутствие жестких формализованных требований по отнесению водных объектов к категории рыбохозяйственных обусловили в настоящее время ограничение дальнейшего использования функциональной традиционной схемы отведения рассолов. Вместе с тем, учитывая отсутствие в настоящее время эффективных технических решений по технологии обогащения калийных руд, не допускающих образования избыточных рассолов, весьма актуальной становится задача их отведения с минимальным ущербом для водных объектов. Решение данной проблемы принципиально возможно путем согласования режима сброса рассолов с изменением расходов воды в водотоках-приемниках. При этом в обязательном порядке должна учитываться внутригодовая неравномерностью распределения расходов воды в естественных водотоках. Исходя из особенностей поведения высокоминерализованных рассолов, для корректного описания их поведения в водных объектах необходимо использование гидродинамических моделей в 3-х-мерной постановке, учитывающих стратификационные эффекты.
Необходимо также учитывать, что широкое внедрение схем регулирования сбросов потребует создания и внедрение эффективных систем управления отведения избыточных рассолов в масштабах всего Соликамско-Березниковского промузла, так как все калийные предприятия, размещенные на данной террито-
рии, имеют равные права в использовании ассимилирующей способности р.Кама (Камского водохранилища).
Конкретные параметры регулируемого сброса определяются, в общем случае, совокупностью следующих параметров:
гидрологическим и гидрохимическим режимом водного объекта - приемника сточных вод;
составом отводимых сточных вод;
особенностью процессов разбавления и трансформации сбрасываемых стоков в водных объектах;
конструктивными особенностями устройств водовыпусков, обеспечивающих их начальное разбавление.
Целью данной работы является разработка технологической схемы отведения избыточных рассолов для предприятий калийной промышленности Верхнекамского месторождения калийных и магниевых солей.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
анализ проблемы утилизации избыточных рассолов на предприятиях калийной промышленности мира и выбор приоритетного способа решения данного вопроса для ВКМКМС;
выявление особенностей водного режима потенциальных приемников сточных вод;
выработка принципиальных схем отведения избыточных рассолов в поверхностные водные объекты;
оценка эффективности каждой из предложенных схем с помощью гидродинамического моделирования.
Методология и методы исследования:
Использованы методы натурных наблюдений и измерений, методы гидродинамического моделирования, статистические методы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Для корректной оценки ассимилирующего потенциала водных объектов необходим объективный учет характера междугодичной и внутригодичной изменчивости гидрологического и гидрохимического режима водотоков - приемников, детальный анализ их морфометрии и особенностей формирования гидравлического сопротивления.
-
Для описания поведения высокоминерализованных рассолов в водных объектах - приемниках сточных вод используются специальные гидродинамические модели, учитывающие плотностные, стратификационные эффекты. Применение традиционных моделей с «нейтральной» плавучестью приводит к неприемлемо высоким погрешностям расчетов.
-
Для обеспечения эффективного начального разбавления избыточных рассолов в водных объектах предложены рассеивающие водовыпуски специальной конструкции, учитывающих высокую плотность отводимых стоков.
Научная новизна:
Впервые выполнен ретроспективный анализ гидрологического и гидрохимического режимов р. Камы (Камского водохранилища) в районе ВКМКС.
Проведен расчет ассимилирующей способности водных объектов.
Обоснованы принципиальные схемы отведения избыточных рассолов;
Выполнены модельные расчеты отведения избыточных рассолов для района ВКМКМС.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора произведена постановка задач, выполнены теоретические исследования, проведены полевые исследования, анализ и обработка полученных данных.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.н., проф. Лепихину А.П. за помощь в формулировании научного направления диссертационной работы, к.г.н. Возняк А.А. за помощь в выполнении работы, д.ф.-м.н., профессору Любимовой Т.П. и к.ф.-м.н. Паршаковой Я. Н. за помощь в проведении гидродинамического моделирования.
