Методы прогноза качества подземных вод на водозаборах

Как отмечалось выше, в условиях длительной эксплуатации водозабора состав отбираемой воды иногда изменяется по срав­нению с составом, характерным непосредственно для участка рас­положения водозабора и изученным при разведке подземных вод. Причиной изменений может быть привлечение к водозабору во­ды другого состава из удаленных участков эксплуатируемого во­доносного горизонта, переток из выше- и нижележащих водонос­ных горизонтов, привлечение поверхностных вод (речных, морских, из промышленных бассейнов — накопителей сточных вод) и т. д. В результате в отбираемой водозабором воде могут появиться различные загрязняющие вещества.

Эти изменения следует учитывать при оценке эксплуатацион­ных запасов подземных вод, определяемых с учетом требования о сохранении качества отбираемых подземных вод в течение всего расчетного срока работы водозабора, а также при обосновании зон санитарной охраны водозабора. Надежность прогноза качест­ва подземных вод для условий эксплуатации водозабора, завися­щая от сложности гидрохимических условий района его расположения, правильности их систематизации при проведении прогноз­ных расчетов, полноты исходных параметров, является одним из критериев отнесения эксплуатационных запасов подземных вод по степени изученности к категориям А, В, С.

Прогноз качества подземных вод выполняется при оценке влия­ния на подземные воды объектов — потенциальных источников за- -грязнения, а также при обосновании и разработке проектов про­филактических, локализационных и восстановительных мероприя­тий, имеющих целью защиту подземных вод от загрязнения.

Прогноз качества подземных вод на водозаборах складывает­ся из оценки возможности подтягивания к водозабору некондици­онных по качеству вод, определения сроков их появления в водо­заборе и прогноза изменения во времени состава и качества отби­раемой воды.

Движение растворенных, взвешенных или эмульгированных ве­ществ в водоносных горизонтах в области активного водообмена контролируется в первую очередь теми же гидрогеологическими факторами, которые определяют фильтрацию подземных вод, — геологическим строением, структурой и свойствами водоносных горизонтов, условиями пополнения запасов подземных вод (ин­фильтрация атмосферных осадков, питание из водотоков и водо­емов, переток их соседних водоносных горизонтов), интенсивностью отбора воды из водоносного горизонта водозаборами, дренажами и т. д. Все это в целом определяет направления и скорости дви­жения подземных вод вместе с содержащимися в них веществами к естественным дренам и к водозабору.

Кроме фильтрационных факторов большое влияние оказывают физико-химические процессы трансформации веществ в подземных водах и их взаимодействие с вмещающими породами — ионный обмен, физическая и химическая сорбция, разложение, выпадение в осадок и растворение, радиоактивный распад, дисперсия и дру­гие процессы, приводящие к изменению скорости движения и кон­центрации мигрирующих в водоносном горизонте веществ.

При прогнозировании изменения качества воды в водозаборе должны быть учтены гидрогеологическая обстановка и гидрохи­мические условия района размещения водозабора, выявлены ис­точники питания подземных вод, установлены существующие и возможные источники загрязнения и их гидродинамическая актив­ность, т. е. влияние на уровни, скорости и расходы естественного потока подземных вод.

Теоретической основой прогноза качества подземных вод явля­ется теория массопереноса в фильтрующей среде, а применитель­но к гидрогеологическим задачам — теория миграции веществ в горных породах и в подземных водах, в которой в схематизиро­ванном виде учитываются некоторые гидрогеологические и физи­ко-химические факторы.

Таблица 5

Параметры сорбции некоторых загрязняющих веществ

Мигрирующее вещестзо-загрязнитель	Порода	Характеристика сорбционного процесса	Автор
Стронций	Кварцевый песок,	е=10-3 — 10-2	Н. В. Берсеньева, 1984 г.
	Суглинки	е = 0,3	Р. Джексон. 1980 г.
	Пески	v=33; |З=10
Цезий	— « —	v=330; |З=100
Талловые мыла	Ленточные глины	|З=0,1 — 0,5
	Суглинки	|З=0, 3 — 0,7	Н. С. Петров, 1982 г.
	Пески	|З=0,8 — 1,4
Фосфаты	Ленточные глины	|З=0,2 — 0,3
	Суглинки	|З = 0, 1 — 0,7
	Пески	|З=1,2
Фториды	— « —	|З=2, 1 — 9,5
Хлороформ, бромо-форм, трихлорэтан, хлорбензол	Пески	v=3 — 35	П. Роберте, А. Валокки, 1981 г.
Масляная кислота, фенолы, хлорфенол, диметилфталат	—	v= 1	П. Сеттон, Дж. Баркер, 1985 г.

