Полная версия

Главная arrow География

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

ГЕОМИГРАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ВОДОТОКАМИ И ВОДОЕМАМИ ЧЕРЕЗ ДОННЫЕ (ЭКРАНИРУЮЩИЕ) ОТЛОЖЕНИЯ

Геомиграционные и физико-химические процессы, происходящие в донных отложениях при взаимодействии ППВ, могут быть отражены в двух различных постановках геомиграционного моделирования.

В первом, простейшем случае донные или экранирующие водоток (водоем) отложения выделяются в отдельный слой модели и характеризуются своими геомиграционными параметрами, важнейшим из которых является эффективная пористость пэ, отражающая сорбционные и ионно-обменные свойства отложений, согласно (6.1). В частности, для илистых донных осадков водоемов характерно преобразование нитратных компонентов и значительное усиление сорбции патогенных микроорганизмов [Шестаков и др., 2009] - что особенно важно при модельных оценках границ ЗСО 2-го пояса (см. раздел 6.1).

Такая постановка моделирования, позволяющая учесть миграцию в слое донных отложений, не отличается особенной спецификой - за исключением соответствующей дискретности сеточной аппроксимации расчетной области как в плане, так и в разрезе.

В последнее время, особенно в зарубежных исследованиях, отмечается повышенное внимание к изучению сложных процессов водо- и массообмена в пограничной зоне между дном реки и грунтовыми водами - зоне гипорейка, где формируются особые условия физического водообмена, протекания химических реакций и «микробиологического взаимодействия» ППВ [Шестаков и др., 2009].

Однако, «полномасштабные» математические модели зоны гипорейка еще находятся в стадии разработки, и в прикладных исследованиях чаще используются локальные модели физикохимических процессов, происходящих в слое донных (экранирующих) отложений при фильтрации через них поверхностных вод. Результаты расчетов на таких локальных моделях, представленные массовыми расходами мигранта, поступающими на уровень грунтовых вод («выходная» граница локальной модели), формируют граничные условия (6.2 - 6.3) региональной (объектной) геомиграционной модели.

Примером такого «этапного» геомиграционного моделирования являются исследования по изучению миграции железа при взаимодействии ППВ на участке берегового водозабора г. Воронеж, выполненные Е.С. Казак [Казак, 2010].

Береговой водозабор г. Воронеж расположен на правом берегу

Воронежского водохранилища и представлен линейным рядом

скважин. Водозабор эксплуатирует безнапорный неоген-четвертичный водоносный горизонт мощностью 30 - 40м, сложенный песками с включением гальки и маломощными прослоями глин и суглинков. Формирование эксплуатационного водоотбора на 91% происходит за счет привлечения поверхностных вод Воронежского водохранилища и лишь на 9% - за счет естественных ресурсов неоген-четвертичного горизонта [Ван Пин, 2008].

В водозаборных скважинах фиксируется превышение содержания железа - на порядок и более выше предельно допустимой концентрации (ПДК); при этом при удалении скважины от водохранилища, концентрации железа и марганца снижаются. При этом железо представлено в лабильной (нестабильной), преимущественно двухвалентной форме (7*елаб), в коллоидной форме FeKOn (0 - 17% от содержания общего железа Feo6ui) и в виде органических комплексов FeK0Mn (2 - 83% от Feo6u().

Содержание лабильного (нестабильного) железа в поверхностных водах Воронежского водохранилища не превышает ПДК, а его концентрация в органических комплексах FeKOUn достигает 28 ПДК. Концентрация железа во взвеси воды водохранилища увеличивается с глубиной водоема и достигает в придонном слое 8.3 мг/л.

На границе «поверхностные воды - донные отложения» происходит резкая смена окислительных условий на восстановительные, что способствует накоплению железа, содержание которого вниз по разрезу донных отложений увеличивается. При этом как в поверхностных, так и в поровых водах донных осадков 78 - 97% общего железа находится в виде органических комплексов.

Относительное содержание железа в твердой фазе водовмещающих песчаных пород водоносного горизонта составляет 0.22%, что более чем на порядок меньше этого содержания в донных отложениях.

В фоновом (естественном) составе подземных вод неоген- четвертичного водоносного горизонта, до строительства водозабора разгружавшегося как родниками, так и в Воронежское

водохранилище, содержания железа не отмечалось.

Таким образом, целью постановки геомиграционного моделирования на данном объекте являлась проверка гипотезы о формировании повышенного содержания железа в скважинах водозабора за счет трансформации поверхностных вод

водохранилища в процессе ее фильтрации через донные отложения, при которой происходит перераспределение железа между твердой и жидкой фазами, и последующей миграции этой воды в пласте.

Моделирование проведено в несколько этапов.

На первом этапе геофилътрационного моделирования были получены характерные скорости вертикальной фильтрации через донные отложения, уменьшающиеся при удалении от береговой зоны водохранилища от 0.18 м/сут до 0.002 м/сут, которые формируют условие на нижней границе локальной модели донных отложений.

