Экопрогнозы техногенных процессов

При изучении и оценке свойств геологичес­кой среды, формирования и развития техногенных процессов, необхо­димых для эколого-гидрогеологического обоснования мер защиты биосферы и, прежде всего, человека, выполняются экопрогнозы этих процессов различными методами.[7,9,10]

Методы экопрогнозов важнейших техногенных эколого-гидрогеологических процессов по степени их изученности, делятся на три группы.

К первой относят наиболее изученные техногенные процессы, для которых научные основы прогнозов в настоящее время хорошо разработа­ны. Это процессы вторичной консолидации осушенных рых­лых пород, депрессионного уплотнения песчано-глинистых пород при снятии пластового давления в напорных водоносных горизонтах, формирования депрессионной воронки при осу­шении горных разработок и на водозаборных сооружениях, вторичного засоления почв на орошаемых землях, ре­жима уровня грунтовых вод на орошаемых массивах, подтопления территорий и сооружений и др. С этими процессами связано решение ряда прикладных гидрогеодинамических и гидрогеомеханических задач.

Вторая группа охватывает менее изученные техногенные про­цессы, научные основы прогнозирования которых разработа­ны недостаточно. К ней относят группы процессов, определяющих влияние техногенеза на гидрогеохимические параметры водоносных горизонтов, подвергающихся техногенному воздействию. Это техногенное загрязнение пресных подземных вод при их эксплуатации, миграция различных загрязнений в горных породах, различных загрязнений в пластовых условиях и др.

Третья группа процессов — качественно прогнозируемые — мало изучены и крайне сложные, где ведущая роль принадлежит взаимодействию разнонаправленных по тепломассообмену техногенных процессов и др. К ним относится прогнозирование процессов суффозионно-карстового выщелачивания карбонатных пород и процессов взаимодействия подземных вод и горных пород с микроорганизмами и природными газами и др.

Для прогнозов первой и второй группы техногенных процессов в настоящее время используются известные гидрогеодинамические и гидрогеохимические методы (в том числе для сложных условий с применением моделирования и ЭВМ). Методика прогнозных решений геоэкологических задач с использованием названных методов подробно изложена в опубликованных работах [ 9, 10]

В практике эколого-гидрогеологических исследований чаще всего приходится сталкиваться с прогнозом наиболее сложных техногенных гидрогеохимических и радиогенных процессов, негатив­ное влияние которых проявляется в форме химического, санитарно-бактериологического загрязнения и зараженности подземных вод.

Пример решения таких наиболее сложных геоэкологических задач на конкретном объекте рассмотрен в 5 разделе настоящого пособия.

Как показывает многолетний опыт, при эксплуатации водозаборных сооружений питьево­го назначения или системы дренажа производственного на­значения прогноз техногенного изменения качества воды сводится к решению следующих задач: 1) оценка возможности проникновения загрязнения в "область захвата" водозабора; 2) определение времени подтягивания загрязненных вод к участку водозабора; 3) оценка степени изменения качества подземных вод продуктивного горизонта, происходя­щего под влиянием техногенного загрязнения; 4) разработке рекомендаций по защите геологи­ческой среды от негативного влияния техногенных гидрогео­химических процессов, при возможном загрязнении подземных вод.

Решение этих задач для простых гидрогеологических усло­вий можно выполнить приближенными методами расчетов; в сложных гидрогеологических условиях работы водозаборного сооружения (сложность граничных условий пото­ка в плане, фильтрационная неоднородность продуктивной толщи и др.) целесообразно использовать метод математичес­кого моделирования.

Важнейшим фактором, определяющим условия миграции загрязнений от техногенных очагов до во­дозабора является гидродинамический, характеризующий наличие или отсутствие на изучаемом участке естественного движения под­земных вод. В связи с этим целесообразно рассматривать мето­ды прогноза техногенного загрязнения подземных вод на водозаборных сооружениях раздельно для условий есте­ственного потока и бассейна, где естественная скорость пото­ка очень мала и при расчетах ею можно пренебречь.

