Прогнозирование качества подземных вод при эксплуатации

Р.С Шенгелов

Вспомним, что к эксплуатационным запасам могут быть отнесены только те количества подземных вод, для которых доказано (на основе разведочных данных и прогнозных расчетов) сохранение показателей качества в течение расчетного срока в пределах нормативных ограничений для воды хозяйственно-питьевого назначения. Cпециалист-гидрогеолог, выполняющий поисково-разведочные работы, должен полностью владеть системой нормативных документов, действующих на момент производства работ.

Качество воды, извлекаемой водозабором, контролируется эксплуатирующей организацией, а при подаче ее в водоразборную сеть - местными органами санитарно-эпидемиологического надзора (СЭС). Контроль кондиционности воды осуществляется по трем группам показателей:

органолептические свойства (непосредственно воздействующие на органы чувств человека),

химический состав (общая минерализация, отдельные макро- и микрокомпоненты),

бактериальная зараженность. 

В ряде регионов в силу объективных природных условий используемые для водоснабжения подземные воды уже в исходном состоянии имеют отклонения по содержанию железа, марганца, фтора, стронция, бария, бора и др. В таких случаях уже при утверждении величины эксплуатационных запасов предусматривается выполнение специальных мероприятий по водоподготовке на весь период эксплуатации водозаборного сооружения.

Гораздо более серьезной проблемой, требующей прогнозного решения, является возможность изменения исходных показателей качества воды при эксплуатации водозабора в течение расчетного срока. Факторы, обусловливающие возможность изменения качества во времени:

- естественные - природная неоднородность химического состава подземных вод, что создает возможность постепенного подтягивания некондиционных вод из удаленных частей области влияния водозабора (в том числе, и из поверхностных водоисточников),

- искусственные, к которым относятся техногенные загрязнения самого разного происхождения.

Логические этапы прогнозирования качества

1. Выявление ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (на начальных стадиях поисково-разведочных работ) - анализируется естественная и техногенная гидрогеохимическая ситуация в некоторой предполагаемой области влияния будущего водозабора. С этой целью могут выполняться площадные съемочные работы, обследования промплощадок, сельхозугодий, горнопромышленных производств, полигонов ТБО, систем водоотведения населенных пунктов и других объектов, потенциально опасных в отношении техногенного и бытового загрязнения подземных вод. Эти работы сопровождаются достаточным по объему комплексом химического опробования общего и специального назначения (в зависимости от ожидаемого состава загрязнений).

2. Если такие источники установлены, то (после предварительного выбора места и конструкции водозабора) необходимо оценить ВОЗМОЖНОСТЬ ПОПАДАНИЯ некондиционных вод в водозахватные устройства. Для этого необходимо обосновать зону захвата водозабора. Под ней понимается та часть области эксплуатационной депрессии напоров, в пределах которой все линии тока приходят в водозабор. Граница зоны захвата - нейтральная линия тока (НЛТ). Зона захвата может быть построена аналитически (в простых гидрогеодинамических схемах) или по результатам моделирования. Основой для ее построения служит гидродинамическая сетка, полученная графическим путем или путем решения обращенной задачи на модели.

Пример аналитического построения: одиночная скважина (или компактный водозабор) с производительностью Q в естественном потоке с градиентом  и удельным (единичным) расходом . Уравнение нейтральной линии тока (положение прямоугольных координат x, y на рис. 1):

 

Характерные точки на нейтральной линии тока:

- "водораздельная" точка А:

- точки В, В':  

Асимптота нейтральной линии (полуширина зоны захвата на бесконечности, при): поскольку на бесконечности можно считать сохраняющимся естественный градиент , то , откуда .

Рис. 1. Зона захвата водозаборной скважины в транзитном естественном потоке линейной структуры

 3. Если в выделенную зону захвата водозабора попадает какой-либо из выявленных потенциальных источников загрязнения с концентрацией (содержание любого нормируемого показателя качества), то целесообразно вначале оценить ПРЕДЕЛЬНОЕ ВОЗМОЖНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ, т.е. качество воды в наихудшем варианте, при полном попадании загрязнения в водозабор.

Принцип расчета - механическое смешение, что не всегда правомерно, т.к. в зависимости от состава загрязнения возможно химическое взаимодействие с пластовой водой и водовмещающими породами. На сетке движения выделяется лента тока, по которой загрязнение будет перемещаться к водозабору (рис. 2), и для нее рассчитывается расход поступления загрязненной воды в водозабор  (приемы расчетов элементов потока на гидродинамической сетке студентам известны еще из курса "Гидрогеология"). Солевой баланс для воды, извлекаемой водозабором:

или где  

Возможно, что по результатам такого расчета окажется, что даже в предельном случае результирующая концентрация компонента загрязнения на водозаборе  окажется заметно меньше ПДК, т.е. потенциально это загрязнение не опасно.

Рис. 2. Схема к расчету предельного загрязнения

 Естественно, что это лишь один из вариантов расчета, предполагающий, что источник загрязнения сохраняет свою интенсивность на протяжении всего срока эксплуатации, что вовсе необязательно.

