Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
Загрязнение подземных вод зависит от возможности захвата
областью питания зоны загрязненной воды. Если загрязненная
зона находится внутри области питания, загрязнение возможно.
Прогноз качества подземных вод на участке водозабора при
наличии в пласте загрязненных или природных некондиционных
вод включает следующие этапы: 1) определение возможности
захвата загрязненных вод областью питания водозаборного сооружения; 2) расчет времени подтягивания загрязненных вод к
участку водозабора; 3) определение размеров варьирования качества воды на водозаборном сооружении после начала подтягивания к нему загрязненных вод и их смешения с чистыми подземными водами.
В условиях бассейнового питания водозаборного сооружения при отсутствии естественного потока подземных вод или при
vе → 0 выполнение всех этапов прогнозирования обязательно.
Аналитические методы расчета приемлемы лишь для простых случаев. Для расчетов в сложных гидрогеологических условиях используются ЭВМ.
Прогнозирование изменения качества подземных вод при
смешении их с загрязненными водами. В качестве функции от-
клика при прогнозировании качества воды на водозаборном сооружении при ее смешении с загрязненными или некондиционными водами может быть использован любой из показателей качества вод питьевого назначения. При наличии в пласте сильно
загрязненных и содержащих токсичные вещества вод определяется только время их подтягивания к водозаборному сооружению.
При прогнозировании качества воды, забираемой одиночной скважиной в не ограниченном по площади водоносном горизонте для условий бассейна, пользуются формулой
cc
−
o
1
cc
+= ,
o
π
tT
/arccos
где с – минерализация воды в скважине в результате смешения
пресных некондиционных вод;
со, с1 – минерализация соответственно пресных и загрязнен-
ных (некондиционных) вод;
211
T – время поступления в скважину первых порций некондиционных вод;
t – текущее время.
Таким образом, загрязнения подземных вод возможно:
– полное ухудшение качества отбираемой воды до кон-
центрации с1, наступающее при подтягивании загрязненных вод в
условиях бассейна или в условиях потока, когда граница загрязненных вод пересекает всю область питания водозаборного сооружения и располагается от него вверх по потоку;
– частичное ухудшение качества отбираемой воды в условиях не ограниченного по площади бассейна, разделенного границей загрязненных вод на две полуплоскости;
– временное ухудшение качества отбираемой воды в речной долине при подтягивании к водозаборному сооружению загрязненных вод со стороны суши или в условиях потока при расположении границы загрязненных вод внутри области питания
вниз по потоку от водозаборного сооружения.
6.4.2. Прогноз качества подземных вод
при фильтрации токсикантов из отстойников
На основе многочисленных исследований установлено, что
процесс загрязнения подземных вод в зонах обустройства хранилищ жидких отходов обычно проходит в три стадии. Первая стадия – инфильтрация сточных вод через зону аэрации, характеризующаяся метаморфизацией стока вследствие процессов растворения, выщелачивания и сорбции, сопровождающих движение
загрязненных сточных вод через породы зоны аэрации. Вторая
стадия – смешение метаморфизованных сточных вод с подземными водами. Третья стадия – перенос загрязняющих веществ по
водоносному горизонту с формированием области загрязнения в
водоносном горизонте и распространением зеркала загрязнения
по площади подземных вод.
При исследовании степени и характера загрязнения подземных вод стоками из поверхностных хранилищ жидких отходов установлен ряд зависимостей. Во-первых, концентрация загрязняющих веществ в подземных водах в несколько раз превы-
212
шает допустимую норму. При этом высокая минерализация и
плотность многих стоков приводят к загрязнению подземных вод
на значительную глубину, включая и горизонты напорных вод.
Во-вторых, подобный очаг загрязнения подземных вод сохраняется в течение длительного периода даже после ликвидации хранилища жидких отходов, причем загрязненные почвы и породы
зоны аэрации являются вторичными источниками загрязнения.
