Моделирование миграции подземных вод
Конвективный перенос
В подземных водах зоны интенсивного водообмена, особенно при антропогенных воздействиях, основной формой переноса является вынужденная конвекция (конвективный перенос) мигрантов с движущимися частицами в потоке.
При описании конвективного переноса используется схема поршневого вытеснения, при котором усредняются скорости течения во внутрипоровом пространстве, т. е. предполагается, что в поровом сечении все частицы жидкости двигаются с одинаковой скоростью, равной средней действительной скорости течения u=v'/n0 (где v — скорость фильтрации; щ — активная пористость породы).
Соответственно кинематическое уравнение конвективного переноса. по схеме поршневого вытеснения для нейтральной метки, т. е. мигранта, не вступающего во взаимодействие с породой и другими мигрантами, в любом направлении / имеет вид
Dlldt — vjnQ, (4.1)
Где х» — скорость фильтрации в расчетной точке по направлению расчетной траектории движения. Таким образом, для расчетов конвективного переноса необходимо построение поля скоростей. фильтраций, которое производится путем решения соответствующей геофильтрационной задачи.
На поле скоростей фильтрации большое влияние оказывает неоднородность строения водоносных пород. В осадочных породах основной формой неоднородности является слоистость, характер которой определяется генетическими особенностями различных отложений. Аллювиальные отложения обычно имеют четко выраженную горизонтальную слоистость с монотонным увеличением проницаемости сверху вниз в пределах одного ритма осадконакопления с разрывами при смене ритмов (рис. 6). Для флювиогляциальных отложений характерна большая пестрота строения, в которой горизонтальная слоистость выражена менее четко (рис. 7). В карбонатных породах, формируются тонкие зоны повышенной проницаемости (трещиноватости), которые могут быть относительно выдержанными (рис. 8), хотя трещиноватые породы отличаются, конечно, более/изменчивыми фильтрационными характеристиками.
Изучение проницаемости горных пород осложняет ей возможностью ее изменения при изменении состава поровых пород. Существует немало данных, свидетельствующих о значимости этого процесса, однако обоснованных предложений по его количественной оценке пока нет. Поэтому в каждом случае этот вопрос необходимо решать на основе экспериментальных данных.
Ff результате ряда исследований было отмечено наличие в тонкодисперсных породах эффекта п о л у п р о н и ц а ем о с т и, или «просеивания солей», который проявляется в способности пород задерживать часть молекул раствора, размеры которых меньше размера поровых каналов [11, 37], однако на основании экспериментальных данных пока трудно судить о значимости этого интересного явления.
Особую форму переноса представляет собой самостоятельное движение некоторых микроорганизмов, обладающих одним или несколькими жгутиками или способных к скольжению. Большинство
|
|
|
Дм/evr |
|
Рис. 6. Литологические колонки и графики распределения коэффициентов фильтрации аллювиальных отложений в долине р. Волги. |
1—6 — пески (1 — гравелистые, 2 — раэнозернистые, 3 — среднезерннстый, 4 — мелкозернистые, S — тонкозернистые, 6 — глинистые); 7, 8 — супесь (7 — легкая, 8 —средняя); 9 — суглинок; 10 — глина; 11 — график распределения" коэффициента фильтрации; 12 — уровень грунтовых вод
подвижных микроорганизмов за секунду может передвигаться на расстояние, приблизительно равное размеру их клетки, однако существуют виды, которые могут передвигаться в десятки раз быстрее.
Предполагается [48], что гравитационное осаждение может оказывать заметное влияние на крупные биочастицы, плотность которых отличается от плотности воды (раствора), причем считается, что этот механизм может играть существенную роль в переносе биомассы для бактерий размером более 5 мкм. Скорость осаждения определяется по закону Стокса:
±Л m"d. , (4.2)
|
ЕИЗ'ЕЗ* |
|
Рис. 7. Литологический профиль участка флювиогляциальных отложений. Песок: / — среднезерннстый; 2 — глинистый; 3 — тонкозернистый; 4 — грубозернистый, гравелистый |
Рм / 3
|
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Tt |
|
І і і |
1 1 |
|
----- 10,1 |
|
|
---- 10,09 4 0,01 |
|
|
■---- 10,12 |
|
|
-------- і 0.17 |
|
|
----- ! 0,11 |
|
Зоо |
|
X |
|
90 |
|
«0 |
|
IT] П |
|
70 |
|
І |
|
Т* |
Где рм, ти и dM — соответственно плотность, масса и диаметр биочастицы (мигранта); р и т] — соответственно
Плотность и динами - в
|
1 1 |
___ і |
Ґ- |
||||||
|
<0 |
-<0.15 |
■<0 |
-0,1 |
—40,25 |
<0,05 |
|||
|
<0 |
-<ft15 |
—10,5 |
—>as5 |
—Itt3 |
—<m |
"1,5 |
—10,45 |
|
|
<0.1 |
<0 |
-10,15 |
НС.15 |
—10,2 |
<0,05 |
'0,05 |
40 |
40,1 |
|
—<0,4 |
—<0,25 |
40 |
<0 |
<0,1 |
HO |
<0 |
40,1 |
|
|
----- 10,5 |
||||||||
|
4ft15 -*lft25 |
—10,3 |
-10,15 |
<аі |
—СИ |
<0,05 |
40.05 |
40,05 |
|
|
НО,! |
■•0.1 |
—<X25 |
—<05 |
■<0,1 |
||||
|
Ад |
—<0;2§ |
(0 -Н0.3 |
'0,1 |
Ю |
40 |
40,1 |
|
Скв. З Скв.2 . 0 0.5 0 |
|
Й5 |
|
Ска.25 0 |
|
Скв.32 Сне. ЗЗ Смв.35 Скв37 Скв.38 Скв.39 0 0.5 0 й5 0 050 0,5 0 0,5 0 0.5 |
|
Рис. 8. Выделение проницаемых зон в карбонатных Ііородах по данным расхо - дометрии скважин (материалы А. Л. Петрова). Й — геологическая колонка; б — распределение проницаемых зон со значеннями относительной, проводимости каждой зоны Ti по отдельным скважинам; в — усредненное па разрезу распределение значений Т{. / — пески; 2 — известняки; З — значення относительной проводимости |
Ческая вязкость воды. Например, для частиц диаметром JT мкм с плотностью 1,02 г/см3 скорость осаждения согласно выражению (4.2) составляет 4-Ю-5 см/с, что вполне соизмеримо со скоростью фильтрации подземных вод.