Степень достоверности результатов исследований определяется использованием стандартных методов испытаний и способов измерений с помощью сертифицированного оборудования, использованием современных методов статистического анализа, подтверждается согласованностью результатов гидродинамического моделирования и натурных измерений, а также обусловлена применением адекватного исследовательского и аналитического аппарата.
Апробация работы.
Научные положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции с участием иностранных учных "Процессы самоорганизации в эрозионно-русловых системах и динамике речных долин "Fluvial systems-2012" (Томск, 2012), Всероссийской конференции молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах», НПСС-2012 (Пермь, 2012), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2012, 2015), Всероссийской научной конференции «Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования, управления и предотвращения угроз» (Краснодар, 2013), на ежегодных научных сессиях ГИ УрО РАН «Стратегия и процессы освоения георесурсов» (Пермь, 2011-2016), на Международной научно-практической конференции «Водный форум БРИКС», 29-30 сентября 2016 г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 19 печатных работ, в том числе 8 в изданиях, входящих в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК.
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав и заключения. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 113 рисунков и 40 таблиц. Список использованных источников состоит из 75 наименований, в том числе 21 зарубежного.
Характеристика основных месторождения калийных солей в мире
Рудник Vanscoy компании Агриум, чтобы минимизировать количество твердых отходов, складируемых на поверхности, использует методы выборочной выемки для повышения качества руды поташа, поднимаемой на поверхность.
Многие рудники (Vanscoy Агриум, Penobsquis PotashCorp (NB)) для уменьшения объемов отходов выпускают дополнительно соль (каменную или пищевую), которая используется в качестве кормовой добавки скота, стабилизаторов для дорожного строительства и для удаления льда на дорогах и магистралях.
Закачка в глубокие скважины отработанных рассолов в соединении со складированием их на поверхности достаточно давно осуществляется на одном руднике в юго-восточном Саскачеване на шахте К1 около Esterhazy (Mosaic). Рассолы вводятся в Interlake - образование Силурийского возраста, который лежит в основе отложений Эвапоритовой группы формации Prairie. Эти формирования лежат в пределах Западного Канадского Осадочного бассейна. Бассейн расширяется от восточной части канадских Кордильер до западной Альберты к Докембрийскому щиту в северо-восточной Альберте, северном Saskatchewan, и центральной Манитобе [7]. Большая толщина накопленных осадочных пород, обширное площадное распространение месторождения и региональная структурная устойчивость представляют огромный потенциал для закачки в глубокие скважины жидких отходов в пределах бассейна.
Рудники в окрестности Саскатуна также рассматривают возможность закачки избыточных рассолов в глубокие горизонты, а некоторые и используют ее. Так рудник Vanscoy (Агриум) около 650000 тонн избыточных рассолов закачивают на 1 675 метров ниже поверхности в формирование, которое содержит природные рассолы. Нью-Брансвик (New Brunswick), Канада Утилизация отходов в Нью-Брансвике отличается от других месторождений, благодаря особому, почти вертикальному, расположению калийных пластов. В выемочные камеры закладываются, в основном, твердые фракции отходов как от подземных дробилок, так и от процесса обогащения калийных руд. Жидкие фракции, перенасыщенные рассолы после осаждения глинистых шламов качаются обратно на поверхность, где вновь включаются в процесс обогащения. Дополнительный КС1, восстановленный из рассолов, поступающих с закладки соли, уплотняется, дробится, доводится до требуемого размера, и прибавляется к основному продукту.
Внедрение замкнутых систем водоснабжения и удаления отходов дает значительные преимущества в повышении эффективности программы борьбы с загрязнением окружающей среды. Потенциальные источники загрязнения в виде трех главных потоков отходов (соляные хвосты, шламы и рассолы) интегрируются в процессе добычи. Соляные хвосты стали существенным компонентом разработанного метода закладок, рециркуляция рассолов увеличила процент извлечения продукта и исключила необходимость сброса загрязненных жидких отходов, а шламы и некоторое количество рассолов эффективно закладываются в соляные камеры [6].
