3. Наблюдения за качественным составом подземных вод

Как уже отмечалось, наиболее существенные изменения в хими­ческом составе сточных вод происходят в пределах приграничной области, где степень их метаморфизации определяется повышенной дисперсностью, аэрируемостью, насыщенностью органическим ве­ществом донных и примыкающих к ним приповерхностных отложе­ний. С позиций оценки процессов самоочищения в придонном слое и в экранирующих отложениях целесообразно еще до заполнения бас­сейна установить в донной его части специальные стационарные пробоотборники. Этой же цели должна служить и группа специально оборудованных скважин, расположенных вблизи уреза бассейна. Та­ким образом, данные, полученные по этим элементам системы на­блюдений, позволяют отдельно изучить гидрохимические процессы, не свойственные основной области миграции, и установить гранич­ные условия на «входном» контуре загрязняющегося водоносного пласта. Подчеркнем, что пренебрежение этим требованием может привести к совершенно неверным выводам о динамике процессов переноса в подземных водах.

Теперь коротко остановимся на основных факторах, которые определяют наиболее рациональную схему размещения точек гидро­геохимических наблюдений в плане и в разрезе водоносного горизон­та, а также временные критерии для частоты и последовательности гидрохимического опробования.

Прежде всего, характер наблюдений зависит от конкретных ес­тественно-гидрогеологических условий и литолого-структур- ных особенностей строения региона, которые качественно устанав­ливаются уже при предварительной схематизации области фильтра­ции. При этом следует принимать во внимание профильную фильт­рационную анизотропию и наличие в разрезе резко выраженных зон преимущественного гидравлического переноса. Необходимо особо учитывать высокие дейсмтвительные скорости фильтрации и силь­ные дисперсионные эффекты рассеяния в трещиноватых породах (см. раздел 6.4). Наоборот, в пористых комплексах действительные скорости движения заметно ниже, рассеяние в пределах относитель­но однородных толщ выражено слабее, но существенную роль играют сорбционные эффекты, которые иногда приводят к изменению филь­трационных свойств пород. Соответственно масштаб области, охва­тываемой наблюдениями в трещиноватых средах, должен быть за­метно шире, чем в пористых породах. Однако резко выраженный фронт переноса в последних и возможность отмеченных изменений фильтрационных свойств предполагают более детальное изучение перемещения фронта загрязнения во времени.

Принципы организации режимных наблюдений будут разли­чаться и в зависимости от ожидаемого режима рассеяния загрязня­ющих компонентов в водоносных горизонтах, под которым понима­ются пространственно-временные закономерности формирования и строения ореола с измененным качеством вод. Так, режим рассеяния загрязняющих стоков, близких по физическим свойствам к пласто­вым водам, во многом определяется степенью влияния утечек из бассейна-накопителя на общую структуру гидродинамического по­ля. Соответственно полезно рассматривать соотношение между удельными расходами фильтрационных потоков — регионального q и инфильтрационного q_Q — в качестве основополагающего для ти­пизации наблюдаемых режимов миграции. Выделим по этому при­знаку два достаточно характерных предельных режима:

ГГ] источник загрязнения является одновременно и мощным источником фильтрационного возмущения, т.е. поступление воды из него обеспечивает основную долю фильтрационного расхода потока в районе бассейна (q₀ » q_e);

[~2~| расход естественного фильтрационного потока (в данном случае потока-носителя) заметно превышает интенсивность ин­фильтрации из источника загрязнения (q₀ «Яг>‘

В сильно нарушенных гидродинамических условиях, которым отвечает режим рассеяния первого типа, основным показателем ин­тенсивности внутрипластового переноса в относительно однородных пластах служит конвекция. Явления смешения некондиционных и пластовых вод происходят в основном в границах переходной зоны вблизи фронта вытеснения, а сам процесс резко нестационарен на всех этапах миграции и поэтому для изучения его показателей необ­ходимо детальной временное прослеживание. При этом, даже если фронт загрязнения и не выражен достаточно четко, общая гидроди­намическая ситуация и установленная по геофильтрационным на­блюдениям структура сетки движения подземных вод позволяют обычно выделить наиболее важные ленты тока и сосредоточить на них основное количество наблюдательных скважин. Таким образом, скважины окажутся размещенными по лучам, отходящим от бассей­на-накопителя и замыкающимся на охраняемых объектах.

