Способ ограничения миграции загрязнений в подземных водоносных горизонтах

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации водозаборов подземных вод, подземных хранилищ жидких и твердых отходов промышленных предприятий, в том числе и радиоактивных, и в ряде других случаев, при которых требуется проведение водоохранных мероприятий. Способ включает сооружение дренажной системы и откачку из нее подземных вод для перехвата их потока, проходящего через загрязненный участок водоносного горизонта. Новым является то, что перехват потока ведут перед вхождением его в загрязненный участок, а проводимую для этого откачку подземных вод из дренажной системы ведут так, чтобы их уровень в этой системе оставался бы выше уровня воды в нижерасположенном по потоку подземных вод от участка загрязнения реки водозаборе, естественном или искусственном. Кроме того, откачку подземных вод ведут в режиме, исключающем смещение образованной в результате откачки точки раздела потока подземных вод внутрь участка загрязнений. Технический результат: обеспечение практически полного перехвата подземных вод, поступающих в загрязненную зону, сохранение ресурсов подземных вод. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации водозаборов подземных вод, подземных хранилищ жидких и твердых отходов промышленных предприятий, при разработке и реализации проектов консервации и ликвидации подобных хранилищ и в ряде других случаев, требующих проведения водоохранных мероприятий.

Известны многочисленные аналоги локализации и ограничения миграции загрязнений в подземных водоносных горизонтах. Примером одного из этих аналогов может служить "Способ локализации загрязнений в водоносных горизонтах", изложенный в описании изобретения к патенту РФ N 2039230 от 09.07.95 г.

По этому способу локализация загрязнений достигается путем искусственного повышения сорбционной способности пород водоносного горизонта на пути движения загрязненных подземных вод. Для этого производится обработка пород пластовой водой, насыщенной углекислым газом. При достижении загрязненных вод обработанного участка водоносного горизонта происходит выпадение из них наиболее токсичных загрязнителей.

Недостатками этого способа являются сложность операций по обработке пород и, главное, избирательность осаждения токсичных элементов. Например, могут быть сорбированы токсичные металлы, но сопутствующие им анионы останутся в пластовой воде. Кроме того, при высоких концентрациях загрязнителей этот способ становится малоэффективным, поскольку возможность повышения сорбционной емкости пород ограничена определенным пределом.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению и поэтому принимаемый за прототип является способ ограничения продвижения загрязнений по водоносному пласту, включающий сооружение перехватывающей эти загрязнения дренажной системы и откачку по ней загрязненных подземных вод (см. Бочевер Ф. М. , Лаптин И.Н., Орадовская А.Е., Защита подземных вод от загрязнений. М. , Недра, 1979, с.154-155). По этому способу перехватывающая система располагается между очагом загрязнения и расположенным ниже по потоку подземных вод водозабором, рекой или другим защищаемым объектом.

Основной недостаток этого способа связан с возникновением проблем использования и очистки откачиваемых загрязненных подземных вод, поскольку дальнейший их сброс в фильтрующие земляные емкости или реки без соответствующей очистки недопустим. Устройство же очистных сооружений существенно увеличивает стоимость способа. Существенным недостатком этого способа является также необходимость откачки вместе с загрязненными водами большого количества чистых подземных вод, многократно превышающих по объему загрязненные. Подземные воды, часто имеющие хорошие питьевые качества, в результате смешения при откачке с загрязненными становятся непригодными для хозяйственного использования.

Задачей изобретения является создание простого и надежного способа ограничения миграции всех загрязнителей из очага загрязнения в водоносном горизонте с обеспечением возможности использования на хозяйственные нужды подземных вод, проходящих через загрязненный участок водоносного горизонта.

Решение этой задачи достигается в способе, сущность которого выражается в следующей совокупности и последовательности проведения операций.

Заявленный способ ограничения миграции загрязнений в подземных водоносных горизонтах, включает в себя сооружение дренажной системы и откачку из нее подземных вод для перехвата их потока, до проведения откачки проходящего через загрязненный участок водоносного горизонта, при этом согласно изобретению перехват потока ведут перед его вхождением в загрязненный участок.

При этом целесообразно также откачку подземных вод из дренажной системы вести так, чтобы их уровень в этой системе оставался бы выше уровня воды в водозаборной искусственной или естественной системе, расположенной ниже по потоку подземных вод от участка загрязнения.

Кроме того, откачку подземных вод ведут в режиме, исключающем смещение образованной в результате откачки точки раздела потока подземных вод внутрь участка загрязнения.

