Параметры сорбции некоторых загрязняющих веществ

Примечания. Для стронция и цезия приведены данные, полученные при прове­дении полевых и лабораторных опытов, для талловых мыл, фосфатов, фторидов, хлоро­форма, трихлорэтана и хлорбензола — только лабораторных опытов и для масляной кисло­ты, фенолов, хлорфенола и диметилфтолата — только полевых опытов.

е — емкость поглощения, мг-экв/г; С — концентрация растворенных веществ, мг/дм³; v=v _д /v_м (где v_Д — скорость движения воды, v_м — скорость движения вещества); |З — параметр распределения (N_C/C), мл/г; |З — коэффициент распределения (CJN _с) (где n_c — концентрация сорбированных веществ).

Массообмен и миграция химических веществ в подземной сфере в связи с качеством подземных вод рассматривались многи­ми исследователями [1, 3 — 5, 8, 14, 19, 28, 30, 34 и др.] Сводкаданных о параметрах сорбции загрязняющих веществ в горных породах при фильтрации имеется в работах [1, 3]. В табл. 5 по литературным данным приведены некоторые дополнительные све­дения.

В теории миграции процессы массопереноса в подземных водах описываются физико-математическими моделями, разработанны­ми применительно к нескольким типам фильтрационного строения горных пород. Для фильтрационно-однородных пористых и трещи­новатых пород применяется модель конвективно-дисперсионного переноса, который развивается как движение веществ вместе с потоком подземных вод (конвекция) с сопутствующим рассея­нием этих веществ (дисперсия) на границе зон распространения воды различного состава. В этой модели, кроме того, возможен учет влияния проточных и застойных зон, сорбционных и других физико-химических процессов. Для фильтрационно-неоднородных толщ пород рассмотрены следующие модели: 1) слоистой толщи с конвективно-дисперсионным массопереносом вдоль отдельных слоев и с молекулярной диффузией между слоями; 2) квазиоднородной трещиновато-пористой породы с конвективно-дисперсион­ным переносом в трещинах и молекулярно-диффузионным в бло­ках; 3) неоднородной породы неупорядоченного строения, содер­жащей случайным образом распределенные линзы, пропластки и включения пород различной формы и проницаемости. В моделях неоднородных толщ также можно учитывать некоторые виды фи­зико-химического взаимодействия.

На формирование качества подземных вод, отбираемых дли­тельно работающим водозабором, влияют значительные площади водоносного горизонта, поэтому для решения поставленной за­дачи при рассмотрении неоднородности целесообразно выделять достаточно заметные по мощности и выдержанные по простира­нию высокопроницаемые, непроницаемые и слабопроницаемые слои, пласты или зоны.

Применение различных моделей массопереноса к задачам прог­ноза качества воды в водозаборах подземных вод в настоящее время ограничено недостаточной изученностью соответствия тех или иных моделей реальным условиям распространения веществ в подземной сфере и недостатком сведений о параметрах массо­переноса, которые специфичны для различных веществ и пород и условий их взаимодействия. Для определения параметров мас-сообмена необходимы специальные полевые эксперименты, мето­дика проведения которых и интерпретация результатов разрабо­таны также еще недостаточно. Обычно при прогнозах качества воды в водозаборах используется наиболее простая модель кон­вективного переноса, в которой учитывается только основной фактор миграции — перенос веществ с частицами воды при их одинаковой усредненной скорости движения. В этой схеме неслож­но учесть дисперсию и частный случай сорбции — равновесную сорбцию.

Прогноз составляется в два этапа. Вначале тем или иным ме­тодом проводят расчет плановой фильтрации (как правило, можно ограничиться рассмотрением стационарного режима) с по­строением гидродинамичной сетки движения подземных вод. При этом выделяют область питания водозабора (см. гл. 9) и пред­ставляющие интерес отдельные линии и полосы тока, например связывающие водозабор с контурами распространения неконди­ционных подземных вод, с участками расположения источников загрязнения и т. п.

Затем применительно к выделенным полосам тока проводят расчеты миграции вещества в одномерном потоке с учетом только горизонтальной скорости фильтрации. В некоторых случаях (зна­чительная роль инфильтрации загрязненных вод в водоносный го­ризонт с поверхности, вертикальная фильтрационная неоднород­ность, повышенная плотность инфильтрующихся вод и др.) для выделенных полос тока целесообразно изучать миграцию в про­фильно-двухмерном потоке с учетом различия горизонтальных и вертикальных составляющих скорости фильтрации; методика этих расчетов рассмотрена в работах О. Стрэка, В. М. Шестакова и Л. С. Рыбниковой.