Карлсбадское месторождение, Нью-Мексико, США Система отведения и утилизации отходов в Нью-Мексико является стандартной и обычной для многих предприятий калийной промышленности.
Глинисто-солевые шламы складируются на территории предприятия, непрерывный мониторинг контролирует возможные утечки соли. Отходы от процесса флотации, главным образом галит, накапливаются в солеотвалах. Избыточные рассолы испаряются в водохранилищах-отстойниках или передаются в естественные озера на местности, где они собираются. Методы для того, чтобы возвратить отходы в шахту изучаются, но они являются дорогостоящими.
Штасфуртский соленосний бассейн, Германия Компания «Kali und Salz GmbH» эксплуатирует три калийных предприятия в регионе Верра в Германии: Хатторф, Унтербрайцбах и Винтерсхалль. Руда обогащается с применением процессов сухой электростатической сепарации и обогащения путем мокрого теплового растворения для получения различных калийных и магниевых продуктов. На каждую тонну обогащенной руды приходится 22% продукта и 78% отходов [4]. Отходы представляют собой преимущественно соляные хвосты и растворы хлористого магния (MgCb). Применяемый процесс дает возможность в значительной степени всухую отделить полезный продукт от соляных хвостов. В то же время, хлористый магний можно отделить от хлористого калия только в растворе. Это приводит к большим количествам образующихся рассолов.
Отработанный рассол на каждой обогатительной фабрике закачивается в ряд накопительных бассейнов, откуда осуществляется сброс в речную систему. Сброс регулируется и контролируется посредством компьютерной системы, чтобы величина разрешенной концентрации хлоридов в 2,5 г на 1л речной воды не была превышена, так как речной режим и скорость течения изменяются. Немецкий концерн KaliundSalz вел закачку в подземные надсоляные горизонты с 1926 г. В настоящее время повышенное солесодержание крупного водотока-приемника р. Верра на 2/3 обусловлено разгрузкой ранее закачанных рассолов. Концерн разработал проект отведения расолов в море. Старобинское месторождение, Белоруссия РУП ПО «Беларуськалий» является типичным представителем горнорудных предприятий, деятельность которых всегда вызывает существенные изменения структуры природных ландшафтов. Земная поверхность оседает над отработанными подземными выработками и большие площади плодородных земель отчуждаются для хранения отходов обогатительных фабрик.
Институтом ОАО «Белгорхимпром» разработана технология регенерации отработанных шламохранилищ, которая дает возможность неоднократно использовать построенные емкости для складирования шламовых отходов [5].
Для уменьшения негативного воздействия галитовых отходов на окружающую среду разработан и реализуется целый ряд мероприятий, направленных на уменьшение объемов образования отходов, на обеспечение их безопасного хранения. Так, все более широко используется селективная отработка шахтных полей, суть которой заключается в том, что при добыче извлекаются продуктивные слои, а галитовый прослой остается в выработанном пространстве.
В процессе обогащения образуется огромное количество отходов каменной соли, которые составляют 60-70% от общего объема добытой руды. Они складируются на поверхности и наносят вред плодородным землям и водному бассейну. Оставляемые целики пластичны, со временем происходит их разрушение, что в свою очередь приводит к оседанию земной поверхности. Учитывая наличие в налегающих породах опасных водоносных горизонтов, задача сохранения водозащитной толщи при добыче стоит достаточно остро [3].
Требованиям высокого уровня количественных и качественных показателей извлечения отвечают системы разработки с закладкой выработанного пространства. Их применение позволяет существенно повысить извлечение руды, управлять горным давлением, сохранять водозащитную толщу пород, что повышает безопасность ведения горных работ. К тому же использование в закладке отходов горного производства решает, помимо горнотехнических, ряд экологических и экономических проблем.