В то же время подобная система наблюдений мало эффектавна для условий, отвечающих второму режиму рассеяния. Для него ха­рактерно формирование объемных ореолов загрязнения, испытыва­ющих сильное влияние плановой и профильной фильтрационной дисперсии (см. разделы 6.3 и 6.4), за счет которой происходит замет­ное разбавление мигрирующих стоков. Сам процесс рассеяния тяго­теет к стационарности (квазистационарности), по крайней мере, в областях, прилежащих к бассейнам. В этих условиях первостепенное значение приобретает изучение пространственных закономерно­стей, обусловленных широким развитием процессов смешения. На­иболее надежно контролировать такое загрязнение будут площадные системы наблюдательных скважин, расположенные по линиям не только вдоль, но и вкрест направления основного переноса. Такой контроль будет оптимальным, так как он позволяет оценить:

|~Г] обеспеченность мигрирующими солями различных расчет­ных сечений потока-носителя, что является обязательным элемен­том эпигнозных, а затем и прогнозных построений (проводимых, в частности, для установления времени достижения ореолом своего квазистационарного положения);

|~2~| роль эффектов поперечного рассеяния, т.е. масштабы за­грязнения.

Специального подхода требует постановка наблюдений в усло­виях гравитационной дифференциации промышленных стоков в водоносных горизонтах, коща естественные гидродинамические гра­ницы пласта и структура фильтрационного течения (гидродинами­ческая сетка) слабо контролируют реальную геометрию ореола за­грязненных вод, претерпевающего значительную деформацию под влиянием плотностной конвекции (см. раздел 6.1.2). Кроме того, предсказание действительной конфигурации ореала загрязнения ус­ложняется и ввиду отсутствия в большинстве случаев данных о проф­ильной фильтрационной анизотропии и неоднородности водоносных пород.

Все это делает весьма неопределенным планирование гидрохи­мических наблюдений за миграцией разноплотностных жидкостей. Полезно поэтому отметить достаточно Типичные черты развития такого загрязнения, которые надо учитывать при выборе общей схе­мы гидрохимического контроля:

|Т] быструю стабилизацию границы раздела между разно- плотностными жидкостями в центральной части ореола, прилежа­щей к бассейну, из-за чего наблюдения за положением этой границы почти ничего не говорят о возможных масштабах процесса за преде- ламиданной области;

более активное продвижение тяжелых стоков по подошве

пласта в сравнении с интенсивностью их миграции в верхней его части;

плотностную конвекцию, резко усиливающую интенсив­ность межслоевого обмена в профильно-неоднородных толщах, поэ­тому неоднородность в разрезе поля действительных скоростей филь­трации может заметно сглаживаться, что приводит и к выравнива­нию профильного положения концентрационны фронтов по отдель­ным слоям;

|~4~| при весьма значительном превышении плотности сточных растворов над плотностью пластовых вод вблизи бассейна-накопите­ля и под его дном формируется интрузия рассолов, так что загрязне­ние водоносного горизонта может происходит в основном за счет сноса солей с ее поверхности огибающим естественным потоком под­земных вод. При этом размеры самого тела концентрированных рас­солов могут оставаться стабильными весьма длительное время. Для выявления контуров загрязнения в подобной ситуации могут, наряду с режимными наблюдениями по скважинам, с успехом использовать­ся плошадные геофизические методы, которые достаточно хорошо реагируют на изменение электропроводности пород, насыщающихся сильноминерализованными растворами.

В целом уже из самого общего анализа следует очевидный вывод о том, что всестороннее изучение процессов загрязнения подземных вод возможно только путем наблюдений концентрационных пблёй на достаточно большом расстоянии от бассейна: контроль по скважи­нам, расположенным вблизи источника загрязнения, которые очень быстро оказываются за фронтом переноса, не позволяет надежно установить характер миграции в пласте, поскольку для оценки фи­зико-химических и дисперсионных эффектов основной интерес пред­ставляют точки наблюдения в пределах переходной зоны. Отсюда мож­но сделать вывод о том, что требования к плотности и расположению скважин режимной сети с позиций гидродинамики, с одной стороны, и гидрохимии, с другой — существенно различаются.