Расстояние, на котором могут находиться от водозабора существующие объекты возможного загрязнения, приближенно можно рассчитать по уравнению

Tq

l= -------,

mn

где T - время продвижения загрязненного потока;

m - мощность водоносного горизонта;

n - активная пористость пород;

q- удельный расход потока;

A - коэффициент, учитывающий сорбцию, и коэффициент распределения собрируемого компонента между водой и природой:

A=(l+b)/b

В случае отсутствия данных по величине коэффициента b значение l определяется приближению по уравнению

l= Tq/ Amn

Согласно рекомендации А.Е. Орадовской и Н.Н. Лапшина (1987) при проектировании линейного берегового (инфильтрационного) водозабора, расположенного от реки на расстоянии х₀ и имеющего длину z, расходы потоков, поступающих со стороны реки Q_p и от береговой Q_б зоны, могут определяться по уравнениям :

zkm(H_р – H_в) zkm(H_к – H_в)

Q_p =--------------- Q_б= ------------------- ,

x₀ x_k-x₀

где H_р и H_в – уровни воды в водозаборе и реке;

H_к - естественный уровень подземных вод на берегу на расстоянии х_к от водозабора.

Те же авторы предлагают определять концентрацию любогокомпонента в водах водозабора после смешения речных и береговых вод по уравнению

Q_p С_р + Q_бС_б

С_i= ------------------ ,

Q_p+ Q_б

где С_р, С_б – концентрации компонента в реке и береговых водах.

Время подтягивания загрязненной воды к водозабору, расположенному в удалении от реки на расстоянии ч_ф от источника загрязнения, определяется по формуле

πmn (ч_ф ²-ч₀ ²)

Т=--------------------- ,

Q_в

где ч₀ – радиус водозабора; Q_в - его расход.

В случае перетока загрязненной воды из смежного водоносного горизонта максимальная концентрация загрязняющего компонента С_i в водозаборе напорных вод составляет

С_п (С_э-С_п) (km)_э

С_i=---------------------- ,

(km)_э+(km)_п

где С_э и С_п - концентрации загрязняющего компонента в водоносных породах загрязненного и в водах эксплуатируемого горизонтов;

(km)_э и (km)_п – водопроводимости эксплуатируемого и питающего загрязненного горизонтов.

Для водозаборного участка, расположенного в естествен­ном потоке, решение задачи, произ­водится на основании учета положения в плане потока так называе­мой нейтральной линии тока относительно выявленного кон­тура техногенного загрязнения подземных вод. Если очаг заг­рязнения располагается за пределами "области захвата" водозабора, то нет оснований ожидать техногенного загрязнения подземных вод, если в контуре "захвата", то решение таких задач возможна аналитическими и другими методами, изложенными в работах.[ ]

Время достижения загрязненными водами с постоянным расходом уровня грунтовых вод определяется по уравнению:

t=n*H/k *[m/H-ln(1+m/H)] ,

где n – пористость пород зоны аэрации,

Н – высота слоя сточных вод в хвостохранилище,

k – средний коэффициент фильтрации,

m – мощность пород зоны аэрации.

Время попадания в горные выработки вод с повышенной минерализацией вычисляется по формулам:

- при отсутствии естественного потока, т.е. в бассейне для «большого колодца»

T=πmnx₁²/Q,

- для траншеи

T=2πmnlnx/Q,

- в неограниченном в плане водоносном горизонте при наличии естественного потока по его направлению

T=n/K_i *[x₁-x_Aln(x₁/x_A+1)];

- в полуограниченном пласте с контуром питания

T=πnmd/3Q* [2+(x₁/d)³-3x₁/d];

Если граница вод повышенной минерализации совпадает с кнтуром питания водоносного горизонта, то

T=2πmnd²/3Q,

где Т – время подтягивания минерализованных вод; n- активная пористость; d – расстояние от выработок до контура с постоянным напором; x₁ – расстояние от контура питания до границы с минерализованными водами: x_A – расстояние от центра выработок до контура минерализованных вод; i – уклон естественного потока.

Минерализация дренажных вод на любой момент времени после смещения вод для условий неограниченного бассейна определяется для «большого колодца» по зависимости C=C₀+(C₁+C₀)/π*arccosT/t,

где С,С₁,С₀ – соответственно минерализация дренажных вод на момент времени t, минерализация пресных вод и повышенная минерализация вод; T – время подтягивания первых порций воды повышенной минерализации; t – время, на которое определяется минерализация.

Прогноз техногенного изменения химического состава под­земных вод при оценке миграции от загрязнителя до водоза­бора следует рассматривать преимущественно в виде массопереноса в подземных водах.