Как следует из описания сущности изобретения первым и основным его отличием от прототипа является перехват потока подземных вод перед его вхождением в загрязненный участок водоносного горизонта. По прототипу же перехватывается исходящий из этого участка поток, т.е. поток вод, ставшими загрязненными после их прохождения через загрязненный участок.

При таком решении задачи ограничения миграции загрязнений в водоносном горизонте, когда перехватывающее устройство располагается выше по потоку подземных вод от загрязненного участка, появляется возможность существенно снизить скорость фильтрации подземных вод через этот участок, оказывающийся в этом случае в застойной зоне. Теоретически, при использовании принятых в гидрогеологической практике методов расчета движения подземных вод (см. например Основы гидрогеологических расчетов, Ф.М.Бочевер, И.В.Гармонов, А.В. Лебедев, В.М.Шестаков, М., Недра, 1969, с.237-239), скорость фильтрации подземных вод через загрязненный участок может быть снижена до нуля. Соответственно снижению скорости фильтрации снижается также и скорость миграции всех токсичных элементов, находящихся в зоне загрязнения, благодаря чему и достигается защита от них нижерасположенных по потоку подземных вод хозяйственных и природных объектов (водозабор подземных вод, реки и др.).

К положительному следствию основного отличительного признака заявленного изобретения относится также возможность использования откачиваемых из дренажной системы подземных вод на хозяйственные нужды. Ресурсы подземных вод оказываются сохраненными и направленными на полезное использование в отличие от прототипа, когда эти ресурсы оказываются не только потерянными, но и наносящими определенный ущерб окружающей среде.

Другим отличительным признаком заявленного изобретения является проведение откачки подземных вод из перехватывающей дренажной системы так, чтобы их уровень в этой системе не становился бы ниже уровня воды в нижерасположенной по потоку подземных вод от участка загрязнения водозаборной искусственной или естественной системе. Выполнение этого условия практически гарантирует при наступлении установившегося режима движения подземных вод и их малым инфильтрационным питанием устранение возможности подтока к перехватывающей системе загрязненных вод из очага загрязнения. Отсутствие такого подтока обеспечивает постоянство качества откачиваемых подземных вод.

Третьим отличительным признаком изобретения является проведение откачки подземных вод из перехватывающей системы в режиме, при котором точка раздела потока подземных вод, направленных от нее к перехватывающей дренажной системе и в противоположную сторону, располагалась бы между этой системой и ближайшей к ней границей участка загрязнения, т.е. находилась бы вне этого участка и выше от него по потоку подземных вод. Это ограничительное условие для работы перехватывающей дренажной системы также, как и предыдущее, обуславливает возможность добычи незагрязненных подземных вод для случаев, когда условие работы с более высоким уровнем в ней, чем в нижерасположенной дрене, является недостаточным.

К таким случаям относятся работа перехватывающей системы в первый период с неустановившимся режимом движения подземных вод, работа в водоносном горизонте, с заметной инфильтрационной подпиткой, подземного потока и некоторые другие случаи.

В период с неустановившимся режимом движения подземных вод, возникающим сразу после пуска в работу перехватывающей дренажной системы и продолжающимся до сработки упругих запасов напорного водоносного горизонта (или емкостных запасов для грунтового, безнапорного горизонта), находящихся между этой системой и нижерасположенной дреной, при резком снижении уровня воды в этой системе до уровня воды в дрене может возникнуть движение подземных вод от участка загрязнения к перехватывающей системе с соответствующим загрязнением откачиваемой воды. Для исключения подобного движения необходимо вести откачку в режиме медленного снижения уровня с контролем положения точки раздела потока, удерживая ее с этим режимом от вхождения внутрь загрязненного участка, т. е. от места откуда может начаться движение загрязненных вод к перехватывающему водозабору.

Работа перехватывающей системы в водоносном горизонте с заметным инфильтрационным питанием, особенно на участке этого горизонта, расположенном между этой системой и очагом загрязнения, и с понижением в ней уровня подземных вод не ниже, чем в нижерасположенной дрене, может оказаться недостаточно эффективной по следующим причинам. Во-первых, это инфильтрационное питание, поступая к очагу загрязнения, вызывает в нем движение подземных вод и соответственно загрязнителей к нижерасположенным защищаемым объектам. Во-вторых, перехватывающая система, если снизить в ней уровень откачиваемых подземных вод, могла бы перехватить и поток инфильтрационных вод, уменьшая тем самым миграцию загрязнителей и повышая свою производительность.