Эта работа важна и с точки зрения безопасной эксплуатации рудников — закладка выработанного пространства предотвращает деформацию водозащитной толщи и уменьшает деформацию земной поверхности. Таким образом, повышение полноты извлечения запасов и эффективности разработки калийных месторождений в результате закладки выработанного пространства твердеющими смесями на основе галитовых отходов является актуальной для горнорудной промышленности задачей.
Гидрологический режим реки Кама в районе г.Соликамска
Как показывает рис. 2.1.1.9, в мае уклон водной поверхности на участке пгт Тюлькино - г. Березники также совпадает с естественным положением. Во время половодья большие уклоны водной поверхности наблюдаются и на так называемом четкообразном участке (от г. Березники до д. Усть-Пожва). Если падение уровня на этом участке зимой не превышает 20 см, то весной разность уровня составляет 2-3 м, а уклоны возрастают более чем в 10 раз [12,17].
При этом необходимо отметить, что если на подъеме волны половодья влияние водохранилища не прослеживается, то на спаде (обычно с конца мая) оно уже присутствует. Так на рис.2.1.1.9 видно, что на подъеме и при прохождении максимального расхода половодья кривая свободной поверхности после создания водохранилища мало отличается от такой же до создания водохранилища при одном и том же уровне у с. Бондюг. На спаде половодья, который наблюдается в конце мая - начале июня, кривая свободной поверхности выполаживается при приближении к г. Березники. То есть к концу мая - началу июня подпор от водохранилища распространяется до г. Березники и немного выше, доходя к концу июня практически до пгт Тюлькино. В отдельные годы (1989) этот подпор у пгт Тюлькино явно виден на графике уже в середине июня, в другие годы (напр. 1974) к середине июня подпор не доходит даже до г. Соликамска (см. рис. 2.1.1.9).
Для того, чтобы проиллюстрировать изменение режима уровней воды до и после создания водохранилища в остальные месяцы года, были построены графики отметок свободной поверхности воды на участке от с. Бондюг до г. Березники с июля по ноябрь (рис. 2.1.1.10) и в зимний период (рис, 2.1.1.11) до и после создания водохранилища.
Отметки свободной поверхности воды на участке от с. Бондюг до г. Березники с июля по ноябрь до и после создания водохранилища Кривые свободной поверхности воды на участке от с. Бондюг до г. Березники с июля по ноябрь (рис. 2.1.1.10) свидетельствуют, что в летне-осенний период подпор от водохранилища доходит практически до пгт Тюлькино, и, следовательно, г. Соликамск, и, тем более, створ ниже г. Соликамска, для которого осуществляется исследование, в течение всего летне-осеннего периода находятся в подпоре. Кривые свободной поверхности воды на участке от с. Бондюг до г. Березники с ноября по февраль (рис. 2.1.1.11) до и после создания водохранилища показывают, что с декабря месяца точка выклинивания подпора начинает спускаться вниз по течению, минуя в феврале створ г. Соликамска. Так что к марту, как уже было отмечено выше, р. Кама в районе г. Соликамска освобождается от подпора. В створе г. Березники р.Кама выходит из зоны подпора только к апрелю (см. рис. 2.1.1.8).
Таким образом, г. Соликамск, расположенный на 920 км от устья, в настоящее время с начала июля до января находится в подпоре от Камского водохранилища. С марта по май подпора р.Камы в районе г. Соликамска нет. В период зимней сработки и весеннего наполнения верховье водохранилища освобождается от подпора и на рассматриваемом участке устанавливаются естественные речные условия. Февраль и июнь являются переходными месяцами от режима подпора к естественному режиму или наоборот. В отдельные годы частично или полностью они могут принадлежать тому или иному режиму в зависимости от сроков сработки водохранилища и прохождения волны половодья. Максимальные значения уровня р. Камы у г. Соликамска варьируются в интервале отметок от 109,14 до 112,01 м БС. Максимальные уровни приходятся на конец весеннего подъема, период летних паводков, когда уровни превышают горизонты весеннего половодья, а в отдельные годы они наблюдаются во время осенних паводков. Наинизший годовой уровень соответствует периоду наибольшей зимней сработки. Минимальные значения уровня р. Камы у г. Соликамска варьируются в интервале отметок от 104,24 до 106,73 м БС. Наибольшее колебание уровня воды за год отмечено в 1979 г. и составило 736 см (табл. 1.1.7).
