Компьютерная модель создания биогеобарьера для сохранения складированных отходов рудообогащения
С.П. Месяц, заведующий лабораторией;
С.П. Остапенко, к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук» (ГоИ КНЦ РАН)
При некомплексной переработке минерального сырья значительная часть его складируется в виде отходов рудообогащения, в большинстве случаев по содержанию полезных компонентов, относящихся к техногенным месторождениям. Неиспользуемые отходы – это не только огромный ущерб, наносимый природной среде, но и безвозвратно теряемые в результате ветровой и водной эрозии минеральные ресурсы. В статье представлена компьютерная расчетно-аналитическая модель прогнозирования скорости формирования биогеобарьера для сохранения складированных отходов рудообогащения.
ВГоИ КНЦ РАН разработана технология формирования биогебарьера для сохранения техногенных месторождений с целью их последующего освоения образованием биологически активной среды в результате создания сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя в соответствии с концепцией естественного почвообразования, согласно которой почва является продуктом взаимодействия материнской (горной) породы, биоты, климата, рельефа и времени [1].
Складированные отходы, выступающие в роли материнской породы, представляют собой мелкодисперсный материал, самозарастание которого не происходит из-за бесструктурности и малой водоудерживающей способности – основных причин проявления ветровой и водной эрозии, а также полного отсутствия органического вещества.
Создание сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя на первом этапе формирования биогеобарьера обеспечивает поступление растительных остатков, которые служат началом трофических цепей, и инициирует миграцию химических элементов в биогеохимическом круговороте, являющемся главным механизмом самоорганизации природных ландшафтов. Включение в состав травосмесей однолетней покровной культуры уже в первый год обеспечивает поступление большого количества растительных остатков и прекращение ветровой и водной эрозии.
Эволюционно закрепленное свойство растений избирательно поглощать химические элементы, необходимые для их роста и развития, и способность материнской породы задерживать их при разложении растительных остатков обеспечивают, на фоне ежегодного поступления растительных остатков, формирование биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта, эволюционно выработанная целесообразность которого – устойчивое самовоспроизводство биоты.
Выполаживание кривой накопления гумуса с середины второго десятилетия (рис. 1) свидетельствует о достижении формирующейся системой определенного равновесия, имеющего динамический характер, как и в природных системах. В качестве показателя формирования биогеобарьера созданием сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя рассматривается скорость депонирования органического углерода, характеризующегося медленным накоплением в образующемся биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте. Ранее авторами был предложен способ алгоритмизации модели биогеохимического круговорота элементов, учитывающий участие в круговороте углерода, водорода, кислорода, азота, основанный на параметризации элементного состава компонентов биогеоценозов химическими формулами и моделировании круговорота системой химических реакций, представляющих последовательность биогенной трансформации соединений исследуемых элементов [2].
Для исторических почвенных систем влияние материнской породы, биоты и климата на накопление органического вещества учтено в уравнении эмпирической зависимости суммарных затрат на почвообразование от условий теплои влагообеспеченности и биологической составляющей, экспериментально обоснованном В.Р. Волобуевым [3]:
где: Q – суммарные затраты энергии на почвообразование; R – радиационный баланс территории; P – годовая сумма осадков; Pk – эмпирический параметр, отражающий интенсивность процессов выветривания материнской породы; m– эмпирический параметр, характеризующий биологическую составляющую энергетики почвообразования.
Фактор рельефа в сумме затрат энергии на почвообразование вводится на этапе расчета учетом различия горизонтальной поверхности и склонов разной экспозиции с использованием данных об их радиационном режиме [4, 5]. Расчет радиационного режима по цифровой модели рельефа обеспечивается применением геоинформационных систем [4]. Фактор времени учитывается в эмпирическом уравнении динамики почвообразовательного процесса в виде
где: Ht – мощность гумусового горизонта в момент времени t; Hlim – предельная мощность гумусового горизонта; a – эмпирический параметр, интерпретируемый как уровень первичного плодородия материнской породы; λ – эмпирический параметр, отражающий биоклиматические условия и характеризующий динамику почвообразования. Предельная мощность гумусового горизонта определяется величиной суммарных затрат энергии на почвообразование и представлена эмпирическим уравнением
где γ – поправка на гранулометрический состав почвы [6]. Цель работы Целью работы является прогноз времени образования биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта, обеспечивающего устойчивое воспроизводство биоты при создании биогеобарьера без нанесения плодородного слоя для сохранениеии складированных отходов обогащения редкоземельныхредкометалльных руд.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являются складированные отходы обогащения апатит-нефелиновых руд (ОАО «Апатит»), расположенные в точке с координатами 67°38ґ с. ш. 33°14ґ в.д. (полигон многолетнего мониторинга биогеобарьера, созданного без нанесения плодородного слоя), и редкоземельныхредкометалльных руд (ОАО «Ловозерская ГОК»), расположенные в точке с координатами 67°54ґ с.ш. 34°36ґ в.д., по содержанию полезных компонентов отнесенные к техногенным месторождениям (рис. 2). Возможность сравнительного анализа рассматриваемых объектов исследования обусловлена близостью их географического положения.
