Лаборатория геологии техногенных процессов
Двинских С.А., Максимович Н.Г., Носков В.М., Тихонов В.П. Влияние развития промышленности на природные условия водохранилищ // Физико-географические основы развития и размещения производительных сил Нечерноземного Урала: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм.ун-т.-Пермь,1985-С.79-86. /0,13/
ВЛИЯНИЕ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ
С. А. ДВИНСКИХ, Н. Г. МАКСИМОВИЧ, В. М. НОСКОВ, В. П. ТИХОНОВ
Проблема пресной вода, сохранение ее от загрязнения и истощения приобретает все большее значение. Уже сейчас во многих районах земного шара ощущается острый дефицит пресной воды. В процессе развития промышленного производства и роста производительных сил неуклонно возрастает объем водопотребления и водоотведения. Кроме того, интенсивный рост населения, а также освоение новых месторождений полезных ископаемых приводят к тому, что в зону антропогенного воздействия вовлекаются все новые области. Увеличивается число рек с искусственно измененным стоком. Более напряженным становится водохозяйственный баланс густонаселенных районов, для которых характерны широкое использование местных ресурсов поверхностных и подземных вод. Возникает необходимость их регулирования и рационального использования, что достигается созданием искусственных водоемов. В свою очередь, их создание способствует улучшению водоснабжения, энергообеспеченности, условий судоходства, а, следовательно, — интенсивному развитию промышленности в береговой зоне. Но это развитие вносит изменения в природную среду самого водоема. Так, уже в районе плотин существенно меняются динамика и химический состав подземных вод, что затрудняет эксплуатацию сооружений, а строительство последних определяется природными особенностями района, и, в частности, гидрогеологическими условиями.
Изменение гидрогеологических условий в приплотинной зоне особенно важно учитывать при строительстве плотин на растворимых горных породах, таких как известняки, доломиты, гипсы, ангидриты и др. Возведение напорных сооружений может привести к созданию условий для развития или интенсификации карста. Во-первых, происходит увеличение раскрытия трещин за счет дополнительных напоров, что подтверждается данными Ж. Альберро [13] по наблюдениям на плотине Санта-Роса на р. Сантьяго (Мексика). Во-вторых, увеличение напоров и возрастание скоростей фильтрации пресных вод из водохранилища сопровождается увеличением их агрессивности по отношению к растворимым породам. Сульфатные породы, обладающие значительной растворимостьв, затрудняют строительство. М. Жинью и Р. Барбье [5] отрицают целесообразность возведения плотин на гипсах и ангидритах. Они приводят примеры прекращения строительства многоарочной плотины в Провансе (Франция) после вскрытия гипсовых мергелей. Прекращены изыскания для плотин Риан (Франция) и в местности Альтер Штольберг (ГДР), в зону основания которых входят гипсы. В Пермской области на р. Ирень остановлено строительство небольшой ГЭС (напор 9 м), в основании которой залегают гипсы. Эксплуатация известных в мировой практике плотин с сульфатными породами в основании часто сопровождается катастрофами и авариями. Так разрушилась пятидесятиметровая плотина Сент-Френсис в штате Калифорния (США) в результате растворения гипса в породах основания, погибло 400 человек. В окрестностях Базеля на р. Брис (Швейцария) растворение пластов гипса в основании плотины привело к ее растрескиванию к оседанию [12]. Значительные утечки происходили и на небольшой плотине с гипсоносными породами в основании на р. Осе (приток Ангары) [3].
Проблема строительства гидросооружений на сульфатных породах успешно решена на Камской ГЭС. На глубине 10 м и под подошвой станции гипс встречается в виде прослоев мощностью до 0,5 м, а также в дисперсном состоянии. Содержание его в отдельных пластах достигает 35% (по весу). На глубине 50 м залегают гипсы и ангидриты мощностью более 120 м. Для предотвращения выщелачивания гипса проектом предусмотрены водонепроницаемый понур, цементационная завеса, вертикальный глубинный дренаж.
