Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Общая защищенность водоносных горизонтов от загрязнения

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Общая защищенность водоносных горизонтов от загрязнения"

На правах рукописи

ПОТАПОВ Александр Анатольевич

ОБЩАЯ ЗАЩИЩЕННОСТЬ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Специальность 04.00. Об - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мииералогичсских наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В.Плеханова (технического университета)

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических Киргохин Владимир ■ наук,профессор Андреевич" -

• Официаш иые оппоненты:

доктор , геолого-минералогических Павлов Александр

наук, профессор Николаевич

>

кандидат геолого-минералогических Петрова Ирина

наук, с.н.с. Борисовна

Ведунья организация: Северо-западный региональный геологический центр ,

Защита состоится "2У" декабря 1996 г. в на

заседании диссертационного совета Д.063.15.07 в Санкт-Петербургском государственном торном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу 199026 Санкт-Петербург, 21 -я линия, д.2, в аудитории 72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГГИ.

Автореферат разослан " 2ноября 1996 г.

Ученый секретарь, к.г.-м.н., доцент-.

А.В.Кузьмин

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разязггие прймштеншго, сельскохозяйственного и гражданского строительства требует тщательного обоснования экологической безопасности. Современные масштабы этой проблемы пцзцзавт необходимость меткого обоснования понятия Защищенность подаемних ьод. Большое KOjawecxEO разнообразных гидрогооэиологичесго::: зада^ пожат бить решено на основе качественной 31, в перую очередь, количественной оценки защищенности. Особое внимание при этом должно уделяться диагностике процессов, анализу и «значимости факторов, обусловливающих интенсивность переноса загрязнителей. Существенную помощь а освоении территорий может оказать крупномасштабное картирование защищенности.

Необходимость У^шеизм указанных проблем определила целый комплекс направлений гидрсгеологзгсеской науки: от исследования процессов миграции вещества з горних породах на ммкроуровне до геоэкологического картирования. Среди наиболее ваяных в теоретическом и методическом плане работ, обуслоптшшос развитие эколо-гичеснт! Г}1Дрогеологии, следует откатить следующие: В.М,1£естако-ва (1930,1879), JT.Eear'a к др.(1G63), B.C.Голубела и А.А.Гари-бпица (1S38), J.Margat'a (1288)-, А.А.Рошаля (1ЭСЭ), С.И.Смирнова (1971), З.М.Еочевера и А.Е.Орадовской (1972), J.Fried'a (1975), В.М.Гольдберга (1376), ö. Ii. Тютйкэвой (1875), Н.В.Рогоаской (1S7Ö), Й.Н.Вернгина и до. (1S77), Е.М.Шестакова и др.(1582), И.С.Пашкове-лого (1В83.1983) В.А.Миропенко (1В23,1336,1538), P.M. Голадберга и С.Газди (1S34), J.Vrba и A.Zaporozec'a (102-1) и др.

В настоящее время па Сазе большого объема фактического материала доказан» мног;:а положения существующих теорий миграции веществ в водоиаскцопной геологической среде и в зоне аэрации м физшо-хнкических процессов в гетерогенной системе подземные воды - горные порода. На основе этого осуществляется прогноз распространения загризкзгхелей, разрабатываются мероприятия по локализации и ликвидации их зяточнинов. С использованием, ратшоойраз-пш: методик картирования гэсакологичесной сбстамовки производится районирование территорий по степени. зара-пенил и защищенности подзениих вод. Одчпкс некоторые вопроси миграции аагрязнителсЛ к картирования защищенности развиты недостаточно.

Основными заппчзми исследований автора являлись: 1) апалиа и усовершенствование существующих способов качественной и коли-

честаэииой оценки аацет.енности подземных вод; 2} развитие вопросов теории водной миграция веществ и влагопсрекоса я горных порога:;, связанных о оценкой защитных свойств геологической среди; 3) разработка и апробация методита крупномасштабного картировании эядацеш'ссхн подаемннх вод,

Научкап нов-заз работы заключается в следукицэы:

1. Обобщен, проанализирован и систематизирован большой об>-ем ¿¿эктичэского материала по полевки я лаборатории.! определэкиям ^илатрацлеаньи и млграцкопкь'х параметров различных горных пород.

2. Обоспозани критерии разделения пугрогеалогаческгас разрезов по условиям вертикальной шгграрш инертных загрязнителей.

