Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования

Казак, Екатерина Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования"

На правах рукописи

004618271

Казак Екатерина Сергеевна

ФОРМИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗА В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ВОДОЗАБОРНЫХ УЧАСТКОВ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ГЕОМИГРАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

25.00.07 Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва — 2010

1 6 ДЕН ?010

004618271

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Поздняков Сергей Павлович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Швец Владимир Михайлович

кандидат геолого-минералогических наук Галицкая Ирина Васильевна

Ведущая организация: ГНЦ РФ ОАО «НИИ ВОДГЕО»

Защита состоится 17 декабря 2010 года в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г.Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 119991, ГСП-1, г.Москва, Ленинские горы, МГУ имени М. В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.001.30, профессору В. Н. Соколову.

Автореферат разослан 16 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор:

Соколов В. Н.

Основные положения

Актуальность исследования. Пресные подземные воды в меньшей степени, чем поверхностные, подвержены загрязнению и представляют собой ценный источник водоснабжения. Широко распространенным естественным компонентом в подземных водах на территории Российской Федерации является железо, содержание которого может в несколько раз превышать предельно допустимую концентрацию (ПДК) для питьевого водоснабжения - 0,3 мг/л. Данное обстоятельство ограничивает непосредственное использование таких вод для целей водоснабжения и требует сооружения дорогостоящих станций обезжелезивания. Помимо наземных очистных сооружений в последнее время получила широкое внедрение технология внутрипластовой очистки подземных вод от железа, но эффективность ее применения зависит от типа вод и форм железа в них.

Часто с началом эксплуатации береговых водозаборных сооружений качество извлекаемых подземных вод ухудшается и в их составе наряду с другими компонентами может появиться железо. Поэтому изучение миграции железа в подземных водах в районах водозаборов, несомненно, актуально, так как оно не только позволяет прогнозировать изменение качества используемой воды, но и оценить характер, масштаб и эффективность методов обезжелезивания в заданных условиях.

Основная цель исследования состоит в разработке и апробации методики прогноза концентрации железа в подземных водах в районе водозаборных участков на основе многокомпонентного геомиграционного моделирования.

Основные задачи исследования:

1) Анализ существующих моделей поведения железа в подземных водах при различных гидрогеохимических условиях.

2) Обоснование структуры общей прогнозной модели миграции железа в подземных водах зоны активного водообмена.

3) Разработка состава и объемов работ по определению форм и содержания железа в поверхностных водах водоемов, в подземных водах, в донных отложениях и породах водоносных горизонтов для параметрического обеспечения геомиграционного моделирования.

4) Апробация геомиграционной модели железа на конкретных водозаборных участках применительно к проблеме обезжелезивания подземных вод на Амурском подземном водозаборе (АПВЗ, г. Комсомольск-на-Амуре) и формированию железа в извлекаемых подземных водах на Воронежских водозаборах (г. Воронеж).

них. Основные положения и выводы работы основаны на теоретических и натурных исследованиях, а также численных экспериментах по применению общей модели миграции железа в подземных водах на конкретных объектах.

Полевые и лабораторные исследования по опробованию поверхностных и подземных вод, донных отложений и водовмещающих пород для определения форм железа выполнены автором на территории берегового водозабора в г. Воронеже. В основу изучения эффективности метода внутрипластовой очистки подземных вод на АПВЗ положены результаты опытных работ, выполненных ООО «Дальгеология» и ГНЦ РФ ОАО «НИИ ВОДГЕО».

Для моделирования миграции железа использовались программные пакеты PHREEQC-2, MODFLOW 2000, MT3Dms и Radial.

Научная новизна исследования:

1) Обоснована структура многокомпонентной модели миграции железа в водах зоны активного водообмена, которая может быть использована для прогноза качества подземных вод.

2) Исследована чувствительность модели окисления двухвалентного железа растворенным кислородом к температуре и рН воды, концентрации растворенного кислорода, константам поверхностного комплексообразования железа на его гидроокиси и емкости катионного обмена (ЕКО) водовмещающих пород.

3) На основе серии полевых и лабораторных экспериментов, а также при помощи разномасштабного численного моделирования удалось выявить основные процессы накопления и перераспределения железа по пути фильтрации «поверхностная вода -донные отложения - водоносных горизонт - скважина» и установить наиболее вероятный источник железа в подземных водах, извлекаемых береговыми водозаборами в г. Воронеже.

Практическая значимость исследования:

1) Обоснованная прогнозная модель миграции железа в водах зоны активного водообмена достаточно универсальна и может быть использована для решения практических задач на различных объектах, в частности, для оценки эффективности внутрипластовой очистки подземных вод и прогноза содержания железа в водах, отбираемых береговыми водозаборами.

2) Результаты работы использованы в проекте переоценки запасов для водоснабжения г. Воронежа при обосновании программы исследований и мониторинга качества поверхностных вод, поровых вод донных отложений Воронежского водохранилища и подземных вод на береговых водозаборах.

Защищаемые положения: 1) Для оценки формирования железа в подземных водах на водозаборных участках необходимо использовать многокомпонентную модель миграции. Эффективное

применение этой модели на конкретных объектах требует изучения состава поверхностных и подземных вод, определения форм нахождения железа в водовмещающих породах и донных отложениях, что позволяет выбрать оптимальную структуру многокомпонентной модели и набор моделируемых гидрогеохимических процессов для прогнозных расчетов.

2) Многокомпонентная модель внутрипластового обезжелезивания для подземных вод с температурой менее 10 °С и рН менее 6,8 чувствительна к параметрам кинетики окисления двухвалентного железа (температура, рН, концентрация растворенного кислорода), что следует учитывать при обосновании регламента работы систем внутрипластовой очистки.

3) Формирование повышенной концентрации железа в подземных водах неоген-четвертичного водоносного горизонта при их эксплуатации береговыми водозаборами г. Воронежа происходит за счет выноса железа из донных отложений водой, привлекаемой из Воронежского водохранилища.

4) Для прогноза загрязнения подземных вод береговых водозаборов компонентами, привнесенными из донных отложений привлекаемой водой водоемов, необходимо использовать комбинацию из крупно- и мелкомасштабной моделей. Крупномасштабная модель вертикальной многокомпонентной миграции через донные отложения описывает гидрогеохимические трансформации и перенос в них, а мелкомасштабная плановая геомиграционная модель использует в качестве граничных условий выходные концентрации компонентов из донных отложений, полученные на крупномасштабной модели, и позволяет определить их миграцию в плановом потоке к водозаборным скважинам.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования и положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), Международном симпозиуме «Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы» (Санкт-Петербург, 2007), IX межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования-2008» (Санкт-Петербург, 2008), Первой Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной памяти В. А. Мироненко (Санкт-Петербург, 2010), Международной конференции «Water Rock Interaction-13» (Guanajuato, 2010), Международной конференции «Groundwater Quality 2010» (Zurich, 2010), Международной конференции «International Groundwater Symposium» (Valencia, 2010).

Публикации. Основные положения работы изложены в 10 публикациях, в том числе в 2-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 178 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 59 рисунков,

19 таблиц. Список использованных источников включает 110 отечественных и 36 зарубежных наименований.

Благодарности. Автор признательна и благодарена научному руководителю профессору С. П. Позднякову за помощь и всестороннюю поддержку, терпение и понимание в процессе выполнения и написания работы. При выполнении работы особо ценные консультации и рекомендации были получены от профессоров кафедры:

A. В. Лехова, В. М. Шестакова, К. Е. Питьевой, а также профессора Л. Лукнера и д-ра Ф. Биллека (Дрезден, ОвЬ^ е. V.), к. г.-м. н. М. В. Мироненко (Геохи РАН), которым автор глубоко благодарна. Часть полевых и лабораторных экспериментов была бы не возможна без помощи С. А. Смирновой, Н. Н. Муромец и участия студентов кафедры гидрогеологии

B. Н. Самарцева и А. А. Карповой. Автор признательна всем преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии Геологического факультета МГУ за полученные знания в процессе обучения. За помощь в выполнении лабораторных испытаний автор признательна сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии доценту Е. Н. Самарину, с. н. с. В. В. Крупской и с. н. с. кафедры геохимии Т. В. Шестаковой.

Автор в бесконечном долгу перед своими родителями и глубоко признательна супругу А. В. Казаку за моральную поддержку и предоставленную возможность заниматься научной деятельностью в процессе учебы в аспирантуре.

Содержание работы

Глава 1. Гидрогеохимия железа в подземных водах зоны активного

водообмена

Миграция и накопление железа в подземных водах обусловлены внешними (геолого-литологические, гидрогеологические, геохимические и пр.) и внутренними факторами, обеспечивающими его гидрогеохимические особенности, важнейшие из которых по данным С. Р. Крайнева, Б. Н. Рыженко, В. М. Швеца: а) переменная валентность железа и образование малорастворимых соединений со многими анионами подземных вод (Ре(ОН)з(5), Ре(ОН)2, РеСОэ, РеР04 и др.); б) окисление Ре21 с последующим гидролизом Ре3+ + ЗОН" —»Ре(ОН)3 и образованием малорастворимого гидроксида Ре(ОН)3(5); в) образование железом устойчивых комплексных соединений с органическими веществами гумусового ряда, что способствует его накоплению в подземных водах в концентрации, во много раз превышающей ПДК.

Железо может накапливаться и мигрировать в подземных водах не только в растворенном виде как простые ионы, неорганические и органические комплексные соединения, но и в виде коллоидов, взвесей, адсорбционных соединений на взвесях и коллоидах. Большой вклад в изучение гидрогеохимических свойств железа, форм его нахождения в подземных водах и процессов трансформации внесли С. А. Брусиловский,

C. Р. Крайнов, Б. Н. Рыженко, В. М. Швец, Г. А. Соломин, В. А. Закутан, Ф. И. Тютюнова,

A. И. Труфанов, Ю. Н. Водяницкий, В. С. Алексеев, Г. М. Коммунар, Е. В. Середкина,

B. Г. Тесля, К. Е. Питьева, В. А. Лехов, С. A. J. Appelo, D. Postma, W. Stumm, R. M. Cornell, U. Shcwertmann, D. A. Dzombak, F. M. M. Morel, S. Mettler, S. K. Sharma, J. J. Morgan и др.

Принято выделять три геохимических типа железосодержащих подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения согласно С. Р. Крайневу, Г. А. Соломину и др.: бескислородные-бессульфидные подземные воды, подземные воды с высокими концентрациями органического вещества и сульфидные железосодержащие воды. Распределение этих вод в земной коре на территории Евразии значительно и подчинено общей геохимической и окислительно-восстановительной зоналыюстям подземных вод.