Многолетние наблюдения за изменением гидродинамических и гидрохимических условий показали, что происходит изменение химического составе подземных вод, которое связано с их опреснением под влиянием фильтрации из водохранилища; растворением гипсов; реакциями катионного обмена [7]. В связи с этим эффективность цементационной завесы со временем уменьшилась, показателем чего является падение напора в 1968 г. на отдельных участках до 2—4% вместо 33% по проекту. Кроме того, невысокая эффективность завесы объясняется и тем, что в трещины шириной менее 0,1 мм не может проникать цементный раствор. В настоящее время для обеспечения нормальной эксплуатации Камской ГЭС производится химическое доуплотнение цементационной завесы щавелевоалюмосиликатным раствором, обладающим высокой проникающей способностью. Такие работы в скальных трещиноватых породах ведутся впервые в отечественной практике.
Химическая завеса существенно меняет природную гидрохимическую обстановку. Это связано, во-первых, с высокими значениями водородного показателя применяемого раствора — 11,2—11,8. Во-вторых, в результате дисперсии раствора на стадии закачки и диффузии из тела завесы интермицеолярной жидкости в подземные воды района попадают такие активные реагенты, как оксалат натрия, силикат натрия [9]. В-третьих, инъекции производятся в химически активные порода — гипсы, известняки, мергели. Уменьшение скоростей фильтрации так же влияет на гидрохимическу обстановку. Создавшиеся новые гидрохимические условия, несомненно, изменяют проницаемость пород. Предварительные исследования показали, что взаимодействие пород основания с постинъекционными растворами даст дополнительный тампонажный эффект [6].
Таким образом, пример Камской ГЭС показывает, что обоснованный учет изменений природных условий на основе тщательных геологических исследований, режимных наблюдений и проведения комплекса инженерно-геологических мероприятий по повышению устойчивости пород позволяет длительное время успешно эксплуатировать напорные гидротехнические сооружения в районах распространения сульфатных пород.
Создание плотин и образование водохранилищ коренным образок меняет естественный режим, который в значительной мере определяет процессы загрязнения. Загрязнение водной массы и побережий водохранилищ возможно при строительстве и эксплуатации сооружений. Антропогенное загрязнение распространено не только в районах промышленных предприятий и больших городов, но и на значительном удалении от них. В условиях водохранилищ основными факторами загрязнения являются: повышение температуры подземных и поверхностных вод; появление в них не свойственных для данной природной обстановки химических элементов; загрязнение побережий промышленными отходами.
В пределах Камского водохранилища наибольшее влияние на качество вод оказывают Пермский и Березниковско-Соликамский промышленные комплексы. Стоки целлюлозно-бумажных комбинатов и предприятий калийной промышленности — основные источники загрязнения. Количество загрязняющих веществ иногда превышает самоочищающую способность водоема. Качество воды ухудшилось постепенно, что было непосредственно связано с развитием промышленности района. Можно отметить зависимость между вводом в строй нового предприятия или сооружения и изменением химического состава вод. Динамику этого процесса можно проследить на примере Березниковского промышленного комплекса.
Здесь при концентрации отходов производства на сравнительно небольшой площади существенно изменились природные условия.
По степени нарушения естественных гидрогеологических условий района можно выделить три этапа в развитии загрязнения поверхностных и подземных вод: 1) естественный режим (до 1941 г.); 2) слабо нарушенный режим (1941—1955 гг.); 3) нарушенный режим (после 1955 г.).
I этап. В естественных условиях, при отсутствии заметного влияния искусственных факторов загрязнения, поверхностные и подземные воды в Березниковском райое в целом пресные, с минерализацией до 1 г/л. Поверхностные водотоки использовались для питьевого и хозяйственного водоснабжения. Только в устьевых частях рек Толыча и Зырянки наблюдалось повышенное содержание хлора, что обусловлено наличием в районе Верхнекамского месторождения калийных солей, старых рассолоподъемных скважин. Грунтовые воды эксплуатировались с помощью неглубоких колодцев в основном для питья и полива огородов. Вода ультрапресная, гидрокарбонатного состава, без цвета и запаха.