3. Доказана еояможость получения анагапгкческих решений задач миграции об импульсном запуске о непроницаемой границей из решзшгй о котрации о граизгцой первого рода -л обратил. Получен рад аналитических решияй задач одномерной прямолинейной миграции. О-бсспозапы способы прк&вжншаЯ оценки з^ээнтжиьгх значений вертикальных миграционных параметров слоистых толц.

4. Зксяеримектадь по доказана взаимосвязь термодинамических параметров разлгккых фаз в системе горная порода - аода - газ при развитии процессов влагопереиоса.

5. Проведена районирование территории в устье реки Сев. Двина яо условиям общей защищенности вадоноенше горизонтов от поверхностного загрязнения.

Достоверность научшж положений и выводов, сформулированных в работе, определяется большим объемом фактического материала, накопленного автором в ходе лабораторных исследований и полевых работ з различных районах юга Дальнего Востока, Архангельской и Ленинградской областей. При этом били такие попользованы кного-численлда данные кз литературных м |>о«доеых источников.

Мзтодика исследований включала в себя: 1) нолевые ыаршрут-ние работы; 2) режимные наблюдения ва изменением концентраций природных индикаторов в источниках и скважинак; 8) разработку и проведкше специальных полезих и лабораторных экспериментов но исследованию процессов миграции в различных условиях; 4) математический анализ дифференциальных уравнений одномерной прямолинейной миграция с различными граничными и начальными. условиями.

Защищаемые положения:

1. Защищенность подаояних вод (ЗПВ) - способность геологической среди при наихудом развитии событий препятстсовать в те-

ченке некоторого времени проюлсгоасшм anrp;u,!i3»;riEi вет.оотв ¡га очага загрязнения а подземниэ води. В зависимости от сло-лтра учлтквлепия факторов понятие ЗПй делгггся на год:;: о5цая .«.rai специфическая; азган'.енность водоносного герлзш<та икч защш.шшость гидрогеологического объекта.

2. Типизация гидрогеолзгкиесинк разреаоа при оцонха защищенности водовозных горизонтов (С52Г) по способам вертт.^а^г,-ного переноса загрязнителя и рассматриваемому горизонту в естественной и нарушенной г^;?.од:;;!амячеог,оЯ обстановка.

3. Закономерности молекулярной ди$$уэ}ш я влзгопороиосэ, контролируемое неоднородностьга структуры поровего пространства гомогенных горных пород.

4. КлассиЗикащш горных пород по услсзкям проте. .а:с;я в шк процессов миграции пнертных: в химическом отно^'сшгл растворенных веществ.

5. Катеджа крупяокасатайпого картирования защищенности водоносных горизонтов от поверхностного загрязнения.

Практическая значимость ■ Возможно использование результатов исследований в районах. с разнообразный лгндша^тно-геологлчесии-ми условиями прк рзшегвот разл;чких гидрогеозкодсгзтчссклх задач, в том чиоле, при оценка воздействия проектируемых яромишитьх я сельскохозяйственных объектов на екпужакедю среду (02СС) и расчете зон сапитгр'.го-Л охракы водозаборов. В' нзетошег? время результата работа внедрены в ПГО"Лраапгельскгеология" при геоэкологической съемке района устья рекх Сев.Длина; в АССевзроадмаз" при решешм проблем охраны окружающей среди свивании?, с отработкой месторождения алмазов им.М.В.Ломоносова.

Апробация работа. Основные результаты исследований ебсунда-лнсь на 'Расширенном заседании Научного совета пс крлологин Земли /Л СССР" в issa году в г. .Москва, га XIII л XIV Всероссийских совй".аюшя по подземном ьедам Слбкрн и Дальнего Востока в 1993 и 1024 годах в хт*.Томск к Иркутск, на международном семинаре "Экологическая гидрогеология сараи Балтийского моря" в 1G93 году в г.С-Петербург, на Научно-практической конференция в 1935 году а г.Хабаровск, на V Тодстихниских чтениях в 19ЭЕ году в г.С-Петербург, на симпозиумах: "204th National l'.eeti»n of the American Chemical Society" з 19Я2 году в г.Вашингтон, "Interrietional Conference on Groundwater Quality Management" в 1933 году в Эстонки, "Western Pacific Peofysics meeting" в 1994 году a

Гонг-Конге, "Water Resources at Risk" a 1SS5 году в г.Дотер, а также ка научных семинара;; кафедры гидрогеологии СПГГМ (ТУ).