Массопереносом в подземных водах называют движение, при котором происходит одновременное изменение количества воды, ее минерализации и химического состава, сопровождаемое различными физико-химическими процессами (ионно-сорбционным обменом, растворением, осаждением и др.). Такое совместное изменение получило название гидрогеохимического процесса или гидрогеохимическая миграция подземных вод.Линии, проведен­ные на гидрогеохимических картах или разрезах перпендикулярно изолиниям минерализации (изоминам) или изолиниям содержания различных компонентов химического состава (изохорны) подземных вод, показывают направление массопереноса. При изучении массопере­носа предполагается, что гидродинамика потока известна, т.е. опреде­лены градиенты и скорости фильтрации, а также расход потока подземных вод.

Перенос массы растворенного вещества подземными водами осу­ществляется тремя основными способами. 1) конвекцией, 2) диффузией и 3) гидродисперсией.

Конвекция (поршневое вытеснение) возникает, когда движущаяся вода одной минерализации и состава механически, как поршень, вытесняет воду, имею­щую другую минерализацию и состав. Предполагается что никаких гидро­геохимических взаимодействий между этими водами, а также водами и породой не происходит. На границе фронта вытеснения происходит резкий скачок минерализаций и химического состава воды. Скорость движения этой границы полностью зависит от скорости фильтрации v потока подземных вод. Смещение Δl (в м, км) границы раздела за время t (в сут, годах) можно определить из следующей формуле:

^{Δl= =} ,

где k, I, n₀, v- соответственно коэффициент фильтрации, градиент потока, активная пористость и скорость фильтрации на участке, где идет перемещение границы раздела (фронта вытеснения).

Так, река, (Пример по И.К. Гавич) которая загрязняет напорный водоносный горизонт, представленный песками, k = 10 м/сут, n_c=0,1. Средний градиент потока I в зоне влияния водозабора равен 10^-4, водозабор находится на расстоянии 100 м от реки. Определить, за сколько суток загрязненная вода, имеющая М = 5 г/л, дойдет до водозаборных скважин. Используя формулу ^{Δ l=} , запишем ее относитель­но t.

Получим: t=Δln₀/kI.

Подставив исходные данные, найдем, что вода с минерализацией 5 г/л дойдет до водозаборных скважин через 10⁴ сут, т.е. через 25 лет.

Процесс конвективного переноса наблюдается, например, при внедрении загрязненных речных вод в "чистые" подземные воды при их откачке водозабором, расположенном вблизи реки.

Основными параметрами процесса поршневого вытеснения являются n₀ и v. При конвекции можно в обобщенном виде учесть сорбцию, тогда вместо n₀ используют в расчетах n_э - эффективную пористость породы. Значения п_э могут быть самыми различными; чем сильнее выявляется влияние сорбции, тем больше эта величина и может быть больше единицы. Определяется она экспериментально.

Диффузия характеризует молекулярный перенос вещества и проявляется в тех случаях, когда скорость фильтрации v воды близка или равна нулю. Перенос компонентов, растворенных в подземной воде, идет под действием градиента их концентрации и определяется уравнением Фика, аналогичным уравнению Дарси:

Q_c=D_μFI_c ,

где Q_c - количество или поток вещества, перемещающегося через площадь поперечного сечения потока F под влиянием градиента концентрации I_c; D_m - коэффициент диффузии, зависящий от типа пород, структуры порово-трещинного пространства, влажности пород и других факторов (измеряется в м ²/сут и по физическому смыслу аналогичен коэффициенту фильтрации). Обычно он равен n 10^-4 м²/сут, n=1 9. Градиент концентрации определяется формулой

I_с= (С₁-С₂)/l ,

где С₁ С₂ - соответственно концентрации изучаемого компонента, измеренные в сечениях, находящихся на расстоянии l друг от друга.

Основным параметром процесса молекулярной диффузии является D_м (определяется экспериментально или по справочной литературе).

Процесс гидродисперсии более сложный и соединяет в себе как бы два предыдущих: поршневое вытеснение и сопровождающее его рассеивание вещества в порово-трещинном пространстве горных пород., возникающее вследствие неравномерной скорости движения частиц подземного раствора (молекул воды, ионов, комплексов и т.п.). В результате образуется зона дисперсии шириной 2Δх_n, где наблюда­ется закономерное изменение концентрации компонента от С° до С₀.

