Ф.М . БОЧЕВЕР , Н . Н . Л А П Ш И Н , А.Е.ОРАДОВСКА Я ЗАЩИТА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ М . БОЧ ЕВЕ Р !, Н . Н . ЛАПШИН , А . Е . ОРАДОВСКА Я ЗАЩИТА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОСКВ А "НЕДРА " 1979 УД К 556.388 |Бочевер Ф. М. , Лапши н Н. H., Орадовская А. Е. Защит а подземных во д от загрязнения . M., Недра , 1979. 254 с. В книге освещается проблема защиты подземных вод о т за грязнения, опасность которого возникает в связи с возможной фильтрацией в водоносные горизонты неочищенных стоков и жидких отходов промышленных предприятий, стоков с сельскохо зяйственных территорий и т. д. Охарактеризован ы общие требова ния к качеству подземных вод как источника хозяйственно-питье вого водоснабжени я населения и процессы "взаимодействия" чистых природных подземных вод и загрязненных сточных жид костей под влиянием гидродинамических и физико-химических факторов . Изложен ы основы теории миграции загрязнений в водо носных пластах и практическая методика прогноза качества под земных вод в условиях их эксплуатации различными типами водозаборов и наличия источников загрязнения. Рассмотрены мероприятия по защите подземных вод от загрязнения и сани тарной охране водозаборов. Освещены методы гидрогеологических изысканий и исследований дл я целей определения физико-химиче ских параметро в и обоснования указанных мероприятий. Книга рассчитана на гидрогеологов и инженеров, занимаю щихся поисками, разведкой и эксплуатацией подземных вод. Он а може т быть использована такж е научными работниками данного направления. Табл. 21., ил. 84, список лит. - 154 назв. 20806 1S6 Б 25-79.1904060000 (c) Издательство "Недра", 197& 043(01)-7 9 ПРЕДИСЛОВИ Е Проблем а защит ы подземных вод от загрязнени я являетс я в настояще е врем я важно й составной частью общей проблемы охран ы окружающе й среды обитания. Пресные (слабоминерализованные ) подземные воды, широко используемые дл я нуж д водоснабжения , находятс я в тесном взаимодействии с атмосферой и поверхностными водными источниками и вследствие этого подвержен ы неблагоприятном у влиянию та к называемы х техногенных факторов . Наиболе е существенными являютс я факторы, обусловливающи е загрязнени е подземных вод. Опасность загрязнени я подземных вод возникае т в связи с фильтрацие й в водоносные пласт ы сточных вод и жидки х отходо в промышленных производств, хозяйственно-бытовых стоков городов и населенных пунктов, стоков с сельскохозяйственных территорий и др . Основные усилия в борьбе против загрязнени я подземных вод должн ы носить профилактический характер : следует за ране е выявлят ь возможны е источники загрязнени я и предусматриват ь необходимые меры по предотвращению поступления загрязнени й в подземные воды. Имеется, однако, немал о примеров уж е происшедшего загрязнени я подземных вод производственными сточными водами, в частности, в района х концентрации химической, нефтехимической, металлургической и других "водоемких" отраслей промышленности. Поступление сточных вод в подземные воды здесь происходит главным образо м в результат е фильтраци и из промышленных бассейнов - хвостои шламохранилищ , накопителей, испарителей и т. п. Большу ю опасность в этом отношении представляю т такж е территории сами х промышленных предприятий из-за имеющих место аварийны х сбросов сточных вод и утечек последних из цехов и коммуникаций. Нередк о подземные воды загрязняютс я вредными компонентами, содержащимис я в газодымовы х выброса х промышленных предприятий. Вследствие этого образуютс я более или менее крупные ареал ы загрязнени й в водоносных пластах , со временем увеличивающиес я в размера х и захватывающи е ценные участки распространени я чистых природных подземных вод. Способствует этому наличие действующих водозаборо в подземных вод, в зоне влияни я которых фильтраци я происходит с повышенными скоростями. Полна я л и к в и д а ц и я образовав 3 шихся ареало в загрязнений и восстановление качества подземных вод представляю т собой весьма трудную, в большинстве случаев практически вообще неразрешимую задачу . Поэтому часто приходится ограничиваться мероприятиями, направленными лишь на л о к а л и з а ц и ю загрязнений и создание условий, исключающих их дальнейшее распространение в водоносных пластах . Несмотр я на то что эти мероприятия нельзя считать радикальными , тем не менее, учитывая постоянно растущую потребность в подземных водах ка к источника водоснабжения, их следует считать необходимыми и важными . Дл я успешнего решения зада ч по предупреждению загряз нения подземных вод или локализаци и такового гидрогеологические изыскания и исследования, выполняемые с целью выявления и оценки ресурсов подземных вод и обоснования проектов водозаборных сооружений, должн ы быть дополнены и расширены по сравнению со ставшим уж е традиционным их составом и объемом. Соответствующее развитие должн ы получить такж е научно-методические разработк и по рассматривае мой проблеме. С точки зрения прогноза качества подземных вод и их за щиты от загрязнени я существенный интерес приобретает изучение кинематической структуры фильтрационных потоков с оценкой действительных скоростей движения частиц подземных вод и содержащихся в них растворенных и эмульгированных загрязняющи х компонентов (примесей, "меток"). Важно е значение при этом имеют физико-химические процессы, возникающие при поступлении в водоносные пласты загрязненных сточных жидкостей. К таким процессам относятся, в частности, дисперсия и взаиморастворение (перемешивание) чистых подземных вод и сточных жидкостей в зоне их контакта , разнообразны е по своей природе сорбционные явления, химические реакции, способные вызват ь удаление растворенных веществ из подземных вод или, напротив, обогащение их теми или иными компонентами в результат е ионного обмена, растворения фильтрующих пород и т. д. Кинетика и механизм этих процессов еще слаб о изучены, поэтому при их описании приходится оперировать некоторыми обобщенными моделями с использованием известных подходов, применяемых в физико-химической гидродинамике и теории массои теплопереноса. В предлагаемой вниманию читателей книге освещаются за тронутые выше вопросы в аспекте оценки ресурсов и гидрогеологического обоснования защит ы подземных вод от загрязне ния. При написании отдельных гла в книги в основу были положен ы материал ы собственных исследований авторов, а такж е литературные данные--результат ы исследований других спе 4 циалистов. Список использованной литературы приводится в конце работы. Введение и глава 3 написаны Ф. М. Бочевером, глава 4 - Н . Н . Лапшиным, главы 1, 2, 5, 8 и 9 - А. Е. Орадовской, гла вы 6 и 7 - всеми авторами совместно. Научна я редакци я ра боты осуществлялась проф. Ф. М. Бочевером. Авторы выражаю т благодарность В. М. Гольдбергу за полезны е замечания, высказанны е при рецензировании рукописи, а такж е А. В. Е,фремовой и В. Н. Львовой за помощь при подготовке рукописи к печати. Г Л А В А I. ОБЩА Я ХАРАКТЕРИСТИК А КАЧЕСТВ А ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д ХИМИЧЕСКИ Й СОСТА В ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д В ПРИРОДНЫ Х УСЛОВИЯ Х Химический состав подземных вод формируется под влиянием многих природных факторов и в связи с этим отличается большим разнообразием . Тем не менее в распространении отдельных химических типов подземных вод выявлены некоторые закономерности, наиболее общими из которых являются вертикальна я и горизонтальна я (широтная) гидрохимические зональности [92]. Вертикальна я зональность химического состава подземных вод, характерна я дл я артезианских бассейнов, заключаетс я в том, что по мере углубления в недра Земл и происходит последовательна я смена основных типов подземных вод, сопровождающаяс я существенными изменениями общей минерализации и химического состава воды [59]. Дл я водоснабжения обычно используются пресные (слабоминерализованные) подземные воды самой верхней зоны, в которой химический состав воды тесно связан с составом поверхностных и атмосферных вод и в целом испытывает влияние климатических факторов, рельефа и характер а гидрографической сети. Значительное влияние на химический состав подземных вод оказываю т состав и строение пород водоносного пласта , а такж е более глубокие подземные воды, которые принимают участие в питании водоносных горизонтов верхней зоны, перемещаяс ь по тектоническим разлома м или путем медленной фильтрации через слабопроницаемые породы. Рол ь и значение отдельных источников питания водоносных пластов в формировании химического состава воды различны и зависят очт конкретных гидрогеологических условий. Изменение химического состава подземных вод наблюда ется при их движении по водоносному пласту из областей питания, близких к дневной поверхности, в направлении погружени я пласта. Пр и этом происходит увеличение минерализации вследствие выноса веществ из вмещающих пород, а такж е изз а смешения с более минерализованными глубокими подземными водами, восходящие потоки которых под действием гид родинамического давлени я на больших глубинах перетекают в вышележащи е пласты. Горизонтальная (широтная) гидрохимическая зональность присуща только грунтовым водам, испытывающим наибольше е влияние климатических условий, почвенного покрова и растительности. Изменение химического состава и минерализаци и грунтовых вод происходит вместе со сменой широтных географических ландшафто в и такж е зависи т от расчлененности рельефа , густоты и врезанности гидрографической сети. В пределах территории с гумидным климатом, где осадки преобладаю т на д испарением (зоны тундры, хвойных и лиственных лесов, лесостепи), химический состав и минерализаци я грунтовых вод закономерно изменяются по направлению с севера на юг. На севере, в зоне тундр и болот, минерализаци я грунтовых вод измеряется десяткам и и первыми сотнями миллиграмм а на литр, вместе с тем в них часто содержатс я повышенные количества органического вещества, желез а и кремнекислоты. Южнее, в лесной и лесостепной зонах, возрастае т минерализаци я воды (до 500-700 мг/л) и одновременно повышается обща я ее жесткость; в засоленных отложениях минерализаци я грунтовых вод достигает 2-3 г/л. В аридных областя х (Прикаспий, Предкавказье , Среднеазиатские республики и другие районы) , где испарение преобладае т на д осадками, пресные подземные воды формируются главным образом в крупных речных долинах и в пролювиально-делювиальных отложения х предгорий. Н а равнинных участках, заняты х степями и полупустынями, вследствие интенсивного испарения грунтовые воды часто засолены хлоридами и сульфатами , а пресные воды существуют только в виде отдельных линз. Описанная типовая гидрохимическая зональность подземных вод артезианских бассейнов и грунтовых вод часто на" рушается в водоносных пластах, сложенных легкорастворимыми минералами, на участках тектонических нарушений, выводящи х из глубин минерализованные воды и рассолы. Все это обуславливае т изменчивость химического состава подземных вод по площади и по глубине даж е дл я одного и того ж е водоносного пласта и определяет необходимость деталь ного изучения гидрогеохимических условий при изысканиях и разведк е подземных вод дл я водоснабжения. Таки е исследования необходимы такж е при изысканиях, выполняемых с цель ю охраны подземных вод от загрязнения, та к ка к появление в воде загрязняющи х веществ обнаруживаетс я обычно в сопоставлении с естественным составом подземных вод того или иного района . В химическом составе пресных подземных вод выделяю т макрокомпоненты , содержащиес я в количестве единиц, 7 десятков и даж е нескольких сотен мг/л, и м и к р о к о м п о н е нты , встречающиеся в очень малы х количествах и редко достигающие содержани я 1-5 мг/л. К макрокомпонентам относятся хлориды, сульфаты, бикар бонаты, натрий, магний, кальций и калий; их относительное содержани е определяет принадлежност ь воды к тому или иному гидрохимическому типу вод [88, 92]. К микрокомпонента м относятся бром, йод, фтор, бор, литий, стронций, медь, радии, уран и многие другие элементы и их соединения. Промежуточное положение межд у макро и микрокомпонентами занимаю т ионы И+, H+ , No~, No~, H 3 SiO~ , Fe2+ и Fe3+, органические вещества и сульфиды, количество которых в подземных водах може т быть заметным. Кроме того, в подземных водах могут находиться газы и микроорганизмы. Н а первом месте в составе макроанионо в пресных подземных вод стоят обычно гидрокарбонатны е ионы - НСО;р , происхождение которых связан о с растворением карбонато в кальци я и магния, входящи х в состав известняков, мергелей, доломито в и карбонатног о цемента других осадочных пород; немалое значение имеют такж е биогенные процессы, ведущие к накоплению в воде углекислоты. Количество гидрокарбонат ионов связан о с количеством находящихс я в воде других производных форм угольной кислоты: H2 CO3 , COf , CO2 . В нейтральны х и слабощелочны х водах преобладаю т ионы НСО^~, в кислых вода х (рН<5 ) преобладаю т H2 CO3 , а ионы НСО ~ практически отсутствуют; при рН> 8 появляются ионы COf В пресных водах HCO^ накапливаетс я в количествах не более 200-250 мг/л в связи с тем, что с кальцием НСО ~ образуе т слабораствориму ю соль. Сульфатны е ионы занимаю т в составе пресных подземных во д второе место. Появлени е этих ионов в воде связан о с вы щелачивание м осадочных пород, содержащи х легкораствори мы е соли -- гипс, ангидрит, мирабилит, а такж е с окислением сульфидов (галенит, пирит, халькопирит) . Сульфат ы слаб о сорбируются, но их количество в подземных водах ограничи ваетс я присутствием в воде кальция , с которым сульфат ы об разую т нерастворимые соединения. Удаление сульфато в из воды происходит такж е в результат е биогенных процессов. В анаэробны х условиях, т. е. без кислорода и под действием сульфатредуцирующих бактерий в присутствии органических веществ, сульфаты восстанавливаютс я до сероводорода; при этом в воде появляютс я Na2 CO3 , CO2 . Хлоридные ионы являются непременным элементом химического состава подземных вод, поскольку в горных порода х имеются многочисленные источники этого элемента (галит и 8 др.) и вместе с тем хлориды не образую т трудиорастворимы х соединений, не удаляютс я из воды биогенным путем и плохо адсорбируются коллоидными системами. В пресных вода х хлориды по количеству занимаю т третье место. Среди макрокатионов , входящих в состав пресных подземных вод, на первом месте - кальций и магний. Они поступают в подземные воды при растворении известняков, доломитов, гипса, при выветривании и разложени и некоторых силикатов. В пресных подземных водах содержани е кальци я и магния измеряется десяткам и мг/л. С .ростом минерализации, воды количество кальци я уменьшается вследствие связыва ния его в малорастворимы е сульфат ы и карбонаты ; кром е того, кальци й и магний могут, переходить в поглощающий комплекс дисперсной части пород. В водоносных горизонтах, содержащихс я в осадочных по* родах, количество кальци я обычно в 2-4 раз а выше, чем магния; в водах изверженны х пород это соотношение може т изменяться. Ионы натри я после кальци я и магния занимаю т третье место в числе макрокатионо в пресных подземных вод. Поскольк у все соли натри я хорошо растворимы, удалени е натрия из воды возможн о главным образо м вследствие обменных реакци й с поглощающим комплексом пород. Поступает натрий в подземные воды из соленосных пород, из продуктов выветривани я изверженны х пород, а такж е при вытеснении натрия из поглощенного комплекса пород ионами кальци я и магния. Количество кали я в природных водах обычно невелико, несмотря на то, что источники кали я в породах значительны и калий, подобно натрию, образуе т легкорастворимы е соединения. Являяс ь биологически активным элементом, калий интенсивно извлекаетс я из подземных и поверхностных вод животным и и растительными организмами . Концентрация водородного иона, находящегос я в пресной воде в виде гидроксония H3O+, колеблется от 6,5 до 8,5 р Н и зависи т от содержани я отдельных форм угольной кислоты, присутствия органических кислот, газов и других факторов . Соединения азота NH+ , N0~ , N0^~, происхождение которых обычно связан о с бактериальны м разложение м органи ческого вещества, встречаются в самы х верхних водоносных горизонтах. Ионы NH + в присутствии свободного кислорода под влиянием нитрифицирующих бактерий переходят в N0 ~ и зате м в NO^". В незагрязненных подземных вода х NH + и NO ^ содержатс я в сотых, десяты х доля х мг/л, а количество NH ~ иногда доZrстигает нескольких мг/л. Концентрация кремневой кислоты обычно не превышае т долей мг/л или нескольких мг/л, но в сверхпресных водах - во 9 дах с общей минерализацией до 100 мг/л - ее относительное содержание увеличивается. Сульфидные соединения H 2 S и HS присутствуют обычно такж е в незначительных количествах; их повышенное содержани е может быть связано с разложением органических вешеств, с восстановлением сульфатов в анаэробных условиях Ii пр. Желез о в подземные воды поступает как продукт выветривания горных пород. В восстановительной среде желез о может находиться в двухвалентном виде Fe2+ и содержание его иногда достигает ~ 10-30 мг/л.' В воде в присутствии свободного кислорода двухвалентное железо переходит в трехвалентное; этому процессу такж е способствуют железобактерии. Трехвалентное железо в воде находится преимущественно в коллоидном состоянии - в виде Fe(OH) 3 . Марганец в подземных водах встречается чаще всего, ка к и железо, в виде бикарбоната Mn(HCO 3 ) 2 . В грунтовых водах, тесно связанных с поверхностными,марганец .может входить' в состав комплексных соединений с гуминовыми кислотами. Органическо е в е щ е с т в о поступает в грунтовые и подземные воды верхних водоносных горизонтов вместе с инфильтрующимися поверхностными водами в результате выноса из почв гумусовых веществ и других продуктов жизнедеятельности и распад а животных и растительных организмов (клетчатки, углеводов, белков, жиров) . По д влиянием микрофлоры подземных вод происходит дальнейшее преобразование поступивших органических остатков, сопровождающееся разнообразными биохимическими и физико-химическими реакциями . В результате этого в подземных водах появляются различные органические кислоты, углеводороды, аммиак, сероводород, двуокись углекислоты и др. Такой переход органических продуктов суши в подземные воды характерен дл я инфильтрационных этапов формирования подземных вод •- современных и древних. На седиментационных этапах обогащение подземных вод органическим веществом происходило за счет продуктов морского происхождения. Вместе с тем в подземные воды того и другого генезиса могут переходить органические вещества из вмещающих воду горных пород, в которых они содержатся в рассеянном виде (битумы, гуминовые кислоты и др.) . Высокое содержание органических веществ в подземных водах (углеводороды, нефть, нафтеновые кислоты, фенолы и др.) отмечается в районах нефтегазовых месторождений. Данные региональных исследований на территории ССС Р о содержании органических веществ в подземных водах содержатс я в работе [121]. Присутствие микрокомпоненто в в подземных водах связано главным образом с выносом солей из осадочных пород и выщелачиванием продуктов выветривания изверженных и метаморфических горных пород. Микрокомпоненты могут находиться в подземных водах Б коллоидном виде, в форм е комплексов с органическими веществами, в виде свободных ионов, недиссоциированных молекул и др . Очень малы е концентрации микрокомпонентов в пресных подземных водах связан ы с тем, что онн образую т мало растворимые соединения и, кроме того, хорошо адсорбируются и извлекаютс я из воды глинистыми минералами и микроорга низмами. Повышенные количества микрокомпонентов в пресных подземных водах наблюдаютс я вблизи месторождений полезных ископаемых, выходов термальны х и минеральных источников, а такж е в района х региональных тектонических нарушений, п о которым поднимаются глубинные рассолы. Микрокомпоненты обладаю т высокой биологической актив ностью и поэтому, несмотря на их мало е содержание, существенно влияют на качество подземных вод. Неблагоприятны м дл я хозяйственно-питьевого использования подземных вод являютс я такж е высокая концентраци я отдельных макрокомпонентов - хлоридов, сульфатов, каль ция, магния - и в целом повышенное содержани е солей. Га з ы, встречающиеся в подземных водах, - CO2, N2, Ог, СН4, H 2 S - могут находиться в растворенно м или свободном виде. В отдельных района х повышенное содержани е газов може т быть связан о с проявлениям и магматических и вулканоген ных процессов. Вне таки х районов присутствие в подземны х водах кислорода, азота, двуокиси углерода связываетс я обычн о с поступлением их из атмосферы. Двуокис ь углерода , кром е того, поступает из почвенного воздуха, обогащенного этим га зом в результат е микробиологических процессов. Сероводцрод появляется в подземных водах ка к продук т распад а белкового вещества либо в результат е биохимического восстановления сульфатов в анаэробны х условиях. В повышенных количествах он встречается в вода х нефтяных ме сторождений. Источником появления в подземных водах метана служи т органическое вещество, рассеянное в остаточны х породах или сконцентрированное в угольных слоях. Биогенное происхождение може т быть свойственно и азоту , который в зоне затрудненного водообмена выделяется из нитритов и нитратов при действии бактерий - денитрификато ров. М и к р о ф л о р а (микроорганизмы) в подземных вода х наиболее богато представлена в самых верхних водоносных го ризонтах, связанных с почвами и атмосферой. К микроорганизма м относятся бактерии, простейшие, во доросли, грибы, вирусы и актиномицеты. 11 ТЕХНОГЕННЫ Е ИЗМЕНЕНИ Я КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д Хозяйственная деятельность человека часто приводит к нарушению природного химического состава подземных вод. Наибольшее по масштабам влияние на химический состав подземных вод оказывают интенсивное развитие промышленности, городов и химизация сельского хозяйства, сопровождающиеся появлением большого количества сточных вод и газовых выбросов. При этом в атмосферу, почвы и поверхностные воды переходят разнообразные органнческиие и неорганические вещества, которые в природной обстановке содержатся в воде в микроколичествах либо вообще не встречаются. Только за счет сжигания топлива (около 2 млрд. т в год на всей планете) в атмосферу переходят громадные количества окислов азота, сероводорода, двуокиси углерода, серного и сернистого ангидрида и других веществ. Ммогие из перечисленных веществ соединяются с атмосферной влагой и, образуя новые, более тяжелы е вещества, выпадают на поверхность земли. Если в районе такого предприятия подземные воды не имеют водоупорной кровли, то все эти вещества вместе с атмосферными осадками поступают в водоносный пласт и вызывают существенные изменения химического состава воды. Значительные участки загрязненных подземных вод образуются на промышленных площадках при утечках технологических и сточных вод. Величина утечек и интенсивность инфильтрации воды из систем водопровода и канализации особенно велики в "водоемких" производствах (табл. 1, [95]). Таблиц а 1 Интенсивность инфильтрации воды на промышленных площадках Отрасл и промышленности Ориентировочная сре д негодовая интенсивность инфильтрации в грунтовые воды, м/су т Энергетическая, целлюлозная (5-ь10).10~ 4 Металлургическая, нефтехимическая, химическая (3-^5)-104 Горно-обогатительная, машиностроительная, станкострои (1^3).104 тельная Текстильная, легкая , стройматериалов, пищевая ( < 1)-104 Большие участки загрязненных подземных вод создаются вблизи фильтрующих земляных сооружений, используемых дл я сбора, хранения или испарения жидких и твердых отходов производства (так называемые промышленные бассейны). В зависимости от характер а производства вместе со стоками в подземные воды могут перейти тяжелы е металлы, ароматические вещества, нефтепродукты и многие другие. Так, например, в районе полей фильтрации одного завода , вырабатывающег о синтетический каучук, в подземных водах обнаружен ы поверхностно-активные вещества, альдегиды, жирны е кислоты, ароматические углеводороды, медь, аммонийный азот и др. В районе нефтеперерабатывающег о завод а из сточных вод в водоносный пласт поступали нефтепродукты, фенолы, хлориды, сульфат ы натрия и калия , а из отходов металлургического за вода - фенолы, цианиды, роданиды, пиридиновые основания. Вблизи машиностроительного завода подземные воды оказалис ь обогащенными железом , сульфатами , хлоридами, цинком, хромом и т. д. И з хозяйственно-бытовых сточных вод в подземные воды могут проникнуть бактериальны е загрязнения, соединения азота , а такж е поверхностно-активные вещества, входящие в состав синтетических моющих средств. На сельскохозяйственных территориях при интенсивном и недостаточно контролируемом использовании ядохимикатов и минеральных удобрений последние вместе с оросительными водам и и атмосферными осадкам и проникают в грунтовые воды и такж е загрязняю т их. Из удобрений легко переходят в воду азот, аммиак , сульфаты , хлориды, маргане ц и др. В состав химических средств защит ы растений (инсектицидов, фунгицидов, гербицидов, дефолиантов, десикантов) входят вещества, содержащи е мышьяк, фтор, медь, цинк и другие, часто токсичные вещества. В связи с этим при выборе района разведк и подземных вод дл я водоснабжения и участка дл я размещени я водозабора исходят, в частности, из условий достаточной удаленности водозабор а подземных вод от возможных источников загрязне ния - городов, промышленных предприятий и т. п. Однако, поскольку по технико-экономическим соображениям водозаборы подземных вод желательн о располагат ь на небольшом удале нии от потребителей, эти требования не всегда оказываютс я совместимыми. В этом смысле в наиболее сложном положении оказыва ются береговые (инфильтрационные) водозаборы, размещае мые непосредственно вблизи рек и водоемов и использующие поверхностные воды в качестве основного источника питания. Производительность береговых водозаборов • увеличивается с приближением к реке, но вместе с этим возрастае т опасность того, что речные воды на коротких путях фильтрации могут не очиститься от некоторых примесей, ухудшающих качество отбираемой водозабором воды. Химический состав подземных вод береговых водозаборов обычно в той или иной степени отражае т состав речных вод, который, в свою очередь, определяется составом атмосферных осадков, а такж е составом снегового, ливневого и подземного стоков. В атмосфере дождевы е воды и снег обогащаются в небольшом количестве кислородом, углекислым газом, окисью азота, солями аммония, а в загрязненном воздухе промышленных районов, ка к отмечалось выше, к ним добавляютс я пыль, бактерии, сера, продукты сгорания угля и нефти и другие вещества. Вместе с поверхностным стоком в реки дополнительно поступают продукты разложени я растений, микроорганизмы, продукты выветривания горных пород, а с подземным стоком - различные водорастворимые соединения - хлориды и сульфаты кальция, магния, натрия, марганец, фтор, радиоактивны е элементы и др . И з неочищенных бытовых и промышленных сточных вод в поверхностные воды могут попасть грубодисперсные примеси, кислоты, тяжелы е металлы , сульфиды, роданиды, цианиды, фториды, мышьяк, флотореагенты, аминопродукты, фенолы, нитросоединения, поверхностно-активные вещества и др. В числе сельскохозяйственных загрязнений, выносимых в реки, могут быть соединения азота , фосфаты, ядохимикаты и др . Примеси, содержащиес я в поверхностных водах, состоят из: 1) макро и микромпонентов природных и сточных вод в виде свободных ионов и комплексных соединений; 2) взвешенных веществ - продукто в выветривания пород, остатков растений; 3) коллоидных веществ (солей кремневой кислоты, гидроокислов железа , продуктов разложени я микроорганизмов) ; 4) растворенных газов (углекислый газ, кислород, азот, сероводород); 5) бактерий и других микроорганизмов (фитои зоопланктон) . В береговые водозаборы могут попасть многие из, этих примесей, в том числе даж е планктон. Так, например, было установлено, что в одном из районов' в водозаборные скважины , оказавшиеся (после создания на реке водохранилища ) в 50-т 100 м от уреза воды, проникают споры хлороглеи - переходной формы от бактерий к водорослям, не задерживаемы е песчаной толщей на столь значительных горизонтальных путях фильтрации. Здес ь ж е наблюдаетс я интенсивное развити е железо бактерий, связываемое с повышением температуры подземных вод. Размножени е и отмирание этих микроорганизмов в скважинах, водосборных емкостях и водоводах ухудшаю т качество воды и вызывают необходимость ее очистки дл я хозяйственнопитьевого использования. ТРЕБОВАНИ Я К КАЧЕСТВ У ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д КА К ИСТОЧНИК У ВОДОСНАБЖЕНИ Я И з изложенного следует, что в естественных условиях и тем боле е при воздействии техногенных факторо в пресные подземны е воды имеют сложный, разнообразны й состав, который отличается изменчивостью на отдельных участках водоносного пласта , испытывает колебани я во времени и може т оказатьс я неблагоприятны м дл я использования воды в тех или иных це-* лях . В зависимости от характер а применения воды (дл я хозяйственно-питьевых нужд, дл я технологических процессов, в па* росиловом хозяйстве, при заводнении нефтяных пластов, в сельском хозяйстве и др.) к качеству ее предъявляютс я определенные требования . В соответствии с Основами водного законодательств а Союза CC P и союзных республик, предусматривающим и рациональ ное использование и охрану водных ресурсо в СССР , пресные подземные воды в первую очередь должн ы использоваться дл я удовлетворения питьевых и бытовых нуж д населения. Ка чество хозяйственно-питьевых вод регламентируетс я санитар но-гигиеническими требованиями , изложенными в государственном стандарт е (ГОС Т 2874-73 "Вода питьевая") , В соответствии с этим стандарто м безопасность воды в эпидемическом отношении устанавливаетс я обычно по косвенным показате ля м - по количеству бактери й группы кишечной палочки (не боле е 3 в 1 л воды) и по общему количеству бактерий (не боле е 100 бактерий в 1 мл воды) . Однак о при подозрении бактериальног о заражени я воды определяют, кроме того, содержа ние болезнетворных бактерий, кишечных .вирусов, яиц гельминтов. Органолептические свойства воды оцениваются по запа ху - не боле 2 -балловпри температур е 20° С и при подогревании воды до 60° С; по привкусу-пр и 20° С не более 2 баллов ; по цветности - не более 20°; по мутности - не более 1,5- 2 мг/л. Безвредност ь воды по химическому составу устанавлива ется по четырем группам Показателей: 1) общее солесодержа ние; водородный, показатель ; 2) концентрации макрокомпонентов и микрокомпонентов, встречающихс я в природных подземных водах; 3) концентрации веществ, являющихс я промышленными и сельскохозяйственными загрязнениями ; 4) концентрации веществ, которые могут попасть в воду при ее обработк е на очистных сооружениях. Допустимое содержани е в воде каждог о из веществ определено в результат е специальных санитарно-гигиенических исследований по санитарно-токсикологическим, органолептическим и общесанитарны м показателя м вредности. Обще е солесодержани е в питьевых водах, определяемо е величиной сухого остатка , не должн о превышать 1000 мг/л. Лиш ь в отдельных случая х допускается увеличение сухого остатка до 1500 мг/л, обща я жесткость не должн а превышат ь 7-10 мг-экв/л *. Среди встречающихся в природных водах макрокомпонентов, микрокомпонентов и компонентов, занимающи х промежуточное положение, многие нормируются, т. е. дл я них устанавливаются та к называемы е предельно допустимые концентрации - ПД К (табл . 2) . Т а б л и ц а 2 Предельно допустимые концентрации (ПДК ) 0 Содержани е веществ, относящихся к промышленным и сельскохозяйственным загрязнениям , допускается в воде в количествах не более ПДК-предельн о допустимых концентраций, установленных Министерством здравоохранени я СССР . Список веществ, дл я которых установлены ПДК , в настоящее время превышает 500 наименований. Предельно е содержани е химических веществ, которые могут попасть в хозяйственно-питьевую воду при ее обработк е на очистных сооружениях, составляет (мг/л) : остаточный алюминий (Al3+) - не более 0,5; гексаметофосфат (PO 4 ) - не более 3,5; триполифосфа т (PO 4 ) - не более 3,5; полиакрила мид - не более 2,0. * Указанны е повышени я предельны х величи н сухог о остатка , обще й жесткост и и содержани я желез а остаточног о алюмини я в каждо м случа е дол жн ы быт ь согласован ы с санитарно-эпидемиологическо й службой . Ьсли вода содержит комплекс веществ с одинаковыми лимитирующими показателям и вредности (токсическими или органолептнческими), то сумма концентраций этих веществ, выраженна я в доля х от максимальн о допустимых концентраций, не должн а превышат ь 1. Пр и этом (в виде исключения) не учитываются фтор, нитраты и радиоактивны е вещества, действие которых оценивается отдельно по соответствующей пдк. При изысканиях и разведк е подземных вод дл я хозяйст венно-питьевого водоснабжени я качество воды в первую оче редь характеризуетс я по бактериологическому составу, органо лептическим свойствам и показателя м химического состава, относящимся к незагрязненны м природным вода м (см. . выш е показател и 1-й и 2-й групп) . Однако, если гидрогеологическая и хозяйственная обстановк а район а не исключает возможно сти поступления в водоносный горизонт промышленных или сельскохозяйственных загрязнений , определяются такж е пока зател и из 3-й группы. Количество и перечень показателей , которые требуется в этом случа е определять, завися т от вида производства, состава применяемых сельскохозяйственных ядохимикатов, удобрений и должн ы быть установлены при изысканиях. Дл я водозаборов берегового типа следует изучить состав поверхностных вод с учетом возможного их загрязнени я на участках, расположенных выше по течению от берегового водоза бора. ОПРЕДЕЛЕНИ Е ОРГАНИЧЕСКИ Х ВЕЩЕСТ В В ПОДЗЕМНЫ Х ВОДА Х Определение в воде мутности, бактериальног о состава, содержани я основных макро и микрокомпонентов 1-й и 2-й групп не вызывае т трудностей и може т быть проведено по соответствующим ГОСТа м и рекомендациям , изложенны м в работа х [105, 107]. Наиболе е сложным являетс я анали з содержащихс я в воде органических веществ, от состава и количества которых во многих случая х завися т санитарно-гигиенические качества воды. По нормам "Международного стандарт а качества питьевой воды" (Всемирна я организаци я здравоохранения , 1964 г.) предельно п р и е м л е м а я концентрация органических веществ в питьевой воде составляе т 0,2 мг/л, а предельн о д о п у с т и м а я - 0,5 мг/л (при экстракции задержанны х из воды активным углем органических веществ хлороформом) . Выполняющиеся в настояще е время массовые анализ ы природных вод, в особенности поверхностных, часто неудовлетво рительны в отношении оценки содержания органических веществ. Органические вещества, входящие в состав поверхностных вод в коллоидном и растворенном виде, обычно связаны с разложением растительных и животных организмов, попадающих в реки естественным путем (вымывание из почв, торфяников, болот) либо с бытовыми сточными водами и отходами пищевых производств. Растительные и животные организмы образованы сложными химическими соединениями. Так, бактериальная клетка содержит высокомолекулярные вещества, в состав которых входят главным образом углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Вместе с тем в поверхностные воды поступают органические вещества, содержащиеся в промышленных сточных водах. Состав органических веществ в промышленных сточных водах современного производства крайне разнообразен - это ароматические углеводороды, нефтепродукты, фенолы, масла , смолы, аминопродукты, пиридиновые основания, жирные кислоты, поверхностно-активные соединения синтетических моющих средств и многие другие. Несмотря на то что основными составляющими различных органических загрязнений являются одни и те ж е элементы (главным образом углерод, водород, кислород и азот) , степень. вредности того или иного органического соединения зависит от формы нахождения, т. е. комбинации, этих элементов в воде. Поэтому дл я получения полной санитарно-гигиенической характеристики качества воды нужно знать содержание в воде определенных органических веществ. С помощью современных методов химического анализа, в том числе спектрографических, теоретически можно определить любую комбинацию элементов органических веществ в воде, но на практике при анализе природных и сточ-* ных вод это ие делается из-за многообразия органических соединений в этих водах, а такж е вследствие сложности и громоздкости многих анализов. Содержание отдельных органических веществ - загрязнителей - устанавливается анализом, как отмечалось выше, только в тех случаях, когда имеются предположения о наличии именно этих веществ в воде. Обычно ж е проводятся косвенные, более простые анализы, выделяющие группы органических веществ с характерными свойствами. Так, устанавливается содержание в воде природных органических гумусовых веществ, находящихся в коллоидальном состоянии и в растворенном виде. Разделение этих видов существенно, так как коллоидные соединения гуминовых кислот и их солей, а такж е коллоидные фульвокислоты обуславливают повышенную цветность поверхностных вод, в то время как истинно растворимые фульвокислоты не влияют на цветность воды. 18 Возможност ь и интенсивность окисления органическихвеществ в воде в присутствии аэробных бактери й характеризу ются показателе м биохимического потребления кислорода ВПК , определение которого проводится в натурной или раз бавленной пробе воды в условиях достаточного количества кислорода и оценивается по убыли растворенного кислорода за определенный период инкубации. Затрат ы кислорода на нитрификацию, происходящую вслед за окислением основной массы органических веществ, не входят в величину ВПКВ связи с этим условно полное ВП К определяется з а период, в конце которого азот нитратов появляетс я в количестве 0,1 мг/л. Количество легкоокисляющихся веществ (природного и искусственного происхождения) до последнего времени опре- делялос ь традиционно ка к перманганатна я окисляемость, т. е. по расходу кислорода, затраченного на их окисление при дей ствии 'Перманганата калия . П о многим натурны м данны м пер манганатна я окисляемость сравнительно чистых речных вод обычно не превышае т 5-10 мг/л O2 , но при повышенном содержани и гумусовых веществ, а такж е других органических загрязнени й она може т существенно увеличиться. В связи с неопределенностью содержани я показател я перманганатно й окисляемости, а такж е исключительн о большой зависимостью результато в этого определения от условий проведения ана лиз а в настояще е время этот показател ь не рекомендуется к применению. Наиболе е полным показателе м общего количества легко и трудноокисляющихся органических веществ являетс я ХП К - та к называемо е химическое потребление кислорода при окислении всего углерода и водорода, содержащихс я в органических веществах, с помощью сильного окислителя - бихромата кали я в определенных, стандартизированны х условиях. Установлено, что при этом обычно происходит окисление 95- 98% всех трудноокисляющихся веществ, за исключением лиш ь некоторых из них (например, бензола, пиридина, толуола , нафталина) . С другой стороны, при определении ХП К окисляются такж е и некоторые неорганические вещества , например за кисное железо , сероводород, нитраты, но это може т быть учтено и оценено отдельно. В загрязненны х стоками поверхностных водах величина ХП К достигает 50-100 мг/л O2 и более. Методика определения ХП К в настояще е время усовершенствована, разработан а дл я больших и малы х количеств органического вещества; предложен ы приборы дл я автоматизаци и этого, ране е очень сложного анализ а [107]. В дополнение к ХП К в настояще е время используется еще ря д показателей , позволяющих выделит ь отдельные группы органических веществ,, в том числе: содержани е органического углерода (С)* содержани е органического 19 азота, суммарное содержание органических загрязнений из промышленных сточных вод и сельскохозяйственных ядохимикатов, определенное методом угольно-хлороформного экстракта (метод CCE) и др. ГЛАВ А 2. ОСНОВНЫ Е ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИ Е ПРОЦЕСС Ы ВЗАИМОДЕЙСТВИ Я ЗАГРЯЗНЕННЫ Х СТОКОВ, ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д И ПОРО Д РОЛ Ь ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИ Х ПРОЦЕССО В В МИГРАЦИ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИ Х ВЕЩЕСТ В В ВОДОНОСНО М ПЛАСТ Е При загрязнении сточными водами и отходами, ка к .следует из вышеизложенного, в подземные воды могут попадать разнообразные химические вещества, и загрязненная вода, таким образом, представляет собой раствор, содержащий обычно несколько растворенных, 'эмульгированных или взвешенных компонентов и имеющий часто повышенную минерализацию. При фильтрации в водоносном пласте загрязненные воды взаимодействуют с чистыми природными подземными водами и породами водоносного горизонта. Это взаимодействие проявляется в виде задержани я взвешенных и эмульгированных веществ, разбавления исходной воды, молекулярной диффузии, фильтрационной дисперсии, поглощения отдельных компонентов (физическая и химическая сорбция), газовыделения, растворения твердой породы, теплообмена и т. д. Вследствие названных процессов перемещающиеся в водоносном пласте загрязненные подземные воды постепенно изменяют свой первоначальный состав. При этом некоторые компоненты полностью или частично удаляются из воды (в результате механической задержки, сорбции, осаждения распада) , а другие - увеличивают свою концентрацию или возникают вновь в результате выщелачивания солей из породы, реакций гидролиза, комплексообразования и др. Вещества, не подвергающиеся физико-химическим изменениям в подземных водах, могут перемещаться в пласте неопределенно долгое время. Интенсивность и характер взаимодействия в системе фильтрующаяся загрязненная вода - породы водоносного горизонта - чистые подземные воды существенно зависят от состава и содержания загрязняющих веществ, состава подземных вод, строения и состава водоносных пород, а такж е от условий, 20 в которых происходит взаимодействие скорости фильтрации, площад и контакта между водой и породой, температуры воды и пород и др. Закономерности одновременно происходящих физико-химических процессов в такой многофакторной системе очень сложны и поэтому еще мало изучены. Учитывая к тому же , что в связи с фильтрационной неоднородностью по.род многие реакции между загрязненными и чистыми подземными водами и породами протекают с изменением объема реагирующих растворов, значений р Н и E h (окислительно-восстановительного потенциала) , дл я оценки явлений взаимодействия приходится рассматриват ь многие из этих процессов изолированно или, напротив, - обобщенно, в схематизированной постановке, используя приближенные методы расчета. Поскольку загрязненные подземные воды в водоносном пласте перемещаются, основной задаче й рассмотрения протекающих при этом физико-химических процессов является оценка изменения количества (пли концентрации) вещества во времени и по пути фильтрации, т. е. оценка характера и кинетики этих процессов в потоке подземных вод. Несмотря на то что реакции, происходящие в пласте при фильтрации загрязненных промстоками подземных вод, ка к и все чисто химические реакции, в принципе являются двухсторонними, т. е. обратимыми, на практике часто рассматриваются более простые - односторонние, необратимые реакции. К последним относятся, например, реакции образования малорастворимого осадка, газовыделения, радиоактивного распада и т. п. Многие химические реакции в действительности состоят из нескольких элементарных реакций, протекающих с различной скоростью, последовательно или параллельно. Н о та к ка к наблюдаема я в опыте скорость химической реакции обычно контролируется скоростью одной - наиболее медленно протекающей реакции, то и при фильтрации в потоке такж е учитывается скорость только одной реакции. Например, дл я сорбции, ионного обмена и растворения - это скорость подвода реагирующих веществ к твердой поверхности (реакция в области та к называемой диффузионной кинетики). Пр и изучении химических реакций и переноса вещества константы скорости и другие параметры этих процессов обычно определяются экспериментально. В особенности это относится к процессам миграции загрязнений в подземных водах, та к ка к на характер е и скорости реакций в этом случае самым существенным образом сказываются свойства породы, обуславливающие скорость фильтрации, площадь контакта межд у водой и породой и др. Это ж е относится и к таким физико-химическим процессам, ка к удаление из раствора взвешенных и эмульгированных веществ, и физической сорбции. Применительно к тому или иному рассматриваемому фи 21 зико-химическому процессу в породах при фильтраци и целесообразно выделить нейтральные компоненты, не участвующие в нем, а такж е активные компоненты, влияющие на дан ный процесс. Так, при рассмотрении сорбции загрязнений при фильтра ции в грунтах активными компонентами являютс я катионы -- они в той или иной мере сорбируются частицами грунтов, которые, ка к правило , имеют отрицательно заряженну ю сорбирующую поверхность. Анионы и электронейтральны е молекулы плохо сорбируются и могут быть отнесены к нейтраль ным компонентам. В связи с этим выявление формы нахожде ния вещества в загрязненны х подземных водах представ ляе т существенный интерес. В особенности это важн о при изучении химического состав а промышленных сточных вод, в которых в результат е особенностей современной технологии кроме свободных ионов содержатс я разнообразны е комплексные неорганические и органические соединения. Последние в дальнейши х процессах изменения состава сточных вод (при их нейтрализаци и на очистных сооружениях, при смешении с подземными водами и т. д.) могут разрушатьс я с образование м промежуточных и новых форм комплексных и простых соединений. Обычно химический состав подземных вод характеризу ется результатам и анализа , выраженног о в виде содержани я свободных ионов с зарядом , равным их формально й валентности. Межд у тем в воде находятс я не только свободные ионы рассматриваемог о вещества, но и его комплексные соединения с другим и органическими и неорганическими ионами, группами ионов или электронейтральным и молекулами . Пр и этом комплексное соединение може т иметь заря д (положи тельный или отрицательный ) либо быть электронейтраль ным. Так, например, расче т миграционных форм растворенных в речной воде веществ показал , что содержани е свободных катионов Ca2+, Mg2 +, Sr2 + составляе т всего 81-88% от вало вого содержания , определенного химическим анализом ; осталь ные 19-12% находятс я в виде органических компонентов. П01]. В составе сточных вод предприятий рудообогащения возможны разнообразны е формы существовани я металло в [106] , свинец- в виде Pb2+, PbCl+, PbOH+ , PbCl 2 , PbCl 3 PbCl, Pb(SO4 )^", Pb(OH); металлоорганически е комплексные анионы в виде PbSO(r), РЬС1° Pb(OH)O; мед ь - в виде Cu2+ CuCl+, CuOH+, CuClg-, CuCNS, Cu(CNS); металлооргани ческие комплексные анионы в виде CuSO°, CuCl°; цинк - в виде Zn2+, ZnCl+, ZnOH+, ZnF+, ZnClg-, ZnCl4 2 -, Zn(OH) 2 , Zn(OH)^ ; металлоорганически е комплексные анионы в виде ZnSO(r), ZnClg, Zn(OH)3 0 ит . д. 22 Способы расчета ионно-молекулярного состава природных во д по данны м химического анализ а основаны на решении систем ы уравнений баланс а веществ и уравнений констант устойчивости комплексов [30, "56, 106]. Полное решение таких систем, требующее использования ЭВМ, позволяет, кроме того, прогнозировать: 1) значения р Н и активностей иона а, в предела х которых возникают и остаются устойчивыми отдельные форм ы компонентов; 2) максимальн о возможные концентрации отдельных форм компонента в воде; 3) возможный соста в твердых осадков, Выпадающих из воды при тех или иных значения х рН, E h и соотношениях активностей отдельных ионов [106]. В результате, таким образом, можно выявить наличие в вод е загрязняющи х компонентов, которые в благоприятных условия х могут сорбироваться или выпадат ь из данного раствора при изменении рН, Eh, содержани я отдельных иоНов и т. д. Дл я суждени я о том, насколько реализуется эта возможность при фильтрации в породах определенного состава и строения, необходима постановка специальных экспериментальных работ. КОНВЕКТИВНА Я ДИСПЕРСИ Я И МОЛЕКУЛЯРНА Я ДИФФУЗИ Я ВЕЩЕСТ В Поступающи е в водоносный пласт загрязненные сточные воды, атмосферные осадки и воды поверхностных водотоков и водоемов вытесняют чистые подземные воды и перемещаются в пласте по направлению общего фильтрационного потока. Передвижение загрязнений вместе с потоком подземных вод представляе т собственно к о н в е к т и в н ы й перенос, который являетс я наиболее существенным фактором миграции. Принципиально существует возможность распространения загрязнений в водоносном пласте и при отсутствии фильтра ционного течения - путем молекулярной диффузии, совершающейся только под действием градиента концентрации вещества в различных точках пласта . Однако, ка к показываю т теоретические исследования и расчеты, это перемещение происходит настолько медленно, что при прогнозах распространения загрязнений може т не учитываться, если речь идет о переносе на расстояния более нескольких метров или о прогнозах на сроки менее 100-200 лет. Рассмотрение молекулярно-диффузионного переноса в горных породах и водоносных пласта х може т представлять интерес лиш ь в тех случаях, когда продолжительность этого процесса измеряется миллионами лет [102] либо когда рассматриваетс я очень малы й отрезок пути диффузионного переноса при отсутствии фильтрации. Так, например, при устройстве в основании шламохрани ли щ и накопителей защитны х экрано в из глин или уплотнен 23 ных суглинков молекулярно-диффузионный перенос загрязняю щих веществ через экра н толщиною 1-2 м_может обусловить появление относительных концентраций С = 0,01 через 5- 25 лет, a C = 0,001 - через 4-14 лет (рис. 1). При конвективном переносе граница межд у загрязненны ми и чистыми подземными водами теоретически должн а иметь вид резкого, та к называемог о "поршневого" фронта, переме щающегося со средней скоростью фильтрационного потока и разделяющег о воды с концентрациями вещества C b x (на вход е загрязнений в пласт ) и Ce (фоновая концентрация) . О 100 Z00 300х, см О Рис. 1. Молекулярно-диффузионный перенос растворенных веществ чере з экран и з уплот ненных суглинков. C fi x - концентраци я загрязняющи х вещест в в сточны х вода х на д экраном , С - т о же . на выход е и з экран а ; х - толщин а экрана , см ; T - врем я от начал а моле кулярно й диффузии , годы ; коэффициен т молекулярно й диффузи и суглинк а Dm= 4 IO7 см 2 / с Рис . 2. Продольна я микродисперсия : а - схем а пласта ; б - графи к С (х). 1 - загрязненны е воды ; 2 - зон а микродисперсии ; 3 - чисты е воды ; C b x - концентра ци я загрязняющег о веществ а во входно м сечени и пласта ; C g -фонова я концентраци я веществ а в пласте ; аа - поршнево й фрон т фильтраци и Ка к показываю т натурные наблюдения, поршневой фронт - в известной мере абстрактное понятие. Обычно вместо четкого фронта обнаруживаетс я зона смешения, на протяжении которой концентрации постепенно изменяются от Cn x до Ce. Формирование зоны смешения связан о в первую очередь с фильтрационной дисперсией (рассеянием) вещества. В некоторых случаях, кроме того, влияют сорбция и химические реакци и между загрязненными и чистыми водами и породами. Приня то выделять микродисперсию и макродисперсию в фильтра ционном потоке [85]. 24 М и к р о д и с п е р с и я растворенных и эмульгированных в воде веществ при фильтрации в горных породах обусловлена самим характером движения воды по порам и трещинам, имеющим различные ориентацию и размеры даж е в породах, которые в фильтрационном отношении считаются практически однородными. Это, во-первых, вызывает отклонения локальны х скоростей движения в отдельных порах и трещинах от общей средней скорости потока подземных вод по направлению и величине, а, во-вторых, приводит к смешению вод при слиянии в порах отдельных элементарных струек, имеющих неодинаковый состав. В направлении средней скорости движения подземных вод развиваетс я продольна я м и к р о д и с п е р с и я . Она наиболее четко может быть прослежена в условиях одномерного потока, ограниченного непроницаемыми плоскостями ("пласт-полоса") , при поступлении вещества на всем протяжении входного сечения от (рис. 2, а). Н а выходе из этого сечения все элементарные струйки воды имеют равные концентрации вещества Cnx-, а такж е параллельны е по направлению и равные по величине скорости движения, но дале е при движении по извилистым поровым канала м породы струйки деформируются и приобретают различны е скорости движения. При этом, та к ка к отдельные струйки воды перемещаются быстрее или медленнее, чем в среднем вся масса воды, к сечению аа, соответствующему "поршневому" фронту фильтрации и определяемому по средней скорости движения воды V, к расчет ному моменту времени f (] ) = -XfZ (п - активна я пористость) придут не все элементарные струйки с концентрацией СБХ. Поэтому здесь в отдельных порах еще останется вода с начальной концентрацией вещества. В результате средняя концентрация вещества в этом сечении в момент t ф будет меньше С в х ; таким образом, вблизи сечения аа сформируется зона микродисперсии с промежуточными концентрациями от Cb x до Ce (рис. 2, б). Поперечна я м и к р о д и с п е р с и я в одномерном фильтрационном потоке развиваетс я в условиях, когда загряз няющее вещество поступает только на часть MN входного сечения от (рис. 3) . При этом смешение загрязненных и чистых вод происходит уж е не только в направлении оси ох, как это имеет место при чисто продольной дисперсйи, но и по оси oz. В результате поперечные размер ы зоны дисперсии постепенно расширяютс я и выходят за пределы, определяемые размером входного сечения MN. Перемещение частиц жидкости и растворенного вещества в направлении, поперечном одномерному фильтрационному потоку, становится возможным здесь ка к результат слияния и смешения элементарных струек чистойи загрязненной воды в поровых канала х и трещинах, отклоняющихс я от среднего направления потока. 