Примечания. Для стронция и цезия приведены данные, полученные при прове­дении полевых и лабораторных опытов, для талловых мыл, фосфатов, фторидов, хлоро­форма, трихлорэтана и хлорбензола — только лабораторных опытов и для масляной кисло­ты, фенолов, хлорфенола и диметилфтолата — только полевых опытов.

е — емкость поглощения, мг-экв/г; С — концентрация растворенных веществ, мг/дм³; v=v_д/v_м (где v_Д — скорость движения воды, v_м — скорость движения вещества); |З — параметр распределения (N_C/C), мл/г; |З — коэффициент распределения (CJN_с) (где n_c — концентрация сорбированных веществ).

Массообмен и миграция химических веществ в подземной сфере в связи с качеством подземных вод рассматривались многи­ми исследователями [1, 3 — 5, 8, 14, 19, 28, 30, 34 и др.] Сводка данных о параметрах сорбции загрязняющих веществ в горных породах при фильтрации имеется в работах [1, 3]. В табл. 5 по литературным данным приведены некоторые дополнительные све­дения.

В теории миграции процессы массопереноса в подземных водах описываются физико-математическими моделями, разработанны­ми применительно к нескольким типам фильтрационного строения горных пород. Для фильтрационно-однородных пористых и трещи­новатых пород применяется модель конвективно-дисперсионного переноса, который развивается как движение веществ вместе с потоком подземных вод (конвекция) с сопутствующим рассея­нием этих веществ (дисперсия) на границе зон распространения воды различного состава. В этой модели, кроме того, возможен учет влияния проточных и застойных зон, сорбционных и других физико-химических процессов. Для фильтрационно-неоднородных толщ пород рассмотрены следующие модели: 1) слоистой толщи с конвективно-дисперсионным массопереносом вдоль отдельных слоев и с молекулярной диффузией между слоями; 2) квазиоднородной трещиновато-пористой породы с конвективно-дисперсион­ным переносом в трещинах и молекулярно-диффузионным в бло­ках; 3) неоднородной породы неупорядоченного строения, содер­жащей случайным образом распределенные линзы, пропластки и включения пород различной формы и проницаемости. В моделях неоднородных толщ также можно учитывать некоторые виды фи­зико-химического взаимодействия.

На формирование качества подземных вод, отбираемых дли­тельно работающим водозабором, влияют значительные площади водоносного горизонта, поэтому для решения поставленной за­дачи при рассмотрении неоднородности целесообразно выделять достаточно заметные по мощности и выдержанные по простира­нию высокопроницаемые, непроницаемые и слабопроницаемые слои, пласты или зоны.

Применение различных моделей массопереноса к задачам прог­ноза качества воды в водозаборах подземных вод в настоящее время ограничено недостаточной изученностью соответствия тех или иных моделей реальным условиям распространения веществ в подземной сфере и недостатком сведений о параметрах массо­переноса, которые специфичны для различных веществ и пород и условий их взаимодействия. Для определения параметров мас-сообмена необходимы специальные полевые эксперименты, мето­дика проведения которых и интерпретация результатов разрабо­таны также еще недостаточно. Обычно при прогнозах качества воды в водозаборах используется наиболее простая модель кон­вективного переноса, в которой учитывается только основной фактор миграции — перенос веществ с частицами воды при их одинаковой усредненной скорости движения. В этой схеме неслож­но учесть дисперсию и частный случай сорбции — равновесную сорбцию.

Прогноз составляется в два этапа. Вначале тем или иным ме­тодом проводят расчет плановой фильтрации (как правило, можно ограничиться рассмотрением стационарного режима) с по­строением гидродинамичной сетки движения подземных вод. При этом выделяют область питания водозабора (см. гл. 9) и пред­ставляющие интерес отдельные линии и полосы тока, например связывающие водозабор с контурами распространения неконди­ционных подземных вод, с участками расположения источников загрязнения и т. п.

Затем применительно к выделенным полосам тока проводят расчеты миграции вещества в одномерном потоке с учетом только горизонтальной скорости фильтрации. В некоторых случаях (зна­чительная роль инфильтрации загрязненных вод в водоносный го­ризонт с поверхности, вертикальная фильтрационная неоднород­ность, повышенная плотность инфильтрующихся вод и др.) для выделенных полос тока целесообразно изучать миграцию в про­фильно-двухмерном потоке с учетом различия горизонтальных и вертикальных составляющих скорости фильтрации; методика этих расчетов рассмотрена в работах О. Стрэка, В. М. Шестакова и Л. С. Рыбниковой.

Модель конвективного переноса веществ, или «поршневого» вытеснения воды одного состава водой другого состава, широко используется в СССР и за рубежом не только при прогнозе каче­ства воды в связи с оценкой эксплуатационных запасов подзем­ных вод, но и при разработке проектов технических мероприятий по защите подземных вод от загрязнения, а также для расчетов границ зон санитарной охраны водозаборов подземных вод (см. главы 9 и 10).