В последнее время наблюдается тенденция увеличения железа в подземных водах зоны активного водообмена, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Загрязнение подземных вод происходит в ходе изменения существующей гидрогеохимической обстановки (Eh и pH) на более благоприятную для его накопления. Принимая во внимание гидрогеохимические особенности железа и результаты предыдущих исследований можно выделить несколько причин техногенного загрязнения подземных вод железом, а именно: а) поступление загрязняющих веществ (например, органической природы), интенсифицирующих процессы комплексообразования железа в гидрогеохимических системах и расширяющих Eh-pH диапазон его водной миграции; б) привлечение бескислородных подземных вод из нижележащих водоносных горизонтов в результате закономерного снижения уровня в вышележащих в процессе интенсивного водоотбора; в) окисление железосодержащих сульфидов в породах верхних водоносных горизонтов, а также поступление кислых дождей и кислых загрязняющих стоков горнопромышленных предприятий, разрабатывающих сульфидные месторождения; г) поступление железа в подземные воды береговых водозаборов в результате его выноса из донных отложений и водовмещающих пород в процессе привлечения поверхностных вод. В результате этих причин формируются обширные техногенные провинции железосодержащих подземных вод в районах, где в природных условиях содержание железа в подземных водах больше нормативного было не свойственно.

Глава 2. Общая модель миграции железа в подземных водах

Поведение железа в подземных водах, обусловленное его гидрогеохимическими особенностями и способностью к химическому взаимодействию с растворенными веществами и твердыми фазами, обязывает использовать в процессе моделирования многокомпонентную модель миграции железа. Общая модель миграции железа в подземных водах включает в себя блок многокомпонентного переноса в гомогенной среде и блок многокомпонентных гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций.

Блок многокомпонентного переноса. Модели переноса компонентов в подземных водах применительно к проблемам их загрязнения

рассматривались в публикациях В. М. Шестакова, Л. Лукнера, В. А. Мироненко и В. Г. Румынина, А. В. Лехова и других исследователей.

Рассмотрим систему, состоящую из «-компонентов, влияющих на поведение и миграцию железа в подземных водах. Каждый из «-компонентов, включая различные формы железа, не только переносится подземными водами (вследствие конвекции, молекулярной диффузии и дисперсии), но и участвует в различных химических реакциях. Тогда, в общем виде для ¡-то компонента уравнение конвективно-дисперсионного массопереноса в одномерном потоке выглядит следующим образом

дС, дС, „ д2С, М,

где С, - концентрация /'-го компонента в растворе, моль/л; /-время, сут; и-активная пористость среды; V - скорость фильтрации, м/сут; х - пространственная координата, м; Аг, - концентрация ¿-го компонента в породе, моль/л; £)/, = £)„ + 8¡у - коэффициент продольной микродисперсии, м2/сут, Д, - коэффициент молекулярной диффузии, м2/сут;

- диспереивность, м; гг, - интенсивность поступления г-го компонента за счет гидрогеохимических взаимодействий в растворе и твердой фазе, моль/л/сут.

Блок г идро геохимичес к их взаимодействий и трансформаций основан на особенностях гидрогеохимии железа в подземных водах и может быть представлен в виде схемы, содержащей основную и факультативную части (рис. 1).

Основная часть отражает процессы распределения железа между твердой и жидкой фазами (растворение, осаждение, сорбция и др.) и его основные гидрогеохимические особенности (окисление двухвалентного железа (Ре2+), гидролиз трехвалентного железа (Ре5+), осаждение труднорастворимой гидроокиси железа (Ре(ОН)з(5)), образование устойчивых комплексных соединений с органическими веществами гумусового ряда).

В подземной гидрогеохимической системе железо содержится как в жидкой фазе (в виде разнозаряженных ионов, комплексов, коллоидов), так и в твердой (в виде минералов, взвешенных частиц, сорбированном виде). При попадании кислорода (02) в подземную систему, содержащую растворенное Ре2+, происходит его окисление. Одновременно освобождаются новые порции

Ре2+ из твердой фазы водовмещающих пород вследствие десорбции, катионного обмена и растворения минералов железа. Поступившее в раствор Ре2+, в свою очередь, окисляется О2, окисленное Ре3' подвергается гидролизу и осаждается в виде Ре(ОН)з(5). Суммарная реакция окисления Ре2+ растворенным в воде 02 следующая:

Ре2+ + 1 /402 + 5/2Н20 <=> Ре(ОН)вд + 2Н+ (2)

Новоосажденная Ре(0Н)з(5), накапливается на основной массе породы, обладает высокой емкостью поглощения ионов металлов, в том числе и растворенного железа, и характеризуется, каталитическим эффектом для окисления Ре2+. По данным

Ф. И. Тютюновой, R. М. Cornell, U. Schwertmann и др., свежий коагулят железа имеет емкость поглощения до 150мг-экв/г. Для описания процессов обмена ионов с поверхностью аморфного оксогидроксида трехвалентного железа (феррогидрита) с общей формулой FeOOH xHiO (условная формула Hfo) широко используется предложенная D. A. Dzombak и F. М. М. Morel модель поверхностной сорбции и комплексообразования. Со временем наблюдается дегидратация (потеря ОН" групп) Fe(OH)3(s), что повышает плотность осадка гидроокиси железа, снижает его объем и сорбционную емкость.

Содержание в воде растворенного органического вещества сильно влияет на миграционные свойства железа по причине образования устойчивых железо-органических комплексных соединений. По данным С. Р. Крайнева, Б. Н. Рыженко, В. М. Швеца, Г. М. Варшала, Д. С. Орлова, J. С. G. Esteves da Silva и других исследователей константы устойчивости комплексных соединений фульвокислот (ФК) с Fe2+ составляют 4,7 ^ 9,8, а с Fe3+ - 7,1 + 30,5. Органические комплексы Fe2+ осложняют его окисление 02, а органические комплексы Fe3+ способны противостоять его гидролизу и осаждению, тем самым замедляя окисления железа. Поэтому блок гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций железа в подземных водах, содержащих органические кислоты, должен учитывать их влияние на поведение железа, в противном случае возможно получение неверных результатов расчета. Следует отметить, что комплексообразование железа с органическими кислотами еще не достаточно хорошо изучено. В частности возникают проблемы при определении состава функциональных групп и молекулярных масс органических кислот, нет однозначности в значениях их констант устойчивости с железом.

| Коллоидная форма железа i

J Кинетика химических реакций j

Распределение железа между 1 твердой и жидкой фазой

Основные гидрогеохимические свойства железа:

• окисление Ре2*, гидролиз Ре3*, осаждение Ре(ОН)№| и его последующая дегидратация («старение»);

• образование устойчивых комплексных соединений с органическими кислотами.

J Конкурентное потребление 02 j > другими компонентами '

j Катионный обмен и j I собрция I

Условные обозначения: Основная часть iL™«. J Факультативная часть

Рис. 1. Общая структура блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций.

Факультативная часть включает в себя процессы взаимодействия и трансформации железа, которые при определенных условиях влияют на его поведение в системе и могут быть учтены в процессе моделирования.

■ Кинетика химических реакций определяет скорость протекания процессов в системе. В различных условиях определяющей может быть как кинетика окисления или восстановления железа, так и кинетика сорбции, растворения и осаждения. Для упрощения расчетов принимается, что суммарную скорость процессов в системе определяет кинетика наиболее медленной реакции превращения железа, например по данным С. A. J. Appelo и D. Postma кинетика окисления Fe2+ растворенным 02. Согласно лабораторным экспериментам W. Stumm, J. J. Morgan, W. Sung, F. J. Millero и др. в гидрокарбонатных околонейтральных водах скорость окисления Fe2+ растворенным 02 существенно зависит лишь от pH и температуры воды и для закрытой по 02 системы может быть описана как

где |Ре2+] - концентрация Ре2+ в растворе, ммоль/л; [02] - концентрация растворенного 02,

ммоль/л; р - стехиометрический коэффициент реакции (2), равный 0,25; [ОН"] = —*--

[Н ]

концентрация ОН" в растворе, ммоль/л, [Н+] - концентрация Н+ в растворе, ммоль/л, которую получают, зная рН воды (рН = К„ - константа ионного произведения

где I - ионная сила раствора, к0 - константа скорости реакции Oogk0 = 21,56-1545/7), Т— температура раствора, °К.

По данным W. Stumm, J. J. Morgan, F. J. Millero, В. С. Алексеева, Г. М. Коммунара, Б. В. Середкиной, Г. И. Николадзе и др. окисления Fe2+ замедляется при снижении pH и температуры раствора, увеличении минерализации и содержания органических веществ.

В системе с анаэробными условиями может наблюдаться восстановление оксидов железа органическим веществом и микроорганизмами, приводящее к переходу Fe2+ в раствор, при этом, например, кинетика растворения гетита (FeOOH) согласно D. Postma, С. A. J. Appelo, В. Zinder, W. Stumm и др. может быть описана следующим образом

^p=*[Fe2+][02][0H-]\ at

^ = ßA[Fe2+][02][OH"]2,

(3)

(4)

воды; к — общая константа окисления Fe2+, ммоль"3-л3мин"', определяемая как: log к = log к0 - 3,29/"2 +1,52/,

(5)

(6)

где к* - коэффициент массобмена, с"1, характеризующий выход массы с твердой поверхности некоторой площадью ^ (м2) при взаимодействии с раствором объемом V (м3)

• г 2

и равный к = к—, где к - константа скорости растворения, моль/м/с; т0 - начальное

содержание кристаллов, моль; т, - масса нерастворившихся кристаллов минерала на момент времени /, моль.

По результатам измерений Р. \Versin при восстановлении гетита органическим веществом в донных отложениях оз. Грайфейнзи (Швейцария) к' равняется 1,27-10'9 с'1.

■ Конкурентное потребление О2 другими компонентами в восстановительной форме (Мп2+, растворенные органические кислоты, Н8~, ЫН/ и пр.) на свое окисление.

■ Процессы сорбции и катионного обмена учитываются в расчетах при содержании в твердой фазе глинистых минералов, оксидов и гидроксидов металлов (алюминия, марганца и др.), органических веществ, способных вступать с железом в процессы обмена.