25 I в У/////////// Рис. 3. Поперечная и продоль ная микродисперсия: а - схем а пласта ; б - графи к С (z) . I - загрязненны е воды ; 2а - зо н а продольно й микродисперсии ; 26 - зон а поперечно й микродис персии ; 3 - чисты е воды ; II - сечени я пласт а Поскольку происхождение фильтрационной микродисперсии связан о с извилистостью траекторий частиц воды, огибающих непроницаемые зерна или блоки породы, масшта б проявления дисперсии зависит от размеро в этих частиц и пор межд у ними, В однородных пластах , сложенных мелкими песчаными или гравелистыми частицами, размер ы дисперсионной зоны смешения не должн ы быть велики. Поэтому микродисперсия представляе т практический интерес при изучении распределения и переноса вещества на сравнительно небольших расстояниях, например в почвенном слое при орошении или в лабораторны х экспериментах. В количественном отношении поперечная и продольна я фильтрационна я микродисперсия оцениваются с помощью статистических и математических моделей. Статистическое рассмотрение микродисперсии базируетс я на теории случайных блуждани й облак а меченых (в данно м случае-облак а загрязняющих ) частиц вещества в фильтрующей среде, представляемо й в виде системы однородных ячеек или камер, соединенных каналами . Использование статистических моделей применительно к проблеме миграции загрязнени й в водоносных пласта х затруд нено тем, что в этих моделях не оценивается роль граничных условий, при которых происходит дисперсия (размер ы пласта., форма очага загрязнения , начально е распределение концентраций и др.) . Эти обстоятельства более полно могут быть учтен ы 26 в детерминированны х математически х моделях, основанных на рассмотрении дифференциальны х уравнений массопереноса. Фильтрационна я мнкродисперсия характеризуетс я коэффициентам и продольной и поперечной микродисперсии DX, DY. Не смотр я на то что вид дисперсионных членов в дифференциаль ных уравнения х подобен таковы м дл я молекулярно й диффу -зии (отличие состоит только в том, что молекулярна я диффузи я оцениваетс я соответствующим коэффициентом DM), аналоги я здесь являетс я формально й - эти процессы отличаютс я ка к в физическом смысле, та к и по масштабам : обычно D M <^D x y . Коэффициен т продольной микродисперсии DX изучен в многочисленных лабораторны х эксперимента х по фильтраци и растворо в в однородной пористой среде, составленной из части ц песка, гравия , стеклянных шарико в и т. п. [40, 138, 149]. Установлено, что с увеличением скорости фильтраци и и разме ро в частиц фильтрующе й среды , обтекаемы х элементарны ми струйками , коэффициен т дисперсии и зона дисперсии увеличиваются . Эта зависимост ь имеет вид D = ^1V. (2.1) В отдельных случая х наблюдалас ь зависимост ь вида D = X1V + (2.2) Значени я параметр а характеризующег о геометрическую •структуру порового пространства , в однородной среде соизмеримы с диаметро м частиц: так , в песках и гравии Я.1 =0,l-f3 см [25, 77]. Экспериментальны е и теоретические исследовани я указы ваю т на существование зависимости коэффициента дисперсии D от соотношения вязкостей вытесняемой и вытесняющей жид костей. В. Н . Николаевски м [40] было высказан о предположение, что в зоне дисперсии, где происходит перемешивание жид - костей, вязкость смеси зависит от концентрации вещества в этой зоне, и что, таки м образом , D = I1Vf (С, % ) , (2.3) гд е t]0 = Tl1; T]i - вязкость вытесняющей жидкост и ; Цг ~ Ча вязкост ь вытесняемой жидкости . Ю. П . Желто в [57] принял, что D зависит от градиентавяз кости в зоне смеси: D = D j l (2.4) \ ах J где D0-коэффициент дисперсии при Tjo=I ; к - эмпирический коэффициент. Экспериментально е изучение зависимости D от т] показыва ет , что при вытеснении менее вязкой жидкость ю длин а зоны 27 дисперсии увеличивается, а при вытеснении более вязкой жид костью - уменьшается. Результат ы опытов, полученные в работе [66], показан ы на рис. 4, где J-чО Dctl DS = -J-^Г , причем г. - среднеинтегральное зна* чение D по длине L; П - активна я пористость; V - скорость фильтрации. И з экспериментов по фильтрации водных растворов NaC l и глицерина в колонке с песком [52] D s = -PL [1 + 0,97 (Ti^-I)] , (2.5) где 1Hn = K - параметр , зависящий от характеристик и фильтрующей среды, а такж е от разности плотностей и вязко Рис. 4. Зависимость D(r)о от Tio=T]i/ri2 (по [66]) Рис. 5. Значение D в зависимости от скорости фильтрации при различных Tir=Ti2ZTli по [12]: 11с". /-1,00 ; 2 - 0,976; 3 - 0,954; 4 - 0,927; 5 - 0,903 стей жидкостей. Пр и изменении т]'о от 0,33 до 4,67 значение DS увеличилось от 0,0018 до 0,045 см2/с. В опытах, описанных в работе [12], слабоминерализованны е растворы BaCl2 вытеснялись водоглицериновыми смесями; при этом движение вытесняющей жидкости в грунтовом лотке про слеживалос ь с помощью радиоактивной метки. Значени я DY полученные дл я различны х соотношений Цг/Ци приведены на рис. 5. Экспериментальные исследования поперечной микродисперсии проведены в значительно меньшем объеме, что связан о с трудностями в постановке опытов и обработк е их результа тов. Если дл я изучения продольной дисперсии достаточно, на пример, профильтровать с постоянной скоростью раствор вещества через колонку породы, заполненную до этого чистой водой, и определить концентрацию вещества в последовательных пробах выходящего из колонки фильтрат а (метод выход ных кривых, см. гл. 8), то при исследовании поперечной дисперсии требуется установить распределение концентрации вещества в двумерной модели по двум координатам. Дл я этого нужно либо одновременно отбирать пробы воды из различных точек фильтрационного потока, что искажае т структуру течения и влияет на ход и результаты исследования, либо проводить измерения ' концентрации in situ косвенными метода ми - электрометрическим, радиометрическим и т. п. П о немногочисленным данным коэффициент поперечной микродисперсии Dy по своей величине меньше коэффициента продольной микродисперсии Dx. Однако во многих случаях различие межд у ними не очень значительны (табл. 3) . Т а б л и ц а 3 Экспериментальные данные о поперечной микродисперсии в песках и гравии ильхельм, 195 0 В обзорной работе [148] показано, что в лабораторных ус 1 ловиях в однородной модели грунта K - I 15 "зо М а к р о д и с п е р с и я в водоносных пластах связан а с фильтрационной неоднородностью пород. При упорядоченной неоднородности, например, в слоистых пластах ускоренное про движение загрязненных вод по более водопроницаемым слоям приводит к возникновению концентрационных "языков" внутри пласта (рис. 6) . Общие закономерности макродисперсии и ее влияние на миграцию растворенных веществ в подземных вода х принято описывать, та к ж е ка к и микродисперсию, уравнениями массопереноса и входящими в них коэффициентами дисперсии D, Dx и Dy. При этом считаются справед Рис. 6. Концентрационные языки загрязненных вод в слоистом пласте: К - коэффициент фильтрации (К,Ж2>Кг ) ливыми зависимости указанны х параметро в от фильтрации (2.1) - (2.2) и от вязкости (2.4) - (2.5). скорости Прогнозы миграции загрязнений в случае упорядоченной неоднородности дл я получения "запаса надежности" следует производить при максимальны х значениях скоростей фильтра ции и параметро в дисперсии (Я] и Х2) в наиболее проницаемых слоях. В пластах с неупорядоченной неоднородностью переходная зона между жидкостям и формируется по закона м микродисперсии; при этом характерны м параметром дисперсии будет, по-видимому, средний разме р включений. Однак о значения этого параметр а должн ы определяться экспериментально в натурных условиях. В настоящее время, к сожалению, такие эксперименты выполняются редко, поэтому имеются лишь единичные данные о параметра х макродисперсии. Так, по одному опыту в мелкотрещиноватых известняка х [25] получено Xi "3 0 см, а несколько полевых опытов в трещиноватых мелах (данные А. М. Колба сова) дал и значения: AiO сут, K2 = OJ сут. Деформаци я границы раздел а между жидкостям и наблюда ется такж е в присутствии локальных неоднородностей - мак ровключений в виде линз или блоков пород с фильтрационными свойствами, отличающимися от свойств пласт а в целом. Локальны е неоднородности, встречающиеся в водоносных пластах, хотя и вызываю т изменения скорости фильтрации , происходят лишь в небольшой зоне, вблизи элементов неоднородности [49]. В связи с этим такие пласты обычно рассматри ваются ка к однородные, с усредненными фильтрационными характеристиками дл я всего пласта. Эта предпосылка при раз личных фильтрационных расчетах обеспечивает получение удовлетворительных результатов в отношении прогнозируемых уровней и расходов подземных вод. Однак о в задача х прогноза качества подземных вод, связанных с оценкой скорости распространения загрязнений в водоносных пластах, подобный подход представляетс я не всегд а возможным, та к ка к локальны е макровключения (в песчаных и гравийно-песчаных пластах - в виде более или менее водопроницаемых линз, в скальных породах - в виде отдельных крупных трещин или непроницаемых блоков) могут вызват ь существенное несовпадение истинных скоростей движени я загрязнений с прогнозными, рассчитанными по усредненным параметра м пласта . Цел ь исследований заключалас ь в изучении влияни я отдельных включений на фронт фильтрации, отделяющий загряз ненную и чистую воду в условно однородной породе, когда "п /z^Bi где /Zn и kB - коэффициенты фильтраци и породы и включения. Дл я получения наиболее четко выраженны х результато в основная часть опытов была проведена при & в =0 . Физико-химическое взаимодействие двух жидкостей и породы в данном случае не рассматривалось , что позволило использовать вместо физической модели аналоговую. Одномерный фильтрационный поток в условно однородном водоносном пласте моделировалс я в виде'электрического потока на бумажной модели ЭГДА , причем каждом у непроницаемому включению соответствовало прямоугольное - квадратное или удлиненное (линзообразное) отверстие в электропроводной бумаге. Длин а модели обеспечивала сохранение одномерного фильтрационного потока на входном участке, т. е. вблизи границы с напором Hu а такж е ниже включения, вплоть до границы с напором H2 (рис. 7). Устройство в модели отверстия - жшжшг" - T ^ I У/ W -t7-,0D JfL ш< W \ 'Ж Г6" 7HY Ti-- / X Рис. 7. Схема модели: 1-4-непроницаемы е включения ; 5 - част ь пласта , занята я вытесняюще й жидкостью : 6 - част ь пласта , занята я вытесняемо й жидкостью ; X j l -длин а участк а нарушени я одномерност и потока ; L - длин а языко в включения практически не влиял о на фильтрационный расход (силу тока) в моделируемом пласте. В опытах варьировались: размер ы включения в поперечном потоку направлении (b = 1 -10 см) и в продольном направлении (/ = 4-50 см) , а такж е число последовательно расположенных включений (пх = 1-6) и расстояние между ними'по потоку (d] = = 4-52 см) и поперек потока (d2 = 4-8 см) при п2 = 2-3. По результатам измерения электрических потенциалов пост роены гидродинамические сетки фильтрации и при некоторых заданны х параметра х пласта (коэффициент фильтрации ku , градиент напора I, активна я пористость п) определено положе ние границы, разделяюще й чистые и загрязненные воды, на то или иное время t. При Jf=O эта граница имеет прямолинейную форму и совпадает с изолинией напора Н\ . Н а участке расположения включения и ниже его по потоку фронт фильтрации деформируется. Н а гидродинамических сетках фильтрации (рис. 8) видно, что перед кажды м непроницаемым включением поток становится двумерным и последующее восстановление общего одномерного характер а фильтрации ниже включения происходит на расстоянии ~1, 5 Ь. 31 Увеличение пути фильтраци и при обтекании включения вызывает соответствующее отставание фронта фильтраци и и появление, таким образом, языка , который вначал е по мере обтекания включения возрастает , но дале е на одномерном участке потока сохраняет постоянную длину Ln. Рис. 8. Гидродинамическая сетка фильтрации при одно м непроницаемом включении: 1 - включени е (6 = 4 см; Z=IO см) ; 2 - лини и тока ; 3- лини и равног о напора ; 4-6 - фрон т фильтраци и на врем я t ь <з При высокой проницаемости включения (kB ^>kn ) узкий конец языка , наоборот, опережае т фронт фильтрации. Несколько включений, расположенных поперек основного потока, обуславливаю т сложную конфигурацию фронта (см. рис. 7) . Система концентрационных языков образуе т зону, в которой количество каждо й жидкости в сечении потока переменно по пути фильтрации. Если на участке сформировавшихся языко в определить в любом сечении х количество вытесняющей и вытесняемой жидкости, соответственно занимаемо й ими части сечения пласта , то можно преследить зону изменения от П носптельных концентраций С (.т), где. C = ; ( т - полное сечение пласта ; S i -сечение, занято е одной жидкость ю в я2 языках) ; х=(х-хн)/Ья. Типовой графи к С(х ) приведен на рис. 9. Зон а изменения С от 1 до 0, возникша я в результат е обтекани я отдельных не проницаемых включений, внешне аналогична зоне микродиспер сии в однородных породах, но она, как . был о показано, имеет иное происхождение и существенно большие размеры . При принятой методике аналогового эксперимента размер ы концентрационных языко в определяются только конфигурацией, числом и взаимным расположением непроницаемых включений (скорость фильтрации V влияет лишь на скорость формирования и передвижения языков по потоку), что позволяе т выя 32 вить некоторые характерные особенности влияния локальных неоднородностей на формирование фронта двух жидкостей при фильтрации. Длин а язык а Ln ниже включения оказалас ь практически не зависяще й от длины I линзообразного включения, вытянутого по потоку. В то ж е врехмя LN прямо пропорциональна поперечному размеру включения Ь, причем после обтекання одного пря C - 4 s V /я . см AI О W ^T f £ ис . 9. График С (л.) Рис. 10. График при b = l = 4 см. В опытах 4, 15-20: di=4 см; 0; в опытах 11-14: d =с?,=4 см; R2= =3 ; в опыт е 21: й г =Ь 2 сы; п ; =0 . Цифр ы при точка х на график е - номер а опыто в эдоугольного включения длина язык а на одномерном участке составляе т (3,5-т-4) Ъ. Если после 'этого встречается новое аналогичное включение, то длина языка удваивается. С увеличением количества последовательно расположенных включений длина LR соответственно возрастает из-за поперечного рассеяния и становится равной тЗ,5Ь-П\ , где П\-числ о включений, последовательно расположенных по потоку (рис. 10). Контуры языков на модели - резкие, четкие. В реальных водоносных пластах граница между жидкостям и будет размытой вследствие микродисперсиИ, физико-химического взаимодействия и других сопутствующих процессов. При большом количестве включений и их более или менее равномерном распределении по пласту рассмотренная схема с локальным и неоднородностями переходит в схему однородного пласта, в котором переходная зона между жидкостями формируется по законам микродисперсии; при этом характерным параметром дисперсии будет, по-видимому, средний разме р включений. зз СОРБЦИ Я ЗАГРЯЗНЕНИ Й ПР И ФИЛЬТРАЦИ И При фильтрации загрязненных подземных вод в водоносном горизонте площадь контакта воды и поверхности зерен породы очень велика. Это способствует поглощению, а такж е сорбции из воды грубодисперсных, коллоидных и растворенных примесей. В зависимости от состава, формы нахождения, концентрации примеси, состава воды и породы поглощение может иметь разнообразный характер и интенсивность. Так, грубодисперсные и коллоидные взвеси, а такж е некоторые микроорганизмы механически задерживаютс я при фильтрации в порах породы, вызывая кольматацию. В других случаях задержани е примесей проявляется ка к результат собственно физической (адгезия) или химической сорбции. К явлениям, которые по своим результатам при фильтрации в водоносных пластах подобны собственно сорбционным, можно отнести такж е процесс задержк и вещества в та к называемых "тупиковых" порах, некоторые ионнообменные реакции и др. Во всех этих случаях растворенные загрязняющие вещества в той или иной мере ка к бы поглощаются породой. Кинетика этих разнородных процессов изучена ещ е слабо. Имеются экспериментальные данные, указывающие на то, что скорость сорбции мелкодисперсных взвесей и эмульгированных веществ при фильтрации в мелкозернистых породах может быт ь охарактеризована следующим уравнением (7, 39, 85]: - ^ai(N0-N)C-P'N, dt (2.6) где N- количество сорбированного вещества; N0 - полная емкость сорбента в условиях равновесия с раствором концентрации C0; С - текущая концентрация раствора; а*, Р*-кинети ческие коэффициенты. Уравнение (2.6) является нелинейным, что весьма затрудняет его использование при решении зада ч миграции загрязнений в подземных водах. Учитывая исключительное разнообрази е и сложность физико-химических процессов, определяющих сорбцию (поглощение) загрязненных веществ при фильтрации, и неизбежную в связи с этим приближенность прогнозов, предсталяется целесообразным исходить из более простых (и вместе с тем более общих) уравнений кинетики, В частности, в случае, когда скорость сорбционного процесса лимитируется скоростью диффузионной или применительно к условиям фильтрации в водоносных пластах конвективно-диффузионной миграцией вещества, уравнение кинетики обычно принято выражат ь в следующей форме [7, 21, 25, 39]: ^ L = A ( C F W ) , dt 34 (2.7) где а - коэффициент скорости сорбции; {3 - коэффициент распределения вещества в равновесных условиях N0 - соответствующие предельные равновесные концентрации в растворе и сорбенте. Параметры а и р следует рассматривать ка к обобщенные характеристики разнообразных процессов поглощения, обуславливающих удаление растворенных веществ из воды при фильтрации. Уравнение (2.7), ка к можно судить по некоторым опытным данным [85], в общем является приемлемым для прогнозов движения различных видов загрязнений в подземных водах. Надежность таких прогнозов в значительной степени зависит от достоверности обобщенных кинетических параметров а и (3, которые, ка к правило, должны определяться опытным путем, причем в особенно сложных и ответственных случаях преимущественно на основании опытов в полевых натурных условиях. Уравнение (2.7) применяется такж е дл я описания обратимых процессов - десорбции и других явлений убыли вещества из сорбента и за счет этого обогащения им фильтрующегося раствора. При необратимой сорбции (поглощении), обуславливаемой неограниченно большой сорбционной емкостью (емкостью поглощения) водоносного пласта, когда р<С1, уравнение (2.7) принимает вид Вместе с тем анализ уравнения (2.7) показывает [81], что при значительной скорости сорбционного процесса, когда а велико, процесс сорбции может приобрести равновесный характер. В самом деле, если положить а=оо , то из уравнения (2.7) по лучим N - - С и соответственно (2.9) т. е. скорость сорбции в таких условиях прямо пропорциональна скорости -изменения концентрации вещества в растворе. И з опытов по фильтрации промышленных стоков с содержанием нефти 100-200 мг/л через пески с диаметром частиц 0,5- 1 мм при использовании в качестве исходного уравнения кинетики (2.6) при р = 0 в работе [37] были получены значения кинетического коэффициента а = 70-270 1/ч. Скорость фильтрации V при этом составляла 120-240 м/сут. На длине пути фильтрации 0,5-1 м содержание нефти в воде снижалось до 1-10 мг/л, причем основная сорбция нефти происходила в верхних слоях песка мощностью 10-25. Отмечено, что параметр а 35 зависит от размер а и начальной концентрации эмульгированных частиц нефти в воде. Меньшая интенсивность сорбции нефти из воды была получена в опытах, проведенных в Институте общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР . После прохождения метрового слоя песка (диаметр зерен 0,25-1 мм) концентрация нефти в воде снижалас ь всего на 50-60% от исходной, равной 55 мг/л; скорость фильтрации составляла в этом опыте 0,5- 0,6 м/сут. При увеличении скорости фильтрации ,до 1-2 м/сут на глубине 3 м в тех ж е песках концентрация нефти снижалас ь всего на 6% при исходной концентрации 95 мг/л. Растворенна я в воде нефть такж е поглощается мелкозернистыми грунтами при фильтрации, но в отличие от эмульгированной закономерности сорбции здесь могут быть другими. П о данным лабораторных опытов М. И. Гольдина, фильтрация водорастворимой нефти при ее начальном содержании 1- 2 мг/л може т быть описана выражением (2.9) с параметром' распределения Р = 0,23-^0,54. В опытах использован песок с d = = 0,25-1 мм, V = I 2 м/сут. Сорбированная на песках нефть может разлагатьс я под действием микроорганизмов, однако этот процесс происходит медленно. При начальном содержании нефти в воде 13,6 мг/л концентрация сорбированной на песках нефти в лабораторном опыте при /=4-5 ° С в течение 20 сут оставалас ь на уровне 4- 5 мг/л. Сорбция поверхностно-активных вешеств (ПАВ) при малой, их концентрации происходит по уравнению (2.7), но поскольку кинетический коэффициент при этом оказывается достаточно ве лик (а=1-1 0 1/ч) сорбцию ПАВ можно рассматриват ь как равновесную, т. е. описывать выражениям и (2.9) [25, 78, 81] . И з лабораторны х опытов {78] для некал я (дибутилнафталинсульфонат) получены параметры [3 = 5,8-18,2, а = 1,5 1/ч. Опыты проводились в песках (d = 0,25-0,5 мм) при начальной концентрации некал я 100 мг/л и скорости фильтрации 100 м/сут. По исследованиям грунтов, сорбировавших некаль в естественных УСЛОВИЯ Х залегани я в районе полей фильтрации, $ = 5-г 4-20. Сорбируемость другого ПАВ - хлорного сульфанола - на: песках (с?= 0,25-1 мм) при скорости фильтрации V= 0,5- -2 м/сут характеризуется параметром р = 0,26-^0,55; коэффици ент а, определенный в лабораторных условиях по методике, из ложенной в [78], велик и позволяет отнести сорбцию и этого ПАВ к равновесным процессам. По опытам, выполненным в Институте им. А. Н . Сысина (Е. И. Моложава я и др.) , сорбция трудноокисляющихся детергентов группы АБ С при фильтрации в песках (с?=0,25-0,55 мм, V=O,!-0,3 м/сут) происходит в малой степени; на пути фильт 36 рации длиной 6-.10 м адсорбируется всего 10-20% вещества при начальной концентрации ПАВ в воде 5 мг/л. Выполненная нами обработка этих опытов при "=0, 2 дае т значения р = 0,45- 0,66. Канцерогенные углеводороды (3,4-БП), содержащиеся в речной воде в малых концентрациях 0,0013-0,007 мкг/л, полностью задерживаются в 1-3-метровой толще песка при фильтрации со скоростью 0,5-0,6 м/сут. При высокой концентрации 3,4-БП, соответствующей его предельной растворимости в воде (0,1 мкг/л) , при фильтрации со скоростью 1,1 м/сут в песках на отрезке 1 м адсорбировалось 92-98% 3,4-БП; в присутствии анионоактивных ПАВ в концентрации 10 мг/л адсорбция в песках 3,4-БП снижалась на 3-5%. При фильтрации в тех ж е песках со скоростью 0,1 м/су т на пути в 5 м в фильтрате все еще содержался 3,4-БП в количестве 3,3% от его начальной концентрации на входе в пески (0,1 мкг/л) . Сорбированный 3,4-БП разлагаетс я в водонасыщенных песках - за 10 сут произошло полное разложение (начальная концентрация была 0,0022 мкг/л) . Сорбция фосфатов в лабораторных условиях изучалась М. И. Гольдиным на песках d=0,25 - 1 мм. При скорости фильтрации V-2-3 м/сут и начальном содержании фосфатов 1- 2 мг/л параметр (3 = 0,0033-0,0112, что указывает на значительную сорбцию фосфатов в грунтах. Это подтвердилось наблюдениями в натурных условиях при фильтрации речной воды из инфильтрационного бассейна, входящего в состав установки по искусственному восполнению подземных вод: если в инфильтрационном бассейне концентрация фосфатов составляла 0,6 мг/л, то на глубине 1 м под бассейном - 0,12 мг/л, а в наблюдательной скважине на расстоянии 25 м - 0,1-0,2 мг/л. По этим ж е опытным данным сорбция фенолов на песках ^ = 0,25-1 мм при скорости фильтрации V= 2-3 м/сут харак теризуется параметром P= 0,5-1 . Следует отметить, что при ла бораторных опытах с фенолом в аэробных условиях помимо сорбции происходит биохимическое разложение фенолов под влиянием микроорганизмов, что затрудняет интерпретацию ре зультатов. Однако наблюдения на натурных участках загрязне ния пород и подземных вод фенолами свидетельствуют о том, что при большом содержании фенолов в подземных водах их биохимическое окисление -в природных условиях происходит, видимо, достаточно медленно, так как фенолы остаются в водо носном горизонте еще долгое время после ликвидации источ ника загрязнения. Сорбцая тяжелых металлов из воды на тонкозернистых песках и супесях исследовалась Ф. И. Тютюновой в лабораторных условиях и на участках загрязнения подземных вод [106]. Судя по содержанию цинка в породах и подземных водах, в природ 37 ной обстановк е сорбци я цинка невелика и характеризуетс я зна чениями параметр а р = 20-+30. В лабораторны х условия х значени я параметр а р дл я катионных форм цинка, марганц а и меди составили : дл я Zn2+ + ZnCl+- 0,143^-0,137, дл я Cu 2 ++CuCl + -0,078-^-0,081 , дл я Mn 2 +-0,27 + 4-0,25. Опыты проводилис ь с растворам и хлоридо в и сульфато в при исходной концентраци и указанны х элементо в 32 мг/л и скорости фильтраци и 3,14 м/сут. Констант а скорости адсорбции при фильтраци и этих ж е растворов в тонкозернисты х песках дл я Cu2+, CuCl+ составил а 0,04 1 /ч, дл я Mn2 +-0,26 1 /ч, дл я Zn2+-0,62 1/ч. Нейтральны е и анионные комплексные соединения тяжелы х металло в сорбируются грунтам и плохо. Так, в аллювиально м потоке подземны х вод, загрязненны х стокам и из хвостохранилищ а рудообогатительно й фабрики , медь содержалас ь на рас стоянии до 3,5 км от хвостохранилищ а [106]. Лабораторны е исследовани я сорбции некоторых органических соединений из загрязненны х подземных вод, выполненные в институте ВНИИВО , показал и следующее : при фильтраци и в мелкозернисты х песка х (скорость V= 0,2 м/сут, активна я пористость песков П=0,24-f-0,26, коэффициен т дисперсии D = = (1-=-14)-10 4 м2 /сут) раствора , содержащег о NaC l (0,1 н) и анилин QH 5 NH 2 в количестве 6,9 мг/л, коэффициен т равновесной сорбции P = 4,5. Сорбци я нитробензол а C 6 H 5 NO 2 при фильтраци и раствора , содержащег о NaC l (0,1 н) и нитробензол в количестве 5,9 мг/л , характеризовалас ь P = 1,6. В опытах кроме сорбции отмечалос ь разложени е нитроироизводных. Следуе т отметить, что помимо изложенны х выш е материало в в литератур е встречаютс я дополнительны е сведения о сорбции вещест в из водных растворо в при фильтраци и в грунтах, одна ко они, ка к правило , носят качественный характер . РАСПА Д РАДИОАКТИВНЫ Х ЭЛЕМЕНТО В Радиоактивны е веществ а (уран, радий, стронций, цезий, тритий и некоторы е другие элементы) , встречающиес я в подземных водах , имеют естественное или искусственное происхождение. Ка к и в отношении других загрязнений , опасность техногенного радиоактивног о загрязнени я угрожае т в первую очередь грунтовым водам , в особенности при отсутствии почвенного слоя и покровных грунтов, задерживающи х сорбирующиес я и короткоживущи е элементы. Распа д радиоактивны х элементо в происходит по уравнени ю JHOv. ~ - а С (2.10) Qt 38 где Ar - количество радиоактивного вещества, подвергшегося распаду; С - обща я концентрация вещества в растворе. Это выражени е характеризует кинетику необратимой реакции первого порядка. Принимая , например, линейную зависимость межд у Np и С, получим = iC; С = Сйе~аН или t = J L i n A . , а* С (2.11) где а * - коэффициент, определяющий скорость распада элемента ; C0 - его концентрация при времени t=0. Врем я полураспада когда (2.11), составляет tjO = О Д ка к следует из f 0i S = _(r)^*L . (2.12) а* Выражени е (2.11) може т быть использовано такж е для описания кинетики осаждения компонента из загрязненных подземных вод. РАСТВОРЕНИ Е СОЛЕИ , СОДЕРЖАЩИХС Я В ФИЛЬТРУЮЩИ Х ГОРНЫ Х ПОРОДА Х Многочисленные гидрогеологические исследования и наблюдения свидетельствуют о том, что слабоминерализованные подземные воды при движении в водоносном пласте способны хорошо растворят ь минералы, образованны е сульфатам и натрия, кали я и магния, а такж е хлоридами и бикарбонатам и щелочей и щелочноземельных металлов. К среднерастворимым минерала м относятся сульфат ы кальци я (гипс и ангидрит), к относительно труднорастворимым - карбонат ы кальция и магния (кальци т и доломит) . В определенных условиях способны растворяться (выщелачиваться ) и многие другие минералы, в особенности при длительном воздействии воды. В зависимости от количества и характер а залегани я водорастворимых минералов в горных породах различаю т породы в одорастворимые , т. е. нацело сложенные водорастворимыми солями (пласты гипса, каменной соли и т. д.) , и породы за соленные , в которых водорастворимые минералы встречаются в виде друз, желваков , линз, отдельных кристаллов, т. е. в дисперсно распределенном виде. Загрязненны е промстоками воды по сравнению с чистыми подземными водами часто обладаю т еще большей агрессивностью, и их фильтрация сопровождается интенсивным раство 39 рением минералов и горных пород, приводящим в итоге к дополнительному изменению состава вод. Применительно к фильтрации в засоленных породах [33] уравнение кинетики растворения может быть записано в виде: при дисперсной форме засоления Olr ( С н О / Л Г . (2.13) при пленочном засолении ^L = -ap(CH-C), (2.14) где N - масса твердых солей, находящаяс я в грунте в момент времени i(N0- начальное количество твердых солей при ^=0) ; C n и С - концентрация насыщенного раствора и текущая ; а р - константа скорости растворения. В статических условиях, когда концентрация зависит только от t, и при линейной связи N и С, из (2.14) получим С = Сн-(Сн-С0)е~"'<, (2.15) где C0 - концентрация при t=0; а' - обобщенная константа скорости растворения. Концентрация насыщенного раствора Ch различна дл я разных твердых осадков и зависит, кроме того, от состава растворителя и его температуры. В растворах, содержащи х другие соли и соединения, растворимость той или иной малорастворимой соли может быть вычислена по данным химического анализ а воды с использованием произведения активностей и с учетом возможности образования комплексных ионов и других реакций образующихся катионов с гидроксильными ионами воды, анионов - с ионами водорода и т. д. При определении растворимости горных пород и минералов часто используется метод непосредственного измерения Ch при эксперименте. Константа скорости растворения а р зависит от характер а засоления породы-содержания , размера , формы частиц соли и условий их контакта с водой. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлена, кроме того, зависимость а от скорости фильтрации V [33]. Растворение мелкодисперсного гипса, например, при фильтрации в песках характеризуется значениями а р , приведенными в табл. 4 [76]. Растворение дисперсно рассеянного гипса при фильтрации воды через делювиально-элювиальные суглинки ненарушенного сложения, содержащие комплекс водорастворимых солей (CaS0 4 -2H 2 0- 2,3% , CaCO 3 -I-MgCO 3 8,5% , NaCH-Na 2 SO 4 + +MgSO 4 -0,9 % к массе абс. сухого грунта) , характеризовалось а р = 4,3 1/сут [76]. Т а б л и ц а 4 Параметры раствсрешш мелкодисперсного гипса 1/су т т-405 -1574, 2 -15457, 0 18, 6 028, 2 По данным Г. П. Шапинской (1971 г.), растворение Na2 SO4 при скорости фильтрации 0,3-1 м/сут происходит при Gprfc(0,OOlH 4-0,24)-10-4 1/с, или 0,01-f-2,13 1/сут. Зависимость а р от скорости фильтрации, вязкости растворителя, формы растворяемого тела свидетельствует о влиянии гидродинамических факторов на процесс растворения. АДСОРБЦИ Я МИКРООРГАНИЗМО В Биологическое загрязнение подземных вод може т быть вызван о различными микроорганизмами - водорослями, бактериями,-вирусами. Наиболее опасным является загрязнение болезнетворными микроорганизмами, поступающими в грунтовые воды на участках интенсивной и длительной фильтрации фекальных и хозяйственно-бытовых вод - с полей фильтрации, выгребных ям, скотных дворов, дефектной канализационной сети и т. д. В прибрежные водозаборы биологические загрязнения могут поступать из речных вод, привлекаемых водозабором. Дальност ь и скорость распространения в подземных водах биологических загрязнений определяются, с одной стороны, условиям и ф и л ь т р а ц и и и з а г р я з н е н и я , а с другой - времене м в ы ж и в а е м о с т и , т. е. длительностью существования, микроорганизмов в подземных водах. Крупные микроогранизмы, входящие в состав планктона речных и озерных вод, ка к правило, не проникают в подземные воды. Известны, однако, случаи появления в подземных водах и водозаборах, расположенных на берегах мелководных водохранилищ, синезеленых водорослей и железобактерий . Распространение микробных загрязнений в подземных водах наблюдалось неоднократно. В зависимости от состава пород водоносного горизонта дальность продвижения микроорганизмов изменяется от 15-20 м (в мелкозернистых песках) . до 800-1000 м (в галечниках и трещиноватых известняках) [72] . увеличиваясь с повышением скорости фильтрации. При искусственном пополнении подземных вод за рубежом и в СССР распространение бактерий в водоносном горизонте отмечено в мелкозернистых песках- на расстояние до 10- 15 м, в среднезернистых песках - на 160 м при скорости фильтрации 0,5 м/сут, в песчаных грунтах при скорости фильтрации 2-16 м/сут - более 200 м [53, 54]. Результаты определения числа бактерий в воде под дном 9 инфильтрационных бассейнов, приведенные в работе [108], по казывают, что в основном бактерии задерживаются на первых десятках сантиметров слоя мелкозернистых грунтов под бас сейном, а на глубине 3 м относительное число бактерий уж е снижается до 0,07% (рис. 11). Значительное количество опытов Рис. 11. Изменение содержания бактерий в воде (M) по пути фильтрации (! ) из инфильтрациоиного бассейна: 1 - "сырая" вода , подаваема я в бассейн; 2 - вод а в бассейне ; 3 - вода в грунта х под дно м бассейна по фильтрации бактериально загрязненной воды в грунтах проведено в лабораторных условиях. И з анализа натурных наблюдений и лабораторных экспериментов следует, что ограниченная дальность распространения микробных загрязнений определяется в первую очередь их адсорбцией, т. е. поглощением при фильтрации в грунтах. Природа адсорбции микробов при этом различна: при фильтрации в почвах она связана главным образом с влиянием антагонистичных микроорганизмов (слой почвы в 40 см задерживает около 90% бактерий [97]), в мелкозернистых песчаных грунтах адсорбция бактерий проявляется в виде прилипания к отдельным частицам грунта из-за действия поверхностных или электрических сил, наличия в бактериях клеящих веществ и других причин. Интенсивность адсорбции, определяющая в конечном итоге дальность распространения микробных загрязнений в подземных водах, значительно колеблется дл я различных видов загрязнений и зависит от условий фильтрации (состав пород, скорость фильтрации, присутствие в воде тех или иных химических веществ), начального содержания микробов в воде на входе в грунт, условий поступления микробов (длительное, кратковременное) и других факторов. В 1971-1975 гг. Е. И. Моложавой и др. были проведены исследования дл я уточнения сорбции, дальности распространения и выживаемости отдельных видов микроорганизмов: санитарно-показательных бактерий (бактерий группы кишечной палочки, энтерококка), патогенных энтеробаютерий (шигелл и сальмонелл), Фаг Е. Coli и энтеровирусов (вирус полиомиелита). Опыты проводились при различных температуре и плотности начального заражени я воды, в присутствии химических загряз нений. Оказалось, что в условиях низких температур (4-8°), характерных дл я подземных вод, микроорганизмы длительное время сохраняют жизнеспособность". При этом срок выживаемости микроорганизмов существенно зависит от плотности начального заражени я воды (табл. 5) . Т а б л и ц а 5 Время выживаемости микроорганизмов в подземных водах Микроорганизмы Начально е коли чество в воде (числ о микробных те л в 1 л ) Выживаемость при 4-6 ° С, сут . Санитарно-показательные бактерии (кишечная IO 5 -IO e 400 палочка и энтерококк) Патогенные энтеробактерии: сальмонеллы брюшного тифа IO2 50-56 " " IO4 Д о 120 сальмонеллы паратифа В IO2 Д о 220 " " IO4 От 74 до 400* шигеллы дизентерии IO2 174 " " 10" Более 300 Вирус полиомиелита 103 БОЕ/м л 116 Фаг Е . Coli Юз БОЕ/м л Около 400 * В зависимости от штамма и состава воды. В процессе вегетирования в водонасыщенных грунтах некоторые штаммы изученных видов бактерий снижали свою вирулентность (т. е. способность вызывать эпидемиологическое заболевание), другие штаммы сохраняли вирулентность на уровне исходной. Добавляемы е в воду химические загрязнения (детергенты, фосфаты, нефтепродукты, фенолы), присутствовавшие в кон центрациях на уровне ПДК , практического влияния на время выживаемости не оказали, однако, например, увеличение содержани я детергента (сульфанола НП-1) до 5 мг/л в присутствии фенолов и нефти приводило к увеличению сроков выживаемости и размножению бактерий. Опыты в статических условиях показали, что энтерококки обладают большей выживаемостью и меньшей адсорбируемостью на грунтах, чем бактерии кишечной палочки. Н а основании этих исследований дл я прогнозов миграции микроорганизмов в подземных водах можно рекомендовать использовать в качестве расчетного времени выживаемости микроорганизмов следующие значения [83]: 1) при поступлении бактериальных загрязнений в подземные воды из относительно мало загрязненных открытых водоемов, рек, инфильтрационных бассейнов - 200 сут; 2) при наличии массивных и постоянно действующих источников бактериального загрязнения (поля фильтрации, скотоводческие фермы, места поступления неразбавленных сточных вод) - 400 сут. В Институте им. А. Н. Сысина проведены такж е лабораторные опыты по изучению дальности распространения и сорбции микроорганизмов при фильтрации в песчаных грунтах (рис. 12). Установлено, что степень сорбции различных микроорганизмов неодинакова и зависит от скорости фильтрации и состава фильтрующих мелкозернистых пород. При опытах наблюдалас ь частичная десорбция адсорби И ' & В ' Рис. 12. Дальность распространения микроорганизмов з а 60 суток при фильтрации в песках бактериально загрязненной воды со скоростью 1,5 м/сут. (Эффективный диаметр частиц песка 0,2 мм<^ д ф СО,5 мм): С - количеств о микробны х те л в 1 л воды ; х - путь фильтрации ; / - споры антракои да ; 2 - кишечна я палочка ; 3 - энтеро кок к ровавшихся при фильтрации микроорганизмов после увеличения скорости фильтрации в 2-4 раз а или после подачи в пески чистой, не' зараженной бактериями воды. В последнем случае десорбировались 0,1 - 1% поглощенных ранее бактерий. Были выявлены микроорганизмы, которые наряду с кишечной палочкой могут быть использованы ка к санитарные показатели качества воды. К ним относится энтерококк, который среди бактерий группы кишечной палочки имеет наибольшую дальность распространения и может служить показателем качества воды в отношении энтеробактерий, а такж е бактериофаг Е. Coli, более длительно выживающий в подземных водах и менее сорбируемый грунтами по сравнению с другими энтеровирусами. Дл я установления количественных связей между факторами, "влияющими на дальност ь распространения микроорганизмов при фильтрации в грунтах, и выявления общих закономерностей адсорбции микроорганизмов были проведены специальные ла бораторные опыты [83]. И х особенность заключалас ь в наблюдениях за изменением во времени количества микроорганизмов в воде по пути фильтрации в присутствии несорбируемого компонента. Вода, зараженна я бактериям и Е. Coli в количестве CBX = = n-10 4 -пIO 5 микробных тел в одном литре, а такж е содержа ща я Фаг MS2, с постоянным расходом непрерывно фильтрова лас ь через колонку, заполненную мелкозернистым песком. Диамет р колонки составля л 5-10 см при длине от 1 до 20 м. Постоянна я в каждо м опыте скорость фильтраци и V составлял а 0,25-2,0 м/сут. В начал е фильтрации дл я определения активной пористости песка в воду добавлял и раствор NaCl. П о пути фильтраци и на различны х расстояниях х от входного участка и в конце колонки периодически отбиралис ь пробы фильтрата , в которых определял и концентрацию С хлоридов и бактерий. Это позволило наблюдат ь за изменением содержани я бактерий на различных расстояниях (х) и во времени (t ) . Полученные в экспериментах зависимости C(t), где С = С/СВХ дл я проб фильтрата , взятых на разны х расстояниях х, приведены на рис. 13. Активная порис гз м т w мин / г iff is ^ff zf% л/ jf tff г; сут Рис. 13. Адсорбци я микроорганизмо в при фильтраци и бактериальн о загрязненно й вод ы чере з песк и на фон е несорбируемог о компонента : С. - содержани е микроорганизмо в и NaC l в вод е ( в % к содержани ю в поступающе й воде) ; t - врем я о т начал а фильтраци и (в мин. и су т.) ; / - NaCl 1 расстояни е от вход лог о сечени я - х=6 0 см ; 2- Esh . Coli , х=2 0 см ; 3- Esh . Coli, х=4 0 см ; 4 - Esli . Coli, л = 60 см; 5 - Фа г MS2 , х=2 0 см ; 6 - Фа г MS 2 , х=4 0 см тость грунта определена по времени появления в фильтрат е несорбируемого компонента (NaCI) в концентрации C=0,5, т. е. составляющей 50% от входной. И з рис. 13 видно, что бактерии продвигаются в грунте от входного сечения вглубь по потоку, причем скорость продвижения бактерий значительно меньше скорости движени я воды. Особенностью процесса являетс я увеличение содержани я бактерий во времени в каждо м сечении х, вплоть д о насыщения сорб 45 цнонной емкости грунта, после чего следующие группы бактерий продвигаются по потоку далее. Наблюдавшаяс я в этом эксперименте адсорбция бактерий в общем соответствует уравнению нелинейной кинетики сорбции (2.6) при P* = 0, причем в данном случае N0 - полная сорбционная емкость породы; N -количеств о сорбированных микроорганизмов; С - их концентрация в воде; а - парамет р кинетики сорбции. В этих опытах, а такж е по данным других исследований отмечается зависимость интенсивности адсорбции бактерий от гидродинамических факторов - гранулометрического состава породы и скорости фильтрации Натурны е наблюдения (Е. И. Моложавая , 1972 г.) такжеподтвердили характе р описанных выше закономерностей сорбции бактерий при фильтрации. Рис. 14. Дальность распространения микроорганизмов в среднезернистых песках на уча стке искусственного пополнения подземных во д при скорости движения воды 2-3 м/сут : С - количеств о бактери й в подземны х водах ; х - расстояни е от наблюдательны х сква жи н д о инфильтрациокног о бассейна ; / - Esh . Coli; 2 - бактери и групп ы кишечно й па лочк и (Citrobacter , Enterobacter) ; 3 - энтерококк ; 4 - бактери и семейстиа Pseudomo nadace a Водоносный горизонт здесь состоит из среднеи мелкозернистых песков. Межд у инфильтрационным бассейном, в который подается озерна я вода, и линией водозаборных скважи н расположены 13 наблюдательных скважин , из которых были отобраны пробы подземных вод через 2 мес. после чистки бассейна и начал а очередного фильтроцикла. В озерной воде бактерии кишечной палочки содержалис ь в количестве (24-3) • IO5 микробных тел в 1 л (мкр. т/л) , из них 30% составляли Е. Coli, остальные - бактерии Ehterobacter и Citrobacter. Количество энтерококков составляло (1- 5)-10 4 мкр. т/л с преобладанием видов Str. faecium и Str. faecalis. В результате исследований установлена неодинаковая даль ность распространения микроорганизмов в песках (рис. 14). Проведенные натурные и лабораторны е исследования указывают, что адсорбция микроорганизмов, препятствующая их распространению в водоносных грунтах, может быть эффективна 46 лишь в породах с большой удельной поверхностью контакта воды и породы - в почвах, суглинках, супесях, мелкои среднезернистых песках, где длина зоны бактериального загрязнения не превышает 200-300 м. В породах с большими размерами пор и пустот и малой удельной поверхностью контакта воды и породы - в трещиноватых скальных породах, а такж е в сильнопроницаемых валунно-галечных и гравийно-галечных грунтах - адсорбция очень мала, и здесь следует считаться только со временем выживаемости микроорганизмов. Параметры сорбции при этом следует определять в экспериментах, так ка к адсорбция бактерий сугубо специфична: подвижные бактерии сорбируются хуже, чем неподвижные, адсорбции способствуют органические вещества, снижение температуры, кислая среда и т. д. Даж е различные штаммы одного и того ж е вида бактерий сорбируются с неодинаковой интенсивностью. ГЛАВ А 3. ИСХОДНЫ Е ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫ Е УРАВНЕНИ Я ФИЛЬТРАЦИ И И ПЕРЕНОС А (МИГРАЦИИ ) ЗАГРЯЗНЕНИ И В ВОДОНОСНЫ Х ПЛАСТА Х НЕКОТОРЫ Е ОБЩИ Е ПОЛОЖЕНИ Я Методы расчета фильтрации и количественной оценки ресурсов подземных вод основываются на решениях дифференциальных уравнений подземной гидродинамики или теори и фильтра ци и [Ю; 62, 91, 118, 133]. Дл я прогноза качества подземных вод широко используются методы, разрабатываемые в подземной физико-химической гидродинамике, теории массои теплопереноса (миграции вещества) в пористых средах и соответствующих исходных дифференциальных уравнениях. По этим проблемам в ССС Р и за рубежом проводятся, особенно в последние годы, обширные и разносторонние исследования. Наиболее полная сводка работ, выполненных у нас в стране до середины шестидесятых годов, дана в книге [39]; работы зарубежных авторов примерно на то ж е время получили отражение в монографии [7]. Задач и о фильтрации воды и миграции вещества в пластах горных пород являются весьма сложными, и решение их наталкивается на значительные трудности. Объясняется это главным 47 образом сложностью геологических и гидрогеологических условий и недостаточной изученностью самих процессов фильтрации и переноса вещества в таких условиях. Обычно для получения решения той или иной фильтрационной задачи реальную природную обстановку приходится существенно схематизировать. Схематизируются такж е явления,, определяющие перенос вещества в подземных водах; ка к правило, при этом рассматривается миграция только отдельных элементов, например, наиболее токсичных, независимо от наличия других составляющих (это условие справедливо для разбавленных растворов малой концентрации), или оценивается изменение общей минерализации воды и т. д. Соответственно этому возникает необходимость в упрощении исходных дифференциальных уравнений и краевых условий, которыми в математической форме описывается комплекс природных факторов, характеризующих водоносные пласты и их взаимоотношения с окружающей средой. В большинстве случаев считаются справедливыми следующие предпосылки. 1. Принимается, что реальные фильтрационные потоки можно в одном направлений осреднять (например, в вертикальном разрезе, поскольку водоносные пласты имеют несоизмеримомалую мощность по сравнению с площадью их распространения). Осреднение позволяет снижать мерность уравнений, т. е. переходить от трехмерных (описывающих пространственные течения) к двумерным (планово-плоским и плоским в вертикальном разрезе течениям) и одномерным уравнениям (или уравнениям, описывающим простейшие линейные потоки и потоки с осевой симметрией - радиальные, сферические). 2. При аналитическом решении фильтрационных задач, ка к правило, принимается также, что реальные водоносные пласты можно рассматривать условно однородными (вернее, статистически олноролными) или днекрдТ1Ю-и('ОИноролными, т. е. разделенными на зоны с различными фильтрационными свойствами^ но в пределах каждой из таких зон фильтрационные параметры могут быть осреднены, и границы между зонами имеют сравнительно простые геометрические очертания. В редких случаях удается получить аналитические решения для пластов, изменения парметров которых подчиняются различным функциональным зависимостям (от Координат области фильтрации и времени). Более широкие возможности решения фильтрационных зада ч в неоднородных пластах появляются при использовании моделирования на аналоговых приборах (ABM) и цифровых электронных машинах (ЭВМ) , однако и в этих случаях указанна я предпосылка о возможностй осреднения параметров пласта в той или иной мере сохраняется. 48 3. Задач и о миграции загрязнений обычно рассматриваютс я в предположении, что фильтрационные параметр ы и параметр ы физико-механического взаимодействи я являютс я независимыми, поэтому решения соответствующих уравнений фильтрации могут производиться ка к бы автономно. 4. Пр и математическо м описании фильтрации и переноса вещества в слоистых водоносных системах, состоящих из хорошо проницаемых пластов, разделенных, слабопроницаемым и глинистыми слоями, принимается, что в последних, т. е. в слабопроницаемых слоях (часто называемы х еще "раздельными" слоями или1 "перемычками") , преобладае т вертикальна я фильтраци я и горизонтальными составляющим и скорости фильтраци и в сравнении с таковым и в основных пласта х можно пренебрегать. 5. В качестве основных динамических законо в при выводе уравнений принимаются: дл я собственно фильтрационного процесса - зако н Дарси , а дл я миграции вещества и тепла - соответственно закон ы Фика и Фурье с учетом молекулярного, конвективного переноса' и дисперсии. Исход я из этих предпосылок, ниж е рассматриваютс я уравнения баланс а воды и вещества (тепла) в водоносных пластах. УРАВНЕНИ Я ФИЛЬТРАЦИ И ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д Уравнение баланс а массы подземных вод в элементе водоносного пласта можно представить в следующем виде (рис. 15): 2 (3.1) (3.2) Здес ь <7фг - фильтрационный расход; km - водопроводимость пласта (k - коэффициент фильтрации, m - мощность пласта), H - напор подземных вод; р - плотность воды; ei и ег - скорости фильтраци и воды на граница х пласт а в вертикально м сечении, т. е. на кровле и подошве (переток воды из соседних горизонтов и из атмосферы) соответственно; - координаты (в обычных обозначениях декартово й системы х\=х, х2 = у)\ t - время . Объединя я уравнения (3.1) и (3.2) и выража я первый член в правой части (3.1) ка к производную произведения величин m и пр, получим 2 i=1 49 WlfdVdx ~fc~dxdi/ Рис. 15. Схем а к выводу уравнения фильтрации подземных вод: а - дл я напорного пласта ; б - дл я пласта с о свободной поверхностью Это уравнение в общем описывает ка к напорные, та к и безнапорные потоки. 1 В напорных водах (см. рис. 15, а), полага я fc = const, га = Const при этом дт dt O^ и принимая известные соотношения дл я и (P ) и р (P ) ( P = Ab-H - давление, Дв - плотность воды, Дв = = ё - ускорение силы тяжести) , а именно: ,P-P0 Л , P 1 " П Zп l0Н-1 -r -2^ -1 -,. PР ^РP оn (f i1 iH •t-пл \ z r ^ ) ' ^ 3 ' 4 ) получим хорошо известное уравнение дл я та к называемой уп руго й фильтраци и [63, 133]: 2 S д2Н 1 дН S1 B2 (3.5) 1= ] а = дх] km dt km ( " о + V ^B (3.6) Соотношение (3.6) для а* по предложению В. Н. Щелкачев а [133] носит названи е коэффициент а п ь е з о п р о в о д н о с т и и служит основным параметро м нестационарной напорной фильтрации. Коэффициент р* характеризуе т водоемкость (или упругоемкость) напорного пласта и, ка к видно из (3.6), определяется в значительной мере показателям и деформируемости воды и поро 50 ды, слагающе й пласт (EB И EJJл - соответственно модули деформации воды и пласта) . Дл я рыхлых и слабосцементированны х пород (пески, песчаники) модуль деформаци и пласта може т быть выраже н через коэффициент уплотнения аи = -^ i i ^ -Е-к-, определяемый по " дР AP данным компрессионных испытаний [10, 127]. (3.7) ау где е к - коэффициент пористости пород при давлени и Р ; е0к - начальны й коэффициент пористости при давлении P0. В этом случае, учитывая, что е о к = - (п0 - начальна я 1 - п0 пористость) | Г = тА в [-3/4 + (1 - п0) а у ] , (3.8) где коэффициент р* - величина безразмерная . П о своему физическому смыслу коэффициент р* представляе т собой отношение количества воды VB, которое може т быть извлечено из пласта (при понижении напора в процессе откачки) или принято пластом (при повышении напора в процессе нагнетания) за счет упругой деформаци и воды (расширения ее при откачка х и сжати и при нагнетании) и изменения пористости, к объему "воронки" депрессии VMI, образующейся в пьезометрической поверхности пласта : ^= -Ys-SS 7 1 Г . ( 3 9 ) н.п АЯсрб) Здес ь Д# с р - среднее понижение напора на площади пласта , ограничивающей в плане "воронку" депрессии. Для безнапорных вод со свободной поверхностью (см. рис. 15, б) следует в уравнении баланс а (3.3) положить т = = H(xiy t). Тогда при fc = eonst получим следующее нелинейное уравнение: i= I 1 T p ^ ( З Л 0 ) Обычно дл я практических расчетов это уравнение приводится к линейному, причем используются дв а способа линеариза ции. П о первому способу (Багров а и Веригина) обе части уравнения умножаютс я на величину Н, которая вводится под зна к производной по времени, а перед остальными членами уравнения осредняются и принимаются в качестве постоянного множителя H = HC p = const. 51 В этом случае уравнение выразится относительно функции H z U . 2 По второму способу (Буссинеска) величина H выносится за знак производной но координатам (левая часть уравнения) и осредняется. Такой способ приводит к уравнению относительно функции напора в первой степени: и = Н. спели теперь принять, что множитель п при производной" Q-H dt в уравнении (3.10) характеризует собой эффективную, или т. н. активную, пористость пэ, и численно величина пэ приблизительно равна водоотдаче пород при их осушении или гравитационной водоотдаче р, т. е. то уравнение (3.10) можно представить в следующем виде: при первом способе линеаризации д(Л1) V ^ ^ 2 ' = - \ 2 / I g l~ S 2 / 3 J J4 ZJ дх? dt k ' ' i=l при втором способе линеаризации 2 у^У S2H 1 дН I= I + , (3.12) дх2- "** dt kHc р В этих уравнениях CL** = к И с р - (3.13) можно назват ь обобщенным коэффициентом иьезоироводности дл я безнапорных пластов, определяемым показателями гравитационной (ц) и упругой (р*) водоотдачи. Последня я находится здесь, как и в напорных пластах, по формула м (3.6) и (3.8) при замене в них т на Hcv. Уравнения (3.11) и (3.12) с учетом (3.13) описывают, таким образом, комбинированный гравитационно-упруги й ре жи м ф и л ь т р а ц и и , детально исследованный в работе Н. Н. Вернгина [35]. Следует отметить, что, поскольку в большинстве случаев факто р упругости в безнапорных пластах практически сказываетс я в малой степени. Поэтому, ка к правило, при решении зада ч безнапорной фильтрации в уравнении (3.13) величи ной р* пренебрегают, полагая a'* ^ a (3-14) т. е. рассматривается чисто гравитационны й режи м ф и л ь т р а ц и и . 52 Дл я решения приведенных уравнений (3.5), (3.11) и (3.12) должны быть сформулированы начальны е и граничные условия, которыми характеризуютс я условия питания водоносного пласта и его взаимодействия с окружающим и водоносными пластами и поверхностными водными источниками. В частности, некоторые из этих условий, а именно- в плоскостях кровли и подошвы пласта уж е ка к бы включены в сами уравнения в виде зленов ei и 82 - ими оценивается интенсивность питания пласта в пределах площади его распространения. В табл . 6 показан ы схемы строения пластов в разрез е и применительно к ним - математические выражени я дл я ei и ег Схема 1 иллюстрирует однородный безнапорный пласт при наличии атмосферного питания (путем инфильтраци и атмосферных осадков или равномерно распределенных по площади потерь из разреженно й гидрографической сети) интенсивностью Bi = е11Ыф = ^(^г" t). Закономерност и изменения величины еш,ф в этом случае могут быть весьма разнообразными . В табл. 6 приведены (см. последний столбец) случаи дискретного по площади распределения инфильтрации, которая по времени t може т изменяться по линейной или экспоненциальной зависимостям. Може т иметь место такж е зависимость величины еИНф от напора пласт а Я ; конкретные формулы этих зависимостей находятс я по опытным данным . В остальных схемах табл . 6 кроме инфильтрации 8ииф питание основных пластов (они обозначены параметрам и ktn и напором H без числовых индексов) осуществляется путем фильтрации из соседних, выше и ниже расположенны х водоносных горизонтов. Величины ei и ег в таких условиях выражаютс я вертикальной скоростью фильтраци и на кровле и подошве пласта , причем дл я ее определения должн ы быть решены соответствующие уравнения фильтраци и дл я соседних слоев, в которых находит отражени е величина атмосферного питания. Схемы и формулировк а типовых условий на контурах пласта в плане при которых должн ы решатьс я исходные дифференциальны е уравнения, представлены в табл . 7. Наиболе е распространенны м являетс я ограничение водоносного пласта поверхностным водотоком (рекой, водохранилищем и т. д.) , с которым гидравлически связа н водоносный пласт. Така я связ ь може т быть с о в е р ш е н н о й , когда по линии водотока допустимо задават ь условие #=cons t или H=f(t) (схема 1), или затрудненной, несовершенно й - при неполной врезке русла водотока в водоносный пласт и наличии в лож е водотока заилени я и слабопроницаемы х прослоев и линз, затрудняющи х фильтраци ю воды (схемы 2 и 3) . Если водоносный пласт граничит с другим водоносным пластом, обладающи м иными фильтрационными свойствами, на контакте пластов принимаются условия равенства нормальных (к линии контакта ) потоков и самих напорных функций (схе 53 Таблиц а 6 Схема водоносных пластов и условия на кровле и подошве №№ п/п I Схем а пласт а Выражени я дл я e t , е г в уравнения х фильтраци и (3.5 ) и (3.10) , (3.12 ) I I \ i l l ! • / ' W X -Л", ч w 1 , • . L / / . • . • ; : • !|-•='•^'--km . • •. "' . • ' ' ' • ' • ' • • • . 1 •: .-..-:-.-.-.^. 1•>'-•-• ' • ' . -U ^ "'••//-/'.W^yj0>••<•'•• -J7 8 I = 8 И Н ф ; {(r)ин ф = {^ин ф V , Н) пр и Xh < Xi < Xi2 0 пр и Xi > I л:,-,.2 I е 2 = 0 \ I " t I U l l l I ^ ^ V ^ v f V ' . • • • • . e I = 6 ин ф Ы : i ' '•!' • Д. ' "с ' • . е 2 - КAo д Н ° OZ г=т0 2 • • • ' ^'.''• '-• km"V'''' *при ^ 0 = 0 (жестки й режим в раздельном слое) б 2 к (H1 H) mO W W / V / A W M f t e Продолжение табл.^ 6 №№ " n y n Схем а пласт а 1 "' * ' 1 1 " " 1 1 Il I I I I II • I -| ' I Ч Выражени я дл я su E2 в уравнения х фильтрации (3.5 ) и (ЗЛО) , (З Л 2) У/. / / , | | | | д | | | Ш Р B1 = K1 дНх дг г-т у-Wty /Щуу/уууууууууу>ууууууу/% OH1 K K дх H1 = H2 OH1 дх Z •• • • ^ ^ • " УУУ/У/У/УУУУУ/УУУУ-У/./J / / / / / / 3/4 дН = 0 дх 58 м а 4) , которыми выражаетс я принцип неразрывности фильтра ционных течений при переходе из одного пласт а в другой. Специфические условия питания создаютс я в областя х выхода напорны х 'пластов на поверхность (например , в краевы х частя х артезиански х бассейнов) . Здес ь може т иметь место осушение пласт а при одновременном его питании атмосферными осадками , поэтому балан с потока на границ е выразитс я в виде соотношения, данног о в табл . 7 (схема 5) . Наконец , во многих случая х рассматриваемы й водоносный плас т контактируе т с весьма слаб о проницаемыми, практически водоупорными породами. Соответственно поток вод ы через границу -принимается равны м нулю. Дл я решения исходных уравнений должн ы быть такж е известны условия работ ы -водозаборных сооружений. Ка к прави ло , эксплуатаци я скважин , горизонтальных и других типов водозаборо в производится при известном (заране е задаваемо м в соответствии с запланированны м водопотреблением) дебите: QB=f(t), в частном случае Qb = const . В отдельных случая х водозаборны е сооружени я эксплуати руются при заданны х напорных уровня х в ннх HB=f(t), в частности # в = const . УРАВНЕНИ Я МИГРАЦИ И ВЕЩЕСТВ А В ПОДЗЕМНЫ Х ВОДА Х Уравнени е баланс а массы растворенного (или эмульгированно го) веществ а в элемент е водоносного пласт а имеет следующий (r) и д : t= i ( P W ) = - - пр-^р- + P (W1- Г 2 ) , (3.15) Qco31i = D ^ +дф1-с. (3.16 ) -Здесь <7солг - солевой поток, !