Методы гидродинамического обоснования водоохранных мероприятий в районе ликвидируемых горнодобывающих предприятий: На примере Межозерного рудника Южного Урала

Актуальность проблемы. Уральский регион является территорией, длительное время испытывающей интенсивное воздействие предприятий горнодобывающего профиля. В течение продолжительного периода разработка полезных ископаемых осуществлялась под защитой дренажа при понижении уровня подземных вод на сотни метров. Хозяйственное освоение прилегающих территорий ориентировалось именно на эту эколого-гидрогеологическую обстановку. В последние десятилетия сложившееся равновесие нарушено. В связи с изменившейся экономической конъюнктурой и истощением запасов происходит массовое закрытие горнодобывающих предприятий. Это коренным образом изменяет складывавшуюся до этого десятилетиями или даже веками гидродинамическую и гидрохимическую обстановку в густонаселенных районах. Прекращение водоотлива, затопление карьеров и шахт приводит к формированию техногенных водоемов объемом миллионы кубометров кислых водподтоплению ранее освоенных прилегающих территорийзагрязнению подземных и поверхностных вод. Развитие негативных процессов в районе ликвидируемых горнодобывающих предприятий должно быть контролируемым и управляемым. Управление гидродинамической обстановкой и оптимизация экономической и экологической эффективности водоохранных мероприятий в подобных ситуациях является важнейшей составляющей при экологических исследованиях, геоэкологическом мониторинге, проектировании, разработке оптимальной экономической схемы развития территории. Методология такого оперативного управления еще только формируется.

Цель работы. Разработка методов гидродинамического обоснования водоохранных мероприятий в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий. Решение задач краткосрочной эколого-экономической оптимизации водоохранных мероприятий. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Проанализированы постановка и методы решения задач оптимизации и оценки риска в гидрогеологических и геоэкологических исследованиях.

2. Проанализированы гидрогеологические и экологические особенности динамики развития негативных природно-техногенных процессов в области воздействия ликвидируемых горнодобывающих предприятий Южного Урала.

3. Для обоснования инженерных мероприятий и прогноза изменения гидрогеоэкологической ситуации построены и верифицированы математические модели: а) области гидродинамического влияния типичного ликвидируемого горнодобывающего предприятияб) оптимизации работы вертикального дренажа и оперативного управления режимом подземных вод при борьбе с подтоплением территорий в зоне влияния ликвидируемых горнорудных предприятий с учетом экологических критериев и ограничений.

4. Разработана методика оценки эколого-экономической эффективности водоохранных мероприятий при борьбе с подтоплением для ликвидируемых горнодобывающих предприятий Южного Урала.

5. Обоснованы инженерные мероприятия (режим работы, количество и расположение дренажных скважин, регламент управления уровнями техногенных водоемов) по предотвращению развития неблагоприятных природно-техногенных процессов в зоне гидродинамического воздействия ликвидируемого горнодобывающего предприятия. Научная новизна заключается в том, что.

1. Предложена методика обоснования водоохранных мероприятий в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий Южного Урала, базирующаяся на математическом моделировании и решении задач оптимизации.

2. Разработан метод численного моделирования нестационарного функционирования техногенных водоемов. Обоснованы способы и приемы схематизации в широко используемых системах моделирования геофильтрации.

3. Предложены критерий (целевая функция) и ограничения (экологические и технические) для оценки эффективности работы вертикального дренажа методами математического программирования.

4. Разработаны алгоритмы численно-аналитических решений уравнения нестационарной фильтрации для типовых расчетных схем, позволяющие решать задачи оптимизации и оперативного управления режимом подземных вод.

5. Обоснованы принципы работы системы оптимального управления режимом подземных вод для объекта исследований, предложен алгоритм работы автоматизированной системы управления.