■ Коллоидная форма железа (Ре(ОН)з) переносится потоком подземных вод вследствие конвекции и дисперсии, механически удерживается в поровой среде, приводя к кольматации порового пространства и уменьшению общей проницаемости пласта.

В зависимости от конкретной гидрогеохимической обстановки и имеющихся входных данных представленная на рис. 1 структура блока взаимодействий и трансформаций может быть модифицирована путем добавления к основной факультативных частей, актуальных для рассматриваемых условий. Поэтому основным свойством блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций является гибкость и универсальность, позволяющая применять его для решения различных задач миграции и превращения железа.

Глава 3. Моделирование внутрипластового обезжелезивания подземных вод

на примере АПВЗ

В главе описана технология внутрипластового обезжелезивания подземных вод, приведены достоинства и недостатки метода, выполнен анализ работ, посвященный механизмам окисления Ре2+ в пласте.

Объект исследования. Амурский подземный водозабор (АПВЗ) приурочен к озерно-аллювиальным и аллювиальным отложениям р. Амура (г. Комсомольск-на-Амуре, РФ) и эксплуатирует плиоцен-четвертичный водоносный горизонт мощностью 34 + 51 м, подземные воды которого преимущественно гидрокарбонатные со смешанным катионным составом, характеризуются невысоким рН (6,5 + 6,6) и температурой (4-^9 °С), высоким содержанием железа (до 35,4 мг/л), марганца (до 1,43 мг/л), повышенной концентрацией свободной углекислоты (до 177 мг/л).

ООО «Дальгеологией» были выполнены опытные работы по внутрипластовому обезжелезиванию подземных вод на АПВЗ с использованием односкважинной схемы для закачки аэрированной воды с последующей откачкой из этой же скважины. Было проведено 14 циклов по «закачке-откачке» воды. Измеренное содержание железа в подземной воде в процессе опыта приведено на рис. 3.

45 60 75 90 Время, сут

105 120 135

Модель миграции для внутрипластового

обезжелезивания подземных вод. Рассмотрим модель для случая окисления Ре3+, когда подача и отбор воды происходит через одну и ту же эксплуатационную скважину.

Блок гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций при внутрипластовой очистке подземных вод от железа формируется путем выбора из общей структуры блока

(рис. 1) процессов, представленных на рис. 2. При этом основная часть включает в себя следующие процессы: десорбция железа при поступлении в пласт аэрированной воды, окисление Ре2+ растворенным 02, гидролиз Ре3+, его последующее осаждение как Ре(ОН)ад, сорбция растворенного Ре2+ на свежеосажденную гидроокись во время откачки (рис. 2). Факультативная часть включает процессы катионного обмена и кинетику окисления Ре2+ растворенным 02 (рис. 2), определяющую скорость всего процесса и описанную системой уравнений (3) - (4).

Чувствительность блока

гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций к параметрам кинетики окисления Ре2+, константам

поверхностного комплексообразования Ре2+ на Нйз и ЕКО водовмещающих пород определялась в два этапа.

На первом этапе влияние кинетики окисления Ре2+ на эффективность процесса внутрипластового

обезжелезивания подземных вод на АПВЗ было оценено путем расчета характерного времени протекания полуреакции окисления Ре2+ (/1/2) растворенным СЬ для диапазона температур 1 + 25 °С и рН 6,0 - 8,0. Для этого использовалась система уравнений

Рис. 3. Изменение концентрации железа во времени.

Кинетика окисления Ре2*

Десобция Ре2*

Сорбция Ре2* на Ре(ОН)3(!]

Окисление Ре2* и гидролиз Ре3*

Осаждение Ре(ОН)

3<5|

Катионный обмен

Условные обозначения Основная

г- ——-1 Факультативная 1 * часть

Рис. 2. Блок гидрогеохимических взаимодействии и трансформаций при внутрипластовой очистке подземных вод от железа.

(3) - (4), решение которой при начальной концентрации железа в подземной воде [Ре кислорода в аэрированной воде [03]тах имеет следующий вид:

[Бе ](Г) =

[О2](0 =

ехр[-^[0Н-]2[02]таха-1)]-/,'

где Ь = (5

Лехр^г/с[0Н]2[02](1ШХ(/,— 1)]- 1'

(8)

Откуда, характерное время протекания реакции окисления половины начального количества Ре2, в закрытой по 02 системе ((|/г), равно:

Щ2-Ц

(9)

к[0Н-]2[02]т^Ь-1У

Результаты расчетов ¡\,2 при характерных для подземных вод АПВЗ I = 0,004, [Те2+]щ| = 0,63 ммоль/л и [02]тах = 0,33 ммоль/л приведены на рис. 4. Пунктирная линия соответствует \gt\a = 0, то есть характерному /1/2 = 1 сут. При одной и той же температуре, чем больше рН, тем быстрее протекает полуреакция окисления Ре2+. Для подземных вод АПВЗ с низкой температурой (летом 9 °С, зимой 4 °С) и невысокими рН (6,5 -=- 6,8) влияние кинетики окисления Ре2+ на процесс обезжелезивания в пласте оказывается существенным, так как период окисления половины начального количества Ре2+ может достигать 3 -=- 10 сут и более, что превышает среднюю продолжительность цикла «закачка-откачка» для АПВЗ. Соответственно, в дальнейших расчетах для условий подземных вод АПВЗ необходимо учитывать кинетику окисления Ре2+ растворенным 02.

На втором этапа чувствительность к изменению температуры, рН подземной воды, концентрации растворенного 02 в аэрируемой воде, константам поверхностного комплексообразования Ре2+ на Шо и ЕКО пород определялась посредством термодинамического моделирования в пакете РН11ЕЕ(5С-2 для фиксированного времени взаимодействия аэрированной воды и подземных вод в пласте, равного 3 сут. При этом определялось изменение

8-, 7,8-

концентрации образовавшейся гидроокиси железа в диапазоне рН 5,00-9,00 с шагом 0,05 и температуры воды от 4,00 до 20,00 "С с шагом 0,04 °С.

Принимая во внимание сложность процессов при внутрипластовой очистке

подземных вод от железа, на

6,6 6,4 6.26-

~~ -Т--__

___ --■о-

1 2 3 4 5 6 7

9 1011 1213141516171819 20 21222324 25 Температура,°С

Рис. 4. Изменение \ogtm окисления Ре'* растворенным 02 < зависимости от температуры и рН подземной воды.

этой стадии моделирования был принят упрощенный состав гидрогеохимической системы. Расчеты производились в закрытой по 02 и С02 системе без учета переноса веществ, в которой был задан упрощенный средний для АПВЗ химический состав подземной воды (температура = 9 °С; pH = 6,5; Eh = -107 мВ; Mg2+ = 0,4, Са2+ = 0,8, Na+ = 0,1, Feo6lo = 0,63, НСО3' = 2, S042~ = 0,2, СГ = 0,4 ммоль/л) и твердой фазы пород, содержащей гетит с начальной концентрацией 100мг/кг и ЕКО = 0,5 мг-экв/100 г. Для расчетов были использованы константы равновесия поверхностного комплексообразования Fe2+ на Hfo, полученные D. А. Dzombak и F. М. М. Morel В Лаборатории (log^Hfo sOFe+ ~~ -0,95; log/cHfo_wOFe- = -2,98; logfcHfo_sOFeOH = -11,55). Окисление Fe2+ - основная причина потребления 02 ([02]тах= 0,33 ммоль/л), кинетика его окисления лимитирует скорость всего процесса и определяется системой (3) - (4).

Для оценки чувствительности к pH и температуре была выбрана 10 % чувствительность, отражающая

насколько изменится содержание окисленного железа в системе при изменении температуры и pH на 10 %. В результате вычислений наблюдается значительное увеличение содержания окисленного железа в системе в области pH 6,2 -5- 8,4 и температур 4 н- 20 °С (рис. 5), это означает, что при характерных для подземных вод АПВЗ температурах 4 - 9 °С и pH 6,5 : 6,6 блок гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций сильно чувствителен к изменению данных параметров.

В результате расчетов установлено, что модель слабо реагирует на ±10% изменение констант равновесия поверхностного комплексообразования Fe2+ на Hfo от значений, полученных D. А. Dzombak и F. М. М. Morel в лаборатории для синтезированного Hfo. В диапазоне температур 4-=- 10°С и области pH 5,6^7,4 модель мало чувствительна к изменению ЕКО (0,5 и 5 мг-экв/100 г), а в области pH 6,0-^ 7,0 и 7,8^-8,1 - к изменению начального содержания [02]тах на ±30 % по отношению к измеренной в ходе опытных работ на АПВЗ концентрации 02 в закачиваемой воде (0,33 ммоль/л).

Моделирование опыта внутрипластоеой очистки па АПВЗ. Модель миграции включает 2 компонента: растворенные Fe2+ и 02, способные мигрировать в подземной воде

рн

Рис. 5. Карта 10 % чувствительности к рН и температуре, изолинии - изменение содержания гидроокиси железа, моль/л.

и вступать в гидрогеохимические взаимодействия. Считаем, что дисперсионное рассеивание 02 и Ре2+ в пласте пренебрежимо мало, а образующееся в результате окисления Ре3+ не переносится, а сразу выпадает в осадок, при этом объемная доля осадка мала, чтобы изменить пористость и проницаемость водовмещающего пласта. Согласно В. М. Шестакову и Л. Лукнеру конвективный перенос СЬ и Ре2+ в открытом поровом пространстве с учетом сорбции Ре2+ и кинетики взаимодействия Рс2' и 02 (система (3) -(4)) в радиальной системе координат путем трансформации выражения (1) может быть описан как:

Э[0,] </Э[0,1

п-

- fM[Fe2* ][0, ][ОН~ f, (10)

п-

3f г дг dt dt г дг

SfFe3*]^ Г [Fe2+] rc,+ I

* (12)

Начальные и граничные условия на период полуцикла закачки для системы (10) - (12) следующие:

[Ре2+](г,0) = [Ре2+]ы,[0,](г,0) = 0;

[Рс2+](0,О = 0, [0,](0,0 = [0,]шл; (13)

[Ре^КЛ^) = = 0;

где удельный расход откачки или закачки, м2/сут; [Ре2+]мгЬ - концентрация сорбированного на породе железа, ммоль/л; г- радиальная координата, м; у - коэффициент

■л; /?т„ =

II ппт

кинетики сорбции, сут ; Kj - безразмерный коэффициент сорбции;

" ппт

радиус влияния, до которого не достигнет фронт поршневого вытеснения, м; Qmax-максимальный расход закачки, м3/сут; tmax - максимальное время закачки, сут; п -пористость; т - мощность активной зоны, м. При t > (полуцикл откачки) в скважине концентрации железа и кислорода вычисляются.