представленный диффузионной, или, точнее, дисперсионной составляюще й (первый член правой части уравнени я (3.16) и конвективным членом (произведением <7ф,С в это м уравнении) ; С - концентраци я мигрирующего вещества в подземных водах ; N-концентраци я убывающег о из раствор а (сорбируемого, поглощаемог о породой) или, напротив, поступающего в раство р в результат е внутренних физикохимически х реакций (например, растворения ) компонента (в данном случае дл я С и N имеется в виду их весова я концентрация - п о отношению к массе воды) ; Wx и W2 - отвод или. поступление компонента чере з кровл ю и подошву пласта . Остальны е обозначени я прежние. Фильтрационны й поток <7фг-, входящи й в уравнение (3.16), "определяется из решения приведенных выш е уравнени й фильт 5 9 рации (3.1), 3.2). Сохраняютс я здесь такж е обозначения п, tn. и р дл я этих уравнений. Подстановка (3.16) в (3.15) с учетом уравнений фильтраци и (3.1), (3.2) приводит к следующему уравнению [25] : 2 д д2С у_ дС I С (E1 - в2) = п д С ] 1=1 L дх2 1 дхс т dt + п (tm) - i r ^ . (3.17) dt т Здес ь Vt = - скорость фильтрации. т Пр и выводе уравнени я (3.17) исключены члены, содержащи е dp и dDi в предположении их , е высокого порядк а ма dxi dxi лости. боле Величины С и JV здес ь дан ы уж е в единицах объемной кон центрации, т. е. в единицах массы к объему порового простран ства. Членам и W1 и W2, ка к уж е говорилось, оцениваются соле вые потоки на кровле и подошве пласта . В соответствии с об щим выражение м (3.16) имеем: wH-d^+еА1 (3.18 ) где индексами 1, 2 обозначены сооюетствующи е величины С и D дл я слоев кровли и подошвы; E1 и е2 - скорости фильтраци и на контакте этих слоев с основным водоносным пластом (координаты линии KOHTaKTa-^e1 и Z2). Объединя я (3.17) и (3.18), получим V f D " V дх* d"xt [ й - b ( C C i ) U + OZ Z=Z1 i=i JhL gC2 f (С - C2) | г= г , = + (3.19) т дг z=z 2 т ' dt at Уравнение (3.19) являетс я исходным дл я решения задач и о миграции загрязняющи х веществ в природных водоносных плас тах. В математическом отношении оно отличается от собственно фильтрационных уравнений наличием конвективных членов, которыми характеризуетс я процесс перемещения вещества вместе с фильтрационным потоком в плоскости пласт а (члены v ^ ) и нормально к нему из слоев кровли и подошвы, 60 Эти последние члены, ка к и в фильтрационны х уравнениях,, представляю т собой математическу ю формулировку условий взаимодействия пласт а с соседними слоями (в разрезе ) в отношении миграции вещества . В слоистой системе водоносных пластов при наличии в кровл е и подошве слабопроницаемы х разделяющи х слоев, через которые може т происходить диффузионный отвод солей, в сил у неразрывности солевого потока концентрации на контакте равн ы межд у собой, т. е. C = C1 и C = C2. Поэтому члены с множителям и E1 и 82 из уравнения (3.19) исключаются (это можно сделат ь и на том основании, что сами скорости ei,2 здесь являютс я пренебрежим о малыми) . В тех случаях, когда слои кровли и подошвы представлен ы хорошо проницаемыми породами, в пластах, непосредственно связанны х с атмосферой и получающих питание путем инфильтрации атмосферных осадков или поверхностных вод, в уравне нии (3.19) сохраняются указанны е члены с E1 и Е2, поскольку они являютс я преобладающим и по своей величине в сравнении дС1 2 с членами Di 2 -, характеризующим и диффузионный ио d z i , 2 6j 2 \ при этом Pei,2 - -D!l-,2 - 1J )• В соответствии с этим на контакте слоев имеет место скачок концентрации, и результирующа я концентрация в основном пласте определяется с учетом смешения (разбавлени я илиповышения концентрации ) с растворами , поступающими из слоев кровли и подошвы (или из атмосферы и поверхностных водных источников). Входящий в уравнение (3.19) член п , которым описывается кинетика сорбции или в более общем представлении - кинетика поглощения компонента и убыл и его из раствор а (или поступления компонента в раствор) , принимается в соответствии с ране е охарактеризованным и особенностями и закономерностями различных физико-химических процессов, происходящих при миграции вещества в водоносных пласта х - процессов сорбции, задержк и солей в тупиковых порах, радиоактивног о распада , растворения солей и т. д. [см. (2.6) - (2.14]. Дл я решения конкретных зада ч по миграции загрязняющи х растворов должн ы быть задан ы начальны е и граничные условия. В качестве начального условия принимается то или иное естественное (фоновое) распределени е концентрации вещества в пласте: t = О, C = Ce(Xi)t в частности Ce = const или Ce = 0. (3.20) Условия на граница х пласт а L в процессе фильтраци и при / = 0 можно представит ь в различны х видах. 61 Задан а концентрация (условие 1-го рода) С \XRL = Cbx (t), в частном случае Cbx JVf= L = const. (3.21) Зада н поток вещества (условие 2-го рода) Qcon \Xf=L - D OX[ или QCOJI L1= L = const. (3.22) X ;~L, Зада н поток вещества с учетом конвективного отвода и дисперсии (условие 3-го рода Г140]) = + vc]xrL. Поскольку Qi,ол I a;£ =L = VCGX I X^L3 где Cb x - концентрация вещества в растворе; V -скорост ь фильтрации на границе Xi = L, получаем d I s r U ^ c ' h b ( 3 23 ) Это условие является обобщением предыдущих; при боль Vx шой скорости фильтрации, когда - C = C b x , что соответ ствует условию 1-го рода; при относительно высоком значении коэффициента дисперсии и малой скорости фильтрации, когда Vx 1" дС = О т. е. получаем условие 2-го рода. D dxi На контакте двух водоносных пластов с разными параметрами ставится условие 4-го рода, характеризующее равенство потоков в направлении, нормальном контакту и самих концентраций на контакте (условие неразрывности потоков): d ^ дС* q , r , _ 0 = C s h = 1 + " . (3.24) На границе, удаленной от места входа раствора в пласт на весьма значительное расстояние (в "бесконечности"), условие обычно формулируется так: Iim C = CE или - =0 . (3.25) х <-оо дх При поступлении раствора в атмосферу (на водозаборе, при истечении из колонны грунта и т. д.) ставится условие [32] дС 0. (3.26) дх K-=L 62 Это соответствует пренеорежению диффузией и дисперсией вещества в связи с высокими скоростями потока либо при рассмотрении собственно диффузионного процесса може т быть связан о с бесконечно большой ("бесконечной") величиной коэффициента диффузи и (при выходе в атмосферу можн о положит ь D = oo и в соответствии с (3.23) получим условие (3.26)) . Есл и на входе в пласт или выходе из пласт а образуется некотора я емкость о (в единицах длины - объем, отнесенный к площад и сечения), то можно составить тако е уравнение балан са f 13]: (О dt U t - < 3 - 2 7 ) а при возможности конвективного оттока со скоростью V-const за пределы этой емкости а - I = - D - I (3.28) dt I Xi=L dx K-=L Несмотр я на определенную приближенность приведенной математической схемы описания миграции загрязнений в водоносных пластах , она позволяет удовлетворительно решат ь прак тические задач и прогноза загрязнени я подземных вод. Реше ние приведенных уравнений миграции при определенных начальных и граничных условиях дае т возможность, строго говоря, получить полное решение задач и об изменении концентрации того или иного загрязняющег о компонента в подземных водах и, таки м образом , установить, на како е расстояние и в течение какого времени могут продвигаться загрязненны е воды в водоносном пласте , каков а будет концентрация загрязнени й и др. Однак о в силу сложности природной обстановки (изме няющаяс я скорость фильтрации , сложны е геометрические очертани я пласто в и т. д.) и, ка к следствие, - сложности самой системы уравнений решение последней наталкиваетс я на значительные математические трудности. Поэтому, ка к правило , рассматриваютс я только одномерные (плоскопараллельны е ,и осесимметричные, радиальные) , реж е двумерные течения и не дл я всей област и фильтраци и в целом, а дл я отдельных участков шпГфрагментов , из которых формируется общий фильтрационный поток подземных вод. Это позволяет количественно охарактеризоват ь процесс массопереноса по главны м направлениям , представляющи м .наибольший интерес с точки зрения прогноза качества подземных вод на то м или ином участк е водоносного пласта . Г Л А В А 4. РАСЧЕТ Ы ВОДОЗАБОРО В В РАЗЛИЧНЫ Х ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИ Х УСЛОВИЯ Х ВВОДНЫ Е ЗАМЕЧАНИ Я В данной главе рассматриваютс я аналитические методы расчет а водозаборов в различных гидрогеологических условиях. Наиболе е распространенным типом водозаборных сооружений являютс я скважины. Поэтому расчетные зависимости даются преимущественно дл я одиночных скважин и систем скважин с заданным, постоянным или изменяющимся во времени расходом. При этом приводятся лишь основные типовые фильтрационные схемы, по которым выявляются наиболее , существенные закономерности и главные факторы фильтрации подземных вод к водозаборным сооружениям при том или ином строении водоносного пласта. Подробное освещение методов расчета водозаборор дано во многих работах, например [10, 89, 93] и др. Излагаемы е здесь результаты получены на основе решения дифференциальных уравнений фильтрации (см. гл. 3) при соответствующих начальных и граничных условиях. Все решения, за исключением специально оговоренных, представлены относительно функции понижения уровня. S = He-H, (4.1) где He и H-соответственно первоначальный (бытовой, статический) и текущий уровень, причем S = f ( X i , t), где Xi - пространственные координаты; t - время. Таким образом, определяя понижения уровня в различных точках водоносного пласта, можно по результата м расчетов водозаборов выявить форму и динамику изменения пьезометрической поверхности в области влияния водозаборов. В самих водозаборах понижение уровня достигает максимального значения. Практически оно ограничивается некоторым предельным, или допустимым , понижением, величина которого 5д 0 п устанавливается по гидрогеологическим условиям и техническим условиям отбора воды. Расчетное понижение уровня в водозаборе S10 не должн о превосходить допустимого, т. е. должн о выдерживатьс я соотношение S 0 < 5'.доп - (4.2) Дл я безнапорных потоков в результате линеаризации ис ходных дифференциальных уравнений решения последних в одних случаях представляются та к же, ка к дл я напорного пото 6 4 ка, т. е. относительно функции S по (4.1); уровень H в данно м случа е - это напор на свободной поверхности, равный глубине воды до водоупора h или до поверхности подстилающего слабопроницаемого слоя. Вместо входящей в уравнени я и расчетные зависимости мощности т при этом рассматриваетс я некотора я средня я мощность hc$. В случая х существенных понижений уровня, превышающи х половину мощности безнапорных пластов, предпочтительнее исходные уравнени я и искомые решения выражать-относитель Я 2 Zi2 но функции -у-=-- , такж е вводя в рассмотрение среднюю мощность hCp. Математическа я форм а приведенных выше уравнений [см. (3.5), (3.11) и (3.12)] не меняется, если записыват ь их дл я функции и, котора я соответственно сказанном у имеет следующий вид: дл я напорного потока иа = mSH = т (He - Н) (а), (4.3 ) д"лбя. н б=езKнапS орн=огоh по(hто-ка h) (б) (4.3,А ) или v 6 m cp e hi -I12 "б.н = . (в) Следовательно, дл я перехода от решения относительно Sn дл я напорного потока к решению дл я безнапорного потока относительно Og.jj справедлив ы следующие формулы : по соотношениям (а ) - (б) S 6 M = ^ S H J (4.4 ) "с р или по соотношениям (а ) - (в) 5б.н = К - 1 h i - 2mSH . Здес ь he - первоначальный уровень (глубина воды до водоупора ) безнапорного потока. В дальнейше м изложении индексы "н" и "б. н" при 5 нами опускаются. ВОДОЗАБОР Ы У РЕК И Вблизи поверхностных водотоков располагаетс я больша я часть существующих водозаборо в подземных вод. Они носят название береговых , или и н ф и л ь т р а ц и о н н ы х , водозаборов. 65 Производительность отдельных береговых водозаборовможет достигать весьма больших размеров - 100-200тыс. м3/сут и более (погонный приток-10-3 0 м3/сут на 1 м длины водозабора). Значительный водоотбор в долинах рек компенсируется соответствующим поступлением в эксплуатируемые водоносные пласты поверхностных речных вод. В связи с этим береговые водозаборы работают большей частью в. условиях установившейся фильтрации подземных вод. По характеру гидравлической связи речных й подземных вод поверхностные водотоки могут быть подразделены на со вершенны е и несовершенные . Совершенные речные русла характеризуются тем, что фильтрация поверхностных вод из них в водоносные пласты происходит без существенных потерь напора. Это возможно лишь в том случае, если в русле реки или под ее дном отсутствуют слабопроницаемые отложения и, кроме того, вблизи русла не происходит значительных деформаций подземных потоков. Совершенные русла являются наиболее благоприятными в гидродинамическом отношении, так как позволяют эксплуатировать водозабор с минимальными понижениями уровня подземных вод. К гидравлически совершенным водотокам можно отнести глубоко врезанные в водоносный пласт (на 0,6-0,8 его мощности) или достаточно широкие реки (ширина больше мощности пласта), имеющие однородное строение русловой зоны,, слабокольматированные и заиленные. При этом заиленность и кольматированность русловых отложений. должны быть небольшими не только в естественных условиях, но и в условиях эксплуатации водозаборного сооружения. Несовершенные в фильтрационном отношении речные русла характеризуются значительными потерями напора при поступлении поверхностного стока в подземный поток. Это может быть обусловлено существенным искривлением линий тока под руслом реки Из-за малой ее ширины и слабого заглубления в водоносный пласт, а такж е наличием неоднородных включений в подрусловых отложениях или кольматацией и заиливанием отложений дна реки в естественных, ненарушенных условиях или при эксплуатации береговых водозаборных сооружений. Строгая оценка каждого из указанных факторов,, определяющих несовершенство реки, весьма сложна. Поэтому для практических расчетов поступают следующим образом [9, 112]. Между дном реки и водоносным пластом помещается некоторый слабопроницаемый слой, гидравлическое сопротивление которого (коэффициент фильтрации k0 и мощность т 0 ) устанавливается таким образом, чтобы потери напора при фильтрации через него были равны потерям напора за счет несовершенства реки. Обобщенные параметры слоя могут быть найдены по данным опытной откачки. 66 Совершенны е рек и Однородны й пласт. Решение задач , связанны х с фильтрацие й к береговым водозабора м в однородных пластах, дл я установившихся условий проводится с использованием уравнения Лапласа , являющегос я частным случаем общего уравнени я (3.12) (при e i , 2 = 0 , а* = о о ) . Граничное условие на линии совершенной реки выражаетс я по формуле (1) (см. табл . 7 гл. 3) или в несколько иной записи л:=0 ; 5 = 0. При постоянном расходе скважин ы вблизи реки получается известное решение Ф. Форхгеймера, характеризующе е понижени е уровня при одиночной откачке: S = Q In-Pр (4.5) 2яkm г где km - водопроводимость пласта ; г - расстояние от точки М, в которой определяется понижение до скважины : г = = V(Л:-X0 )2 +у2 (рис. 16); р - расстояние от точки до зеркального отображени я скважины : р = У (х+х 0 ) 2 +у 2 , X0 - расстояние от реки до скважины . I х Рис . 16. Схем а к расчет у скважин ы у со вершенно й реки: 1 - скважина ; 1' - зеркальны е отображе ни я скважи н Рис . 17. Систем а взаимодействующи х скважи н усовершенно й реки : 1, 2, 3 - скважины ; /' , 2', 3' - зеркальны е отображени я скважи н Дл я группового водозабор а (рис. 17), состоящего из нескольких произвольно расположенны х откачивающи х скважин, по методу сложения фильтрационных течений можно записат ь QcyM 5 = 2nkm п t-i ,-In Pi г; (4.6) где Г{ и рг - расстояние от точки М, в которой определяется понижение уровня, соответственно до реальной скважин ы с :яомерсм i и ее зеркального отображени я относительно реки; 67 QcyM -- суммарный дебит всех п скважин; {Зг- отношение де бита t-той скважин ы к суммарном у расходу 0 С ум При большом числе скважин, расположенных параллельн о реке в удалении от нее на расстояние хс (линейный ря д сква жин, рис. 18), дл я расчета можно использовать зависимость, получающуюся при замен е реального ряд а скважи н галерее й с расходом на 1 м длины : QCV M Я = 21 _0_ 2о где Qcyat - общий расход всех скважин ; Q - расхо д скважины ; 21 - длина линейного ряд а скважин ; 2с стояние межд у скважинами . одной рас Пр и этом в условиях стационарной фильтрации дл я линейного ряд а большой протяженности (1>3+-5х0, у = 0) имеем: У I при X < X0t I Ma-J '-Q ч ;'L X 5 = 2kml CC у м / 2kml In ягп при х > л:0г при X = X1о" (4.7) N5 ФQ Рис. 18. Схема к расчету линейного ряда скважин вблизи совершенной реки где г0 - радиус скважины . Если линейный ря д имеет длину, со измеримую с расстоянием от реки, дл я расчета следует использовать соответствующую формулу дл я галере и конечной длины. В этом случае понижения уровня в различных точках пласт а могут быть найдены по соотношению [93] 5 = VCyM 2nkm Tin-Bs L гп р f(x, y) - f ( x \ У)J, (4.8) где гпр - приведенный радиус линейного водозабора (г п Р = = V (А:-X0)2+у2+I2); рП р--приведенное расстояние до зер- кального отображени я ряда : Pnp = / ( * + *о) 2 + У2 jT I2 , X2 + у* + 1 У)2 ^ l n *- x^ar c tg 1 +У arct g 1 -У (4.9) 2 + У)2 Значени я функции f(x, у) в зависимости от параметро в - I д. • X \ - Iwl X = - - и у = 1 ^ приведены в табл . 8. Функция f(x*, у) t I такж е определяется по табл . 8 [или по формуле (4.9) ] при Т а б л и ц а 8 Значения функции / (х, у) и / (х*, у) У X 0 0, 5 0, 6 0, 8 1 1, 2 1 , 5 2 2, 5 4 0 1, 0 0,9 8 0.9 6 0,8 8 0,6 5 0,4 2 0,2 8 0,1 6 0,1 0 0,0 4 0, 1 0,8 5 0,8 3 0,8 2 0,7 4 0,5 8 0,4 1 0,2 7 0,1 6 0,1 0 0,0 4 0, 2 0,7 3 0,7 1 0,6 9 0,6 3 0,5 1 0,3 9 0,2 6 0,1 6 0,1 0 0,0 4 0, 3 0,6 2 0,6 0 0,5 9 0.5 4 0,4 5 0,3 6 0,2 5 0,1 5 0,1 0 0,0 4 0, 4 0,5 2 0,5 1 0,5 0 0,4 6 0,4 0 0,3 3 0,2 4 0,1 5 0,1 0 0,0 4 0, 5 0,4 5 0,4 4 0,4 3 0,4 0 0,3 5 0,3 0 0,2 2 0,1 4 0,0 9 0,0 4 0, 6 0,3 8 0,3 7 0,3 7 0,3 4 0,3 1 0,2 7 0,2 1 0,1 4 0,0 9 0,0 4 0, 8 0,2 8 0,2 8 0,2 8 0,2 6 0,2 4 0,2 1 0,1 8 0,1 2 0,0 9 0,0 4 1 0,2 1 0,2 1 0,2 1 0,2 0 0,1 9 0,1 8 0,1 5 0,1 1 0,0 8 0,0 4 1, 2 0,1 7 0,1 7 0,1 6 0,1 6 0,1 5 0,1 4 0,1 3 0,1 0 0,0 7 0,0 4 1, 5 0,1 2 0,1 2 0,1 2 0,1 1 0,1 1 0,1 1 0,1 0 0,0 8 0,0 6 0,0 3 2 0,0 7 0,0 7 0,0 7 0,0 7 0,0 7 0,0 7 0,0 6 0,0 6 0,0 5 0,0 3 2, 5 0,0 5 0,0 5 0,0 5 0,0 5 0,0 5 0,0 5 0,0 5 0,0 4 0,0 4 0,0 3 4 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 0,0 2 Пр и определении понижения уровня в одной из скважи н линейного ряд а к понижению по формул е (4.8) следует доба вить величину 2nkm Iir0 где QCKB - расхо д рассматриваемо й скважины ; а - половина расстояни я от исследуемой скважин ы до соседних. И з приведенных зависимостей можно видеть, что влияни е береговых водозаборо в ограничено по площади . Пр и х, у> > (44-6).*3/4 расстояни я г и р примерно равн ы межд у собой и понижения уровня здесь относительно малы . Таки м образом , област ь фильтраци и подземных вод к водозабора м в долина х ре к примерно оконтуривается линией, проходящей на расстоя нии (5ч-б)л:о от водозабора . Че м ближ е водозабор распола гаетс я к реке, тем меньшую площад ь занимае т воронка депрессии срабатываемы х им подземных вод. Неоднородны й пласт . На рис. 19 представлена схема водоносного горизонта, состоящего из двух зон с раз личными значениями водопроводимости, причем граница раздел а между зонами примерно параллельна урезу реки. Такое строение водоносного пласта характерно дл я речных долин, включающих в себя обычно несколько геоморфологических элементов (пойма, террасы, водораздельное плато) . Дифференциальные уравнения движения подземных вод в обеих зонах могут быть представлены в этом случае в виде (3.5) относительно Si и S 2 понижений уровня в зонах 1 и 2 соответственно. I Ж Рис. 19. Скважина в неоднородном пласте с линией раздел а зои, параллельной реке: I , I I - зон ы с различно й водопрово димость ю Решение задачи дл я одиночной скважины, работающей с постоянным расходом, можно записать в виде [114] где km - среднее значение водопроводимости, km = (km\ + (km)2 _ QS\ - расход скважины, v = (km)-* ; (km)2 ^ 1 = yV Y )"l n -РшPР"гп^ CO = S Winte. (4.12) n=1 rla 1 + V t - V i x - xo)2 + У2 J r l a = V (2nL + A T X 0 ) 2 + * / 2 ; г2п = Va - х + X0)2 + у2 ; 9 =V{X+ x0f+ у2-, Pla = V VnL +х x0f+if • р2п = У (2tiL - х - *0)2 + у2 . Функции R1 и R2 представляю т собой поправки, учитывающи е неоднородное строение водоносного пласта . Слагаемы е рядо в дл я Ri и R2 довольно быстро убываю т по своей величине и при практических расчета х можно ограничиться однимдвум я членами. Величины Гщ, г2 п , рш и р2п - расстояни я до последовательных отображени й реальной скважин ы относи* тельно границы раздел а и урез а реки соответственно. T Рис. 20. Скважина в неоднородно м пласте с прямолинейной границей раздела , не параллельной урез у ре VTicyZ/^/ \Решт Y/ ^yVЛ \скёажш лт 1 ки. 1, I I - зон ы с различно й водопров о димостью . I - 7 - номер а отображенны х (фик / Ww I \ Берег реки ГУ I ^ I тивных ) скважи н / Г I Y \ \ Есл и принять (Zjm) 2 = 0 , v=oo , то соотношения (4.12) даю т решение задач и в пласте-полосе, ограниченном рекой и непроницаемым контуром. Функцию RiI в этом случа е дл я любой точки пласт а можно найти такж е по следующей формул е [Ю, 11]: где Р> _ J _ j n [ch е -f cos (т] -f Я)] [ch е -Jcos (т) - Я)] г2 1 2 [che - cos (т] -JЯ.)] [ch е - cos (т] - ^)] P2' 2L ' Г) я (L - х) K = п (L - х ) (4.13) е - щ . 0 2L ' 2L а при определении понижения уровня в скважин е Jfr=I n °' 64Lctg X . (4.14) Пр и весьма большой проводимости водоносных пород в зоне 2 ((/г/п) 2 =оо , v = 0) закономерности снижени я уровн я подземных вод в области расположени я водозабор а таковы , ка к если бы скважин а находилас ь в междуречь е шириной L. 71 Пр и этом функция Ri может быть выражен а следующим образо м [10, 11]: дл я любой точки пласт а ft = J L I n [C h 2 S-cos2( n + X)]r" 1 2 [ch 2е - cos 2 (т] - л)] р2 дл я водозаборной скважин ы D 0.32Z, sin 2Х Al . (4.15) (4.16) И з приведенных соотношений видно, что во всех случаях влияни е зоны 2 на понижение уровня на водозаборной сква жин е зависи т от параметр а При значениях этого пара метр а ^0,2-0,3 вторую зону с иной водопроводимостью, чем в области расположения скважины, можно вообще не учитыват ь в расчетах, принимая пласт однородным. Рассмотри м теперь случай, когда линия раздел а межд у зонам и 1 и 2 не параллельн а урезу реки, а составляет с ним угол 6== 1л 2п Гя=1 , 2, 3, ..) (рис. 20) . Произведем зеркальны е отображени я скважины относительно границы раздел а и ли Рис. 21. Схема к расчету скважины в неод нородном пласте с круговой границей раз дел а зон: I , II - зон ы с различно й водопроводи мость ю нии реки. В результате получим (2п-1) отображенных скважи н в зоне 2. Понижения уровня в районе расположения скважин ы определяется при этом по-прежнему по формула м (4.11), (4.13), в которых п-1 Я =Y" In £=2=1-+ V yi In РгГ- 1 Pm1- 2 i у = (4.17) Pin i-l P2 I Pan-ii 1 + V где pi - расстояния до отображений скважины . 72 В частности, при (/гт) 2 ->оо , v = 0 из формул ы (4.17) получается известное решение М. М. Гылыбова дл я пласта-угла , ограниченного совершенными водотоками. Если ж е принят ь (km)2 = 0, v = oo, то соотношение (4.17) будет соответствоват ь случаю пласта-угла с разнородными границами : одн а являетс я урезом реки, друга я - непроницаема. Весьма типичным дл я береговых водозаборов является, случай, когда зона 1, в которой располагается водозабор, имеет ограниченные в плане размеры. Допустим, что эту зону можн о представить в виде полукруга радиусом R (рис. 21) . Тогд а понижения уровня в зонах 1 и 2 при работе одиночной сква жины можно найти по формула м (4.13), в которых R=-L У* in U2-R2) № -R2)+ P2R* 1 2 l+ v (I2 - R2) (А2 - R2) + r2R2 ' R2 = O. 18) Здес ь Д - расстояние от точки до центра круга радиусом R; I - расстояние от скважины до центра круга; г - расстояни е от точки до скважины; р - то же, до ее зеркального отображе ния относительно реки. Решение (4.18) такж е допускает обобщение на случай*, когда (km)2 = оо, что соответствует работе скважин на "острове", со всех сторон окруженном рекой, и когда (km)2=Or т. е. по окружности R проходит непроницаемый контур. Все приведенные выше соотношения дл я одиночной сква жины по методу наложени я течений могут быть использованы дл я построения расчетных зависимостей в случае действия группового водозабора. И з рассмотрения различных случаев неоднородного строения водоносного пласта в долинах рек прослеживается следующа я обща я закономерность. Уровни подземных вод в зон е расположения водозабора определяются в основном водопроводимостью пород этой зоны, а срезки уровня от действия водозабор а в соседней зоне - средней величиной водопроводимости. Это обстоятельство следует учитывать при схематиза ции водоносных горизонтов в более сложных случаях строения неоднородного в плане пласта. Несовершенны е поверхностные водоток и Схема фильтрации подземных вод к скважине вблизи несо- вершенной реки в однородном по проницаемости пласте пред- ставлена на рис. 22. При различных упрощающих предпосылках рассматривае мая схема исследована в работа х [10, 18, 112]. В более обще м виде эта задач а може т быть поставлена следующим обра зом. 73 Разобье м область фильтрации на зоны: береговую, в ко^ торой расположен водозабор; береговую на противоположной по отношению к.водозабор у стороне реки; русловую,в которой происходит инфильтрация речных вод через экранирующий слой мощностью т0 и коэффициентом фильтрации k0. 1 - русловая зона фильтрации; 2, 3 - береговые зоны фильтрации Тогда распределение понижения уровня подземных вод в каждо й из выделенных, зон подчиняется следующим уравнениям: дх2 ' ду* d*S3 = 0 (/ = 2,3) , -CX 2 S 1 = O, (4.19) где а - показатель несовершенства реки, равный 74 kmm0 Здес ь km - величина водопроводимости пласта . (4.20 ) Система граничных условий дл я решения уравнени й (4.19) в случае, если водозабо р представлен одиночной скважино й с дебитом Q, следующая : Xt у ± оо; Si = 0 х = -2Ь; Iim г - ^2" dS1 _ dS2 дх OX dSt _ dS3 S 2 - S3 ; дх дх 2лktn (4.21) где b -• половина ширины реки; г - расстояние от рассмат риваемой точки до скважины ; г*=>у^(х- X0)2у2; Q - расхо д скважины . Методом интегральных преобразовани й можн о получить следующее решение дл я понижений уровня в береговых зо нах: Q (4.22 ) S 3 - 2nkm -^2" где гидравлические сопротивления Ri и R2 определяютс я так : P = h + ^г (4 23(tm) -rV 2--Гj I 1 I ' - ) В свою очередь, интеграл ы I\ и I2 равны : OO - ~ х с cos (ay) do о. + / a 2 + HhfayV+l ) (4.24 ) h ь е х с cos (су) do. + V Oz -г 1 Cth (b V O2 + 1) где я = сб(л;* + хо); Ь = аЬ; у = ау; х* - расстояние от урез а рек и до исследуемой точки: дл я зоны 2 х* = х, дл я зоны 3 (х* = = -\-2 Ь). Понижени я уровня подземных вод в зоне расположени я водозабор а определяются двум я функциями. Первы й чле н в равенстве (4.22) выражае т гидравлическое сопротивление при< 75 условии, что река имеет совершенную гидравлическую связ ь с водоносным горизонтом. Функциями Ri и R2 оцениваются дополнительные потери напора за счет фильтрационного несо* вершенства реки. Эти функции имеют максимальную величину в точке у, х* = 0, т. е. на урезе реки в створе, проходящем через скважину. С удалением от этой точки в направлении, перпендикулярном реке и вдоль нее, дополнительные сопротивления уменьшаются. Таким образом, область, в которой практически сказываетс я несовершенство реки, ограниченна. З а пределами этой области понижения уровня можно рассчитывать без учета несовершенства русла реки. Численные значения интегралов 1\ и I 2 дан ы в прилож. 3. При весьма большой ширине реки или при расположении скважин ы вблизи водохранилища, озера или другого водоема значительной протяженности можно принять Ь = оо. Тогда Zi = = I2 = I] интеграл It обобщенно характеризующий сопротивление лож а реки и подрусловой зоны, дл я линии #=0 , проходящей нормально к урезу через скважину, может быть выраже ь следующим образом: Z = ^ f H 1 ( X ) V 1 ( X ) t 2х L Jtx0 JCq GCXf (4.25 ) где H1 и Y1 - соответственно функции Струве и Нейман а (таб лиц ы этих функций см., например, в книге [136]). Расчет ы по формуле (4.25) показывают, что с ошибкой, не превышающей 2-3% , ширину реки можно принимать практически бесконечной уж е при Следовательно, активна я зона реки &акт, из которой происходит основное поступление речных вод в пласт при откачке из скважины, может быть оценена следующим образом : Отсюда видно, что инфильтраци я поверхностной воды из сильнокольматированных рек (а"0,01-0,001 ) осуществляется через всю площад ь русла, а из слабокольматированны х ( а = 0,1-1) - в пределах небольшой полосы вблизи уреза реки. Пр и относительно больших значениях х*, х*+Хо~>Ь (что в большинстве случаев выполняется при рассмотрении зоны, прилегающей к водозабору) интегралы 1\ и I2 с погрешностью не более 10-15% могут быть выражен ы следующим образом : (4.26 ) где X1 = Aib; X2 = cth Ъ. 76 При этом решение (4.22) совпадает с результатам и исследовани я рассматриваемой задачи , полученными в работах [10, 18] при предпосылке о линейном характер е фильтрации подземных вод руслом кольматированной реки. Таким образом, указанна я предпосылка, упрощающа я практические расчеты, может быть широко использована. Табличные значения интегралов /i > 2 даны в работах i[10, 18]. Приближенные значения этих интегралов можно найти такж е по следующим формула м (ошибка не более 15-20%): J 1 2 = I A ^ i C Я , п р и \у\ < х, \ - cos (A1,2у) Ci (X1 .2у) - Sin (Я, лу) si (A1 лУ) при \у\>х, (4.27) где -Ei (-hx) - интегральная показательна я функция (см. прилож. 1); ci(%y) и si(hy)-соответственно интегральный косинус и интегральный синус [136]. В практике гидрогеологических расчетов получил распространение так называемый метод дополнительного слоя. Пр и прогнозе производительности водозаборов этим методом несовершенная в фильтрационном отношении река заменяется совершенной, сдвинутой относительно действительного положени я на величину AL. Дале е расчеты производительности водозаборо в и понижений уровня в различных точках пласта проводятся по формулам, справедливым' дл я совершенной реки, в которых вместо координат х и Xo вводятся новые расстояния х+AL и X0 +AZ Такой прием аналогичен расчету понижения уровней по формул е (4.22), в которой RL ^ R A L = -L IN + + + ^ _ (4 2 8 ) 2 (X-X0)* + у * Сопоставление численных расчетов по строгой (4.22) и приближенной (4.28) формулам показывает, что, если принять AL = (4.29) а т о при условии fc>0,l, (4.30) т. е. при относительно невысокой степени фильтрационного несовершенства реки, ошибка по методу дополнительного слоя не превысит 10-15%. Следует, правда, учитывать, чтр указанны е погрешности относятся только к величине сопротивления, обусловленного несовершенством реки; на общем сопротивлении водозабора это скажетс я в меньшей степени. 77 Приведенные выше решения дл я одиночной скважин ы можно применять при расчете любым образом расположенных взаимодействующих скважин . В этом случае S & u = 2 (4.31) t=i где S cy w - общее понижение уровня за счет работы п скважин; Si - понижение, обусловленное действием i-той скважин ы (/=1,2 , 3, п). ВОДОЗАБОР Ы В УДАЛЕНИ И О Т РЕ К Водораздельные водозаборы характеризуются отсутствием гидравлической связи с поверхностными водотоками. Основными источниками питания водозаборов на водораздельных пространствах могут служить: гравитационная и упругая водоотдач а водоносных пород; перетекание подземных вод из соседних водоносных горизонтов; инфильтрация атмосферных осадков. Пр и действии водораздельных водозаборов часто образу ются обширные воронки депрессии и весьма продолжительное время имеет место неустановившаяся фильтраци я подземных вод. Однородны е пласты Формула дл я расчета скважин ы с постоянным дебитом в уда лении от реки имеет вид S = - Ei{-a)-, * = -tV. <4'32> 4 л km Aat где S = He--H - понижение уровня (He и H - первоначальный и текущий уровень соответственно); Q - дебит откачки; km -• водопроводимость .пласта; а - коэффициент пиезопроводности; г-расстояни е до скважины; t-время; Ei(-а) - интегральная показательна я функция. Численные значения ее приведены в прилож. 1. При а<0, 1 интегральная показательна я функция с необхо- димой практической точностью представляется в виде лога- рифма, и тогда формула (4.32) приобретает вид S = Ankm г2 (4.33) При определении понижения уровня в скважине в формула х (4.32) и (4.33) принимается г = г0, где г 0 -радиу с скважин . 78 Дл я группы любым образом расположенных взаимодействующих скважин на основе метода наложения фильтрационных течений получаем следующую расчетную зависимость: S = £= 1 £= 1 4лkm \ Aat J (4.34) где S - суммарное понижение уровня в данной точке под влиянием п взаимодействующих скважин; Qi - расходы скважи н (£=1 , 2, я) ; Гг - расстояния от расчетной точки до скважин . Н а практик е дебит скважин может изменяться, что связано с различными причинами, например с их периодической остановкой и включением, заменой насосного оборудования, постепенным изменением проницаемости фильтра и призабойной зоны. Н а рис. 23 приведены графики Q(t) при различных режима х работ ы скважин. Расче т притока воды дл я всех указанных случае в приводится ниже [10]. S-Hff KtH^yf ^ I Рис. 23. Графики изменения де бита скважин: I , II , III - номер а схе м С к а ч к о о б р а з н о е и з м е н е н и е дебит а (схема I) . ."В этом случае понижение уровня S определяется путем непо средственног о наложени я возмущений, вызванных каждо й сту пень ю скачкообразного изменения дебита: S = 4nktn Ri (4,35) 7 9 = : - S № [-^br]' (4-36> p. = Q t -Q t X , (4.37) QT где Q t - максимальны й или вообще фиксированный расхо д скважин ы в течение всего периода откачки; Qi--расход в интервал е времени i (i=l, 2, ..., п; п - количество интервало в изменения расхода) . Важн о отметить, что при вычислении безразмерног о гидравлического сопротивления Ri по формула м (4.35) - (4.37) дл я каждо й ступени изменения дебит а принимается полно е время .A t = t-ti, т.е . та к же , ка к если бы в дальнейше м от момента времени i д о момента времени t прирост дебита AQ = -Qi-QI-I сохранилс я постоянным. Инач е говоря, влияни е скачкообразны х изменений дебит а можн о рассматриват ь изолированн о ка к влияни е скважин ы с расходом AQ. Суммарно е понижение выразитс я суммой понижений, вызванны х всеми скачкам и дебита . Л и н е й н о е и з м е н е н и е р а с х о д а (схема II) . Дл я данног о случа я расчетна я формул а имеет вид: S = Ei ( а ) + -%^0- R2t Ankm Ankm R2 = (1 + a) Ei ( а) е-", С4-38) где Q0 - некоторый начальны й расхо д скважи н в момент времени ^ = 0; Q t -максимальны й расхо д к концу периода Т. При значительной продолжительности откачки, когда а<С1: = In (4.39) г Если понижение уровн я определяется в самой скважин е или в точках, расположенны х от нее на небольшом расстоянии, формул а (4.39) применима практически дл я всего периода откачки. Изменени е р а с х о д а п о п а р а б о л и ч е с к о й за в и с и м о с т и (схема III) . В данно м случае расчетна я форму л а имеет вид S = 9°-E i (-а ) + ( Q T-Qo) 2 В Ankm ' AnkmT2 3 / а2 \ 1 (АЛ 0 > R3 = ~ (1 + 2 а + j Ei ( о0 -J (3 + а) е . П р и а < 1 * = 8 0 Таким образом, по своей структуре формул ы дл я расчета скважи н с постоянным дебитом и дебитом, изменяющимся по линейному и параболическом у законам , аналогичны. Различи е заключаетс я только в значении коэффициента под знаком лога рифма дл я определения гидравлического сопротивления. Скважин а с постоянны м п о н и ж е н и е м у р о в н я. Условие постоянства напора или понижения уровня выдерживаетс я в фонтанирующих скважина х (или скважинах , эксплуатируемых при самоизливе) . При неустановившемся движении в этом случае дебит скважин ы с течением времени уменьшается. Понижение уровня в любой точке пласта може т быть вычислено по уравнению 5 = S0Rm (4.41) где S0 - понижение уровня на скважине . При длительных откачках, когда >500 , гидравлическо е 4 сопротивление Rn выражаетс я таким образом : Д _ Ei {-а) 4 4 2 ) п , 2,2 5at У ' In rI Обща я формула дл я определения дебита при заданно м понижении уровня в скважин е имеет вид Q = AnkmS0G ^ r J - (4-43) Вскоре после начал а откачки, когда >100 , функция G л. может быт ь представлена в виде 1 2,25at (4.44) rO Подробные таблицы гидравлических сопротивлений Rn и G имеются в работ е [10]. Изменение расхода во времени при откачке с постоянным уровнем происходит в общем с той ж е закономерностью, что и изменение уровня при откачке с постоянным дебитом. Соотношение (4.41) при длительных откачках можно представить в виде S OFILJELZR ^ V (4.45 ) 4nkm \ 4at J где Q(t) - расход скважины, изменяющийся по формуле (4.43). 81 На основании зависимости (4.45) можно считать, что влияние скважины, действующей при постоянном понижении уровня, равносильно влиянию скважины с расходом, изменяющимся во времени. Неоднородны е в план е пласты В пределах области влияния водозаборного сооружения обычно выделяются несколько зон с существенно различными фильтрационными показателями, главным образом с различной величиной водопроводи мости пласта, которая подвержена гораздо большим изменениям, чем коэффициент пьезопроводности. Водоносны й пласт , с о с т о я щ и й и з дву х зо н с прямолиней но й г р а н и ц е й раз дела . Пусть в пласте, имеющем в плане бесконечные размеры, выделяются две зоны с различными значениями водопроводимости и пье Рис. 24. Схема к расчету скважины в неоднородном пласте с прямолинейной границей раздел а зон: I , I I - зон ы с различно й водопроводнмость ю и пьезопроводность ю зопроводности (рис. 24) . Скважин а располагается на расстоянии ха от границы раздел а и работает с постоянным дебитом Q. В результате решения получаются следующие формулы дл я определения понижения уровня в различных зонах пласта [65]: S 1 = Г Ei ( _ I J Z l E i ( P i \ + д] ; 1 4л (Um)l L V 4с / J v-h l V 4а / J ^ J ' (4.46) S2=-Q-4I-лkm L Ei (Ч - J4La.j)t J + J(feErn)-, дJ| где S 1 -понижени е уровня в зоне 1, где располагается скважина; S 2 - понижение уровня в соседней зоне; (km) х и ах - величина водопроводимости и коэффициент пьезопроводности •зоны 1; [km)2 и а2 - то же, зоны 2; v = (fem) l ; km = (ftm)2 _ (km)t-{-(km)2 . 2 r = y (x-X0 )2 +*/2 - расстояние от исследуемой точки до сква жины; р - расстояние от исследуемой точки до зеркальног о отображени я реальной скважин ы относительно границы раз дела . / 1- < 1 ) ее можн о представить в виде [65] \ (х + х0)* + у* J д " i Д Е . f P L_ V е = J L . . (4.47) l + v 1 + у е \ 4 a J J C2 Пр и больших значениях времени [ - >50-?-100 } F 4( * + 1/2)2 + */2 J функция А принимает практически постоянные значени я A = = Aoo, представленные в табл . 9. Т а б л и ц а 9 Значения функции A 0 0 A00 пр и о* равном е 0,0 1 0,0 3 0, 1 0, 3 1 3 10 3 0 10 0 10з 0,1 2 0,3 0 0,6 5 0,9 9 0,9 8 Q,60 0,2 4 0,0 9 0,0 3 102 0,0 9 0,2 3 0,5 6 0,9 2 0,9 4 0,5 8 0,2 3 0,0 9 0,0 3 ю 1 0,0 4 0,1 2 0,3 4 0,6 4 0,7 3 0,4 8 0,2 0 0,0 7 0,0 2 10 0,0 5 0,1 3 0,3 9 0,9 1 1,5 3 1,4 2 0,7 5 0,3 1 0,1 0 IO2 0,0 9 0,2 6 0,7 9 1,9 0 3,5 5 3,9 6 2,6 5 1,2 7 0,4 5 103 0,1 3 0,3 7 1,1 5 2,8 4 5,6 0 6,9 8 5,7 7 3,4 6 1,4 5 П р и м е ч а н и е . При 6< 1 Д т с >0 ; при 0= 1 A c o =O ; при 0> 1 Д т о <0 . И з двух показателей , определяющи х неоднородное строение пласт а (v и 6) , наибольше е значение имеет парамет р v, уча-, тывающи й различи е в величинах водопроводимости отдельных зон водоносного горизонта. Так , например, если водопроводимость пород в зоне 2 р^вн а нулю, т. е. V= оо, то понижения уровня в зоне расположени я скважины , ка к это видно из (4.46), таки е же , ка к в полуограниченном пласт е с непроницаемой границей. Наоборот, при весьма большой проницаемости пород в зоне 2 (v = 0) граница раздел а проявляется , ка к река с постоянным уровнем. Меньшее влияние на понижение уровня имеет парамет р 8. И з приведенной таблиц ы видно, что при реальны х соотношениях параметро в функция A00, в которую входит парамет р 8 и которая, следовательно, отражае т емкостную неоднородность пласта , по своей абсолютной величине большей частью не превышает 1. Лиш ь при небольших различиях величин водопроводимости отдельных зон пласта (v = 0,3-^3) и при существенно меньшем значении коэффициента пьезопроводности в зоне 2 {6 = IO 2 -IO 3 ) величина A0o достигает больших величин (Acc = = 2ч-6) . Такие соотношения параметров имеют место, напри мер, при работе водозабора в напорно-безнапорном пласте. Рис. 25. Схема к расчету линейного ряда скважин в неоднородном пласте с прямолинейной границей раздела : 1. II- зон ы с различно й водопроводи мость ю и пьезопроводность ю Формулы (4.46) пб методу наложения течений позволяют такж е рассчитать групповой водозабор, состоящий из произвольного количества скважин . При закономерном расположении водозаборных скважин в виде весьма протяженного линейного ряда , ориентированного параллельн о границе раздел а (рис. 25), дл я расчет а могут быть использованы такж е следующие формулы [10]: 5 1 = - q - / i e r f c IiLz^ L _ a ierfc * ) ; (4.48) 1 (Hm)1 \ 2 Yait 2 у Ojt J 5 = -Я - 2 (Zem)1 ГV a1 J Х(1 - A) ierfc ( - Ц = ^ L Y (4.48,а) ' V 2 T/ V 2 /a2t J ' где q - расход водозабора на 1 м его длины, A = j ^ v _ / 6 4-v " Значени я функции ierfc приведены в прилож. 2. Схема на рис. 25 соответствует линейной одномерной фильтрации подземных вод к водозабору в неоднородном пласте. И з формулы (4.48) видно, что в'это м случае параметр ы неоднородности пласта суммарно учитываются с помощью коэффициента А. В о д о н о с н ы й пласт , с о с т о я щ и й и з дву х зо н с кругово й границе й р а з д е л а . Пусть в пласт е бесконечно большой протяженности выделяется зона 1 с парамет рам и (km) 1 и а и котора я може т быть представлена в виде круга радиуса R (рис. 26). Остальна я часть пласта (зона 2) Рис. 26. Схема к расчету скважины в неоднородном пласте с круговой границей раздела зон: I, II- зоны с различными фильтрационными параметрами имеет водопроводимость (km) 2 и коэффициент пьезопроводности Q2Аналогична я схема дл я условий установившейся фильтраци и рассматривалас ь в работ е [49]. Дл я нестационарного движени я подземных вод относительно простые решения можно получить при условии 2 у а4 где I - расстояние от водозабор а до центра зоны 1, т. е. дл я больших промежутков времени. Указанны е решения дл я одиночной скважин ы с дебитом Q можн о представит ь в следующем виде: а) при расположении скважин ы в зоне 1 (125a*tR* + V L N 2 ' 2 5 ^ Y| ; \ P2P R2 J] ^2 ~~ Ankm 1 ( 4a2t ) ^ ( 4a2t )]' б) при расположени и скважи н в зоне 2 (1>R ) (4.49) 511 = Q I E i f - 4nkm L \ 4a2t J vJ & h L2 l J J (4.50) 52 = - ( E l f 1/2 ) - x 4 n (km), I V •" где Гопр - приведенный радиус скважин ы (Vonp=fot)', £ - поправка, учитывающа я положение скважин ы относительно неоднородного включения (зона 1). При расположении скважин ы в удалении от зоны 1 величина £ будет ,равна 1, что следует из (4.50) при Д^р . В этом случае влияние зоны 1 невелико. Если скважин а находится на контуре R, то, ка к следует из (4.50), при IzzR^A V-I k v+l Отсюда видно, что приведенный радиус скважин ы существенно увеличивается при .v>l , т. е., если водопроводимость пород в зоне 1 относительно велика. Пр и v = oo | достигает максимальной величины 5 = -5 Го и тогда Гопр=-R' 86 Наоборот, при v l приведенный радиус скважины может быть существенно больше действительного даж е при относительно малых размера х области R. Двухслойны й плас т Во многих случаях эксплуатируемые водоносные пласты перекрыты песчано-глинистыми осадками. В таких условиях при действии водозаборов происходит интенсивное питание водоносных горизонтов водами покровных слабопроницаемых отложений и атмосферными осадками. Рассмотрим хорошо изученную схему фильтрации к скважине в двухслойном пласте, верхний слой которого - слабопроницаемый с коэффициентом фильтрации k0 и средней мощностью т0 - содержит подземные воды со свободной поверхностью, а нижний - хорошо проницаемый, напорный, с коэффициентом фильтрации k и мощностью т (рис. 27). Движени е ний (3.5). Дл я случая, когда дебит скважи н в напорном горизонте Q = = Cons t и инфильтрационное питание верхней водоносной тол аци еИнф = Const (или в частном случае бинф = 0), данна я задач а 87 исследовалас ь в работа х [6, 10, 127]. Согласн о полученным ре зультата м понижение уровн я в нижнем напорном слое S при этом определяетс я по формул е S = Q Rо - е инФФ^ jГ" 1--е b**i где 4 Tikm fi** [ b*t ] . (4-53) If = -A-; Ь** = JL ; = р + P*; Г] = /n0f.i* т 0 ц ц* р и р* -- водоотдач а верхнего и нижнего слоев. Функци я R при - > 3 или где В - В - I f h m m o b - - 5 - , становится практически равно й (рас у k0 ' m ^ хождени я не более 5-7% ) интегральной показательно й функ ции, которой описывается фильтраци я к скважин е в изолированном пласте, т. е. при указанны х значения х параметро в R t t E i f ^ ) . (4.54) Однак о здесь а**= fctn (вместо а * = ktn в изолирован ц** ц* ном пласте) . Поскольк у водоотдача покровной толщ и обычно горазд о больш е упругой водоотдачи напорного пласт а коэффициент пьезопроводности а**"Ca * и соответственно уровень лр и откачк е в процессе эксплуатаци и водозабор а в двухслойном пласт е понижаетс я менее интенсивно, чем в изолирован ном горизонте. Подробны е таблиц ы гидравлического сопротивления R в формул е (4.53), включающи е значени я этой функции при ма лы х значения х времени, приведены в работ е [93]. Приближенна я формул а дл я определени я понижения уровн я в верхнем безнапорно м пласт е S0 по истечении времени, определяемог о значением безразмерног о параметр а bt>34-5, представляетс я в виде s Q 4я km X j s I r t 1 ~~ 1 Г ( 1 ~ е ~ ЬЧ) ] ' ( 4 ' 55 ) Таки м образом , при длительны х периодах фильтраци и расчеты понижений уровн я в обоих пласта х - напорном (эксплуа тируемом, в котором расположен ы водозаборны е скважины ) и покровном безнапорном (питающем ) - можно производить по тем ж е формулам , что и в однослойных пластах , но с учетом суммарно й водоотдачи р**. 88 Объем воды, привлекаемой водозабором из верхнего пла* ста в пределах контура радиусом гк (при е И Н ф = 0) , определяетс я по формуле ^qZ г 1 4km (4.56) г2 З а это время и на той ж е площади из нижнего пласт а за счет упругих запасо в при постоянном дебите Q будет получено: Va = Qt-Vоi Соотношение составляющих объема (при Гц-"-00) пропорционально соотношению величин водоотдачи (4.57) При больших значениях времени (/-^oo ) и фиксированном значении а*к (а->0 ) объем воды V0, привлекаемой водозабором из верхнего пласта, стремится к нулю. Следовательно, дополнительное питание эксплуатируемого пласта при длительной работе водозаборов осуществляется в основном в удаленных от водозаборов областях. Трехслойный водоносны й плас т Дл я артезианских бассейнов подземных вод характерн о этаж ное строение водоносной толщи. При этом хорошо проницаемые водоносные отложения чередуются с залегающим и между ними глинистыми слабопроницаемыми слоями. Ка к показывае т опыт эксплуатации водозаборов в таких условиях, отдельные водоносные горизонты, приуроченные к хорошо проницаемым отложениям, находятся в гидравлической связи друг с другом. Эта связь обусловлена возможностью перетекания вод из одного горизонта в другой через разделяющу ю их глинистую перемычку. Перетекание подземных вод происходит на значительной площади, поэтому даж е при весьма малы х коэффициентах фильтрации глинистых раздельны х слоев (10~2- IO3 м/сут) и относительно большой их мощности расход перетекаемых вод може т составить существенную долю от общего расхода водозаборных сооружений в слоистой толще. Рассмотри м трехслойную систему пластов, состоящую из основного водоносного горизонта (1) , в котором расположен водозабор, питающего пласт а (2) и разделяющег о их слабопроницаемого слоя (рис. 28) . Фильтрация подземных вод к 89 скважин е в указанно й системе пластов може т быть охаракте ризован а системой дифференциальны х уравнений (3.5). Решение рассматриваемо й задач и дл я длительных периодо в откачки можно записат ь следующим образом [10, 93, Ill j t . 127]: Л - + M l 4лkm L V J v \ Аа*Ч В JJ (4.58) Oо2 Q L f i / £ L \ U 7 / ^ . ^ Y l 4Ttktn L V 4a*t J \ Aa**t В J] где S1 и S 2 - понижения уровня в эксплуатируемом и питак у щем пластах , . km * , . а - - ; I1 = F i + F 2 + Fo.' F ftm F s * = F l - + F2 V + -J-P o ( v + ~ - в = 1 / 2 . v = (km)! . / г km = (Am)1 + (Am)2, r - расстояние от исследуемой точки до скважины ; - £1 ^ 7 ^ ^ -по-прежнем у интегральна я показательна я функция; r ^ ; j -функци я перетекания. Численные значенияе е приведены в прилож. 1. Таким образом, если проницаемость отложений питающег о слоя мал а (v - велико) , то закономерности снижения уровня характеризуютс я в основном интегральной показательной функ цией и в этом случае слоистая толща приближаетс я к одно родному изолированному пласту. Наоборот , при относительна 90 большой водопровод и мости питающего пласта определяющей ^является функция перетекания. При этом процесс привлечения подземных вод из питающего пласта в основной, эксплуатируе мый происходит наиболее интенсивно. В пределе, если (Itm)2= = OO , где Sx~ 4л (km)I W (4а**t ' 1Г.)' ^ 2 0 ' ^4'59) О**_= (k m )i ; BD = 1 / (km)i т 0 1 V А Mi + ~ Me В этом случае цри t-*-oo возможна стабилизация уровней подземных вод в эксплуатируемом пласте: S 11 = - ^ 2n(km)1 ° \ B j V(4-60) ' Приведенные соотношения справедливы дл я относительно больших промежутков времени,, удовлетворяющих неравенству 3 L > M _ e | у. + 0,1ро G = ^ i . (4.61) B2 ' 1 (l+v) 2 ' Г 0 ' C2 ' Расхо д перетекаемых из питающего пласта подземных вод увеличивается во времени и, достигнув максимальной своей величины, далееостается постоянным. Максимально е значение дополнительного питания эксплуатируемого пласта на участке радиусом г к может быть найдено из следующего соотношения : где K i ^ - функция Бесселя (см. прилож. 2) . При - > 4 можно принять Q f l 0 п=-- , (4.63) В 1 + V т. е. общее количество привлекаемых запасо в в слоистой системе водоносных горизонтов пропорционально соотношению величин водопроводимостей пластов. Слоисты е пласт ы с литологическим и окнам и Под литологическими окнами понимаются перерывы в водоупорных слоях, разделяющи х водоносные горизонты артезианских бассейнов. Таки е перерывы образуются вследствие размыва , выклинивания или фациального замещения глинистых отложений хорошо водопроницаемым материалом . 9 1 Рис. 29. Схема к расчету скважины вбли зи полосообразног о литологического окна: а - план (I, II - номера зон) ; б - разре з (/ , 2 - номера слоев) •лул Пусть водозаборна я скважин а ,работает вблизи литологического окна полосообразной формы, в предела х которого основной, эксплуатируемы й пласт (1) с параметрам и (Iim)l и контактирует с соседним питающим горизонтом (2), имеющим параметр ы (Izm)2 и а2 (рис. 29) . Результа т решения задач и дл я эксплуатируемог о слоя можно записат ь в следующем виде (45, 93]: 64 ) где S j и S i 1 1 -понижени я уровня в зонах 1 и 2 эксплуатируемого пласта (см. рис. 29) ; г = У(х- 1) 2 +у 2 - расстояние от исследуемой точки до водозабора ; р - расстояние от расчетной точки до отображени я скважин ы относительно линии окна ; остальны е обозначения прежние. Формул ы (4.64) аналогичны решению задач и о притоке подземных вод к скважин е в однослойном неограниченном пласте, состоящем из двух зон с различным и фильтрационными параметрам и [см. формул ы (4.46)]. Следовательно, двухслойна я толщ а с литологическим окном полосообразной формы математически аналогична однослойному неоднородному Пласту. Литологические окна могут оказыват ь существенное влияние на скорость снижения уровня в эксплуатируемом пласте . Основным параметром , определяющим "эффективность" лито 92 логического окна, является соотношение водопроводимостеи основного и питающего пластов. При малой водопроводимости питающего пласта (v -• велико) окно и питающий водоносный горизонт не влияют на понижения уровня подземных вод в основном слое; если ж е водопроводимость питающего пласта велика по сравнению с водопроводимостью основного слоя (v - мало) , то окно по своему гидродинамическому действию приближается к границе с постоянным уровнем подземных вод (т. е. к реке). Рассмотрим теперь действие скважины вблизи литологического окна округлых очертаний. Такие окна часто образуются, вследствие эрозионной деятельности рек, тектонических процессов и карстовых явлений. Пусть скважина работает с дебитом Q вблизи круглого окна радиуса R на расстоянии / от его центра (рис. 30). Тогда Рис. 30. Схема к расчету скважины вблизи круглого литологнческого окна: а - план ; б - разре з (/ , 2 - номер а слоев) а I vV^VW1 аг> sZ '• • •.; приближенное выражение дл я понижений уровня в основном и питающем слоях, связанных посредством литологнческого окна, можно записать следующим образом [93]: S1 = 4л S 2 = QOKH 4л (km)2 Eif-SBL-N ( 4 65 > V 4a2t J' где (km) i и Gj - водопроводимость и коэффициент пьезопроводности основного слоя, в котором работает скважина; (km) 2 и "2 - водопроводимость и пьезопроводность соседнего слоя; г - расстояние от расчетной точки до скважины; р - 93 расстояни е от точки до центра окна; Q0кн - расход подземных вод , притекающих в основной слой через окно; Величина QO K H приближенно может быть найдена из соотношения Qo = 12 , (4.66) i + v тд е v ^ (km)i . q = ai (km)2 ' a2 1 + V Формулы (4.65) и (4.66) характеризуют большие промежутк и времени работ ы водозабора > 200; < 0,1 -5 0,3. Vt I Ка к видно из приведенных соотношений, понижение уровня при откачке вблизи круглого окна складываетс я из понижения от реальн о действующей скважины при условии, если она работае т в неограниченном водоносном пласте, и понижения от фиктивной скважин ы в центре окна с изменяющимся во времени расходом QOKH Расхо д перетекаемой через окно воды увеличивается во времени и при весьма длительных откачках достигает максимальн о возможной величины, равной Qohh = Q ~ - (4.67) 1+ v Отсюда видно, что пр и весьмЪ большой водо проводи мости питающего пласта (v - мало) привлекаемые через окно подземные воды могут почти полностью обеспечить расход водозабора . В этом случае возможен стационарный ,режим фильтрации к водозабору (при £->оо), при котором распределение уровней подземных вод в основном слое будет подчиняться следующей зависимости: 2 л (Rtri)1 • г R0 Понижение уровня в питающем пласте 2 при этом будет равн о нулю, т. е. уровень подземных вод там сохранится таким же , ка к в естественных условиях. 94 Г Л А В А 5 . ОБЩИ Е ЗАКОНОМЕРНОСТ И МИГРАЦИ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ . РЕШЕНИ Я ТИПОВЫ Х ЗАДА Ч МИГРАЦИ Я НЕЙТРАЛЬНЫ Х КОМПОНЕНТО В Миграци я нейтрального компонента, т. е. не разлагающегося , не сорбирующегося и не вступающег о в химические реакции, происходит в результанте конвективного переноса, осложненного молекулярно й диффузие й и гидравлическо й дисперсией. М о л е к у л я р н о-д и ф ф у з и о н н ы й п е р е н о с пр и о т с у т с т в и и ф и л ь т р а ц и и . В этом случа е исходное дифференциально е уравнени е ми-* грации имеет ви д (3.19) (см. гл. 3) , в котором следуе т принять F j = O, D = DM (DM-коэффициент молекулярно й диф ф",узии)\ и d N dt = п0 . Дл я изолированного в разрез е (т. е. при DII2 = O и 81,2= = 0) полуограниченного по простиранию пласт а при условиях (3.21), т. е. С(0, t)=CBX, С(00, t) = Ce я С(х, 0 ) = Се (С в х - концентраци я на входе в пласт , Ce - фонова я концентраци я компонента) , решение этого уравнени я имеет ви д [150] С(xt t) = С ( * ' °~~ С е = erfc J = = 1- er f A = V C o x C e 2 У DJ I n \ 2-]/DuHn J (5.1) Связ ь межд у координатой точки х _и временем t появлени я в этой точке заданно й концентрации С из формул ы (5.1) выразитс я следующим образом : JC = 2 VDJJ n arc erf (1 - С) / = Г - T J L a r c e r f ( I C ) J 4DM (5.2) Здес ь erf (г)-симво л интеграл а вероятности; erf c (г) = = 1- erf(z) , ar c erf (г)-обратна я функци я от erf (z) (см. прилож. 2) ; п -г пористость. Пр и больших интервала х времени, когда ^ I 1 2 У A*Un erf (z) ж z и вместо (5.2) имеем: л = VnDJfn (1 -С) ' t = (5.3) 3D1Dm , \ I C J 95 Поскольку значения коэффициента молекулярной диффузии в горных породах мал ы (D M " (1 - 10) • IO6 см2 /с), то молекулярно-диффузионный перенос способен вызват ь заметное перемещение вещества только за очень большое время. В связи с этим роль молекулярной диффузии в переносе загрязнений по водоносному пласту в общем невелика - она влияет лишь на выравнивание концентраций внутри поровых канало в и трещин в породе. Конвективны й п е р е н о с бе з учет а диффу зи и и гидравлическо й дисперсии . Этот процесс описывается тем ж е уравне а t=0 = 0. Дл я тех ж е условий, у/ууу/л 'УУУ/ У//У/УУУУУ/УУУУУчЛто и в предыдущей задаче , \ \ г{с е ^ -v. v.v / / t>o Уху решением его будет Xtl (5.4 ) 'У+ щ где f(t -Я ) - единичная функция: при tX f = 1 и C = 1. Таким образом, при чисто конвективном переносе происходит полное ("поршневое") вытеснение природных подземных вод загряз у / / / / / / / / / / / / / / / / /н.енными, с резким изменением на фронте фильтрации • у * t>ff содержания компонента от начальной концентрации Ce до входной Cb x (рис. 31). Если вещество поступает V////////.S У//////////////// / в, пласт в течение ограни г " Рис. 31. Поступлени е загрязнени й в пласт : ченного периода времени t" ("пакетное" поступление), то граничное условие принимается следующим (рис. 31,6) : а - постоянное ; б - кратковременно е 1 - границ а межд у загрязненным и ( C r x ) х = б; 0 < f " U"п> и чистым и водам и же . пр и *> 0 <Се> пр и <=0 ; 2 - т о C = C ' t>u С=0 . (5.5 ) Решение будет: C = f(t-X, Xi). Пр и Xi>0, V>0, .Dil 2 =O и 61,2=0. Рассмотри м решения этого уравнени я при V =Cons t и D = = Const в полуограниченном пласт е при различны х условиях на входе в пласт. 