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 объектов, потенциально опасных в отношении техногенного и бытового загрязнения подземных вод: промплощадок, сельхозугодий, горнопромышленных производств, предприятий ТЭК, полигонов ТБО, систем водоотведения населенных пунктов и др. 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 ПОПАДАНИЯнекондиционных 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.
Пример аналитического построения: одиночная скважина (или компактный водозабор) с производительностью Qв естественном потоке с градиентом и удельным (единичным) расходом . Уравнение нейтральной линии тока (положение прямоугольных координат x, y на рис. 6.1):
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. 6.1. Зона захвата водозаборной скважины в транзитном естественном потоке линейной структуры |
Для реальных потоков сложной конфигурации зона захвата отстраивается на гидродинамической сетке, получаемой по результатам моделирования. Возможны два варианта:
а) решение прогнозной задачи на модели выполняется "в напорах" - в этом случае интерполяция поля нарушенных напоров и графическое построение нужного количества линий тока производятся непосредственно по модельному решению,
б) при моделировании используется метод суперпозиции (решение "в понижениях") - в этом случае полученная на модели карта понижений накладывается на карту естественных гидроизогипс (гидроизопьез), построенную по данным разведочных работ. Вычисляются результирующие значения нарушенных напоров, по которым далее и отстраивается сетка потока при работе водозабора.
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. 6.2), 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. 6.2. 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 рассчитатьКРИТИЧЕСКОЕ 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. 6.3). 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.6.3. 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. 6.4 |
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 ?
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 1607;