В створе г. Соликамска период естественного режима уровня, как уже отмечалось, составляет от 2 до 4 месяцев.
Среднемесячные уровни воды р. Камы в створе г. Соликамска, рассчитанные по кривым свободной поверхности между пгт Тюлькино и г. Березники в настоящее время, приведены на рис. 2.1.1.12.
Таким образом, в створе ниже г. Соликамска, для которого осуществляется исследование, наблюдается весьма сложный гидрологический режим, обусловленный характером регулирования стока. Это создает большие трудности в применении общепринятых методов расчета разбавления сточных вод.
Характеристика весеннего половодья в районе г. Соликамска. Согласно приказу МПР №333 от 17 декабря 2007 г.[10], в соответствии с методикой разработки НДС, сброс веществ и микроорганизмов в водный объект должен проводиться с некоторым постоянным расходом в течение всего года, ориентированный на минимальный месячный расход года с обеспеченностью 95% за многолетний период.
Характерной особенностью рек большей части территории Пермского края, в том числе р.Кама, является очень существенная внутригодовая неравномерность распределения стока. Данная неравномерность, как уже отмечалось, обуславливается особенностями их питания. В зимний период при переходе на подземное питание расход воды в реках значительно снижается.
Если предприятие (водопользователь) имеет возможность изменять (регулировать) интенсивность сброса в зависимости от гидрологического режима водотока, то нормирование на минимальный месячный расход становится совершенно неоправданным.
В этом случае возможен значительно более гибкий и эффективный режим сброса. При наличии регулируемой емкости, способной аккумулировать сбрасываемые стоки в течение достаточно длительного промежутка времени, можно осуществлять сброс только в многоводные фазы гидрологического режима водного объекта - приемника сточных вод.
В связи с этим, были рассчитаны объемы стока за период весеннего половодья по рассматриваемым водным объектам. Полученные объемы стока по р. Кама - пгт. Тюлькино представлены в табл. 2.1.1.14. Характерные значения объемов стока весеннего половодья разной вероятности превышения представлены в табл. 2.1.1.15.q
Расчеты характеристик весеннего половодья в предполагаемых створах отведения сточных вод
Соответственно, расходам высокой обеспеченности соответствуют концентрации ингредиентов малой обеспеченности. В то же время, как следует из рис. 2.1.2.3 - 2.1.2.7, при расходах воды Q 1000 мЗ/с фоновое содержание становится весьма слабо зависимо от расхода воды и соответственно может приниматься как постоянная величина.
Со сточными водами в р. Каму поступает достаточно большое количество данных загрязняющих веществ, однако, действующие на протяжении более 30 лет государственные и ведомственные системы мониторинга не в состоянии обнаружить и оценить это воздействие.
Так как под загрязнением можно считать только статистически значимое изменение содержания рассматриваемых ингредиентов, под воздействием тех или иных антропогенных воздействий, то необходимо усилие направить на совершенствование систем мониторинга. В первую очередь увеличить количество промерных вертикалей и горизонтов отбора проб. Целесообразен, как это действует в большинстве развитых стран, переход на интегральные методы отбора проб, широкое внедрение автоматизированных систем контроля.
Без проведения данных мероприятий обсуждать вопросы и вырабатывать методы борьбы с загрязнением, которое не фиксируется действующей системой мониторинга, абсурдно.