Моделирование было выполнено в программе «Radial». Условия моделируемого опыта были следующие. Вначале в скважину закачивалась аэрированная вода с [СЧтах= 0,33 ммоль/л и [Fe2+] = 0 ммоль/л, затем откачивалась подземная вода, при этом [Fe2+] и [02] рассчитывались. Общее количество циклов составляло 14, [Fe2+]m¡ = 0,63 ммоль/л, рН = 6,5, температура = 4 и 9 °С, т = 13 м, и = 0,25,1 = 0,004, у = 10 сут"1, Rmax = 31 м. Следует отметить, что в ходе расчетов не учитывалось изменение температуры и рН подземной воды в ходе «закачки-откачки».

На первом этапе моделирования был определен равный 3,5, при котором результаты моделирования удовлетворительно описывают полевой эксперимент (рис. 3),

поэтому предложенная модель миграции железа может использоваться для оценки эффективности метода подземного обезжелезивания и прогнозных расчетов.

На следующем этапе моделирования анализировалась эффективность обезжелезивания, в качестве показателя которой выбрано потребление 02 на окисление Fe2+. Установлено, что чем больше Кл рН и температура подземной воды, тем больше 02 расходуется на окисление Fe2+ и тем эффективнее протекает процесс внутрипластового обезжелезивания подземных вод. Для условий подземных вод АПВЗ с невысокой температурой 4 9 "С и рН 6,5 + 6,6 за 1 цикл «закачка-откачка» средней продолжительностью 12 сут только 10 30 % растворенного 02 потребляется на окисление Fe2+, а 70 - 90 % возвращается с откачиваемой водой. Повышение эффективности метода может быть достигнуто, например, путем увеличения концентрации 02 в закачиваемой воде путем ее принудительного пересыщения кислородом (рис. 3) или увеличением времени простоя скважины после закачки аэрированной воды для завершения кинетических процессов потребления 02 до начала откачки.

Глава 4. Формирование железа в подземных водах водозаборов г. Воронежа

В районе г. Воронежа на берегах Воронежского водохранилища расположен ряд водозаборов, используемых для централизованного водоснабжения. Подземные воды, отбираемые этими водозаборами, содержат в повышенных концентрациях железо и требуют предварительной очистки перед подачей потребителям.

В главе представлены результаты исследования поведения железа в системе «водохранилище - донные отложения - подземные воды - водозабор», полученные в ходе экспериментальных работ и численных расчетов с использованием обоснованной для данного объекта модификации общей модели миграции железа, с целью установления источников формирования его повышенной концентрации в подземных водах скважин водозаборного сооружения (ВС) и прогноза их изменений в процессе эксплуатации.

Объект исследования. ВС № 4 (г. Воронеж, РФ) является по гидрогеологическим условиям типичным береговым водозабором и состоит из 2-х рядов эксплуатационных скважин: 1-й ряд находится на намытой площадке среди Воронежского водохранилища и удален на 250 300 м от Н-го ряда, расположенного вдоль правого берега водохранилища. ВС № 4 эксплуатирует безнапорный неоген-четвертичный водоносный горизонт мощностью 30 ■*■ 40 м, сложенный разнозернистыми песками с включением гальки и маломощными прослоями глин и суглинков. Восполнение запасов подземных вод на ВС№4 по данным расчета П.Вана на 91% происходит за счет привлечения поверхностной воды водохранилища, а на 9 % - за счет бытового потока.

После сооружения Воронежского водохранилища химический состав подземных вод водозаборных скважин претерпел изменения, главным последствием которого явилось появление в воде железа в концентрации, на порядок и более превышающей ПДК.

Атмосферные осадки*

Подземная вода

водозаборных скважин

Поверхностная вода Воронежского водохранилища

II РЯД

I ряд

рН 6,1+8,5 ЕМ0+124м8 Ог 7,4+ 11,8 мг/л Релаб 0,00 + 0,29 мг/л Реэакомпл 2,20 + 8,30 мг/л

Взвешенные вещества: Ре 2,7 + 8,3 мг/л

Те. фаза: РегОз 3,92 + 6,40 % "— РеСОз 0,35 + 1,85 % Сорг 2,0 + 6,5 % Раствор: рН 6,9 + 7,5

ЕЙ-107 +-212 мВ РеЛаб 0,31 + 5,48 мг/л Резакомлл 5,99 + 15,3 мг/л

Донные отложения

Рис. 6. Основные результаты экспериментальных работ (минимальное + максимальное значение; предельные ошибки определения рН - ±0,02; ЕЪ - ±0,5 мВ; 02 - ±0,4 мг/л; Ре - ±0,05 мг/л; Рс,0] - ±0,02 %; РеСО1 - ±0,02%, С,,,, - ±0,1%); *-по данньш А. Я. Смирновой, Л. Н. Строгановой и др.

На основе анализа литературных и фондовых данных были выделены потенциальные источники железа в подземных водах скважин ВС №4: 1) поверхностные воды Воронежского водохранилища; 2) подземные воды неоген-четвертичного водоносного комплекса, поступающие с бытовым потоком, и атмосферные осадки, формирующие питание подземных вод; 3) донные отложения Воронежского водохранилища; 4) водовмещающие породы; 5) продукты коррозии железных фильтров и обсадных труб.

Экспериментальное измерение железа в подземных, поверхностных, придонных и поровых водах в районе ВС №4, исследование состава донных отложений и водовмещающих пород неоген-четвертичного водоносного горизонта на предмет содержания минералов железа были выполнены автором в августе 2008 и 2009 гг. В главе представлена разработанная автором методика и схема опробования для полевых и лабораторных исследований. На рис. 6 отражены результаты измерения рН, ЕЬ, содержания и различных форм железа (лабильного Гс,:ай, в органических комплексах Рвзаюши) коллоидного Рек,,л) в подземных, поверхностных, поровых водах, водах родников, содержание остальных компонентов (НСО3-, Са2+, ЫН/, НА ХПК и пр.) и подробный состав твердой фазы донных отложений и водовмещающих пород представлены в работе.

Обнаружено, что содержание лабильного железа (Не™) в поверхностных водах Воронежского водохранилища не превышает ПДК, а концентрация железа в органических комплексах (Ремком,ш) достигает 28 ПДК. Концентрация железа во взвеси воды водохранилища увеличивается с глубиной водоема и достигает в придонном слое 8,3 мг/л (рис. 6). На границе «поверхностная вода - донные отложения» происходит резкая смена окислительных условий на восстановительные, что способствует накоплению железа, содержание которого по направлению «поверхностная вода водохранилища - придонная

вода - поровый раствор донных отложений» увеличивается (рис. 6). Как в поверхностных, так и в поровых водах большая часть общего железа (78 97 %) находится в виде органических комплексов. По данным анализа (рис. 6) твердая фаза донных отложений содержит 3,92 6,40 % железа как Fe203 и до 0,35-М,85% карбонатного железа как FeCC>3, а также обогащена органическим веществом - С„р| = 2,0 6,5 %.

В восстановительной обстановке толщи донных отложений протекает процесс деструкции органического вещества (условная формула jCHiO}), приводящий к перераспределению форм железа между твердой и жидкой фазами (рис. 7). В частности, наблюдается восстановление его гидроксидов до Fe2+ согласно реакции

2{СН20} + 4FeOOH + 2Н+ = 2HCOf + 4Н20 + 4Fe2+. (14)

При этом часть перешедшего в раствор Fe2+ переосаждается в другой минеральной форме (карбонатной и пр.) или сорбируется глинистыми минералами, гидроксидами металлов и органическим веществом, а другая часть, преимущественно в виде органических комплексов, мигрирует с нисходящим потоком воды водохранилища в подземные воды, восстановительная обстановка которых благоприятствует созданию техногенной геохимической провинции железа (рис. 7).

Восстановление гидроксидов железа органическим веществом в анаэробных условиях донных отложений отмечалось и изучалось многими исследователями (Д. Хатчинсон, В. М. Швец, К. Е. Питьева, П. Н. Линник, W. Stumm, J. J. Morgan, D. Postma и др.) и широко наблюдается в поверхностных водоемах, например, в оз. Диир (Вашингтон, США) оз. Тайху (Китай), оз. Грайфейнзи (Швейцария) и др.

Обнаружено, что подземные воды водозаборных скважин схожи по составу с

поверхностными, но характеризуются значительным содержанием общего растворенного железа Feo6[u до 17-И 01 ПДК (рис. 6). Следует отметить, что железо представлено в лабильной, преимущественно, 2-х валентной форме, в коллоидной форме (FeK0„ О-И 7% от Fe06iu), образующейся, вследствие окисления и коррозии фильтров скважин, и в виде органических комплексов (FeMK0Mll, = 2 - 83 %). Содержание Feo6lI1 в подземных водах водозаборных скважин уменьшается при удалении от водохранилища: от 1-го ряда ко И-му. Содержание железа как Fe203 в твердой фазе водовмещающих песков неоген-

Взвесь ' Fe ■<=?» Растворенные формы Fe Fe F Fe(ll), Fe(lll), Fe(ll, Ш)-ФК FeÜ^ __ = 3 с 3 Z к с X с с г £ m 2 т <N СО т + •I- о ю £ UJ

1 1 Железобактерии \

{СН20} Сорбция на тинистьк Лч минералах, оксидах Y^^OOhV__металлов и °РГ- веществе ^Донные отложения ю »- с* о> .ей UJ ' X а

\..... Fe1*, Fe(ll, Ш)-ФК / 1 3 5 ' § q О Ш Я ГОРИЗОНТ Eh -7 -88 мВ pH 6.8 * 7,4

Рис. 7. Схема выноса железа из донных отложений в процессе фильтрации воды водохранилища в водоносный пласт.

четвертичного водоносного горизонта составляет 0,22 %, что более чем на порядок меньше этого содержания в донных отложениях (рис. 6).