II этап. Начало слабо нарушенного режима условно отнесено к 1941 г. Это объясняется увеличением мощности существующих предприятий и пуском нового Соликамского бумажного комбината, что привело к ухудшению качества воды. Подтверждение этого — сокращение видового состава рыбы [II]. До 1944 г. жители города использовали р. Зырянку для хозяйственно-питьевых нужд. С 1944 г. начался сброс в нее сточных вод, содержащих больное количество хлоридов, а в 1951 г. с вводом в эксплуатацию калийного комбината, санитарная ситуация ухудшилась, вода стала не пригодна даже для хозяйственных нужд. Из-за наличия гидравлической cвязи загрязненные грунтовые воды проникают в нижележащий водоносный горизонт, используемый централизованного водоснабжения города. При интенсивном заборе воды из этого горизонта образуются обширные воронки депрессии, в которые вовлекаются загрязненные грунтовые и поверхностные воды.
III этап. Создание водохранилища вызвало разбавление грунтовых вод за счет фильтрации поверхностных вод в берега. Несколько улучшилось их качество, но тенденция загрязнения осталась прежней. В настоящее время степень загрязнения подземных и поверхностных вод несколько выше чем до создания водохранилища.
Неблагополучное положение складывается на территориях промплощадок заводов, где на глубине 3—4 м преобладают щелочные хлоридно-натриевые воды. В 1973, например, вышел из строя водозабор подземных вод в районе Понамаревского лога. Это случилось через три года после пуска предприятия и связано с повышением минерализации вод за счет увеличения концентрации ионов хлора и натрия. Наиболее вероятный источник засоления — утечки рассолов на промплощадке, растворение осевших на поверхности пылеобразных выбросов солей, инфильтрация соленых вод в грунт промплощадки, на территории которой нет противофильтрационных экранов и дренажей, а естественный экран нарушен при планировке.
В июне 1977 г. обнаружено повышение концентрации хлоридов в Верхне-Зыряновском пруду, засоление колодцев, родников, водозаборных скважин в этом районе вследствие распространения загрязнения по грунтовому потоку. Общая площадь зоны засоления примерно 7 км2.
Таким образом, загрязнение поверхностных и подземных вод принимает довольно значительные размеры. Локальные мероприятия по снижению уровня загрязнения, проводимые отдельными предприятиями, не всегда дают желаемый результат. Они направлены на решение частных задач и не могут радикальным образом способствовать изменению сложившейся ситуации. Для этого необходимо объединение усилий всех заинтересованных организаций и решение проблемы загрязнения вод на строго научной, комплексной основе. Такой подход определяется сложностью механизма загрязнения, его многофакторность. Поэтому в районе следует провести специальные гидрогеологические, гидрологические и гидрохимические работы по выявлению особенностей ухудшения, качества вод. Разработка конкретных рекомендаций может быть сделана только при наличии целостной картины, полученной в результате этих исследований.
Кроме химического необходимо учитывать и тепловое загрязнение поверхностных вод, поскольку число тепловых электростанций, сбрасывающих подогретые воды в водохранилища, постоянно возрастает.
В США, например, 75% общего количества тепла, которое поступает в водоемы от промышленных установок, приходится на долю тепловых электростанций, для работы которых ежегодно забирается 10% всего речного стока. Забираемая вода вновь возвращается в водоем, но уже с температурой на 8,4° выше первоначальной. И, как отмечает Ю. Деллейр, к началу 80-х годов в США для охлаждения энергоустановок будет использоваться 20% речного стока [4].
У нас в стране многие тепловые электростанции сбрасывают воды в водохранилища: Конаковская ГРЭС — в Иваньковское, Прибалтийская ГРЭС — в Нарвское, Костромская — в Горьковское водохранилище и др.
Камское водохранилище также будет подвержено тепловому загрязнению. В районе г. Добрянка сооружается Ново-Пермская ГРЭС мощностью 4,8 млн. кВт. Температура сбрасываемой воды по проекту будет на 5—8 выше температуры забираемой воды, а расход сбросных вод составляет довольно значительную величину — 120—140 м3/с. Это может нарушить естественный термический режим водохранилища.
Тепловое загрязнение оказывает многостороннее влияние на водоемы. Прежде всего, ускоряется процесс евтрофикации, что способствует чрезмерному развитию водной растительности и микроорганизмов, вследствие чего увеличивается продукция биомассы. Изменение термического режима водохранилища повлияет на миграцию рыб, на время их подхода на нерест, на длительность развития икры, поскольку для развития каждого вида рыб необходима определенная температура водя [10] и даже повышение температуры воды ускоряет развитие икры только до определенного предела. При составлении рыбохозяйственных прогнозов необходимо учитывать не только современное состояние термического режима, но и его возможные изменения в связи со строительством новых промышленных объектов.