В-третьих, при фильтрационной неоднородности пород и их трещиноватости происходит неравномерное перемещение загрязняющих компонентов в подземных водах, что способствует их
длительному хранению в водоносном горизонте (обычно скорость распространения загрязнений в подземных водах от нескольких десятков до сотен метров в год, а в сильно трещиноватых и закарстованных породах – несколько километров в год).
При прогнозировании загрязнения подземных вод в зонах
обустройства хранилищ жидких отходов необходимо определить
следующие параметры: время t достижения сточными водами с
поверхности земли уровня подземных вод; расход qф (или Qф)
сточных вод, фильтрующихся из поверхностного хранилища отходов; зону x и мощность зоны z распространения сточных вод по
водоносному горизонту.
С целью упрощения расчетов форма хранилища жидких
отходов принимается в виде круга (при соизмеримых длине и
ширине хранилища) либо в виде канала (если длина хранилища
значительно превосходит ширину). Кроме того, зона аэрации
представляется однородной или двухслойной, а уровень подачи
сточных вод в хранилище – постоянным.
Контрольные вопросы
1. Как классифицируются виды воды в горных породах?
2. Какие основные характеристики подземных вод вы знаете?
3.
Каково происхождение подземных вод?
213
4. Какова классификация подземных вод по условиям зале-
гания, гидравлическим признакам, степени минерализации, температуре, составу?
5. Каковы физические свойства и химический состав под-
земных вод?
6. Чем отличается физически связанная вода от свободной и
прочносвязанной, от рыхлосвязанной?
7. Каковы источники загрязнения подземных вод?
8. Что такое область питания и область влияния водозабо-
ра?
9. Как рассчитать время достижения фильтрующимися
жидкими отходами уровня грунтовых вод для однородного и
двухслойного разрезов?
10. Как прогнозировать расход сточных вод, фильтрующих-
ся из хранилища жидких отходов?
11. Как оценить качество воды для одиночной скважины в
полуограниченном пласте с контуром постоянного напора?
12. Как определить время подтягивания загрязняющих веществ к водозабору для одиночной скважины неограниченного и
ограниченного линейного ряда скважин в условиях бассейна и
потока?
13. Как оценить изменение качества воды для одиночной
скважины в неограниченном по площади водоносном горизонте?
14. Как прогнозируется область распространения загрязне-
ний из хранилища жидких отходов?
15. Как определить возможность захвата загрязняющих веществ водозаборным сооружением в полуограниченном по площади водоносном горизонте с контуром постоянного напора?
16. Каковы меры борьбы с истощением и загрязнением
подземных вод?
17. Как назначать зоны санитарной охраны подземных вод?
214
ГЛАВА 7. МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ
Климатология и метеорология рассматривают климат и
климатообразующие факторы, формирование и динамику климата, антропогенное влияние на климат Земли, солнечную радиацию как основополагающий элемент формирования климата, радиационный баланс, фотосинтетически активную радиацию,
микроклимат и фитоклимат, метеорологические наблюдения и
прогнозы.
Метеорология является наукой об атмосфере Земли. Климатология – раздел метеорологии, изучающий динамику изменения
средних характеристик атмосферы за какой-либо период – сезон,
несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный
срок.
В данной главе изложены сведения о метеорологических
величинах и явлениях, основы динамики атмосферы, закономерности радиационных процессов, закономерности изменения и
предсказания погоды, условия формирования климата Земли и
его изменения.
7.1. Основные понятия и методы
метеорологии и климатологии
7.1.1. Понятие метеорологии и климатологии
Метеорология - наука о строении и свойствах земной атмо-
сферы и совершающихся в ней физических процессах. Во многих
странах метеорологию называют физикой атмосферы, что в
большей степени соответствует её сегодняшнему значению.
Метеорология относится к геофизическим наукам, поскольку в ней на основе законов физики изучаются определенные
категории физических процессов, свойственных земному шару.
Разделы метеорологии - динамическая метеорология (изучение
физических механизмов атмосферных процессов), физическая
метеорология (разработка радиолокационных и космических методов исследования атмосферных явлений) и синоптическая метеорология (наука о закономерностях изменения погоды).