1. Пр и условии (3.21) , т. е. когда в плас т непрерывно поступае т вода с постоянной концентрацией C B X [150] , С (x,t) = R1(^ri) j где Ri (£, Ч) = [erfc С - л) + е4|Т) erfc (r) + n)] J ' _ vt/n g = лг 2 Л/DWi * 2 УDtjn ' (5.6 ) Значени я функции Ri(g, ц) приведены в табл . 10 [19]. Вторым членом в этой функции при ^0,00 5 можно пренебречь (ошибка менее 4%) , и тогда Координат а точки с.любо й концентрацией С находится из зависимости х = Vt/n -Ь 2 VDtln [arc erf ( l - 2С)] , (5.8) а скорость движени я точки с любой концентрацией С составляе т dx dt = V/n -hV Dltn [arc erf (1 - 2 С] , (5.9) И з (5.9) видно, что точка с концентрацией C= 0,5 движетс я с постоянной скоростью, равной V/n, что соответствует пере Таблиц а 10 Значения R 1 0,0 5 0,97 9 0,801 0,63 5 0,49 7 0,38 5 0,294 0,22 2 0,12 1 0,06 3 0,03 0 0,014 0,006 0,002 0,001 0,0 0, 1 0,98 0 0,80 9 0,64 7 0,51 2 0,40 0 0,30 8 0,23 5 0,131 0,06 9 0,034 0,01 6 0,007 0,00 3 0,001 0,0 0, 5 0,98 6 0,86 2 0,73 5 0,62 1 0,518 0,428 0,33 9 0,22 4 0,13 6 0,07 8 0,043 0,022 0,01 0 0,006 0,001 мещени ю та к называемог о фронт а фильтраци и (или фронт а поршневог о вытеснения) . И з анализ а приведенног о решени я следует , чт о при конвективно м переносе, осложненно м дисперсией , в . водоносно м пласт е образуютс я три зоны, отличающиес я содержание м этог о веществ а (рис. 32) . I II Рис. 32. Конвективная дисперсия в одно мерном потоке: С - относительна я концентрация ; I , H II I - номер а зо н В зоне I, ближайше й к входному участку , концентраци я веществ а приближаетс я к концентраци и его на входе. В удален ной от входа зон е II I сохраняетс я первоначальна я концентра ци я С = 0. В средне й зоне II в результат е дисперси и происходи т смешени е поступающе й воды с водой, находящейс я в пласт е ранее , и концентраци я ' веществ а изменяетс я здес ь от C I д о С~0 . Межд у точкам и с концентрацие й CI = 0,99 и C2 = OfOl дли на зоны дисперси и Ь д будет : 1 Д " 6,6 VDtJtit (5.Ю) т. е. зон а дисперси и (или зона смешения ) со временем увели чивается , однак о ее абсолютна я длин а определяетс я в основ ном значении коэффициента D/n. При Djn= 10~5Ч-10~2 см2/с она не превышает нескольких десятков метров. В неоднородных, особенно в трещиноватых породах, ка к указывалос ь ранее, значения D могут быть выше и зона дисперсии соответственно большей. С течением времени границы выделенных зон перемещаются в направлении фильтрационного потока. Перва я зона при этом расширяется, и в конечном итоге во всех точках водоносного пласта, ка к и при поршневом вытеснении, со временем установится концентрация Однако, в отЛичие от чисто конвективного переноса дисперсия приводит^ к более раннему сроку появления вещества в рассматриваемом сечении пласта. Если на входе в полуограниченцый пласт задаетс я условие III рода в виде (3.23), то решений практически совпадает с Vx решением (5.6) при -^->10, т. е. уж е на близком расстоянии от входа [2]. 2. При кратковременном "пакетном" поступлении загряз няющего вещества в пласт вместо решения (5.7) получаем [137]: С(х, t) = 0 , 5 I e r f c - e r f c ' ^ т У ' " ] . (5.11) ' L 2 У Dtln 2 У Dtln J 4 ' В данном случае из-за дисперсии границы "пакета" при фильтрации как бы размываются , вследствие чего длина пакета, у входа равна я In=zVtIn, по мере его продвижения в пласте будет увеличиваться, а максимальна я концентрация компонента Смаке - уменьшаться (рис. 33) . Рис. 33. Изменение концентрации вещества при "пакетном" запуске : v J 1 длин а пакета ; Xj, х2 , X3 - координат ы точк и с максимально й концентрацие й в па кет е в момент ы времен и ti, ts Время ^макс прихода максимальной концентрации вещества •Смаке в точку х может быть найдено из (5.11) при условии дС I ( = t = 0. Анали з полученного решения показывае т [126J,. макс t ЧТО при ~ ~- < 0,07 макс *макс " -у + OJStn (5.12) где -Xtl = г, - время движени я загрязнении от входа в плас т до данной точки х. Объединя я (5.11) и (5.12), можн о опреде- лить Смак е [84] : Смаке = 0,5 Terf V t J n + + erf -п/п 1 . (5.13) Формула (5.13) позволяет решат ь такие задач и прогноза, как , например, определение СКАКС на расстоянии х при известной длительности кратковременного загрязнения tn и заданны х V, п,. D\ определение расстояния х, на котором при известном времени t произойдет снижение концентрации загрязняющег о компонента д о определенного значения С и др. 3. Если на входе в пласт концентрация загрязняющег о компонента изменяется во времени по линейному закону, в любой точке пласта С (ху t) =^r R2 (I п) Уо R2 (I V) = 0, 5 [(1 Ш e r f c (I-Ti ) + + (1 +£/T])e 4|, 1 erfc( g + T])] (5.14) Здес ь во - длительность периода возрастани я концентрации на входе от C= O до C=C b x . Остальные обозначения те же , что и в решении (5.6). Значения функции Rzil , л ) представлены в табл. 11 [19]. Более сложный зако н изменения во времени концентрации компонента на входном участке Может быть аппроксимирован несколькими отрезками прямых линий и тогда решение может быть получено путем сочетания решения (5.6) дл я скачкообразных изменений концентрации и решения (5.14) дл я линейных изменений. Задач и с периодическим изменением C b x рассматри вались в работа х [20, 104, 153]. Анали з имеющихся решений уравнения (3.19) дл я водоносного пласта ограниченной длины \2, 51, 73, 140] показывает, что 100 Т а б л и ц а 11 Значения /?2 I щ 0,0 5 0, 1 0, 5 1, 0 2, 0 3, 0 0,01 0,990 0,991 0,996 0,999 1,0 1,0 0,10 0,896 0.905 0,956 0,988 1,0 1,0 0,20 0,793 0,802 0,905 0,971 0,999 1,0 0,30 0,691 0,711 0,846 0,948 0,998 1,0 0,40 0,594 0,617 0,782 0,920 0,997 1,0 0,5 0 0,504 0.528 0,714 0,885 0,994 1,0 0,60 0,420 0,445 0,643 0,845 0,991 1,0 0,80 0,279 0,301 0,499 0,745 0,978 1,0 1,0 0,174 0,191 0,365 0,628 0,954 0,999 1,2 0,101 0,113 0,250 0,504 0,901 0,997 1,5 0,039 0,045 0,126 0,322 0,817 0,988 1,8 0,013 0,016 0,035 0,179 0,629 0,966 2, 0 0,006 0,007 0,028 0,108 0,575 0,935 2, 5 0,001 0,001 0,004 0,026 0,264 0,760 при значительных расстояниях до удаленного контура пласта, что обычно и имеет место при прогнозах качества подземных вод в связи с их загрязнением, можно с достаточной дл я практики точностью рассматривать вместо ограниченных полуограниченные пласты. Распределени е концентраци и в е щ е с т в а с учето м поперечно й дисперсии . В приведенных выше решениях учитывалась только дисперсия, происходящая в направлении скорости фильтрации. Межд у тем дисперсия наблюдается и в поперечном потоку направлении, причем особенно интенсивное рассеяние вещества в одномерном фильтрационном потоке отмечается при поступлении меченой жидкости не во все сечение, а в отдельные участки водоносного пласта. Дисперсия в различных направлениях приводит к образовав нию сложных по своим очертаниям ареало в загрязнений в водоносных горизонтах. Особенно заметно это в условиях фильтрации загрязненных сточных жидкостей из накопителей, хвостои шламохранилищ и других типов промышленных бассейнов. Задач а прогноза формирования ареало в загрязнений с учетом двумерной дисперсии может быть рассмотрена на основе исходного уравнения. (3.19), которое дл я изолированного пласта ( / ) 1 2 - 0 , 8 I I 2 = 0 ) В декартовых координатах представляется в виде 9С_ " " _ я ? . (5.15) хдзР у ду* х дх у ду dt iei где индексами х, у обозначены соответствующие величины D и V в направлениях д:, у. Решение уравнения (5.15) для случая растекания и рассеяния веществ при фильтрации из источников загрязнения (в частности, из бассейнов промстоков) после прекращения подачи в них стоков получено Н. Н. Веригиным [34, 39]. Рассмотрим тот ж е процесс, но для постоянно действующего источника загрязнения, который схематически можно представить в виде вытянутого (удлиненного) бассейна. В этом случае фильтрация в плане практически является одномерной (вдоль оси х),а в разрезе--двумерно й - по осям х и у (рис. 34). Рис. 34. Расчетная схема фильтрации и дисперсии загрязненных стоков из удлиненного бассейна : V ' Будем считать, что дно бассейна имеет форму полуцилиндра относительно весьма малого радиуса г0; длина бассейна 21 и мощность водоносного пласта велики, так что влияние подошвы пласта можно не учитывать (от->оо). При этих условиях выражение дл я напора (или повышения напора) ДH в любой точке Xj у и в любой момент времени t при более или менее длитель f X2-Tу2 \ ной фильтрации /когд а t > 2 , 5 - м о ж н о представить следующим образом: АН = S A n R - In (х -Jу )) - Iex - Д уу . (5.16) 4яkl \ 2 J Здес ь Q-суммарный расход бассейна; /?"1,5У"/ ; а - коэффициент пьезопроводности; Ie- градиент естественного потока подземных вод (по оси х)\ Ду- некоторая средняя величина та к называемого "гравитационного градиента", обусловленного относительной разностью плотностей жидкости, фильтрующейся из бассейна (yi), и природных вод (у2) Как видно из (5.16), составляющие скорости фильтрации у - _ k •и V9 --^k д зависят от координат х, у х дх ду и, кроме того, от концентрации С, поскольку величина Ду является функцией концентрации. 102 Строго е решение уравнени я (5.15) в это м случа е наталкива ется на большие математически е трудности. Практическ и оно може т быт ь получено тольк о численным методом. Здес ь мы дае м решение данно й задачи , принима я скорости Vx и VY условно постоянными. Несмотр я на приближенност ь таког о решения, оно все ж е дае т возможност ь проследит ь некоторые закономерност и мигра ции веществ в двумерно м подземно м потоке. Введем новые переменные и = у УDxI Dyу , С = Cex p (-ах -+ си -+ vt), (5.17 ) где VvX* " V*и V'X*J +I *Vи* 2 а = и - -- . V = - 2DX 2DX 4Dx VУ х - -I*" Tl !/*_ * и V11 п , пDL-J. D.X п Уравнени е (5.15) удобн о выразит ь в цилиндрических координата х + (г = Ух * + и 2 ) . (5.18) Н а контура х бассейна приме м условие: £>0 , C = C b x = const . С = CBX EXP (vt - ах 0 + ои0). (5.19 ) При этом решение задач и представитс я в следующе й форме : С C b x ехр [ а (х - хщ) +с (и - M0)] (R1 - R2); (5.20) Ri = K0 {г V^itfx) / K0 (r0 V W x ) ; (5.21 ) R = 2 f 0 ?' ехр ( vf Vf0) V0 ( Й N0 (I) -I0 (к) N0 (lF)} Kdk ^ ^ ^ Здес ь I0 и No - символ ы функци и Бессел я от действительног о аргумент а соответственно первог о и второго рода нулевого порядка , h 2 ' 7= J rO rO Функци я R ь ка к видно из выражени я (5.21), не зависи т о т времени и характеризуе т собой стационарно е распределени е концентрации С( х , и, t=oo) по всей рассматриваемо й област и фильтрации . Функци я R2 зависи т от времени и координат , причем, ка к следует из структур ы выражени я этой функции, практическ и 103 значени е ее уменьшаетс я (по сравнению с функцией RI) довольно быстро и при t->оо R2-^O. Таки м образом , ареа л загрязнени й и распределени е изолиний концентрации загрязнени й в мощном водоносном пласт е со временем приобретают стационарное положение. Это обстоятельство подкрепляется данными полевых наблюдений, поучительные примеры которых приводятся, например, в работа х В. А. Грабовникова , Б. Г. Самсонов а и др. [47]. Рассмотри м подробнее функцию RI. Учитывая, что обычно v/Dx велико, можн о воспользоваться разложение м функции Бессел я е-г K00 V(г) " - 7 = . ' У2г/л Пр и этом, полага я R 2 = O и используя принятые обозначени я дл я а, о и v, вместо (5.20) получим - С (х. и, t -+• оо ) / " т 0, 5 С = ; 1 / -ехр-^г [Vx(X-X0) + CBX У Г DX + Vu(u-ue)-vr(r~re)]f (5.23) где vr = Vv*x + v*. Пр и г = г0, х=х0, и = и0, C=CBX, а при г = оо, х, и= оо, C = 0. Следовательно , в рассматриваемо й схеме ареа л фильтрующихс я растворенных веществ имеет ограниченные размер ы и з а его пределам и в водоносном пласт е сохраняется фонова я концентрация этих веществ в естественных условиях (точнее, до начал а фильтраци и из бассейна) . Н а рис. 35 показан ы контуры ареало в загрязнени я подзем Dx=Dl=-OA м2 /сут; AY = O (рис. 35, а) и AY = O,0004 (рис. 35,6) . Обращае т на себя внимание существенное значение в фор мировании ареал а загрязнени й гравитационног о потенциала AYПр и AY = O ареа л загрязнени я будет занимат ь верхнюю часть пласта . С удаление м от хранилищ а концентрации снижаются , а мощность загрязненно й толщи пород постепенно увеличивается. В случае Ау> 0 фильтрационный поток из хранилищ а погружа ется в глубь пласта , а на поверхности водоносного горизонта интенсивное загрязнени е може т и не проявиться. Пр и D X >D V размер ы ареал а загрязнени я по оси z будут меньше указанны х на рис. 35. Изменение концентрации загрязняющег о вещества при AY = = 0,0004 по глубине водоносного пласт а на разно м расстоянии от хранилищ а (л;=20 м и х = 75 м) показан о на рис. 36. 104 Характер распределения концентраций загрязнении в подземных водах по (5.23) в общем соответствует натурным данным, что видно из сопоставления рис. 35, б и рис. 37, на котором приведены результаты гидрогеологических изысканий и наблю 7fx,\* -Jff гм Рис. 35. Ареа л распространени я загрязнени й в подземны х вода х в район е хранилища при 5 = 5 M-1сут, / а =0,0 5 м/сут , D* = D* =0. 1 м-/сут . •21 е У Поступлени е загрязненны х вод: я - с мало й минерализацие й (Лу = 0); б- с повышенно й я и й ера л из а и и ей (Д\=0,0004 ) дений за составом подземных вод в районе неэкранированного хвостохранилища, содержащего сточные воды с минерализацией 5-9 г/л [46]. ) С-5 Отметим в заключение, что численные и аналитические решения уравнения (5.15) дл я некоторых схем с тем или иным приближением даются в работах [141, 143] и др. Рис. 36. Изменение концентрации загрязнений земных вода х по глубине пласта при Ду <* - расстояние от хранилища) Рис. 37. Схема распространения загрязнения в подземных водах (по В. А. Грабовникову) а - план ; б - разре з по лннн и А-Б: / - хвостохранилище . 2 - скважин а и содержани е микрокомпонент а в мкг/л ; S - гидроизогнпсы ; 4 - изолини и содержани я микрокомпокен т а в мкг/л ; 5 - уровень ' подземны х во д 106 РЕШЕНИ Е УРАВНЕНИ Я МИГРАЦИ И СОРБИРУЮЩИХС Я КОМПОНЕНТО В Изолированны й пласт . К поглощению вещества в породе при фильтрации загрязненных вод, ка к указывалос ь выше, може т привести кроме собственно сорбционных процессов такж е задержк а вещества в закрытых "тупиковых" порах и ря д других явлений. Дл я суммарной оценки кинетики этих процессов представляетс я возможность использовать уравнение (2.7) главы 2, в котором коэффициенты а и р следует рассматриват ь ка к обобщенные параметры , определяемые опытным путем, a N - ка к суммарное количество вещества, сорбированное и задержанно е породой. Решением (2.7) является [23, 25] dN а С Ж afilt l) dt J -~e~ dT. (5.24) При подстановке (5.24) в уравнение (3.10) главы 3 (ка к и прежде, при D 1,2 = 0 и ei,2 = 0) имеем: D д2С - V,, _д_С_ - .7.2 д-С --, j_..t..uxГiдJС_ _ 0 , х = 0, С = Cbx (5.26) х-* ODt C = O решение уравнения (5.25) имеет вид [99] C = -^-=F(H i T) i (5.27) CR где 11 ахп V Функция F (Tl, т) вычислена в работе [85] и в виде таблицы приведена в прилож. 4 настоящей книги. 107 И з (5.27) следует, что и при отсутствии дисперсии (D==O) на границе между фильтрующейся загрязненной и пластовой водой имеется участок, на котором концентрация компонента вследствие проявления кинетики сорбции постепенно снижается от C = = 1 до C = O. Это обстоятельство можно проиллюстрировать асимптотическими решениями уравнения (5.25) - дл я малых и больших периодов времени. В первом случае ^при времени порядка t < 0,1 ^ \ сф J пах пх ' f i t ц , * = (5.28) во втором случае f порядка . ^ 10 \ t > ). \ " Р / CTT FI( TV-/ Я"), у* ' V*^ = F -1 L+ P. (5.29 ) В этих формула х f - единичная функция ; f = 1 при и i= 0 при t I = * il = l / . (5.33) 2 }/Ьф/п (1 + р) | / 4(1+Р ) Dn Дл я последнего случая при f->oo вместо (5.31) имеем: C=I . Это означает, что при постоянном поступлении загрязнений они теоретически в любом пункте пласта достигают такой ж е концентрации, ка к и в источнике загрязнений. Однако, ка к видно из приведенных решений, при хорошо сорбирующихся веществах (когда P^Cl ) происходит существенное замедление движения фронта фильтрации раствора по сравнению с движением несорбирующегося вещества. Зона дисперсии в условиях сорбции приближенно может быть определена по следующей формуле: 1Л " 6,6 VDtp/n{ 1 + Р), (5.34) т . е. сорбция приводит к сокращению длины зоны дисперсии, причем тем большему, чем лучше сорбируется вещество (соответственно, чем меньше коэффициент р) . При пакетном запуске сорбирующегося вещества скорость движения пакета и его длина такж е уменьшаются по сравнению с движением пакета несорбирующегося вещества (с учетом замены V на V*). Снижение максимальной концентрации вещества при фильтрации сорбирующегося пакета будет более значительным, чем это было бы дл я несорбирующегося вещества. При фильтрации пакета с сорбирующимся веществом вытесняющая его чистая вода может оказыват ь десорбирующее действие с параметрами десорбции а ' и P', отличающимися в общем случае от параметров сорбции а и р . Десорбция приводит к перемещению ранее сорбированного вещества и удлиняет, таким образом, путь распространения вещества. Полное исчезновение из раствора сорбирующегося компонента, попавшего в пласт в виде пакета, произойдет через время t [85] / = П О + М Г 1 , (5.35) n L Р ' О + Ы где ^ - длительность поступления раствора в пласт. Если принять кинетику сорбции по формуле (2.8) главы 2, характеризующей неограниченную емкость поглощения пласта, то исходное уравнение примет вид 109 D ^ - V - = n - + naC . (5.36) дх2 дх dt Решени е этого уравнени я при условиях (5.26) выразитс я по формул е (5.31), в которой функции £ и rj следует принимат ь дл я малы х моментов времени по (5.32): Пр и весьма значительны х временах , когда можн о положит ь t-=*-оо, решение уравнени я (5.36) выразитс я следующи м обра зом : W n ^ r 1 ) ] • (5-37) Пр и D = 0 решением уравнени я (5.36) будет ахп С = Г ~ / ( / Л ) , (5.38) где f = 0 при t<л и f=\ при /> А . Следовательно , и в данно м случа е концентраци я загрязняю щего вещества уменьшаетс я от входного сечения в глуб ь пласта,, но в каждо м сечении величина ее во времени остается постоянной. Длин а участк а фильтрации , на котором происходит основноеснижение концентрации, зависит от а , V и /г; при а < 0,01 ПК снижени я концентрации практически вообщ е не происходит и фрон т фильтраци и движетс я по схеме поршневого вытеснения; если ж е а-значительно , то потеря вещества з а счет сорбци и (поглощения ) оказываетс я немалой. Типовые график и C(t) и С(х ) при рассматриваемо й кинетик е реакци и по формул е (2.8) в случая х D=^O и D = O показан ы на рис. 38. Ширин а зоны, в которой С изменяетс я от 0,99 до 0,01, составляет : с учетом дисперсии при /->оо (из формул ы (5.37)) LR ~ 9, 3 - Р , (5.39) 1 + 4Dna 1 1 J/2 ttx без учета дисперсии при t>A=-^- (из формул ы (5.38)) L r ^ 4 , 6 a-n^ . (5.40) Координат а фронта фильтраци и Хф, соответствующа я С т 0,5. определяетс я из следующих соотношений: с учетом дисперсии при t-+oо -1 (5.41) без учета дисперсии *" = 0,7 a-n (5:42) Приведенные решения уравнения (5.36) справедливы такж е для . описания процессов радиоактивного распад а вещества и других химических реакций, сопровождающихся окислением, осаждением компонентов и в связи с этим - убылью их из фильтрующегося раствора. % ^h 1 Рис. 3S. Графики С (х ) и С (t ) при кинетике реакции по формуле Л, 6-без дисперсии ; в - с дисперсие й £ЛГ_ dt таС: Диффузионны й отто к з а г р я з н е н и й в сло и к р о в л и и подошвы . Миграци я загрязнений в слои кровли и подошвы диффузион ным путем может быть оценена такж е на основе решения урав нения (3.19) при £1 = 62 = 0. Такого рода решения рассматрива лис ь в работа х [!21, 85, 99]. Уравнение (3.19) в этом случае имеет вид (рис. 39) д2С дС . дС . BN D1 DC1 I . D - п -JTl dt dt т dz (5.4, Здес ь С, Ci, C2 и D, DI, D2 - концентрации и коэффициенты дисперсии соответственно в основном пласте и в слоях кровли и подошвы; т - средняя мощность основного пласта. Производные BC1 dz дС -На. определяются из уравнении 111 Рис. 39. Схем а к расчету миграции за грязненных стоков в слоисту ю толщу: 1,2 - номер а слабопрониааемы х слое в D'i1.2 1, 2 дС1,2 dN 1, 2 (5.44> дг2 П1.2 dt + "1, dt Решение системы (5.43) и (5.44) с учетом кинетики сорбции по (2.7) при длительной фильтрации ^когда t > и / > сф Ю \ , - 1 и условии, что в смежных водоносных пласта х (на д 1, 2 pi , 2 / и под слабопроницаемыми слоями кровли и подошвы) концентраци я прослеживаемог о компонента сохраняется постоянной (т. н. "открытая схема") получается в форме (5.31) при следующих значениях функций g и rj: 2Т/Щ Й V \4D " ^ J А A = 1+ Р UlfTi1 ( !+P 1 \ п2 т2 / 1+Р а \ (5.45) P E = D1 Znm \ P1 / 3пт \ P2 / + D9 пттл птт2 И з приведенного решения следует, что в пределе,, когда оо, при поставленных условиях это решение приобретает вид (5.37). Вместе с тем анали з этого решения показывает, что при бо лее или менее значительных мощностях слоев кровли и подош вы, а именно когда m U 2 > (5.46) влиянием смежных водоносных пластов, расположенных выше и ниже слабопроницаемых кровли и подошвы, можно пренебрегать, т. е. принимать, что га^г-^оо, В этом случае, если в основ 112 ном пласт е не учитывать дисперсии, т. е. в уравнении (5.43) по ложит ь D = О, решение этого уравнения совместно с уравнениям и (5.44) приводит к следующему результату : B = -L( у д (1 + P1) IhIftl + VD 2 (1 -Ь P2) п2/р2 (5.47) причем f=О при tX, X = х (1 -f Р) n/V р. И з решения (5.47) вытекает, что, ка к и в случае сорбции, несмотря на то, что в основном фильтрующем пласт е дисперсия не учитывается, в результат е оттока загрязнени й в слои кровлии подошвы здесь образуетс я переходная зона, в которой концентрация загрязнякмцего компонента по пути фильтрации из меняется от C = 1 до C = O, причем эта переходная_зона со временем увеличивается. В граница х межд у С = 0,99 и С=0,0 1 ширин а переходной зоны определится из соотношения L "6, 6 -LVyt - X . (5.48) В Координата точки, в которой С"0, 5 (фронт фильтрации) , будет (5.49) где обозначения те же,, что и в формула х (5.47). Все приведенные решения дл я случаев, когда не учитывается дисперсия в основном фильтрующем пласте, справедливы не только дл я плоскопараллельны х потоков, но такж е дл я радиаль ной схемы фильтрации, если в них положит ь x = r2 -г о и V = = ( г 0 - радиус кругового контура источника загрязнения ; пт Q - фильтрационный расхо д из него) . Миграци я в радиально м потоке рассмотрена в работа х ^20, 126, 144]. Следует в заключение отметить, что формул ы (5.47) при Di = D2 и Pi = P2=oo совпадаю т с известной формулой Ловерь е дл я теплопереноса в нефтеводоносных пласта х 0146]. МИГРАЦИ Я БИОЛОГИЧЕСКИ Х ЗАГРЯЗНЕНИ Й Имеющиеся немногочисленные экспериментальные данные по кинетике сорбции микроорганизмо в [83] позволяют предполагать, что дл я прогноза миграции биологических загрязнени й можно исходить из нелинейной кинетики сорбции (2.6) при р* = = 0 (см. гл. 2)/ Пр и этом, если принять D, D 1,2=0 и ei,2 = 0, то 113 -Из (3.19) получим следующее уравнение дл я изолированного пласта: V ^ = п-^-^na(N0-N)Ct (5.50) дх dt тд е N0 - полная сорбционная емкость грунта по отношению к биологическим загрязнениям. Уравнение (5.50) рассматривалось в работах [37, 130], посвященных вопросам фильтрации малоконцентрированныхсуспензий и эмульгированных нефтепродуктов в пористых средах. При С- CBX = const и V=Const решение уравнения (5.50) имеет вид [37] C = - =[ 1 + - е~а'Ц~1, (5.51) ^BX Gte = C t ^ i B 0 = ^ f 6 ' t^ Vb где б - плотность бактериальной массы. Обобщенный параметр сорбции а 0 (1/сут), таким образом, зависит от начального содержания микроорганизмов, а обобщенный параметр P0 (1/м) -о т скорости фильтрации и предельной емкости поглощения микроорганизмов. Особенности адсорбции того или иного вида бактерии грунтам и определенного строения и гранулометрического соста-ва, следовательно, должны найти своё отражение в параметра х а 0 и P0. Дл я их определения по экспериментальным данным удобн о воспользоваться выражениями, вытекающими из (5.51): оР = - - U-I1 C 1 (I-C s ) F =-JlnI n - 2 ^ ^ ] (5.52) Здес ь Ci и C2- относительные концентрации микроорганизмов в воде на расстоянии х от входного сечения на моменты времени f i и t2, отсчитываемые от начала фильтрации воды, содержащей микроорганизмы. Обработка опытных данных по фильтрации воды, содержащей бактерии Esh. Coli и Фаг MS2 (см. гл. 2) , по (5.51) - (5.52) дал а следующие значения сорбционных параметров а 0 и P0 (табл. 12). В соответствии с (5.51) CJN0 = a°/P°V\ (5.53) Дл я опыта 1 (см. табл. 12) C B x/N 0 ~ - J . е. поступающее с SO водой количество микроорганизмов было в 50 ра з меньше пре дельной емкости поглощения. 114 Таблиц а 12 Адсорбция микроорганизмов при фильтрации загрязненных вод в песках CHC XоГЗ сCU жФ Точки отбора S ог.а 4 Jьи3 оH о. Параметры адсорбции Начальное заражение f. CX со п S проб X, CM *5(c)" оп воды С , мкр. т/л H P H • кга о. 8-S Q E Оо >S• j (SE0 SC К (2-=P < С S о 1 0, 2 20, 40, 60 1, 0 0,19 5 Esh. Coli 0,08 5 4,2 6 1-106 (1,8-2,4) . IO4 Фаг MS2 0,06 2 20, 4 2 0, 2 24, 46,'77 , 1,78 90 0,21 5 Esh. Coli 0,26 3 8,7 0 3-10? (1,6-9,3)-10 5 3 0,5-1, 0 29, 51, 75, 1,78 0,25 4 90 Esh. Coli (2ч-9)-105 0,20 5 8,5 0 4 -IOT Экспериментально определенные значения С в целом близки к расчетной кривой, построенной по уравнению (5.51) при ука занных в табл . 12 значениях параметро в а 0 и P0. Это уравнение позволяет такж е сделат ь прогноз расстояния X^ , на которо м концентрация микроорганизмов к моменту времени t составит то или иное заданно е значение С. ИЗМЕНЕНИ Е СОСТАВ А ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д ПР И РАСТВОРЕНИ И ПОРОД Ы При фильтрации загрязненной воды, растворяющей отдельные составляющие твердого скелета или цемента водоносной породы, минерализаци я подземных вод может увеличиться, при этом концентрация переходящего в раствор вещества будет изменяться по пути фильтрации от начального значения CBX (В частности, CBX = O) ДО концентрации насыщения CH Характе р зависимости C = f(x, t) при фильтрации в породе, содержаще й дисперснорассеянные частицы водорастворимого вещества, подробно изучен в экспериментах [76]. Показано , что при поступлении в породу воды, в которой содержани е данного вещества С В Х <С Н , в засоленной породе в направлении фильтра ционного потока формируются три зоны (рис. 40). 1. Зон а А : -прилегае т к входному сечению и охватывает участок уж е выщелоченной, обессоленной породы. Здес ь содержани е твердой соли в породе N = 0, а растворенной соли в воде C= С в х . 2. Зон а Б - "активная" , в предела х которой происходит растворение твердой соли, переход ее в раствор с постепенным увеличением концентрации в растворе от CBX ДО CH И увеличением. Il S содержания твердой соли от 0 до начального содержания N0. 3. Зона В - охватывает всю невыщелоченную породу. В ней .проходит уж е практически насыщенный поток (С"С Н ) , лишенный растворяющей способности, и поэтому здесь N = N0. Формирование указанных трех зон проходит в две стадии. В первую из них в грунте имеются только зоны Б и В; зона А .появляется к концу этой стадии, спустя время T0 после начала фильтрации. Jtml Jmb JfcwA Awf Jmtl Рис. 40. Схема формирования зон при фильтрации воды в засоленном' грунте: а - первая стадия; б - вторая стадия Во вторую стадию, т. е. после возникновения зоны А, происходит перемещение границ выделенных зон в направлении потока, причем при постоянной скорости фильтрации длина зоны А возрастает, зоны Б - практически не изменяется, зоны В - убывает. При скорости фильтрации V(x, t) длина зоны Б будет переменной. Размер ы зон и скорость их перемещения зависят не только от скорости фильтрации, но и от начального засоления грунта (количества твердых солей, размера и форм частиц соли) . Количественное описание этого процесса дан о в работах [32, 33, 76]. Если принять исходное дифференциальное уравнение баланса (3.19) при D, D 1,2 = 0 (поскольку при значительной скорости фильтрации дисперсией по сравнению с конвективным перено дС со м можно пренебречь), а такж е Ei,2=0 и =0 , т. е. рассмат Ot ривать процесс растворения в стационарных условиях, а урав нение кинетики - в форме (2.13), то получим V - а ю (Сн - С) V^V = 0 . (5.54) дх При CBX = const (С В Х <С Н ) количество твердых солей во входном сечении уменьшается со временем по следующему выражению, полученному непосредственным интегрированием кинетического уравнения (2.13): 116 >VBI = [ViV0 (С . - C b i ) г] 2 . (5.55) Растворимы е включения полностью исчезнут здесь к моменту T0: Т * = CC p (C h -C b x ) ' { 5 ' 5 6 ) Как показываю т эксперименты, даж е дл я слаборастворимы х соединений, например гипса, время T0 сравнительно мало. К этом у времени, при условиях С(оо , t)=CH и A^(oo, /)=Л/ 0 , распределение солей в воде имеет вид [33] Cf e T J = - [chs . ,5.57) При t>T 0 (вторая стадия ) зависимость дл я С аналогична, но вместо А: В ней нужно принимать (х-/) , где I - длина выще лоченной зоны А, определяема я по выражени ю £76] l = (t - T0)(Cll~CBx)V. (5.58) N0 В работе [3] показано , что выражени е (5.58) справедливо пр и любо м способе размещени я растворимого вещества относительно нерастворимого скелета породы. Четкие границы межд у выделенными зонами образуются тольк о при равномерном засолении и однородной водопроницаемости породы, когда отсутствует заметное влияние дисперсии. Рассмотрение массопереноса растворяющихс я при фильтра ции твердых веществ дл я случаев, когда засоление неравномерно, и с учетом Оф0 , V^=Const проведено в работах [2, 96, 131]. Уравнение кинетики (2.13), с использованием которого получены предыдущие формулы, основано на предпосылке об изменении поверхности растворяющихс я частиц соли [33, 76]. Если эт о не учитывать, то можно применить кинетическое уравнение (2.14). В этом случае исходное дифференциальное уравнение (3.19) при дС = O примет вид dt D V 2L + па р (Сн - С) = 0, (5.59) OX2 OX причем, как показан о в работе [33], дл я первой стадии условия задач и формулируются так : С(х, 0) = Ce ; С(0, t) = С в х ; С(ОО, t) = Сн ; (5.60) Соответственно этому решением уравнения (5.59) дл я первой стадии будет: С = е к р [ - ( 5 . 6 1 ) 117 что в математическом отношении аналогично полученному выше выражению для сорбции (а'такж е радиоактивного распада) загрязнений при необратимой кинетике (2.8) [см. формулу (5.37)]. Дл я второй стадии действительно это ж е решение при замене в нем х на х-I. ВЛИЯНИ Е плотности и вязкости ЗАГРЯЗНЕННЫ Х ВО Д Поступающие в водоносный пласт загрязненные сточные воды часто отличаются от подземных вод не только по химическому составу, но и по физическим свойствам - плотности и вязкости. Эти отличия влияют на характер и скорость распространения загрязнений в пласте. В частности, более тяжелые загрязненные воды -погружаются в нижнюю часть пласта и здесь продвига ются "быстрее, чем в верхней его части. Более легкие загрязненные воды задерживаются преимущественно в. верхней части пласта. В том и другом случае граница между загрязненными и чистыми подземными водами деформируется, приобретая в горизонтальном пласте наклонное положение. В результате этого под влиянием гравитационного фактора увеличивается переходная зона от загрязненных вод к чистым. Формирование такой зоны в первую очередь связано с гидравлической макродисперсией. Развитие зоны, кроме того, существенно зависит от различий в вязкости вытесняющих (загрязненных) и вытесняемых (чистых) подземных вод. Можно выделить несколько характерных случаев, представляющих интерес для практических прогнозов качества подземных вод при их загрязнении: а) вытеснение происходит в горизонтальных или слабонаклонных пластах; б) вытеснение осуществляется при вертикальной фильтрации из хранилищ, накопителей и других промышленных бассейнов (т. е. сверху вниз); в) загрязненные воды подтягиваются к действующему водозабору из нижних частей пласта, т. е. снизу вверх. Фильтрационное вытеснение жидкостей разной плотности и вязкости в однородном пласте рассматривалось в работах [24, 116, 118, 123] и др. В наиболее полной постановке эта задача в последнее время исследовалась в работах Н. Н. Веригина и В. С. Саркисяна [38]. По материалам всех этих исследований длина Lrp проекции наклонной границы раздела на ось х (рис. 41) связывается, со свойствами пласта, плотностью жидкостей и временем фильтрации t следующей зависимостью: L r p = х \ Aykmt cos ц 'п . (5.62) Здесь km - водопроводимость пласта; п - пористость; (р- угол наклона пласта к горизонту, Ay-'(yi-\'z)/y2', Yi и уа - плот ность вытесняющей и вытесняемой из пласта воды. Il R Скорость перемещения границы раздела приближенно определяется по зависимости [24-26] У - ^ feAy sin ф тп п (5.63) где q -: постоянный расход потока. В горизонтальных пласта х (ф=0 , Sirnp = O) граница раздел а движетс я со скоростью Vrp = -^, т.е . также , как при одно тп родных жидкостях - со скоростью поршневого вытеснения V. В наклонных пластах скорость движения границы раздел а зави сит от угла наклона ф, направления движения и от разности плотности Ду. M шОяттж^ш&м I Y • У • т ' Рис . 41. Наклонная граница раздел а межд у вытесняющей (плотность у, ) " вытесняемо й (плотность Yi) жидкостью при Yl>Y2 Рнс. 42. Вертикальная фильтрация разнородных жидкостей: M - минерализованна я вода ; П - пресна я вод а 1, 2 - границ а межд у минерализованным и и пресным и водам и на врем я 11 н f2 Если вШф и А\ имеют одинаковые знаки, то У г р <У , если разные, то 1/ г р >1/ . Численный коэффициент к в формуле (5.62) по данным теоретических исследований изменяется в пределах 1,4-2,2, что следует считать в общем близкими значениями, поскольку теоретические решения получены дл я самой простейшей схемы, а реальные условия гораздо сложнее. Экспериментальное определение значения у, выполнено А. М. Колбасовым [12] при точном измерении длины и формы границы раздел а с помощью несорбируемых радиоактивных меток. Специальным подбором жидкостей (растворы ВаС1г и водоглицериновые смеси) изучение влияния различий в плотности проводилось при практически одинаковой вязкости растворов. В опытах разность плотностей Ay = yi-у2 составляла 0,02-ь 4-0,036; скорость фильтрации 0,0042-0,015 см/с. Установлено, что скорость фильтрации, плотность и вязкость жидкостей на величину х влияют незначительно, при этом к = 1,3-1,6. Длин а 119 границы раздел а межд у жидкостям и различной плотности в о время опыта увеличивалась. Расче т по (5.62) показывает , что при длительной фильтраци и более тяжелы е воды могут далек о продвинуться по подошве пласта . Так, при k = 20 м/сут, ш=2 5 м, п = 0,1, ^ 1 = 1,01 г/см3 , Y2 = 1,00 г/см3 , за 10 лет длин а границы раздел а при х=1, 6 составит около 600 м. Пр и поступлении в пласт загрязненных вод через дно хранилищ, т. е. при фильтраци и в вертикальном направлении , когда з угол ф = - л; и sincp = - 1, из выражени я (5.63) следует, чтоскорость фильтрации (рис. 42) будет Здес ь величина Ду представляе т собой некоторый дополнительный градиент фильтрации, обуславливаемы й разностьк> плотности (или "гравитационный" градиент) : /гр = Лу. (5.65) Таким образом , фильтраци я более тяжелы х загрязненны х вод в вертикальном направлени и може т происходить и при <7 = 0,. т. е. только под влиянием гравитационного эффект а со скоро стью ^rp = - Ay = V . (5.66). п t Дл я рассмотренного выше примера (k = 20 м/сут, га = 25 м, n = 0,l , Ay=Y 1 -у2=0,01 ) время погружения тяжелы х вод на глубину до основания пласта составит t = 2 5 0 1 5 сут, - ! -=12, J 20-0,0 1 J т. е. замещение пластовых вод произойдет очень быстро. В реальных условиях фильтраци я из бассейнов и хранили щ происходит по более сложны м путям, с образование м простран ственного потока, накладывающегос я на,бытово й поток подзем ных вод. Тем не менее и в этих условиях под влиянием гравита ционного фактора , ка к было показан о выше, происходит более быстрое погружение загрязненного тяжелог о потока и более ус коренное его движени е в нижней части пласта. Подтягивани е более тяжелы х вод из нижней части пласта в-, водозаборные скважины , заглубленные в верхнюю часть пласта,, рассматривалос ь в связи с задачам и обводнения нефтяных скважи н [118]. Пр и сравнительно небольших различия х в плотности (Ду ^ ^0,01-0,05 ) загрязненны х и чистых подземных вод роль гра витации при расчетах времени и скорости подтягивания загряз ненных или более минерализованных вод к водозабору стано вится незначительной. Ка к показал и аналитические и эксперн 120 ментальны е исследования [24, 38, 43, 90], преобладающе е значение имеют высокие градиенты и скорости фильтраци и вблизи водозабора . Задач а о подтягивании к водозабору нижележащи х минерализованны х вод без учета гравитации рассматривалас ь в работа х [43, 90] и др. Влияние различи я в вязкости вытесняемой и вытесняющей жидкост и при фильтрации в однородном пласте экспериментально было изучено А. М. Кол басовым [12], применявшим, ка к уж е отмечалось, радиоактивны е метки; Показано , что если вязкост ь вытесняющей жидкости rji больше, чем вязкость вытесняемой жидкост и г]2 (при равной их плотности), то происходит некоторое уменьшение длины зоны дисперсии. При вытеснении воды из слоистого, неоднородного по проницаемости пласта наблюдаютс я межслойны е поперечные перетоки. Закономерности этого процесса, осложненного различием в физических свойствах вытесняемой и вытесняющей жидкостей, рассматриваютс я в работа х [40, 116]. Анали з вязкостных перетоков в неоднородном трехслойном пласте в упрощенной постановке (в каждо м слое - поршневое вытеснение, одинаковые давления , квазистационарно е движе ние) сделан в работ е [115]. При этом получены таки е результаты: Ло = *"^- 1 (вязкости одинаковы)-скорост ь вытеснения жидкостей в каждо м слое определяется только проницаемостью слоев: % = < 1 - в слое с большим коэффициентом фильтраци и скорость вытеснения снижается , а в слое с малы м коэффициентом - увеличивается по сравнению с случаем, когда rjo= 1; г ]о >1- в слоях с большой проницаемостью скорость вытеснения увеличивается, а в слоях с малой проницаемостью - уменьшается по сравнению со скоростью вытеснения при одинаковой вязкости (т]о=1). Таким образом , при r] 0 < 1 фронт вытеснения (и та к неровный из-за различи я в проницаемостях слоев) ка к бы выравнивается , а при г]о > 1 размывается , увеличиваяс ь в размерах . ГЛАВ А 6. ПРАКТИЧЕСКИ Е МЕТОД Ы ПРОГНОЗ А РАСПРОСТРАНЕНИ Я ЗАГРЯЗНЕНИ Й В ВОДОНОСНЫ Х ПЛАСТА Х ОБЩИ Е ПОЛОЖЕНИ Я Дл я практических прогнозов качества подземных вод в связи с возможностью их загрязнени я используются некоторые общие закономерности движени я растворенных и эмульгированных ве 121 ществ в водоносных породах, которые следуют из рассмотрения теории миграции. Главное, определяющее влияние на скорость и дальност ь распространения загрязнений имеет перенос загрязняющи х веществ фильтрационным потоком. Как было показано (см. гл. 5) , при фильтрации загрязнён ных поверхностных и сточных вод природные подземные воды вытесняются ими из пласта с образованием на границе раздел а под влиянием сорбции, конвективной дисперсии и других физико-химических процессов переходной зоны смешения (зоны дисперсии), в которой концентрация загрязняющего вещества изменяется от C b x (концентрация у источника загрязнения) д о CE (естественная фоновая концентрация в природных подземных водах; часто CE = O). Размер ы этой зоны определяются длительностью и скоростью фильтрации загрязнений, которая, в свою очередь, зависит о т фильтрационных свойств породы и распределения напоров при гидродинамическом взаимодействии естественного потока подземных вод эксплуатируемого пласта с внешними источниками питания, а такж е источниками загрязнения, водозаборами и пр. Различи е в плотности приводит к деформации границы раз дела межд у загрязненными стоками и чистыми подземными водами, причем в вертикальном сечении водоносного пласта она приобретает наклонное положение. Длин а переходной зоны смешения и деформации границы раздела , формирующейся под влиянием дисперсии, сорбции и различий в плотности и вязкости загрязненных и чистых подземных вод, определяется параметрам и этих процессов. Дл я сложны* фильтрационных потоков эту зону с .некоторым приближением допустимо оценивать отдельно, по соотношениям ; полученным из типовых решений уравнения миграции для одномерного потока. Скорость сорбционных процессов при фильтрации в породах,, ка к правило, является настолько значительной, что практически эти процессы можно -рассматривать ка к равновесные и характеризовать только коэффициентом распределения р [см. уравнение (2.8) в гл. 2]. При необходимости в отдельных случаях можно учесть и кинетические характеристики процессов, поглощения. Имеющиеся в настоящее время опытные данные, хотя их нельзя считать исчерпывающими, позволяют все ж е основываться на представлении о том, что существенного "самоочищения" подземных вод от химических загрязнений, как правило,, не происходит. По д влиянием различных физико-химических процессов взаимодействия с породами и чистыми водами водо -носных пластов (например, в результате разложения, распада или выпадения в осадок загрязняющи х компонентов) обычно продвижение химических загрязнений только несколько замед 122 ляется, однако при непрерывном поступлении в пласт больших количеств химических загрязнений'и х концентрация в каждо м сечении пласта со временем возрастает. Исключение, ка к указывалос ь в главе 5, составляют радиоактивные вещества с малым периодом распада и бактериальны е загрязнени я с ограниченным сроком "выживаемости" б'актерий при фильтрации. Более или менее благоприятные условия "самоочищения" загрязненных подземных вод создаются такж е при возможности интенсивного диффузионного отвода • загрязняю щих компонентов из основного водоносного пласта в слои кровли /I подошвы, обладающи е значительной солевой емкостью. Однак о главным фактором, определяющим формирование качества подземных вод, является их смешение с водами, поступающими в водоносный пласт из .'различных источников ка к в естественных условиях, та к и особенно при действии водозаборов. Источниками пополнения запасо в подземных вод, ка к известно, являются поверхностные воды - реки, водохранилища, озера и т. д., и собственно атмосферные осадки, а такж е подземные воды соседних в вертикальном разрез е горизонтов. С точки зрения загрязнени я подземных вод важно е значение приобретает фильтраци я из шламо и хвостохранилищ, накопителей, испарителей и других типов промышленных бассейнов. Смешение вод из всех названны х источников и дает в основном результирующий состав подземных вод. При этом концентрация загрязнений (или общей минерализации воды) на фронте фильтрации должн а оцениваться с учетом диффузии и дисперсии движущихся частиц смешанной воды. Учитывая это обстоятельство, можно практически использовать следующий приближенный метод прогноза качества воды. 1. Вначале, исходя из предпосылки, что диффузи я и дисперсия отсутствуют, т. е. п о схем е поршневог о вытесне н и я, но с учетом сорбции (поглощения), считая, что она происходит в равновесных условиях, определяется фронт фильтрации Ьф, образующийся под влиянием главных источников питания водоносного пласта, в том числе под влиянием поступления загрязненных растворов из источников загрязнени я (поверхностных водотоков, промышленных бассейнов и т. д.) . 2. Зате м находится концентрация загрязнений Сф на фронте фильтрации и при необходимости в других.точка х пласта. 3. Посл е этого определяются размер ы зоны деформаци и границы раздел а и размер ы зоны смешения, которые образовалис ь под влиянием дисперсии (LN) и гравитационного эффекта (L r p ) . Путем наложени я этих зон корректируется положение фронта загрязненных вод в кажды й расчетный момент времени. В общем виде, таким образом , размер ы области загрязнен ных природных подземных вод при фильтрации оцениваются по следующей зависимости (рис. 43) : 123 L = L4, + 0,5 (£ д + I r p ) ; (6.1) где Ьф-координата фронта фильтрации и сорбции; £ д - длина зоны дисперсии; L r p - длина зоны деформации границы раздела , обусловленной различиями в плотности загрязненных и чистых подземных вод. Величины Ln и L r p оцениваются по зависимостям, полученным выше в главе 5 [см. формулы (5.34) и (5.62)]. Рве. 43. Схема к определени ю размеро в зоны загрязненных подземны х во д под, влиянием дисперсии и различия в плот ностях Фронт фильтрации 1 ф и концентрация загрязнений Сф находятся из соответствующего решения уравнения миграции (3.19), QtU приведенного в глав е 3, если принять в нем D, D lj 2 = 0, а - ^ = 1 дС . = ( э т о последнее соотношение отвечает равновесным условиям сорбции или поглощения вещества из раствора -см . форУмруалвуне(н2и.9е) (в3.г1л9.) 2д) .ля двумерного потока при этом имеет вид дх + ду ' 0(С-Си2) + А^-= 0, (6.2) где Vx и \*у - составляющие действительной скорости фильт рации по координатам х, у• {/у"* = -JVLx у" = V^uL п - порис п ' у п * тость) ; Cj 9 -скорости вертикальной фильтрации на граница х кровли и подошвы пласта. В частном случае, когда пласт связа н с атмосферой и ресур сы его пополняются путем инфильтрации атмосферных осадко в (или потерями поверхностного стока из разрозненной овражно балочной сети), е* 2 = е*н ф -интенсивности атмосферного питания. Величины Cj 2 H е*нф здесь относятся к единице мощности пласта га и пористости п, т. е. е?1.2, = тпп " е *инф J L . (6.3) m n 124 В безнапорных пластах m = hcp - средней мощности. Остальные обозначения в уравнении (6.2) следующие: С и Ci)2 - кон центрации того или иного компонента, загрязняющего подземные воды, или общая минерализация воды соответственно в основном пласте (С ) и в соседних питающих пластах (C 1 2 ) . При инфильтрационном атмосферном питании Clj 2 = C8 -кон центрации атмосферных вод. В дальнейшем принимается, что С],2-и Ce - постоянные, не изменяющиеся во времени величины. Коэффициентом А характеризуется влияние сорбции: Л = 1 ± £ , (6.4) P где р-коэффициент распределения вещества (параметр линейной изотермы Генри [см. формулы (2.6) - (2.9) в гл. 2]. Уравнение (6.2) представляет собой неоднородное дифференциальное уравнение в частных производных первого порядка, которым описывается движение частиц жидкости в потоке подземных вод. Ему соответствует система обыкновенных уравнений (или уравнений характеристик) d x d y dC dt где C = C-Ch2. В результате интегрирования этой системы можно получить решение поставленной задачи нахождения фронта фильтрации Ьф и концентрации Сф. При использовании полной скорости по направлению L& вы ражеdнLи*е (6.5) *будет и*мет, ь вид (6.6) где V* =}/rv?+ Vl2 В сложных фильтрационных потоках, обусловленных дейст вием каждого из источников фильтрации, в уравнения (6.5), (6.6) вводятся суммарные скорости VlyM = 21/1; Vllhes. = 21Vly,t. (6.7) Применительно к определению фронта фильтрации загряз ненных жидкостей в водоносных пластах можно выделить сле дующие типы фильтрационных потоков: 1) естественные потоки подземных вод в невозмущенных природных водоносных гори зонтах; 2) потоки, вызванные эксплуатацией водозаборов под земных вод (а такж е водопонизительных сооружений, дрена жей) ; 3) потоки, обусловленные действием бассейнов и хранилиш 125 промстоков и фильтрацией из таковых в природные водоносные горизонты; 4) сложны е потоки, формирующиеся в результате взаимодействия указанны х частных потоков. Бассейны и хранилищ а промстоков, равно ка к и другие источники загрязнени я подземных вод, при длительном их функционировании обуславливаю т формирование постоянно возрастающей зоны загрязненных вод. Прогноз миграции загрязнений в этих случаях, ка к уж е отмечалось, долже н 1 производиться с рассмотрением фильтрации из хранилищ и бассейнов с учетом естественного потока подземных вод и фильтрации к водозаборам подземных вод (при наличии или намечаемом сооружении таковы х в области возможног о влияния хранили щ и бассейнов). После прекращени я фильтрации из источников загрязнени я в подземных водах в течение длительного периода сохраняются накопившиеся загрязнения , причем миграция их по водоносному пласту определяется только скоростью и направлением естественного потока подземных вод и действием водозаборов. Фильтрация из бассейнов и хранили щ промстоков, а такж е движение подземных вод при эксплуатации водозаборов и других сооружений происходит в нестационарных условиях. Соответственно должн а производиться и оценка миграции загрязнений. Однак о при постоянном поступлении загрязнённых сточных вод из бассейнов и при действии водозаборов с постоянным дебитом во всех точках пласт а скорость фильтрации со временем стабилизируется. Вследствие этого дл я приближенных расчетов движения фронта загрязнений во многих случая х можно ограничиваться рассмотрением установившейся фильтрации. Наиболе е полное представление о положении фронта фильтраци и загрязнений во всей области движени я подземных вод може т быть получено путем построения гидродинамической сетки фильтрации и соответствующих расчетов скоростей по линия м H полосам тока. Дл я построения гидродинамических сеток используются аналитические решения, графические методы и моделирование.Во всех случаях -для определения скорости и времени продвижения загрязнений должн о быть известно распределение напоров при понижении уровня в потоке подземных вод. Пр и наличии не одного, а 'двух и более источников возмущения естественного фильтрационного потока, например бассейна или хранилищ а и водозабора , значение функции напора можно получить по методу суперпозиции, т. е. путем сложения эффекто в изменения напоров' (понижения или повышения естественного уровня подземных вод) , вызванных кажды м источником в отдельности. В общем виде это можно представить так : HCYU = XHI + Г или S cy M = SS,., (6.8) где ЯсуМ и S cy M - соответственно суммарны е (результирующие) напор ы и понижения уровня подземных вод; HI и SI - напоры и понижения, обусловленные действием i'-ro источника возмуще 126 ния (бассейна, водозабора , бытового потока) ; Г - некотора я постоянная, определяема я по граничным условиям. Величины HI и SI и соответственно скорости фильтраци и Ух,у и ei,2 находятс я из исходных уравнений, приведенных в глав е 3 (уравнения дл я определения 61,2 см. в табл . 7) . Решени я этих уравнений дл я типовых схем водозаборо в в различны х гидрогеологических условиях дан ы в глав е 4. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ОДНОМЕРНЫ Е (ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ) ПОТОКИ ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д В напорном водоносном пласте, изолированно м Непроницаемыми кровлей и подошвой (рис. 44) , скорости фильтраци и . . . к ( H 2 H 1 ) Qe тп const, F" = 0, 81,2^0 . (6.9) Z ' 5£< Iff Q) m A . ^ ' ' V ! V/y///y//////''/A g * = Рис. 44. Схема к расчету фронта загрязнений и одномерном потоке подземных вод (пласт,, изолированный водоупорными кровлей и подошвой): 1 - пьезометрическая поверхность; 2-контур питания; 3 - контур стока; 4 - начальное положение фронта фильтрации Рис. 45. Схема к расчету фронта загрязнений в одномерном потоке подземнй х вод . (слоистый пласт): 1, 2 - пьезометрические уровни в первом и во втором слоях; 3 - фронт фильтрации (граница раздела загрязненных н чистых природных вод). Цифры в кружках - номера слоев В соответствии с этим из (6.2) имеем : , AmnLfp -Ф фо • X = Amn 1Ф> 11ф,ь - <7е (6.10) 0 при /ф С Ф = / ( * * Ф ) = при t > / (6.11) ф Здес ь (Je - бытовой поток подземны х вод; Хф0 и Хф - соответственно первоначально е (на момент времени f = 0) и текуще е (пр и t - ity) положени е фронта загрязнений ; т - мощность пласта!. С Ф - Г г (6,12) 127 где C b x и CE - концентрация прослеживаемог о компонента за первоначальны м фронтом фильтрации, при х>х$ 0 и в чистых вода х пласта (CE ). В безнапорном потоке скорость фильтрации • пп где h - глубина воды до водоупора, изменяющаяс я по пути движения . Соответственно и скорость являетс я непостоянной величиной. Н о если на рассматриваемо м отрезк е 0-L осреднить мощность, приняв h = hcv = const, то дл я безнапорного потока будут действительны те ж е формулы (6.9), (6.10) при замен е в них т на hcр. В напорном водоносном пласте мощностью т \ и коэффициентом фильтрации k\ (пласт 1, рис. 45), отделенном от соседнего по вертикали пласта с параметрам и т 2 , k2 (пласт 2, рис. 45) слабопроницаемой перемычкой мощностью т0 и коэффициентом фильтраци и k0, скорость фильтрации будет у ; = MHoL e -Xy t (6.14) 2п а парамет р перетока из питающего пласта 2 в основной пласт 1 8 ; M o e x v . (6.15) mQmLri Подстановк а этих выражени й в уравнение (6.2) (при V*Y =0 ) дае т следующее решение: / V _ VV L i n f e W (r) Фо фо т 2п А ) ' г 2 пА (еХф 0 - е* Л . (6.16) ф WoY 2 V J Концентрация прослеживаемог о компонента в основном пласте в любом сечении и, в частности, на фронте фильтрации СФ = Е V<*"")""!О. (6.17 ) В формула х (6.14)-(6.17 ) обозначения следующие: AH 0 =H 0 1 - H 0 2 -разност ь уровней в верхнем (питающем) и основном пласте в сечении X=O (см. рис. 45) ; У - / Bi р 2 (Utri)1 TTi0 . р 2 (Ьт)2 т0 . у; _ С (х, t)-C2 = = С ф ~ C 1 C 2 • причем С(х, t)-текущая (искомая ) концентрация; Ci и C2- соответственно концентрации в пласта х 1 и 2. 128 ЛИНЕЙНЫ Й ВОДОЗАБО Р ВБЛИЗ И РЕК И С УЧЕТОМ ИНФИЛЬТРАЦИ И Рассмотрим схему линейного берегового водозабора большой протяженности на расстоянии X0 от реки. Н а водозаборе поддерживается уровень # в =const . Н а участках, прилегающих к водозабору, может осуществляться инфильтрационное питание или таковое может отсутствоват ь (изолированный пласт) . Дл я дальнейшегорассмотрения выделяются следующие схемы (рис. 46) : 1) инфильтрация в зоне между рекой и водозабором от *= 0 до X=X0 (ei>0 , 82=0) ; 2) инфильтрация за водозабором, в зоне от X=X0 до x=LK (ei = 0, ег>0) ; 3) инфильтрация по всей зоне от я = 0 до x=LK (ei ,a >0) ; 4) плас т изолирован Рис . 46. Линейный водозабо р вблизи реки. Схема к расчету влияния инфильтрационного литания иа качество подземных во д Химический состав воды в пласте и, в частности, подземных вод, извлекаемых водозабором, определяется в рассматриваемой задач е смешением пластовой воды (концентрация Ce) с привлекаемыми водозабором речными (концентрация Cp ) и инфильтрационными водами (концентрация Ce ). Выделим две зоны движения потока: 1) между рекой и водозаборо м (0<я<Х)) ; 2) з а водозабором (*о<*< £ к ) . Гидродинамические характеристики (напоры, скорости фильтрации и расходы) для этих зон приведены в табл. 13. 129 Т а б л и ц а 13 Характеристика фильтрационного потока к береговому водозабору Зон а Напо р подземных во д H Расход , поступающи й к водозабору , q Действительная скорост ь фильтрации, V* Ко H H, v\ = M1 + е | Л: (H -H ) e x Vк H1= Hp V О В +, 2 km (х0 " . (HP-HB) B1X0 Xn •ь P B M 1 = Zis I O 2тп B I = т п J H2 =Hb+^Jb. ( х - х0) + V Lk - X0 к е2 , H - Я - fcm - + е2 (/-к ~ *п) Af. F* =M 2 + Ej Л: -[тkС(Нк - Яв + е2 (1/2 + ^к) V 2 km (х-х0) (LK - x) L,K Xq Z 2тп * - тп Используя приведенные в этой таблице выражени я дл я екорости, можно найти решение уравнения (6.2) дл я концентрации С. При этом, поскольку это уравнение не содержит второй производной, оно может рассматриваться для каждо й зоны в отдельности. Граничные условия дл я решения уравнения (6.2) следующие: t = 0, Ci = Ce; t > 0, л; 0, C = Cp; х = LK, C = Ce. (6.18) При этих условиях формула дл я определения концентрации в первой зоне имеет вид [93] гд е ^ ^Cjx1 t) - C e _ = C p C e _ с е ' р C e C e " f(t --единична я функция, определяемая ка к и в (6.11): она равна нулю при и равна 1 при t~>t$; - время движения фронта фильтрации, т. е. фронта прослеживаемого компонента (или воды с определенной минерализацией) со стороны контура с постоянным напором: U 1 n M11 +г e1tх 1 V\ = J-I = J I n L . 6.20) * ej M1 г] M1 Дл я учета равновесной сорбции в равенство (6.20) и все последующие формулы, определяющие следует ввести А = P A , Mi + e I х ф = ~е7, M11 " ( 6 2 0 а ) Координата фронта фильтрации Хф будет *" = ( . f ' l ) . (6.21) е, И з решения (6.19) следует, что в каждо м сечении потока х в первой зоне можно выделить дв е фаз ы изменения концентрации. Перва я фаз а охватывает время до t (6.24) где ^ A l n ^ i i i L . ( 6 . 25 ) B2 A12 + €2 Lk Координата фронта фильтрации = + (6.26) е 2 Таки м образом, в данном случае во второй фазе, после под хода фронта фильтрации со стороны контура питания (X=L u ) концентрация во времени не изменяется. При этом, поскольку на контуре принято C=C e , в момент / = не происходит скачка в изменении концентрации. В зоне 2 такж е следует учитывать возможность образовани я водораздела подземных вод; условием этого является неравен ство M2 < е* L k . Пр и соблюдении этого ,условия концентраций определяется по первой формуле (6.24), т. е. движения -естест венных подземных вод в сторону водозабора со стороны контура происходить не будет. Дл я изолированного пласта, Koraaei^=O , формулы дл я определения фронта АГф и концентрации С имеют следующий вид: в зоне 1 4 = Mlt- ^ = ^ ; (6.27 ) с = =/(*-3/4) ; C p L e в зоне 2 хф = M2t + L K ; / Ф = Lk-X I 2 L = F ; (6.28 ) M Ce 132 Н а линии водозабора результирующая концентрация Cb определяется по формуле смешения £ _ _ c Ii c I + ЯчРг в Ях + Я2 (6.29) Здес ь <7i и <7г - расходы, поступающие в водозабор из каждо й зоны [см. формулы (2) и (7) в табл. 13]; Ci и C 2 -концентраци и вещества в подземных водах этих зон, которые определяются по приведенным формулам (6.19) - (6.26) при X=X0 (на линии водозабора) . ВОДОЗАБО Р В ЦЕНТР Е КРУГОВОЙ ОБЛАСТИ С УЧЕТОМ ИНФИЛЬТРАЦИ И Схема задач и соответствует рис. 47. Водоносный пласт ограничивается на расстоянии г=г к круговым контуром с постоянным напором (или нулевым понижением уровня) . Н а всей площади пласта с пуском водозабора в эксплуатацию начинается инфильтрационное питание средней интенсивностью e=const . Рис . 