Другим следствием сброса теплых вод явится отсутствие ледостава в зимний период на акватории в районе г. Добрянки и появление незамерзающей полыньи ниже по течению. При этом увеличится приток кислорода из атмосферы в воду и не будет заморных явлений зимой. Повышение температуры воды приведет к увеличению испарения с водной поверхности, а следовательно, и к значительному увеличению повторяемости туманов испарения. По результатам исследований Е. Б. Бравой, Т. П. Ковалевой [1], температура воды и воздуха при тумане хорошо коррелируется. Для Добрянки коэффициент корреляции этой связи будет равен 0,91. Следовательно, в случае повышения температуры воды на 5°С, число дней с туманами в месяц возрастает в период ледостава от 39 до 45%. Осенью повторяемость туманов увеличится на 37—65%, т.е. в сентябре ожидается до 23 дней с туманами, в октябре — 12 дней и в ноябре — 13 дней. При повышении температуры воды в пределах 5—10°С повторяемость туманов будет еще больше. Осенью — до 25 дней в месяц, от 16 дней в июне и до 23 в июле. Увеличение повторяемости туманов в навигационный период вызовет затруднения в продвижении судов на данном участке водохранилища.
Рассмотренный пример подтверждает положение о том, что «масштабы хозяйственной деятельности, специфика современных технологических процессов, применяемых в промышленности, ... делают необходимыми специальные мероприятия по охране окружающей среды» [8].
Выявление влияния развития промышленности на природную среду предполагает:
1) изучение естественных процессов и условий, на фоне которых происходит развитие промышленности;
2) изучение факторов, вызывающих изменение естественных природных условий, механизма их действия. В пределах таких сложных искусственных объектов, как водохранилища, необходимо на научной основе выделение этапов изменения окружающей среды с учетом всех факторов;
3) разработку научно обоснованных рекомендаций по снижению отрицательного влияния промышленности на природную среду.
Литература
1. Бравая К.Б., Ковальская Т.П., Куликова С.Х. Образование туманов испарения в естественных условиях и после сброса теплых вод. - В кн.: Методы расчетов прогнозов водных и климатических ресурсов. Пермь, 1978, с.100-105.
2. Вайсман Я.И. Гигиенические вопросы водоснабжения г. Березники в связи с развитием химической промышленности. - Гигиена и санитария, 1965, № 7, с.34-39.
3. Гвоздецкий Н.А. Карст. М.: Географгиз, 1954, с.73.
4. Деллейр Ю. Проблемы теплового загрязнения водоемов. -Гражданское строительство, 1971, т.40, № 9, с.33-40.
5. Жинью М., Барбье Р. Геология плотин и гидротехнических сооружений. - М.: Госстройиздат, 1961.
6. Максимович Н.Г., Сергеев В.И. Влияние химического инъекционного закрепления на устойчивость гипса в основании гидротехнических сооружений. - Гидротехническое строительство, 1983, № 7, с.30-32.
7. Маменко Г.К. Камская плотина на р.Каме. - В кн.: Геология и плотины. М.: Энергия, 1967, с.9-39.
8. Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976-1980: Материалы ХХУ съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1976.
9. Сергеев В.И., Евдокимова Л.А., Воронкевич С.Д. К вопросу о контроле интенсивности растворения гипса в основании Камской ГЭС. - В кн.: Карст Нечерноземья. Пермь, 1980, с.87-88.
10. Суворов Е.К. Основы ихтиологии. - М.: Советская наука 1948. - 579 с.
11. Таусон А.О. Водные ресурсы Пермской области. - Пермь, 1947, с.162.
12. Терцаги К. Инженерная геология. - Москва, Ленинград. Новосибирск, 1934, с.173-175.
13. Alberro J. Filtraciones en la cimentacion de la presa Santa Rosa. - Recur. hidraul, 1977, 6 #1, p. 72-78 Eoea.-Becur. hidraul, 1977,6 E 1, p.T2-T8.
|
|
|