В качестве исходных данных об актуальном состоянии рельефа территории объектов исследования взята доступная для свободного использования цифровая модель рельефа с разрешением одна угловая секунда (~30 м) ASTER GDEM (версия 2, 2011 год) [7].
Для обработки пространственно распределенных данных применялись алгоритмы геоинформационной системы GRASS, в частности, модуль r.sun для расчета радиационного баланса территории [8, 9]. Обработка результирующих картографических материалов проводилась в интегрированной с GRASS геоинформационной системе QGIS [10].
Разработка модели накопления органического вещества в биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте биогеобарьера На рис. 3 приведена упрощенная логическая схема биогеохимического круговорота элементов при создании сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя с указанием моделируемых химических реакций, связующих компоненты биогеоценоза [2].
Реакция 1 устанавливает соотношение между составом растений и химическими соединениями, образующимися в процессах дыхания и секреторного выделения метаболитов. Реакция 2 отражает совокупную модель фотосинтетической деятельности и увеличения массы растений. Реакция 3 формализует процессы отмирания растений и образования мортмассы. Реакция 4 представляет процессы микробиологической деструкции мортмассы, увеличение микробной биомассы и дыхание микроорганизмов. Реакция 5 отображает образование органического вещества почвы с участием микроорганизмов. Реакция 6 связывает увеличение массы растений с содержанием органического вещества в формирующейся почве и фотосинтезом.
Ввиду медленного накопления в горной породе специфического органического вещества – гумуса (ОВ) формирование биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта может быть представлено в формализованном виде совокупностью процессов накопления и расходования органического вещества в процессе биологической организации горной породы в соответствии с реакциями 5 и 6 (см. рис. 3):
где: ПМ – почвенные микроорганизмы; РО – растительные остатки; ОВ – органическое вещество; Р – растения; k1, k2 – коэффициенты скорости накопления и расходования органического вещества, учитывающие абиотические факторы. Изменение содержания органического вещества по сопряженным реакциям (4) в формирующемся биогенно-гумусоаккумулятивном горизонте в условиях медленной разлагаемости растительных остатков определяется дифференциальным уравнением
которое имеет следующее решение
где: [ОВ] – удельная масса органического вещества, образующегося при биологической организации горной породы; [ПМ] – удельная биомасса почвенных микроорганизмов; t – время. По аналогии с зависимостью констант химических реакций от температуры (уравнение Аррениуса) можно предположить, что
где: А1, А2, В1, В2 – коэффициенты, характеризующие интенсивность влияния абиотических процессов (А1, А2) и чувствительность формирующейся системы к их изменениям (В1, В2); Q – суммарные затраты энергии на образование биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта.
Подстановка коэффициентов скорости накопления и расходования органического вещества из уравнения (7) в уравнение (6) дает следующее выражение для определения содержания органического вещества в биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте в процессе его формирования:
аналогичное уравнению (2), что свидетельствует о непротиворечии применяемого подхода эмпирическим наблюдениям, положенным в его основу.
В рамках аналогии уравнений (8) и (2) множитель
уравнения (8) может быть истолкован как предельное содержание ОВ в формирующемся биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте, зависящий, аналогично уравнению (3), экспоненциально от Q, а показатель степени в уравнении (8) соответствует параметру λ в уравнении (2) и обусловлен биоклиматическими условиями (т.е. зависит от величины Q).
Оценка времени выхода на максимальное содержание органического вещества в формирующемся биогенногумусо-аккумулятивном горизонте биогеобарьера Для оценки скорости накопления и расходования органического вещества использованы данные по содержанию углерода на полигонах разной экспозиции, полученные в ходе многолетнего мониторинга состояния биогеобарьера, сформированного на складированных отходах обогащения апатит-нефелиновых руд. Поскольку предельное значение [ОВ] в биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте неизвестно, для определения параметров уравнения (6) использовался метод Гуггенгейма, основанный на учете скорости изменения приращения исследуемого показателя [11].
Из рис. 4 видно, что на горизонтальном полигоне прогнозируемое предельное содержание углерода, показателя [ОВ], достигается раньше, чем на откосах ограждающей дамбы складированных отходов, при том, что предельные значения накопления органического вещества ниже, чем на откосах.
В начальный период биологической организации горной породы (складированные отходы) кривые практически совпадают, что говорит о близости начальной скорости накопления углерода органического вещества в биогенно-гумусоаккумулятивном горизонте на всех полигонах. Поскольку предельное содержание углерода в случае горизонтального участка меньше, чем на откосах, время выхода на максимальное содержание также меньше (см. рис. 4). Особенностью продукционного процесса на Кольском Севере является непрерывность светлого периода суток с мая по август («полярный день»). Максимальная высота восхождения Солнца над горизонтом не превышает 67° на широте исследуемых объектов, поэтому наибольший приход солнечной радиации наблюдается на деятельной поверхности откосов, что объясняет близкие значения предельного содержания углерода органического вещества на откосах разной экспозиции и его более низкое содержание в случае горизонтального участка.
Прогнозируемое время выхода на максимальное содержание органического вещества рассчитывается по формуле
полученной из уравнения (6) при условии
что соответствует 95% [ОВ], с учетом естественной флуктуации предельного содержания углерода для рассматриваемой системы. Как показали расчеты, t0,95 убывает в ряду «откос юго-западной экспозиции ≈ откос северо-восточной экспозиции > горизонтальный участок» и составляет 23,8; 20,1; 11,2 года, соответственно, что объясняется разной величиной суммарных затрат энергии на гумусонакопление (Q), связанной с различием в приходе солнечной радиации.
Прогнозирование времени выхода на максимальное содержание органического вещества при создании биогеобарьера для сохранения складированных отходов обогащения редкоземельных-редкометалльных руд Для прогнозирования времени t0,95 при создании биогеобарьера с целью сохранения техногенных месторождений рассчитывались значения коэффициентов А2, В2 уравнения (7) по данным накопления органического вещества на откосах ограждающей дамбы складированных отходов обогащения апатит-нефелиновых руд. С этой целью для полигонов разной экспозиции и горизонтальной площадки определялись суммарные затраты энергии на гумусонакопление (Q), c учeтом данных об альбедо и атмосферных осадках [12, 13], и методом наименьших квадратов решалась система из трех уравнений (для трех полигонов) с двумя неизвестными (А2, В2). Полученные оценки значений параметров А2, В2, характеризующих интенсивность влияния абиотических процессов и чувствительность формирующегося биогеобарьера к их изменениям, использовались для прогнозирования времени выхода на максимальное содержание органического вещества (t0,95) для отвалов отходов обогащения редкоземельных-редкометалльных руд. Годовой радиационный баланс (R) и годовая сумма осадков (P) с учетом рельефа этого объекта оценивались по данным дистанционного зондирования территории.
По полученным значениям R, P, Q и параметрам уравнения (7), рассчитывались k2 (и, соответственно, t0,95) для отвалов отходов обогащения редкоземельных-редкометалльных руд. Изменение времени t0,95 вдоль трансект, проведенных по территории техногенного месторождения в широтном (с востока на запад) и меридианальном (с севера на юг) направлениях, показано на рис. 5.
Согласно прогнозу наименьшее время выхода на максимальное содержание органического вещества при создании биогеобарьера для сохранения складированных отходов обогащения редкоземельных-редкометалльных руд так же, как и в случае складированных отходов апатит-нефелиновых руд, характерно для горизонтальной части техногенного месторождения, и составляет ~23 года. В южной части техногенного месторождения наблюдается увеличение t0,95 прогнозного времени, как и в восточной части, примыкающей к горам, что объясняется недостатком солнечной радиации изза затенения территории горами (см. рис. 2).
Заключение
Разработана расчетная модель прогнозирования времени выхода на максимальное содержание органического вещества при формировании биогеобарьера для сохранения складированных отходов рудообогащения, основанная на представлении о восстановлении биогеохимического круговорота элементов.
Создание сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя на первом этапе формирования биогеобарьера обеспечивает образование биологически активной среды в результате поступления большого количества растительных остатков, которые служат началом трофических цепей, и инициирует миграцию химических элементов в биогеохимическом круговороте, являющемся главным механизмом самоорганизации природных ландшафтов. Кроме того, создание сеяного фитоценоза сразу же прекращает ветровую и водную эрозию, тем самым решая целевую задачу – сохранение складированного минерального сырья техногенных месторождений.
С использованием данных дистанционного зондирования территории выполнен прогноз времени выхода на максимальное содержание органического вещества при создании биогеобарьера без нанесения плодородного слоя для сохранения складированных отходов обогащения редкоземельных-редкометалльных руд. Установлено, что в южной и восточной части техногенного месторождения скорость выхода на максимальное содержание органического вещества лимитируется недостатком прихода солнечной радиации, определяемым широтным положением и рельефом местности. В целом по месторождению прогнозное время выхода на максимальное содержание органического вещества в формирующемся биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте биогеобарьера составляет ~23 года.
Следует отметить, что открытый доступ к данным дистанционного зондирования Земли с разрешением 30 м и менее открывает возможность как для отображения состояния техногенного ландшафта, так и для содержательного изучения территории и объектов предприятий горной промышленности. Проведенные исследования показывают, что обработка данных зондирования с применением геоинформационных систем, снабженных обширным арсеналом модулей прикладного назначения, позволяет получить количественный ответ на поставленную задачу, решение которой затруднительно при традиционном подходе.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского научного фонда (проект No 14-17-00761) 60 | «Горная Промышленность» №6 (124) / 2015 ГоИ КНЦ РАН ГОРНАЯ НАУКА