Если рассеивание вещества осуществляемое потоком воды, идет в порах и трещинах, то называется микродисперсией, если в слоистых толщах или трещиноватых породах, разбитых сетью крупных трещин на блоки разных размеров, - макродисперсией.

Влияние пород на характер рассеивания оценивается коэффициентом дисперсии D,измеряемым в м²/сут, который зависит от типа породы, структуры порово-трещинного пространства, размеров и формы час­тиц, трещин и блоков породы, скорости и направления фильтрации. Коэффициент микродисперсииравен n 10^-5 - n 10^-4 м²/сут, макродисперсии - n 10^-3 - n 10^-2 м²/сут и более. Оба коэффициента определяют экспериментально, первый в основном по лабораторным опытам, второй - по данным полевых опытов.

Решение для одномерного процесса гидродис­персии имеет следующий вид

^{с= = 0,5 erfcξ}

при

^{ζ= ,}

где С - относительная концентрация изучаемого компонента; С, С₀, С°- концентрация компонента соответственно искомая, начальная в момент времени t = 0, максимальная, заданная на границе х = 0, до которой она мгновенно повышается или уменьшается (в зависимости от того, рассматривается процесс засоления, "загрязнения" или рассоления, "очищения"); erfcξ- табулированная функция, аналогичная функции erfcλ, равная 1 - erfξ, а erfξ, - известный интеграл вероятности; х - координата точки, находящейся на расстоянии х от границы, в которой определяется относительная концентрация компонента С на момент времени t.

Размер переходной зоны (зоны дисперсии) характеризуется вели­чиной Δх, на которую передняя граница этой зоны обгоняет фронт поршневого вытеснения, находящегося на расстоянии х₀ от границы, где задана концентрация С°. Половина ширины зоны дисперсии равна

Δx_n=2 = 2

при

x₀= vt/n₀

Известны также аналитические расчеты распространения загрязнения в области захвата водозабора, изложенные в работе Е.Л. Минкина ( 12 ). При стационарном режиме фильтра­ции нейтральная граница возмущенного потока остается постоянной во времени и химическое загрязнение было обнаружено за пределами области захвата водозабора, то загрязнение практически не может оказать своего влияния на ухудшение качества воды на водозаборном участке, за исключением тех случаев, когда загрязнение обнаружено выше по потоку от водозабора.

Если в процессе эксплуатации загрязнение выявлено непосредственно в пределах площади захвата водозабора, то следует произвести расчет времени возможного его распространения и появления в эксплуатационных скважинах. Методика аналитического решения таких задач подробно изложена в работах В. Д. Бабушкина, И. С. Глазунова, В. М. Гольдберга, В. М. Шестакова, Ф.М. Бочевера (3, 4, 5, 7 ).

Н.И. Плотников рассматривает в этом отношении приближенное решение задач для двух наиболее характерных случаев [14].

с₁ 2

х₁

с₀

l l l l

¹

Рис. Схема к расчету времени подтягивания загрязнения в беско­нечном пласте

1 — линейный ряд равнодебитных равно­мерно размещенных скважин; 2 — граница раздела пресных вод продуктивного горизонта с минерализацией с₀ и загрязненных вод с минирализацией c₁

Для линейного ряда взаимодействующих равнодебитных скважин, распо­ложенных в неограниченном водоносном пласте на равных расстояниях друг от друга (рис.) время начала подтягивания загрязнения со стороны первоначального положения границы раздела пресных вод с загрязненными приближенно можно .определить по следующему выражению:

^T= ,

где — дебит отдельной взаимодействующей скважины; h — мощность водоносного горизонта; п₀ — активная пористость пород водоносного горизонта.

Это уравнение действительно при

Приведенное выше уравнение отвечают таким гидрогеологическим условиям, когда водозаборное сооружение распо­ложено на площади артезианского бассейна.

Для инфильтрационных водозаборов, рас­положенных в долинах рек (рис. ), время начала подтягивания к водозабору фронта за­грязненных вод от очага их распространения на террасовой поверхности можно определить по следующей формуле:

^T= ,

где Q — дебит отдельной скважины линейного ряда, для которой производится определение; d, — расстояние линейного ряда скважин от реки; l— расстояние между скважинами; у — расстояние от реки до контура загрязнен­ных вод.