Воды родников сильно отличаются по химическому составу от поверхностных и подземных вод скважин и не содержат железа в своем составе (рис. 6). Согласно литературным данным, подземные воды неоген-четвертичного водоносного горизонта до строительства Воронежского водохранилища не содержали железа. По данным А. Я. Смирновой, Л. Н. Строгоновой и других исследователей атмосферные осадки также не содержат железа (рис. 6). В области захвата ВС № 4 не обнаружено наземных объектов, способных загрязнять подземные воды железом.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований выявлено, что формирование железа в воде, отбираемой скважинами ВС № 4, вероятнее всего происходит в результате трансформации состава воды водохранилища в процессе ее фильтрации через донные отложения, в которых протекают процессы перераспределения железа между твердой и жидкой фазами (рис. 7), миграции этой воды по пласту к скважинам, смешения в скважине трансформированной воды водохранилища и бытового потока подземных вод.

Моделирование формирования железа в подземных водах в районе береговых водозаборов Воронежского водохранилища. В ходе моделирования предполагалось проверить возможность формирования железа в поровой воде донных отложений в процессе восстановления гетита органическим веществом, исследовать, как быстро заданное содержание гетита может быть израсходовано, и не произойдет ли самоочищение донных отложений в ходе длительной нисходящей фильтрации вод водохранилища, а также получить на выходе из донных отложений концентрацию железа для ее дальнейшего использования при расчетах миграции железа в пласте.

Моделирование выполнено с использованием двух разномасштабных связанных между собой моделей: крупномасштабной модели многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения и мелкомасштабной модели миграции железа в пласте к водозаборным скважинам.

Используя модель многокомпонентной миграции воды водохранилища через дойные отложения, предполагается получить концентрацию железа на выходе из колонки донных осадков для ее дальнейшего использования как граничное условие при расчетах миграции железа в пласте. Основная часть блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций при миграции через донные отложения включает следующие процессы (рис. 8): восстановление гидроксида железа органическим веществом, осаждение других минеральных форм железа (сидерита и др.), образование устойчивых органических комплексов железа (с ФК и др.). Факультативная часть включает сорбцию и катионный

{ Потребление 02 (на окисление (МН/, ' I органического вещества и др.) '

Восстановление гидроксида железа органическим веществом

Образование других минеральных форм железа (сидерит и пр.)

Образование органических комплексов железа

Катионный обмен и сорбция

Кинетика восстановления гидроксида железа

Основная часть

Рис. 8. Блок

взаимодействий и

Факультативная часть

гидрогеохимических трансформаций для

моделирования многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения.

обмен, кинетику восстановления гидроксидов железа органическим веществом, добавочное потребление 02 на окисление ЫН4+, Н28, органического вещества и др. (рис. 8).

Рассматривается многокомпонентная одномерная миграция без учета диффузионного переноса в процессе фильтрации воды водохранилища через колонку донных отложений мощностью 1 м. В гидрогеохимическую систему заданы полученные в результате

экспериментальных работ усредненные составы жидкой и газообразной фаз и упрощенный состав твердой фазы (РеООН, {СН20}, РеСОз, СаСОз) с ЕКО = 45мг-экв/ЮОг. В системе происходит восстановление гетита органическим

веществом, при этом скорость его растворения определяется выражением (6). Многокомпонентный состав воды водохранилища, фильтрующийся через колонку донных отложений, задан согласно результатам опытных работ. В случае пересыщения раствора в системе задавалась возможность выпадать в виде твердой фазы сидериту, но кинетика его осаждения и растворения не рассматривалась. При моделировании не учитывалось накопление новых порций донных отложений в ходе седиментации взвеси воды водохранилища и сорбция железа на органическом веществе. Расчеты многокомпонентной миграции выполнены в программе РН11ЕЕ(ЗС-2 при характерных скоростях фильтрации воды через донные отложения 0,18 0,002 м/сут. Общее время расчета - 50 лет.

В результате расчетов установлено, что снижение содержания железа в твердой фазе донных отложений связано с восстановлением гетита органическим веществом, причем, чем больше скорость фильтрации, тем быстрее он растворяется: при скорости фильтрации 0,16 м/сут через 2,5 года весь гетит израсходуется, при 0,06 м/сут - через 4 года, при 0,002 м/сут - через 29,5 лет. Часть перешедшего в раствор Бе2* переосаждается в виде сидерита, а часть мигрирует с водой водохранилища в виде неорганических и органических комплексов с ФК. Когда весь гетит израсходовался, в системе, согласно принятой схематизации, наблюдается медленное растворение сидерита в ходе поступления в колонку воды водохранилища.

Рис. 9 отражает зависимость выходной концентрации железа из колонки донных отложений на 25 год расчета от скорости фильтрации воды водохранилища. Видно, что

чем меньше скорость фильтрации, тем большее количество растворенного железа поступает из донных отложений, но начиная со скорости 0,04 м/сут, оно практически не меняется (рис. 9). При этом содержание Рсобш составляет 0,153 +0,166 ммоль/л (8,57 - 9,29 мг/л), содержание Релав - 0,007 + 0,011 ммоль/л (0,39 + 0,62 мг/л), что соотносится с диапазоном концентрации железа в поровой воде донных отложений, полученным в ходе экспериментальных работ (рис. 6).

Проведенные расчеты по вышеописанной модели

многокомпонентной миграции, несмотря на принятые допущения, показали неплохую согласованность с экспериментальными данными и подтвердили возможность протекания процессов трансформации и мобилизации железа из донных отложений в ходе его выноса фильтрующейся водой водохранилища. Для моделирования миграции железа в пласте можно использовать в качестве граничного условия под дном водохранилища среднюю выходную концентрацию железа - 0,156 ммоль/л (рис. 9).

Модель миграции железа в пласте основана на региональной и локальной (район ВС № 4) геофильтрационных моделях, построенных Н. Н. Муромец, С. П. Поздняковым, П. Ваном и др. При моделировании миграции железа в неоген-четвертичном водоносном горизонте рассматривается однокомпонентный перенос общего растворенного железа от водохранилища к водозаборным скважинам, полагая, что Релаб и Резакомпл переносятся с одинаковой скоростью, что позволяет рассматривать их в модели в качестве одного компонента Ре0бЩ. Принято, что водовмещающие породы, имеющие по данным рентгенофлуорисцентного анализа до 0,12% валового железа в своем составе, содержат его в инертных формах, не взаимодействующих с фильтрующейся водой. Поэтому гидрогеохимические взаимодействия в водовмещающем пласте не рассматривались, а миграция Ре0бщ моделировалась, как перенос нейтрального компонента. В качестве начального условия на момент пуска водозабора задано [Ре0бщ] = 0, что соответствует наличию в пласте только бытового потока подземных вод, разгружающихся в водохранилище. В момент пуска водозабора постепенно начинается перехват скважинами бытового потока и привлечение воды из водохранилища, которая изменяет свой состав в процессе миграции через донные отложения, получая на выходе из них ненулевую

Скорость фильтрации, м/сут

Рис. 9. Концентрация железа на выходе из донных отложений на 25 год расчета при различных скоростях фильтрации воды водохранилища.

концентрацию растворенного железа. Для учета этого процесса в качестве граничной концентрации железа под ложем водохранилища использовались данные его средней выходной концентрации из донных отложений, полученные в результате многокомпонентного моделирования на крупномасштабной модели миграции (рис. 9) -0,156 ммоль/л. В мелкомасштабную модель эта концентрация задавалась в безразмерном виде, то есть концентрации 0,156 ммоль/л соответствовала безразмерная концентрация равная 1. Общее время расчета - 25 лет.

В результате моделирования получено, что в процессе эксплуатации водоносный горизонт в районе участка ВС № 4, затронутый привлекаемым потоком со стороны водохранилища, содержит загрязненную железом подземную воду. Более того, за счет этого привлечения наблюдается загрязнение подземных вод неоген-четвертичного горизонта севернее и южнее ВС № 4. Принимая во внимание, что как вариант рассматривается расширение участка ВС № 4 на север, а также строительство новых ВС на исследуемой территории, то необходимо создать мониторинговые профиля для наблюдения за качеством подземных вод на прилегающих к водозаборным рядам участках.

В главе также представлены результаты тестового моделирования размыва донных отложений, направленного на снижения содержания железа в подземных водах скважин. Согласно расчетам это мероприятие оказалось весьма эффективным - уже на 100 сут после размыва содержание железа в водах скважин ВС снизилось в 2 раза. Поэтому рекомендуется создать опытно-производственный участок размыва в процессе переоценки запасов подземных вод на одном из ВС в районе Воронежского водохранилища, например на ВС № 4. В ходе опытных работ следует оценить возможность появления в подземных водах водозаборных скважин других токсичных компонентов (тяжелых металлов, органических веществ, бактерия и пр.), которые могли бы быть задержаны донными отложениями в процессе фильтрации через них привлекаемой воды водохранилища. Если данные работы покажут качественную и экономическую эффективность, то в дальнейшем подобную методику можно будет использовать на существующих ВС г. Воронежа.

Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1) Гидрогеохимия железа обуславливает необходимость для изучения и прогнозов его поведения в подземных водах использовать многокомпонентную модель миграции. Общая многокомпонентная модель миграции железа в подземных водах, включающая в себя блоки многокомпонентного переноса и многокомпонентных гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций, обладает универсальной структурой и может быть модифицирована в зависимости от состава рассматриваемой системы, поставленных целей и задач, имеющихся начальных условий.

2) Установлено, что многокомпонентная модель миграции для целей внутрипластового обезжелезивания подземных вод с температурой менее 10 °С и рН менее 6,8 существенно

чувствительна к параметрам, определяющим кинетику окисления двухвалентного железа кислородом - температуре, рН и концентрации растворенного 02. Поэтому при прогнозных оценках эффективности внутрипластового обезжелезивания таких вод и проектирования систем очистки необходимо учитывать кинетику окисления в прогнозных расчетах для обоснования регламента их работы.

3) В результате экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования обнаружено, что в процессе эксплуатации береговыми водозаборами г. Воронежа подземных вод неоген-четвертичного водоносного горизонта формирование повышенной концентрации железа в них происходит за счет его выноса из донных отложений водой Воронежского водохранилища, при этом доминирующей формой миграции железа являются его органические комплексы.

4) Согласно результатам экспериментальных исследований и моделирования, основной растворенной формой железа в подземных водах в районе береговых водозаборов г. Воронежа являются его органические комплексы, которые в силу своей большой устойчивости могут осложнить процесс очистки воды от железа и не определяются в рамках стандартной системы мониторинга качества воды. В связи с этим необходимо расширить рамки существующего мониторинга качества подземных вод, добавив изучение содержания, динамики и устойчивости органических комплексов железа.