Совершенно очевидно, что увеличение содержания макрокомпонентов, таких как хлориды, магний, сульфаты, кальций, тесно связанных между собой, связано с деятельностью предприятий калийной промышленности, расположенными в г. Соликамске.
Таким образом, исходя из очень существенной внутригодовой неоднородности распределения расходов воды, для обеспечения снижения загрязнения р. Кама в маловодные периоды необходимо сброс сточных вод и, в первую очередь, высокоминерализованных рассолов осуществлять в синхронизации с изменением гидрологического, гидрохимического режимов р.Камы в масштабах Соликамско-Березниковского промузла.
Согласно приказу МПР №333 от 17 декабря 2007 г.[10], в соответствии с методикой разработки НДС, сброс веществ и микроорганизмов в водный объект должен проводиться с некоторым постоянным расходом в течение всего года, ориентированный на минимальный месячный расход года с обеспеченностью 95% за многолетний период.
Характерной особенностью рек большей части территории России, в том числе р.Кама, является очень существенная внутригодовая неравномерность распределения стока. Данная неравномерность, как уже отмечалось, обуславливается особенностями их питания. В зимний период при переходе на подземное питание расход воды в реках значительно снижается.
Если предприятие (водопользователь) имеет возможность изменять (регулировать) интенсивность сброса в зависимости от гидрологического режима водотока, то нормирование на минимальный месячный расход становится совершенно неоправданным.
В этом случае возможен значительно более гибкий и эффективный режим сброса. При наличии регулируемой емкости, способной аккумулировать сбрасываемые стоки в течение достаточно длительного промежутка времени, можно осуществлять сброс только в многоводные фазы гидрологического режима водного объекта - приемника сточных вод.
В связи с этим, были рассчитаны объемы стока за период весеннего половодья по рассматриваемым водным объектам. Полученные объемы стока по р. Кама - шт. Тюлькино представлены в табл. 2.1.3.1. Характерные значения объемов стока весеннего половодья разной вероятности превышения представлены в табл. 2.1.3.1.
Что касается содержания загрязняющих веществ в период половодья, то в период с 1974 по 1993 гг. проводились наблюдения за гидрохимическим режимом р. Камы в створе ниже г. Соликамска. Данный створ может быть принят за фоновый, так как расстояние от него до места сброса около 500 м. По этим данным были рассчитаны средние за период половодья концентрации ЗВ за весь период наблюдений. Результаты расчетов представлены в табл. 2.1.3.3, рис. 2.1.3.3.
Бассейн р. Яйва расположен в северной части бассейна реки Камы, р.Яйва впадает в Камское водохранилище у его верхней оконечности, на 879 км от устья р.Камы (рис.2.2.1). Верхнее течение р.Яйва находится в южной части Северного Урала, где сосредоточены наибольшие его поднятия Камни. Нижнее ее течение располагается на самой окраине Восточно-Европейской равнины, в так называемом Приуралье (или Предуралье). В среднем течении р.Яйва пересекает полосу карстующихся пород, но в пределах бассейна р.Яйва карст изучен слабо.
Средняя высота водосбора составляет 310 м абс. Максимальная высота - м абс, минимальная - 108 м абс. Рельеф водосбора сильно рассечен. В горной части бассейна преобладают горно-таежные подзолистые почвы на кристаллических кислых и основных породах, в равнинной части распространены подзолистые глинистые и тяжелосуглинистые почвы. Среди массивов подзолистых почв по депрессиям рельефа развиты глеево-подзолистые почвы.
По типу растительности весь бассейн р.Яйвы принадлежит лесной зоне. В горной части распространены горно-таежные темнохвойные, в равнинной - среднетаежные еловые и елово-кедрово-пихтовые леса, местами в сочетании с березовыми и осиновыми лесами и сфагновыми болотами.