У₁

_{l l}

^d

Рис.. Схема к расчету вре­мени подтягивания загрязнения в полуограниченном пласте

1 — контур постоянного напора; г — линейный ряд равнодебитных равно­мерно размещенных скважин инфильтрапионного водозабора; з — граница раздела пресных и загрязненных вод

Применение для расчетов приведенной формулы требует выполнения следующих условий: 1) ли­нейный ряд скважин имеет сравнительно боль­шую протяженность; 2) дебит скважин является одинаковым; гидравлическая связь с рекой хорошая, дебит скважин обеспечивается преимущественно за счет береговой инфильтрации поверхностных вод (притоком со стороны террасовой поверхности практически можно пренебречь); 3) расстояние между скважинами в ряду одинаковое.

Если дебиты скважин линейного водозабора неодинаковы, то в расчетах можно принимать средний дебит скважин; то же относится и к расстоянию между скважинами в ряду.

В том случае, если загрязненные флюиды имеют по сравнению с пресными подземными водами более высокую минерализацию и распространены на значительной площади, прогнозную оценку возможного изменения минера­лизации вод продуктивного горизонта можно выполнить (для линейного водозабора в неограниченном пласте) с использованием следующего уравнения:

^{С = С}0⁺

где С₀ — минерализация пресных подземных вод; С₁ — минерализация за­грязненных (соленых) вод; Т — время начала подсоса соленых вод; опреде­ляется по формуле; t — расчетный момент времени, для которого определяется минерализация воды в водозаборных скважинах. При этом ^b=

Следует иметь в виду, что выражение можно использовать при условии, когда t > Т, т.е, после начала подтягивания загрязненных вод. Предельное содержание загрязнений в воде на водозаборном участке через достаточно большой промежуток времени (t ), будет

^Смакс⁼ ,

т.е. равно полусумме минерализации пресных и загрязненных вод/

Миграционные параметры пласта, которые используются в приведенных формулах при гидрогеологических прогнозах определяются по данным опытно-миграциооных работ (ОМР), рассмотренных ниже.[9]

Интерпретация результатов ОМР, проведенная по специально разработанной методике, позволяет рассчитать активную пористость пласта n и макродисперсию δ₂.

Определение исходных параметров: активной пористости (при наличии физико-химических реакций взаимодействия вода-пласт n рассматривается как эффективная пористость) и макродисперсии δ₂- возможно только на основе полевых миграционных опытов. Наиболее информативным методом полевых опытов определения миграционных параметров является кустовой налив. Однако его применение связано с бурение одной или нескольких наблюдательных скважин, что делает проведение опыта малоэффективным с технико-экономической точки зрения.

Более простой, хотя и менее информативной, является односкажинная налив-откачка, когда в опробуемую скажину наливают трассерный раствор в течение некоторого времени. Затем из этой скажины осуществляется откачка с дебитом, превышающим расход налива.

В качестве трассера при опробовании водоносных продуктивных горизонтов могут быть использованы хлор-, бром-, нитрит- ионы, радиоактивные и другие элементы. Предлагаемые трассеры могут отличаться существенно от пластовой воды как по химическим, так и по физическим характеристикам. Тогда обработка данных опыта идет не по одному, а по двум индикаторам, что существенно повышает достоверность определения искомых миграционных параметров.

Методика определения искомых миграционных характеристик пласта для односкважинной налив-откачки основывается на решении радиального уравнения массопереноса, которое имеет вид при пренебрежительно малой роли молекулярной диффузии

2πnmr дс дс д2c

------- _* --- + --- = δ₂ ------,

Q дt дr дr₂

Для определения исходных параметров при значительном времени налива может быть использовано приближенное решение вышеприведенного уравнения:

^{с = 0,5 erfc(ζ),}

где

Q_н (t_н - t)

^ζ = ------ * ---------- ,

Q_от 2√δ₂nt

которое справедливо с погрешностью не более 5% при условии

t_н>0,25Q_от/Q_н *δ₂n,

где Q_н и Q_{от –} дебит налива трассера и откачки соответственно; t_{н –} время налива.