На втором этапе моделирования использована одномерная модель многокомпонентной миграции через однородные по составу донные отложения, состоящая из блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций и блока многокомпонентного массопереноса (без учета диффузионных процессов) [Казак, 2010].

Гидрогеохимическая система модели включает:

  • • твердую фазу - донные отложения (плотность 1.58 г/см3 и пористость 0.35), состоящие из инертной матрицы и растворимой части, включающей органическое вещество (условная формула {СН20} — 7.00 моль/л), гетит (FeOOH = 2.00 моль/л), сидерит (FeC03 = 0.42 моль/л), кальцит (СаС03 = 1.13 моль/л), кварц (Si02 = 51.00 моль/л);
  • • жидкую и газообразную фазы - поровую воду донных отложений, приведенную в равновесие с обозначенной твердой фазой (табл. 6.1).

Таблица б. 1

Исходный состав поверхностной и поровой воды для термодинамического моделирования [Казак, 2010]

Наимено

вание

Единица измерения

Поверхностная вода Воронежского водохранилища

Поровая вода донных отложений

temp

°С

16

15

pH

8.33

7.25

Eh

мВ

10.3

-129.3

ре

0.18

-2.28

02

0.2

НС03

0.00456

0.0056

S042'

0.00052

0

сг

0.00083

0.00073

N02

0.00000028

0

N03'

0.0000048

0

ро43-

моль/л

0.000014

0.00003

Са2+

0.00149

0.00595

Mg2+

0.00083

0.00007

Na+

0.00181

0.00181

Fe 0бщ

0.0000018

0.0000975

Mn

0.0000036

0.0000330

nh4+

0.000031

0.000580

ФК2'

0.00032

0.00032

Гидрогеохимическая система открыта к С02, H2S и СН4, закрыта к поступлению 02.

В случае пересыщения раствора в системе задавалась возможность выпадать в виде твердой фазы сидериту, но кинетика его осаждения не рассматривалась. Содержание сорбированного железа в системе было принято равным 1 % от общего.

В качестве основных процессов, отвечающих за перераспределение форм железа, рассматривалась сорбция железа, восстановление гидроокиси железа растворенным органическим веществом и переосажде- ние части освободившегося железа как сидерит. При этом в модели не учитывается накопление новых порций донных отложений в ходе процессов седиментации взвешенного вещества воды водохранилища; не рассматриваются коллоидные формы железа (учитываются только лабильные и органические комплексы), и процессы сорбции на органическом веществе.

Моделирование на расчетный срок 50 лет проведено при различных скоростях фильтрации воды водохранилища через донные отложения, полученные по результатам первого этапа.

Расчеты выполнялись с помощью программного пакета PHREEQC-2 [Parkhurst, Appelo, 1999] с основной базой данных wateq4f.dat, которая была дополнена константами комплексообразова- ния двух- и трехвалентного железа с фульвокислотами (ФК2).

В ходе термодинамического моделирования удалось воспроизвести основные процессы, отвечающие за накопление и перераспределение железа в донных отложениях, и получить выходные концентрации железа в зависимости от скорости фильтрации воды водохранилища (рис. 6.6).

Изменение выходной концентрации железа из колонки донных отложений в зависимости от скорости фильтрации воды водохранилища (по

Рис. 6.6. Изменение выходной концентрации железа из колонки донных отложений в зависимости от скорости фильтрации воды водохранилища (по

Е.С. Казак)

Их анализ показывает, что чем больше скорость фильтрации, тем быстрее происходит восстановление гетита в колонке донных отложений, и при малых скоростях больше растворенного железа поступает из донных отложений; однако, начиная со скорости 0.04 м/сут, наблюдается постоянная выходная концентрации железа (рис. 6.6).

Таким образом, проведенные термодинамические расчеты по вышеописанной модели многокомпонентной миграции с принятыми допущениями подтвердили возможность протекания процессов мобилизации и перераспределения железа между жидкой и твердой фазой донных отложений в процессе фильтрации через них воды водохранилища. При этом для следующего этапа моделирования миграции железа в пласте можно использовать в качестве граничного условия под ложем водохранилища выходную концентрацию железа, равную примерно 0.156 ммоль/л для всех скоростей фильтрации и постоянную в течение всего срока работы водозабора.

На третьем этапе моделирования использована региональная (объектная) геомиграционная модель участка водозабора, в которой рассматривался однокомпонентный перенос общего растворенного железа от водохранилища к водозаборным скважинам. При этом гидрогеохимические взаимодействия в водовмещающем пласте не рассматривались, и миграция Feo6ui моделировалась как перенос нейтрального компонента.

В качестве начального условия задана нулевая концентрация Feo6lil, что отвечает условию его отсутствия в естественном потоке подземных вод. На границе модели - участке акватории водохранилища задана средняя поступающая из донных отложений концентрация железа 0.156 ммоль/л, полученная по результатам моделирования 2-го этапа.

В результате моделирования за время с начала работы водозабора, получено, что, в целом, расчетные концентрации содержания железа на участке водозабора соответствуют фактическим; при этом так же, как и по данным наблюдений, его содержание уменьшается при удалении от береговой линии водохранилища.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>