Климат рассматриваемой территории резко континентальный, что выражается в больших колебаниях температуры воздуха как внутри года, так и в течение суток. Амплитуда колебаний за год составляет 80 С и суточная - достигает 20 С [12]. Среднегодовая температура составляет в горной части -1,8С, на равнине - около 0С. Годовая сумма осадков возрастает от 800 мм в нижнем течении до 1000 мм в верховьях. В течение года осадки выпадают неравномерно. Большая часть их, 66% годовой суммы, выпадает в теплый период года. Минимум осадков за год отмечается в феврале, максимум - в июле. Средний запас воды в снежном покрове 200 мм, в горной части - 300 мм. Р.Яйва - крупный левобережный приток р.Кама. Длина реки составляет 304 км, площадь водосбора 6250 км , средний уклон 1,95%, коэффициент извилистости 2,35, залесенность 95%. Р.Яйва имеет 22 крупных притока и 267 - длиной менее 10 км. В бассейне р. Яйва 12 небольших озер общей площадью 3,52 км . Есть также небольшое количество болот в верхнем и среднем течении, однако их общая площадь, как, впрочем, и озер не превышает 0,5% от площади водосбора.
В бассейне р.Яйва расположено водохранилище руслового типа, образованного плотиной гидроузла в п.Яйва. Основной целью создания Яйвинского водохранилища явилось обеспечение минимальных уровней, необходимых для работы технического водозабора Яйвенской ГРЭС в меженный период. Регулирование стока - суточное.
Двумерное гидродинамическое моделирование
Гидрологический режим практически любой реки, расположенной в неэкваториальной зоне, характеризуется существенной внутригодовой изменчивостью - наличием многоводных и маловодных периодов. Реки средней полосы России характеризуются значительными весенними половодьями, летне-осенними дождевыми паводками и достаточно глубокой летней и зимней меженью. В связи с этим имеют место две принципиально различные схемы обеспечения гарантированного качества воды в контрольном створе. Согласно первой схеме, устанавливается такое максимально допустимое содержание загрязняющих веществ в сточных водах, чтобы при минимальном нормативном расходе водотока-приемника и при заданном расходе сброса содержание лимитирующих загрязняющих ингредиентов не превышало бы допустимых нормативов. Как правило, под такими допустимыми нормативами принимаются наиболее жесткие значения из действующих систем контроля качества воды: санитарно-гигиенических и рыбохозяйственных предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ. В качестве минимального нормативного расхода рассматривают минимальный месячный расход года 95% обеспеченности, т.е. имеет повторяемость раз в 20 лет. При реализации данной схемы предполагается, что возможные изменения как содержания загрязняющих веществ, так и расходов сброса, обусловленных техногенными факторами, не должны превышать установленных нормативов вне зависимости от реально наблюдаемого гидрологического и гидрохимического режима водотока-приемника.
Согласно второй схеме параметры сброса изменяются («регулируются») в достаточно жестком соответствии с изменением гидрологического и гидрохимического режимов водотока-приемника. Необходимым условием для реализации данной схемы отведения является условие: \gmp(t)dt \gc6(t)dt а так же - наличие достаточно большой емкости накопителя-регулятора, компенсирующей внутригодовую неравномерность расходов воды (где Т -характерный временной масштаб осреднения; grp(t) - обусловленный техногенными процессами требуемый расход отводимых сточных вод; gc6(t) - допустимый расход сброса, исходя из гидрологических и гидрохимических условий конкретного водотока-приемника). Характерная емкость данного накопителя-регулятора должна составлять ПП тах(М0- сб(0 teT 0 Для рек, имеющих ярко выраженное весеннее половодье, накопитель должен, как минимум, аккумулировать годовой обмен отводимых стоков.
Необходимо подчеркнуть, что, хотя регулирование сброса является более гибкой системой, позволяющей в значительно большей мере использовать ассимилирующий потенциал конкретного водного объекта, чем схемы отведения с использованием нормативных минимальных расходов, однако, он предъявляет для своей конкретной реализации значительно более жесткие требования к организации системы мониторинга.