5) Состав экспериментальных работ для оценки условий миграции железа в районе береговых водозаборов должен обязательно включать опробование подземных вод водозаборных и наблюдательных скважин, привлекаемых поверхностных вод и поровых вод донных отложений на определение величин ЕЬ, рН, концентрации лабильных, коллоидных и органических форм железа, а также содержания его различных минеральных форм в водовмещающих породах и донных отложениях. Это позволит обосновать оптимальную структуру блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций для общей модели миграции железа.

6) При изучении миграции железа в несопоставимых пространственных масштабах, например, через донные отложения к скважинам берегового водозабора, общая модель миграции железа расщепляется на две разномасштабные связанные между собой модели: крупномасштабную модель вертикальной одномерной фильтрации и многокомпонентной миграции через донные отложения и мелкомасштабную плановую геомиграционную модель, в качестве граничных условий в которую задаются выходные из донных отложений концентрации компонентов, полученные на крупномасштабной модели.

Список публикаций автора по теме диссертационной работы

1) Казак, Е. С. Изучение миграции железа в подземных водах (на примере водозаборов г. Воронеж) / Е. С. Казак // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2010. - № 6. - С. 513-520.

2) Казак, Е. С. Моделирование внутрипластового обезжелезивания подземных вод / Е. С. Казак, С. П. Поздняков // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4, Геология. - 2010. - № 6. - С. 6874 (в печати).

3) Kazak, Е. S. Simulation of in-situ iron removal test from groundwater in Far East of the Russian Federation [Электронный ресурс] / E. S. Kazak, S. P. Pozdniakov // Extended abstracts CD-ROM of the International Groundwater Symposium, 22-24 Semptember 2010, Valencia, Spain. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

4) Kazak, E. S. Sensitivity of model of ferrous iron oxidation by oxygen in groundwater system [Электронный ресурс] / E. S. Kazak, S. P. Pozdniakov // Extended abstracts CD-ROM of the 13th Water Rock Interaction Conference, 16-20 August 2010, Guanajuato, México. -1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

5) Kazak, E. S. Field study and iron reactive simulation in riverbank water supply well fields [Электронный ресурс] / E. S. Kazak, S. P. Pozdniakov // Extended abstracts CD-ROM of the 7th Groundwater Quality (GQ 2010) Conference: Groundwater quality management in a rapidly changing world, 13-18 June 2010, ETH Zurich, Switzerland. - P. 50-53. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

6) Казак, E. С. Формирование железа в подземных водах, отбираемых береговым водозабором в г. Воронеже / Е. С. Казак // Первая Всероссийская конференция молодых ученых, посвященная памяти В. А. Мироненко. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2010. - С. 48-52.

7) Kazak, E. S, Investigation of the in-situ iron removal process (with a special focus to the sensitivity analysis) / E. S. Kazak. - DGFZ е. V., Dresden, 2008. - 50 p.

8) Казак, E. С. Чувствительность термодинамической модели окисления железа к параметрам, определяющим эффективность внутрипластовой очистки подземных вод / Е. С. Казак, С. П. Поздняков // Школа экологической геологии и рационального недропользования - 2008: материалы девятой межвузовской молодежной конференции (24-28 ноября 2008 г.). - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2008. - С. 216-219.

9) Казак, Е. С. Влияние кинетики окисления двухвалентного железа и коэффициента сорбции на эффективность обезжелезивания подземных вод в пласте / Е. С. Казак, С. П. Поздняков // Международный Симпозиум «Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы»: Тезисы докладов. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2007. - С. 54-57.

10) Крузина, Е. С. Влияние кинетики окисления двухвалентного железа на эффективность обезжелезивания подземных вод в пласте / Е. С. Крузина // Материалы докладов XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». - М.: Изд-во МГУ, 2006. - T. II. - С. 44-45. - Адрес ресурса в сети интернет: http://www.lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2006/Pdf/Geology.pdf.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Казак, Екатерина Сергеевна

Введение.

1. Гидрохимия железа в подземных водах зоны активного водообмена.

1.1 Общие сведения о геохимии железа.

1.2 Формирование железа в подземных водах.

1.2.1 Внутренние факторы миграции.

1.2.2 Внешние факторы миграции

1.3 Типы железосодержащих подземных вод.

1.3.1 Бескислородные - бессульфидные подземные поды

1.3.2 Подземные воды с высокими концентрациями органического вещества.

1.3.3 Сульфидные железосодержащие воды.

1.4 Техногенное загрязнение подземных вод железом.

1.5 Распространение вод с повышенным содержанием железа на территории Евразии.

1.6 Выводы.

2. Общая модель миграции железа в подземных водах.

2.1 Блок многокомпонентного переноса.

2.2 Блок гидрохимнчеасих взаимодействий и трансформаций.

2.2.1 Основная часть блока взаимодействий и трансформаций.-.

2.2.2 Факультативная часть блока взаимодействий и трансформаций.

2.3 Выводы.-.

3. Моделирование внутрипластового обезжелезивания подземных вод на примере АПВЗ.

3.1 Общие сведения о методе внутрипластового обезжелезивания подземных вод

3.2 Характеристика объекта исследования.

3.2.1 Физико - географическая характеристика.J—

3.2.2 Краткая геолого-гидрогеологическая характеристика.I

3.2.3 Опытно-технологические работы на АПВЗ.

3.3 Модель внутрипластового обезжелезивания подземных вод.

3.3.1 Обоснование модели миграции железа.

3.3.2 Моделирование опыта внутрипласговой очистки подземных вод

3.4 Выводы.

4. Формирование железа в подземных водах водозаборов г. Воронежа.

4.1 Характеристика объекта исследования.

4.1.1 Общие сведения—.-.

4.1.2 Физико-географическая характеристика.

4.1.3 Краткая гидрогеологическая характеристика.

4.1.4 Потенциальные источники железа в подземных водах.

4.2 Экспериментальное измерение содержания железа.

4.2.1 Методика опробования.

4.2.2 Схема опробования.

4.2.3 Основные результаты экспериментальных работ.

4.2.4 Обсуждение результатов.—

4.2.5 Предварительные выводы.

4.3 Моделирование формирования железа в подземных водах в районе береговых водозаборов Воронежского водохранилища.—.-------..-------.

4.3.1 Модель многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения

4.3.2 Модель миграции железа в пласте

4.4 Выводы-----------------------------------------.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования"

Основные задачи исследования:

3 ) Разработка состава и объемов работ по определению форм и содержания железа в поверхностных водах водоемов, в подземных водах, в донных отложениях и породах водоносных горизонтов для параметрического обеспечения геомиграционного моделирования.

4 ) Апробация геомиграционной модели железа на конкретных водозаборных участках применительно к проблеме обезжелезивания подземных вод на Амурском подземном водозаборе (АПВЗ, г. Комсомольск-на-Амуре) и формированию железа в извлекаемых подземных водах на Воронежских водозаборах (г. Воронеж).

Методы исследования. Для решения поставленных задач были проанализированы отечественные и зарубежные публикации по вопросам гидрогеохимических закономерностей поведения железа в водах зоны активного водообмена и оценки факторов, определяющих формы и особенности миграции железа в них. Основные положения и выводы работы основаны на теоретических и натурных исследованиях, а также численных экспериментах по применению общей модели миграции железа в подземных водах на конкретных объектах.

Для моделирования миграции железа использовались программные пакеты PHREEQC-2, MODFLOW 2000, MT3Dms и Radial.

Научная новизна исследования:

1 ) Обоснована структура многокомпонентной модели миграции железа в водах зоны активного водообмена, которая может быть использована для прогноза качества подземных вод.

3) На основе серии полевых и лабораторных экспериментов, а также при помощи разномасштабного численного моделирования удалось выявить основные процессы накопления и перераспределения железа по пути фильтрации «поверхностная вода - донные отложения - водоносных горизонт - скважина» и установить наиболее вероятный источник железа в подземных водах, извлекаемых береговыми водозаборами в г. Воронеже.

Практическая значимость исследования:

1 ) Обоснованная общая прогнозная модель миграции железа в водах зоны активного водообмена достаточно универсальна и может быть использована для решения практических задач на различных объектах, в частности, для оценки эффективности внутрипластовой очистки подземных вод и прогноза содержания железа в водах, отбираемых береговыми водозаборами.

По результатам проведенных исследований сформулированы следующие защищаемые положения :

1) Для оценки формирования железа в подземных водах на водозаборных участках необходимо использовать многокомпонентную модель миграции. Эффективное применение этой модели на конкретных объектах требует изучения состава поверхностных и подземных вод, определения форм нахождения железа в водовмещающих породах и донных отложениях, что позволяет выбрать оптимальную структуру многокомпонентной модели и набор моделируемых гидрогеохимических процессов для прогнозных расчетов.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования и положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: ХШ Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), Международном симпозиуме «Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы» (Санкт-Петербург, 2007), IX межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования-2008» (Санкт-Петербург, 2008), Первой Всероссийской конференции молодых ученых, посвященной памяти В. А. Мироненко (Санкт-Петербург, 2010), Международной конференции «Water Rock Interaction-13» (Guanajuato, 2010), Международной конференции «Groundwater Quality 2010» (Zurich, 2010), Международной конференции «International Groundwater Symposium» (Valencia, 2010).

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 178 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 59 рисунков, 19 таблиц. Список использованных источников включает 110 отечественных и 36 зарубежных наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Казак, Екатерина Сергеевна

4.4 Выводы

Изучение формирования железа в подземных водах, извлекаемых ВС № 4, было выполнено посредством ознакомления с опубликованной и фондовой литературой, проведения экспериментальных полевых и лабораторных исследований, многокомпонентного геомиграционного моделирования.

В результате экспериментальных работ путем опробования подземных, поверхностных и поровых вод, донных отложений Воронежского водохранилища и пород водоносного горизонта, удалось установить наиболее вероятный источник железа в подземных водах водозаборных скважин - донные отложения, содержащие минералы железа (до 6,4% гидроксида железа (табл. 4.9) и до 1,85% сидерита (табл. 4.8)) и предположить протекание наиболее вероятных процессов, приводящих к формированию его концентрации в подземных водах. Обнаружено, что поверхностная вода водохранилища претерпевает изменение своего состава, проходя через донные отложения, в частности приобретает высокую концентрацию растворенного железа (рис. 4.14), мобилизующегося в результате восстановления его гидроксида органическим веществом. Далее вода мигрирует к водозаборным скважинам, где наблюдается ее смешение с бытовым подземным потоком с берега. Экспериментально установлено, что основной формой миграции железа являются органические комплексы, но также присутствуют лабильные и коллоидные формы железа (табл. 4.5).