Защищаемые положения диссертационной работы могут быть сформулированы в следующем виде:

1. Методика обоснования, прогнозирования и оптимизации водоохранной деятельности в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий включает: решение методами численного моделирования задач вариантной оптимизации и управления потенциально опасными объектами (техногенные водоемы и водоносные горизонты), решение задачи оперативного управления работой вертикального дренажа.

2. Основным этапом создания геофильтрационной модели ликвидируемого горнорудного предприятия является воспроизведение всей гидродинамической истории освоения месторождения с учетом формирования техногенных водоемов. • изменения инфильтрационного питания и фильтрационных параметров.

3. Влияние техногенных водоемов учитывается как изменяющееся во времени внутреннее граничное условие. Балансовые составляющие взаимодействия водоносного горизонта и водоема определяются путем численного решения системы уравнений в частных производных и интегро-дифференциального уравнения.

4. Эффективная защита от подтопления, латентного загрязнения поверхностных вод. основывается на управлении уровенным режимом техногенных водоемов и работой вертикального дренажа. Для оперативного управления работой вертикального дренажа используется оптимальное решение, основанное на экономическом критерии при эколого-технических ограничениях.

Объектом исследования является область гидродинамического влияния Межозерного рудника (Верхнеуральская рудная зона — Учалинский ГОК, Южный Урал, бассейн реки Урал). Рудник эксплуатировал медно-колчеданные месторождения, которые в 1956;1982 годах отрабатывались карьерами Объединенный, Юго-Восточный и Золоторудный, глубиной 160, 130 и 50 метров, соответственно, под защитой законтурного дренажа. В настоящее время карьер Юго-Восточный засыпан вскрышными породами. Объединенный затоплен водой до дневной поверхности, Золоторудный используется в качестве шламоотстойного пруда. Нижние этажи месторождения в настоящий момент отрабатываются шахтой. В области, примыкающей к карьерам, отсыпаны отвалы пустых пород площадью 2,2 км², средней высотой 25 м. Здесь сформировался техногенный водоносный горизонт, ресурсы которого формировались за счет поглощения атмосферных осадков, а начиная с 1995 года, после достижения критических отметок в затопленных карьерах, за счет перетекания из них. В результате радикально изменилась гидродинамическая обстановка, произошло подтопление прилегающих территорий, на порядок увеличился расход кислых подотвальных вод. В районе сложилась ситуация, которая может привести к техногенной катастрофе.

Практическая значимость. Построена представительная геофильтрационная модель объекта исследований, позволившая воспроизвести историю освоения месторождения и обосновать комплекс экстренных мер, направленных на снижение объема кислых вод. циркулирующих в затопленном карьере, шламоотстойнике и техногенном водоносном горизонте отвалов. Оценена краткосрочная эколого-экономическая эффективность работы вертикального дренажа при борьбе с подтоплением, предложен оптимальный режим управления дренажными системами. Разработана рациональная схема водоохранных действий в области влияния потенциально опасных объектов.

Разработанные методы могут быть распространены на объекты-аналоги Уральского региона. Применение предложенного подхода позволяет: повысить достоверность прогноза изменения ситуации в области гидродинамического влияния горнодобывающих предприятий после завершения отработкиразработать комплекс экономически эффективных водоохранных мероприятий для селитебных и сельскохозяйственных территорийобосновать стратегию предотвращения техногенных аварийвыбрать оптимальную схему водоохранной деятельности для территорий, в пределах которых необходимо проведение осушительных мероприятий при многофакторном антропогенном воздействии.

Реализация результатов. Обоснованные в работе рекомендации по водоохранным мероприятиям, принципы оптимизации работы дренажных систем были учтены при разработке проекта институтом УНИПРОМЕДЬ и к настоящему времени частично реализованы Учалинским ГОКом.

Апробация работы. Основные положения работы освещены в 6 печатных работах. Результаты исследований докладывались на Годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002) — пятом международном конгрессе «Вода: экология и технология» — «Экватэк-2002» (Москва, 2002) — международной научной конференции «Экологические проблемы мелиорации» (Москва, 2002).