Поэтому для случая с инфильтрационным питанием вод более эффективной оказалась бы работа перехватывающей системы с понижением в ней уровня воды ниже уровня в нижерасположенном защищаемом объекте. Насколько низкое положение может занять уровень в перехватывающей системе будет определяться в зависимости от конкретных гидрогеологических условий территории вокруг участка загрязнения. Но в любом случае водозабор из перехватывающей системы незагрязненных подземных вод контролируется положением точки раздела потоков, что и фиксируется в третьем отличительном признаке изобретения.

Заявленный способ иллюстрируется чертежом, на котором видны линии тока 1 подземных вод, наблюдаемые до пуска в работу перехватывающей дренажной системы; линии тока 2 подземных вод при работе перехватывающей системы; контур 3 перехватывающей дренажной системы; точка раздела 4 потоков подземных вод; загрязненный участок 5 водоносного горизонта; контур естественной или искусственной водозаборной системы 6 (защищаемый объект).

Выполнение способа поясняется на следующем примере. Известно, например, хранилище жидких радиоактивных отходов горно-химического комбината, образованное в результате закачки технологических и нетехнологических отходов этого комбината в пористые песчано-глинистые породы, находящиеся на глубинах 180-500 м (см. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П. П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов - М.: ИздАТ, 1994, с.197-225). В 500 - метровой толще осадочных отложений здесь выделено три водоносных комплекса, в два нижних из которых производится в течение около 30 лет закачка радиоактивных отходов для их долговременного хранения, практически до снижения их радиоизлучения к уровню безопасного обращения с ними.

За время закачки отходов образовалась в этих комплексах зона загрязнения общей площадью приблизительно 3 км², медленно дрейфующая вместе с потоком подземных вод в этих комплексах в сторону их разгрузки, к естественным дренажным системам. Ближайшей естественной дреной, в которую происходит частичная загрузка вод этих комплексов, является река Тель, находящаяся в 4,5 км севернее центральной части зоны загрязнения.

По прогнозным расчетам достижение этой дрены загрязненным потоком подземных вод произойдет значительно позже снижения радиоизлучения содержащихся в них радионуклидов до безопасного уровня (приблизительно через 1000 лет). Несмотря на это целесообразно с целью обеспечения дополнительных гарантий уменьшения скорости миграции загрязнений, сохранения ресурсов подземных вод и повышения действительности контроля за состоянием окружающей среды построить и пустить в работу водозабор, перехватывающий поток подземных вод, проходящий через загрязненный участок водоносных комплексов.

Для этого, согласно изобретению, перехватывающий водозабор (перехватывающая дренажная система) может быть устроен в 3 км южнее зоны загрязнения и состоять из линейного ряда из 8-10 скважин, по 4-5 скважины на каждый водоносный комплекс, с общей протяженностью этого ряда 2-3 км. При откачке подземных вод из этих скважин со средним понижением их уровня вдоль линейного ряда на 50-60 м, т.е. до отметки уровня воды в реке Тель, суммарный дебит этих скважин составит приблизительно 2500 м³/ сутки. Точка раздела потоков подземных вод окажется расположенной в этом случае в 2 км севернее линейного ряда дренажных скважин.

Откачка с этим дебитом обеспечивает практически полный перехват подземных вод, поступающих в загрязненную зону, и, в том числе, инфильтрационных вод, поступающих на участок между линейным рядом и южной границей зоны загрязнения. В результате этого перехвата скорость движения загрязненных вод снижается до 0,5-1,0 м/год, т.е. становится приблизительно в 10 раз меньше, чем до пуска в работу перехватывающей дренажной системы. Кроме того, сохранены и получают полезное использование ресурсы подземных вод, которые в противном случае оказались бы утраченными. При этом объем откачиваемых подземных вод может полностью обеспечить потребности комбината в воде для технических и хозяйственно-бытовых целей.

Формула изобретения

1. Способ ограничения миграции загрязнений в подземных водоносных горизонтах, включающий сооружение дренажной системы и откачку из нее подземных вод водоносного горизонта, отличающийся тем, что откачку подземных вод водоносного горизонта ведут выше загрязненного участка по потоку подземных вод.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при откачке подземных вод их уровень в дренажной системе поддерживают выше уровня воды в водозаборной искусственной или естественной системе, расположенной ниже по потоку подземных вод.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что откачку подземных вод ведут в режиме, исключающем смещение точки раздела их потока внутрь участка загрязнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1