47. Инфильтрационно е питани е в круговой област и (скважин а в центр е круговой области ) I=CGtfI S $ I I I I I W Концентрация прослеживаемого компонента в воде, поступающей вследствие инфильтрационного питания,-C=C e , начальна я концентрация его в пластовой воде - C=C e . Решение задач и производится на основе уравнения (6.2) при скорости фильтрации, равной 2 V* =- Q - лег Inmnr Принима я начальное и граничное условия: f = 0; r0 ; r>rK, C = Ck, (6.30) получим следующее решение относительно концентрации [93] : с = t * + I = I [Ск - е <'"'Ф>1 f < М А Q - Jteri (6.31) 133 где - C-Ce - Ck-Ce A Q - лег2 f(t-^ф) :- по-прежнему единичная функция. Координата фронта фильтрации находится по следующей зависимости: 1 Решение (6.31) дл я радиальной задачи аналогично решению дл я одномерного плоскопараллельного потока. Здесь такж е при т. е. до достижения фронтом фильтрации рассматривае мого сечения с координатой г, концентрация определяется только инфильтрационными водами и их смешением с водами пласта: С = е~гН С = Ce + (Ce - C8) е-**1. (6.34) Точка г - 1 / S - в рассматриваемой схеме фильтрации яв F ЯЕ ляется, "водораздельной"; от нее поток направляется в обе сто роны к контуру питания и к водозабору, а на самой точке ско рость фильтрации равна нулю. Следовательно, при Q < ПЕГ? де бит водозабора полностью обеспечивается инфильтрационным питанием. При относительно большом расходе водозабора (Q > >яегк ) к нему поступают как инфильтрационные воды, так и воды со стороны контура. При этом фронт фильтрации послед них Гф и соответствующее время /ф определяются по приведен ным формулам (6.33) и (6.32). Формулы (6.31) и (6.34) позволяют сразу найти среднюю концентрацию прослеживаемого компонента в водозаборе. Дл я этого следует принять t>t,$ и при определении С по формуле (6.31) и по формуле (6.32) положить г = г0. Дл я изолированного пласта, когда е = 0, фронт фильтрации Гф и время ка к известно, определяются по следующим зависимостям: t - Ш г й г ; Ч = ^ " ( 6 3 5 ) где Гф0 - начальное положение фронта (в частном случае, при t-О гф0=гк). Формулы (6.35) существенно отличаются от приведенных выражений (6.32) и (6.33). Только при е* £<С1 эти формулы становятся аналогичными, т. е. при малых значениях времени влияние инфильтрации заметно не сказывается. 134 ИЗОЛИРОВАННЫ Й ПЛАСТ. ГРУППОВОЙ ВОДОЗАБО Р В БЫТОВОМ ПОТОКЕ При действии одиночного водозабора (одиночной скважины или компактной группы взаимодействующих скважин) в изолированном пласте фронт фильтрации определяется такж е по уравнению (6.2) при 61,2=0. Дл я таких условий, используя соответствующие формулы дл я функции понижения уровня, можно найти скорости фильтрации и по общему уравнению (6.5) - зависимости дл я расче" та фронта фильтрации. Рассмотрим следующие схемы. Водозабор в удалении от реки. В этом случае при наличи я одномерного (вдоль оси х) естественного потока (рис. 48, а) со Рис. 48. Схемы фильтрационног о течения к водозабор у в изолированно м пласте : а - в удалени и от рек и при наличи и естественног о потока ; б - т о же , бе з естественног о потока; в - вблиз и рек н при наличии естественног о потока ; г - т о же , бе з естествен ног о потока ставляющие скорости фильтрации по координатам х, у находятся из формул, приведенных в главе 4: 135 где Q - расход . водозабора; А - коэффициент пьезопроводности; qe - естественный поток подземных вод; остальные обозначения прежние. Приравнива я нулю скорость Vx по (6.36) можно в рассматриваемой схеме фильтрации определить положение точки разветвления потока Xp, через которую проходит линия тока, ограничивающая в кажды й момент времени область питания или о б л а с т ь з а х в а т а водозабора. Координата этой точки = - ( 6 3 7 > При t=0 Xp=O, т.. е. точка разветвления находится на оси водозабора. Со временем она перемещается вниз по потоку, причем максимальное ее удаление от водозабора соответствует времени t = oo. При этом А. * Р *=--ZZ2Tя<7е ( 6 3 8 ) Используя известные соотношения между функцией напора или потенциалом скорости фильтрации и функцией тока в стационарном потоке (см., например, [91]), можно выразить последнюю в следующем виде: arctg - + у при х > 0, я - arctg - + у при х < 0, X (6.39) у = * * * , (6.40) Q Q По разности функций тока определяется фильтрационный расход Q = (6.41) И з (6.39) получаем связь межд у координатами х, у точек на любой линии тока: X= У _ , (6.42) ± t g №-"/) ' 7 где зна к " + " принимается дл я зоны х>0 , а зна к "-" - дл я зоны х<0 . Теперь по исходным уравнениям (6.2) и (6.5) можно определить время tф, в течение которого точка, располагающаяс я в 136 начальный момент на расстоянии Хф0 от водозабора, продвинется до сечения х: X to = -An dx Vx сфо Подставля я сюда Vx или Vy по (6.36) (при t ш и выража я в них по (6.42) Y через х (или наоборот), получим . AnmQ (т , sin 6 \ ( г + i n f i L ) , (мз ) V sin Q + y J х = ^f e (хф0 -х); G = arctg - arctg -JL . , (6.44) V х ^фо При отсутствии естественного потока подземных вод, т. е: когда <7е=0 (рис. 48,6) , фильтрация к'водозабор у приобретает одномерный (осесимметричный) характе р со скоростью Vx = ^ ; V9 = ^ - (6.45) * 'Mmr'" 2nmr ' и полная скорость V - --- (г = Yx2 + У2). (6.46) 2 яmr В соответствии с этим из (6.2) и (6.5) дл я фронта фильтра ции Гф и времени tф получаются ранее приведенные формулы (6.35). Миграция загрязнений в пласте, изолированной водоупорными породами кровли и подошвы, может, иметь место только при наличии "внутренних" источников загрязнения, образовавшихся в результате фильтрации сточных жидкостей из промышленных бассейнов или поступления загрязнений через неисправные скважины. Если эти источники загрязнения приводят к заметному возмущению фильтрационного потока, то их следует учитыват ь при определении скоростей и функции тока. В случае же, когда источники можно отнести к числу гидродинамически неактивных, миграция загрязнений из них оценивается по приведенным выше формулам. При этом фронт фильтрации загрязнений должен определяться по формуле (6.43), а результирующая их концентрация в водозаборе - по относительному расходу загрязненных и чистых вод, т. е. по формуле смешения. Выража я расход загрязненных вод по разности функции 1))т, "фь характеризующих линии тока, ограничивающие очаг загрязнения (см. рис. 48, б) , получим Cb - Ct -I- - %), (6.47) VB 137 где Св , C3 И C e - концентрации загрязнени й того или иного и з прослеживаемы х компонентов в водозаборе, очаге загрязне ний и в природных вода х пласт а (та к называема я фоновая концентрация) ; Qb - общий расход водозабора . Водозабор вблизи реки. Дл я расчета понижения уровн я при действии компактного водозабор а вблизи реки применяются формулы (см. гл. 4) . П о этим формула м можн о определить ско рости фильтрации, которые при е 4a t " 1 выражаютс я та к (рис. 48, в): х 2лт \ г2 р2 J т у Qy f 1 1 \ • S E T ( T T F ) ' < 6 4 8 ) причем здесь r = Vix0~xf + y*\ р = У(* 0 + *)2 + г/2 • Ка к показан о на схеме фильтрации, расхо д водозабор а скла дываетс я из фильтрующихся речных во д и естественного потока. При этом размер ы участк а фильтраци и из реки определяются по следующей зависимости: (6.49) Имеетс я в виду, что -- > х0. Ще Функции тока имеют таки е выражения : arctg - arctg - f \у при *>х 0 , X - X0 X -}X0 л - arctg у - arctg - ^ jу' при х< х0, -X0] X +Xe где обозначения прежние [см. формул ы (6.36-6.40)]. (6.50) Соотношение межд у координатам и х, у на любой линии тока из (6.50) будет * = I f x \ ~уг-\- -ух°- (6.51) Использу я по-прежнему (6.48), с учетом (6.51) можн о из (5.2) - (6.5) найти врем я движени я и координаты фронта фильтрации. Дл я точек, располагающихс я на оси х, при этом получим ej^r * •~ (arctg~? ~arctg^). (6.52) 138 При отсутствии естественного потока (<7е=0) производительность водозабора обеспечивается целиком фильтрацией из реки. Теоретически при этом координаты зоны фильтрации из рек и y v = ± 00 , т. е. фильтрация из реки происходит на всем ее про-" тяжении. Однако максимальный расход, равный 80-85% рас* хода водозабора, сосредоточивается в зоне у~±Зхо. Это положение иллюстрируется графиком на рис, 49. Движение фронта фильтрации по главной линии тока (ось Л:) при отсутствии естественного потока определяется по следующей формуле: Ч = ТТГ ' I4 o - ^3 - 3*о (А-ф0 - х)]. (6.53) ZQx0 Концентрация загрязнений при наличии неактивного источника таковых находится, как и ранее, по общей зависимости (6.47), где ipi+i, % определяются по (6.50). Формулы (6.48) - (6.53) дл я водозабора вблизи р^ки справедливы, когда река является совершенной в фильтрационном отношении. При значительном несовершенстве реки можно использовать приближенный прием расчета введением дополнительного сопротивления AL (сдвижка уреза реки относительно водозабора) . Подробнее об этом см. в главе 4. ДВУХСЛОЙНЫ Й ПЛАСТ Фильтрационная схема двухслойного пласта приведена на рис. 27 (см. гл. 4) . Предполагаем известными первоначальную 139 концентрацию в верхнем питающем слое CE и в основном напорном пласте Ce. При эксплуатации водозабора вода обоих горизонтов будет смешиваться, поэтому концентрация веществ в основном слое должн а изменяться в зависимости от времени t и координаты г. Решение соответствующей гидродинамической задачи выражаетс я формулой (4.53), в которой функция R дл я длительных периодов откачки определяется по выражению (4.54). В соответствии с этим действительная скорость движения воды в основном пласт е F* = . (6.54) 2яптг Удельное инфильтрационное питание, т. е. приходящийся на единицу площади расхо д перетекаемых вод из верхнего пласта в нижний, можно определить следующим образом: е = = A-(S-S 0 ) = е * (6.55) т 0 4Ttta где S0 - понижение уровня в верхнем пласте; i - время от начал а откачки; а - коэффициент пьезопроводности ^ a - Равенств а (6.54) и (6.55) справедливы дл я относительно больших промежутков времени K 0 В отличие от ранее рассмотренных зада ч на смешение подземных вод в данном случае скорость движени я воды и величина инфильтрационного питания изменяются во времени. Подставля я соотношение дл я V* и е в исходное дифференциальное уравнение (6.2), найдем, что положение фронта фильтрации подземных вод на любой момент времени определяетс я соотношением d = do - У , (6.56) лтп где Гфо - первоначальное положение фронта (при £=0) . Выражени е дл я относительной концентрации рассматривае мого вещества в подземной воде при этом приобретает ви д In C = J L Q ^ f £ £ (-CC 0 )] , (6.57) Ii + fi* 6 ".=Q+T I r = 5-db=" ' ^ 140 При определении концентрации C=C b на водозаборе следует з (6.58) принять Гф = Го. И з изложенного видно, что концентрация вещества в воде, извлекаемой водозабором, в значительной степени определяется дебитом водозабора. При относительно малых расходах скважины (Q^O ) Ci v 1, т. е. C=C e , химический состав воды в пласте изменяется слабо. ТРЕХСЛОЙНЫЙ ПЛАСТ Трехслойный пласт (см. схему на рис. 28 в гл. 4) представляет собой систему, состоящую из двух хорошо проницаемых горизонтов, в одном из которых (слой 1) располагаетс я водозабор; горизонты разделены слабопроницаемой перемычкой. При действии водозабора происходит смешение вод эксплуатируемого пласта (концентрация Ce) с подземными водами питающего пласта (слой 2) с концентрацией некоторого компонента Ce. Понижения уровня в обоих водоносных горизонтах при квазиустановившемся режиме фильтрации подземных вод к водозабору можно в соответствии с решением (4.58), приведенным вглаве 4, записать следующим образо м (см. рис. 28) : (6.59) где S i - понижение уровня в основном пласте; S 2 - понижение уровня в соседнем, питающем водоносном горизонте; Q - расход откачки из водозабора; km = (km)!+ (km)z - сумма водо проводимостей пластов; а** = kftl =- ; р H1 +11/2 + Ио и ро- водоот дач а соответственно слоев 1, 2 и слабопроницаемого раздель ного слоя; = ( M I . в = I / т0(тк)г(km)2 ^ (Jkm)2 ' V k0km здес ь k0 и т0 - коэффициент фильтрации и мощность раздельного слоя. Из этих соотношений можно найти скорость фильтрации подземных вод Vr в основном горизонте и модуль (расход на единицу площади) перетекания (инфильтрации) подземных вод в основной пласт е 2 ь = Q_ Jfen^JLr v + J L K1(^)I (6.60 ) 1 1 2п Umm1 г L В \ В J У 141 е2-1 = ^iS1- S2l) = K0 (-!-), (6.61) rn0 2JtB2 \ В J где в - Л/ ^m m °. m i - мощность основного слоя. 1 г к0 В отличие от схемы двухслойного пласта в случае трехслой ной системы водоносных горизонтов, ка к это видно из (6.61),. величина инфильтрационного питания стабилизируется во вре мени й зависит только от расстояния до скважины. Подставив указанны е выражени я (6.60) и (6.61) в исходное уравнение (6.2), получим: F* + (С - Ce) + = О, (6.62) or Ot т/ А V * 82- t У* = ~ An > E 2 I = , 1 Am^n1 где С и C e - концентрации прослеживаемого компонента соответственно в основном пласте 1 (искомая величина) и питающем слое 2 (принимается, что C e = const) ; "1 - пористость основного пласта; А - показател ь процессов сорбции (поглоще 1 I R ния) : А = - ; (р - коэффициент распределения вещества) . P Решение уравнения (6.62) при условии C=C e и г=гф 0 (с е - первоначальна я концентрация в сечении Гф0) выражаетс я в сле дующем виде: C C ~ гФо * Г ^ 1 ^ с = = * ; (6.63) C e C 8 где г -фронт фильтрации прослеживаемого компонента. и =гфо i ~. <6-64> Ф 1 у* После интегрирования (6.63) получим Гфо / Гфо \ с = v + Rв K iг \ \ ~в R -; J V + (6.65) где величина Гф0 определяется из уравнения (6.64), которое может быть представлено так: ч ^ H l +V) IH1H1 Ш (V j Гфо ) _ г2 / (V ) г) ] . ( 6 . 66 ) Функции / находятся в результате численного интегрирования (6.64); значения их даны в табл . 14. 142 Т а б л и ц а 14 Значения функции f (v) , / rI в f ( V при V, равном V * J 0.0 1 0.0 5 0, 1 0, 2 0. 5 1 2 S 10 100 0, 1 0,0 1 0,0 4 0,0 9 0,1 6 0,3 4 0,5 0 0,6 6 0,8 2 0,9 0 0,9 8 0, 5 0,0 1 0,0 5 0,1 0 0,1 8 0,3 6 0,5 3 0,6 9 0,8 5 0,9 2 0,9 9 1 0,0 1 0,0 6 0,1 2 0,2 1 0,4 0 0,5 7 0,7 3 0,8 7 0,9 3 0,9 9 2 0,0 2 0,1 0 0,1 8 0,3 1 0,5 2 0,6 8 0,8 1 0,9 1 0,9 5 1,0 0 3 0,0 4 0,1 7 0,2 8 0,4 3 0,6 4 0,7 7 0,8 7 0,9 4 0,9 7 1,0 0 4 0,0 7 0,2 7 0,4 1 0,5 6 0,7 4 0,8 4 0,9 1 0,9 6 0,9 8 1,0 0 5 0,1 4 0,3 9 0,5 3 0,6 7 0,8 1 0,8 9 0,9 4 0,9 7 0,9 9 1,0 0 10 0,6 4 0,8 0 0,8 6 0,9 0 0,9 5 0,9 7 0,9 8 0,9 9 1,0 0 1,0 0 20 0,9 1 0,9 5 0,9 6 0,9 8 0,9 9 0,9 9 1,0 0 1,0 0 1,0 0 1,0 0 50 0,9 9 0,9 9 1, 0 1, 0 1, 0 1, 0 1, 0 1, 0 1, 0 1 , 0 И з приведенных формул видно, что концентрация прослеживаемого компонента на водозаборе при длительной откачке, когд а - 1, _Гф0 1 составляет В В ' = ik m ^ (6.67) 1 + V (ктг) + (Jfcms) v ' Таким образом, при оценке миграции загрязнений в схеме трехслойного пласта можно считать, что концентрация их в водозабор е в основном определяется соотношением водопроводимостей взаимодействующих пластов. И з этого следует, что и питание основного пласта связано с такой ж е закономерностью. Этот вывод отличается от результатов, приведенных в работе [10] , где величина дополнительных запасов определяется следующим образом: Qnep = ^2 + , (6.68) Mi + (1/2 + Mo т. е. зависит от соотношения коэффициентов водоотдачи взаимодействующих пластов. Это отличие обусловлено тем, что при выводе соотношения (6.68) принимается иная предпосылка, а г2 именно: гф0->-оо, t=£oo или-^- ^ оо, тогда ка к в (6.67) пред г2 полагается, что Гф 0 ^оо , t = co, т. е. ->0 . 4 at Отметим в заключение данного параграфа , что задач а о миграции растворенных веществ в трехслойном пласте в изложенной здесь постановке освещена в работа х [16, 93] . Она рассматривалас ь такж е В. В. Бузаевым . 143 ОПРЕДЕЛЕНИ Е ФРОНТА ФИЛЬТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИ Й ЧИСЛЕННЫМ И ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Аналитические методы определения фронта фильтрации загряз нений применимы дл я простых, в значительной мере идеализированных фильтрационных потоков. В более сложных фильтрационных течениях, - при наличии нескольких источников загрязнени я и водозаборов в естественном (бытовом) потоке, - можно производить расчеты численна по методу, основанному на кусочно-разностном разделении всего прогнозируемого периода фильтрации. Пр и разбивк е расчетного периода времени t на k отрезко в Atjij=I, 2, ..., k), за которые определяются соответствующие отрезки пути ALi продвижения фронта фильтрации, или обратно, по заданны м величинам ALj находятс я Atj, основная зависимость при этом представляетс я в следующем виде: AL , 4 Г У K; ATL = ^ L , (6.69 ) S V , где Vij -Действительна я скорость фильтрации на отрезке пути ALj, принимаема я постоянной или средней от начал а до конца отрезка времени Atj и обусловленная действием t-го объект а фильтрации (хранилища, водозабора и т. д.) ; t=l , 2, ..., п i n - количество объектов) . Полный путь продвижения границы раздел а L$ и обще е время ее продвижения находятс я путем суммирования: Ьф=\] ALi; *ф = J Ati. (6.70) I=I Здес ь k - принятое при расчета х число интервалов пути и времени. П о формула м (6.69) можно производить расчеты дл я условий стационарного и нестационарного потоков, причем в том и другом случаях должн ы быть известны аналитические выраже ния дл я скоростей фильтрации, обусловленных действием каж дого объекта. Расче т продвижения границы раздел а межд у загрязненными и чистыми водами численным методом производится либо в пределах всей области фильтрации, либо по отдельным выбранным направлениям . Пр и этом дл я расчета времени допустимо пользоваться проекциями скоростей по осям координат. Примеры использования численного метода расчета фронта фильтра ции загрязнений приведены в работа х [25, 93] . Дл я получения полной картины распространения загрязне ний во всех направления х от источника расчеты проводят по 144 гидродинамическим сеткам фильтрации, характеризующи м движение подземных вод с учетом действия источников загрязне ния, водозаборов, дрен и т. д. Врем я продвижения загрязнений и положение фронта фильтрации при этом определяются по полосам тока.о т контура действующего источника или ранее образовавшегося очага за грязнения подземных вод. Выбор способа построения гидродинамической сетки зависит от сложности гидрогеологических условий, формы, количества и интенсивности источников загряз нения и водозаборов. Сетки в относительно простых условиях могут быть построены по аналитическим решениям, более сложны е условия требуют моделирования. Широкое применение может получить такж е графоаналити ческий метод построения сеток с использованием кар т гидроизопьез (в безнапорных условиях-гидроизогипс) естественного потока подземных вод. Пр и расчетах времени распространения загрязнений {ф и положения фронта фильтрации Ьф на гидродинамических сетках Рис. 50. Фрагмент гидродинамической сетки: а - фрагмент ячейки гидродинамической сетки; б - фрагмент ячейки с показанием времени перемещения загрязнения используются основные соотношения (6.68) и (6.69), причем скорость фильтрации V* исчисляется дл я каждо й ячейки сетки (на отрезке ленты тока одежду соседними изолиниями потенциалов) по формуле (рис. 50) = 4 " Щ ' < А Я / = Я /+ 1 Я />- (6.70а) В соответствии с этим, поскольку скорость фильтрации представляет собой суммарную скорость сложного потока (т. е. VJ = AtikAHf AnAL2; ^ = T T i = A t > п й г - <&> 145 Полный путь (/,ф) и время (£ф) фильтрации загрязнений находятс я суммированием по формула м (6.64). Указанные выражени я можно представить в несколько ином виде, более удобном дл я графоаналитического построения границы раздел а межд у загрязненным и стоками и природными подземными водами на определенные моменты времени. Учитывая , что фильтрационный расход в каждо й полосе (см. рис. 50) MН: Q1= -% = -щ- ьь/, а площад ь каждо й ячейки Fj = ALjAbh вместо (6.71) получим Atj = - (6-72) В стационарных условиях расход в предела х полосы тока не изменяется (Q3 = Const), поэтому Дt, ( An \ Atj = aFj\ Fj = -S = (6.73) т. е. положение фронта фильтрации на определенные (задан ные) отрезки времени Atj можно находить путем вычисления соответствующей площади Fj в предела х рассматриваемо й полосы тока . При этом площад ь може т охватыват ь не одну ячейку, а больше или меньше, в зависимости от принятого расчетного интервала времени Atj. Построение гидродинамической сетки фильтрации можно с успехом выполнять с помощью моделирования на аналоговых электрических приборах. При достаточно подробных сведениях о гидрогеологических условиях и параметра х водоносных пластов это позволяет охарактеризоват ь фильтрационное поле при самы х сложных и разнообразны х обстоятельствах. ГЛАВ А 7. ЗАЩИТ А ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д О Т ЗАГРЯЗНЕНИ Й ОБЩИЕ МЕРОПРИЯТИ Я ПО БОРЬБ Е С ЗАГРЯЗНЕНИЕ М ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д Известные примеры загрязнени я подземных вод [69, 82], а такж е материалы , приводимые дале е в главе 9, показывают, что борьба с загрязнениями , уж е попавшими в водоносный 146 пласт, представляет собой очень сложную задач у и требует дорогостоящих, часто труднореализуемых мероприятий. При большом накоплении в пласте загрязняющи х веществ и малой их десорбируемости, а такж е при низких фильтрационных свойствах пород время, необходимое дл я полного извлечения загрязнений из пород и подземных вод* может измерятьс я десятками и даж е сотнями лет. В случаях же, когда очаг загрязнени я имеет значительную площадь, а мощность водоносных пород велика, загрязнени е подземных вод ликвидировать вообще не удается, и этот уча сток водоносного пласта, иногда со значительными запасам и подземных вод, практически безвозвратно теряется. Поэтому главными следует считать мероприятия п р о ф и л а к т и ч е с ког о характера , предупреждающие возможность загряз нения подземных вод. К сожалению, однако, имеется немал о примеров уж е произошедшего загрязнени я подземных вод. В связи с этим наряд у с профилактическими мероприятиями должн ы разрабатыватьс я методы и приемы по л о к а л и з а ц и и очаго в загрязнения , а там, где представляется возможным - такж е по их ликви даци и и в о с с т а н о в л е н и ю качеств а п о д з е м н ы х во д [25] . Профилактические мероприятия против загрязнени я подземных вод сточными водами и отходами должн ы быть комплексными и захватыват ь ка к сферу строительства и производства, та к и собственно гидрогеологические аспекты (контроль и на блюдения з а качеством подземных вод, надежное в санитарном отношении устройство водозаборов подземных вод и т. п.) . Предотвращению загрязнени я подземных вод содействуют мероприятия общего характера : 1) создание замкнутых систем промышленного водоснабжения и канализации ; 2) внедрение производств с бессточной технологией или с минимальным количеством сточных вод и других отходов; 3) совершенствование очистки сточных вод; 4) изоляция коммуникаций со сточными водами; 5) ликвидаци я или очистка газо-дымовых выбросов на предприятиях; 6) контролируемое, ограниченное использование ядохимикатов и удобрений на сельскохозяйственных территориях; 7) Глубокое захоронение особо вредных стоков, не имеющих экономически оправданных методов очистки или ликвидации; 8) создание водоохранных зон в районах развити я грунтовых вод с установлением здесь строгих правил хозяйственной и строительной деятельности. Наиболе е важны м представляется геологический контроль над размещением новых предприятий, что следует проводить с учетом защищенности пригодных дл я водоснабжения подземных вод и взаимосвязи отдельных водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водами. 147 В долинах рек, на поймах и аллювиальных террасах, содержащих подземные воды, которые используются дл я водоснабжения или могут быть использованы дл я этих целей в будущем, необходимо, как правило, запрещать строительство "водоемких" промышленных предприятий, деятельность которых сопровождаетс я большими сбросами сточных загрязненных вод. Строительство подобных предприятий должно быть запрещено и в других гидрогеологических условиях, благоприятных дл я устройства водозаборов подземных вод питьевого назначения. Н а промышленных площадках для предупреждения инфильтрации технологических и сточных вод в водоносные горизонты, не имеющие -водоупорной кровли, все водонесущие коммуника ци и 51. Пластовый дрена ж по д полом здания дл я защиты подземных вод от инфильтрующнхсй технологических и сточных вод: 1 - щебень, втрамбованный в грунт; 2 - глинобетон; 3 - песок крупнозернистый; 4-при стенный дренаж ; 5 - гравий или щебень; 6 - труба чугунная ции и цеха должны иметь надежную гидроизоляцию и дренажи, защищающие подземные воды от загрязнения. Пластовые и линейные дренажи, широко применяющиеся в промышленном и городском строительстве дл я защиты сооружений от подтопления грунтовыми водами, в качестве обязательного конструктивного элемента должны иметь в основании водонепроницаемый экран из глинобетона или полиэтиленовой Цленки (рис. 51). Сточные воды и технологические растворы, которые могут проникнуть в грунт, должны перехватываться фильтрующими элементами пластового дренаж а (обсыпки, постели) и по дренажным трубам отводиться к водоприемнику дл я перекачки и последующей утилизации или очистки. 148 При неглубоком залегании водоупора группа зданий или вся промплощадка могут быть изолированы от чистых подземных вод с помощью кольцевой водонепроницаемой завесы, а такж е стенки или их комбинации в сочетании с дренажем, отбирающим инфильтрующиеся сточные воды и атмосферные осадки (рис. 52). Н а промышленных площадках с повышенным загрязнением воздуха и почв сбору и очистке подлежат такж е ливневые воды. Все промышленные бассейны, в которых складируются сточные воды и отходы (шламохранилища, накопители, испарители, гидрозолоотвалы и другие сооружения), должны быть нефильтрующими. Это может быть достигнуто в отдельных случаях Рис. 52. Комбинированная кольцевая противофильтрационная завеса в дрена ж дл я защиты подземных вод от инфильтрующнхся стоков: I- песчано-гравелистьге породы; 2 - скальные трещиноватые водопроницаемые породы; 3 - водоупорные породы; 4 - противофильтрационная барражна я стенка; 5 - цементационная завеса; 6 - дренаж ; 7 - территория промплощадки - источника загрязнения подземных вод / 2 S J S f путем выбора места расположения сооружения, но в основном - с помощью различных противофильтрационных и дренажных устройств, создаваемых в теле плотины или дамбы шламохранилища [74]. Помимо выполнения чисто гидротехнических зада ч (снижение фильтрации через плотину дл я повышения ее устойчивости и исключения опасных фильтрационных деформаций грунта) названные противофильтрационные'устройства, ка к отмечалось выше, предназначаются -для полной задержк и сточных вод в хранилище. Поэтому они должны устраиваться из практически непроницаемых материалов - полимерных пленок, битумных цокрытий, глинобетона и лишь в отдельных случаях - из уплотненных глинистых грунтов с очень низкой водопроницаемостью. Противофильтрационные элементы тела и основания плотины шламохранилища-экран , зуб, понур, ядро, диафрагмы (рис. 53) - должны перерезать всю толщу водопроницаемых пород и надежно сопрягаться с водоупором. Дренажны е устройства шламохранилищ размещаютс я в нижней части тела плотины в виде наклонного, трубчатого, ленточного и других дренажей. В береговых примыканиях плотин, создаваемых на шламохранилищах овражно-балочного типа, противофильтрационные элементы имеют вид вертикальной завесы, заходящей в 149 берег по линии оси плотины или перпендикулярно ей, т. е. вдоль берега; иногда завеса дополняется непроницаемым экраном на береговом откосе. Противофильтрационные и дренажны е устройства в нижнем бьефе шламохранили щ предназначаются дл я аккумулирования 4 S Рис . 53. Противофильтрационны е элемент ы тел а и основани я плотины (дамбы ) шламо хранилища : а - экра н и зуб ; 6 - ядр о (диафрагма ) и зуб ; в - экра н и понур . 1 - отход ы производств а - шламы , хвосты, сточные воды; 2 - водопроницаемы е пород ы основани я плотины; 3 - экран ; 4 - зуб ; 5 - тел о плотины; 6-водоупор; 7 - ядро(диафрагма) ; 5 - пону р стоков, профильтровавшихся через тело, основание и в обход плотины, и перекачки их в шламохранилище или в систему оборотного промышленного водоснабжения. Эти устройства выполняются в виде фронтальной завесы, перерезающей водопроницаемую часть толщи основания, в сочетании с системой дренаж а в виде ряд а скважин, галереи и др. (рис. 54). Рис . 54. Перехватывающий дрена ж в ниж нем бьеф е шламохраиилища : I -плотина ; 2 - дрена ж тел а плотины: 3 - перехватывающи е дренажны е скважи ны в нижне м бьефе ; 4 - противофильтрационна я стенка (завеса) ; 5 - водоупо р В чаше шламохранилища при неглубоком залегании водоупорных пород противофильтрационные устройства выполняются в виде кольцевой совершенной завесы (рис. 55, а) или кольцевого непроницаемого экран а с сопутствующим дренажем (рис. 55,6) . При глубоком залегании водоупорных пород и низком естественном уровне подземных вод по всей чаше 150 шламохранилищ а устраиваетс я пластовый экра н из водонепроницаемого материала , прикрытого защитны м слоем из местного грунта (рис. 55, в). Однослойный экра н устраиваетс я из стабилизированной полиэтиленовой пленки толщиною 0,2-0,6 мм, укладываемо й на Рис. 55. Противофильтрационные устрой ства чаши шламохранилища : а - кольцевая совершенная противофильтрационная завес а и сопутствующий дре наж; б - кольцевой экран на береговых S откоса х и сопутствующий дреиаж ; в - пластовый экран на всей поверхности ча ши шламохранилища . J - уровень подземны х вод; 2 - противофильтрационная завеса ; 3 - дренаж ; 4 - отход ы производства - шламы, хвосты, сточные воды; 5 - водопроницаемые породы; 6 - водоупорные породы; 7 -экра н слой песчаной подготовки, либо из асфальтополимербетон а или грунтово-полимерной смеси, покрытых сверху латексом;в отдельны х случая х экра н возводится из уплотненного глинистого грунта. Однослойные экраны , в особенности глинистый экран , обладаю т некоторой, хотя и низкой, водопроницаемостью и поэтому применяются лишь при малотоксичных стоках, фильтраци я которых в конкретных гидрогеологических условиях допускается в определенных ограниченных размерах . Боле е надежным и являютс я двухслойные экраны , в которых верхний и нижний слои выполняются из пленки или малопроницаемог.о глинистого грунта , а разделяющи й их дренажны й слой - из песка или гравия. Профильтровавшаяс я через верхний слой загрязненна я вода может быть отведена из дренажног о слоя опять в шламо хранилище . При необходимости в дренажно м слое може т быть создан вакуу м или, наоборот, давление , превышающе е давлени е жидкост и в шламохранилищ е и препятствующее ее фильтра ции [74] . Применяютс я такж е комбинированные экраны , состоящие из Стабилизированной полиэтиленовой пленки или из асфальто вого покрытия и вышележащи х слоев уплотненного глинистого грунта. Существуют такж е другие схемы и конструкции пластовых водонепроницаемых экранов , которые во всех случаях, ка к уж е отмечалось, должн ы иметь сверху защитны й слой из мест 151 ного грунта. Фильтрационные расчеты противофильтрационных и дренажны х устройств в шламохранилища х приведены в ра ботах [64, 74] . Дл я предотвращения фильтрации загрязненны х подземных вод из земляны х емкостей-накопителей сточных вод и на промплощадка х в отдельных случая х возможно использование гидравлической завесы в виде совершенной траншеи, заполненной водой, или в виде ряд а скважин , в которые нагнетается чиста я вода с напором, превышающим напор (уровень) загрязненны х подземных вод. Недостатком гидравлических заве с являютс я затрат ы чистой воды дл я непрерывной закачки , а в отдельных случая х - необходимость в одновременной откачке загрязнен ных и чистых .подземных вод. Водонепроницаемые вертикальные преграды на пути движе ния загрязненны х подземных вод (см. рис. 52, 54, 55) могут быть созданы либ о в результат е нагнетания через скважин ы растворов, заполняющи х поры и трещины и придающих пород е водонепроницаемость (противофильтрационные инъекционные завесы) , либо путем выемки водонепроницаемых пород и заме ны их водонепроницаемым материало м (противофильтрационные стенки-барражи) . Пр и устройстве инъекционных заве с нагнетание раствор а проводится в один или несколько рядов скважин , причем выбор нагнетаемого вещества зависит от размер а трещин и пор по роды, а такж е от скорости фильтрации подземных вод и их химического состава. Област ь применения инъекционных заве с в породах различного литологического состава и начальной водопроницаемости указан а по работе [120] в табл . 15, 16. Противофильтрационные стенки-барраж и устраиваются в виде сплошного ряда смыкаемы х набивных свай или в виде узкой траншеи, щели. Дл я создани я набивных свай используются буровые скважин ы большого диаметра , заполненные бетоном, глинобетоном или другим водонепроницаемым материа лом. Проходка траншей осуществляется под слоем тяжелог о глинистого раствора с помощью экскаваторов , канатных скреперов или специальных бурофрезерных установок [61] . П о мере проходки транше я постепенно заполняетс я водонепроницаемы м твердеющим или нетвердеющим материало м - бетонной смесью, цементно-глинистым раствором, смолами, рулонными синтетическими пленками и др. Возможн о такж е создание комбинированной противофильтрационной преграды: в верхней части водоносных пород - стенка, в нижней части - инъекционна я завес а (см. рис. 52). Тонкие водонепроницаемые стенки (~0, 5 м) устраивают с помощью вибропогружения и извлечения металлических свай или шпунта с одновременным заполнением прорези, создающейся при извлечении шпунта, цементно-глинистым или другим раствором. 152 В несвязных грунтах противофильтрационная стенка може т быть такж е создана из сборных легкоармированных железобетонных элементов-гидрошпунтов, в которые дл я погружения подаются вода и воздух, а дл я закрепления - цемент. Локализационные мероприятия. К локализационным мероприятиям при защит е подземных вод от загрязнения приходится обращатьс я в тех случаях, когда по тем или иным причинам участок водоносного пласта оказалс я уж е загрязненным. Сформировавшийся в пласте очаг загрязнения даж е после ликвидации источника загрязнения может распространяться в естественном потоке подземных вод в направлении рек, озер и вызват ь при этом их загрязнение. Особенно значительна ско Т а б л и ц а 15 Способы создания инъекционных противофильтрационных завес в песчаногалечниковых и глинистых породах [120] Область применения при коэффициенте фильтрации грунтов, м/су т Способ создания гавес н о I Цементация : цементными или цементно-глинис тыми растворами с введением пластифицирующих и пептизи рующих добавок цементными растворами из пред варительно диспергированного цемента с добавкой ПА В жидкими глинисто-цементными рас творами из диспергированного цемента цементно-коллоидными растворами с добавкой ПА В и цементноглинистыми диспергированными растворами О и л и к а т и з а ц и я : двухрастворная однорастворная Электросиликатизация С м о л и з а ц и я : фурфуроловыми смолами т о же , с глинистым наполнителем меламино-формальдегидными смола ми, полиакриламидными смолами, поливиниловым спиртом Битумизация холодная Глинизация глинистыми суспензиями, тлино-силикатными растворами 153 Таблиц а 16 Способы создания инъекционных противофильтрационных завес в скальных породах [120] Способ создани я завес ы Цементация Силикатизация Битумизация: горячая холодная Глинизация Замораживание Область применения при удельно м водопоглощении скальных пород , л/ми и 0,01-0, 1 0,1-0, 5 0 , 5 1 1 - 10 0 >10 0 I I рость распространения загрязнения при работе водозаборов,, размещенных вблизи очага загрязнения. В связи с этим, в част ности, должен быть определен оптимальный режи м отбора чистых подземных вод, при котором не привлекались бы воды с уж е загрязненных участков или их поступление сведено к ми нимуму. ,Локалкзационные мероприятия, ограничивающие продвижение загрязнений по водоносному пласту от очага загрязнения, могут быть осуществлены в зависимости от гидрогеологических условий с помощью преграждающих либо перехватывающих устройств. Преграждающи е устройства имеют такие ж е конструкции, как описанные выше противофильтрационные завесы и стенки барраж и профилактического назначения. Ка к правило, завесы и стенки должны быть доведены д о водоупора и лишь в особых случаях могут пересекать отдельные части водоносного пласта, например наиболее водопроницаемые верхние или нижние части пласта, по которым распространяются легкие или тяжелые сточные воды и т. п. В этих ж е целях могут использоваться гидрозавесы из нагнетательных скважин, заполненные водой глубокие траншеи и т. п. Перехватывающие устройства имеют вид контурных, кольцевых, линейных и других систем скважин или горизонтальных дрен, из которых ведется откачка подземных вод дл я создания депрессионной воронки на пути между очагом загрязнения и водозабором, а такж е рекой и другим защищаемым объектом. Место расположения указанных противофильтрационных устройств и режим их работы должны быть определены путем гидродинамических расчетов с учетом действующих и проектируемых водозаборов, водопонизительных установок, наличия участков усиленной фильтрации (из водоемов, промышленных 154 •бассейнов) *н других источников гидродинамического воздействия на водоносный пласт. Аналитические методы расчета дл я обоснования некоторых схем локализаци и изложены в работа х [1, 14] и др. В сложных гидрогеологических условиях гидродинамические расчеты перехватывающих и противофильтрационных устройств выполняются методами аналогового моделирования и с помощью ЭВМ. При создании перехватывающих устройств обычно возникает проблема использования и сброса откачиваемых загрязненны х вод. Последние иногда могут быть применены в технических целях, однак о дальнейший сброс их в фильтрующие земляны е "мкости или реки без соответствующей очистки недопустим. Вместе с тем производительность необходимых дл я очистки дренажных вод специальных очистных сооружений должн а во много ра з превышать производительность сооружений дл я очистки собственно сточных вод производства, вызвавшег о загрязнени е подземных вод. Именно этим чащ е всего объясняется высокая стоимость перехватывающих устройств в проектах локализаци онных мероприятий. Восстановительные мероприятия имеют целью ликвидироват ь загрязнение водоносного горизонта и восстановить здесь природное качество подземных вод. Это может быть сделано путем извлечения из пласта через дренажны е скважин ы всего объем а загрязненной воды либо интенсивной промывкой пласта с помощью нагнетаний и откачек воды или специальных растворов через систему нагнетательных и откачечных скважин . Эта задач а реально осуществима лишь при небольших раз мерах очага загрязнени я и особо благоприятных гидрогеологических условиях. Немаловажно е значение при этом имеют химический состав и форма нахождени я загрязняющи х веществ в водоносном пласте. В большинстве случаев таки е восстановительные мероприятия являются дорогостоящими, в особенности если учесть необходимость последующей очистки извлекаемых загрязненны х вод. Кроме того, время, необходимое дл я полного удалени я загрязнений из пласта, ка к правило, очень велико. Можн о считать, что восстановительные мероприятия целесообразн о проводить лишь в рамка х необходимых мероприятий по локализаци и очага загрязнения, когда основной целью откачек являетс я создание депрессионной воронки. Назначени е и выбор типа защитных мероприятий по борьбе с загрязнением подземных вод должн ы проводиться на основе технико-экономического обоснования выбора источника водоснабжения , оценки ущерба от загрязнени я поверхностных и подземных вод, а такж е выбора вариантов защиты . При этом должн а быть оценена обеспеченность района подземными водам и и учтены социальные аспекты данного вопроса, не поддающиес я непосредственной экономической оценке. 155 ЗОН Ы САНИТАРНО Й ОХРАНЫ ВОДОЗАБОРО В ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д Общие положения по организации зон санитарной охраны (ЗСО) . В составе зон санитарной охраны водозаборов подземных вод обычно выделяю т дв а пояса: I i -поя с строгого режи ма и II - пояс ограничений. Назначение м I пояса ЗС О являетс я устранение возможности случайного или умышленного загрязнени я подземных вод непо средственно через водозаборные сооружения или нарушения нормальной работы водозаборного сооружения, водоподъемны х устройств и сооружений дл я очистки и сбора воды. Поэтому размер ы и конфигурация территории I пояса практически мало завися т от гидрогеологических условий и определяются пре имущественно составом и расположением охраняемы х объектов. II пояс ЗС О примыкает к I и охватывае т более широкую территорию, окружающу ю водозабор подземных вод, а в систе мах искусственного пополнения подземных вод - такж е и ин фильтрационные сооружения. Назначением II пояса являетс я устранение возможности появления источников загрязнени я в той части водоносного пласта, котора я будет использована водо забором в течение расчетного срока его работы. Аналогично практике количественной оценки эксплуатационных запасо в подземных вод расчетный срок дл я установления размеро в II пояса ЗС О обычно составляет 25 лет, хотя на практик е 25-летний период эксплуатаци и водозабора в действительности в большинстве случаев не являетс я предельным. В подземных водах артезианских бассейнов, речных долин и конусов выноса , являющихс я основными источниками водоснабжения, после 25-летнего срока эксплуатации, а нередко и до истечения этог о срока темп сработки запасо в резко сокращаетс я и движени е подземных вод стабилизируется. Практически в таки х условиях можн о говорить об обеспеченности прогнозируемого количества подземных вод на неограниченный срок. Инач е обстоит дел о с качеством подземных вод, та к ка к возможность миграции загрязнений и опасность ухудшения ка чества подземных вод сохраняются и в условиях стационарного режим а эксплуатаци и водозаборов. Вместе с тем наличие очагов или участков потенциально возможного загрязнени я и необходимые мероприятия по их лока лизации и ликвидации за границам и П пояса ЗСО , определенного на 25-летний срок, в материала х по оценке запасо в подземных вод и в проектах водозаборов не рассматриваются . Опасность усугубляется и неизбежной приближенностью исходных расчетных параметро в и самих расчетов, на основе которых устанавливаютс я границы ЗСО . В связи с этим можно сделат ь вывод, о необходимости изменения некоторых принципиальных установок, которыми поль 156 зуются в настояще е врем я при гидрогеологическом обосновании и проектировании ЗСО . В частности, в дополнение ко II поясу ЗС О целесообразно ввести II I пояс гидрогеологического и санитарного контрол я и наблюдени й [29] . В предела х II пояса ЗС О качество подземных вод должн о соответствовать требова ниям хозяйственно-питьевого использования на 25-летний срок эксплуатации, а в II I поясе ЗС О з а указанны й срок должн ы быть ликвидированы источники и очаги загрязнени я (если они та м имеются) , что позволит сохранить хорошее качество вод ы в водозабор е сверх 25-летнего срока. Введение III пояс а ЗС О будет способствовать выделени ю первоочередных объектов дл я осуществления мероприятий п'о локализаци и и ликвидаци и загрязнени я подземных вод, которые могут осуществляться только постепенно, та к ка к их реализаци я требует больших затрат . Введение пояса контроля и наблюдении в отдельных случая х вызовет необходимость некоторого расширени я район а изыскательских работ, без которого нельз я дат ь гидрогеологическое обоснование, требуемое дл я начальной.стади и проектировани я первоочередных мероприятий по локализаци и и ликви даци и существующего загрязнени я подземных вод в зоне влия ния водозаборов. При создании ЗС О водозаборо в подземных вод существенными (с гидрогеологических позиций) являютс я два вопроса: во-первых, методика определения размеро в ЗС О и, во-вторых, состав санитарно-оздоровительных мероприятий, назначаемы х на территории различны х "поясов ЗСО . Че м больше размер ы ЗСО , тем выше надежност ь сохранности хорошего качества подземны х вод. Вместе с тем при слишком больших размера х ЗС О вводимые ограничения в хозяйственном использовании этой территории могут привести к определенному экономическому ущербу. Наиболе е актуальн ы эти вопросы дл я определения гра ниц II пояса ЗСО . Правильны е решения данного вопроса могут быт ь получены при дифференцированно м подходе к природной и хозяйственной обстановке в районе каждог о водозабора . Наиболе е существенными обстоятельствами, которые следует при этом учитывать, являются : 1) степень опасности отдельных видов загряз нений подземных вод в условиях хозяйственного использования территории в районе водозабора ; 2) гидрогеологические условия эксплуатируемого водоносного горизонта и, в частности, условия его естественной защищенност и от загрязнения ; 3) тип и производительность водозабор а подземных вод. Так , мероприятия по предупреждению микробных загрязне ний нецелесообразно распространят ь на всю территорию I и II поясов ЗСО ; с учетом сроков выживаемост и микроорганизмо в в подземных водах, а в некоторых случая х - и с учетом их адсорбции при назначении указанны х мероприятий можн о огра 157 ничиться территорией, значительно меньшей, чем площад ь JI пояса ЗСО . Пр и определенных гидрогеологических условиях, зависящи х о т степени естественной защищенности водоносного пласта, возможе н даж е полный отказ от мероприятий по защит е от микробных загрязнений, а иногда - и от специальных мероприятий против химического загрязнения . В других случая х может ока затьс я необходимым расширенный комплекс санитарно-оздоровительных мероприятий. При оценке степени естественной защищенности подземных вод нужно иметь в виду защищенность от загрязнений, непосредственно поступающих в подземные воды при Инфильтрации поверхностных и сточных вод, а такж е при фильтрации из ре к и водоемов, когда загрязненны е воды, прежд е чем они достигнут водозабора, проходят некоторый путь через породы зоны аэрации или по водоносному пласту. Непосредственное загрязнени е подземных вод через неисправны е буровые скважин ы из-за сброса сточных вод в поглощающи е скважин ы и горные выработки, возможно е при любых гидрогеологических условиях, должн о быть исключено путем соответствующих мероприятий, обязательны х дл я всех водоза боров подземных, вод, независимо от гидрогеологических условий. Гидродинамические расчеты ЗСО. При обосновании II пояса ЗС О следует учитывать, что приток подземных вод к водозабору происходит только из та к называемой о б л а с т и захва т а, ограничивающейся раздельным и (нейтральными) линиями тока (см. гл. 6) . Задаче й гидрогеологических расчетов ЗС О являетс я определение размеро в и конфигурации области захвата . В открытой части последней положение контура ЗС О устанавливаетс я исходя из условия, что, если на этом контуре или за его пределам и в водоносный пласт поступят загрязнения , то они либо совсем не дойдутдо водозабора (это относится к биологическим загрязнениям , имеющим ограниченное время выживани я в условиях водоносного пласта) , либо дойдут до него (это относится к химическим загрязнениям , которые условно из соображений надежности расчета, ка к правило, считаются стабильными) , но не ранее срока Tv, равного проектному периоду работы водозабора . Гидродинамические расчеты, выполняемые дл я определения границ II пояса ЗСО , должн ы соответствовать расчетным схемам, использованным дл я оценки эксплуатационных запасо в подземных вод рассматриваемог о водозабора . Ка к правило, вследствие сложности гидрогеологических условий област ь захват а водозабор а имеет сложные геометрические очертания, выявление которых возможн о только на основе графоаналитических построений с использованием кар т 158 гидроизопьез (гидроизогипс), составленных по данным полевых наблюдений и моделирования. Если реальна я гидрогеологическая обстановка может быт ь схематизирована и осреднена по основным расчетным параметрам (обычно это оказывается возможным в относительно простых гидрогеологических условиях, а такж е в сложных условиях, но на ранних стадиях проектирования), то область захват а водозабора и другие искомые величины дл я обоснования проекта ЗС О водозаборов подземных вод можно определять путем аналитических расчетов. При этом схематизируются и сами водозаборы: обычно они представляются в виде единых групповых водозаборов ("больших колодцев"). Н а рис. 56 представлена схема области захват а дл я одного группового водозабора с дебитом Q в однородном неограничен ном водоносном пласте при наличии одномерного естественного потока с единичным расходом qe. Область захват а водозабора со временем увеличивается в процессе эксплуатации. Однако нередко с некоторым завыше нием общей площади ЗС О границы ее могут быть установлены по предельному положению раздельной линии тока в условиях установившегося движения. Вниз по потоку подземных вод граница II пояса, ка к правило, проводится через раздельную точку N (см. рис. 56). Н о в тех случаях, когда расстояние от водозабора до точки N велико и время движения частиц воды от нее к водозабору больше Tv, положение границы II пояса ЗС О смещается ближ е к водозабору - в точку Nf с координатой г. Дл я практических расчетов, кроме того, целесообразно схематизировать область захват а водозаборных сооружений в виде прямоугольника шириною 2d и общей протяженностью L, причем L = г + Rt (7.1) 159 где г - протяженность ЗС О вниз по потоку подземных вод от водозабора; R - то же, вверх по потоку подземных вод отводозабора . Величина 2d принимается равной максимальной ширине зо ны захват а водозабора . С меньшим приближением область захват а можно представить в виде многоугольника NRBCDDFCRBR, проходящего через некоторые характерны е точки на нейтральной линии тока. Расчетное время TV устанавливаетс я в зависимости от вида возможного загрязнени я водоносного пласта и степени его за щищенности. При наличии опасности появления в подземных водах устойчивых химических загрязнений величина TV определяется в соответствии со сроком эксплуатации водозабора; при проектировании водозаборов на длительный срок принимается T v = 25 лет ("10 4 сут) . Дл я определения размеро в II I пояса ЗС О ориентировочно можно принимать Г р "5 0 лет (^ 2 IO4 сут) . При оценке "условий защищенности водозабора от бактериальных загрязнений размер ы II пояса ЗС О устанавливаютс я исходя из времени TV=Tq, где TT - время выживаемости бактерий, составляющее 200 сут - при бактериальном загрязнении небольшой интенсивности и 400 сут - при. наличии массивных и постоянно действующих источников бактериального загряз нения. В безнапорных водоносных горизонтах, а такж е в неглубоко залегающих напорных пластах, перекрытых сверху слабопроницаемыми отложениями (двухслойные системы), при определении положения границы ЗС О в зависимости от бактериальных загрязнений целесообразно учитывать время to просачивания загрязненных вод по вертикали до основного эксплуатируемого пласта, т. е. принимать TV = T 6 U (7.2) Величина to приближенно может быть определена по следу ющим формулам : а) при малой интенсивности инфильтрации загрязненных вод е (e&0)> т. е. при полном насыщении пор to " X p ; (7.4) kO 160 гв) при двухслойном строении пласт а , nomo" Ia . e k0A H (7-5) В формула х (7.3) - (7.5) п0 и т0 - пористость и мощность поро д на д эксплуатируемы м пластом (в случая х "а" и "б" - это породы зоны аэрации, в случае "в" - породы верхнего сла бопроницаемого слоя) , АЯ-разност ь уровней воды основного и покровного слоев (дл я случа я "в") . Методика гидродинамических расчетов ЗС О основывается на приведенных выше решения х зада ч о притоке подземных вод к водозабора м (см. гл. 4) и зада ч по прогнозу миграции за грязнений в водоносных пласта х (см. гл. 5 и 6) . Здес ь такж е в определенных условиях могут учитываться процессы физикохимического взаимодействи я загрязненны х вод с чистыми природными водам и и породам и пласта . В отдельных случая х може т оказатьс я целесообразны м выделят ь зону дисперсии и деформаци и на границе раздел а загрязненны х и чистых природных вод (см. гл. 6) . Однак о при определении ЗСО , особенно на ранних стадия х проектирования водозаборов, следует исходить из предпосылки, что в основном качество подземных вод, отбираемы х водозабо ром, определяется качеством и относительным количеством вод, поступающих из различны х источников питания водозабора . Наличи е некондиционных во д в области захват а водозабор а в граница х ЗС О допускаетс я лиш ь в случае, если в результат е смешения всех вод качество извлекаемо й водозаборо м воды будет заведом о соответствовать требуемым нормам . Деби т водозабор а обеспечивается следующими основными источниками: Q = Qe + Qy 4 Qp +Q E , (7.6 ) где Qe - расхо д подземных вод, привлекаемы х водозаборо м из естественного потока; Qy - емкостные (упругие или гравитаци онные) запас ы подземных вод, срабатываемы е водозабором ; Q p - расхо д речных вод, поступающих к водозабору ; Q e -ин фильтраци я атмосферных осадко в и поверхностных вод из раз розненной овражно-балочно й сети, а такж е расхо д подземных вод, привлекаемых из соседних водоносных горизонтов. Результирующа я концентрация C b при смешении вод из указанны х источников питания може т быть найдена по формул е (Qe+Qy ) Ce +QpCp +Q c C1е (7-7) Q где Ce, Cp , C e -концентраци и прослеживаемог о компонента (или обща я минерализация ) в водах, поступающих в водозабо р из соответствующих источников питания. В случае, когда при расчета х ЗС О можно не учитыват ь про 161 цессов физико-химического взаимодействия, величины Ce, C p к Ce - характеризуют концентрацию веществ в каждо м источнике питания водозабора, не изменяющуюся по пути фильтрации. Если в пределах области захват а водозабора выявлен уча сток загрязненных или чрезмерно минерализованных .вод, вместе с естественным потоком движущихся к водозабору, то формула (7.7) принимает вид C B = CC (Qe Q y ) С* - (1 + a) , (Qe + Qy) Ce -fQpGp Q s С е Q (7.8) где С* - концентрация компонента на загрязненном участке; а - дол я загрязненных вод в общем расходе естественного по тока, привлекаемого водозабором {а = ь* J г Д е Ь* - ширина участка с загрязненными водами (см. рис. 56), 2d- обща я ширина зоны захвата) . Рассмотрим теперь приближенные аналитические методы оценки ЗС О для некоторых простейших схем водоносных пластов и водозаборов. Пр и этом следует учитывать, что расчет ные зависимости даются дл я напорных пластов, но они могут быть использованы такж е дл я безнапорных потоков пр и замене в ищс мощности га напорного пласта на среднююмощность безнапорного пла ста /гср. Одиночные скважины w компактные группы взаимодействующих скважин в удалении от рек. Изолирован ны й пласт . Методика определения фронта фильтрации и построения кинематической* картины течения дл я такой схемы была нами рассмотрена ранее (см. гл. 6 и рис. 48, а) . Здес ь приводятся лишь упрощенные зависимости применительно к задач е обоснования ЗСО . Рис . 57. Схем ы фильтраци и к водозабор у в удалени и от реки: а - план ; б - разре з дл я изолированного . пласта ; в-разрез дл я пласт а с перетека 162 Раздельна я линия тока, очерчивающа я область захват а во" дозабора , в данном случае пересекает ось х ниже водозабора, по потоку на расстоянии xv (рис. 57), определяемом по формуле >(6.38) (1/2= - Q/2nq e ) . Максимальна я ширина области захват а 2d = Qfge (7.9) устанавливаетс я в сравнительно небольшом удалении от водозабор а вверх по потоку на расстоянии * > ( 3 4 ) | * р | . (7.10) Ширин а области захват а в сечении, проходящем через центр водозабор а (x=0J , определяется при этом следующим образом : Zy Q (7.11) 0 = 2% Протяженност ь ЗС О вверх по потоку подземных вод от водозабор а и время движени я частиц воды к водозабору могут быт ь найдены из уравнения T1 р Amn = Xr, In Qe I *Р I +R \ Upl J (7Д2) ил и по графику на рис. 58. 2щег ZXfe/? Z 4 S 8 Рис . 58. Графи к определени я величин ы R дл я схе м фильтрации , показанны х на рис . 