При реализации традиционной схемы отведения, ориентированной на наиболее худшие гидрологические и гидрохимические условия водного объекта, которые могут наблюдаться в течение одного месяца раз в 20 лет, достаточно часто наблюдение за содержанием лимитирующих ингредиентов в фоновом и контрольном створах проводится раз в месяц или даже 1 раз в квартал. Соответственно, в этом случае имеются большие «запасы» и при установлении расчетных концентраций сброса. Для их проведения не требуются, как правило, современные расчетные схемы, считается вполне приемлемым использование методов, разработанных более 50 лет назад, когда основными расчетными инструментами являлись счеты и логарифмические линейки [18-21]. При реализации регулированного сброса должны предъявляться совершенно другие требования мониторингу водных объектов, включающему три основных компонента: - система наблюдения; - система оценок; - система прогнозирования и моделирования при реализации регулируемых сбросов. Невыполнение данных условий может приводить к дискредитации самой идеи регулирования сбросов Основная причина крайне ограниченного применения схем регулированного сброса заключается не в весьма жестких технологических требованиях по его внедрению и реализации: - к организации системы мониторинга; - наличие значительных не фильтрующих накопительных емкостей; - более высокие требования к технологии и процедурам расчетов параметров регулируемого сброса; а не проработанность нормативно-методической базы.
При обсуждении проблемы регулируемых сбросов сточных вод в государственных органах по контролю и управлению в области охраны водных объектов, в ряде случаев, указывается, что данная схема отведения сточных вод противоречит действующему Водному кодексу РФ, ссылаясь на статью 60, раздел 6. К сожалению, при ссылке на данный раздел статьи 60 Водного кодекса, сам раздел не приводится в полном изложении. В то же время в полном изложении данный раздел указывает: «При эксплуатации водохозяйственной системы запрещается: 1) осуществлять сброс в водные объекты сточных вод, не подвергшихся санитарной очистке, обезвреживанию (исходя из недопустимости превышения нормативов допустимого воздействия на водные объекты и нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водных объектах), а также сточных вод, не соответствующих требованиям технических регламентов».
Таким образом, регулируемый сброс, направленный на безусловное обеспечение нормативов качества воды в контрольном створе, как следует из выше изложенного, полностью соответствует требованиям действующего Водного кодекса.
К сожалению, из-за низкого уровня подготовки действующие нормативы методических документов на организацию сброса сточных вод [34-35, 41], в отличие от ранних действующих документов [10], не только не рассматривают систему организации мониторинга при реализации регулируемых сбросов, но не рассматривают и сам регулируемый сброс в явном виде, как инструмент отведения сточных вод.
Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС), наряду с месторождениями нефти, является основным природным ресурсом Пермского края. Его промышленная разработка ведется с начала тридцатых годов прошлого века. Несмотря на некоторый спад в середине 90-х годов, в настоящее время калийная промышленность на подъеме.
Последствия разработки ВКМКС существенно повлияли на состояние природной среды не только прилегающей территории. Как показывают проведенные исследования, эти последствия отразились на качестве воды р. Камы даже в районе г. Перми: с начала 30-х годов содержание хлоридов в воде увеличилось более чем на порядок (рис. 3.1).
В связи с этим проблема избыточных рассолов калийных предприятий ВКМКС становится наиболее острой проблемой для всего Камского бассейна.
В ближайшие годы планируется существенно расширить разработку месторождений: ведется строительство новых рудников на ОАО «Уралкалий», пришли и начинают освоение месторождения новые крупные компании ОАО «Еврохим» и ОАО «Акрон». Возникает естественный вопрос, как расширение разработки отразится на состоянии окружающей природной среды, и, в первую очередь, на состоянии р. Камы (Камского и Боткинского водохранилищ).