Основные положения диссертации отражена в 17 из 27 имеющихся у автора опубликованных работ.

Автор виракает глубокую признательность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору В.А.Киркношу за постоянную по-м01дь на всем протяжении подготовки диссертационной работы. Автор искренне благодарит А.И.Коротнова и Р.Э.Дашко за ценные сонеты, П.К.Коноссавсиого за подг,зржку, критику и'сотрудничество, В.Ю. Абрамова, И.Л.Харкордина и й.Г.Атрсщеико за активное участие в полевых работах и в постоянном обсуждешЕ! полученных результатов, В.Н.Шемякина и Т.Н.Николаеву аа помощь в проведении лабораторных работ, В.А.Саванша за участие з сборе и обработке материалов. Работа проводилась в т&сном контакте с геологами ПГО "йальгеология","Таежгоология","Аркангельсг.геолагия" и АО "Сево-розлмаа". В связи с этим автор пршпателей за содействие к добрые советы Б. Е. Кулакову, Б.С.Архипову, С.А.Козлову, В.И.Весело-ву, Н.Э.Пылаеву, В.Н.Куругашу, Л.О.Сахьянову, Б.И.Перминову. Н.Г.Власову, Б.Г.Воронову. '

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Защищаемое положение 1 (о содержании понятия 9ПВ). Понятие "Загцшдениность подземных вод" (в англоязычной литературе: "уязвимость (vulnerability) подземнин вод") появилось во второй половине 60-х годов. За прошедшие почти 30 лет его использования при составлении соответствующее карт оно так и не получило общепринятого определения. Разнообразие подходов обусловлено различиями решаемых экологических задач, которые усиливаются при попытках расширить область использования термина ЗПВ, не ограничивая.его действие только ранками геоэкологического картирования.

Автором в качества определения ЗПВ предлагается формулировка, данная в Ззирадаемом положении. Составляйте ее элементы тпе-бумг дополнительной расшифровки.

Целесообразно разделить области использования понятий оценки ЗПВ и Прогноза изменения качества кодземньэс вод (ПИКЕ). Для ЗПВ - г»грж$}£чтгся теми случаями,' когда загрязнитель еще отсутствует, хотя потенциально-и ¡исхожен, или, в более редких ситуациях, когда его параметры и пространственное положение (¡Оопреде-

ленно. О ШЯГО - говорить при наличии имеющегося в действительности загрязняющего объекта.

Данные задачи различны как в колкчесйгвэнном смысле, определяемом несоизмеримой точность» расчетов, так и в качественной: 1) объективно существуйте (¡ШКВ) - априорно принятие (2ПВ) исходило характеристики аагрязиешш; 2) конечные цели решения прл ПИКВ - проектирование в основном гидрогеологических мероприятий, направленных на локализаций источника или снижение его опасного воздействия; при оценке ЗПВ - разработка технологические способов предотвращения загрязнения (экранизация уязвимых зон, перемещение хозяйственных о С л:лтон и т.п.)- Есе это в целом обусловливает различные методы оценки влияния загрязняющих объектов.

При таком подходе к понятию ЗПВ естественно отталкиваться от возможной наихудшей природной и технологической ситуации, обусловливание)! максимальны! уцерб качеству подаеиншг вод.

Сравнение равличнпх геолого-техиические ситуаций по реально ощутимым критериям возможно, если оценку ЗПВ всегда осуществлять одинаково: по времени миграции загрязнителя от очага загрязнения К рассматриваемому горизонту или объекту. В некоторых ситуациях влияние загрязнявшего источника на качество подзеших вод может оказаться ничтожно малым. Тогда- имеет смусл вводить дополнительную характеристику: г.аксныально везмоииу» концентрац;и> загрязняющего вещества в пр;фодних водах в интересующей точке.

Конкретное наполнение понятия ЗЯЗ претерпевает изменения в зависимости от характера решаемой гидрогеоэкологической задачи. Поэтому имеет емкел расчленить его па различные видц.