57 163 Пр и определении расстояния г до границы II пояса ЗС О вниз по потоку используется следующа я формула : Amti f I хь I - г / 7 ,Qv T р = <7е ( г + I I In \ 1 р 1 I * , • (7.13) I а такж е графи к (см. рис. 58) . При отсутствии бытового потока подземных вод област ь захват а водораздельного водозабора в изолированном пласт е представляе т собой окружность радиусом. ^ . (7.14) Annui Т р е х с л о й н ы й пласт . Схема такого пласта исследована выше, в глав е 6. Общий расхо д водозабора в рассматриваемо й схеме равен: Q = Qe + Qnep, (7.15) где Qe - расхо д естественного потока в эксплуатируемом пласте, перехватываемый водозабором; Q ne p - расхо д воды из со седних горизонтов. Дл я приближенной оценки расходов Qe и Qnep и границ ЗС О можно принять, что конфигурация области захват а водозабор а в данном случае подобна области захват а в изолированном пласте и координата раздельной точки х р находится в зависимости от параметро в перетока: хvPп = Q 2Я<7е(1+-у) [ , + J j i A k ( J ^ i ) ] . (7.16) где В - парамет р перетекания в = 1 / А . ( 1 + 1 N . у mO \ (Itm)1 (km)s J (km) I и (km) 2 - водопроводимость эксплуатируемого и сосед него пластов; v = (km). (km) 2 ; дс - погонный расхо д естественного потока в эксплуатируемом горизонте (принимается, что q e = =const);/C 1 = -функци я Бессел я второго рода, первог о порядка от мнимого аргумента . Величина Xp определяется подбором из формулы (7.16). Ка к уж е указывалос ь ране е [см. формулы (6.65) в гл. 6] , при - ^ 0,2 второй член в правой части формулы (7.16) бли* зо к к единице и, следовательно, |I х 1| Q т. е. также , ка к в= V TlQe изолированном -пласте; в данном случае основную часть дебит а водозабора составляет величина QeНапротив, при больших; 164 значения х > 3 ч 5 j рассматриваемы й член близо к к ну л ю и IJCp I " Оу 2n<7e(l+v) , что определяе т существенну ю рол ь в баланс е водозабор а переток а воды из соседнего пласт а Vnep, величина его зависи т от соотношени я водопроводимостей основного и питающег о пластов . В обще м случа е составляюща я водозабор а из естественного поток а Qe = 2dq" (7.17) причем в соответствии с принятой предпосылкой d = n | * p | . (7.18) Отсюд а Q ne p = Q S n |x p j<7e. (7.19) Пр и использовани и величины Qnep дл я оценки качеств а во" д ы по формула м смешени я (7.7) и (7.8) Необходимо учитыват ь соотношение уровней в эксплуатируемо м и соседних водоносных пластах . Есл и уровн и подземны х во д в соседнем (питающем ) и экс плуатируемо м горизонта х в начальны й момен± времени, т. е. дО начал а эксплуатаци и водозабора , равн ы или в питающе м горизонт е уровен ь выше, то величин а Qnep по (7.19) учитываетс я полностью. Есл и ж е в естественных условия х уровен ь вод ы в верхнем , питающе м пласт е располагаетс я на боле е низких отметках ? т о действительны й расхо д вод ы из верхнего пласт а може т быт ь найде н следующи м образом : Qnep = Qoep - A H c p F t (7.20) mO гд е Д# с р - средня я в предела х област и захват а разниц а в уровня х межд у пластам и в начальны й момен т времени ; F - площад ь област и захвата . Пр и Q*nep<0 воды верхнег о пласт а не оказываю т влия ния на концентраци ю тех или иных вещест в в воде, отбирае мой водозабором , и Qnep не должн о учитыватьс я в формула х смешени я (7.7) - (7.8). Дл я расчет а длин ы ЗС О ввер х по потоку в описываемо й схеме используются зависимост и (7.12) - (7.13) и графи к н а рис. 58, что и дл я изолированног о пласта , но при определяемо м по (7.16) . Одиночные скважины и компактные группы взаимодействующих скважин вблизи рек. Основные схемы фильтраци и дл я этого случа я приведены на рис. 59. 165 it У///У////Л' Рис . 59 . Схем ы фильтраци и к береговом у водозабору : а - вблиз и гидравлическ и совершенно й рек н пр и большо м расход е водозабора ; Б - вбли з и гидравлическ и несовершенно й рек и Схема а на этом рисунке даетс я дл я водозабора вблизи совершенной реки, причем предполагается, что дебит водоза бора Q существенно превышает естественный (бытовой) поток подземных вод qe: Q > лx0qe. (7.21) Деби т водозабора в таких случаях складываетс я из фильтрующих речных вод Q p и бытового потока подземных вод Qe причем Q P е" (7.22) arctg -J~2q е у 0 я Xa Qc = -71 arctg ^0 + 2qey0 1 (7.23) (7.24) Уо 0 T лх0де Выражение м (7.24) оценивается ширина области захват а водозабора со стороны реки, равна я 2у0. 166 С верховой стороны, т. е. в открытой части ЗСО , макси* мальна я ширина области захвата , составит: 2d = + я arctg х0. (7.25) Во всех приведенных формулах принято Xq- расстояние водозабора от реки (Xo=Xofyo)• Ширина области захват а на линии, проходящей через скважину (х=х0), в данной схеме соизмерима с максимальной шириной, определяемой по (7.25), и, таким образом, ЗС О здесь с достаточной точностью может быть запроектирована в виде прямоугольника со сторонами L=R +г (г=х0) и 2d. Зависимость дл я определения величины R дл я рассматриваемой схемы представляется в следующем виде: Anm r ^ ( 1 + ~2 о ) a r d g (7.26) Р Qe L Lx0 + ул J Время ГреЧ, в течение которого речная вода здесь достигает водозабора, определяется по следующей формуле: 167 * реч - ^ F рина области захват а берегового водозабора 2d устанавливается, исходя из размеро в фронта фильтрации речных вод. И з графика , приведенного на рис. 49 (см. гл. 6) , видно, что (c)сновное питание водозабора (более 80% ) осуществляется на участке реки, равном примерно 6лг0. Протяженность этого участка можно принять в качестве ширины зоны захват а водозабора . Размер ы ЗС О в глубь берега от водозабора при отсутствии бытового потока определяются по ранее данному соотношению (6.53), которое в принятых здесь обозначениях имеет вид _ Anmnx2 I 2 + Г * + v V _ з Я + *о 1 ( f l V ). (7.28) 1 P - 3Q L \ X J X0 J Время продвижения речных вод к водозабору по кратчайше й линии тока (у-0) " 2 AnmnxZ реч = ~ • (7.28а) Дл я берегового водозабора вблизи несовершенно й реки , если дебит водозабора сравнительно невелик и целиком обеспечивается естественным потоком грунтовых вод, сохраняется схема фильтрации, изображенна я на рис. 59, а. Расче т ЗС О при этом можно производить по данны м выше указаниям , но дл я учета несовершенства реки в соответствующих расчетных зависимостях следует принимать вместо действительного расстояния от водозабора до реки X0 некоторую условную величину причем Xa = X0 + AL, AL = cth (2Ьа)/а, (7.29) где ос - показател ь несовершенства реки, определяемый по опытным данным; b - половина ширины русла. Пр и двухслойном строении русловой зоны, когда в дн е реки залегае т слабопроницаемый экранирующий слой (заиленный, кольматированный) мощностью т 0 с коэффициентом фильтрации k0, парамет р ос выражаетс я следующим образом [см. формулу (4.20)в гл. 4]: К mQkm где km - водопроводимость нижезалегающег о основного водоносного горизонта. 168 Данна я схема действительна при Q < лхн<7е1, (7.30) где Q - по-прежнему расхо д естественного дебит потока водозабора , a qe 1 - погонный подземных вод к рек е на уча - стк е расположени я водозабора . Пр и течения захват а относительно больших расхода х водозабор а подземных вод принимает вид (см. <рис. 59, б) . водозабор а здес ь включае т в себя оба берега схема Зон а реки . Пр и этом расхо д водозабор а разделяетс я на следующи е со- ставляющие : Q = Qel + QeZ + Qp, (7.31) где Qei и Qe2 расход ы естественного потока, привлекаемог о водозаборо м на обоих берегах; Q p - приток речных вод к водозабору . Эти расход ы можно ценить по следующим зави симостям: а) естественный поток на участк е расположени я водозабор а Qei = - arctg + 2qely0; (7.32* я Уо б) ,расход потока с противоположного по отношению к водозабор у берега реки в) расхо д речных вод < 7 3 3 > = (7.34) В формул е (7.32) хи определяетс я по (7.29), а г/о - та к же, ка к в случае совершенной реки, - по формул е . (7.24) при замен е в ней лг0 на хн. Соотношения (7.33) и (7.34) получены в результат е анализ а баланс а расходо в и сопоставления фильтрационны х сопротивлений водоносного пласт а в береговых его частя х и под руслом реки. Соотношения между расходам и речных вод и подземных вод, поступающих с противоположного берега , представляетс я в следующем виде: ^ L = 2 Sha [ab). (7.35) Qe2 Максимальна я ширина зон ы захват а на обоих берегах определяетс я формулами : Zd1 = QJqel; 2Лг = QJqe2i (7.36) 169 Здесь индексами 1 и 2 обозначены величины размещения соответственно на береговом участке водозабора и на противоположном берегу. Время движения частиц воды и протяженность ЗС О вверх по потоку подземных вод от водозабора могут быть найдены по зависимости, аналогичной зависимости, данной дл я совершенной реки [см. формулу (7.26) и рис. 60), но при замене в ней JC0 на Хц по формуле (7.29). Важной особенностью данной схемы фильтрации является то, что область захвата водозабора распространяется на противоположный берег реки. Протяженность области захвата и, следовательно, размеры ЗС О на этом берегу приближенно можно оценить по скорости естественного потока подземных вод. При этом AmnR2 де2Тр -шг' (7-37> Расчет по этой формуле и выделение ЗС О на противоположном по отношению к водозабору берегу реки следует производить при наличии опасности загрязнения подземных вод здесь и относительно большой значимости расхода Qe2 в общем расходе водозабора Q, что может быть установлено расчетами по формуле смешения. Водозаборы в виде линейных рядов скважин. Линейные ряды скважин обычно устраиваются вблизи рек, т. е. они представляют собой береговые водозаборы. При этом, как правило, протяженность линейных рядов скважин значительно превышает их расстояние от реки и вследствие этого на большей части области влияния водозабора здесь имеет место одномерная (фильтрация. На рис. 61 показаны схемы береговых водозаборов в виде линейных рядов скважин соответственно у совершенного и несовершенного водотоков или водоемов. Эти схемы соответствуют такж е береговым водозаборам в виде горизонтальных галерей, дрен и т. д. Вблизи совершенной реки дебит линейного ряда скважин, ка к и в случае одиночного группового водозабора, складывается из вод, фильтрующихся из реки (Qp ) и со стороны берега, т. е. из бытового потока (Qe) [см. формулу (7.22)]. Расход из реки к водозабору в данном случае осуществляется на участке шириной 2 у0, причем Уо = /12 - x2 + 2x0lctg(2nqJ/Q) (7.38) или, учитывая, что I^x 0 , У0 ~ I X 0 ctg (2nqel)/Q). (7.39) 170 Рис . 61. Схем ы фильтраци и к линейном у водозабору : а - вблиз и гидравлическ и совершенно й реки ; б - вблиз и гидравлическ и несовершенно й рек и В соответствии с последним выражение м ъ-Ч1-3-4-21 sin (2nqel/Q) \ ^ и со CTqpoHb i берега QxQ In 21 sin (2nqet/Q) я / расхо д из реки (7.40 ) (7.41 ) В приведенных формулах : I - половина длин ы ряд а скважин ; Xo - расстояние от ряд а д о реки; остальны е обозна чения прежние. Максимальна я ширина зоны захват а водоза бора в виде линейного ряд а скважи н ZD = QJQ E . (7.42 ) Дл я определения размеро в ЗС О вверх по потоку подзем- ных вод (от водозабор а в глубь берега) можно использоват ь следующу ю приближенную зависимость (при 1>4х0): <7е 171 Здес ь по-прежнему, ка к n при действии компактных водозаборов, первым членом в правой части характеризуется время движени я частиц воды в естественном потоке, без учета водозабора, а втор!ым - ускорение частиц непосредственно вблизи водозабора. Эта последняя зона ограничена, в связи При расположении линейного ряд а водозаборных скважи н вблизи несовершенной реки следует учитывать возможность поступления к водозабору подземных вод с противоположного берега. Общий балан с водозабора при этом выражаетс я формулой (7.31), в которой величина Qei определяется по формуле (7.41) при замен е в ней Xo на хн по соотношению (7.29). Величины потока с противоположного берега Qe2 и из реки Q p находятся по формула м (7.33) и (7.34). Ширина зоны захват а дл я линейного ряд а скважи н и длина ее вверх по .потоку могут определяться по тем ж е формулам, что и в случае совершенных рек [см. формулы (7.42) - (7.43)], но вместо Xo в них следует принимать хв. Врем я движени я частиц воды со стороны противоположного берега весьма ориентировочно може т быть оценено по формул е (7.37). При отсутствии бытового потока основная фильтраци я подземных вод происходит в зоне межд у водозабором и рекой. Пр и этом время поступления речных вод в водозабор рассчитывается по следующей формуле: pe4 = 2AmnxJIQ. (7.44) Приток подземных вод со стороны берега будет весьма мал . С а н и т а р н о о з д о р о в и т е л ь н ы е мероприяти я н а территори и ЗС О во II поясе назначаются с учетом гидрогеологических условий, естественной защищенности водоносного пласта и видов возможных загрязнений. Целесообразно выделить три комплекса санитарно-оздоровительных мероприятий: первый - обязательны е мероприятия, второй и третий-• дополнительные мероприятия, направленные против химического и биологического загрязнени я при недостаточной естественной защищенности водоносного пласта. В первый комплекс входят санитарно-оздоровительные мероприятия, обязательные при любых гидрогеологических и хозяйственных условиях, независимо от видов возможного загряз нения и естественной защищенности водоносного пласта. Эти мероприятия назначаются на всей территории II пояса ЗСО , ограниченной раздельными линиями тока и контурами, проведенными исходя из времени Г р =2 5 лет. 172 К первому комплексу относятся следующие обязательны е мероприятия и ограничения: 1) все виды строительства проводятся с разрешени я органо в санитарно-эпидемиологической и гидрогеологической служб ; 2) запрещаютс я таки е работ ы в земны х недрах , которые могут вызват ь загрязнени е эксплуа тируемого водоносного горизонта (сброс и захоронени е сточных вод, разведочны е работ ы на нефть, га з и т. п.); 3) бурение новых скважи н допускаетс я при согласовании с органам и гидрогеологической и санитарно-эпидемиологической службы ; 4 ) ликвидируютс я бездействующие, дефектные , неправильн о эксплуатируемы е скважин ы и горные выработки , вызывающи е опасность загрязнени я водоносного горизонта; это должн о производиться с восстановлением первоначально й защищенност и горизонта по утвержденном у проекту под надзоро м санитарно го врач а и гидрогеолога. Во второй комплек с должн ы входить дополнительные санитарно-оздоровительны е мероприяти я и ограничения, назначае мы е при отсутствии естественной защищенност и от химических загрязнений . Они вводятс я на всей территории II пояса ЗСО , с раздельным и линиям и тока и контурам и Tv=25 лет, и вклю чают следующие ограничения: 1) запрещаетс я строительство фильтрующих накопителей, испарителей и отстойников сточных вод, хвосто и шламохранилищ , гидрозолоотвало в ТЭЦ , полей фильтраци и промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод; 2) запрещаетс я строительство новых крупных предприятий с большим количеством технологических и сточных вод, а такж е газодымовы х выбросов в атмосферу ; 3) контролируются ра бот а и изменение технологии всех действующих предприятий дл я предотвращени я утечек и инфильтраци и неочищенных сточных вод, растворения отходов и сырь я атмосферным и осадками , поступления в атмосфер у вредных газо-дымовых выбросов; 4) существенно ограничиваетс я и контролируется применение сельскохозяйственных минеральны х удобрений; 5) запрещает с я применение сельскохозяйственных и лесозащитны х ядохимикатов. В третий комплек с должн ы входить дополнительные санитарно-оздоровительны е мероприяти я и ограничения, осуществляемы е при отсутствии естественной защищенност и от биологических загрязнений . Эти мероприяти я назначаютс я вблиз и водозабор а по контуру Г р =20 0 сут и 7^=40 0 сут в зависимости от массивности микробного загрязнения . К ним относятся следующи е меры: 1) запрещаетс я устройство котлованов, выемок, карьеров , нарушающи х защитны й слой на д водоносным горизонтом, а такж е крупных животноводческих комплексов, фер м и скотных дворов, скотомогильников, земледельчески х полей орошения; 2) ограничиваетс я применение навозны х удобрений и запрещаетс я использовани е дл я орошения сточных вод; 3) ограничивается отведение территори й по д новые населенны е 173 пункты и лечебно-профилактические учреждения; 4) дл я промышленных предприятий, населенных .пунктов и жилы х зданий должн ы быть предусмотрены: организованное водоснабжение, обязательное канализовани е зданий со сбросом очищенных вод. вне территории II пояса ЗСО , регулирование и организация отвода загрязненных поверхностных стоков. Назначени е одного или нескольких комплексов санитарнооздоровительных мероприятий во II поясе ЗС О следует проводить в соответствии с естественной защищенностью водоносного пласта. В зависимости от местных санитарных и хозяйственных условий на территории II пояса ЗС О состав санитарно-оздоровительных мероприятий по предупреждению загрязнени я подземных вод и связанных с ними поверхностных вод може т быть видоизменен и дополнен. Необходимость создания III пояса ЗСО , ка к отмечено выше, определяется задачам и долговременной охраны качества подземных вод, используемых дл я крупного централизованного' водоснабжения. II I пояс ЗС О целесообразно устанавливат ь дл я крупных, водозаборов подземных вод производительностью более 50 тыс. м3 /сут в случае, если гидрогеологическими и санитарно-гигиеническими обследованиями за пределами предполагаемых границ II пояса ЗС О установлены объекты (промышленные, сельскохозяйственные, жилы е и др.) , загрязнивши е водоносный горизонт или угрожающи е ему загрязнением. Санитарно-оздоровительные мероприятия на территории III пояса ЗС О должн ы быть направлены на ликвидацию источников загрязнени я .подземных и связанных с ними поверхностных вод, а такж е на локализаци ю и ликвидацию очагов загряз нения, создавшихся в водоносном пласте. Детальны й состав и технико-экономическое обоснование этих мероприятий, зависящи е от характер а источника загрязне ния, масштаб а загрязнени я подземных вод и гидрогеологических условий, должн ы быть разработан ы по специальному проекту. В составе проекта ЗС О следует предусматривать организацию сети режимных наблюдательных скважин, располагаемы х по поперечникам от ближайши х существующих, ликвидированных, потенциально опасных источников и очагов загрязнения до границ II пояса ЗСО , а в случае необходимости - до границ I пояса ЗСО . Состав и методика наблюдений за режимо м и качеством подземных вод должн ы быть определены по специальной программе, разрабатываемо й гидрогеологической изыскательской организацией, проводившей разведку подземных вод и согласованной с органами санэпидслужбы. 174 ГЛАВ А 8. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИ Е ИССЛЕДОВАНИ Я И ИЗЫСКАНИ Я ДЛ Я ОБОСНОВАНИ Я МЕРОПРИЯТИ Й П О ЗАЩИТ Е ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д ОТ ЗАГРЯЗНЕНИ Я ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИ Е ИССЛЕДОВАНИЯ И ИЗЫСКАНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИ И ОБЪЕКТОВ, КОТОРЫЕ МОГУТ ЯВИТЬСЯ ИСТОЧНИКАМИ ЗАГРЯЗНЕНИ Я ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д Пр и проектировании объектов, которые могут быть источниками загрязнения подземных вод и связанных с, ними поверхностных вод, наряд у с обычным комплексом инженерно-геологических взысканий , выполняемых дл я выбора конструкции сооружений, методов производства строительных работ, ,обеспечения устойчивости сооружений и водохозяйственных расчетов, должн ы проводиться специальные гидрогеологические изыскания и исследования, предназначенные дл я выявления опасности загрязнения подземных и поверхностных вод промстоками и дл я обоснования разработк и защитных мероприятий. Выбор площадки дл я размещения предприятия или хранилищ а промышленных стоков долже н проводиться, с ,учетом исключения возможности загрязнения природных вод [4]. Н а стадии т е х н и к о э к о н о м и ч е с к о г о , обоснова ни я дл я этого выполняются сбор и анали з имеющихся литературных и фондовых материалов о природных условиях района, существующих и намечаемых промышленных, предприятиях, а такж е водном хозяйстве данного района - запаса х подземных вод и их использовании, размещении водозаборов, систем канализаци и и т. л . Если имеющихся материалов недостаточно, то проводится рекогносцировочное обследование района, а при необходимости - облегченные изыскания - бурение отдельных скважин , геофизические исследования, измерение расходов воды в водотоках, определение уровней и химического состава подземных и поверхностных вод. Полученные материал ы дл я каждог о вариант а размещения площадки позволят ответить на следующие вопросы: возможно ли -здесь загрязнение подземных и поверхностных вод, каким объектам оно угрожае т (водозаборы, реки, озера) , каков примерный срок продвижения загрязнений к этим объектам . Прогнозируемые скорости фильтрации загрязнений на пер 175 вом этап е определяютс я дл я предполагаемой схемы размещения и гидродинамического взаимодействия хранилищ , водозаборов, рек и других водных объектов с использованием ориентировочных значений гидрогеологических параметро в пласта . Во избежани е загрязнени я подземных вод площадк и промышленных предприятий или хранили щ сточных вод и отходов следует располагат ь на участках, где подземные воды защи щены от инфильтрации загрязнени й надежны м водоупорным, перекрытием. Пр и этом нужно иметь в виду, что речны е долины, сложенные водопроницаемыми аллювиальным и или сильнотрещиноватыми коренными породами, ка к правило , н е пригодны дл я размещени я объектов с возможным и утечками сточных вод в ,грунты. Покровные супесчано-суглинистые отложения , перекрывающи е эти породы, обычно не препятствуют фильтраци и загрязненны х сточных вод в водоносный горизонт. Н е оправдываютс я такж е надежд ы на защитный эффек т толщи хвостов, шламо в и других осадков, накапливающихс я в. промышленных бассейнах. При недостаточной естественной защищенност и водоносного' горизонта промышленные площадк и следует располагат ь на тако м удалении от водозаборо в подземных вод централизован ного водоснабжения , на котором полностью исключается попадани е загрязнени й в водозабор и поверхностные воды. Если соблюдение этих условий невозможно, то задач а о размещении рассматриваемы х объектов должн а решатьс я на основе технико-экономических расчетов и сопоставлений с учетом затра т на мероприятия ото защит е подземных и поверхностных вод и водозаборов от загрязнения , а окружающи х территорий - от подтопления и заболачивания . Дл я составления техническог о п р о е к т а на участках, выбранных дл я размещени я хранили щ промстоков, полей фильтрации, промплощадо к предприятий и других объектов, проводятся специальные гидрогеологические изыскания. И х назначением до'лжно явиться уточнение гидрогеологических условий участка , определение основных гидрогеологических параметро в и потерь промышленных стоков на фильтра цию, составление прогноза о величине зоны растекани я стоков из хранилища , направлени и и скорости их потока, оценка степени изменения минерализаци и и состава подземных вод по пути фильтраци и и влияни я этого изменения на действующие в район е водозабор ы подземных вод, водотоки и водоемы. Определяютс я такж е величина подпора грунтовых вод в зоне влияния фильтрационного потока из хранилищ а сточных вод и все другие исходные данны е дл я разработк и проекта мероприятий по защит е водозаборов, а такж е подземных и поверхностных вод от загрязнения . 176 Н а стадии составления рабочих чертежей гидрогеологические изыскания выполняются дл я уточнения отдельных технических вопросов, связанны х с проектированием защитны х мероприятий. Пр и составлении программ ы изысканий должн ы использо ватьс я материал ы предварительны х проектных проработок, в том чйсле схема расположени я проектируемых сооружений с указание м близлежащи х водозаборов , водотоков, водоемов; данны е о назначении и конструкции хранили щ промстоков, техническая характеристик а этих объектов; количество и со ста в промстоков, подаваемы х в хранилищ е и отбираемы х из не го дл я тех или иных целей; отметки и график и изменения уров ня промстоков в хранилище . Гидрогеологическими исследованиями охватываетс я площад ь предприятия или хранилища , а такж е прилегающа я к нему территория до ближайши х границ водоносного горизонта или до условных контуров, в предела х которых може т оказатьс я гидрогеологическое или гидрохимическое влияние потенциального источника загрязнени я на подземные и поверхностные вод ы и водозаборы . Состав и объем изысканий и исследований определяютс я в каждо м конкретном случае применительно к составу и количеству сточных вод, которые могут поступать в водоносный горизонт, а такж е к климатическим , гидрогеологическим, геологическим и гидрологическим условиям района . При наличии связ и подземных и поверхностных вод должн ы быть проведены гидрогеологические работы , характеризующи е режи м поверхностных во д и их качество. В проектах хранили щ промстоков и других объектов, опасных в отношении загрязнени я подземных вод, должн о быть предусмотрено устройство наблюдательно й сети дл я контроля з а возможной фильтрацие й промстоков в породы основания и водоносный горизонт. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИ Е ИССЛЕДОВАНИ Я И ИЗЫСКАНИ Я В РАЙОНАХ ВЫЯВЛЕННОГ О ЗАГРЯЗНЕНИ Я ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д В районах, где уж е установлен ы или имеются отдельные признак и загрязнени я подземных вод, возникает необходимость ' в локализаци и или ликвидаци и очага загрязнения , а такж е в за щите отдельных близко расположенны х объекто в - водозабо ров подземных вод, реки и т. п. Дл я обоснования состава и объем а этих мероприятий гидрогеологическими изысканиями и исследованиями в первую очередь должн ы быть определены причины и характе р уж е выявленного загрязнени я подземных вод, а такж е степень опасности загрязнени я их в дальнейшем . С этой целью проводятся 177 сбор соответствующих литературных и фондовых материалов, обследование подземных и поверхностных вод, водозаборов и источников загрязнения, отбор и анализ контрольных проб •сточных, подземных и поверхностных вод. При анализах природных вод в них выявляются специфические компоненты, содержащиес я в сточных водах, отходах производства, ядохимиката х и удобрениях, применяемых в данном районе. На следующей стадии при выборе схемы и проектировании защитных мероприятий могут потребоваться дополнительные, •более детальные изыскания, уточняющие гидрогеологическую и гидрохимическую обстановку непосредственно на участках расположения намечаемых защитных сооружений (разведочные и опытно-фильтрационные полевые работы, лабораторные исследования, химические анализы воды и грунтов и др.). При сборе материалов и обследовании возможных источников загрязнения подземных вод в данном районе необходимо осветить следующие вопросы: 1) количество потребляемых предприятиями поверхностных и подземных вод, наличие оборотного водоснабжения, объем и химический состав суммарного стока и стока отдельных производств и цехов, места сброса стока; 2) организация транспортировки и складирования водорастворимого сырья, продуктов и отходов производства; гидрогеологические условия этих участков, возможность растворения отходов или сырья атмосферными осадками и поступления растворов в подземные воды; химический состав воздуха в районе предприятия, накопителей, испарителей .промстоков; 3) состояние аппаратов, установок, канализационной сети, отводных кана в и других сооружений с точки зрения возможности утечек из них технологических растворов и промстоков; 4) наличие очистных сооружений, их характеристика, производительность, условия работы и степень очистки сточных вод; 5) участки и размеры сброса сточных вод (в реки, пруды, накопители, на поля фильтрации и т. д.) и участки складирования мелко измельченных отходов производства (гидрозолоотвалы, "белые моря", шламохранилища и т. п.). Дл я каждого хранилища, накопителя и других бассейнов промстоков должны быть выявлены назначение, площадь, конфигурация и сопутствующие сооружения; конструкция (высота дамб, глубина, наличие экрана и т. п.); время начала эксплуатации ,и режим поступления стоков; изменение во времени уровня воды в бассейне в сопоставлении с отметками уровня воды в ближайших водозаборах, водотоках и водоемах; химический состав стоков, подаваемых в бассейн; размер фильтрационных потерь (проектный - по расчету и фактический-п о наблюдениям); наличие наблюдательных скважин и результаты наблюдений за распространением промстоков в подземных и поверхностных водах вблизи бассейна. Должн ы быть охарактеризованы такж е размеры контура 178 загрязнени я подземных вод и по возможности его изменени я во времени. Обследованию подлежа т такж е все водозабор ы и отдель ные водозаборные скважины , расположенны е от источника за грязнения в !радиусе 6-8 км при песчаном водоносном пласт е и в радиусе 15-25 км, если водоносный горизонт представле н трещиноватым и и закарстованным и породами. Собранные при обследовании материал ы часто оказывают ся недостаточными дл я полной характеристик и распростране ния загрязнени й и выбора защитны х мероприятий. В этом случа е они используются дл я составления программ ы дальней ших наблюдений или дополнительных изысканий. Основным назначением дополнительных, более детальны х изысканий, проводимых в районе загрязнени я подземных вод, являются : уточнение контура загрязнени я подземных вод в пла не и разрез е водоносного горизонта, изучение состава и концентрации загрязняющи х компонентов, а такж е уточнение гидрогеологических и физико-химических параметро в пласта , необходимых дл я прогнозных расчетов скорости движени я за грязнений и дл я проектирования защитны х мероприятий. ОПРЕДЕЛЕНИ Е ПАРАМЕТРО В ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГ О ВЗАИМОДЕЙСТВИ Я ЗАГРЯЗНЕННЫ Х СТОКОВ, ПОРО Д И ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д Задачи и схема исследований. Дл я прогноза распространени я загрязнени й в водоносных пластах , являющегос я необходимым этапом обоснования защитны х мероприятий, требуются гидродинамически е и физико-химические параметр ы пласта , а такж е данны е о составе загрязненны х стоков, естественных подземных во д и горных пород, слагающи х водоносный пласт, его кровлю и подошву. К гидродинамическим параметра м относятся водопровод а мость фильтрующих пород, пьезопроводность, активна я пористость, действительна я скорость фильтраци и в естественных условиях. Определение гидродинамических параметро в выполняется при' гидрогеологических изысканиях, включающи х опытнофильтрационны е исследования (откачки, нагнетания) , геофизические работ ы и наблюдени я за режимо м подземных вод. Метод ы оценки гидродинамических параметро в хорошо освещены в литератур е [8, 10, 58 и др.]. В результат е изысканий горные породы должн ы быть, кроме того, охарактеризован ы по литологическому, химическому, гранулометрическому составу, а такж е в отношении физических свойств и условий залегания . Пр и исследовании химического состава сточных вод и тверды х отходов, вызывающи х загрязнение подземных вод, должн ы быть определены количест 179 венно все основные санитарно-гигиенические показатели, а такж е компоненты, специфические дл я производства, в ходе которого образуются данны е сточные воды и отходы. Среди этих компонентов выделяются в первую очередь токсичные, количество которых в воде хозяйственно-питьевого использования строго нормируется ino ПДК . Качество подземных вод в естественных условиях их зале гания такж е должно быть охарактеризовано в первую очередь основными санитарно-гигиеническими показателями. Кроме того, в ряд е случаев целесообразно установить присутствие и концентрацию (фоновую, естественную) тех ж е специфических компонентов, которые имеются в сточных водах и отходах. Все эти данные используются дл я уточнения применительно к изучаемому объекту методики определения параметров физико-химического взаимодействия загрязненных вод с пластом. При исследовании сточных и подземных вод помимо ионного состава желательно такж е выявить формы нахождения в них тех или иных компонентов. Уже одно только сопоставление химического состава горных пород, сточных и подземных вод в ряде случаев позволяет судить об относительной роли тех или иных процессов физико-химического взаимодействия, которые скажутся на миграции загрязнений при поступлении сточных вод в водоносный пласт. Так, на распространение основных загрязняющих компонентов сточных вод содового производства, содержащих хлориды кальция, магния и натрия, основное влияние окаже т конвективный перенос, осложненный гравитационным фактором в связи с высокой минерализацией этих сточных вод; поглощение загрязняющих компонентов породами в данном случае будет иметь подчиненное значение. При более сложном составе загрязняющих веществ следует, как правило, проводить предварительные4 лабораторные опыты, по (результатам которых делается вывод о возможных в данном случае физико-химических .процессах взаимодействия и выделяются главные, ведущие процессы, которые могут существенно отразиться на распространении загрязнений в водоносном .пласте. Н а основании предварительных опытов принимается решение о целесообразности более детального изучения в лабора торных и полевых условиях выделенного ведущего физико-химического процесса и проводятся соответствующие эксперименты дл я изучения закономерностей и определения параметров рассматриваемого процесса. Изложенна я схема изучения физико-химического взаимодействия загрязненных и чистых подземных вод приведена £ табл. 17. Предварительные лабораторные опыты для выявления основных процессов взаимодействия. Ка к отмечалось ранее, до проведения предварительных лабораторных опытов должен Т а б л и ц а 17 Схема изучения физикб-химического взаимодействия загрязненных и природных подземных вод Изучение строения, состава и свойств пород Водоносного пласта Выявление характера физико-химических процессов взаимодействия между сточными водами, природными подземными водами и породами Определение параметров физико-химического взаимодействия Минералогический, гранулометрический, химический анализ. Определение водно-физических свойств. Опытно-фильтрационные полевые исследования Предварительные лабораторные исследования в статических условиях Лабораторные эксперименты в динамических условиях. Полевые исследования - запуск нейтральных индикаторов или сточных вод в водоносный пласт цессов Выделение ведущих процессов взаимодействия. Заключение о целесообразности дальнейщего более детального изучения Прогноз распространения загрязнений и обоснование защитных мероприятий быть определен химический состав загрязненны х сточных вод, подземных вод и пород водоносного пласта . В составе загряз ненных вод выделяются и в дальнейшем исследуются только те компоненты, которые могут ухудшить качество подземных вод и в отношении которых необходим прогноз распространения в пласт е при фильтрации. Сточные воды, используемые в опытах , следует отбирать на местах их складировани я и фильтра ции, например Из накопителей и шламохранилищ , из коммуникаций на промышленных площадка х и т. д. В тех случаях, когда производство, дающе е сточные воды, еще не сооружено, дл я опытов приходится специально изготавливат ь искусственные растворы, имитирующие полностью состав сточных вод либо содержащи е отдельные вещества, наиболее важны е дл я прогноза качества подземных во д при""поступлении в водоносный пласт сточных вод. К их числу относятся все вещества, концентрации которых в сточных водах близки или превышают ПДК . Образц ы горных пород дл я опытов отбираются из буровых скважи н или шурфов на еще не загрязненных участ ках водоносного горизонта. В отдельных случаях , например", дл я оценки возможности десорбции загрязняющи х веществ используются образц ы пород, взятые на загрязненны х участка х водоносного пласта . Предварительны е опыты проводятся в статических условиях по трем основным схемам, в которых изучается взаимодействие: 1) сточных и подземных вод; 2) сточных вод, пород и подземных вод; 3) сточных вод и пород. П е р в а я схема . Загрязненна я сточная врда и чистая подземна я вода известного состава смешиваются в нескольких колба х в различны х объемных соотношениях, с постепенным переходом от сточной к подземной воде. Примерны е соотношения объемов воды VCT/VnOA: 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6 : 4, 5 : 5, 4 : 6, 3 : 7, 2:8 , 1:9 . Посл е смешения и кратковременного отстаивания (без доступа воздуха ) исследуется изменение во времени химического" состава смеси и при возможности рассчитываются форм ы нахождени я исследуемых компонентов. Изменяющеес я в опытесоотношение объемов сточных и подземных вод моделирует их постепенное смешение в пласт е в зоне дисперсии, в трещина х и прослоях с повышенной водопроницаемостью и т. п. Дл я каждог о выделенного компонента, влияющег о на качество вод ы и находящегося в количестве, близком к ПД К или к санитар но-гигиеническим нормам, проводится сопоставление трех концентраций: C c t - концентрация компонента в сточной воде . Ср.см - расчетна я концентрация из условий смешения (разбав ления ) с подземной водой: С в з - фактическа я концентрация, определенная в раствор е после смешения и взаимодействи я вод. Расчетна я концентрация Ср.см определяется по формул е смешения: V C -)УподСпод /Oi v p.CM - - - (OV "см где V C T , VNRYI, V c m - соответственно объем сточной, подземной воды и объем смеси; Cnoд - количество компонента в чистых подземных водах. Если С в з " С р .см , то компонент можно считать нейтральным, не взаимодействующим с подземной водой. Если С в з <С р ; с м , то можно сделат ь вывод, что компонент в результат е взаимодействия вод'удаляетс я из смеси и выпадае т в осадок. Втора я схема . Аналогична я серия опытов проводится в Присутствии измельченной навески породы в сосуде, в котором проводится смешение. В этом случа е из каждо й смеси сточной и подземной воды последовательно отбираются несколько. проб (через 1 мин, 1 ч, 1 сут и т. д. после смешения) , смесь периодически взбалтываетс я или перемешивается. Если С в з " Ср.см, то компонент можно считать нейтральным по отношению к породе и подземной воде. Если С в з >Ср.с м и при этом изучаемый компонент содержал с я в породе, можно сделат ь вывод, что из породы он переходи т в смесь (растворяется , выщелачиваетс я и т. п.) . Если С в з <Ср. с м , компонент "уходит" из смеси в результат е поглощения породой либо вследствие выпадени я в осадок при взаимодействии с подземной водой. Сопоставление последовательн о взяты х проб может дат ь представление о кинетике этого процесса и времени достижени я равновесия. Целесообразн о провести опыты при разны х величине и степени измельченности навески породы. Треть я схема . В пробу сточной воды помещаетс я измельченная навеска породы, и после взбалтывани я последовательн о (через 1 мин, 1 ч, 1 сут и т. д.) отбираются несколько проб. Сравнени е CCT И C b 3 позволяе т судить о том, поглощаетс я ли исследуемый компонент породой либо появляетс я в воде в дополнительном количестве из-за растворения породы. Пр и •быстром достижении равновесия опыты с различной начально й концентрацией компонента C C T В СТОЧНОЙ воде могут охаракте ризоват ь изотерму C=f(N): N = CCT-CB5J (8.2 ) гд е N - количество вещества, поглощенного породой; С в з - концентраци я компонента в раствор е после достижени я равновесия . В частности, при = const сорбция подчиняется линейной изотерме Генри. Пр и замедленно м изменении С в з можн о проследить за ха рактеро м кинетической зависимости N(t, С с т ) . В целом сово купность опытов по описанным трем схемам позволяе т устано вить, будут ли взаимодействоват ь сточные воды с водоносным пластом , и в первом приближении оценить результат ы этого взаимодействи я относительно рассматриваемог о компонента, приводящие к уменьшению или увеличению его содержани я в сточно й воде либо в смеси сточных и подземных вод. Пример ы использования предварительны х лабораторны х опытов дл я выявления характер а взаимодействи я сточных вод с водоносным пластом приведены в табл . 18. И з результато в опытов, соответствующих вариант у 1, можно сделат ь вывод, что в водоносном пласт е компонент будет распространятьс я ка к нейтральна я "метка", движени е которой в /пласте може т быть осложнено только гидравлической дисперсией и задержко й в тупиковых порах породы. При вариант е 2 компонент будет поглощатьс я породой вследствие химической 'или физической сорбции. Вариан т 3 указывае т /на то, что из сточной воды, вступающей во взаимодействи е с подземной во дой, компонент удаляетс я в результат е реакции осаждени я или газообразования . В вариант е 4, кроме того, проявляетс я погло щение компонента породой; вариан т 5 свидетельствует о раст 183 Т а б л и ц а 18 Возможные результаты предварительных лабораторных опытов ОS Т * S Результаты опытов по отдельным схемам Э х Г. Сточная 2 . Сточная вода -fподзем 3 . Сточная Выводы о характер е физико-химичес ког о взаимодействия компонента сточ ных во д с водоносным пластом вода -Iподзем ная вод а + по вода -fпорода ная вод а род а Г --Г"-р. смС в з - Ср. см Cb3 - CQT Компонент нейтрален к подземным водам и породам пласта i 2 г вз г см с в з < С р с м CB3 < Ccr Компонент поглощается породой 3 СЕЗ < С,р . CM Г <С С в з < C p с м свз < СР СМ Г'-'вз -•Г^CT Свз "e^ Cct Компонент при смешении вод выпадает в осадок или улетучивается в виде газа Компонент выпадает в осадок при смешении вод и поглощается породой СВз - Cp см Cb3 > Cp ^ Свз > Ccr Компонент переходит из породы-, в сточную воду в результате растворения или ионного обмена ворении породы сточной водой либо об ионном обмене. Помимо описанных возможны и некоторые другие варианты результатов дл я одного и того ж е компонента. В итоге из числа нескольких рассматриваемых компонентов состава одной и той ж е загрязненной воды по результата м предварительного лабораторного опробования выделяются компоненты - нейтральные, невзаимодействующие и активные,, взаимодействующие с водоносным пластом. В числе последних выявляются компоненты, убывающие из сточных или смешанных со стоками подземных вод, и компоненты, накапливающиеся в этих водах, т. е. увеличивающие свою концентрацию по сравнению с исходной сточной водой. Как отмечалось ранее, причины, приводящие к изменению концентрации компонента в загрязненной воде при фильтрации, могут иметь различную физико-химическую основу (сорбция,, выпадение в осадок, ионный обмен и др.) , однако в данном случае важн о отметить направленность изменения (снижение или увеличение концентрации) и оценить кинетику этого обобщенного процесса, сведя ее к той или иной известной схеме. Так, снижение концентрации можно условно считать следствием поглощения компонента, а увеличение концентрации - следствием растворения породы, понимая в данном случае под "поглощением" и "растворением" совокупность процессов, приводящих к результатам, аналогичным последствиям собственно, сорбции или растворения. 184 Форма зависимости C(t) характеризует кинетику химической реакции. Если в описываемых предварительных статических опытах C(f ) в постоянном объеме смеси изменяется во времени по закону экспоненты, то можно считать, что обобщенная реакция протекает аналогично необратимой реакции первого порядка [см. формулу (2.8) в гл. 2]. Другой характер зависимости C(t) указывае т на более сложный вид и иной порядок реакции. Кинетические зависимости и параметры физико-химического взаимодействия, полученные в статических опытах, следует рассматриват ь ка к приближенные, поскольку, ка к показываю т исследования, в условиях динамического взаимодействия, т. е. при фильтрации, они могут изменяться. В связи с этим предварительное изучение сорбции рекомендуется ^проводить не только на измельченных навесках породы, но и на монолитных образцах ее с помощью та к называемого балансового метода. Схема проведения опыта и обработка его результатов дан ы в работа х [25, 78]. В итоге дл я каждо й начальной концентрации загрязненного раствора C0 можно определить коэффициент распределения при сорбции (P) и десорбции (р') . Проводя аналогичные опыты на монолите при других начальных концентрациях раствора C0 И определяя соответствующие им количества сорбированного вещества, можно построить графи к N(C p ) и определить характе р и параметр ы изотермы сорбции. Здесь, ка к и ранее, N -количество поглощенного вещества, отнесенное к единице порового пространства; C p - равновесная концентрация вещества в растворе. В зависимости от результатов предварительных опытов при дальнейших исследованиях определяют те или иные параметр ы физико-химического взаимодействия: дл я нейтральных компонентов - активную пористость п и коэффициент гидравлической дисперсии D; дл я активных компонентов кроме п и D - сорбционные параметр ы (коэффициент распределения р, константу скорости реакции а) ; кон стант у скорости растворения а р и концентрацию насыщения С н ; кинетические коэффициенты реакций выпадения в осадок и др. Исследования проводятся в лабораторных или в полевых условиях. Активную пористость и параметр ы дисперсии предпочтительно определять в полевых исследованиях, которыми охватывается определенный участок водоносного пласта и в которых в большей мере, чем при лабораторны х исследованиях, проявляется фильтрационная неоднородность массива. Дл я характеристики D и п трещиноватых пород, ка к правило, следует использоват ь только полевые эксперименты. Изучение сорбции веществ при фильтрации в породах из-за сложности постановки опытов и необходимости использования 185 сточных вод и искусственных растворов загрязняющи х веществприходится обычно проводить в лабораторны х условиях. Вычисление физико-химических параметро в взаимодействия загрязненных вод и горных пород по результата м экспериментов проводится с использованием аналитических решений диф ференциальных уравнений, полученных применительно к определенной расчетной схеме процесса. Ка к правило, в этих схемах рассматривается идеализированна я фильтрующа я среда,, однородная по проницаемости, литологическому и химическому составу. Неоднородность реальной горной породы приводит обычно к отклонениям экспериментальных точек от ожидаемы х значений, характерны х дл я однородной породы. При этом влияние неоднородности на результат ы опыта сказываетс я обычнов большей степени, чем характе р граничных условий на удаленном от места запуск а раствора конце опробуемого участка породы или влияние предпосылки об "ограниченной" или "неограниченной" длин е опробуемого участка и некоторые другие детал и расчетной схемы, приводящие к громоздким аналитическим решениям. Поэтому схема опытов и методика обработки их результатов должн ы быть по возможности простыми, обеспечивающими получение обобщенных усредненных физико-химических параметро в примерно той ж е степени точности, которая возмож на дл я гидрогеологических параметров, используемых (вместе с физико-химическими параметрами ) при прогнозных расчетах распространения загрязнений. В связи с этим рекомендуется применять лабораторны е установки и схемы, позволяющие прю определении физико-химических параметро в использовать аналитические решения уравнений миграции дл я постоянной скорости фильтрации, одномерного полуограниченного (в гидрохимическом отношении) потока и при наиболее простых граничных условиях на входе фильтрационного потока в пласт. Кром е того, методика обработки опытных данных существенно упрощается, а точность определения параметров - увеличивается, если опыты проводятся на фоне нейтрального компонента. Это позволяет вычислить параметр ы дисперсии отдельно, независимо от параметро в других физико-химических процессов. Лабораторны е опыты по более сложным схемам целесообразно проводить лишь в специальных целях, например, дл я подтверждени я теоретических построений и решения зада ч массообмена и диффузии, полученных применительно к неоднородным гидрохимическим и фильтрационным условиям. Лабораторные методы определения параметров взаимодействия. Коэффициен т м о л е к у л я р н о й диффузии . Применительно к рассматриваемо й проблем е загрязнени я подземных вод определение коэффициента молекулярной диффузии: 186 JDM представляе т интерес в тех случаях, когда ожидаютс я очень малы е скорости фильтрации, например, в связи с оценкой возможности загрязнени я подземных вод токсичными веществами из хвостохранилищ, накопителей и других промышленных бассейнов, экранируемых глинистыми, слабопроницаемыми грунтами. Коэффициент молекулярной диффузии определяют в отсутствие фильтрации, чтобы исключить влияние гидродинамической дисперсии. Дл я измерения малых концентраций веществ, диффундирующи х через образе ц слабопроницаемого грунта, лабораторны й опыт проводится на приборе типа диффузионной ячейки [13, 86], в нижнем бьефе которой происходит накопление вещества. В опытах используется несорбируемый индикатор, лучш е всего - радиоактивный (рис. 62). В начал е опыта образе ц грунта Рис . 62. Схем а установк и дл я изучени я молекулярно й диффузии : J - верхни й бьеф , заполненны й растворо м радиоактивног о индикатора ; 2 - образе ц .грунта; 3- нижни й бьеф ; 4- пьезометры ; 5 - уравнительны й сосуд ; 6 - эластична я мембрана ; 7 - коллимированны й датчик ; 8 - соединительны е шланги ; 9 - пересчетны й прибо р Рис . 63. Эталонна я и опытна я кривые С (T )-I n т : J - координат ы эталонной кривой ; 2 - эталонна я кривая ; 3 - координат ы опытно й кри вой; 4 - опытна я кривая ; 5 - смещение и бьефы заполняютс я водой. Зате м индикатор в значительном количестве вводится в верхний бьеф (1) ; продиффундировавший через образе ц грунта (2) радиоактивны й индикатор регистрируется в нижнем бьефе (5) . Чтоб ы избежат ь фильтраци и раствора индикатора , в обоих бьефа х с помощью специального устройства (5) поддерживаетс я равенство напоров, контролируемое пьезометрами (4). Эластична я мембран а (¢) передает дав 187 ление и одновременно предотвращает возможность попадания индикатора из верхнего бьефа в нижний. Измерения активности (концентрации) индикатора проводятся с помощью коллимированных датчиков (7) и пересчетного прибора (5) . Во время опыта .концентрация индикатора в верхнем бьефе практически не изменяется; в нижнем бьефе, где происходит накопление индикатора, она увеличивается. Зависимость С(/ , t),. где / - длина образца, получена с учетом накопления индикатора в нижнем бьефе и имеет вид [13] где Cd i О"= " 2erfc(Я) - 2ехр [Г + ( 4 j ] e r f c (я. + ^ I nlF ~ 2 YDJj n ' ~ W (8.3)i Здес ь F - площадь поперечного сечения образца грунта; W - объем жидкости в нижнем отсеке прибора. Формула справедлива при T^.0,25L2TI/DM. Дл я определения DM по результатам эксперимента удобно> воспользоваться методом эталонной кривой в следующем порядке: 1. Дл я измеренного в опыте фактического значения I и нескольких заданных значений Я по формул е (8.3) строится эталонна я крива я в координатах С(т) -In Fo. Здесь Fo = ---, т = * * * = - ; t -врем я от начала опыта; r0 некоторое нормирующее t0 _ время, выбираемое произвольно (например, время первого за мера концентрации индикатора в нижнем бьефе) . 2. Строится (на кальке) в координатах С (г) и 1пт фактиче* екая кривая, построенная по замера м концентрации индикато ра в нижнем бьефе С (г) (рис. 63). 3. Фактическая и эталонна я кривые совмещаются. При этом; горизонтальные оси InF o и In r смещаются на величину InA = = In 1 поскольку In Л = In- Inx = I n ^ In - - In пР t0 nl2 ' 4. Измеряется величина In Л на чертеже, подсчитывается Al и затем DM: А * • <8.4> г в 188 Опыт, проведенный по тако й методике, с образцо м супеси (плотность 2,68 г/см3, влажност ь естественная 19,8%, пористость 0,32, содержани е частиц размеро м 0,05-0,01 мм 57,9% , менее 0,01 мм 30,3% ) да л значение D m =3,9-10" 7 см2/с. К о э ф ф и ц и е н т ф и л ь т р а ц и о н н о й дисперси и веществ D при фильтраци и в породах водоносного пласт а целесообразн о оценивать, ка к это уж е был о отмечено ранее, по результата м полевых опытно-фильтрационных исследований. В лабораторны х ж е условияхэтот парамет р следует устанавли ват ь лиш ь в связи с изучением сорбционных явлений и других видов физико-химического взаимодействия , на количественную оценку которых в опыта х влияе т гидравлическа я дисперсия. Методика определения коэффициент а дисперсии изложен а в работа х [25, 77, 85, 126, 129, 131 и др.]. Дл я опытов удобна установк а [25 ] (рис. 64) , позволяюща я поддерживат ь постоянную скорость фильтрации , желательно* / - кр.ан дл я попеременной подачи воды или раствора; 2 - фильтр; 3 - трубки дл я отбо ра фильтрата; 4 - крышка; 5 - устройство дл я поддержани я постоянного уровня; 6 - штатнв; 7 - подача воды или раствора; 8 - слив избыточной жидкости; 9 - резиновые' трубки близку ю к скорости фильтраци и на рассматриваемо м участкеводоносного пласт а в естественных условиях или с учетом фильтраци и из источника загрязнени я и других дополнительных гидродинамических влияний. Обычно дл я расчета используют выходные кривы е G(t), получаемы е при вытеснении из образц а породы чистой воды водой, содержаще й нейтральное вещество ("метку") . Вычисление D проводится различным и методами : путем дифференцирова ния выходной кривой и вычисления D по одной точке C= 0,5 . [137], по 2-3 точкам выходной кривой [77, 126] или с использованием всех точек выходной кривой, что дае т наиболе е полный, учет всех экспериментальны х данны х (рис. 65) . 189 В последнем случае расчет D выполняется путем линеаризации кривой C(t) по графику ь(0 " г Д е l = y t arc erf (1 - 2Q . (8.5) Тогда D = V2JAn tg 2 p , D = nx2j4B2, (8.6) где V - скорость фильтрации; р - угол наклона прямой |( 0 к оси t; В - отрезок на оси ординат, отсекаемый этой прямой. И з этих ж е опытов определяют активную пористость породы: Здесь % =0 5 -время , при котором концентрация исследуемого компонента в фильтрат е составляет C=O, 5 (за t-О принимается момент входа загрязненной воды в образе ц породы); С - относительная концентрация: C=CJCBX, где С - концентрация вещества в фильтрате; CBX - входная концентрация вещества - на входе раствора в образе ц породы. П а р а м е т р ы п о г л о щ е н и я . Дл я облегчения обработки экспериментальных данных при физико-химических исследованиях изучение кинетики сорбции в динамических условиях часто стремятся проводить так, чтобы продольная дисперсия вещества отсутствовала [42]. Однак о при фильтрации раствора через образе ц породы -продольная дисперсия, ка к правило, проявляется. Поэтому целесообразно использовать такую методику проведения и обработки результатов динамического опыта, которая позволяет выявить кинематику и параметры сорбции при одновременной дисперсии растворенного вещества. Наиболее просто (и точно) это получается в том случае, если фильтрующийся через породу раствор содержит ка к исследуемый сорбируемый компонент, та к и несорбируемый породой компонент (например, хлор-ион). Опытная установка (см. рис. 64) и проведение эксперимента описаны в работа х [25, 78 и др.] . По результатам, анализа последовательных проб фильтрата проводится _построеш1е выходных кривых относительной концентрации Cc (t) и Снс, где индексам "с" и "не" соответствует •сорбирующееся и несорбирующееся вещество. 190 П о выходной кривой Clic (t) определяют, ка к это было описа но выше, коэффициент дисперсии D и активную пористость п. Форма выходной кривой сорбирующегося вещества Cc (t) зависит от состава и строения породы, длины образца , скорости фильтрации, активной пористости породы, коэффициента дисперсии и параметров сорбции. Аналогичные опыты с той ж е породой, но при другой длине образца , позволяют получить несколько выходных кривых . Анализ кривых Cc (t) при фиксированном х и кривых Cc (х) на одно и то ж е время t позволяет установить характе р поглоще ния. Возможны следующие основные случаи (рис. 66). Рис . 66. График и С (х) я C(t) пр и фильтраци и сорбирующегос я вещества : а - С (/) ; б-С (х). 1 - дл я нейтральног о несорбирующегос я вещества ; 2 - пр и равновесно й сорбции ; 3, 4 - пр и неравновесно й сорбции ; <ф-врем я прохождени я фронт а фильтраци и в точк е х-', дГф- положени е фронт а фильтраци и иа врем я fy 1. Выходные кривые Ch c (^) и кривые Chc (х) аналогичны соответствующим кривым дл я несорбируемого компонента, т.е . сорбируемый и несорбируемый компоненты имеют в фильтрат е одинаковую относительную концентрацию. В этом случае вещество можно считать непоглощаемым, т. е. такж е нейтраль ным. 2. Выходная крива я CC (t) по форм е аналогична кривой: дл я несорбируемого компонента, но "сдвинута" во времени на величину At. Это указывае т на равновесный характе р поглощения и позволяет вычислить парамет р P путем сравнения выходных кривых дл я сорбируемого и несорбируемого компонентов. Известно, что скорость движени я в породе точки с концентрацией раствора C=O, 5 будет: дл я несорбирующегося компонента ^'(например, хлоридов) ^ h c = ^ L o l 5 . (8.7 ) дл я сорбирующегося компонента 191 Здес ь I - длина образца ; ZgL0t5 и t ^ 0 5 - моменты появления в фильтрате половинной концентрации (С=0,5 ) соответственно дл я несорбируемого и сорбируемого компонентов. И з (8.7) и (8.8) следует, что интервал времени At ("сдвижка") между i-HcC-o.г, и .Сс=о,s Р а в е н Дл я несорбирующегося компонента скорость движения точки С~0, 5 соответствует средней скорости потока: у* ис = уJn^ (8.10 ) Скорость движения точки С-0,5 сорбирующегося компонента связана с V*HC следующим образом [94]: у*с _ у*ис /g П ) 1 + Р ' Следовательно, At = IKV*^) = ш (8.12) vp Коэффициент распределения соответственно раве н Р = - . (8.13) VAt ' П о выходной кривой сорбируемого компонента расчет коэффициента распределения при равновесной сорбции можно такж е сделать по выражени ю J L = J L f t e ^ N 1 . (8.14 ) P пх \ S2-C1 J ' Здес ь ti и t2 - дв а момента времени; С и C2 - соответствующие им концентрации на выходной кривой; и £2 определяются по (8.5). Коэффициент дисперсии соответственно вычисляется по формуле 4п \ 1 + P y U 2 C i J } Поскольку при расчете р по "сдвижке" или по формуле (8.14) используется только одна или дв е точки выходной кривой, это, как отмечалось ранее, може т привести к ошибкам в определении р и D. Поэтому дл я определения этих параметров предпочтительнее использовать описанный выше графоаналитический метод линеаризации кривой C(t), при котором рассматриваются все опытные точки. _ 3. Относительная концентрация исследуемого вещества Cc в любое время t ниже относительной концентрации несорбируе 192 мого компонента Сш\ причем по прошествии некоторого времени в каждо й точке х устанавливаетс я постоянное во времени значение Cc, изменяющееся лишь по пути фильтрации, т. е. от входного сечения в глубь колонки, по закону экспоненты. В этом случае расчет константы скорости процесса у проводится по выражени ю F 2 Г Л (I n CcJ 2D V 1 ADn 1 - ' 1 • ( 8 . 