Моделирование миграции подземных вод

Гидрогеомиграционная схематизация

Гидрогеомиграционная схематизация представляет собой этап тео­ретического обоснования изучения миграции подземных вод на физико-химической основе. На первом этапе производится коли­чественное обоснование факторов и условий миграции подземных вод, включая исходные математические модели миграционных про­цессов (переноса, обмена и превращений) с заданием миграцион­ных параметров. Поскольку основной формой переноса является конвекция с фильтрационным потоком, то гидрогеомиграционная схематизация должна опираться на позиции геофильтрационной схематизации.

При изучении процессов загрязнения подземных вод необходи­мо прежде всего установить структуру баланса и течения потока подземных вод, обратив особое внимание на балансовые характе­ристики поступления загрязняющих мигрантов.

90

На сельскохозяйственных территориях поступление загрязняю­щих мигрантов из удобрений и ядохимикатов определяется интен­сивностью инфильтрации оросительных вод и концентрацией ми­грантов, прошедших почвенный слой с инфильтрующейся водой. В почвенных слоях происходят значительные преобразования этих мигрантов, причем они имеют столь специфический характер, что их анализ выходит за рамки гидрогеологических исследований. По­этому реальным представляется определение характеристик ин - - фильтрационного потока и концентрации мигрантов под почвенны­ми слоями опытным путем в зависимости от агромелиоративной обстановки. Эти характеристики используются далее в исследова­ниях миграционных процессов в зоне аэрации и подземных водах как заданные граничные условия.

На территориях промышленных предприятий поступление за­грязняющих мигрантов происходит вследствие фильтрации из бас­сейнов промышленных стоков, инфильтрации загрязненных атмос­ферных осадков, потерь из коммуникаций и т. п. Во всех случаях балансовые характеристики потока, несущего загрязняющие ми­гранты, а также их концентрации, не могут прогнозироваться без обоснования по данным, полученным в ходе специальных исследо­ваний на рассматриваемом объекте или на объектах-аналогах.

При фильтрации загрязняющих мигрантов из хранилищ стоков (промышленных, коммунальных, сельскохозяйственных) и хвосто - хранилищ необходимо определение фильтрационных потерь, обус­ловливаемых проницаемостью экранов и экранирующих отложе­ний и изменяющихся в широких пределах в зависимости от раз­личных технологических условий. Из отвалов и свалок загрязняю­щие компоненты поступают путем инфильтрации поверхностных осадков, вымывающих содержащиеся в этих отвалах токсичные вещества, а также отжатием содержащихся в них растворов. В этом случае пределы интенсивности площадного питания под отвалом или свалкой можно установить исходя из того, что она, как правило, выше обычной интенсивности инфильтрации, но не превосходит интенсивности выпадения осадков. Концентрация поступающих мигрантов для высокорастворимых солей (хлори­дов) обычно близка к полному насыщению, а для слабо - и сред - нерастворимых пород она требует специального изучения.

Установление количественных балансовых характеристик по­ступления загрязняющих мигрантов пока является одним из са­мых слабых мест гидрогеомиграционной схематизации, нередко определяющим достоверность миграционных прогнозов. Поэтому предварительные прогнозы загрязнения подземных вод (до начала эксплуатации загрязняющего объекта) неизбежно носят предпо­ложительный характер и определяют потенциальные возможности этих процессов.

Требования миграционных расчетов вносят ряд особенностей в схематизацию геофильтрационного строения. К таким особеннос­тям прежде всего следует отнести повышенный интерес к изуче­нию вертикальной неоднородности (особенно слоистости) пласта с учетом ее распределения в пространстве и большую значимость оценки изолирующих свойств разделяющих и покрывающих пород («покрышек» водоносных пластов).

При изучении слоистости водоносных пластов особое значение имеет выделение наиболее проницаемых слоев, по которым пере­нос компонентов происходит быстрее. Фильтрационное расчленение водоносных пластов, представленных песчаными и песчано-гравий - ными отложениями, проще всего производится с помощью расче­тов относительной проницаемости отдельных слоев по формулам, связывающим коэффициент фильтрации с характеристиками их гранулометрического состава [38]. Послойное установление про­ницаемости скальных пород может производиться по данным рас - ходометрии и резистивиметрии скважин, однако в такие определе­ния существенные искажения может внести неравномерности при - скважинного сопротивления. Наиболее достоверные данные по слоистости пласта должны давать траеерные опыты при откачках и наливах (см. гл. 9).

Определение изолирующих свойств «покрышек» водоносных пластов наиболее важно при решении задач охраны подземных вод, таких, как оценка возможности перетекания загрязняющих жидкостей в верхние пласты при закачке промышленных стоков или в нижние пласты при поступлении загрязнения с поверхности земли. Проницаемость сравнительно проницаемых разделяющих пластов (&;>10~3 м/сут) можно оценить по данным крупных и длительных откачек, а при наличии значительных перетоков в есте­ственных условиях — решением обратных задач геофильтрации по данным о распределении напоров.

Формулировка исходной математической модели гидрогеохими­ческой миграции в общем виде должна проводиться применительно к трем видам миграционных процессов: массопереносу, физико-хи­мическому обмену и гидрохимическим превращениям (см. гл. 6). При формулировках всех расчетных моделей требуется рассмот­реть возможности максимального их упрощения применительно к рассматриваемым условиям.

Для моделей переноса прежде всего следует оценить необхо­димость учета гетерогенности пород, используя критерий (6.45) — (6.46). Такая оценка позволяет обосновать необходимость диффе­ренцированной оценки емкости пород и параметров внутреннего массообмена. При переносе в слоистых пластах заслуживает вни­мания возможность применения схемы послойного переноса (см. гл. 4). Модель переноса в гетерогенной среде характеризуется сле­дующими основными параметрами: удельной емкостью каналов и блоков (пористость и трещиноватость), параметрами блокового обмена и удельным содержанием блоков. Их определение должно осуществляться с постановкой специальных опытно-миграционных опробований.

При схематизации физико-химических процессов обмена и пре­вращений следует прежде всего провести внимательное качествен­ное описание физико-химических реакций.

По способности к распаду выделяют консервативные и перси - стентные мигранты, причем первые не разлагаются биохимически и не адсорбируются на твердой фазе (например, хлориды), а вто­рые не подвергаются биохимическим воздействиям, но участвуют в сорбционных процессах (например, тяжелые металлы).

Следует проводить качественную оценку подверженности ми­грантов различным физико-химическим процессам замещения и обмена, а также возможностей ремобилизации мигрантов, выде­ляющихся из жидкой фазы (например, адсорбированных на твер­дой фазе породы).

При гидрогеомиграционной схематизации надо учитывать не только прямые связи изучаемых процессов с природной обста­новкой, но и обратные, с постановкой практических (или на­учно-методических) задач. Для реализации обратных связей эф­фективно проведение численных экспериментов как разведочного характера, т. е. для обоснования целенаправленности полевых гидрогеологических работ, так и для оценки достоверно­сти решения прогнозных задач.