Прогнозування якості підземних вод при експлуатації

р.с Шенгелая

Згадаймо, що до експлуатаційних запасів можуть бути віднесені тільки ті кількості підземних вод, для яких доведено (на основі розвідувальних даних і прогнозних розрахунків) збереження показників якості протягом розрахункового терміну в межах нормативних обмежень для води господарсько-питного призначення. Спеціаліст-гідрогеолог, виконує пошуково-розвідувальні роботи, повинен повністю володіти системою нормативних документів, що діють на момент виконання робіт.

Якість води, що витягується водозабором, контролюється експлуатуючою організацією, а при подачі її в водорозбірні мережа - місцевими органами санітарно-епідеміологічного нагляду (СЕС). Контроль кондиційності води здійснюється за трьома групами показників:

органолептичні властивості (що безпосередньо впливають на органи чуття людини),

хімічний склад (загальна мінералізація, окремі макро-і мікрокомпоненти),

бактеріальна зараженість.

В ряді регіонів в силу об'єктивних природних умов використовуються для водопостачання підземні води вже у вихідному стані мають відхилення по вмісту заліза, марганцю, фтору, стронцію, барію, бору та ін У таких випадках вже при затвердженні величини експлуатаційних запасів передбачається виконання спеціальних заходів з водопідготовки на весь період експлуатації водозабірного споруди.

Набагато більш серйозною проблемою, яка потребує прогнозного рішення, є можливість зміни вихідних показників якості води при експлуатації водозабору в протягом розрахункового терміну. Фактори, що обумовлюють можливість зміни якості в часі:

-- природні - природна неоднорідність хімічного складу підземних вод, що створює можливість поступового підтягування некондиційних вод з віддалених частин області впливу водозабору (у тому числі, і з поверхневих вододжерел),

-- штучні, до яких належать техногенні забруднення самого різного походження.

Логіка етапи прогнозування якості

1. Виявлення ПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ  ЗАБРУДНЕННЯ (на початкових стадіях пошуково-розвідувальних робіт) - аналізується природна і техногенна гідрогеохімічних ситуація у певній передбачуваної області впливу майбутнього водозабору. З цією метою можуть виконуватися майданні знімальні роботи, обстеження проммайданчиків, сільгоспугідь, гірничопромислових виробництв, полігонів ТПВ, систем водовідведення населених пунктів та інших об'єктів, потенційно небезпечних відносно техногенного та побутового забруднення підземних вод. Ці роботи супроводжуються достатнім за обсягом комплексом хімічного випробування загального і спеціального призначення (в залежності від очікуваного складу забруднень).

2. Якщо такі джерела встановлені, то (після попереднього вибору місця і конструкції водозабору) необхідно оцінити Можливість потрапляння некондиційних вод в водозахватние пристрою. Для цього необхідно обгрунтувати зону захоплення водозабору. Під нею розуміється та частина області експлуатаційної депресії напорів, в межах якої всі лінії струму приходять в водозабір. Межа зони захоплення - нейтральна лінія струму (НЛТ). Зона захоплення може бути побудована аналітично (в простих гідрогеодінаміческіх схемах) або за результатами моделювання. Основою для її побудови служить гідродинамічна сітка, отримана графічним шляхом або шляхом вирішення зверненої завдання на моделі.

Приклад аналітичного побудови: одиночна свердловина (або компактний водозабір) з продуктивністю Q в природному потоці з градієнтом і питомою (одиничним ) витратою . Рівняння нейтральної лінії струму (положення прямокутних координат x, y на рис. 1):

Характерні точки на нейтральній лінії струму:

-- "вододільних" точка А:

-- точки В, В ':

Асимптота нейтральної лінії (полушіріна зони захоплення на нескінченності, при ) : оскільки на нескінченності можна вважати що зберігається природний градієнт , то , звідки .        

            

Рис. 1. Зона захоплення водозабірної свердловини в транзитному природному   потоці лінійної структури     

3. Якщо у виділену  зону захоплення водозабору потрапляє будь-якої з виявлених потенційних джерел забруднення з концентрацією (вміст будь-якого нормованого показника якості), то доцільно спочатку оцінити Гранично можливої ЗАБРУДНЕННЯ, тобто якість води в найгіршому варіанті, при повному попаданні забруднення в водозабір.

Принцип розрахунку - механічне змішування, що не завжди правомірно, тому що залежно від складу забруднення можливо хімічну взаємодію з пластової водою і водовмещающімі породами. На сітці руху виділяється стрічка струму, за якою забруднення буде переміщатися до водозабору (мал. 2), і для неї розраховується витрата надходження забрудненої води в водозабір (прийоми розрахунків елементів потоку на гідродинамічної сітці студентам відомі ще з курсу "Гідрогеологія"). Сольовий баланс для води, що витягується водозабором:

або де

Можливо, що за результатами такого розрахунку виявиться, що навіть у граничному випадку результуюча концентрація компонента забруднення на водозаборі виявиться помітно менше ГДК, т . е. потенційно це забруднення не небезпечно.        

            

Рис. 2. Схема до розрахунку граничного забруднення     

Природно, що це лише один з варіантів розрахунку, який передбачає, що джерело забруднення зберігає свою інтенсивність протягом усього терміну експлуатації, що зовсім необов'язково.