1 6 ) Vx Здес ь V-скорость фильтрации; D - параметр дисперсии; п - активная пористость; Cc - относительные концентрации веще ства С на выходе из колонок различной длины х. Кривые вида 3 (см. рис.. 66) характерн ы дл я процессов распада , осаждения вещества из раствора при химических реакциях, а такж е дл я сорбции при очень большой (неограниченной) емкости породы. 4. При ограниченной сорбционной емкости породы, когда наряду с сорбцией происходит десорбция вещества, зависимости Cc {х) дл я разного времени t имеют вид кривой 4 на рис. 66. С течением времени в каждо м сечении х концентрация будет увеличиваться до Cc" 1. В этом случае, ка к отмечалось выше, теоретическая зависимость Cc (х, t), представляюща я решение системы дифференциальных уравнений конвективной диффузии и нестационарной сорбции, имеет крайн е сложный вид. Дл я обработки экспериментальных данных и графоаналити ческого расчета сорбционных параметров а и р можно использоват ь решение указанной системы уравнений после применения к ним операционного преобразования Лаплас а [78, 81]. При этом крива я С(х, t) трансформируется в кривую дл я "изображения" U (х, р). П а р а м е т р ы р а с т в о р е н и я . Растворение твердых солей при фильтрации в породах, ка к показан о выше (см. гл. 2), описывается уравнением конвективной диффузии с дополнительным членом, учитывающим кинетику растворения. В частности, при существенно изменяющейся поверхности растворяемых частиц соли уравнение кинетики будет иметь вид (2.15), в котором N--количество вещества, вынесенное при растворении из единицы объема породы (г/см3 ); до растворения содержалось JV0 солей. Эти величины можно выразить так : ^0 = УA W = Yc(So 0 -S 0 ) t (8.17) где \'с - плотность растворимого вещества (соли) в г/см3; £о и - начальное и текущее удельное объемное содержание вещества в долях единицы. Дл я характеристики процесса растворения солей из породы при фильтрации нужно знать начально е удельное объемное 193 и начально е удельное весовое (г/г) количество растворимого вещества в породе, максимальну ю растворимость содержа щегося в породе твердого вещества в природных подземных вода х Смаке (г/см3 ) и поступающих в породу сточных водах Смаке (г/см3), а такж е константу скорости растворения (коэффициент выщелачивани я вещества породы) а р 1/с. Весовое содержани е в породе того или иного растворимого вещества So (г/г) определяетс я с помощью химических методов исследований - валового химического анализа , анализ а водных, солянокислых и других вытяжек . Методика количественного определения водорастворимых солей (хлориды, сульфат ы и карбонат ы Na , Ca, Mg ) изложен а в работ е [80]. Удельное объемное содержани е вещества в породе So (дол и единицы) рассчитывается по Со' S o = ^ ( I Z i ) S f (8.18) T c где уп - плотность невыщелоченной породы; п - пористость невыщелоченной породы; у с - плотность соли. Есл и "плотность породы была определена после полного удаления из нее растворимого вещества, то Sg = , (8.19) Tc + So (Tn-Tc ) где Yn - плотность практически нерастворимой части породы. Максимальну ю растворимость содержащегос я в породе твердого вещества в природных СМ&КС и сточных водах C"SKC определяю т опытным путем. Дл я этого мелко измельченную навеску породы заливаю т измеренным объемом природной или сточной воды и смесь помещаю т в аппара т дл я встряхивания на 1-2 сут, с периодическим определением количества растворяющегося вещества. Обработк у породы водой продолжаю т до достижени я максимального содержани я в воде этого вещества С ман с . Дл я определения константы скорости растворения ссР (1/с) проводят фильтрационный опыт на установке, описанной в работе [76] (см. рис. 66) . Экспериментальные данны е обрабатываю т в виде выходных кривых C(t), где С - концентрация в фильтрат е растворяюще гося вещества в г/см3; t - врем я от начал а появления этог о вещества в фильтрате . Опыт желательн о проводить вплоть до полного выноса растворенного вещества, однак о (при очень медленном выносе) его можно прекратит ь после более или менее заметного сниже 194 ния содержания вещества в фильтрате С. Дл я расчета константы скорости Otp можно использовать решение системы уравнений, отражающе й конвективный перенос и растворение в полу ограниченном теле при D = O и = 0 [33]. dt Во второй стадии растворения, когда во входном сечении сформировалась выщелоченная зона, распределение концен траци и в растворе подчиняется уравнению [33] : С - ^мак с (Смак е Qt ) ; TIZ I : ~ - (8.20) c h * [ ( / f l f ) / 2 v ] Здес ь I - длина образца , см; V - скорость фильтрации, см/с; ^fl - скорость выщелачивания вещества из породы, см/с, опре деляема я по следующему выражени ю [76]: a = ( C m ~ Q V , (8.21) SSYC где C0 - начальное содержание вещества в воде, поступающей в образец (C0 может быть равно нулю). И з (8.20) коэффициент скорости растворения а р будет равен: 2V а = - г = art h 822 j / t g (I - at) V" ° м а к с ^ o Дл я расчета сср по (8.22), с выходной кривой на участке, тд е С Смак е <0,6 , берут несколько пар соответствующих значений Ji и Ci-, по которым строят график ф(£), г д е ф = arth Л/ ^ l • " Смаке C 0 Коэффициент а р подсчитывают по выражениям : " р = J V ^ r (8.23) или CCp = - 3/4 . (8.24) Здес ь В - отрезок, отсекаемый прямой ф(/ ) на оси ординат; tgO - угловой коэффициент этой прямой. Можно опыт по растворению проводить одновременно дл я двух-трех образцов одной и той ж е породы различной длины J1, /2, H, но при одинаковой скорости фильтрации V и с одновременным отбором проб фильтрата. Это позволяет дл я любого выбранного момента времени t построить зависимость C(I), которая в соответствии с уравнением скорости растворения твердого тела должна иметь вид [76] С = = 1 _ e~ apll V . (8.25) Смакс~С 0 19 5 Коэффициент ар в этом случае определяется дл я каждо й пары значений Ci и o V t o b . ( 8 . 2 6 ) ' i И з нескольких, определенных в отдельных точках, значений а р подсчитывают среднее дл я опыта значение а Р . При неизменяющейся поверхности растворяемых частиц соли уравнение кинетики выражается в виде (2.14). В этом случае для определения кинетического параметра а р можно использовать решение (5.67), которое отражает совместное влияние растворения и дисперсии на выходную кривую. Дл я второй стадии процесса (t>TQ) оно имеет вид (8.27) Учитывая, что l=at и обычно D_ -O3 A'3 ]I в) Если откачечная скважин а расположена вблизи реки, имеющей несовершенную гидравлическую связь с пластом, рас Рис. 69. CxewTa расположени я скважи н при f 9 • л запуск е индикатор а в наблюдательну ю X f скважин у при откачке вблизи реки: J 4 j " 1 - скважин а запуска ; 2 - наблюдатель ы ^ А" ные скважин н откачечная скважин а чет выполняется такж е по (8.43), но вместо а подставляется (a=AL), где A L = Y] / K3/4q 3/4 . Здес ь а и х-расстояния от уреза реки соответственно до центральной и наблюдательной скважин, причем наблюдательная скважин а может быть расположен а ка к между рекой и центральной скважиной, та к и дальш е от реки, чем центральная скважина . Г Л А В А 9. ОСОБЕННОСТ И ВОЗНИКНОВЕНИ Я И РАЗВИТИ Я ОЧАГОВ ПРОМЫШЛЕННОГ О ЗАГРЯЗНЕНИ Я ПОДЗЕМНЫ Х ВОД . ПРИМЕР Ы Дл я выяснения причин и характер а распространения промышленного загрязнени я подземных вод большой интерес представляю т материалы натурных наблюдений и исследований, выполненных в связи с -защитой подземных вод и водозаборов. 202 Ниж е приведены некоторые примеры возникновения и развития очагов промышленного загрязнения в районах с различ ными гидрогеологическими условиями и хозяйственной обстановкой. П р и м е р 1. В хвостохранилище (рис. 70), созданном в долине реки, собираются твердые отходы и сточные воды промывочной и магнитно-обогатительной фабрик и железног о рудника. Пульпа , подаваема я в хвостохранилище с расходом 65 000 м3/сут, содержит 6-7% твердых веществ. Рис. 70. Фильтрация промышленны х сточных во д из хвостохранилищ а магнитно-обога тительной фабрик и железног о рудника : 1 - хвосто>Гранилише; 2 - плотина; 3 - Еодохраннлище ; 4 - гидроизогипсы ; 5-изолини и зчачсни;'| жесткост и грунтовых вод . мг-экв/л ; 6-изолини и температур ы грунтовых во з 7 - наблюдательны е скважин ы Сточные воды магнитно-обогатительной фабрик и загрязнен ы флотореагентами, в том числе ксантогеиатом бутиловым (8 мг/л) , сосновым маслом (11 мг/л) , кремнсфтористым натрием и др. Обща я минерализаци я сточных вод в среднем равна 1,46 г/л. Хвостохранилище располагаетс я в 1,5 км от водохранилища, используемого в качестве источника хозяйственно 203 питьевого водоснабжения района. В этой связи были проведены исследования для установления наличия и влияния фильтрации промышленных сточных вод их хвостохранилища на качество подземных и поверхностных вод. Участок расположени я хвостохранилища сложен трещиноватыми кварцевыми диоритами; направление их простирания и преобладающе й трещиноватости способствует связи рассматриваемы х водоемов. Скальны е породы 'прикрыты сверху элювием (дресвяно-щебенистыми грунтами, супесчаными и суглинистыми сапролитами ) и делювиальным и суглинками. Обща я мощность этих отложений 10-30 м, а коэффициент фильтрации изменяется от 0,01 - 0,4 м/сут( в суглинках, сапролитах, рухляках ) до 4-5 м/сут (в дресвяно-щебенистых грунтах и трещиноватых диоритах) . Хвостохранилище частично заполнено шламом , мощность которого максимальн а у плотины (28 м) и убывает к верховой части водоема; в составе шлама - песчаные, пылеватые и глинистые частицы. Образовавшийс я из шлам а экра н у плотины имеет ширину около 100 м. Он снижае т фильтрационные потери в нижний бьеф и дае т возможность отбора из хвостохранилища оборотной воды в количестве 60 тыс. м3/сут, однако не обеспечивает полной изоляции загрязненных сточных вод от подземных, ка к это предполагалос ь при сооружении хвостохранилища. Существование фильтрационного потока из хвостохранилищ а в водохранилище подтверждается картой гидроизогипс, а такж е наблюдениями за температурой и жесткостью подземных и поверхностных вод (см. рис. 70). Несмотря на то, что расхо д фильтрующихся загрязненных сточных вод, определенный балансовы м методом и по карте гидроизогипс, невелик по сравнению со среднегодовым притоком речных вод в водохранилищ е (составляет около 3%) , однак о в связи с высокой токсичностью флотореагентов и низкими ПД К дл я них (по ксантогенату - 0,001 мг/л, по сосновому маслу -2 мг/л) требуется очистка сточных вод от флотореагентов до сброса их в хвостохранилище. П р и м е р 2. Накопител ь твердых отходов производства металлургического завод а располагаетс я на Второй надпойменной террасе, сложенной четвертично-неогеновыми аллювиальным и песчано-глинистыми отложениями мощностью около 50 м; ниже залегаю т водоносные трещиноватые известняки и мергели девонского возраста . По д накопителем сверху вниз залегают : почвенно-растительный слой (0,1-2 м) ; средние и тяжелы е суглинки (10-15 м) с линзами мелкозернистых песков (до 4 м) ; пески среднезернистые (20-29 м) с невыдержанным по мощности прослоем суглинков (до 7,5 м) ; пески среднеи крупнозернистые с гравием (Ю--1 8 м) ; глины-(0,2-6 м) ; известняки и мергели. 204 Подземные воды в аллювиальны х отложения х залегаю т на глубине 10-14 м от поверхности. Накопител ь имеет вид !прямоугольника с размерам и в план е 200x30 0 м, ограниченного насыпными песчаными дамбам и высотою д о 4 м и разделенного на секции. Дн о и откосы накопителя экранирован ы уплотненной глиной (0,5), прикрытой слое м песка (0,2 м) . Накопител ь эксплуатировалс я всего лиш ь 4 года. З а этот период в часть секций было сброшено 19 тыс. т полужидких и твердых отходов - эмульсий, масел, кислых смолок, шлама , фусов. В их составе имеются токсичные, в том числ е летучие, вещества (табл . 19). Т а б л и ц а 19 Состав полужидких и твердых отходов Содержани е вещества в отхода х Вещество в твердых , мг/к г Б ЖИДКИХ , МГ/ Л Фенолы 0,1-5, 2 0,35-335, 0 Цианиды Пиридиновые основания 0,04-0,11 5 0,83-0,9 1 0,005-1,2 5 1,67-500 0 Количество углеводородов в отходах составляет от долей д о 16%. Инфильтраци я талы х вод из неиспользуемых секций накопителя вызвал а предположени е о плохом качестве изоляции дн а накопителя, в связи с чем дл я выявлени я влияни я накопителя на подземные воды были проведены гидрогеологические изыскания. По контуру накопителя на расстоянии 30-40 м от дам б был и пробурены 7 скважин , а из одной из них проведена опытна я откачка . Содержани е характерны х компонентов сточных жидкосте й и отходов выше уровня подземных вод определялось по водным вытяжка м из грунтов, ниже уровня подземных вод - п о анализа м 'проб воды. Концентрация фенола в подземных вода х вблизи накопителя во многих точках водоносной толщи оказалас ь выше предельно допустимой (ПД К фенола = = 0,001 мг/л) , достигая 0,014 мг/л. Максимально е содержани е фенола отмечено вверху, в почвенно-растительном слое, однак о фенольное загрязнение охватил о всю четвертичную толщу йот мечено на глубине более 60 м от поверхности - в трещинных водах известняков. Содержани е токсичных цианидов в грунтах и подземных вода х не превысило ПД К (0,1 мг/л) , однако абсолютные концентрации все ж е значительны (до 0,05 мг/л) . Они уменьшаются по глубине пород; в водоносных известяка х количество цианидов составляет 0,0015 мг/л. 20 5 Концентрация роданидов во многих пробах превышает ПД К (0,1 мг/л) , достигая 0,5-0,6 мг/л; при этом повышенные концентрации" отмечаются как в верхней, та к и в нижней части песчаной толщи. В известняках содержани е роданидов до 0,05 мг/л. Присутствие в грунтах и в воде масла с концентрацией д о 0,8-4,48 мг/л отмечается во всей толщ е водоносного аллювия ; в вскрытой верхней части известняков на глубине более 60 м оно достигает 0,44 мг/л. В ходе откачки наблюдалос ь увеличение концентраций цианидов (с 0,001 до 0,003-0,004 мг/л) и роданидов (с 0,042 до 0,085-0,108 мг/л) . Все это, а такж е увеличение загрязнения в верхней части грунтов основания и при откачке, когда к сква жин е 'привлекались подземные воды со стороны накопителя., показывает, что создание экран а из полуметрового слоя глины не могло полностью исключить фильтрацию в подстилающие сухие трунты основания. Если предположить, что после укатки глины приобрели коэффициент фильтрации Ю 7 см/с,то при мощности слоя жидких отходов в накопителе ~0, 5 м, просачивание стоков' через экра н могло произойти уж е примерно через полгода - год. Дальнейша я инфильтрация стоков через сухую песчано-суглинистую толщ у на поверхность грунтовых вод происходила уж е с большими скоростями, что и определило в итоге загряз нение подземных вод, выявленное через 4 года после начал а эксплуатации накопителя. Дополнительное загрязнение подземных вод в этом районе связан о такж е с интенсивным загрязнением атмосферы при испарении жидких и полутвердых отходов, складируемых в накопителе. П р и м е р 3. Завод , изготовляющий саж у из нефтепродуктов, расположен на высокой надпойменной террасе реки "межд у двумя "оврагами (рис. 71) . Нефтепродукты (зеленое масло, термогазойль, газойль) в течение многих лет хранились в земляны х емкостях. Из-за многолетней утечки нефтепродуктов из этих емкостей, а такж е аварий запорной арматур ы на склад е хранения сырья водоносные грунты на территории завода и вне его оказалис ь насыщены нефтепродуктами, которые вместе с грунтовыми водами высачивались в овраги и на берегу реки, что приводило к ее загрязнению. .Нефтепродукты, обладающи е огнеопасными свойствами, были обнаружены такж е в подвалах и погребах жилого поселка, расположенного южнее завода . На территории завода до глубины ~1 0 м залегаю т водоносные аллювиальны е пески с прослоями суглинков и супесей (рис. 72). Наибольшую мощность пески имеют в центре участка : по направлению к реке И к коренному берегу их мощность заметно уменьшается. 206 Рис . 71. Схематическа я карт а гидроизогип с в район е сажевог о завода : 1 - конту р территори и завода ; 2 - подземна я емкост ь дл я хранени я сырья; 3 - бак и нефтехранилища ; 4 - гидроизогипсы ; 5 - разведочны е скважин ы Аллювиальны е отложения подстилаются моренными валунными глинами и суглинками (10-15 м) , причем неровная кровл я моренных отложений имеет уклон к реке. Ниж е залегаю т глины и -пески мелового возраста . Напорный водоносный горизонт в меловых песках используется дл я водоснабжения . По данны м изысканий зона загрязнения оконтурена линией, где количество нефтепродуктов в грунтах не превышает сотых долей мг на 1 кг сухого грунта. И з рис. 73 видно, что загрязнена практически вся территория завода , вплоть до оврагов, которые частично дренируют поток грунтовых вод. Наиболе е высокие концентрации нефтепродуктов - до 50- 70 г на 1 кг сухого грунта - отмечены вблизи подземной ем кости дл я хранения сырья, двух баков-нефтехранилищ, вблизи нефтепроводов, сливной эстакады , насосной станции, а такж е на застойных участках, где скорости фильтрации грунтовых вод ничтожны. Суммарное количество нефтепродуктов в грунтах зо ны загрязнени я л о расчету составляет 5200 т. В разрез е нефте 207 Рис. 12. Гсолого-литологический разре з по линии А-Б: / - насыпной грунт; 2 - пески иллювиальные; 3 - суглинки и супес и аллювиальные; -/ - суглинки моренные; 5 -глин ы моренные и глины меловог о возраста; ft - пески мелового возраста; 7 - уровень грунтовых вод; S - места отбор а проб воды и грунтов; А - зон а загрязнени я подземны х вод и грунтов нефтепродуктам и Рис . 73. Содержани е нефтепродукто в в грунта х (г/к г масс ы сухог о грунта) : 1 - конту р территории ; 2 - конту р загрязнени я подземны х во д и грунто в нефтепродук тами ; 3- подземна я емкость дл я хранени я сырья; 4 - баки-нефтехранилища ; 5:-раз ведочны е скважины ; 6 - изолини и содержани я нефтепродукто в в грунта х продукты встречены по всей мощности песков; в моренных отложения х загрязнен ы только верхние 20-50 см. Передвигаяс ь вместе с грунтовыми водами по кровле моренных отложений, нефтепродукты высачиваются на крутом берегу вблизи уреза реки и в оврагах . Особенно заметн о это явление в паводок, при повышенных уровнях подземных вод, когда происходит их разгрузка из застойных участков. П о данны м опытных откачек и нагнетаний загрязненны е нефтепродуктами пески имеют низкие коэффициенты фильтраци и (до 1 м/сут) и малую водоотдачу. Извлечение накопившихся в грунтах нефтепродуктов и з скважи н оказалос ь здесь трудновыполнимо из-за низкой водопроницаемости грунтов. Поэтому дл я прекращения стока за грязненных вод в реку и постепенного изъяти я нефтепродуктов из грунтов вдоль реки и оврагов на участках, где глубина за легания водоупорных глинистых пород являетс я минимальной, запроектирован перехватывающий горизонтальный дренаж . Он осуществляется в виде открытой канав ы с устройством обрат 209 иог о фильтр а на ее откосах. Дренажны е воды будут очищаться от нефтепродуктов и использоваться дл я технического водоснабжения . Намечен ы такж е мероприятия по планированию территории и организации поверхностного стока с перехватом ливневых вод. По-иному была решена задач а ликвидации за грязнения нефтепродуктами водоносного горизонта на другом участк е - в трещиноваты х гранодиоритах, обладающи х высокой водопроницаемостью; здесь нефтепродукты залегал и на по- верхности грунтовых вод в виде линзы, имеющей мощность 0,1-0,8 м при площад и 7800 м2. 10 H 10 - и У/7///.'Z 'У-. '///•'/.•У/А 1 -Xvv г J ЕВ * I+ +k EEk EEB EEk I • k EEH Рис . 74. Загрязнени е трещинно-пластовы х во д нефтепродуктами : / - супеси ; 2- песок ; 3 - гранодиорит , выветренны й д о состояни я рухляка ; 4 - грано диори т с интенсивно й трещиноватостью ; 5 - гранодиорн т монолитный ; 6 - уровен ь грун товы х вод ; 7-изолини и мощносте й сло я нефтепродуктов : 8 - конту р площад и распро странени я нефтепродуктов ; 9 - разведочны е и наблюдательны е скважины ; 10 - скважи н ы дл я откачк и воды ; / / - скважин ы дл я откачк и нефтепродукто в 210 Дл я ликвидации загрязнения намечено создать обширную= депрессионную воронку, к центру которой будут стекать нефтепродукты, имеющие меньшую плотность по сравнению с водой. Отбор воды и нефтепродуктов будет проводиться раздельно, через скважины совершенного и несовершенного типа, что позволит избежат ь очистки воды от нефтепродуктов (рис. 74). Приме р 4. Химический завод производит криолит (Na3 AlF) - продукт для алюминиевой промышленности. В сточных водах и отходах завода , а такж е в газодымовых выбросах содержится фтор. После нескольких десятилетий работы завода подземные и поверхностные воды района оказалис ь загрязненными фтором в концентрациях,'превышающих ПД К (рис. 75, а) . Химический заво д расположен в районе развития дислоцированных метаморфических и изверженных пород, покрытых аллювиально-делювиальными суглинками и супесями (рис. 75,6). Рыхлы е отложения, а такж е верхняя трещиноватая зона коренных пород водоносны, но подземные воды дл я водоснабжения здесь не используются из-за малой водообильности пород (коэффициенты фильтрации составляют от 0,1-0,5 до 6- 7 м/сут). Хозяйственно-питьевое водоснабжение завода и близлежащего города осуществляется из реки, техническое водоснабжение - из рек, зарегулированных системой прудов. Вблизи завода находится медноколчеданное месторождение. Непрерывный водоотлив из глубоких шахтных выработок с расходом 300-400 м3/ч обусловил создание обширной депрессионной воронки, к которой привлекаются подземные и поверхностные воды со всей прилегающей территории. Гидрогеологическими изысканиями и обследованиями было установлено, что основными причинами загрязнения подземных вод фтором служат: фильтрация из шламохранилища, в которое сбрасываются сточные воды с содержанием фтора до 100- 150 мг/л; фильтрация* из отстойников станции нейтрализации сточных вод, в которых концентрация фтора достигает 1500 мг/л; насыщение атмосферными осадками отвалов производственных отходов, содержащих гипс и фтористые соединения (высота отвалов до 20 м) ; газодымовые выбросы завода, загрязняющи е фтором снеговые и дождевые осадки (до 1 мг/л фтора ) и почвепно-растительиый слой. В подземных водах района содержание фтора изменяется от 20-28 мг/л вблизи источников загрязнения д о 2-4 мг/л в уда лении .от них. В водонасыщенной толще отвалов содержание фтора достигает 16 г/л. Загрязненные фтором подземные воды дренируются рекой и прудами, однако суммарный подземный сток в них сравнительно невелик и основное загрязнение этих водотоков и водое-. мов происходит вследствие непосредственного сброса в них не 231 б Рис . 75. Загрязнени е поверхностны х и подземны х во д фторо м в район е химическог о завода : а - план; б - разрез . 1 - территори я завода ; 2 - шламохраннлище ; 3 - отвал ы отходо в производства ; 4-кон ту р подземны х горны х выработок ; 5 - отстойник и станци и нейтрализации ; 6-9-пруды; 10 - сланцы , порфирнты, диориты ; 11 - элювиально-делювиальны е суглннкн. супес и и глины с дресво й и щебне м коренны х пород ; 12-мраморы и мраморизованны е известняки; 15 - уровен ь подземны х во д при шахтно м водоотлив е 212 очищенных или неполностью очищенных промышленных стоков завода , а такж е сброса шахтных вод, формирующихся из загрязненных фтором подземных и поверхностных вод. В водах шахтног о водоотлива на сбросе в пруд содержани е фтора составляе т 5-7 мг/л; в отдельных шахтных выработка х концентрация фтора в рудничных водах достигает 20-60 мг/л. Таким образом, загрязненны е шахтные воды в данно м случа е являются источником вторичного загрязнени я поверхностных вод, что в результат е создает "круговорот" фтора в системе подземные - поверхностные воды. В водоеме 7 содержани е фтора составляет 11-20 мг/л, в устье реки - 14 мг/л. В реке, которая служи т источником хозяйственно-питьевого водоснабжени я нижележащи х по течению районов, концентрация фтора еще не превышает ПДК, но в связи с осуществляющимся расширением завод а и соответствующи м увеличением объема сточных вод и отходов концентрация фтор а в реке может возрасти. П р и м е р 5. Н а обширной площади левобережной поймы реки межд у главным ее руслом и рукаво м (рис. 76) распространен водообильный горизонт грунтовых вод в толщ е аллювиальны х валунно-галечных, гравийно-галечных и песчаных отложений неогенового и четвертичного возраста . Подстилается водоносный горизонт неогеновыми суглинками, мергелями, сцементированными галечниками, кровля которы х понижается с северо-запада на юго-восток. В этом ж е направлении соответственно возрастае т мощность водоносных отложений - от 10-15 м на северо-востоке до 100 м и более на юго-западе. Коэффициент фильтрации верхней, наиболее водопроницаемой части водоносной толщи составляет 170-340 м/сут, в нижней части - 20-40 м/сут. Значительна я мощность и высока я водопроницаемость четвертичных отложений создают благоприятные условия дл я формирования потока грунтовых вод, основным источником питания которых служи т фильтраци я речной воды из главного русла реки, а такж е из рек, расположенны х севернее рассматривае мого участка . Наиболе е интенсивно происходит поступление речных вод в аллювий в периоды весенних и летних паводков. И з зарегулированного левобережног о рукава , русло которого закольматировано , фильтраци я происходит в виде "дождевания" . Режи м подземных вод рассматриваемо й территории тесно связа н с гидрологическим режимо м и качеством поверхностных вод. В настоящее время подземные воды используются трем я групповыми водозаборам и (см. рис. 76)*, имеющими производительность от 100 до 500 л/с, а такж е многочисленными отдельными скважинами . Здес ь разведан ы значительные запас ы подземных вод и начато строительство водозаборов дл я централизованног о хозяйственно-питьевого водоснабжения. 2) 3 Эффективному использованию подземных вод района препятствует, однако, их загрязненность, обнаруженна я в районе нефтехимического комбината , а такж е вдоль реки и ее лево- бережного рукава, ниж е города. Рис. 76. Загрязнени е подземны х во д нефтепродуктами : / - территория нефтехимическог о предприятия ; 2 - групповы е водозабор ы подземны х вод ; 3 - гидроизогипсы ; 4 - направлени е потока грунтовы х вод ; 5 - колодц ы и скважи ны наблюдательно й сети, в которы х обнаружен ы нефтепродукт ы (а - боле е 1 мг/л . 6 - боле е 0.1 мг/л , е - мене е 0,1 мг/л) ; б - скважин ы и колодцы , в которых нефтепро дукт ы н е обнаружены ; 7 - площад ь загрязнени я подземны х во д Нефтепродукты и химические органические вещества ароматического ряд а поступают в водоносный пласт при фильтра 214 ш ш речных вод главным образом из левобережного рукава , в который сбрасываются все сточные недостаточно очищенные воды с территорий города, в том числе с промышленных предприятий - нефтехимического комбината, химического и электротехнического завода . В сточных водах нефтехимического производства, сбрасываемых с расходом 250 л/с, содержани е нефтепродуктов изменяется в течение суток от 300 до 5400 мг/л, ХП К - от 420 до 550 мг О2 /л; в сточных водах химического завод а ХП К равно 500-1000 мг 0 2 /л ; содержани е сульфатов- более 2000 мг/л; расход этих вод на сбросе в реку составляет 600 л/с. Поэтому в речных водах в районе города и ниже его отме чается значительное количество нефтепродуктов и других ор ганических и неорганических веществ, а такж е бактериальна я загрязненность. Повышенное количество нефтепродуктов в под земных водах установлено на площадк е нефтехимического ком бината в связи с утечками сточных вод и технологических растворов. Загрязненны е подземные воды с этой территории частично перехватываются вторым водозабором, вода которого из-за этого используется только дл я технических нужд. В этом ж е водозабор е были обнаружен ы бактерии Sphaerotillus , что свидетельствует о поступлении в водоносный пласт загрязненных поверхностных вод из левобережного рукава. Использование загрязненны х подземных вод дл я орошения влечет за собой дополнительное ухудшение качества грунтовых вод, в которых увеличивается концентрация сульфатов, хлоридов, нитратов, натри я и появляются нефтепродукты. По данным контрольного опробования скважи н и колодцев загрязнени е уж е распространилось в водоносном пласте на нескольк о километров. Отмечено при этом, что растворенные нефтепродукты содержатся по всей мощности пласта , а эмульгированные (масла ) собираются в верхней части пласта и над уровнем грунтовых вод. На рассматриваемо м участке помимо мероприятий общего характера , предупреждающи х дальнейшее поступление загрязнений в подземные воды, запроектированы специальные защитные мероприятия, в том числе: 1) откачка через скважин ы сырой нефти, скопившейся на поверхности грунтовых вод на территории нефтехимического комбината ; 2) устройство с восточной стороны территории нефтехимического комбината дренажно й завесы из 20 скважин , раздельн о отбирающих наиболее загрязненны е воды (сверху) и менее загрязненны е воды (снизу) в количестве 600-800 л/с; вода будет использоваться дл я технических нуж д и орошения; 3) устройство по контуру этой ж е территории на протяжении 5 км вертикальной водонепроницаемой завесы, заглубленной д о практически водоупорных слоев; 4) устройство вдоль левобережног о рукава реки дренажно й завесы, состоящей из скважи н 215 действующего второго водозабора и 15 новых скважин. Сум марный отбор воды по проекту составит здесь 450 л/с. Приме р 6. Металлургический завод, имеющий коксохимическое и азотнотуковое производство, располагается на широкой левобережной террасе реки (рис. 77). С / L...:' И ^ (vE^ Ог -W-S •ML ^ ШУ f,ffZS Рис. 77. Загрязнени е подземны х во д в район е металлургическог о завода : I - территория завода ; 2-стары й отва л и свалка производственны х отходов ; 3 - отстойник промстоков и "условно-чистых вод ; 4 - водозабо р подземны х вод ; 5 - постоянн о деЕ'г ствующа я водопонизительна я установка ; 6 - гидроизогипсы ; 7 - направлени е потока подземны х вод ; 8 - скважины: сверху-вни з приведен о содержани е в подземны х вода х фенола , цианидо в и родонндо в в мг/л ; 9-содержани е фенол а в снег е в мг/ л Здес ь с поверхности залегаю т четвертично-неогеновые аллювиальные песчаные отложения, а ниже - известняки верхнедевонского возраста. Подземные воды аллювиальных отложении и известняков вначале использовались для хозяйственнопитьевого водоснабжения, но позж е из-за загрязнения фенолами вода стала применяться только дл я технических нужд. В действующем водозаборе подземных вод содержание фенола достигает 1,5-2,2 мг/л. Загрязнени е водозабора произошло в связи с поступлением фенолов с участка старого захоронения производственных отходов завода. 21 6 Н а остальной территории в подземных водах концентрация фенолов составляет 0,002-0,005 мг/л, цианидов -д о 0,005- 0,006 мг/л. Существенным обстоятельством являетс я то, что фенолы и цианиды в подземных водах обнаружен ы выше по потоку от промплощадки на значительных расстояниях от завода. Это связано с загрязнением атмосферы газодымовыми выбросами, в особенности при мокром тушении кокса промышленными сточными водами, содержащими до 300-400 мг/л фенолов. При обследовании обнаружились заметные количества фенола в снегу. При таянии снега вода с фенолами поступает в почвы, а затем и в водоносные породы, не имеющие водоупорной кровли. Приме р 7. Хозяйственно-питьевое и техническое водоснабжени е промышленной зоны и города основано на использовании подземных вод песчано-гравийно-галечникового аллювия, заполняющего современную и древнюю долины реки (рис.78) . Мощность водоносного аллюви я зависит от сложного рельеф а дна долины и составляет 2-15 м (в современной долине) и 25-30 м (в древней долине). Коэффициент фильтрации аллюви я равен 50-90 м/сут, в среднем 70 м/сут, водопроводимость колеблется от 350 до 2000 м2/сут. Подземные воды в древней и современной долинах, обра зующие единый водоносный комплекс, местами отделены друг от друга полосой выхода дочетвертнчных глин, подстилающих аллювиальны е отложения. В период весеннего половодья и интенсивных дождей река и ее притоки питают аллювиальный водоносный горизонт; в летнюю и зимнюю межень река дрени рует аллювиальные воды. П о химическому составу подземные воды относятся к хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатному и хлоридно-гидрокарбонатному типу. Обща я минерализация воды изменяется от 0,6-1,2 г/л (в приречных участках долины) до 1,5-3 г/л (в нижней части аллювия и вблизи контакта с дочетвертичными глинами) . В естественных условиях до строительства водозаборов поток подземных вод в аллювии был направлен вдоль долины с уклоном 0,0006-0,0007. После устройства водозаборов, а такж е строительства полей фильтрации различных предприятий, шламонакопителя и гидрозолоотвала поверхность грунтовых вод осложнилась на этих участках отдельными депрес сионными воронками и "буграми" растекающихся фильтрационных вод (рис. 79). Н а территории промышленной зоны располагаются химический завод, вырабатывающи й хромовые соединения, а такж е ТЭ Ц и другие предприятия. Здес ь ж е находятся пять действующих водозаборов подземных вод с производительностью 32 тыс. м3/сут. 217 Все эти водозаборы оказалис ь в той или иноймере загряз ненными шестивалентным хромом, содержащимс я в технологических и сточных водах химического завода , та к ка к заво д и старый шламонакопитель, в который сбрасывалис ь 1500м3 /сут сточных вод с содержание м хром а 10-12 г/л, были размещены на аллювиальной террасе. В первые годы после пуска завод а происходили наиболее интенсивные утечки технологических растворов на промплощадк е и фильтраци я сточных вод из шламонакопителя , в результат е чего вскоре появился в водозаборе хром в количестве до 100-200 мг/л. В нижней -части водоносного горизонта вблизи шламонако пителя содержани е хрома в воде достигало 1000-2500 мг/л. Чере з несколько лет, когда шламонакопител ь был ликвидирован и построен новый на коренном берегу (см. рис. 78), сложенно м дочетвертичными глинами, объем поступления хромсодержащи х стоков в подземные воды уменьшился. Однак о загрязненность водоносного горизонта оставалас ь высокой, она поддерживалас ь вымыванием хрома атмосферными осадкам и и подземными водами из грунтов в основании старого шламо накопителя, а такж е продолжающимис я утечками технологических и сточных вод на территории завода . Загрязненны е хромом подземные воды в значительной мере перехватываются водозабором, не достигая реки. Последнее обстоятельство, а такж е отсутствие других источников технического водоснабжения заставил и продолжить эксплуатаци ю водозабор а и подават ь хромсодержащу ю воду на техническое водоснабжени е ТЭЦ. После использования эти воды без очистки вначал е сбрасывалис ь в русло временного водотока, впадающег о в реку, но это вызвал о появление хрома в реке на протяжении 15 км ниже промзоны. Поэтому позж е отработанные воды с ТЭ Ц сбрасывалис ь в гидрозолоотвал, размещенны й на первой надпойменной террасе. Поскольку концентрация хрома в отработанных водах составлял а десятки мг/л, гидрозолоотва л превратился, таки м образом , во вторичный источник -загрязнения подземных вод, вызвавший загрязнени е ' хромом водозабора . Кроме того, складируема я в гидрозолоотвал е зо .ла, содержаща я большое количество хрома, в теплый период года развевалас ь ветром на большие расстояния, и это служил о причиной дополнительного загрязнени я подземных вод и почв ,на участках, удаленных от химического завода . Рис . TS. Распространени е хром а в аллювиально м водоносно м горизонт е в район е хими ческог о завод а (карт а и профил ь А-Б ) J - действующи й новый шламонакопител ь химическог о завода ; 2 - пол я фильтраци и мясокомбината : 3 - старый шламонакопител ь химическог о завода ; 4 - территори я хими ческого завода : 5-гидрозолоотвал ; 6 - водозабор ы подземны х вод ; 7-номе р водоза бора : S - разведочно-наблюдательна я скважина ; 9 - границ а выход а коренны х глик и •борт древне й долины ; 10-15 - област и с содержание м в подземны х вода х шестивалент гного хром а в мг/л : 10 - боле е 30, 11-от 10 д о 30, 12 - от 1 д о 10. 13 - от. 0.1 д о 1. J4-менее 0,1 мг/л . 15 - хро м не обнаруже н 21 9 Рис. 79. Гидродинамическа я сетк а фильтраци и подземны х во д в район е химического за вод а при одновременно й эксплуатаци и водозаборов, . гидрозолоотвал а и полей фильтрации : / - новый действующи й шламонакопител ь химическог о завода ; 2 - поля фильтрации мясокомбината ; 3 - старый шламонакопител ь химическог о завода ; 4 - территория химического завода ; 5 - гидрозолоотвал ; 6 - водозабор ы подземны х вод ; 7 - номер водозабор а подземны х вод ; 8 - граница выход а коренны х глин и бор т древне й долины; 9 - гидроизсгипсы ; 10 - линии тока 220 П о данны м изысканий содержани е хром а изменяется п о глубине водоносного пласта , причем при очень высоком содержани и он скапливаетс я в нижней части водоносного пласта , а при содержани и до 10-15 мг/л встречается и в средней части пласта . П о всей мощности водоносного горизонта хром распределен вблизи старого шламонакопителя ; в верхней части пла ста - вблизи водозабора . В подземных водах хром находится преимущественно в шестивалентной форме, т. е. в таком ж е виде, ка к и в промышлен ных стоках. Трехвал!ентный хром встречается крайне редко и в малы х количествах, что свидетельствует о том, что восстановление хрома в водоносном пласте происходит в очень малы х масштабах . Распространени е хрома в подземных водах район а в плане приведено на рис. 78 по данным опробования многочисленных скважин . Загрязненны е подземные воды распространились на площад и около 12 км2, причем наибольше е количество хрома в водоносном пласте находится на территории химического завода , гидрозолоотвал а и старого шламонакопителя . Здес ь в отдельных скважина х вода содержи т до 2500 мг/л хрома . В скважина х водозабор а содержани е хрома изменяется в о времени от 0,2 до 113 мг/л и после смешения воды из всех скважи н в среднем составляе т 25 мг/л. В водозабор е содержа ние хрома составило 1,3-2,2 мг/л. В водозаборе, находящемс я на правом берегу реки, появление хрома в количестве до 0,015 мг/л связан о с привлечением загрязненной воды из реки и с поступлением хрома в атмосферу и почвы вследствие распыления золы из гидрозолоотвала . Обще е количество хрома, накопившегося в подземных водах, составляет по расчетам около 1500 т. Присутствие в подземных водах шестивалентного хрома исключает возможност ь использования водозаборов дл я хозяйственно-питьевых нуж д и затрудняе т также , а иногда делае т невозможны м использование в технических целях. Имеетс я опасность распространения загрязненны х хромом вод по водоносному пласту на новые участки - ниж е по потоку от гидрозолоотвала . Наличи е хрома в условно-чистых водах, сбрасываемы х во временный водоток в количестве 0,03-0,7 мг/л, могло сказать ся на новом инфильтрационном водозаборе, находящемс я ниж е промзоны на левом берегу реки и недопустимо по условиям рыбоводства. В технико-экономическом обосновании проекта локализаци и очага загрязнени я подземных вод хромом намечено в качестве основного мероприятия - стягивание контура загрязненны х вод при их откачке. Наиболе е загрязненны е хромом воды в количестве ~ 8 тыс. м 3 /су т будут очищены и обессолены на специальной установке. Очищенные и обессоленные воды, а такж е концентрированные растворы, остающиеся после очистки, ис 221 пользуются дл я технологических нужд; остальные растворы сбрасываются в нефильтрующий испаритель. Откачиваемые слаб о загрязненные воды в количестве -~2 7 тыс. м3/сут будут очищены реагентным способом с использованием очищенно"! воды дл я производственного водоснабжения; шламы, остающиеся' после очистки, сбрасываются на нефильтрующие шламонакопители. Намечена такж е ликвидация действующего гидрозолоотвала и устройство нового нефильтрующего гидрозолоотвала. Варианты ликвидации откачиваемых загрязненных вод путем выпаривания, испарения или глубокого захоронения были отвергнуты из-за высокой стоимости этих мероприятий, а такж е в связи с дефицитом общего водного баланса рассматриваемого района, в особенности дефицита технической воды. Расчеты скорости и времени движения, концентрации и количества хрома, извлекаемого при откачках при том или ином расположении дренажны х скважин проведены по гидродинамическим сеткам, полученным путем моделирования фильтрации подземных вод на аналоговой сеточной модели. Предварительно с целью уточнения расчетной схемы фильтраци и и проверки ее соответствия природнымм гидрогеологическим условиям;н а модели была решена обратна я задача . При моделировании фильтрации учитывались изменение водопроводимости водоносного пласта, поступление фильтрационных вод на участке гидрозолоотвала и полей фильтрации, отбор воды действующими водозаборами и намечаемыми дренажным и скважинами , естественный поток подземных вод в долине и их гидравлическая связь с рекой. Прогнозная гидродинамическая схема фильтрации дл я одного из вариантов, предусматривающих интенсификацию отбор а подземных вод на действующих водозабора х и дополнительную откачку наиболее загрязненных вод на территории химического завода , приведена на рис. 79. Концентрация и количество хрома, который будет извлечен намечаемым дополнительным дренажем , показаны на рис. 80. Продолжительность извлечения хрома получена расчетом по карт е загрязнения и гидродинамической сетке из условий, что новых поступлений хрома в водоносный горизонт не будет. Приме р 8. Неочищенные промышленные сточные воды завода синтетического каучука в течение 18 лет направлялис ь на поля фильтрации, размещенные вблизи реки на левобережной низкой аллювиальной террасе (рис. 81). Основными органическими примесями, загрязняющим и сточные воды цехов выделения каучука, являются неполностью прореагировавшие и неполностью удаленные из латекса мономеры и главным образом различны е эмульгаторы. Некоторые эмульгаторы (жирнокислые мыла, щелочные со 222 Рис . SO. Концентраци и и количество хро ма , извлекаемог о проектируемы м защит ным дренаже м на территории химическог о завода : С - концентраци я хром а в мг/л ; V - количество хром а в тоннах , извлекаемог о з а 1 год; W -суммарно е количество хрома в тоннах , извлекаемо е за время t в голах , с момента работ ы дренаж а V1J CMA W v tff 4в - V Zffj Jff - L 10 W, T Mr Zff Z в 7 г J t f гГ,гоЗы ли смоляных кцелот модифицированной канифоли и др.) в оп ределенных условиях способны к биохимическому окислению, другие ж е (некаль, лейканол и др.) не поддаются биохимическому распаду. Химический состав общего стока загрязненных вод, направляемых на поля фильтрации, изменяется в зависимости от вида и количества' выпускаемой продукции, от состава применяемых эмульгаторов, локальной очистки стоков в отдельных цехах, разбавления промстоков хозяйственно-бытовыми сточными водами и других причин. Средний состав сточных вод характеризуется следующими показателями: взвешенные вещества 60 мг/л, плотный остаток 2300 3500 мг/л, перманганатная окисляемость 100-500 мг/л, ХПК (йодатная окисляемость) 400-2200 мг/л, БП К (полная) 500-800 мг Ог/л, азот аммонийный 3-100 мг/л, хлориды 350- 1900 мг/л, сульфаты 500-620 мг/л, некаль 70-520 мг/л, стирол 1 -180 мг/л, альдегиды 30-40 мг/л, жирные кислоты 80- 90 мг/л, ароматические углеводороды 15-40 мг/л, сумм а смоляных и жирных Кислот 76-262. При устройстве полей фильтрации предполагалось, что сточные воды здесь подвергнутся естественной биологической очистке, однако, как показали наблюдения, содержащиеся в сточных водах химические вещества без существенного изменения своего ,состава поступали в водоносный горизонт и распространялись в направлении к водозаборам и реке. Очистка затруднялась тем, что нагрузка на карты полей фильтрации составляла 200-300 м3/га в сутки вместо 73 м3/га в сутки по проекту. Главное препятствие заключалось, однако, в том, что в составе сточных вод имелись плохо окисляющиеся вещества и в целом минерализация стоков была повышенной. В районе полей фильтрации с поверхности залегает мощная (45-50 м) толща аллювиальных и флювиогляциальных песков, четвертично-неогенового возраста, содержаща я на глубине око 223 а ш ш ! Р Ш 1 Рис. 81. Гидрогеологически е и гидрохимически е разрез ы по линиям А-В (а) и СД (б). Н а гидрохимическо м разрез е концентраци и ПЛВ в мг/л: / - от 0,1 д о 1; 2 - от 1 д о 10; 3 - от 10 д о 100; 4 - от 100 д о 200; S - боле е 200. На гидрогеологическо м разрезе : б - суглинки ; 7 - пески; 8 - известняки; 9 - глины ло 20 м подземные воды и не имеющая водоупорной кровли; (см. рис. 81). Коэффициент фильтрации верхней части песчаной толщи (до глубины 20-25 м от поверхности) равен 18-20 м/сут,нижней части - 30-40 м/сут. От нижележащи х отложений девонского возраста (известняки, песчаники, глины) четвертичнонеогеновая песчаная толща отделена маломощным прослоем глин, которые, однако, местами размыты, что облегчает на этих участках связ ь обоих водоносных горизонтов. Дл я хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения из четвертично-неогенового водоносного горизонта в районе отбирают около 400 тыс. м3 /сут. Непосредственно вблизи полей фильтра ции располагаются пять водозаборов. Поток подземных вод находится здесь под влиянием двух крупных водозаборов. В период интенсивного сброса сточных вод на поля фильтрации уровень подземных вод под полями фильтрации повышался на 3-4 м, и здесь создавалс я "бугор" растекающихся вод. Разрыв у сплошности теченияи "дождевания" сточных вод через зону аэрации способствовала кольматаци я песков в основании полей фильтрации взвешенными и эмульгированными веществами при фильтрации сточных вод через верхние 10-- 15 см песчаной толйци. Это обстоятельство было замечено при бурении и проходке шурфов по изменению цвета песков и их коэффициента фильтрации, определенного опытными наливам и в шурфы. В районе полей фильтрации сформировался большой ареа л загрязнения подземных вод, который вышел далек о за пределы полей фильтрации. В результате этого пришлось ликвидироватьзаводские водозаборы; ухудшилось качество воды и в городском водозаборе, расположенном на противоположном берегу реки. В результате изысканий и наблюдений получена характеристика зоны загрязнения подземных вод по общей минерализации, а такж е содержанию отдельных компонентов сточных вод в плане и в разрез е водоносного пласта (см. рис. 81) . В наибольшей степени загрязненными оказалис ь подземные воды, находящиеся непосредственно под полями фильтрации и вблизи них. Здес ь вся песчаная толща содержит сточные воды. Обща я минерализация достигает 3500 мг/л, концентрация хлоридов - 1300 мг/л, сульфатов - 600 мг/л. Появились, кроме того, специфические компоненты сточных вод производства синтетического каучука; поверхностно-активное вещество (некаль) 300-500 мг/л, лейканол, стирол, трилон Б и др. Высокие значения сухого остатка (до 2 г/л) сохраняются в нижней части водоносной песчаной толщи вплоть до пойменной части долины и переходят на правый берег реки, где находится действующий городской водозабор. Отчетливо проявилась гидрохимическая дифференциация подземных вод в вертикальной плоскости: наиболее загрязненные воды с высокой минерализацией и соответственно^ большей плотностью опустились в нижнюю часть водоносной толщи (табл.20) . Т а б л и ц а 2 0 Изменение химического состава подземных вод по глубине водоносного пласта Глубина отбора воды о т поверхности, м Содержани е ПАВ , мг/ л Окисл кемость, MrO2 /л Плотный остаток, мг/ л 18, 5 118 34, 8 812 23, 5 200 71, 2 2448 32, 0 370 120, 0 2362 33, 5 425 132, 8 2430 Основная часть сточных вод перемещалась от полей фильтрации по средней инижней частям водоносного пласта ; верхняя часть потока, которая формируется главна я образом в результате инфильтрации атмосферных осадков, не смешивающихся с более тяжелыми нижележащими загрязненными водами, заметно опреснена (сухой остаток 120--200 мг/л) . Наиболее интенсивное распространение загрязнений в водоносном пласте происходило в направлении к ближайшему водозабор у и к реке, дренирующей водоносную песчаную толщу. Схематический гидрохимический профиль (см. рис. 81) иллюстрирует миграцию поверхностно-активного вещества (некаля ) в потоке подземных вод. При последующих изысканиях в этом районе, проведенных дл я обоснования возможности устройства нового водозабора подземных вод в 5-6 км к югу от полей фильтрации, было установлено, что на всем этом протяжении, т. е. выше по потоку подземных вод, в них содержатся ПАВ. Это может быть связал о с многолетним загрязнением атмосферных осадков испарениями с поверхностей полей фильтрации. П о данным изысканий и исследований составлен баланс загрязнений в водоносном горизонте. Приходная часть баланс а определяется объемом и составом сточных вод, поданных на поля фильтрации з а весь период их использования. Расходна я часть состоит из загрязнений: а) извлеченных из пласта водозабором и сброшенных затем в реку; б) поступивших с грунтовым потоком в реку; в) находящихся на период изысканий в пласте в растворенном и в сорбированном состоянии. Расходы количества некаля составили 15, 4-б, 14 и 1-2 тыс. т соответственно. Как отмечалось выше, в ближайшие к полям фильтрации заводские водозаборы загрязненные воды пришли очень быстро. Городской водозабор на правом берегу реки вступил в эк сплуатацию через 6 лет после начала действия полей фильтрации, а после 14 лет его работы в центральных скважина х линейного ряда, заглубленных в девонские известняки, был обнаружен некаль в количестве до 1,5-2 мг/л. Переходу загряз нений на правый берег способствовали: 1) отключение водозабор а вблизи полей фильтрации и интенсивная откачка из правобережного водозабора, 2) отсутствие разделяющего прослоя глин на "подземном выступе" известняков вблизи рек и (см. рис. 81); 3) повышенные скорости движения воды в известняках, обладающих меньшей активной пористостью по сравнению с песками; 4) повышенные градиенты напора на участке между полями фильтрации и правобережным водозабором; 5) установленное опытными работами заметное "несовершенство" связи водоносного горизонта с рекой из-за широкого развития глинистых отложений в русле и на пойме и слабой врезки реки в аллювиальные отложения. Все это благоприятствовало "проскоку" загрязненных подземных вод под руслом рек и сначала по известнякам, а позже и по аллювию. Дл я локализации очага загрязнения подземных вод, образо вавшегося под полями фильтрации завода синтетического каучука, предусмотрена дренажна я защита с откачкой и последующей очисткой загрязненных подземных вод от поверхностноактивных веществ. С целью определения места расположения дренажных скважин, интенсивности и длительности откачки, концентрации загрязнений в откачиваемой воде проведено моделирование фильтрации подземных вод в условиях продолжени я эксплуатации левобережного водозабора и работы дренажных скважин, размещаемых тем или иным образом в районе бывших полей фильтрации. Используя детальную гидрохимическую карту района, построенную на основе натурных наблюдений за химическим составом подземных вод, и гидродинамические сетки фильтрации,, полученные моделированием для семи вариантов расположения защитного дренажа , графоаналитическим методом были проведены расчеты скорости, времени движения и концентрации загрязнений в подземных водах, откачиваемых дренажными скважинами (рис. 82). Защитный дрена ж намечен в виде площадной системы скважин на участке загрязненного водозабора вблизи полей фильтрации с расходом 20 тыс. м3/сут. Выбор варианта расположения и условий работы дренаж а выполнен из соображений максимального отбора загрязнений в первые годы эксплуатации дренажа , наиболее короткого срока снижения количества загрязнений в воде и минимальногорасхода откачки. Приме р 9. Комплекс химических производств, потребляющих большое количество технической воды, был размещен в Рис. 82. Прогнозируемо е изменени е концентраци и поверхностно-актив ных вещест в в дренажны х вода х и количеств о извлекаемы х ПАВ в •/• от выявленных запасов . С-концентраци я некаля; M - извлечени е некал я о т общег о количества в пласте ; t - продолжительност ь откачки С M1/J1 т м Г ZfB . 'О Wff 7S WB 1 1 I i i i i ITff ZS ff 1В ZB Stt,пы долине реки еще с конца XIX в , Предприяти я производят анилино-красочную продукцию, аммиак, удобрения и ядохимикаты дл я сельского хозяйства, пластмассы и многие другие органические и неорганические продукты. Содовый заво д выпускает кальцинированную и каустическую соду, хлористый аммоний И др. Промышленные предприятия, а такж е их очистные сооружения, шламоотстойники, накопители, сбросные канал ы расположены на пойме и низкой аллювиальной террас е левого берега реки (рис. 83). Здес ь под песчаным аллювием мощностью IO-15 м залега ет трещиноватый мел верхнемелового возраста ; аллювий местами отделен от мела невыдержанным слоем слабопроницаемого глинистого элювия. В аллюви и и в верхней наиболее трещиноватой зоне мела , мощность которой составляет 25-50 м, содержатс я подземные воды, широко используемые дл я хозяйственно-питьевого водоснабжени я предприятий и городов района . Основной источник питания подземных вод - атмосферные осадки, которые поглощаются на всей площад и обнаженного мела или поступают через покрывающие мел песчаные водопроницаемые отложения на террасах. Н а приречных участках в период паводковых разливо в реки и затопления поймы водоносный комплекс пополняется речными водами. Подземные воды эксплуатируются здесь 15 водозаборами , имеющими производительность от 25-60 тыс. м3/сут (на пойме и надпойменной террасе) до 15-25 тыс. м3 /сут (на более высоких террасах) . Суммарна я производительность рассматриваемы х водозаборов составляет 282 тыс. м 3 /сут , однако из-за загрязненности подземных вод промышленными стоками и отходами в настоящее время не вся получаемая вода може т быть использована по своему прямому назначению дл я хозяйственно-питьевых нужд. 229 Рис. 83. Источники загрязнени я и обща я минерализаци я подземны х во д в район е химически х предприятий: /, 2, 3 - промышленные площадки ; 4, 5, 6 - пакопители сточных вод; 7, 8 - стары е захоронени я стоков и отходо в производства ; 9, 10 - каналы дл я сброс а промышленных сточных во д в реку; 11-25 - водозабор ы подземны х вод; 26 - изолинии обще й минерализаци и подземны х вод в мг/л; 27 - линия гидрогеологическог о разрез а по А-Б И з указанны х на рис. 83 водозаборов только пять (11, 22, 23, 24, 25) даю т чистую воду; в четырех водозабора х (14, 15, 17, 18) вода имеет следы загрязнения , а в остальных шести настолько загрязнена , что используется только дл я техническо го водоснабжения (12, 13, 16, 19, 20, 21). Ухудшение качества подземных вод в данном районе началос ь одновременно с эксплуатацией химических предприятий, когда промышленные сточные воды, независимо от их токсичности, сбрасывалис ь в реку по открытым каналам , проложенным в песках, а твердые отходы захоронялис ь непосредственно на территории заводо в или вблизи них. В тридцатых годах дл я этих заводо в были построены накопители (4, 5, 6), из которых сточные воды сбрасывалис ь в реку в паводок. Все эти накопители были сооружены без противофильтрационных мероприятий. Накопител ь 4 располагаетс я на пойменной террасе, на слое плотных суглинков мощностью около 5 м, подстилаемых аллю виальным песком (5-10 м) и ниже - трещиноватым мелом. Част ь площад и накопителя была покрыта суглинистым экрано м толщиной 0,5 м, на дне накопителя образовалс я слой шлам а мощностью около 1 м. Несмотря на эти (естественный и искусственный) экраны , фильтрационные потери из накопителя составляют 14% от объема находящихс я в нем сточных вод. В составе последних содержатс я трудно поддающиеся раз ложени ю органические вещества (ХПК=5000-1 2 000 мг/л O2)'. концентрация азота аммонийного составляет 750-850 мг/л, сульфатов-19000-2000 0 мг/л, желез а 80-220 мг/л, аминосоединений (в пересчете на анилин) 300 мг/л, нитросоединений (в пересчете на нитрохлорбензол) 26-45 мг/л, фенолов 25- 30 мг/л, ртути 4,5-13,5 мг/л, меди 13-15 мг/л, мышьяк а 0,12- 0,26 мг/л. Сухой остаток сточных вод в накопителе составляе т около 40 000 мг/л. В шламонакопител ь 5, предназначавшийс я вначал е тольк о дл я нуж д ТЭЦ, сбрасываютс я кроме золошлаково й пульпы сточные воды химического предприятия, содержащи е ионы тяжелы х металлов, масла , аммиачную селитру, уксусную кислоту, соли аммония, а такж е шла м после нейтрализаци и производственных сточных вод предприятия . Сухой остаток воды в накопителе составляет 1500-3300 мг/л. В накопитель содового завод а 6 сбрасываютс я шла м и дистиллярна я жидкость, образующаяс я при производстве кальци нированной соды аммиачным методом. Она содержи т СаСЬ , NaCl , CaS04 , CaCO3 , аммиак , фенол. В накопителе общая . минерализаци я сточной жидкости составляет 14-16 г/л, содержа ние хлоридов 85-96 г/л, натри я и кали я 21-25 г/л, кальци я 30-34 г/л, рН = 10,5-11,5. Фильтрационные потери из этого накопителя составляют около 10 тыс. м3/сут, причем фильтраци я происходит главны м 231 образо м через ограждающи е дамбы. Фильтрационные потери из канал а (P), по которому сбрасывается до 100 тыс. м3 /сут условно-чистых сточных вод, составляют около 15 тыс. м3 /сут. Вследствие фильтрационных потерь только из трех, назван ных накопителей и канал а в подземные воды и грунты вносится в сутки более 1600 т химических веществ, в том числе хлоридо в 968 т, натри я и кали я 238 т, кальци я 342 т, сульфато в 22 т, аммиак а 0,8 т, аминопродуктов 0,126 т, фенолов 0,081 т, нитропродуктов 0,016 т. Большо е значение в загрязнении подземных вод рассматриваемого района имеют, кроме того, проливы технологических растворов и утечки промстоков из канализационны х сетей на промплощадка х (/) , (2), (3) , растворение заводских отходов на участках старых захоронений (7) и (S), газодымовые выбросы промышленных предприятий. С газодымовыми выбросами в атмосферу здесь попадает около 1000 т в сутки различных веществ, в том числе с промплощадк и 3 около 100 т в сутки, с промплощадки 1 более 22 т химических веществ, в том числе сульфит и сульфа т натрия , сернистый ангидрид, хлор-бензол, метанол, нафталин, аммиак , окись углерод а и др. С предприятия на правом берегу реки в атмосфер у поступает 860 т веществ в сутки. П о расчетам на поверхность земли из газодымовых выбросов выпадае т около 48 т веществ в сутки (остальные улетучиваются) . В загрязнени и прибрежных водозаборов, кроме того, большую роль играет привлечение речных вод, такж е загряз ненных промышленными стоками, сбрасываемым и на рассматриваемом и вышележащи х участках реки. П о данны м изысканий были построены карт ы общего за грязнения подземных вод верхнемелового горизонта (рис. 84, табл . 