Модель конвективного переноса веществ, или «поршневого» вытеснения воды одного состава водой другого состава, широко используется в СССР и за рубежом не только при прогнозе каче­ства воды в связи с оценкой эксплуатационных запасов подзем­ных вод, но и при разработке проектов технических мероприятий по защите подземных вод от загрязнения, а также для расчетов границ зон санитарной охраны водозаборов подземных вод (см. главы 9 и 10).

Для прогноза массопереноса в подземных водах применяют различные методы расчета — аналитические (для простых схем фильтрации и миграции), графоаналитические, а также аналого­вое и численное моделирование. Методика аналитических расче­тов, позволяющих для некоторых схематизированных условий и расчетных схем определить на основе модели конвективного пе­реноса время и дальность продвижения границы раздела чистых и загрязненных вод при работе водозабора, изложена в работах [1, 3 — 5,8, 9, 11, 12, 17,25,34 и др.]

При моделировании фильтрации и массопереноса на ЭЦВМ используются конечно- и вариационно-разностные численные ме­тоды, причем последние реализуются обычно в виде различных модификаций метода конечных элементов. На ЭЦВМ также обыч­но вначале моделируют фильтрационный поток, а затем по отдель­ным направлениям рассчитывают миграцию. Известны моделирую­щие системы, в которых модели фильтрационного течения и мас­сопереноса объединены [34, 36]. Примером успешного использования модели конвективного переноса веществ с целью прогноза качества воды в проектируемом водозаборе является исследование, выполненное для Шадринского водозабора в доли­не р. Исети [27]. Прогноз качества подземных вод оказался не­обходимым в связи с ожидаемым перетоком из выше- и нижеле­жащих водоносных горизонтов. Здесь из трех этажно расположен­ных и взаимосвязанных водоносных горизонтов (сверху вниз, четвертичный аллювиальный в песках, нижнеэоценовый в опоках, верхнемеловой в песках и песчаниках) для централизованного водоснабжения выбран средний, залегающий на глубине 30 — 40 м. Водоносные горизонты разделены слабопроницаемыми толщами — диатомитовой и аргиллитово-мергельной. Гидрохимические условия района характеризуются плановой и вертикальной неоднородно­стью водоносных горизонтов, связанной с разгрузкой подземных вод в пойменной части долины и влиянием региональных глубин­ных тектонических нарушений. Минерализация (в г/дм³) подзем­ных вод с глубиной увеличивается: в четвертичном горизонте она составляет в среднем 0,6 (местами более 1), в нижнеэоценовом опоковом 1,9 (в плане минерализация изменяется от 0,8 до 3,5, а в разрезе от кровли к подошве увеличивается в 1,5 — 3 раза), в верхнемеловом 6 — 8. В условиях работы проектируемого водо­забора, имеющего большую производительность, в опоковый горизонт будут привлечены подземные воды из аллювиального и верх­немелового водоносных горизонтов. Прогноз фильтрации в много­слойной толще и изменений химического состава подземных вод опокового горизонта при водоотборе выполнен на численной не­стационарной математической модели. По результатам моделиро­вания установлено, что через 25 лет основная часть (75%) водо-отбора будет формироваться за счет перетока из четвертичного аллювиального горизонта, а остальная часть (25%) — за счет при­влечения воды из удаленных участков опокового. Расчеты концен­трации солей в отбираемой воде, проведенные по схеме смешения вод различной минерализации, подходящих к водозабору по от­дельным полосам тока, показали, что в начальный период минера­лизация составит 1,61 г/дм³, через три года эксплуатации она увеличится до 1,68 г/дм³ (из-за привлечения более минерализо­ванных вод опокового горизонта с участков, приуроченных к дну долины), а затем, вследствие поступления пресных вод аллюви­ального горизонта, начнет снижаться и через 13 лет составит 1,5 г/дм³, а через 25 лет — 1,43 г/дм³.

Более сложная численная модель миграции, учитывающая фи­зико-химические процессы, применена Дж. Робертсоном при изу­чении распространения радиоактивных и химических отходов от ядерных реакторов в подземных водах. Фильтрационный поток был отражен на конечно-разностной модели; в модель массопере­носа включены конвективный перенос, двухмерная дисперсия, ра­диоактивный распад и обратимая равновесная сорбция по линей­ной изотерме.

Для изучения миграции стронция в численной модели, разра­ботанной К. Миллером и Л. Бенсоном [42], кроме конвективно-дисперсионного переноса отражены сорбция ионов и комплексов на твердой фазе, формирование комплексов в водной фазе, дис­социация. Уравнения, характеризующие взаимодействие веществ, их перенос и ионный обмен, выражены в дифференциальной и ал­гебраической формах и решаются совместно. Методика численного моделирования для изучения миграции в системе пресные воды — соленые воды при эксплуатации водозабором линз пресных вод, залегающих над минерализованными водами, предложена Я. и X. Рабинами [45].

Г Л А В А 6.