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 171 страница состоит из введения, четырех глав и заключения, проиллюстрирована 76 рисунками, содержит 12 таблиц и включает 3 приложения.

Список литературы

состоит из 126 наименований.

Выводы по разделу.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1) Предложенная методика решения задач экспертной экономической оптимизации и оперативного оптимального управления работой вертикального дренажа при осушении селитебных и сельскохозяйственных территорий является универсальным средством оценки экономической эффективности водоохранных мероприятий, как на стадии проектирования, так и при внесении изменений в режим работы уже существующих дренажных сооружений.

2) Использование известных аналитических решений уравнения фильтрации как основы для построения математических моделей при решении задач оптимизации и оптимального управления работой вертикального дренажа является обоснованным на данном этапе исследований по следующим причинам.

Во-первых, при использовании современных математических пакетов (таких как система компьютерной алгебры МаШетаПса,) процедура решения задачи геофильтрации для конкретной схематизации предельно упрощается, требуя минимума данных и времени.

Во-вторых, при использовании рассмотренных математических моделей существует возможность определения чувствительности модели и проверки соблюдения граничных условий.

В-третьих, при использовании данного вида математических моделей, возможно явное решение оптимизационных задач, в то время как решение оптимизационных задач для процесса, описываемого уравнениями в частных производных с неявной целевой функцией, является достаточно сложной процедурой.

3) Предложенные нами критерии эффективности при решении задач оптимизации и б урсеень м.

Рис. 4.33. Графики понижения уровня в наблюдательной скважине для управляемого режима и неуправляемых оптимальных режимов для минимально и максимально возможного времени откачки.

5 УрДХНа М.

Рис. 4.34. Графики понижения уровня в наблюдательной скважине Бп2 для управляемого режима и неуправляемых оптимальных режимов для минимально и максимально возможного времени откачки управления работой вертикального дренажа, основанные на определении экономической целесообразности, позволяют реализовывать природоохранные мероприятия с соблюдением экологических требований при минимальных расходах. В работе рассмотрено решение задач с достаточно сложной конфигурацией начальных и граничных условий, учитывающих инфильтрационное питание, наклон пласта и т. д. Следовательно, алгоритмы решения задач оптимизации и управления являются достаточно универсальными для решения подобного типа задач при использовании в менее сложных гидрогеологических условиях.

4) Ограничивающим фактором применения авторских разработок является существенное упрощение при схематизации природных условий, связанных с необходимостью использования аналитических решений уравнения фильтрации (предположение о постоянстве по площади фильтрационных и емкостных характеристик, упрощение структуры потока).

5) Реализация предложенной методики на объекте исследования позволит: а) В кратчайшие сроки с максимальной экономической эффективностью ликвидировать опасную ситуацию с подтоплением населенного пункта на основе результатов решения оптимизационной задачи для селитебных территорий.

6) Поддерживать УГВ на необходимой отметке при минимуме расходов на протяжении определенного срока эксплуатации с помощью разработанной системы оперативного оптимального управления. в) Ликвидировать опасное состояние (в течение года, до начала вегетационного периода), связанное с высокой вероятностью развития засоления земель из-за положения УГВ, и, следовательно, увеличить урожайность рассматриваемой территории на рассматриваемый промежуток времени на основе решения оптимизационной задачи для земель сельскохозяйственного назначения при использовании модифицированного критерия эффективности (изменении параметров, определяющих доход — доходная часть строго ограничена по времени и зависит от выращиваемой культуры). г) С использованием системы оптимального управления положением уровня подземных вод получить максимальную ежегодную прибыль от использования земель, поддерживать территорию в максимально экономически целесообразном защищенном от подтопления состоянии в течение необходимого времени, для сельскохозяйственных угодий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1) Район исследований может рассматриваться как типичный объект при разработке методов обоснования водоохранных мероприятий в области влияния ликвидированных горнодобывающих предприятий. Актуальность разработки экстренных водоохранных мероприятий диктуется необходимостью уменьшения расхода разгрузки кислых подоотвальных вод, предотвращения развития процесса подтопления территорий прилегающих к источникам техногенного воздействия (затопленным карьерам и отвалам).