В основу разделения положено два основных критерия, обусловленных процессами, учиткваомыки при оценке ЗПВ. 1) Рассматривается ли защищенность ессго водоносного горизонта в целом, т.е. любой его точки в плаке, ш ишь отдельного гидрогеологического объекта: водозабора, источников и т.п. В первом случае г.зк би ставится знак равенства мееду ©разами "загрязнение достигло водоносного горизонта в какой-то его точке" и "водоноенш! горизонт загрязнен". 2) Оценивается ЗПВ по отношению к конкретному яаг-рязшгещеиу веществу (епеидемеская) или по. отноиешио к любому возможному загрязнители (оС-'цап). В реальности под "дабым" понимается загрязнитель, инортнцй в шизико-яикичеоком отношении (отсутствует его сорбиия и деструкция). В таблице 1 указано соответствие каждого прэдоагйоиогэ вида 31115 оп^.чт'.нляв^г:!/ его груши;

Таблица 1

Виды защищенности подземных вод

1 вид защищенности Г процессы, учитываемые при отнге вида •защищенности примеры решаемых задач

защищенность водоносного горизонта (комплекса) общая 1. вертикальный коЕвектгииьш, или кояве-ктивно-длсяерскопный, иля диффузионный перенос вещества к границе (в разрезе) водоносного горизонта 1а. планирование промышленного и сель-«со-хозяймвенного оевьеши территорий Зб.'миделпше лапбодееуяззтгых участков,, в том числе требующих экстренного экологического обследования, в районах с разнообразной антропогенной нагрузкой

специфическая 2. то же, что в а.1, в процессы трансформации конкретного загржнеггелаг при мигра-шл в породах, подстилающих гот пере-крываюшдх водоносный гортаонт 2а. илаяпровайпе размещения конкретных производственных н се яьско-тозяйствеяных объектов 26. то же, что з п-16, в случаях, когда известен (предполагается) площадной загрязнитель (кислые дождя, радиоактивные выбросы И ТЛ.) 2в. выбор участков захоронения отходов

защищенность гидрогеологического объекта (водозабора, области естественной разгрузки и т.п.) общая 3. то же, что вп.1, а конвективный или конвективно-дисперсионный перенос вещества в водоносном горизонте к конкретному гидрогеологическому объекту За. расчет 3 пояса зоны санитарной охраны водозабора 35. выявление участков, наиболее уязвимых с точкн зрения загрязнесня областей естественной разгрузки (родников, поверхностных еодогоггов июдоелгов)

специфическая 4, то же, что в пл. 2 и 3, и процессы трансформации конкретного загрязяптелч в самом водоносном горизонте 4а. расчет 2 поаса зоны санитаркой охраны водозабора 46. оценка влияния на водозаборы я области естественной разгрузки выбросов загри-тегелг прп зозможашх авариях на промышленных предприятиях (ОВОС)

- д -

учитшзаеяим йактороп и задачам, решаемым на основе его оценки.

Таким образом, методика расчета 2 пояса зоны сатггзрной охраны водозабора базируется, хотя и без объявления этого, на оценке специфической (бактериальное загрязнение) -эзимценности гидрогеологического объекта (водозабора) от неопределенного в плане поверхностного источника; 3 поя'са - на сценке общей защищенности (любой возможный загрязнитель) гидрогеологического объекта-, а большинство методик построения карт защищенности оперирует естественной общей защищенностью (свойства загрязнителя заранее не известии) лодоиосних горизонтов от поверхностного загрязнения (учитываются свойства только перекрипадацей толзцн).

Защищаемое положение 2 (о типизации гидрогеологических раа-резов). При оценке одного из видов ЗПВ - общей защищенности во-доносних горизонтов (ОЗВГ) все многообразие пщрогеологическия разрезов можно свести к следумщим типам.

Тип А. Оценивается защищенность водоносного горизонта грунтовых вод от загрязнения сверху. Зона аэрации сложена водопроницаемыми породами. В в любой ситуации будет наблюдаться перенос вещества вместе с атмосферными осадками или' с аагркзняняцнм раствором вертикально вниз. Миграция обусловлена особенностями вла-гопереноса в неводонаемценной среда.

Тип В. Оценивается защищенность водоносного горизонта, отделенного от очага загрязнения относительно проницаемыми ьодона-ешценними породами. При интенсивной откачке води из данного водоносного горизонта может начаться или существенно усилиться вертикалына! ионвеитюшо-дисперсшннкй перенос загрязнителя.