215
Климатология - это наука о климате. Климат является, таким образом, одной из физико-географических характеристик
местности. Он влияет на хозяйственную деятельность людей: на
специализацию сельского хозяйства, географическое размещение
промышленности, воздушный, водный и наземный транспорт.
Климатология тесно связана с метеорологией. Понимание
закономерностей климата возможно на основании тех общих закономерностей, которым подчинены атмосферные процессы. Поэтому при анализе причин возникновения различных типов климата и их распределения по земному шару климатология исходит
из понятий и законов метеорологии.
Метеорологические и климатические факторы влияют на
условия переноса и рассеивания примесей в атмосфере, учитываются при проектировании и размещении промышленных производств. Антропотехногенное воздействие на окружающую среду влечет за собой парниковый эффект, разрушение озонового
слоя Земли, выпадение кислотных дождей.
7.1.2. Строение и состав атмосферы
Земная поверхность окружена газовой, воздушной оболочкой - атмосферой, принимающей участие во вращении Земли. С
высотой плотность воздуха убывает, и атмосфера постепенно
сходит на нет, без резкой границы. Половина всей массы атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти - в нижних 10
км, девять десятых -- в нижних 20 км. Но присутствие воздуха чем выше, тем все более разреженного - обнаруживается до очень
больших высот.
Полярные сияния указывают на наличие атмосферы на высотах до 1000 км и более. Считается, что полеты спутников на
высотах в несколько тысяч километров также происходят в атмосфере, хотя и чрезвычайно разреженной.
Атмосферные процессы вблизи земной поверхности и в
нижних 20 - 30 км атмосферы особенно важны с практической
точки зрения и наиболее изучены, но и высокие слои атмосферы,
отдаленные о земной поверхности на сотни и тысячи километров,
216
в последнее время изучаются все более интенсивно и успешно,
особенно с помощью геофизических ракет и спутников.
В этих слоях при поглощении ультрафиолетового и корпускулярного солнечного излучения происходят фотохимические
реакции разложения газовых молекул на электрически заряженные ионы. Поэтому указанные слои сильно ионизированы и обладают очень большой электропроводностью. В них наблюдаются такие явления, как полярные сияния и постоянное свечение
воздуха, создающее так называемый ночной свет неба; в них
происходят также сложные микрофизические процессы, связанные с космическим излучением. Методы изучения всех этих процессов своеобразны, само их исследование мало связано с изучением атмосферы у земной поверхности и в нижних слоях, но тесно связано с изучением земного магнетизма. Поэтому принято
выделять учение о физических (и химических) процессах в высоких слоях атмосферы в особую научную дисциплину, получившую название аэрономии (или физики верхней атмосферы).
Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом, в
которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые
частички. Общая масса последних незначительна в сравнении со
всей массой атмосферы.
Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило,
является влажным. Содержание водяного пара в воздухе меняется
в значительных пределах, в отличие от других составных частей
воздуха: у земной поверхности оно колеблется между сотыми
долями процента и несколькими процентами. Это объясняется
тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар
может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот,
может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с
земной поверхности.
Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У
земной поверхности сухой воздух на 99 % состоит из азота (78 %
по объему, или 76 % по массе) и кислорода (21 % по объему, или
23 % по массе). Оставшийся 1% приходится почти целиком на
аргон (Ar). Всего 0,03% остается на углекислый газ (СО2). Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных,
миллионных и еще меньших долях процента. Это - криптон (Кr),
217
ксенон (Хе), неон (Ne), гелий (Не), водород (Н2), озон (О3), иод
(I), радон (Rn), метан (СН4), аммиак (ИН3,), перекись водорода
(Н2О2), оксиды азота (N2О, NО, NО2) и др.
Все перечисленные выше газы всегда сохраняют газообразное состояние при наблюдающихся в атмосфере температурах
и давлении не только у земной поверхности, но и в высоких слоях.
Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности
очень постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно
меняться может только содержание углекислого газа. В результате процессов дыхания и горения его объемное содержание в воздухе закрытых, плохо вентилируемых помещений, а также промышленных центров может возрастать в несколько раз - до 0,1 -
0,2 %.