2) Разработка комплекса водоохранных мероприятий, направленных на снижение негативного вляиния ликвидируемых горнодобывающих предприятий основывается на применении предложенной автором комплексной методики оптимизации и управления водоохранными мероприятиями. Методика включает: прогноз изменения гидродинамической ситуации на объектах — источниках неблагоприятной обстановки (техногенных водоемах и техногенных водоносных горизонтах отвалов) при различных инженерных мероприятияхобоснование мероприятий по ликвидации и предотвращению опасных процессов, вызванных воздействием затопленных карьеров и отвалов (подтопления сельхозугодий и селитебных территорий) — оценку экономической эффективности водоохранных мероприятий.

3) Для достоверного прогноза изменения гидродинамической ситуации в области влияния ликвидируемых горнодобывающих предприятий необходима реконструкция всей гидродинамической истории разработки ими месторождений полезных ископаемых по опорным временным периодам режима подземных вод. При этом в качестве опорных стационарных рассматриваются периоды: стабилизации дебита карьерного дренажа, стабилизации уровня воды в техногенных водоемах, стабилизации расхода разгрузки подоотвальных вод, в качестве нестационарных периоды, характеризующиеся увеличением объемов воды в системе техногенный водоносный горизонт — затопленные карьеры.

4) При модельном воспроизведении нестационарного заполнения техногенных водоемов возникает методическая проблема, связанная с отсутствием во многих численных моделях геофильтрации (например, Ш вБ Мос1Р1оу) корректной математической схематизации процесса. В таком случае моделирование нестационарного функционирования техногенного водоема осуществляется с помощью замены водоема участком водоносного горизонта со специально заданными фильтрационными параметрами. Доказана непротиворечивость такого подхода путем решения серии тестовых задач в различных системах — с применением вышеописанной схематизации в модели 118 вБ Мос1Иоу и численным моделированием с помощью авторской программы.

5) Решением вариантных прогнозных задач с помощью численного моделирования показано, что оптимальным вариантом снижения экологической опасности, связанной с ростом объема разгрузки подоотвальных вод на объекте исследования, является строительство нового шламоотстойного пруда и новой станции нейтрализации за пределами водосборной площади реки Узельга. При этом до окончания строительства отметка воды в Шламоостойный пруду не должна превышать 517 м. В период строительства свободные мощности станции нейтрализации должны использоваться для очистки и последующего сброса за пределы водосборной площади воды из карьера Объдиненный. Реализация предложенных мероприятий позволит значительно снизить расход разгрузки подоотвальных вод до 1 ООО — 1 500 м3/сут.

6) Решение задач оптимизации и управления работой вертикального дренажа должно базироваться на применении эколого-экономического критерия эффективности, при ограничениях, учитывающих, в зависимости от типа решаемых задач, режим уровня грунтовых вод, необходимую площадь осушенной территории, допустимое понижение уровня подземных вод.

7) Применение предложенной системы управления глубиной залегания уровня подземных вод позволяет обосновать режим работы дренажных сооружений после достижения необходимого эффекта. Методы прогнозирования работы системы управления обеспечивают возможность учета изменения водохозяйственной ситуации и поддержания уровня подземных вод на необходимой глубине залегания для территорий различного типа использования с минимизацией расходов на ее содержание.

Задачи дальнейших исследований:

1) Разработка математического аппарата и приемов схематизации, позволяющих решать задачи управления режимом техногенных водоемов с применением методов математического программирования,.

2) Адаптация разработанного алгоритма оптимизации и управления работой вертикального дренажа при борьбе с подтоплением для использования в системах численного моделирования геофильтрации.