4. Однако , даже если окажется, что загрязнение угрожает водозабору (> ПДК ), следует рассчитать КРИТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ - время подтягивания загрязнения к водозабору. Естественно, это имеет смысл, если определен расчетный срок эксплуатации . Для коммунальных водозаборов нередко предполагается неограниченный срок эксплуатации - понятно, что тогда загрязнение рано или поздно, но обязательно попадёт в водозабор. Однако, даже и в этой ситуации расчет критического времени следует сделать - хотя бы для понимания перспективы и выработки альтернативных решений или мероприятий по защите водозабора. Возможные подходы к расчету критического времени поступления загрязнения в водозабор:

а) Упрощенное представление о переносе загрязнения в потоке - "поршневое вытеснение":

,

где  - исходное расстояние (по кратчайшей линии тока) до контура загрязненных вод; действительная скорость перемещения фронта загрязнения: ; - соответствующая скорость фильтрации;  - эффективная пористость и коэффициент фильтрации водовмещающих пород; - градиент напора в загрязненной ленте тока.

При существенной неоднородности (в пределах загрязненной ленты тока) по  расчет следует выполнять дискретно, по шагам , границы которых совмещаются с контурами зон неоднородности.

б) Почему (а) упрощенное ?

На самом деле фронт движения загрязнения в потоке "размазан" за счет процессов всякого рода дисперсии. Поэтому реально загрязнение водозабора начнется раньше, чем рассчитанное по схеме поршневого вытеснения , но и полное загрязнение наступит позже, чем (рис. 3). Для любого момента времени правильно будет записать концентрацию на водозаборе так:

,

где  - текущее (на момент) значение концентрации воды в "грязной ленте" на стенке водозаборной скважины.

Рис.3. Характер поступления загрязнения в водозабор

Понятие "относительная концентрация" студентам уже знакомо :

т.е.

Соответственно при  (нет загрязнения),

при  (предельное загрязнение).

Таким образом, задача прогнозирования реального режима загрязнения во времени состоит в вычислении . Это делается либо аналитически (на основе подходящей миграционной схемы), либо (для реальных структур потоков) - моделированием миграции численными методами с использованием уравнений конвективно-диффузионного переноса.

Проблема таких прогнозов чрезвычайно сложна; достоверность их невысока - прежде всего, из-за методических и материально-технических сложностей полевых оценок параметров массопереноса. Подробные сведения по этим темам студенты получают из курсов "Гидрогеодинамика", "Физико-химическая гидрогеодинамика" и других. Здесь мы дадим лишь самые общие и упрощенные представления, минимально необходимые для правильного восприятия проблемы прогнозирования качества подземных вод при эксплуатации водозаборов.

Эффективная пористость - расчетный (формальный) параметр емкости, учитывающий не только физическую емкость водовмещающей породы (активную пористость ), но и физико-химические процессы, протекающие на границе раздела фаз (сорбция-десорбция, химические реакции, катионный обмен...). Этот параметр характеризует суммарную поглотительную способность водовмещающих пород при движении вещества в подземных водах. Своеобразный фильтр, "изымающий" вещество из раствора, тогда как растворитель продолжает двигаться дальше. За счет этого при данной скорости фильтрации истинные скорости движения чистой воды и растворенного в ней вещества оказываются различными:

 

Для каждого компонента загрязнения или их соединений следует оценивать "свое" значение эффективной пористости, учитывающее их способность к сорбции, химическому взаимодействию с породами.

где  - коэффициент распределения.

В диапазоне небольших концентраций можно принимать , где  - концентрация компонента в жидкой фазе (в "грязном" растворе),  - то же для породы при равновесном состоянии системы. Чем больше , тем меньше  и соответственно - тем больше , т.е. этот компонент "охотно" поглощается породой в той или иной форме.

В силу формального характера  может быть больше 1. Мощные сорбенты - тонкодисперсные породы (глины, опоки, диатомиты) за счет высокой удельной поверхности.

Коэффициент дисперсии  - количественный параметр, характеризующий степень "размазывания" переходной зоны на фронте миграционного потока. Величина его зависит от природы процессов, вызывающих дисперсию:

- молекулярная диффузия - "слабый" процесс (характерный размер - см),

- микродисперсия - неоднородность поля скоростей в разрезе одной поры и между порами (пустотами) разного размера ("средний" процесс - м),

- макродисперсия - неоднородность поля скоростей за счет неоднородности пласта в разрезе и в плане (блоки, пропластки) - основной процесс, создающий фронт дисперсии в сотни м и более.

5. ЗАВЕРШЕНИЕ ПРОГНОЗА КАЧЕСТВА: если по этапам прогноза получены отрицательные ответы, то нужно либо "закрывать" месторождение (нет эксплуатационных запасов!), либо проектировать какие-то защитные меры:

1. Перемещение водозаборного участка - этим достигается увеличение длины пути  (с соответствующим возрастанием ) или изменение положения зоны захвата.

2. Уменьшение проектной производительности водозабора (т.е. уменьшение ЭЗ !), чтобы уменьшить скорости и соответственно - величины .

3. Организация гидродинамической защиты (идеи без комментариев понятны из рис. 6.4):

Рис.4

Техническая откачка +Qт

Проблемы:

- ЭЗ в принципе уменьшаются (при том же дебите понижения больше)

- Что делать с откачиваемой "грязной" водой ?

Техническая закачка -Qт (гидродинамический барраж)

Проблемы:

- ЭЗ вроде бы даже увеличиваются, но за счет технической воды, что может создать свои проблемы

- Следовательно, какого качества должна быть техническая вода ?

- И где взять ее в нужном количестве ?