Особо следует остановиться на специфике требований к разме­щению точек гидрохимического контроля по вертикали. С учетом; профильной фильтрационной неоднородности и анизотропий, а Так-?” же важного фактора гравитационной дифференциации загрязнен­ных и естественных вод основное загрязнение часто можетйдти лишь в пределах ограниченной по мощности зоны водоносного'пласта. Поэтому пробы из скважин, фильтры которых расположены вне зоны преобладающего загрязнения или, наоборот, заметно превышают их мощность, оказываются здесь непредставительными. Отсюда выте­кает необходимость детального опробования фильтрующей толщи по всей ее мощности, что не увязывается с существенно менее жесткими требованиями к гидродинамическим наблюдениям по пьезометрам в условиях плановой фильтрации . Для вертикальной дифференциа­ции проб воды, отбираемых на участке загрязнения, необходимо либо увеличение объемов бурения, либо применение пьезометров с секционными фильтрами, поинтервально изолируемыми перед цро- качкой скважины и отбором пробы.

Одним из наиболее ответственных моментов в системе режим­ных наблюдений является отбор представительных проб, состав ко­торых может быть искажен физико-химическими процессами, про-т текающими в скважинах. Поэтому отбору проб должна обязательно предшествовать прокачка скважин, причем обычно ее минимальный объем нельзя определить заранее. Наиболее надежными показателя­ми необходимой интенсивности прокачки можно считать, по-види­мому, параметры, непосредственно отражающие свойства воды. Сю­да, например, следует отнести удельную электропроводность, pH, Eh и температуру. Стабилизация этих параметров при прокачке может служить критерием для допустимости Отбора гидрохимической про­бы на анализ. Если контроль перечисленных параметров по каким- либо причинам невозможен, то минимальный объем прокачки дол­жен быть не менее пяти обводненных объемов скважины, причем пробы всегда желательно отбирать на уровне фильтра.

Пренебрежение требованиями, обеспечивающими качествен­ный отбор проб из наблюдательных скважин, может привести на практике к совершенно неверным выводам о тенденциях изменения химического состава подземных вод во времени. Так, в результате предварительного анализа материалов гидрогеологических изыска­ний, проводившихся в одном из горнодобывающих районов КМЛ [21 ], было установлено, что минерализация подземных вод, отбира­емых дренажными скважинами карьеров, в целом заметно выше минерализации вод тех же горизонтов, но охарактеризованных про­бами из пьезометров региональной режимной сети. Такая ситуация ставила под сомнение возможность использования дренажных вод для питьевого водоснабжения, поскольку напрашивался вывод о про­грессирующем ухудшении качественных показателей воды в резуль­тате резкого нарушения общей гидрогеологической обстановки. На самом же деле, более детальные исследования указали на малую представительность гидрохимического опробования, проводившего­ся большей частью без предварительной прокачки пьезометров. По­следнее и повлекло за собой повсеместное проявление процессов деминерализации воды в стволах наблюдательны скважин - эту тен­денцию, в сущности, и отражали выполненные наблюдения. 6 то же время вода из эксплуатационных скважин, отвечавшая истинному составу подземных вод, практически не претерпела изменений в процессе дренажа месторождения и вполне соответствовала требова­ниям, предъявляемым к питьевым водам. Сказанное иллюстрирует­ся данными опробования (рис. 7.5) гидрокарбонатно-кальциевых вод района, ще уменьшение общей минерализации М в наблюдательных скважинах связано с выпадением из раствора карбоната кальция (содержание кальций-иона дается по оси ординат графика).

6 целом гибкий и целенаправленный гидрогеологический конт­роль, основанный на глубоком понимании особенностей гидродина­мических и миграционных процессов и всесторонне учитывающий информацию о фильтрационных и миграционных параметрах, пол­ученную режимными наблюдениями (наряду с опытными работа­ми) , позволяет эффективно управлять ресурсами и качеством под­земных вод.