Проведенное моделирование многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения показало, что термодинамически возможно протекание процессов перераспределения минеральных форм железа за счет восстановления гетита растворенным органическим веществом и переосаждение части желаза в виде сидерита. При заданных параметрах модели, чем больше скорость фильтрации воды водохранилища через донные отложения, тем быстрее произойдет их промывка от гетита. Часть перешедшего в раствор железа по данным расчета мигрирует из донных отложений преимущественно в виде органических комплексов с фульвокислотой. Таким образом, получается, что высокое содержание растворенного железа в рассматриваемой системе определяется заданной концентрацией фульвокислоты, что согласуется с полученными экспериментальными данными (табл. 4.5),

Результаты моделирования при различных скоростях движения воды за 25 лет показали, что концентрация растворенного железа в донных отложениях изменяется во времени, а на выходе из них в среднем составляет 0,156 ммоль/л и немного увеличивается с уменьшением скорости фильтрации. Следует отметить, что доля мигрирующего из колонки лабильного железа достигает 6 % от общего растворенного. Таким образом, расчетные значения соответствуют диапазону концентрации железа, полученной в процессе опробования поровой воды донных отложений (табл. 4.5).

В ходе расчетов однокомпонентной миграции железа в пласте к водозаборным скважинам удалось получить распределение его безразмерной концентрации в плане. Установлено, что весь водоносный горизонт в районе ВС № 4, затронутый привлекаемым потоком со стороны водохранилища, содержит загрязненную железом подземную воду. Более того, в процессе эксплуатации будет наблюдаться загрязнение подземных вод неоген-четвертичного горизонта севернее и южнее ВС№ 4 (рис. 4.28). Принимая во внимание, что в будущем планируется расширение существующего ВС, а также строительство новых в районе исследуемой территории, то необходимо, создание мониторинговых профилей, для наблюдения за качеством подземных вод на прилегающих к водозаборным рядам участкам.

Учитывая, что результаты тестового моделирования показали высокую эффективность реабилитационных мероприятий по снижению содержания железа в донных отложениях, связанных с их размывом (рис. 4.29), рекомендуется создание опытно-производсвенного участка размыва в процессе переоценки запасов подземных вод на одном из ВС, расположенных в районе данного водохранилища, например на ВС №4. В ходе этих рекомендованных работ следует также оценить возможность появления в подземной воде других токсичных компонентов (тяжелых металлов, органических веществ, бактерия и пр.), которые задерживаются донными отложениями в процессе фильтрации воды водохранилища в пласт. В случае если данные работы покажут качественную и экономическую эффективность, то в дальнейшем подобную методику можно будет использовать на существующих ВС г. Воронежа.

Оценка условий миграции железа в районе береговых водозаборов может быть выполенена с использованием общей модели миграции, оптимальная структура блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций которой обосновывается по данным, полученным в результате экспериментальных (полевые и лабораторные) работ. При этом состав экспериментальных работ должен включать опробование подземных вод водозаборных и наблюдательных скважин, привлекаемых поверхностных вод и поровых вод донных отложений на определение величин Eh и рН in situ, концентрации сульфидов, иона аммония, нитрат и нитрит ионов, растворенного кислорода, сульфат, гидрокарбонат ионов, жесткости и органического углерода, а также обязательно установление концентрации различных растворенных форм железа (лабильного, коллоидного и закомплексованного с органическим веществом) и содержания его минеральных форм, а также органического вещества в водовмещающих породах и донных отложениях. Пространственно-временная структура опробования (количество точек отбора, их расположение, воспроизводимость) должна определяться исходя из условий на конкретных объектах.

Заключение

На основании исследований, проведенных в области разработки и апробации методики прогноза концентрации железа в подземных водах в районе водозаборных участков на основе геомиграционного моделирования можно сделать следующие выводы:

2) Установлено, что многокомпонентная модель миграции для целей внутрипластового обезжелезивания подземных вод с температурой менее 10 °С и рН менее 6,8 существенно чувствительна к параметрам, определяющим кинетику окисления двухвалентного железа кислородом - температуре, рН и концентрации растворенного кислорода. Поэтому при прогнозных оценках эффективности внутрипластового обезжелезивания таких вод и проектирования систем очистки необходимо учитывать кинетику окисления в прогнозных расчетах для обоснования регламента их работы.

4 ) Согласно результатам экспериментальных исследований и моделирования, основной растворенной формой железа в подземных водах в районе береговых водозаборов г. Воронежа являются его органические комплексы, которые в силу своей большой устойчивости могут осложнить процесс очистки воды от железа и не определяются в рамках стандартной системы мониторинга качества воды. В связи с этим необходимо расширить рамки существующего мониторинга качества подземных вод, добавив изучение содержания, динамики и устойчивости органических комплексов железа.

5 ) Состав экспериментальных работ для оценки условий миграции железа в районе береговых водозаборов должен обязательно включать опробование подземных вод водозаборных и наблюдательных скважин, привлекаемых поверхностных вод и поровых вод донных отложений на определение величин Eh, pH, концентрации лабильных, коллоидных и органических форм железа, а также содержания его различных минеральных форм в водовмещающих породах и донных отложениях. Это позволит обосновать оптимальную структуру блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций для общей модели миграции железа.

В процессе исследования миграции железа в подземных водах были получены следующие результаты:

1) Оценка чувствительности блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций при окислении двухвалентного железа растворенным кислородом показала, что для вод с температурой менее 10 °С с значениями pH менее 6,8 влияние кинетики окисления Fe2+ оказывает существенное влияние на процесс внутрипластовой очистки подземных вод и обязательно должно быть учтено в расчетах. Блок характеризуется слабой чувствительность к изменению констант поверхностного комплексообразования железа на своей гидроокиси относительно лабораторных значений для синтезированного феррогидроксида и в дальнейших расчетах могут быть использованы лабораторные константы, полученные D. А. Dzombak и F. М. М. Morel. Выявлена чувствительность к изменению начального содержания кислорода в закачиваемой воде в диапазоне pH 6,0+7,0 и от 7,8+8,1 и температур 4+-20 °С. Для околонейтральных значений pH (5,6+7,4) в области температур 4-+10°С процессы катионного обмена будут иметь факультативный характер и учитываются в расчетах или нет в зависимости от состава водовмещающих отложений.

2 ) В результате моделирования опыта внутрипластовой очистки подземных вод на АПВЗ с использование двухкомпонентной модели миграции установлено, что эффективность потребления кислорода в процессе внутрипластовой очистки подземных вод зависит от коэффициента сорбции железа на водовмещающих породах и от параметров, определяющих кинетику окисления (температура и рН воды). При этом, чем выше будут их значения, тем больше кислорода будет потрачено на окисление двухвалентного железа, следовательно, тем эффективней будет очистка.

3) В результате проделанных экспериментальных исследований в районе ВС № 4 в г. Воронеже установлено, что основным источником железа в подземных водах, извлекаемых водозаборными скважинами, являются минералы железа, содержащиеся в донных отложениях водохранилища, и выявлены наиболее вероятные процессы, отвечающие за вынос и перераспределение форм железа между твердой и жидкой фазами донных отложений. К этим процессам относятся - восстановление гидроксидов железа растворенным органическим веществом, переосаждение часта восстановленного железа в другой минеральной форме (сидерит, пирита и др.) и вынос оставшейся растворенной доли железа нисходящим потоком поверхностной воды в водоносный горизонт. Количественно определено, что доминирующей формой миграции железа по пути фильтрации «вода водохранилища - донные отложения - водоносный горизонт - подземные воды скважин» являются его органические комплексы, в меньшей степени представлена лабильная форма железа.

4) Проведенное моделирование с использование крупномасштабной многокомпонентной модели миграции воды водохранилища через донные отложения показало, что термодинамически возможно протекание обозначенных по результатам экспериментальных работ процессов трансформации и перераспределения железа между донными отложениями и поровой водой. Расчетами подтверждено, что высокая выходная концентрация растворенного железа (на порядок превышающая ПДК) в данном случае обусловлена его гидрогеохимической способностью образовывать устойчивые органические комплексы с кислотами гумусового ряда.

5) В ходе расчетов с использованием мелкомасштабной однокомпонентной модели переноса общего железа в водоносном пласте к водозаборным скважинам удалось установить плановое распределение безразмерной концентрации железа на исследуемой территории ВС№ 4. По данным расчета уже в первые годы работы ВС будет достигнут стационарный режим максимального содержание железа в подземном потоке со стороны водохранилища к скважинам. Более того, со временем следует ожидать загрязнения железом природных подземных вод водоносного неоген-четвертичного горизонта к северу и югу от рассматриваемого ВС за счет подтягивания трансформированной в донных отложениях поверхностной воды водохранилища.

В свете изложенных результатов представляются обоснованными следующие рекомендации:

Для увеличения эффективности потребления кислорода на окисление двухвалентного железа в подземных водах АПВЗ (рН 6,4+6,6 и температура 4+9 °С), следует проводить дополнительные мероприятия, например, повысить содержание растворенного кислорода в закачиваемой воде или увеличение времени простоя скважины после полуцикла закачки перед полуциклом откачки для завершения кинетических процессов потребления кислорода до начала цикла откачки. Оценочные расчеты показали, что проведение данных мероприятий приведет к ощутимому снижению содержания железа в откачивающей скважине (до 45 %) в ходе внутрипластового обезжелезивания подземных вод.

По данным проведенного прогнозного геомиграционного моделирования, область загрязнения подземных вод железом в районе берегового ВС № 4 в г. Воронеже имеет протяженный вдоль берега водохранилища размер, затрагивая даже области вне ВС, поэтому рекомендуется на стадии разведочных работ до строительства новых водозаборов или при расширения имеющегося провести дополнительные исследования, направленные на опробование потенциально загрязненных участков неоген-четвертичного водоносного горизонта, разработать и внедрить эффективную систему мониторинга. Принимая во внимание, что основной растворенной формой железа в подземных водах являются его органические комплексы, то рекомендуется расширить рамки существующего мониторинга за качеством подземных вод, добавив определение различных форм железа (лабильного, коллоидного, закомплексованного с органическими веществами). Согласно данным мониторинга подобрать наиболее эффективный регламент очистки с учетом разрушения органических комплексов железа в отбираемых подземных водах перед их подачей в распределительную сеть.