Водяной пар в атмосфере. Процентное содержание водяно-
го пара во влажном воздухе у земной поверхности составляет в
среднем от 0,2 % в полярных широтах до 2,5 % у экватора, а в
отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4 %. В связи с
этим становится переменным и процентное соотношение других
газов во влажном воздухе. Чем больше в воздухе водяного пара,
тем меньшая часть его объема приходится на постоянные газы
при тех же давлении и температуре.
Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей и влажной почвы, а также в результате транспирации растениями, при этом в разных местах и в
разное время он поступает в различных количествах. От земной
поверхности водяной пар распространяется вверх, а воздушными
течениями переносится из одних мест Земли в другие. В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии
водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим (или насыщенным), а воздух, содержащий его,
насыщенным.
Состояние насыщения обычно достигается при понижении
температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при
дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или
218
твердое состояние. В воздухе возникают водяные капли и ледяные кристаллы облаков и туманов. Облака могут снова испаряться, в других случаях капли и кристаллы облаков, укрупняясь, могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие
всего этого содержание водяного пара в каждом участке атмосферы непрерывно меняется.
С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в
атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. Водяной пар сильно поглощает
длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает
земная поверхность. В свою очередь, и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха. На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к
земной поверхности. Осадки, выпадающие из облаков, являются
важнейшим элементом погоды и климата. Наконец, наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов.
Озон в атмосфере. Изменение с высотой содержания озона
в воздухе особенно интересно. У земной поверхности озон содержится в ничтожных количествах. С высотой содержание его
возрастает. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25 - 30 км, выше оно убывает и на высотах около 70 км
сходит на нет.
Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 70 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой
солнечной радиации. Одновременно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележащих слоев при перемешивании воздуха.
Если бы можно было сосредоточить весь атмосферный
озон под нормальным давлением, он образовал бы слой только
219
около 3 мм толщиной (приведенная толщина озона). Но и в таком
ничтожном количестве озон важен потому, что, сильно поглощая
солнечную радиацию, он повышает температуру тех слоев атмосферы, в которых он находится. Ультрафиолетовую радиацию
Солнца с длинами волн от 0,15 до 0,29 мкм он поглощает целиком. Эта радиация производит физиологически вредное действие,
и озон, поглощая ее, предохраняет от нее живые организмы на
земной поверхности.
Жидкие и твердые примеси в атмосферном воздухе. Кроме
перечисленных выше атмосферных газов, в воздух местами могут
проникать другие газы, особенно соединения, возникающие при
сгорании топлива (окислы серы, углерода, фосфора и др.). Наибольшее количество таких примесей поступает в воздух больших
городов и промышленных районов.
В состав атмосферы входят также твердые и жидкие частицы, взвешенные в атмосферном воздухе: водяные капли и кристаллы, возникающие в атмосфере при конденсации водяного
пара, пыль почвенного и органического происхождения, твердые
частицы дыма, сажи, пепла и капли кислот, попадающие в воздух
при лесных пожарах, сжигании топлива и вулканических извержениях, частицы морской соли, попадающие в воздух при разбрызгивании морской воды во время волнения (обычно в силу
своей гигроскопичности это не твердые частицы, а мельчайшие
капли насыщенного раствора соли в воде), микроорганизмы (бактерии), пыльца, споры, наконец, космическая пыль, попадающая
в атмосферу (около 1 млн. т в год) из межпланетного пространства, а также возникающая при сгорании метеоров в атмосфере.
Особое место среди атмосферных примесей занимают продукты
искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при
испытательных взрывах атомных и термоядерных бомб.
Небольшую часть перечисленных примесей составляет
крупная пыль, радиусом более 5 мкм. Почти 95 % частиц имеет
радиусы менее 5 мкм. Вследствие такой малости они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении осадков, присоединяясь к каплям и снежинкам. Имеется ряд
методов и приборов для определения их содержания в воздухе.
220
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]