Подпит 81 - в естественник условиях отмечается вертикалапая фильтрация води к кровле или подоаве горизонта (в зависимости от положения очага загрязнения). Яодаип В2 - в естественных условиях вертикальная фильтрация отсутствует. Кигра.щп к горизонту может осуществлятьс.ч дкеь за счет диффузии или вертикальной поперечной механической дисперсии при горизонтальной фильтрации вод а перекриваинргх или подстригающих породах. По щи я 133 - в естественных условиях вертикальный конзектквииЯ перенос вещества происходит в направлении от водоносного горизонта. Транспортировка загрязнителя к горизонту - за счет молекулярной ди$фузда.

Тип С. Оценивается ';аирсцош1ость водоносного горизонта, а сторону которого невозможна вертикальная фняьтрацня как в ест тестаенних условиях, так и при интенсивной его эксплуатации.

¡.й-гграцня загрязнителя к горшонту Судет происходить только под действием дкЦуаии или (реже) вертикальной поперечной дисперсии.

Объединенные типы АВ или АС выделяются только при соизмеримом влиянии на ОЗВГ факторов, учнтьгааемик в отдельных типа:;.

Автором, исходя из пржгципа паихудмего развития событии, проведона схематизация условий для кгшдого типа и подтипа разреза и найден ряд апалптачгзсмгх решений згдач одномерной миграции, в частности, допазана возможность получения решеню! с грашщей первого рода из решений об хатульсном запуске у непроницаемой границ," интегрированием '(по % от до 0 при замене пространственной переменной х на (х-г.)) и обратно дифференцированием.

Жесткий сценарий - вся иасса загрязнителя мгновенно проникает в горные порода (импульсный напуск загрязнителя в точку, отвечающую расположению источника загрязнения 2=0). Иногда эта предпосылка является излишне жесткой, и более' соответствует реальности граничное условие- 1-го рода в точнее г-0 . При оценках удобнее пользоваться временем проникновения в водоносной горизонт той или иной доли в первом случае - насоц загрязнителя &*, во втором - доли концентрации С от ее значения з очаге.

Характеристики ОЗВГ могут бгаь рассчитаны по следующим формула» (максимальные концетрацда определяются только при условии импульсного запуска) в обозначениях: 1-зремя,сут, го-расстояние от очага загрязнения до водоносного горизонта,м, у-абоолитиое вначение скорости вертикальной фильтрации,м/сут, О-соответствен-«о, вертикальней коэффициент продольной или поперечной гидродисперсии, м^/сут, , 0;-л-коэффициент молекулярной диффузии,м2/сут, и-пористость, ¡.'.-масса загрязнителя, мгновенно проникшая в точку источника загрязнения, в расчете на 1 м2 в плане.г/н2, С°-кон-ценграц»1я загрязнителя на грагшце 1-го рода,г/м3. - для всего типа В при интенсивной эксплуатацш рассматршаемого водоносного горизонта и подтипа В1 в естественных условиях, а также для типа А при условии, что п составляет 0.75 от п в водонасыщенноЛ среде, V равна коз$. фильтрации (объяснение см.ниже):

; г-:- /--- ч

'-ш&х « 0.5 М / п/ TiDzo/V ; • - для подтипа В2 в естественна. условиях и типа С в дабой ситуации при условии 1-го рода и яри нахождении импульсного источника

у непроницаемой (для диффузии и поперечной дисперсии) границы:

! \ t (М'иакС*) = zo2/|4D inerfс2(М* шшС"'')/п I

С№ах = М V й/к ехр(-0.5) / nzo . ; при аанчительиом удалении этой граница от импульсного исгэчника:

( \ t(M') = zqz / |4D inerr'c2(EM')/n|

v .<— ' Cmax = M exp(-0.5) / nzo V 2Я ;

- для подтипа ВЗ в услоглях естественной фильтрации:

--,- ^

t(M') = iK'Dmn/vzinerfc2(2M')-2on/v + pt)mn/v2inerfc(2M') |

,- /

Cjnax " 0.5 M exp(-zow'D) / П|/ itdZQ/v , приближенно для этого случая реальная максимальная концентрация при налички границч первого рода может оцениваться:

Г ! 1--1

Стах = 0.5 С0 | erfzov/D | + exp (-zov/D) ! .