4. Однак , Навіть якщо виявиться, що забруднення загрожує водозабору (> ГДК), слід розрахувати КРИТИЧНЕ ЧАС - час підтягування забруднення до водозабору. Природно, це має сенс, якщо визначено розрахунковий термін експлуатації . Для комунальних водозаборів нерідко передбачається необмежений термін експлуатації - зрозуміло, що тоді забруднення рано чи пізно, але обов'язково потрапить у водозабір. Однак, навіть і в цій ситуації розрахунок критичного часу слід зробити - хоча б для розуміння перспективи і вироблення альтернативних рішень або заходів щодо захисту водозабору. Можливі підходи до розрахунку критичного часу надходження забруднення в водозабір:

а) Спрощене уявлення про перенесення забруднення в потоці - "поршневе витіснення ":

,

де - оригінал відстань (по найкоротшою лінії струму) до контуру забруднених вод; дійсна швидкість переміщення фронту забруднення: ; -- відповідна швидкість фільтрації; - ефективна пористість і коефіцієнт фільтрації водовмещающіх порід; - градієнт напору в забрудненій стрічці струму.

При суттєвої неоднорідності (в межах забрудненої стрічки струму) по розрахунок слід виконувати дискретно, по кроках , межі яких поєднуються з контурами зон неоднорідності.

б) Чому (а) спрощене?

На Насправді фронт руху забруднення в потоці "розмазав" за рахунок процесів всякого роду дисперсії. Тому реально забруднення водозабору почнеться раніше, ніж розрахована за схемою поршневого витіснення , але і повне забруднення настане пізніше, ніж (рис. 3). Для будь-якого моменту часу правильно буде записати концентрацію на водозаборі так:

,

де - поточне (на момент ) значення концентрації води в "брудній стрічці" на стінці водозабірної свердловини.        

            

Рис.3. Характер надходження забруднення в водозабір     

Поняття "відносна концентрація" студентам вже знайоме:

тобто

Відповідно при (немає забруднення),

при (граничне забруднення).

Таким чином, завдання прогнозування реального режиму забруднення в часі полягає в обчисленні . Це робиться або аналітично (на основі відповідної міграційної схеми), або (для реальних структур потоків) - моделюванням міграції чисельними методами з використанням рівнянь конвективно-дифузійного переносу.

Проблема таких прогнозів надзвичайно складна; достовірність їх невисока - перш за все, через методичних і матеріально-технічних складнощів польових оцінок параметрів масопереносу. Докладні відомості за цими темами студенти отримують з курсів "Гідрогеодінаміка", "Фізико-хімічна гідрогеодінаміка "та інших. Тут ми дамо лише найбільш загальні та спрощені уявлення, мінімально необхідні для правильного сприйняття проблеми прогнозування якості підземних вод при експлуатації водозаборів.

Ефективна пористість - розрахунковий (формальний) параметр ємності, що враховує не тільки фізичну ємність водовмещающей породи (активну пористість ), а й фізико-хімічні процеси, що протікають на межі розділу фаз (сорбція-десорбції, хімічні реакції, катіонний обмін ...). Цей параметр характеризує сумарну поглинальну здатність водовмещающіх порід при русі речовини в підземних водах. Своєрідний фільтр, "вилучають" речовина з розчину, тоді як розчинник продовжує рухатися далі. За рахунок цього при даній швидкості фільтрації справжні швидкості руху чистої води та розчиненого в ній речовини виявляються різними:

Для кожного компонента забруднення або їх з'єднань слід оцінювати "своє" значення ефективної пористості, що враховує їх здатність до сорбції, хімічної взаємодії з породами.

де - коефіцієнт розподілу.

В діапазоні невеликих концентрацій можна приймати , де - концентрація компонента в рідкій фазі (в "брудному" розчині), - те ж для породи при стаціонарному стані системи. Чим більше , тим менше і відповідно - тим більше , тобто цей компонент "охоче" поглинається породою в тій чи іншій формі.

В силу формального характеру може бути більше 1. Потужні сорбенти -- тонкодисперсні породи (глини, опоки, діатоміти) за рахунок високої питомої поверхні.

Коефіцієнт дисперсії - кількісний параметр, що характеризує ступінь "розмазування" перехідної зони на фронті міграційного потоку. Величина його залежить від природи процесів, що викликають дисперсію:

-- молекулярна дифузія - "слабкий" процес (характерний розмір - см),

-- мікродісперсія - неоднорідність поля швидкостей в розрізі однієї доби і між порами (порожнечами) різного розміру ( "середній" процес - м),

-- макродісперсія - неоднорідність поля швидкостей за рахунок неоднорідності пласта в розрізі і в плані (блоки, пропласткі) - основний процес, що створює фронт дисперсії в сотні м і більше.

5. ЗАВЕРШЕННЯ  ПРОГНОЗУ ЯКОСТІ: якщо по етапах прогнозу отримано негативні відповіді, то потрібно або "закривати" родовище (немає експлуатаційних запасів!), або проектувати якісь захисні заходи:

1. Переміщення водозабірного ділянки - цим досягається збільшення довжини шляху (з відповідним зростанням ) або зміна положення зони захоплення.

2. Зменшення проектної продуктивності водозабору (тобто зменшення ЕЗ!), щоб зменшити швидкості і відповідно - величини .

3. Організація гідродинамічного захисту (ідеї без коментарів зрозумілі з рис. 6.4):        

            

Рис.4     

Технічна відкачування + QТ

Проблеми:

-- ЕЗ в принципі зменшуються (при тому ж дебіте зниження більше)

-- Що робити з відкачуємо "брудної" водою?

Технічна закачування-QТ (гідродинамічний барраж)

Проблеми:

-- ЕЗ начебто навіть збільшуються, але за рахунок технічної води, що може створити свої проблеми

-- Слідовітельно, якої якості повинна бути технічна вода?

-- І де взяти її в потрібній кількості?

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://web.ru