^с=

где С и С₀ – текущие и исходные значения концентрации индикатора; С₀- фоновое значение концентрации индикатора в опробуемом водоносном горизонте.

Для полной обработки опытных данных по формуле C = 0,5 erfc(ξ),

Строится график зависимости ζ =√tξ от t, где ξ=inferf(2C), имеющий вид прямой, пересекающей оси ζ и t в точках ζ ⁰ и t⁰. По величине этих отрезков может быть определен комплексный параметр δ₂n=(t⁰/2 ζ)²

Имея значения пористости, по данным наблюдений за индикатором непосредственно определяют параметр дисперсии. При малом времени откачки применимо другое асимптотическое решение:

^{C = erfc(ξ),} где

Q_н t_н

ξ= ------ * ---------- ,

Q_от 2√δ₂nt

при условии t=<2,5*10^-4δ₂n

Метод определения параметров аналогичен выше рассмотренному.

Обработка полученных в процессе опыта данных выполняется в следующей последовательности:

1. По каждому определения концентрации индикатора в ходе опыта его относительная концентрация в откачиваемой воде вычисляется по формуле:

С(t)= С(t) – C₀ / C⁰ – C₀,

где С(t) – текущая концентрация индикатора на время t, С₀—фоновая концентрация индикатора в пластовой воде до закачки рабочей жидкости; С⁰ – концентрация индикатора в рабочей жидкости.

2. Используя литературные данные, определяем показатель ζ ₂(t)=inferf(2C(t)-1)

3. Строим график зависимости ζ ₂ от t, имеющий вид прямой, точки пересечения которой с осями координат есть t⁰_от и ζ ⁰₂.

Затем из следующих соотношений определяем параметры миграции n_н,n_от и δ₂:

где n_{от –} активная пористость при откачке, n_н – активная пористость при нагнетании, Q_от-дебит откачки, Q_н-расход нанетания, t⁰_от- время откачки, определяется из графика по п.3, t_н – время нагнетания,δ₂-макродисперсия, ζ ⁰₂-определяется из графика по п.3.

Проведение полевых ОМР с использованием односкважинной налив-откачки, несмотря на меньшую информатив­ность по сравнению с кустовым наливом, экономически целе­сообразно. Интерпретация результатов ОМР по рассмотренной выше методике позволяет определить миграционные парамет­ры пласта, учет которых значительно повышает достоверность прогнозных гидродинамических расчетов продвижения конту­ра вод некондиционного состава.

Односкажинный метод исследований (налив-откачка), опробованный В.Н. Лукиным, Д.А. Манукяном, Г.И. Потаповым на одном из месторождений промышленных вод для получения мигарционных параметорв пласта, рассмотрен в работе [9]

На объектах со сложными эколого-гидрогеологическими условиями, прогнозную оценку техногенных процессов и техногенеза в целом, целесообразно выполнять методом математического моделирования. Это позволяет наиболее полно учесть все детали фильтрационного объекта.

Так математическое моделирование было выполнено для прогнозной оценки биосферных и ландшафтных условий, изме­няющихся в стадии длительной эксплуатации группы железо­рудных месторождений Курской магнитной аномалии (Лебядинского, Михайловского, Стойлинского и др.). В этом райо­не действует группа дренажных систем с целью осушения карьерных разработок, групповых водоразборов подземных вод, используемых для водоснабжения городов и других населен­ных пунктов, система хвосто-, шламо- и водохранилищ.

При такой тесной компоновки водонесущих систем на срав­нительно небольшой площади с помощью математического моделирования изучались:

1) балансовая структура источников обводнения горных разработок и техногенного питания под­земных вод за счет неизбежных инфильтрационных потерь со стороны водонесущих сооружений;

2) влияние мощных дренажных систем на производитель­ность действующих водозаборов для предотвращения возмож­ного снижения их производительности и др.

В общей сложности оценивались изменения ландшафтных и биосферных условий района в результате промышленного ос­воения большой группы железорудных месторождений.

Для региональных прогнозов техногенных загрязнений подземных вод изучаемого региона необходимо иметь информацию о фоновых значениях химического состава подземных вод и длительного ряда наблюдений за режимом качества. На основании результатов региональных натурных исследований и составления прогнозных эколого-гидрохимических карт в региональном плане оценивается опасность загрязнения исследуемой территории. Эта оценка носит сравнительный приближенный характер.