Учитывая, что результаты тестового моделирования показали высокую эффективность реабилитационных мероприятий, связанных с размывом донных отложений и снижением содержания железа в подземной воде водоносного горизонта, рекомендуется создание опытно-производсвенного участка размыва в ходе переоценки запасов подземных вод на одном из ВС, расположенных в районе данного водохранилища, например на ВС № 4. Наряду с мониторингом изменения содержания различных форм железа в подземных водах на опытном участке необходимо исследовать возможное появление в них других компонентов (тяжелых металлов, органических поллютантов, бактерий и пр.), которые могли бы быть задержаны на природном барьере донных отложений в процессе фильтрации через них привлекаемой воды водохранилища.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Казак, Екатерина Сергеевна, Москва

1. Александрова, JI. Н. Органические вещества почв и процессы его трансформации / JI. Н. Александрова. JL: Недра, 1980. - 288 с.

2. Алексеев, В. С. Гидрогеологические проблемы регулирования качества подземных вод / В. С. Алексеев, Г. М. Коммунар, Н. В. Астрова. М.: ВИНИТИ, 1984. -87 с.

3. Аринушкина, Е. В. Руководство по химическому анализу почв / Е. В. Аринушкина. М.: Изд-во МГУ, 1970. - 489 с.

4. Архипов, Б. С. Факторы и процессы формирования подземных железистых вод в северо-восточной части Средне Амурского артезианского бассейна / Б. С. Архипов, В. В. Кулаков // Гидрогеологические исследования. 1979. - С. 94—102.

5. Ахметьева, Н. П. Палеогеография нижнего Приамурья / Н. П. Ахметьева. -М.: Наука, 1977,-112 с.

6. Богдановская, В. В. Потоки кислорода на границе вода-осадок (по результатам исследований в Кандалакшском заливе Белого моря) / В. В. Богдановская, А. В. Вершинин, А. Г. Розанов // Геохимия. 1998. - № 11. - С. 1172-1178.

7. Болдырев, К. А. Применение методов геохимического моделирования в задачах окисления растворенного железа (II) / К. А. Болдырев // Водоснабжение, водоотведение. Гидротехника и инженерная гидроэкология. Сборник трудов. 2007. -Вып. 11.-С. 39-53.

8. Борисов, А. А. Климатография Советского Союза / А. А. Борисов. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1970. 311 с.13 ) Бочаров, В. Л. Экологическая геохимия марганца / В. Л. Бочаров, М. Н. Бугреева, А. Я. Смирнова. В.: ВГУ, 1999. - 154 с.

9. Бочаров, В. Л. Зоны искусственного литогенеза новый источник загрязнения Воронежского водохранилища / В. Л. Бочаров, О. А. Бабкина, И. Н. Гурова // Комплексное изучение, использование и охрана Воронежского водохранилища. -Воронеж, 1996.-С. 60-65.

10. Брусиловский, С. А. О миграционных формах элементов в природных водах / С. А. Брусиловский // Гидрохимические материалы. 1963. - Т. 35.

11. Букаты, М. Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач / М. Б. Букаты // Известия ТПУ. Сер. Геология поиски и разведка полезных ископаемых Сибири. 2002. - Т. 305, Вып. 6. - С. 348-365.

12. Ван, П. Гидрогеодинамические исследования на участках береговых водозаборов вблизи водохранилища: автореф. дис. . канд. геол.-мин. наук : 25.00.07 / Ван Пин. г. Москва, 2008. - С. 153.

13. Варшал, Г. М. Изучение химических форм элементов в поверхностных водах / Г. М. Варшал, Т. К. Велюханова, И. Я. Кощеева, В. А. Дорофеева, Н. С. Буачидзе, О. Г. Касимова, Г. А. Махарадзе // Журнал аналит. Химии. 1983. -№ 38. - С. 15901600.

14. Галицкая, И. В. Геохимическая опасность и риск на урбанизированных территориях: анализ, прогноз, управление: автореф. дис. . докт. геол.-мин. наук : 25.00.36 / Галицкая Ирина Васильевна. г. Москва, 2010. - 56 с.

15. Геология СССР, Т. VI. Брянская, Орловская, Курская, Воронежская и Тамбовкая области. Ч. 1. Геологическое строение / Отв. ред. А. А. Дубянский, С. С. Хакман. М.: Государственное издательство геологической литературы, 1949 - 340 с.

16. Егоров, Е. В. Ионный обмен в радиохимии / Е. В. Егоров, С. Б. Макарова. -М.: Атомиздат, 1971. 408 с.

17. Иванов, В. В. Экологическая геохимия элементов / В. В. Иванов. М.: Экология, 1996.

18. Коммунар, Г. М. Внутрипластовая очистка подземных вод для целей водоснабжения : автореф. дис. . докт. техн. наук: 05.23.03, 05.14.09 / Коммунар Григорий Михайлович. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1987. - 25 с.

19. Коржинский, Д, С. Теория метасоматической зональности / Д. С. Коржинский. М.: Наука, 1982. - 104 с.

20. Крайнов, С. Р. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии / С. Р. Крайнов, Ю. В. Шваров, Д. В. Гричук. М.: Недра, 1988. - 254 с.

21. Крайнов, С. Р. Современные проблем изучения и моделирования миграции подземных вод и массопереноса, геохимические принципы / С. Р. Крайнов, Б. Н. Рыженко // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 1995. -№ 3. - С. 12-22.

22. Крайнов, С. Р. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты / С. Р. Крайнов, Б. Н. Рыженко, В. М. Швец. М.: Наука, 2004. -677 с.

23. Лехов, А. В. Рост минерализации эксплуатируемых подземных вод при наличии пирита в покровных отложениях / А. В. Лехов, Ю. В. Шваров // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2002. - № 4. - С. 316-325.

24. Лехов, А. В. Модель окисления дисперсного пирита песчано-глинистых отложений при водопонижении / А. В. Лехов, А. И. Вишняк // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2005. — № 6. - С. 505-516.

25. Лехов, А. В. Физико-химическая гидрогеодинамика / А. В. Лехов. М.: КДУ, 2010.-500 с.

26. Лукнер, Л. Моделирование миграции подземных вод / Л. Лукнер, В. М. Шестаков. М.: Наука, 1986. - 208 с.

27. Никаноров, А. М. Биомониторинг тяжелых металлов в пресноводных экосистемах / А. М. Никаноров, А. В. Жулидов, А. Д. Покаржевский. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 144 с.

28. Никольская, В. В. Морфоскулыггура бассейна Амур / В. В. Никольская. -М.: Наука, 1972.-293 с.

29. Пахомова, С. В. Исследование потоков растворенных форм железа и марганца через границу раздела вода-дно на северо-восточном шельфе Черного моря / С.

30. Позднякова, И. А. Анализ миграции азота животноводческих стоков в зоне аэрации на численных моделях / И. А. Позднякова // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2000. - № 4. - С. 321-330.

31. Путилина, В. С. Влияние органического вещества на миграцию тяжелых металлов на участках складирования твердых бытовых отходов: Аналит. обзор / В. С. Путилина, И. В. Галицкая, Т. И. Юганова. Новосибирск: ГПНТБ СО РАН; ИГЭ РАН, 2005.-100 с.

32. Розанов, А. Г. Марганец и железо в глубинной воде восточной части Черного моря / А. Г. Розанов // Океанология. 2003. - Т. 43, № 6. - С. 846-854.

33. Середкина, Е. В. Влияние гидрогеохимических факторов на процесс внутрипластовой очистки подземных вод от железа: автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.23.04 / Середкина Елена Валентиновна. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1992. - 23 с.

34. Середкина, Е. В. Внутрипластовая очистка подземных вод с высоким содержанием железа / Е. В. Середкина, В. Г. Тесля // Гидротехника и инженерная гидрогеоэкология. М.: ДАР/ВОДГЕО, 2004. - Вып. 6. - С. 115-119.

35. Строганова, Л. Н. К вопросу об экологическом состоянии поверхностных и атмосферных вод г. Воронежа / Л. Н. Строганова II Вестник Воронеж, ун-та. Сер. Геология. 2001. - Вып. 11. - С. 264-267.

36. Труфанов, А. И. Формирование железистых подземных вод / А. И. Труфанов. М.: Наука, 1982. - 133 с.

37. Чибирко, М. И. Санитарно-эпидемиологические аспекты Воронежского водохранилища / М. И. Чибирко, JI. М. Ишенко, В. В. Савин // Комплексное изучение, использование и охрана Воронежского водохранилища. Воронеж, 1996. - С. 29-32.

38. Шестаков, В. М. Гидрогеодинамика / В. М. Шестаков, М.: йзд-во МГУ, 1995. - 368 с.99 ) Шестаков, В. М. Изучение содержания железа в водозаборах г. Раменское /

39. B. М. Шестаков, Е. А. Петрова // Вестник Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2004. - № 3.1. C. 56-60.

40. Янбулатова, Ф. X. Обезжелезивание подземных вод в водоносных пластах: автореф. дис. . докг. техн. наук: 04.00.06 / Янбулатова Фаима Ханафиевна. г. Москва, 1986.-25 с.

41. Янин, Е. П. Русловые отложения равнинных рек (геохимические особенности, условия формирования и состава) / Е. П. Янин. М.: ИМГРЭ, 2002а. -140 с.

42. Luckner, L. Migration processes in the soil and groundwate zone / L. Luckner, W. M. Schestakow. Lewis publishers, Michigan, 1991. - 485 p.

43. Sharma, S. K. Biological iron removal from groundwater: a review / S. K. Sharma, B. Petrusevski, J. C. Schippers // Journal of Water Supply: Research and Technology-AQUA. IWA Publishing, 2005. - Vol. 54, N. 4. - P. 239-247.

44. Введение к сборнику методик выполнения анализов. / Hach Company, Loveland, 2001. 104 с.

45. Заключение по оценке оптимального водоотбора подземных вод на водозаборах г. Воронежа по состоянию на 1992 г. / «Воронежгеология», г. Воронеж, 1992.-142 с.

46. Отчет об опытно-технологических исследованиях условий обезжелезивания и деманганации подземных вод в водоносном горизонте на Мостовом водозаборе в 2-х книгах. Книга 1. Текст отчета / ООО «Дальгидроком», г. Комсомольск-на-Амуре, 2002. - 187 с.

47. Промежуточный отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Геофильтрационное моделирование нового водозабора ПС-4 на намывной площадке Воронежского водохранилища» / МГУ, г. Москва, 2009. 38 с.

Информация о работе

Казак, Екатерина Сергеевна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.07

Диссертация

Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы