5. Определение миграционных параметров лабораторными методами

Теперь настало время поговорить о путях определе­ния исходных данных, используемых при прогнозе мас­сопереноса, среди которых важнейшую роль играют миг­рационные параметры — активная пористость (трещи­новатость), коэффициенты молекулярной диффузии и механической дисперсии, параметры сорбции и других массообменных процессов (см. раздел 6.1.3). В основе этих определений лежит запуск индикаторов или, в част­ности, трассеров — нейтральной примеси, позволяющей следить за движением меченых частиц жидкости. В каче­стве индикаторов чаще всего используют слабоконцент­рированные растворы солей, содержащие инертные не-

сорбируемые ионы. Наиболее распространена индикация хлор-ионом. При индикации минерализованных вод с вы­соким содержанием хлоридов используются ионы брома, нитрит- и нитрат-ионы и др. Благодаря легкости обнару­жения в малых концентрациях очень эффективно приме­нение радиоактивных индикаторов, однако с ними неред­ко связаны различные организационные сложности. На­конец, может применяться и тепловой индикатор - горя­чая или холодная вода, — если опытная система считается достаточно теплоизолированной и, к тому же, не вносит серьезных искажений естественная (тепловая) конвекция (см. раздел 6.1.2).

Запуски трассеров с целью определения миграцион­ных параметров могут проводиться как в лабораторных, так и в полевых условиях. В частности, для пористых пород, а также для пористых блоков пород с двойной емкостью с успехом могут использоваться лабораторные испытания, проводимые по возможности на образцах не­нарушенного сложения (для пород со сцеплением) или, по крайней мере, на образцах, пористость которых отве­чает природным условиям (для раздельнозернистых по­род). При этом методика испытаний заметно различа­ется для относительно хорошо- и слабопроницаемых грунтов: в первом случае режим опыта предполагает за­метное или определяющее проявление конвекции, во вто­ром же определяющими являются диффузионные про­цессы. Ориентировочная граница между этими типами грунтов отвечает проницаемости в 0,01-0,1 м/сут.

1. Опыты с относительно хорошо проницаемыми грунтами

Эксперименты с раздельнозернистыми грунтами про­водятся в фильтрационных колонках (рис. 6.16), длина которых выбирается с таким расчетом, чтобы характерное число Пекле (формула (6.31)) превышало 50-100. Тогда справедливо фундаментальное решение в форме (6.27) — для непрерывного запуска или в виде (6.33) — для пакет­ного. До подачи индикатора в колонке устанавливается постоянная скорость фильтрации v. В процессе опыта на выходе из колонки отбира­

ют пробы раствора, по кото- г—гттттгч

рым строят выходную Кри- вую с (t).

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

фильтрации до тех пор, пока

не будет получено асимпто- Рис. 6.16.Фильтрационная ко-

тическое значение расчет- ^лонка ^^ля проведения индика- “ ^F торных опытов с песчаными

ной активной пористости. грунтами:

Для обработки ОПЫТа ПО 1 - регулирующие краны; 2 - резисти- решению (6.27) опытная ⁶иметры,; 3 - образец; 4 - ввод чистой

кривая представляется В гра- “ “^икаторного раствора

фическом виде в координатах | VT+ f (рис. 6.17). Величи­ны ь(?) определяют по таблицам функции ег/с исходя из известных значений относительной концентрации на вы­ходе с (t). Так как

с.ГГ L-v t/n

(6.59)

(L — длина колонны), график должен быть прямолиней­ным, и тогда точке пересечения графика с осью времени

t_n отвечает равенство

(6.60)

Рис. 6.17. Выходная кривая миграционного опыта (а) и ее представ­ление в «спрямляющих» координатах (б)

По углу наклона графика определяют коэффициент гидродисперсии D. Прямолинейность опытного графика в выбранных координатах является сама по себе важней­шим диагностическим признаком, позволяющим оценить надежность выбранной расчетной схемы.

При пакетном запуске активная пористость определя­ется по времени прихода пика индикаторной волны i_max: согласно (6.33)

^П~ L (6.61)

Величину D нетрудно подобрать из решения (6.33). Не будем, однако, забывать, что для однородных песча­ных пород определение коэффициента продольной дис­персии Добычно лишено практического смысла (см. раз­дел 6.3).

После опытов с инертными индикаторами (например, ион хлора) проводится серия аналогичных экспериментов с конкретными сорбируемыми компонентами. Определя­емое при этом значение эффективной пористости п_э по­зволяет найти — согласно формуле (6.11) — коэффици­ент распределения К_г. Здесь, однако, существенным ос­ложняющим моментом может оказаться проявление ки­нетики сорбции (см. раздел 6.1.3), требующее интерпре­тации опыта по специальной схеме [21]. Важнейшим ди­агностическим признаком, выявляющим значение кине­тики сорбции, является выполаживание выходной кри­вой, в результате чего она оказывается непараллельной кривой несорбируемого индикатора (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Характерные вы­ходные кривые для индика­тора:

1 - несорбируемого ( ион хлора); 2 - условного сорбируемого, при рав­новесной сорбции; 3 - сорбируемого ( полиакриламид ), при проявлении кинетики сорбции