Исследование устойчивых вертикальных плотностных структур, формируемых в водных объектах в зонах активного техногенеза
Автор: Янина Николаевна Паршакова
Соавторы: Т.П. Любимова, В.Ю. Колчанов, А.П. Лепихин, Ю.С. Ляхин, А.В. Богомолов, А.А. Тиунов
Организация: Институт механики сплошных сред УрО РАН
Активное освоение Верхнекамского месторождения калийных и магниевых солей (Россия) привело к тому, что в зону его влияния попадают не только водотоки - приемники сточных вод, но и водные объекты, на которые не оказывается прямого техногенного воздействия. Данное влияние из-за высокой плотности рассолов, носит катастрофический характер с экологической точки зрения, поскольку не фиксируется в рамках традиционного производственного мониторинга. Содержания макрокомпонентов в воде существенно неоднородно по глубине и характеризуется наличием резкого скачка плотности. Концентрация солей в придонном горизонте более чем на порядок превышает их содержание в приповерхностном слое. Такая картина наблюдается при наличии фильтрационных разгрузок подземных вод в придонной области.
Ситуация значительно усложняется тем, что во время весеннего половодья и при прохождении дождевых паводков менее минерализованные, пресные воды «скользят», не смешиваясь с более «плотными» водными массами, расположенными ниже слоя плотностного скачка. Поэтому эффективность «промывки» этих водоемов существенно снижается. Так как забор воды на производственные цели, как правило, производится из придонных горизонтов, то данная стратификация создает серьезные проблемы с обеспечением устойчивого водоснабжения производственных объектов.
Для решения данных прикладных задач было проведено исследование формирования устойчивых плотностных структур на примере Верхне-Зырянского водохранилища (Россия, Пермский край), являющегося основным источником технического водоснабжения БКПРУ-2 и БКПРУ-4 ПАО УралКалий. Работа выполнялась на основе сопряжения натурных полевых исследований и вычислительных экспериментов, выполненных на основе построения гидродинамических моделей в 2D и 3D постановках. Проведенные наблюдения показали, что данный водный объект характеризуется значительной вертикальной неоднородностью по минерализации. Минерализация воды в придонном горизонте практически на порядок превышает ее содержание в поверхностном слое. Граница раздела водных масс в зимний период повышается на ~0.5 м, а весной снижается. Проведенные вычислительные эксперименты показали, что при принятой конструкции водопропускного устройства на плотине водохранилища не может проходить эффективной промывки водохранилища при пропуске даже высоких весенних паводков. Свежая весенняя неминерализовавшая вода практически не замещает более минерализованную воду из придонных слоев. Действующие нормативно методические документы не предусматривают учет стратификационных эффектов как при оценке надежности систем водоснабжения, так и при организации мониторинга водных объектов. Для увеличения устойчивости водоснабжения БКПРУ-4, необходимо изменение конструкции оголовок водозабора, а именно, увеличение его по высоте для забора воды из приповерхстных горизонтов.