21) и аллювия , а такж е карты содержани я в подземных водах отдельных компонентов сточных вод, характеризующи х степень загрязнени я по общей минерализации, хлоридам , сульфатам , NO3, ароматическим аминопроизводным и нитропреизводным и др. В районе промплощадо к преобладае т загрязнени е органическими компонентами, в районе накопителя 6 - минеральными компонентами. Пр и этом органические загрязнени я концентрируются в наиболее водопроницаемой части комплекса на глубине до 20-30 м от поверхности; высокоминерализованные растворы с большой плотностью, фильтрующиеся из накопителя, опускаются на глубину до 80-90 м от поверхности и растекаются во все стороны от накопителя. П о данным электроразведк и граница зоны соленых вод с минерализацией более 3000 мг/л смещаетс я во всех направле ниях от накопителя со скоростью от 50-60 до 170 м в год. Анали з гидрогеологической обстановки показывает, что естественными факторами , способствующими развитию загряз нения подземных вод, здесь являютс я "открытость", незащи 232 Рис . 84. Схематическа я карт а загрязнени я подземны х во д верхнемеловог о водоносног о горизонта : а - план ; б - разрез . 1 - чисты е вод ы естественног о состава ; 2 - вод ы с о следам и загрязнения ; 3 - загрязнен ны е воды ; 4-сильн о загрязненны е воды ; 5 - максимальн о загрязненны е воды ; 6 - на копител и сточны х вод ; 7 - аллювиальны е пески ; 8 - элюви й мела ; 9 - трещиноваты й мел ; 10 - нижня я границ а сильнотрещиноватог о мела ; И - уровен ь подземны х вод ; 12 - изолини и минерализаци и подземны х во д в мг/ л щенность водоносного комплекса на большой площади песчаных террас, лишенных глинистого покрова, а такж е маломощная , с "окнами", слабопроницаема я кровл я мела. В этих условиях все загрязнения, которые захватываютс я атмосферными осадкам и из воздуха, почвы и грунтов зоны аэрации, попадают в водбносный горизонт и загрязняю т его. Наиболе е интенсивно идет этот процесс в районе промплощадо к и на участка х фильтрации сточных вод в водоносный горизонт. Это положение усугубляется наличием тесной гидравлической связи аллювиального и верхнемелового водоносных горизонтов межд у собой и с рекой. Распространению загрязнений в водоносном горизонте з а пределами контуров промплощадо к и накопителей способствова л водоотбор из эксплуатационных скважин , расположенных в районе очагов загрязнения, а такж е повышенные уровни Таблиц а 21 Показатели интенсивности загрязнения подземных вод промышленными стоками и отходами Характеристика загрязненности подземных во д Предел ы содержани я компонента, мг/ л C l - SO4 NO NO 2 Чистые воды естественного состава Воды со следами загрязнения Загрязненные воды Сильно загрязненные воды Максимально загрязненные воды 10-100 100-350 350-750 750-1000 >100 0 Следы - 50 50-500 500-750 750-1000 >100 0 0-10 10-15 15-50 50-100 >10 0 0-0, 1 0,1-0, 3 0,3- 1 1-10 >1 0 Продолжение табл. 21 Предел ы содержани я компонента, мг/ л 3 подземных вод на участках интенсивной инфильтрации сточных вод ("купола растекания"). Проникновению загрязнений в меловой горизонт способствует, кроме того, осушение аллювия в районе водозаборов на заводских площадках. Все это со временем привело к загрязнению нескольких действующих водозаборов, а на участке, где подземные воды дренируются рекой,- и к дополнительному загрязнению реки. В рассматриваемом районе в течение года происходит, таким образом, круговорот сточных вод (сброс промышленных стоков в накопители, фильтрация стоков в водоносный горизонт, извлечение загрязненных вод водозаборами дл я технических нужд, опять сброс в накопители), частично завершающийся в паводок сбросом стоков из накопителей в реку. При этом сохраняется загрязненность реки и подземных вод района и происходит расширение очагов загрязнения в водоносном пласте, угрожающее сохранности оставшихся чистых водозаборов. В состав комплексного проекта локализации и ликвидации очагов загрязнения в данном районе вошли следующие мероприятия: 1) откачка загрязненных вод и их очистка после использования дл я технического водоснабжения; 2) изоляция существующи х шламохраиилищ , накопителей, стары х захоро нений с помощь ю противофильтрационны х стенок, заглублен ных д о водоупора ; 3) откачк а из специальны х дренажны х скважи н дл я защит ы чистых водозаборов ; 4) закачк а в глубокие подземны е горизонты промышленны х сточных вод со слож ным составо м загрязнений , не имеющих в настояще е врем я экономически оправданны х методов очистки, и др. Эффективност ь различны х варианто в проектируемы х мероприятий определялас ь срокам и "стягивания" контур а загряз ненных вод с учетом степени десорбции из грунтов отдельны х видов загрязнений , а такж е количества и состав а откачиваемы х загрязненны х вод, требующи х утилизаци и или очистки. Учитывалось , кром е того, требовани е обеспечения сохранности каче ств а воды в чистых водозаборах , влияни е дренажны х скважи н на производительност ь действующи х -водозаборов и др . Фильтрационны е расчеты проводилис ь аналитическим и методам и и моделирование м на сеточной модели. Технико-экономические расчеты показываю т высокую стоимость мероприяти й по локализаци и и ликвидаци и загрязнени й подземных вод в рассматриваемо м районе. Велик и такж е затрат ы на очистку откачиваемы х загрязненны х вод. Пр и этом полное извлечение при откачк е подземны х вод и стягивани е контура загрязнени я могут быть практическ и выполнены тольк о з а длительны й период. $ ^ $ Установленные на всех указанны х объекта х непосредственные причины загрязнени я подземны х вод являютс я типичными. Действительн о в большинстве случае в загрязнени е произошл о в результат е фильтраци и сточных вод из накопителей , XBocfoи шламохраиилищ , "белы х морей" и других крупных промышленны х бассейнов, из-за утечек сточных вод и технологических растворо в из коммуникаци й и цехов, а такж е из мест складиро вани я химического сырь я на территори и сами х промпредприя тий. Загрязнени е подземны х во д был о вызван о такж е поступлением в грунты и водоносные пласт ы атмосферны х осадков , за грязненны х газодымовым и выбросам и и продуктам и испарени я с поверхности полей фильтраци и и накопителе й сточных во д и отходов. Вследствие этого загрязненным и оказалис ь подземны е вод ы на территориях , размер ы которых значительн о больш е пло щад и источников загрязнени я (бассейнов, промплощадок) , причем со временем очаги загрязнени я в водоносном пласт е увеличиваются . Весьм а важны м являетс я то обстоятельство , что при загряз нении подземны х вод почти всегд а обнаруживаетс я загрязне ние поверхностных водных источников и всей окружающей среды в целом (загрязненные почвы, угнетенная растительность, загрязненна я атмосфера и т. д.) . Выполненные исследования показали, что загрязнение подземных вод приводит к исключительно неблагоприятным последствиям: выходят из строя водозабор ы подземных вод, нарушается водоснабжение населенных пунктов и промышленных предприятий, затрачиваются средства на изыскание новых водозаборов и т. д. Наряд у с этим выявилось, что прекращение начавшегося загрязнения и тем более ликвидаци я загрязнения подземных вод и его последствий - очень сложна я в техническом отношении задача , требующа я дл я своего осуществления длительного времени и больших материальных затрат . В отдельных, наиболее тяжелы х случаях загрязнение подземных вод оказываетс я .необратимым процессом. Поэтому важнейше е значение имеет профилактика загрязнения подземных вод. Н а всех рассмотренных объектах выполненные своевременно профилактические мероприятия по предупреждению загрязнени я несомненно оказалис ь бы в технико-экономическом отношении более выгодными, чем борьба с загрязнением подземных вод после того, ка к загрязнения уж е поступили в водоносный пласт. Дл я обоснования необходимости и схемы мероприятий по защит е подземных вод от загрязнения важно е значение приобретает прогноз скорости и времени распространения загрязне ний в том или ином интересующем направлении и прогноз возможного изменения качества подземных вод. Эти вопросы возникают при размещении новых предприятий химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности, а такж е при разведке и проектировании новых водозаборов • подземных вод. Прогноз необходим такж е при разработк е мероприятий по защит е действующих водозаборов и водоемов и мероприятий по локализа ции и ликвидации существующего загрязнени я подземных вод. Основные задач и и направления исследований дл я гидрогеологического обоснования защитных мероприятий и прогноза изменения качества воды могут быть определены в связи с основными выводами, которые следуют из анализ а материалов натурных наблюдений и детальных изысканий на участках загрязнения подземных вод. Прежд е всего необходимо отметить, что загрязнение под земных вод обычно связан о с неправильным, недостаточно обоснованным по геологическим и гидрогеологическим условиям, выбором места расположения промпредприятий и плохой организацией или отсутствием необходимых гидрогеологических наблюдений на объектах, потенциально опасных в отношении возможного загрязнения . В связи с этим загрязнение подземных вод обнаруживалось 236 всегд а с запоздание м -- когда загрязняющи е вещества подошли уж е к водозаборным скважина м или колодцам , часто уда ленным от источника загрязнени я на большое расстояние, т. е. когд а из-за большой площад и загрязненных подземных вод ликвидаци я загрязнени я и его последствий превратилас ь в сложну ю задачу . Вместо с тем следует отметить, что выявлени е причин, услови й и характер а загрязнени я подземных вод требовал о постановки гидрогеологических изысканий . и наблюдений, отличающихся по объему и методике от обычных, выполняемых при инженерных изысканиях дл я строительства, мелиорации .земель или водоснабжения. Это определяет необходимость разработк и методики специальных гидрогеологических исследовани й в связи с защито й подземных вод от загрязнения . Во всех рассмотренных случаях загрязнени ю был подверже н верхний водоносный горизонт, не защищенный с поверхности земли водоупорной кровлей. Возможн о такж е ухудшение качества воды и в более глубоких горизонтах при поступлении загрязнени й из верхнего горизонта через "литологические окна" в водоупорной кровле. В ряде случаев в водоносный пласт привлекаютс я загрязненны е речные воды. В защищенный водоносный пласт промышленные, хозяйственно-бытовые и сельскохозяйственные загрязнения , ка к правило, не поступают (за исключением участков расположени я неисправных или неправильно эксплуатируемых скважи н и горных выработок) . Однак о крупные предприятия-потребители -больших объемов технической воды и соответственно источники -большого количества сточных вод размещаютс я обычно в реч ных долинах или вблизи озер и водохранилищ, где природные воды не защищены от загрязнения . Вместе с тем именно здесь, в песчано-гравииных и галечниковых аллювиальны х образова ниях речных долин, ка к указывалос ь нами, формируется значи тельна я часть ресурсов подземных вод, используемых в настоя щее время в народном хозяйстве. Этому способствуют тесная гидравлическа я связ ь с поверхностными водотоками и водоемами, а такж е отсутствие водоупорной кровли на д под земными водами и возможность, та^и м образом , интенсивного питания подземных вод в паводки, при снеготаянии, при обиль ны х атмосферных осадках . Эти ж е особенности - незащищен ность водоносного горизонта с поверхности и тесная связ ь с рекой - являются причиной ухудшения качества подземных вод при инфильтрации загрязненны х сточных вод и атмосфер ны х осадков, а такж е при привлечении в пласт загрязненны х речных вод. Связ ь подземных вод с рекой, приводяща я зача сту ю к "круговороту" загрязнени й межд у ними, должн а учи тыватьс я при составлении расчетных схем и выборе метода прогноза качества подземных вод на загрязненны х прибреж ны х участках и разработк е защитны х мероприятий. 237 Наиболее крупные по площади загрязнения подземных во д были созданы в результате длительной фильтрации значительного объема сточных вод из накопителей, полей фильтрации,, хвостохранилищ и других промышленных бассейнов. В связи с этим промышленные бассейны должны рассматриваться нетолько как источники загрязнений, но и ка к активные в гидродинамическом отношении объекты. Их влияние на направлениеи скорость движения подземных вод, а такж е такие особенности, как большая площадь, неглубокий врез в водоносный пласт или породы зоны аэрации, наличие искусственных или естественных экранов в основании, колебания во времени уровня сточных вод и увеличение толщины слоя осадков, должны учитываться при определении скорости и времени распространения загрязнений в водоносных пластах. Распространению загрязнений в водоносных пластах способствуют водозаборы подземных вод, водопонизительные и дре нажные сооружения, шахтный водоотлив и другие виды водоотбора, увеличивающего скорость движения загрязнений. Большие скорости фильтрации загрязненного потока под земных вод наблюдаются такж е в водоносных горизонтах при высокой водопроницаемости пород и значительных уклонах.. Наблюдения показывают, что содержание загрязнений в подземных водах обычно уменьшается с удалением от источника загрязнения, хотя в отдельных случаях (в районе "белых, морей") и на значительном отдалении концентрация загрязнений в воде может оставаться высокой. Определяющими в данном случае являются вид и характер загрязнения, а такж е возможность смешения и разбавления загрязненных вод с чистыми подземными водами. В зависимости от состава и концентрации загрязняющего вещества, а такж е от характера его поступления в водоносный пласт (непрерывное, периодическое, разовое) загрязнение в той или иной мере задерживается и рассеивается в водоносном пласте в результате разнообразных физико-химических процессов взаимодействия с породами и подземными водами, погружается в нижнюю часть пласта, распределяется по отдельным, наиболее фильтрующим или наиболее сорбирующим прослоям и т. д. Немаловажным обстоятельством служит при этом неоднородность свойств водоносного пласта - не только в фильтрационном, но и в гидрохимическом отношении. Поэтому в составе гидрогеологических изысканий, связанных с защитой подземных вод от загрязнения, должны быть предусмотрены целенаправленные исследования гидрохимической обстановки в естественных и нарушенных условиях, изучение защищенности водоносных пластов от загрязнения, а так ж е освещение техногенных влияний на гидродинамическуюобстановку и качество подземных вод. СПИСОК ЛИТЕРАТУР Ы 1. Абрамов С. К, Газизов М. С., Костенко В. И. Защита карьеров от воды. M., Недра, 1976. 230 с. 2. Аверьянов С. Ф. Некоторые-вопросы предупреждения засоления орошаемых земель и меры борьбы с ним в европейской части СССР.- В кн.: Орошаемое земледелие в европейской части СССР. M., Колос, 1965, с. 90-• 151. 3. Аксельруд Г. А., Лисянский В. М. Экстрагирование. Система твердое тел о - жидкость. Jl., Химия, 1974. 255 с. 4. Арцев А. И. Выбор места дл я размещения земляных хранилищ промышленных стоков. - Водоснабжени е и сантехника, 1970, № 12, с. 2-4. 5. Баум В. А. Исследование процесса перемешивания в потоке жидкости, протекающей в трубах, заполненных кусковым материалом.-Изв. А Н СССР, отд. техн. наук, 1953, № 9, с. 1317-1329. 6. Бегматов А. М. О понижении уровня грунтовых вод в покровной толще двухслойного пласта, создаваемом откачкой из нижележащего напорного горизонта,-Изв. А Н СССР, МЖГ , 1967, № 2, с. 188-192. 7. Бер Я., Заславский Д., Ирмей С. Физико-математические основы фильтрации воды. M., Мир, 1971. 451 с. 8. Боревский Б. В., Самсонов Б. Г., Язвин Л. С. Методика определения параметров водоносных пластов по данным откачек. M., Недра, 1973. 304 с. 9. Бочевер Ф. М. Оценка производительности береговых водозаборов с учетом несовершенства речных русел. Труды Лаборатории инженерной гидрогеологии ВНИ И ВОДГЕО , 1966, вып. 13, с. 84-115. 10. Бочевер Ф. Al. Теория и практические методы гидрогеологических расчетов эксплуатационных запасов подземных вод. M., Недра, 1968. 325 с. 11. Бочевер Ф. M., Веригин Н. Н. Методическое пособие по расчетам эксплуатационных запасов подземных вод для водоснабжения M., Госстройиздат, 1961. 200 с. 12. Бочевер Ф. M., Колбасов А. A l Экспериментальные исследования фильтрации разнородных жидкостей.-Изв. вузов, Геология и разведка, 1976, № 3, с. 121-128. 13. Бочевер Ф. M., Колбасов A. M., Хохлатое Э. М. К методике определения коэффициента диффузии в глинистых грунтах. Труды института ВОДГЕО , гидрогеология, 1967, вып. 52, с. 55-58. 14. Бочевер Ф. M., Лапшин Н. H., Орадовская А. Е. К прогнозам неустановившейся фильтрации из несовершенных бассейнов и хранилищ промстоков в связи с защитой подземных вод от загрязнения. Труды института ВОДГЕО , инж. гидрогеология, 1969, вып. 22, с. 39-47. 15. Бочевер Ф. M., Лапшин Н. #., Орадовская А. Е. К расчетам фильтрации и растекания промстоков из бассейнов. Труды Лабор. инж. гидрогеологии ВОДГЕО . Госстройиздат, 1972, вып. 6, с. 183-192. 239 16. Бочевер Ф. M., JIanuum Н. H., Орадовская А. Е. Формирование ка чества подземных вод при работе водозабора в слоистой системе пластов. Труды института ВОДГЕО , 1976, вып. 52, с. 12-15. 17. Бочевер Ф. M., Орадовская A. E., Лапишн Н. И. Оценка качества подземных вод с учетом инфильтрационного питания водоносного пласта. Труды института ВОДГЕО , 1976, вып. 52, с. 18-22. 18. Бочевер Ф. M., Лапишн Н. H., Хохлатое Э. М. Расчет притока под земных вод к скважинам в долинах рек с учетом заиленности и неоднородности русловых отложений. Изв. АН ,СССР, МЖГ, 1969, № 2, с. 174-177. 19. Бочевер Ф.. M., Орадовская А. Е. К прогнозу изменения температуры подземных вод в водозаборах инфильтрационного типа. Труды института ВОДГЕО , гидрогеология, 1964, вып. 9. с. 67-84. 20. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. Конвективая диффузия солей в радиальном потоке подземных вод в связи с защитой их от загрязненных стоков.- Труды института ВОДГЕ О (Гидрогеология), 1966, вып. 13, с. 159- 180. 21. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. Некоторые вопросы фильтрации загрязненных промстоков в природных водоносных пластах.-Изв. АН СССР.- Механика жидкости и газа, 1969, № 6, с. 196-202. 22. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. К методике экспериментального определения параметров фильтрации в трещиноватых породах. Труды координационного совещания по гидротехнике, ВНИИГ. - Энергия, 1970, вып. 48 , с. 71-84. 23. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. К методике прогноза состава под земных вод при проникновении в них. промышленных стоков и отходов. Труды Лаборатории инженерной гидрогеологии ВОДГЕО . M., 1972, сб. № 6 , с. 118-133. 24. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. К расчету границы раздела двух, жидкостей с различной плотностью в связи с фильтрацией промышленных стоков в водоносных пластах. Труды Лаборатории инженерной гидрогеологии ВОДГЕО. - Стройиздат, 1972, № 6, с. 210-221. 25. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнений. M., Недра, 1972. 129 с. 26. К гидрогеологической оценке фильтрации из промышленных бассейнов с переменным режимом подачи и сброса стоков / Ф. М. Бочевер, А. Е. Орадовская, А. В. Ефремова. Э. М. Хохлатов. Труды института ВОДГЕО , гидрогеология, 1972, вып. 35, с. 19-28. 27. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. . Методические рекомендации п о прогнозу распространения промстоков в водоносных пластах. Изд-в о ВОДГЕО , 1974, 126 с. 28. Бочевер Ф. M., Орадовская Л. Е. Проблемы охраны подземных во д от загрязнения.- Советская геология, 1976, № 3, с. 59-70. 29. Бочевер Ф. M., Орадовская А. Е. О санитарной охране водозаборов подземных вод.-Разведка и охрана недр, 1977, № 5, с. 35-38. 30. Брусиловский С. А. О миграционных формах элементов в природных водах.- Гидрохимические материалы, т. 35. Л., Гидрометеоиздат, 1963; с. 3-16. 240 31. Веригин Н. Н. Нагнетание вяжущих растворов в горные породы. M., Изд-в о А Н СССР, OTH1 1952, № 5, с. 674-187. 32. Веригин Н. Н. Некоторые вопросы химической гидродинамики, пред ставляющие интерес для мелиорации и гидротехники. M., Изв. А Н СССР, OTH1 1953, № 10, с. 1369-1382. 33. Веригин Н. Н. О кинетике растворения и выноса солей при фильтра ции воды в грунтах.- В кн.: Растворение и выщелачивание горных пород. M., Стройиздат, 1957, с. 84-113. 34. Веригин Н. Н. Миграция растворенных и эмульгированных веществпри сбросах промышленных стоков в водоносные пласты. Труды института ВОДГЕО , инж. гидрогеология, 1969, вып. 22, с. 35-39. 35. Веригин Н. Н. О гравитационнб"-упругом режиме фильтрации. Труды института ВОДГЕО , инж. гидрогеология, 1969, вып. 22, с. 6-18. 36. Веригин Н. H., Орадовская А. Е. Методические указания по оценке растворения засоленных грунтов в теле и основании гидротехнических сооружений, ВНИ И ВОДГЕО . Информ. материалы, I960 , сб. № 15. 40 с. 37. Веригин Н. И., Родзиллер И. Д. Очистка нефтяных вод методом фильтрации.- Нефтяное хозяйство^ 1956, № 10, с. 52-57. 38. Веригин И. H., Саркисян В. С. О фильтрации дву х жидкостей с разной плотностью и вязкостью при закачке в галереи с постоянным расходом. ДА Н СССР, т. 218, № 3, 1974, с. 536-539. 39. Веригин Н. И., Шержуков Б. С. Диффузи я и массообмен при фильтрации жидкостей в пористых средах.- В кн.: Развитие исследований по теории фильтрации в СССР (1917-1967) . M., Наука, 1969, с. 237-313. 40. Влияние свойств горных пород на движение в них жидкости /А . Б ан, A. Ф. Богомолов, В. А., Максимов, В. Н. Николаевский, В. Г. Оганджинянц, B. М. Рыжик. M., Гостоптехиздат, 1962. 275 с. 41. Гавич И. К. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод методо м моделирования. M., изд-во ВИЭМС, 1972. 98 с. 42. Голубев В. С., Гарибянц А. А. Гетерогенные процессы геохимической= миграции. M., Недра, 1968. 192 с. 43. Гольдберг В. Al. Гидрогеологические прогнозы движения загрязненных подземных вод. M., Недра, 1973. 170 с. 44. Гольдберг В. М. Гидрогеологические прогнозы качества подземных, во д на водозаборах. M., Недра, 1976. 153 с. 45. Гохберг Л. К., Лапшин Н. Н. Применение численных методов обращения преобразования Фурье и Лапласа дл я решения гидрогеологических задач.- Труды института ВСЕГИНГЕО, 1971, с. 93-106. 46. Грабовников В. А. Применение балансовых расчетов к изучению ареолов рассеяния вещества в подземных водах.- Советская геология, 1972, № 2, с. 137-144. 47. Формирование и строение ареолов рассеяния вещества в подземных водах / В. А. Грабовников, В. 3 . Рубейкин, Jl. М. Самсонова, Б. Г. Самсонов. M., Недра, 1977. 136 с. 48. Григорьев В. М. Теоретические основы расчета инфильтрационных водозаборов с учетом заиления речных русел.- Водоснабжени е и санитарная техника, 1960, № 6, с. 18-22. 241 49. Гусейн-Заде М. А. Особенности движения жидкости в неоднородном пласте. M., Недра, 1965. 276 с. 50. Гылыбов M., Моллов Д. О точности и применимости метода "дополнительного слоя" дл я учета сопротивления лож а водоемов при гидрогеологических расчетах. Rewie w о ! the Bulgaria n Geological Society, 1969, Vol. XXX, part 3, c. 331-339. 51. Дворкин Л. Б. К теории конвективной диффузи и солей в пористых средах.-Физическая химия, 1965, т. 39, № 11, с. 2668-2677. 52. Дегтярев И. M., Бегов Р. А., Полянский В. Г. К модели Перемешивания разновязкостных флюидов в пористой среде. Труды Сев.-Кавказск. .н-и и проект, ин-та нефт. пром-сти, 1975, вып. 21, с. 7-12. 53. Дилюнас И. П., Иодказис В. И., Штаркас Е. М. Санитарная оценка опыта использования речной воды дл я искусственного питания водозабора подземных вод.- Гигиена и санитария, 1963, № 7, с. 64-68. 54. Дмитроченко А. С. Обогащение подземного водоносного горизонта в Ивано-Франковске.- Гигиена и санитария, 1964, № 2, с. 73-76. 55. Дубов Р. И. Оценка размеров геохимических ореолов в подвижности химических элементов.- В кн.: Математические методы геохимических исследований. M., Наука, 1966, с. 5-22. 56. Еременко В. Я. Формы нахождения тяжелых металлов в некоторых природных водах.-Гидрохимические материалы, т. 36, Jl., Гидрометеоиздат, 1964, с. 125-133. 57. Желтое Ю. П. О перемешивании взаиморастворимых жидкостей с различными вязкостями при их движении в пористой среде.- Научно-технический сборник по добыче нефти. M., Недра , 1964, вып. 24, с. 34-40. 58. Зеегофер Ю. О., Шестаков В. М. Методика обработки данных опытных откачек вблизи рек.-Разведк а и охрана недр, 1968, № 9, с. 38-44. 59. Игнатович Н. К. Зональность формирования и деятельность подземных вод в связи с развитием геоструктур.- Вопросы гидрогеологии и инж. геологии, вып. 13, M., 1950, с. 6-22. 60. Каменский Г. Н. Поиски и разведка подземных вод. M., Госгеолтехиздат, 1947. 31 2 с. 61. Траншейные стенки в грунте/Н. Н. Круглицкий,. С. И. Мильковицкий, В. Ф. Скворцов, В. Н. Шейнблгом. Киев, Наукова думка, 1973, с. 304. 62. Лапшин И. Н. Оценка дополнительного питания водоносных пластов при эксплуатации водозаборов.-Разведка и охрана недр, 1971, № 4, с. 51-54. 63. Лейбензон Л. С. Подземная гидрогазодинамика. Собр. соч., т. 2, M., Изд-в о А Н СССР, 1953. 544 с. 64. ЛялькО В. И. Методы расчета тепло и массопереноса в земной коре. Киев, Наукова думка, 1974, 132 с. 65. Максимов В. А. О неустановившемся притоке упругой жидкости к скважинам в неоднородной среде. ПМТФ, 1962, № 3, с. 109-112. 66. Марон В. И., Полищук А. М. Зависимость коэффициента дисперсии от вязкости.- Известия вузов, Нефть и газ, 1972, № 6, с. 55-57. 67. Методы фильтрационных расчетов гидромелиоративных систем/ С. В. Васильев, Н. Н. Веригин, Б. А. Глейзер, Г. А. Разумо в и др. M., Колос, 1970. 44 0 с. 242 68. Минкин E. Л. Гидрогеологические расчеты дл я выделения зон санитарной охраны водозаборов подземных вод. M., Недра, 1967. 124 с. 69. Минкин Е. JI. Исследования и прогнозные расчеты дл я охраны под земных вод. M., Недра, 1972. 112 с. 70. Минкин Е. JI. Взаимосвязь подземных и поверхностных вод и еезначение при решении некоторых гидрогеологических и хозяйственных задач. M., Стройиздат, 1973. 103 с. 71. Минц Д. М. Теоретические основы технологии очистки воды. Стройиздат, 1964. 156 с. 72. Моложавая Е. И., Ветрилэ JI. А. К вопросу об адсорбции и дальности распространения бактерий в водонасыщенных грунтах. Сб. научных трудов Института общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина,- Гигиена воды и санитарная охрана водоемов (экспериментальные исследования). M., 1973, с. 13-19. 73. Москвичев А. Д. Решение одной краевой задачи, встречающейся , в теории движения влаги в почве. Труды Куйбышевск. инж.-стрит. института, 1956, вып. 3, с. 299-301. 74. Недрига В. П. Инженерная защита подземных вод от загрязнения промышленными стоками. M., Стройиздат, 1976. 96 с. 75. Огильви Н. А. Физические и геологические поля в гидрогеологии. M., Наука, 1974. 160 с. 76. Орадовская А. Е. Опыт изучения фильтрационного выщелачивания загипсованных пород. Труды Института ВОДГЕО , информационные материалы, 1958, № 13, 91 с. 77. Орадовская А. Е. Некоторые экспериментальные данные о коэффициенте диффузии (дисперсии) в горных породах. Труды Института ВОДГЕО , инженерная гидрогеология, 1969, вып. 22, с. 99-102. 78. Орадовская А. Е. Определение сорбционной способности грунтов в целях прогноза распространения промстоков в подземных водах.- В кн.: Гидрогеологические вопросы подземного захоронения промышленных сточных вод. M., ВСЕГИНГЕО, 1969, вып. 14, с. 160-173. 79. Орадовская А. Е. Опыт прогноза растворения пластовых солей в скальных трещиноватых основаниях гидротехнических сооружений. Труды координационного совещания по гидротехнике, ВНИИГ , вып. 48, 1970, с. 278-289. 80. Орадовская A. E., Аристова О. П. Указания по определению засоленности грунтов. ВНИ И ВОДГЕО , 1956. 60 с. 81. Орадовская A. E., Бочевер Фг М. Некоторые закономерности дисперсии и сорбции на грунтах при фильтрации загрязненных подземных вод.-В кв.: Гидрогеологические вопросы подземного захоронения промышленных стоков, ВСЕГИНГЕО, 1969, вып. 14, с. 146-159. 82. Орадовская A. E., Ефремова А. В. Результаты натурного изучения загрязнения подземных вод в районе химического комбината и мероприятия по их защите. Труды ВОДГЕО , 1976, вып. 52, с. 34-37. 83. Орадовская A. E., Моложавая Е. И. Миграция микробных загрязнений в подземных водах. Труды ВОДГЕО , 1977, вып. 63, с. 70-77. 243 84. Орадовская A. E., Перлина A. M., Гольдин М. И. Некоторые вопросы оценки защитного действия систем искусственного пополнения подземных вод. Труды ВОДГЕО , 1977, вып. 63, с. 77-84. 85. Основы гидрогеологических расчетов / Ф. М. Бочевер, И. В. Гармонов, Н. В. Лебедев, В. М. Шестаков. M., Недра, 1969. 367 с. 86. Вавилонский В. М. К вопросу о начальном градиенте напора в глинистых грунтах. Труды ВОДГЕО , 1967, вып. 19, с. 78-85. 87. Павловский Н. И. Движение грунтовых вод. Собр. соч., т. II. M., Изд-в о АН СССР, 1956. 771 с. 88. Питьева К. Е. Основы региональной геохимии подземных вод. M.. Изд-во МГУ, 1969, 214 с. 89. Плотников И. И. Эксплуатационная разведка подземных вод. 'M., Недра, 1973. 296 с. 90. Поиски, разведка, оценка запасов и эксплуатация линз пресных вод / В. Д . Бабушкин, И. С. Глазунов, В. М. Гольдберг, Н. И. Пичугин и др. M., Недра, 1969. 304 с. 91. Полубаринова-Кочина П. Я. Теория движения грунтовых вод. M., Тостехтеориздат, 1952. 676 с. 92. Посохов Е. В. Формирование химического состава подземных вод (основные факторы). Л., Гидрометеоиздат, 1969. 334 с. 93. Проектирование водозаборов подземных вод. По д ред. Ф. М. Бочевера. Стройиздат/А . И. Арцев, Ф. М. Бочевер, Н. Н. Лапшин, А. Е. Орадовская, Э. М. Хохлатов. M., 1976. 291 с. 91. Рачинский В. В. Введение в общую теорию динамики сорбции и хроматографии. M., Наука, 1964. 137 с. 95. Рекомендации по прогнозам подтопления промышленных плоидадок грунтовыми водами. По д ред. С. К. Абрамова. M., ВНИ И ВОДГЕО , 1976. 324 с. 96. Рекс Л. М. Прогноз переноса солей.- Гидротехника и мелиорация, 1972, № 10, с. 60-65. 97. Ремизова Г. С. О поглощении бактерий фильтрующими почвами.-• В кн.: Почвенный метод обеззараживания сточных вод и отбросов. 1939, с. 113-127. 98. Романеи, Ю. H., Леонова Ж. К• Опыт искусственного пополнения запасов подземных вод бассейновым методом на береговом водозаборе (НИ И геологии Днепропетровского-университета).- Охрана подземных вод Украинской CCP от загрязнений и истощения, 1970, Киев, 5, 34-35. 99. Рошаль А. А., Шестаков В. М. О миграции подземных вод в слоистых пластах.- В кн.: Гидрогеологические вопросы подземного захоронения промстоков, ВСЕГИНГЕО, 1969, вып. 14, с. 43-55. 100. Рудаков В. К. К методике расчета влияния промышленно-бытовых стоков на режим и качество подземных вод.- Охрана подземных вод УССР от загрязнений и истощения, 1970. Киев, Наукова думка, с. 80-83. 101. Опыт определения миграционных форм растворенных веществ в природных водах/А . Д . Семенов, В. Г. Залетов, А. Л . Фуксман, В. П. Заха рюта, Н. И. Сннякова. Гидрохимические материалы, т. 47. Л., Гидрометеоиздат, 1968, с. 194-202. 244 102. Смирнов С. И. Происхождение солености подземных вод седиментационных бассейнов. M., Недра, 1971. 215 с. 103. Томас Г. Кинетика ионного обмена в неподвижном слое ионита.- В кн.: Ионный обмен. M., Изд-в о иностр. лит., 1951, с. 34-48. 104. Туменко Н. Р. Прогноз процесса засоления береговых водозаборов в условиях переменного химического состава воды в реке.- В кн.: Вопросы гидрогеологических прогнозов в связи с ирригацией земель и водоснабжением. Днепропетровск, ДГУ, 1972, вып. 5, с. 41-51. 105. Тютюнова Ф. И. Анализ химического состава подземных вод, загрязненных промышленными стоками. M., Стройиздат, 1974. 144 с. 106. Тютюнова Ф. И. Физико-химические процессы в подземных водах. M., Наука, 1976. с. 127. 107. Унифицированные методы анализа вод. По д ред. Ю. Ю. Лурье. M., Химия, 1973. 376 с. 108. Усенко В. С. Искусственное восполнение запасов и инфильтрационные водозаборы подземных вод. Минск, Наука и техника, 1972. 256 с. 109. Фильтрация из водохранилищ и прудов. По д ред. Н. Н. Веригина / В. С. Васильев, Н. Н. Веригин, Г. А. Разумов, Б. С. Шержуков. M., Колос, 1975. 304 с. 110. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузи я и теплопередача в химической кинетике. M., Наука, 1967. 491 с. 111. Xamyui М. С. Новое в теории перетекания.- В кн.: Вопросы гидрогеологических расчетов (переводы статей под ред. Ф. М. Бочевера и В. М. Шестакова). M., Мир, 1964, с. 43-59. 112. Хантуш М. С. Скважины вблизи рек со слабопроницаемым ложем. Тем. сб. ВСЕГИНГЕО, Переводы статей по гидрогеологии и инж. гидрогеологии, M., 1968. с. 74. 113. Хохлатое Э. М. Определение времени продвижения воды из экранированных водоемов.- Разведка и охрана недр, 1973, № 7, с. 46-49. 114. Хохлатое Э. М. Методы расчета береговых водозаборов в сложных гидрогеологических условиях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1976. 147 с. 115. Цынкова О. Э. Гидродинамические перетоки при вытеснении нефти из трехслойного пласта.- Нефтяное хозяйство, 1975, № 10, с. 44-47. 116. Чарный И. А. Движение границы раздела дву х жидкостей в пористой среде.- Изв. АН СССР, ОТН, Энергетика и автоматика, № 3, 1959, с. 104-120. 117. Чарный И. А. Фильтрация в пласте с непроницаемыми кровлей и .подошвой, разделенном слабопроницаемой перемычкой -Труд ы МИНХ и ГП им. Губкина, 1967, вып. 33, с. 87-99. 118. Чарный И. А. Подземная гидрогазодинамика. M., Гостоптехиздат, 1963. 396 с. 119. Чураев Н. В., Ильин Н. И. Радиоиндикаторные методы исследования движения' подземных вод. M., Атомиздат, 1967. 124 с. 120. Чураков А. И. Производство специальных работ в гидротехническом строительстве. M., Стройиздат, 1976. 25 6 с. 121. Швец В. М. Органические вещества подземных вод. M., Недра, 1973. 131 с. 245 122. Шейдеггер А. Э. Физика течения жидкостей через пористые среды" M., Гостоптехиздат, 1966. 249 с. 123. Шестаков В. М. Расчет движения границы раздела дву х несмешивающихся жидкостей при фильтрации в горизонтальном напорном потоке. Научные сообщения ВОДГЕ О (Водоснабжние) , 1960, с. 8-12. 124. Шестаков В. М. К теории динамики сорбции при фильтрации в зернистых материалах.-Физич. химия, 1961, т. 35, № 10, с. 2358-2362. 125. Шестаков В. М. Основы гидрогеологических расчетов при фильтрации из хранилищ промышленных стоков. M., Изд-в о ВОДГЕО , Н)б1. 100 с. 126. Шестаков В. М. К .теории фильтрации растворов в грунтах.- В кн.: Вопросы формирования химического состава подземных вод. M., Изд-в о МГУ,. 1963, с. 192-213. 127. Шестаков В. М. Теоретические основы оценки подпора, водопонижения и дренажа . M., Изд-в о МГУ, 1965. 233 с. 128. Шержуков Б. С. Неустановившаяся фильтрация из экранированных водохранилищ и накопителей промстоков. Изв. АН СССР, МЖГ , 1971, № 6. с. 165-171. 129. Шержуков Б. С., Голованова Н. К• Определение коэффициента конвективной диффузии методом моментов по данным полевых исследований.- Труды института ВОДГЕО , гидротехника, 1975, вып. 54, с. 54-71. 130. Шехтман Ю. М. Фильтрация малоконцентрированных суспензий. M., Изд-в о АН СССР, 1961. 212 с. 131. Шульгин Д. Ф., Мироничева Г. В. К вопросу определения гидрохимических параметров почвогрунтов орошаемых массивов.- В кн.: Теория и: практика борьбы с засолением орошаемых земель. M., Колос, 1971, с. 54-78. 132. Щелкачев В. Н. Применение операционных методов к решению задачи о движении упругой жидкости в упругом пласте. ДА Н СССР, 1951, т. 79, № 5, с. 751-754. 133. Щелкачев В. Н. Разработка нефтеводоносных пластов при упругом режиме. M., Гостоптехиздат, 1959. 467 с. 134. Щелкачев В. H., Влюшин В. E., Харин О. Н. Методы подсчета пластового давления и притоков к галерее после ее пуска с переменным дебитом.- Труды МИН Х и ГП им. Губкина, 1965, вып. 55, 1965, с. 14-25. 135. Щелкачев В. Н. и Лапук Б. Б. Подземная гидравлика. M., Гостоптехиздат, 1949. 524 с. 136. Янке EЭмде, Лёш Ф. Специальные функции. M., Наука, 1968. 344 с. 137. Aronofsky J. S., Heller J. P. A diffusio n model t o explain mixin g of flowin g miscible fluids on porous media. Trans. AIME, 1957, v. 210, N 12, p. 345-349. 138. Bachmat Y., Bear J. The general equations of hydrodynamik dispersion in homogeneous, isotropic, porous mediums. J. Geophys. Res., 1964, 69 (12) , p. 2561-2567. 139. Bischoff К. B., Levenspiel O. Fluid dispersion - generalisation and comparison of mathematical models. "Chem. Eng. Sci.", 1962, 17, p. 245-264. 140. Brenner H. The diffusion model longitudinal mixin g i n beds of finit e length. Numerical values. Chm. Engng , Sci, 1962, v. 17, p. 229-243. 246 141. Bruch J. С. Tw o - dimensional dispersion experiments in a porous medium. J. Water Research, vol. 6, N 3, June, 1970, p. 791 800. 142. Bruch J. C., Street R. L. Two - dimensional dispersion. J. Sanit. Eng. Div., Amer. Soc. Civil. Eng. SA6, 1967, p. 17-39. 143. Harleman D. R. E., Rumer R. R. Longitudinal and lateral dispersion in an isotropic porous medium. Journ. of fluid mechanics, vol. 16, Pt. 3, 1963, p 385-394. 144. Hoopes J. A., Harleman D. R. F. Dispersion in Radial Flo w from a Recharge Well. Journal of Geophysical Research, vol. 72, N 14, 1967, p. 3495- 3607. 145. Lapidus L., Amundson N. R. Mathematics of adsorption in beds. The Journal of physical chemistry. Vol. 56, N 8, 1952. 146. Lauwerier H. A. Appl. scientific research (section A) , vol. 5, N 2-3, 1955, p. 145-150. 147. List E. J., Brooks N. H Lateral dispersion in saturated porous media J. Geophys . Res., 72 (10), p. 2531-2541, 1967. 148. Ogata A. Two-dimensional steady-state dispersion in a saturated porous medium. Jour. Research U. S. Geol. Survey. Vol. 4, N 3, May-June, 1976, p. 277-284. 149. Saffman P. G. A theory of dispersion in a porous medium, J. Fluid. Mech., 1959, 6, p.321-349. 150. Samuelson O. Om dynamiska jamviktslaget vidfilter av jonutbytande amnew. Svensk kem. tidskr. 1941, v. 53, N 11, p. 422-434. 151. Shamir LS. Y., Harleman D. R. F. Numerical solutions for dispersion in porous mediums. Water Resur. Res. 3 (2) , 1967, p. 557-581. 152. Shamir U. Y., Harleman D. R. F. Dispersion in layered porous media. J. Hydraul. Div., Amer. Sor Civil. Eng., HY5, 1967, p. 237-260. 153. Stallman R. W. Stead y One-Dimensional Fluid Flo w in a Semi - Infinite Porous Medium with Sinusoidal Surface Temperature. J. of Geophisical Research. Vol. 70, N 12, 2965, p. 2821-2827. 154. Stone H. L., Brian P. L. T. Numerical Solution of convective transport problems. Amer. Inst. Chem. Eng . J., 9 (5) , 1963, p. 681-688. ПРИЛОЖЕНИ Я Приложени е 1 Значения функций-Ei (-z) и W (z, г/В) Z -Я'" (-г ) "j при г/Б 0, 1 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 1 0,000 5 7,02 4 4,85 3 6 6,84 2 4,85 1 7 6,68 8 4,84 8 8 6,55 4 4,84 3 9 6,43 7 4,83 7 0,00 1 6,33 1 4,82 9 2 5,63 9 4,70 8 3 5,23 5 4,56 2 4 4,94 8 4,42 3 5 4,72 6 4,29 6 6 4,54 5 4,18 1 7 4,39 2 4,07 7 3,50 4 3,50 4 3,49 7 3,48 1 3,45 7 3,42 7 3,39 5 2,22 9 1,555 1,131 0,84 2 8 4,25 9 3,98 2 9 4,14 2 3,89 5 0,0 1 4,03 8 3,81 5 2 3,35 5 3,24 4 3 2,95 9 2,88 7 4 2,68 1 2,62 9 5 2,46 8 2,42 7 6 2,29 5 2,26 2 7 2,15 1 2,12 3 8 2,02 7 2,00 3 9 1,91 9 1,89 8 0, 1 1,82 3 1,80 5 2 1,22 3 1,21 6 3 0,90 6 0,90 2 4 0,70 2 0,70 0 5 0,56 0 0,55 8 6 0,45 4 0,45 3 7 0,37 4 0,37 3 8 0,31 1 0,31 0 9 0,26 0 0,26 0 1, 0 0,21 9 0,21 9 2 0,04 9 0,04 9 3 0,01 3 0,01 3 4 0,00 4 0,00 4 5 0,00 1 0,00 1 3,36 0 2,22 9 3,32 4 2,22 7 3,28 8 2,22 5 2,95 2 2,18 1 2,69 0 2,10 3 2,48 2 2,01 6 2,31 1 1,928 2,16 7 1,845 2,04 4 1,767 1,93 5 1,69 5 1,83 9 1,627 1,75 3 1,56 4 1,19 4 1,11 4 0,89 0 0,84 6 0,69 3 0,66 5 0,55 3 0,53 4 0,45 0 0,43 6 0,37 0 0,36 1 0,30 8 0,30 1 0,95 8 0,25 3 0,21 8 0,21 4 0,04 9 0,04 8 0,01 3 0,01 3 0,00 4 0,00 4 0,00 1 0,00 1 1,55 5 1,55 3 1,131 1,54 2 1,13 0 1,521 1,12 7 1,49 3 1,121 0,84 1 1,459 1,11 7 0,839* 1,42 3 1,09 9 0,83 6 1,386 1,08 5 0,83 2 1,34 9 1,068 0,82 6 1,31 2 1,050 0,81 9 0,99 6 0,85 8 0,71 5 0.77 8 0,69 3 0,60 1 0,62 1 0,56 5 0,50 2 0,50 4 0,46 5 0,42 1 0,41 5 0,38 7 0,35 4 0,34 5 0,32 4 0,30 0 0,28 9 0,27 3 0,25 4 0,24 4 0,23 1 0,21 7 0,20 6 0,19 7 0,18 6 0,04 7 0,04 6 0,04 4 0,01 3 0,01 2 0,01 2 0,00 4 0,00 4 0,00 4 0,00 1 0,00 1 0,00 1 248 П р и л о ж е н и е 2 Значения функции Ф fz) , erfc (z), ierfс fz),"rI2 erfc (z), / 0 (z) , I1(Z), K0 (z), K1(Z) г Ф(г) erfc (г) ierfc(z) i2 erfc (г) rO (2) 1 1 (г) /С. (г) K (2) 0, 0 0,000 0 1 0,564 2 0 250 0 1 OOOO О OOOO OO OO 0,0 1 0,011 3 0,988 7 0,554 2 0 2444 1 OOOO О 005 0 4,721 2 99,973 9 0,0 2 0,022 6 0,977 4 0,544 4 0 243 8 1 OOOl о OlOO 4,028 5 49,954 7 0,0 3 0,033 8 0,966 2 0,535 0 0 2335 1 0002 о 0150 3,623 5 33,271 5 0,0 4 0,045 1 0,954 9 0,525 1 0 2282 1 0004 о 020 0 3,336 5 24,923 3 0,0 5 0-,0564 0,943 6 0,515 6 о 2230 1 0006 о 025 0 3,114 2 19,909 7 0,0 6 0,067 6 0,932 4 0,506 2 о 217 9 1 000 9 о 030 0 2,932 9 16,563 7 0,0 7 0,078 9 0,921 1 0,496 9 о 2129 1 001 2 о 035 0 2.779 8 14,171 0 0,0 8 0,090 1 0,909 9 0,487 8 о 208 0 1 0016 о 040 0 2,647 5 12,374 2 0,0 9 0,101 3 0,898 7 0,478 7 о 2031 1 0020 о 0450 2,531 0 10,974 9 0,1 0 0,112 5 0,887 5 0,469 8 о 1984 1 002 5 о 0501 2,427 1 9,853 8 0,1 1 0,123 6 0,876 4 0,461 0 о 1937 1 003 0 0 0551 2,333 3 8,935 3 0,1 2 0,134 8 0,865 2 0,452 3 о 1892 1 0036 о 0601 2,247 9 8,168 8 0,1 3 0,145 9 0,854 1 0,443 7 о 1847 1 004 2 о 0651 2,169 5 7,519 2 0,1 4 0,156 9 0,843 1 0,435 2 о 1803 1 0049 о 070 2 2,097 2 6,961 5 0,1 5 0,168 0 0,832 0 0,426 8 о 1760 1 0056 0 0752 2,030 0 6,477 5 0,1 6 0,179 0 0,821 0 0,418 6 о 1718 1 0064 о 0803 1,967 4 6,055 3 0,1 7 0,190 0 0,810 0 0,410 4 о 1676 1 007 2 о 085 3 1,908 8 5,678 4 0,1 8 0,200 9 0,799 1 0,402 4 о 1635 1 0081 о 0904 1,853 7 5,344 7 0,1 9 0,211 8 0,788 2 0,394 4 о 1596 1 0090 о 0954 1,801 8 5,045 6 0,2 0 0,222 7 0,777 3 0,386 6 о 1557 1 010 0 о 1005 1,752 7 4,776 0 0,2 1 0,233 5 0,766 5 0,378 9 о 1518 1 Oll l о 1056 1,706 2 4,531 7 0,2 2 0,244 3 0,755 7 0,371 3 о 1481 1 0121 о 1107 1,662 0 4,309 2 0,2 3 0,255 0 0,745 0 0,363 8 о 1444 1 013 3 о 1158 1,619 9 4,105 8 0,2 4 0,265 7 0,734 3 0,356 4 о 1408 1 0144 о 1209 1,579 8 3,919 1 0,2 5 0,276 3 0,723 7 0,349 1 о 1373 О 0157 о 1300 1,541 5 3,747 0 0,2 6 0,286 9 0,713 1 0,341 9 о 1338 1 0170 о 1311 1,504 8 3,588 0 0,2 7 0,297 4 0,702 6 0,334 8 о 1304 1 018 3 о 1362 1,469 7 3,440 5 0,2 8 0,307 9 0,692 1 0,327 8 о 1271 1 0197 о 1414 1,436 0 3,303 3 0,2 9 0,318 3 0,681 7 0,321 0 о 1239 1 0211 о 1465 1,403 6 3,177 5 0,3 0 0,328 6 0,671 4 0,314 2 о 1207 1 0226 о 1517 1,372 5 3,056 0 0,3 1 0,338 9 0,661 1 0,307 5 о 1176 1 0242 о 1569 1,342 5 2,944 1 0,3 2 0,349 1 0,650 9 0,301 0 о 1145 1 0258 о 1621 1,313 6 2,839 0 0,3 3 0,359 3 0,640 7 0,294 5 о 1116 1 0274 о 1673 1,285 7 2,740 2 0,3 4 0,369 4 0,630 6 0,288 2 о 1087 1 0291 о 1725 1,258 7 2,647 0 0,3 5 0,379 4 0,620 6 0,281 9 о 1058 1 030 9 о 1777 1,232 7 2,559 1 0,3 6 0,389 3 0,610 7 0,275 8 о 1030 1 0326 о 1829 1,207 5 2,476 0 0,3 7 0,399 2 0,600 8 0,272 2 о 0998 1 0345 о 1882 1,183 2 2,397 3 0,3 8 0,409 0 0,591 0 0,263 7 о 0976 1 036 4 о 1934 1,159 6 2,322 7 0,3 9 0,418 7 0,581 3 0,257 9 о 095 0 1 0384 о 1987 1,136 7 2,251 8 0,4 0 0,428 4 0,571 6 0,252 1 о 092 5 1 0404 о 204 0 I ,114 5 2,181 4 0,4 1 0,438 0 0,562 0 0,246 5 о 090 0 1 0425 о 209 3 1,093 0 2,120 2 0,4 2 0,447 5 0,552 5 0,240 9 о 087 5 1 0446 о 2147 1,072 1 2,059 0 0,4 3 0,456 9 0,543 1 0,235 4 о 0852 1 0468 о 2200 1,051 8 2,000 6 0,4 4 0,466 2 0,533 8 0,230 0 о 082 8 1 0490 о 2254 1,032 1 1,944 9 0,4 5 0,475 5 0,524 5 0,224 7 о 0806 О 051 3 0 2307 1,012 9 1,891 5 0,4 6 0,484 7 0,515 3 0,219 5 о 078 3 1 056 0 о 2261 0,994 3 1,840 5 0,4 7 0,493 8 0,506 2 0,214 4 о 076 2 1 0584 о 2415 0,976 1 1,791 6 0,4 8 0,502 7 0,497 3 0,209 4 о 074 0 1 060 9 о 2470 0,958 4 1,744 7 0,4 9 0,511 7 0,488 3 0,204 5 о 072 0 1 063 5 о 2524 0,941 2 1,670 0 0,5 0 0,520 5 0,479 5 0,199 6 о 070 0 1 0635 о 2579 0,924 4 1,656 4 0,5 2 0,537 9 0,462 1 0,190 2 о 0661 1 0687 о 2689 0,892 1 1,574 9 249 Продолжение прилож. 2 Z Ф (Z) eri c (z) ierfc(z ) i 2 erf c (Z) Iо (г) Ii (Z) Л'о (г ) K1 (z ) 0,5 4 0,554 9 0 4451 0 1811 0,062 3 1,074 2 0,280 0 0,861 4 1,499 4 0,5 6 0,571 6 0 4284 0 1724 0,058 8 1,079 9 0,291 1 0,832 1 1,429 2 0,5 8 0,587 9 0 4121 0 1640 0,055 5 1,085 9 0,302 4 0,804 2 1,363 8 0,6 0 0,603 9 0 3961 0 1559 0,052 3 1,092 0 0,313 7 0,777 5 1,302 8 0,6 2 0,619 4 0 3806 0 1482 0,049 2 1,098 4 0,325 1 0,752 0 1,245 8 0,6 4 0,634 6 0 3654 0 1407 0,046 3 1,105 0 0,336 7 0,727 7 1,192 3 0,6 6 0,649 4 0 3506 0 1335 0,043 6 1,111 9 0,348 3 0,704 3 1,142 0 0,6 8 0,663 8 0 3362 0 1267 0,041 0 1,1190 0,360 0 0,682 0 1,094 8 0,7 0 0,677 8 0 3362 0 1201 0,038 2 1,126 0 0,371 9 0,660 5 1,050 3 0,7 2 0,691 4 0 3086 0 1138 0,036 2 1,133 9 0,383 8 0,639 9 1,008 3 0,7 4 0,704 7 0 295 3 0 1077 0,034 0 1,141 7 0,395 9 0,620 2 0,9686 - 0,7 6 0,717 5 0 282 5 0 1020 0,031 9 1,149 7 0,408 1 0,601 2 0,931 1 0,7 8 0,730 0 0 270 0 0 096 5 0,029 9 1,158 0 0,420 4 0,582 9 0,895 5 0,8 0 0,742 1 0 257 9 0 091 2 0,028 0 1,166 5 0,432 9 0,565 3 0,861 8 0,82 . 0,753 8 0 2462 0 0861 0,026 2 1,175 3 0,445 4 0,548 4 0,829 8 0,8 4 0,765 1 0 234 9 0 081 3 0,024 6 1,184 3 0,458 1 0,532 1 0,799 3 0,8 6 0,776 1 0 223 9 0 0767 0,023 0 1,193 6 0,471 0 0,516 4 0,770 4 0,8 8 С,786 7 0 213 3 0 0724 0,021 5 1,203 2 0,484 0 0,501 3 0,742 4 0,9 0 0,796 9 0 2031 0 068 2 0,020 1 1,213 0 0,497 1 0,486 7 0,716 5 0,9 2 0,806 8 0 1932 0 064 2 0,018 7 1,2231 0,510 4 0,472 6 0,691 5 0,9 4 0,816 3 0 1837 0 0605 0,017 5 1,233 4 0,523 9 0/459 1 0,667 5 0,9 6 0,825 4 0 1746 0 056 9 0,016 3 1,244 0 0,537 5 0,445 9 0,644 7 0,9 8 0,834 2 0 1658 0 0535 0,015 2 1,254 9 0,551 2 0,433 8 0,622 8 1, 0 0,842 7 0 1573 0 050 3 0,014 2 1,266 1 0,565 2 0,421 0 "0,601 9 1, 1 0,880 2 0 1198 0 036 5 0,009 9 1,326 2 0,637 5 0,365 6 0,509 8 1. 2 0,910 3 0 0897 0 026 0 0,006 8 1,393 7 0,714 7 0,318 5 0,434 6 1, 3 0,934 0 0 0660 0 0183 0,004 6 • 1,469 3 0,797 3 0,278 2 0,372 5 1. 4 0,952 3 0 0477 0 0127 0,003 0 -1,553 4 0,886 1 0,243 7 0,320 8 1, 5 0,966 1 0 033 9 0 008 6 0,002 0 1,646 7 0,981 7 0,213 8 0,277 4 1, 6 0,976 3 0 0237 0 0058 0,001 3 1,750 0 1,084 8 0,187 9 0,240 6 1, 7 0,983 8 0 016 2 0 0038 0,000 8 1,864 0 1,196 3 0,165 5 0,209 4 1, 8 0,989 1 0 010 9 0 002 5 0,000 5 1,989 6 1,317 2 0,145 9 0,182 6 1, 9 0,992 8 0 007 2 0 001 6 0,000 3 2,127 7 1,448 2 0,128 8 0,159 7 2, 0 0,995 3 0 0047 0 001 0 0,000 2 2,279 6 1,590 6 0,113 9 0,139 9 П р и л о ж е н и е 3 Значения интегралов I1 и I2 1 , и I 2 при у, р&вном X 0 0, 1 0, 4 J 10 I1 h I 1 U h h / i h U / а ¢=0,0 1 0,0 1 7,69 7 0,29 4 6,23 6 0 4,92 4 0 4.04 1 0 1.867 0 0, 1 6,24 6 0,09 0 5,94 3 0,04 9 4,91 9 0,06 2 4.04 2 0,00 1 1.86 8 0 0, 2 5,60 4 0,04 8 5,50 1 0,03 9 4,83 9 0,0 1 4,03 1 0,00 2 1,87 0 0 0, 4 4,94 5 0,02 4 4,91 6 0,02 3 4,61 2 0,01 2 3,98 2 0,00 4 1,87 3 0 250 Продолжение прилож. 3 I1 и I2 при у, равном X 0 0, J 0, 4 1 10 It h h h h U U J2 It h 0, 6 4,55 7 0,01 6 4,54 3 0,01 6 4,37 9 0,01 2 3,91 0 0,00 4 1,876 0 0, 8 4,28 2 0,01 2 4,27 4 0,01 2 4,17 3 0,01 0 3,28 4 0,00 5 1,878 0 I 4,06 9 0,01 0 4,06 4 0,01 0 3,99 7 0,00 9 3,73 2 0,00 5 1,88 0 0 2 3,41 8 0,00 5 3,41 7 0,00 5 3,39 9 0,00 5 3,31 0 0,00 4 1,884 0 5 2,59 3 0,00 2 2,59 3 0,00 2 2,59 0 0,00 2 2,57 4 0,00 2 1,848 0 10 2,01 4 0,00 1 2,01 4 0,00 1 2,01 3 0,00 1 2,00 9 0,00 1 1,70 2 0,00 1 5,53 1 4,42 2 3,89 3 3,32 6 2,98 6 2,74 4 2,55 8 1,999 1,336 0,92 2 0,87 7 0,34 5 0,20 3 0,112 0,07 7 0,05 9 0,04 8 0,02 4 0,010 0,00 5 4,49 6 4,19 5 3,81 2 3,301 2,97 4 2,73 7 2,55 4 1,998 1,336 0,92 2 0,14 1 0,22 9 0,17 3 0,106 0,07 5 0,05 8 0,04 7 0,02 4 0,01 0 0,00 5 6-0,0 5 3,34 5 3,32 6 3,24 6 3,03 6 2,82 8 2,64 7 2,49 3 1,982 1,334 0,92 1 0 0,04 0 0,05 5 0,062 0,05 6 0,04 8 0,04 2 0,02 4 0,010 0,00 5 2,49 9 2,50 3 2,49 7 2,46 0 2,40 0 2,32 8 2,25 2 1,901 1,321 0,91 8 0 0,00 7 0,012 0,01 9 0,02 3 0,02 5 0,02 5 0,020 0,010 0,00 5 0,67 5 0,67 8 0,682 0,688 0,69 4 0,69 9 0,70 4 0,72 5 0,74 3 0,68 7 4,56 9 1,198 3,63 4 0,36 3 6=0, 1 2,67 2 0,04 2 1,887 0,008 0,34 8 3,59 0 0,54 7 3,39 3 0,40 1 2,64 8 0,09 6 1,893 0,01 9 0,35 1 3,13 1 0,34 6 3,06 1 0,30 5 2,57 1 0,11 7 1,889 0,02 7 0,35 4 2,63 4 0,202 2,61 3 0,19 4 2,37 9 0,121 1,85 9 0,04 0 0,36 1 2,33 4 0,14 3 2,32 4 0,14 1 2,19 4 0,10 7 1,808 0,04 7 0,37 0 2,12 1 0,11 1 2,11 5 0,11 0 2,03 4 0,09 3 1,747 0,04 9 0,37 3 1,957 0,09 1 1,953 0,09 0 1,89 9 0,080 1,681 0,05 0 0,37 8 1,470 0,04 7 1,461 0,04 7 1,45 5 0,04 6 1,383 0,03 9 0,40 2 0,91 8 0,020 0,91 8 0,02 0 0,91 6 0,01 9 0,90 4 0,01 9 0,43 5 0,59 6 0,010 0,59 6 0,01 0 0,59 5 0,010 0,59 3 0,010 0,42 2 6=1,0 2,42 3 2,17 7 1,538 1,292 0,90 1 0,662 0,50 9 0,30 2 0,01 7 1,616 1,379 1,444 1 ,20 8 0,92 3 0,69 2 0,52 3 0,32 1 0,018 1,294 1,066 1.238 1,011 0,90 3 0,681 0,53 1 0,33 5 0,01 9 0,98 8 0,77 8 0,97 4 0,76 3 0,82 3 0,61 7 0,53 4 0,34 9 0.022 0,822 0,62 7 0,816 0,620 0,73 7 0,54 5 0,52 4 0,34 9 0,02 4 0,71 2 0,53 0 0,70 9 0,52 6 0,66 2 0,48 1 0,50 5 0,33 9 0,02 7 0,63 2 0,46 0 0,62 9 0,45 7 0,59 9 0,42 9 0,48 2 0,38 5 0,02 9 0,41 4 0,28 2 0,41 3 0,282 0,40 6 0,27 6 0,37 1 0/24 6 0,03 9 0,21 0 0,13 3 0,210 0,13 3 0,20 9 0,13 2 0,20 4 0,129' 0,05 9 0,11 6 0,07 1 0,11 6 0,07 1 0,11 6 0,07 1 0,11 5 0,07 0 0,06 5 251 П р и л о ж е н и е 4 * , Таблица значений функции F(rj , т) = 1-е | е "I0 (2 т | ) о 8,0 -. 0,00 3 0,00 9 0,01 9 0,03 4 0,055 0,081 0,11 4 0,152 0,201 0,288' 0,34 3 0,591 0,72 2 f (т|,т)=0, 5 erfe ( У Ti - V т ) + ( V T V T 2 при Ti>IO; т > 10; т) = 0, 5 erfc ("]/ г) - у т ) при Т)>5 0 ОГЛАВЛЕНИ Е Предисловие 3 Глав а 1. Общая характеристика качества подземных вод . . . . 6 Химический состав подземных вод в природных условиях . . . 6 Техногенные изменения качества подземных вод 12 Требования к качеству подземных вод как источнику водоснаб жения 15 Определение органических веществ в подземных вода х . . . 17 Глав а 2. Основные физико-химические процессы взаимодействия загрязненных стоков, подземных во д и пород . 20 Роль физико-химических процессов в миграции загрязняющих веществ в водоносном пласте . 20 Конвективная дисперсия и молекулярная диффузия веществ . . 2 3 Сорбция загрязнений при фильтрации . 34 Распа д радиоактивных элементов 38 Растворение солей, содержащихся в фильтрующих горных породах 39 Адсорбция микроорганизмов 41 Глав а 3. Исходные дифференциальные уравнения фильтрации и пере носа (миграции) загрязнений в водоносных пласта* 4T Некоторые общие положения 47 Уравнения фильтрации подземных вод 49 Уравнения миграции вещества в подземных водах 5 9 Глав а 4. Расчеты водозаборов в различных гидрогеологических усло виях 64 Вводные замечания 6 4 Водозаборы у реки 65 Совершенные реки 6 7 Несовершенные поверхностные водотоки 73 Водозаборы в удалении от рек 78 Однородные пласты 7 8 Неоднородные в плане пласты 82 Двухслойный пласт 8 7 Трехслойный водоносный пласт . . 8 9 Слоистые пласты с литологическими окнами 9 1 Глав а 5. Общие закономерности миграции загрязнений. Решения типо вых зада ч 95 Миграция нейтральных компонентов 95 Решение уравнения миграции сорбирующихся компонентов . . 107 Миграция биологических загрязнений . 113 Изменение состава подземных вод при растворении породы . . 115 Влияние плотности и вязкости загрязненных вод . . . . . . 1 1 8 Глав а 6. Практические методы прогноза распространения загрязнений в водоносных пластах . . 1 2 1 Общие положения . 121 Естественные одномерные (плоскопараллельные) потоки подзем ных вод - 127" 253 Линейный водозабор вблизи реки с учетом инфильтрации . . . 1 9 Водозабо р в центре круговой области с учетом инфильтрации . 1 3 Изолированный пласт. Групповой водозабор в бытовом потоке П 5 Двухслойный пласт 1 9 Трехслойный пласт 141 Определение фронта фильтрации загрязнений численным и графо аналитическим методами 144 Глав а 7. Защита подземных вод от загрязнений 146 Общие мероприятия по борьбе с загрязнениём подземных вод . 146 Зоны санитарной охраны водозаборов подземных вод . . . . 1 5 6 Глав а 8. Гидрогеологические исследования и изыскания для обоснова ния мероприятий по защите подземных вод от загрязнения . . . . 1 7 5 Гидрогеологические исследования и изыскания при проектировании объектов, которые могут явиться источниками загрязнения подзем ных вод 175 Гидрогеологические исследования и изыскания в районах выявленного загрязнения подземных вод 177 Определение параметров физико-химического взаимодействия загрязненных стоков, пород и подземных вод 179 Глав а 9. Особенности возникновения и развития очагов промышленного загрязнения подземных вод. Примеры 20 2 Список литературы . 23 9 Приложения 248 ИБ № 2465 IФАИБИШ МИНАЕВИЧ БОЧЕВЕР НИКОЛАИ НИКОЛАЕВИЧ ЛАПШИН АННА ЕФИМОВНА ОРАДОВСКАЯ ЗАЩИТ А ПОДЗЕМНЫ Х ВО Д ОТ ЗАГРЯЗНЕНИ Я Редактор издательства Л. Г. Китаенко Обложка художника С. А. Смирновой Художественный редактор Е. В. Юрковская Технические редакторы Б. А. Илясова, Л. Н. Шиманова Корректор Т. М. Кушнер Сдан о в набо р 27.10.78 Подписан о в печат ь 06.04.79 T-06082. Форма т 60Х907, 6 . Бумаг а № 3. Гарнитур а лигер . Печат ь высока я Печ . л . 16,0 • Уч.-изд . л . 16,20 Тира ж 7200 экз . Зака з 2007/6180-2 Цен а 80 коп . Издательств о "Недра" , 103633, Москва , К-12. Третьяковски й проезд , 1/19. Московска я типографи я № 6 Союзполнграфпром а пр и Государственно м комитет е ССС Р п о дела м издательств , полиграфи и и книжно й торговли . 109088, Москва , Ж-88 , Южнопортова я ул. . 21. УВАЖАЕМЫ Й ТОВАРИЩ ! В издательстве "Недра" готовятся к печати новые книги ГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ методы исследований в гидрогеологии/ Фролов Н. M., Фомин В. M., Швецов П. Ф. и др. 18 л., 1 р. 30 к. В книге подводятся итоги исследований в новой области использования геотермических методов для решения теоретических и прикладных задач гидрогеологии. Рассмотрены теории энергообмена в гидрогеодинамических системах, методы моделирования процессов теплои массообмена на ЭВМ, ABM и АЦВК, данные натурных исследований по изучению пространственно-временных закономерностей распределения температуры в верхних слоях земной коры, методы решения прикладных и теоретических задач в области гидрогеологии, а также термометрическая и теплофизическая аппаратура. Книга составлена большим коллективом специалистов на основе материалов Всесоюзного научно-технического совещания по геотермическим методам исследований в гидрогеологии с учетом последних отечественных и зарубежных публикаций. Она представляет интерес для широкого круга ученых и практиков - гидрогеологов, геологов и геофизиков. КУЛИК В. Я. Прикладные расчеты на ЭЦВМ влагопереноса в зоне аэрации. 10 л., 55 к. В книге описан простейший комплекс методов, применяющихся при анализе и расчете на ЭЦВМ миграции влаги в условиях неполного насыщения грунтов водой. Рассматриваются простейшие математические модели процесса, упрощенная методика определения гидрофизических характеристик грунтов,, алгоритмы, применяемые для вычислений на малых и средних ЭЦВМ . На конкретных примерах показаны возможности использования расчетов для усовершенствования методики наблюдений, изысканий, анализа и прикладных расчетов. Описаны способы сравнения расчетов на ЭЦВМ с наблюдениями и зависимость точности расчетов от качества исходных данных. Изложение этого материала ведется с минимальным использованием математического аппарата и терминологии. Книга рассчитана на гидрогеологов, геофизиков и специалистов смежных профессий. Она может быть также использована преподавателями и студентами. Интересующие Вас книги Вы можете приобрести в местных книжных магазинах, распространяющих научно-техническую литературу, или заказать через отдел "Книга-почтой" магазинов: № 17-199178, Ленинград, В. О., Средний проспект, 61; № 59-127412, Москва, Коровинское шоссе, 20 И з д а т е л ь с т в о "Недра " 80 коп. НЕДР А