Для прогноза массопереноса в подземных водах применяют различные методы расчета — аналитические (для простых схем фильтрации и миграции), графоаналитические, а также аналого­вое и численное моделирование. Методика аналитических расче­тов, позволяющих для некоторых схематизированных условий и расчетных схем определить на основе модели конвективного пе­реноса время и дальность продвижения границы раздела чистых и загрязненных вод при работе водозабора, изложена в работах [1, 3 — 5,8, 9, 11, 12, 17,25,34 и др.]

При моделировании фильтрации и массопереноса на ЭЦВМ используются конечно- и вариационно-разностные численные ме­тоды, причем последние реализуются обычно в виде различных модификаций метода конечных элементов. На ЭЦВМ также обыч­но вначале моделируют фильтрационный поток, а затем по отдель­ным направлениям рассчитывают миграцию. Известны моделирую­щие системы, в которых модели фильтрационного течения и мас­сопереноса объединены [34, 36]. Примером успешного использования модели конвективного переноса веществ с целью прогноза качества воды в проектируемом водозаборе является исследование, выполненное для Шадринского водозабора в доли­не р. Исети [27]. Прогноз качества подземных вод оказался не­обходимым в связи с ожидаемым перетоком из выше- и нижеле­жащих водоносных горизонтов. Здесь из трех этажно расположен­ных и взаимосвязанных водоносных горизонтов (сверху вниз, четвертичный аллювиальный в песках, нижнеэоценовый в опоках, верхнемеловой в песках и песчаниках) для централизованного водоснабжения выбран средний, залегающий на глубине 30 — 40 м. Водоносные горизонты разделены слабопроницаемыми толщами — диатомитовой и аргиллитово-мергельной. Гидрохимические условия района характеризуются плановой и вертикальной неоднородно­стью водоносных горизонтов, связанной с разгрузкой подземных вод в пойменной части долины и влиянием региональных глубин­ных тектонических нарушений. Минерализация (в г/дм³) подзем­ных вод с глубиной увеличивается: в четвертичном горизонте она составляет в среднем 0,6 (местами более 1), в нижнеэоценовом опоковом 1,9 (в плане минерализация изменяется от 0,8 до 3,5, а в разрезе от кровли к подошве увеличивается в 1,5 — 3 раза), в верхнемеловом 6 — 8. В условиях работы проектируемого водо­забора, имеющего большую производительность, в опоковый горизонт будут привлечены подземные воды из аллювиального и верх­немелового водоносных горизонтов. Прогноз фильтрации в много­слойной толще и изменений химического состава подземных вод опокового горизонта при водоотборе выполнен на численной не­стационарной математической модели. По результатам моделиро­вания установлено, что через 25 лет основная часть (75%) водо-отбора будет формироваться за счет перетока из четвертичного аллювиального горизонта, а остальная часть (25%) — за счет при­влечения воды из удаленных участков опокового. Расчеты концен­трации солей в отбираемой воде, проведенные по схеме смешения вод различной минерализации, подходящих к водозабору по от­дельным полосам тока, показали, что в начальный период минера­лизация составит 1,61 г/дм³, через три года эксплуатации она увеличится до 1,68 г/дм³ (из-за привлечения более минерализо­ванных вод опокового горизонта с участков, приуроченных к дну долины), а затем, вследствие поступления пресных вод аллюви­ального горизонта, начнет снижаться и через 13 лет составит 1,5 г/дм³, а через 25 лет — 1,43 г/дм³.

Более сложная численная модель миграции, учитывающая фи­зико-химические процессы, применена Дж. Робертсоном при изу­чении распространения радиоактивных и химических отходов от ядерных реакторов в подземных водах. Фильтрационный поток был отражен на конечно-разностной модели; в модель массопере­носа включены конвективный перенос, двухмерная дисперсия, ра­диоактивный распад и обратимая равновесная сорбция по линей­ной изотерме.

Для изучения миграции стронция в численной модели, разра­ботанной К. Миллером и Л. Бенсоном [42], кроме конвективно-дисперсионного переноса отражены сорбция ионов и комплексов на твердой фазе, формирование комплексов в водной фазе, дис­социация. Уравнения, характеризующие взаимодействие веществ, их перенос и ионный обмен, выражены в дифференциальной и ал­гебраической формах и решаются совместно. Методика численного моделирования для изучения миграции в системе пресные воды — соленые воды при эксплуатации водозабором линз пресных вод, залегающих над минерализованными водами, предложена Я. и X. Рабинами [45].

Г Л А В А 6.