L \ J J

Для слоистых толщ эффективнее значения вертикальных фильтрационных и миграционных параметров определяются по выражениям:

М N. N. 2i/ZQ

ke » zn-'E (Zi/kj) , ns = (l/zo)E (niZi) , (D/n)e = П (D/n)i . i-i i-i i-i

i-номер соответствующего слоя, ¡1-общее число слоев. Последнее верно при приближенной оценке прихода первых порций загрязшггеля Заизздаеное положение 3 (о закономерностях влагопереноса и диффузии). Неводаиаошценкая горная порода представляет собой трехфазную систему: минеральные зерна - вода - воздух. Процесс влагопереноса должен сопровождаться изменением термодинамических параметров взаимосвязанно во всех фазах. С другой стороны, равновесное давление в жидкости и газе зависит о радиуса кривизны менисков, меняшцегосл при увлажнении или осушении породи.

Для исследования этих явлений автором был сконструирован прибор, позволяннций контролировать изменение давления воздуха в порах. Его рабочая часть состоит >тз макропористой мембраны, обработанной гидрофоб.чзаптом и соединенной с манометром.

Рассматриваемая система породы может быть открытой ют аак-

рытой по отношению к атмосферному воздуху. В частности, при интенсивной инфильтрации с поверхности земли она закрыта. При многократном физическом моделироватш с использованием указанного прибора и тенаиометра в песках естественного и нарушенное сложения в этой ситуации наблюдались следующее. Сначала увеличивалось давление перового воздуха (Рг), и почта скачкообразно падало всасывающее давление (Р?и). При достижении фронтом увлажнения точки измерения, на фоне более плавного уменьшения Рж, Рг начинало снижаться: при рыхлом сложении незначительно, •при плотном строении до значений, существенно меньших атмосферного давления.

При последующем осушении пород путем свободного стенания на начальной стадии при рыхлом строении бистро уменьшалось Рг, о дальнейшим реаким его увеличением до значения, равного атмосферному. При естественном олокешш дополнительное снижение Рг незначительно, а последующий его рост до величины атмосферного давления плавный. Ео всех случаях осушение породы сопровождалось увеличением Ри с интенсивностью,- аналогичной изменениям Рг.

Колебания давления порового воздуха измерялись десятками'см водн.ст. и были соизмеримы с величинами всасывающего давления. При этом отмечается обшз^ тенденция: чем меньше исходная влажность пород, тем интенсивнее изменения Рг.

Автором предлагается следующая модель влагопереноса в гомогенных горных породах. В состоянии равновесия всасшшкщее давление одинаково во всех порах горной породы (одинаковы градиенты напора в различных каналах на начальной стадии водонасщения). В первне моменты увлажнение пород происходит но относительно крупным порам, обладающим наибольшей проводящей способностью, пропорциональной квадрату их радиуса (характерного размера). Ритес-мяемый воздух проникает в еще неводонасыщенные области п в мелкие пори, вызывая там повышение Рг и равновесное сникоиш Рж. Весьма большое значение градиента всасшамщего давления ыеящу уллажиошшми крупными и заполненными в основном воздухом мелкими порами обеспечивает тгрщт влагл из первш ьо вторые. Заполнение мелких ¡юр водой происходит от стыков частиц к центру о резким увеличением радиуса мениска и, как следствие, сшсйешюк на первых этапах Рг, несмотря на уменьшению объема занятого воздухом пространства. lia заомчительной стадии, которая в природа, вероятно, наблюдаемся не часто, происходит сжимание пувирьиа воздуха в центр© мааяой поры с" уменьшением радиуса .границ« раз-

дела и соотяетствумшм резким увеличением Рг. Ссасывающее давление и градиент напора меглду крупными и мелкими порами нестояппо снижаются: на первое этапах заполнения мелких пор медленно, на заключительной стадии чрезвычайно бистро. Интенсивность описанных процессов'определяется искодной влажностью породы. Ксклшче-иие из модели составляет увлажнение пород при конденсации влаги, осуществляющейся одновременно на стмкая частиц во всех лорах.

Осушение породи как при свободном стенании, так и при испарении, также начинается с крупник пор. В первом случае па счет лучших фильтрационных свойств, во втором - из-за того, что крупнее поры имеют больший радиус мениска. Если изначально порода-была близка к полному водонасыщению, то на первом этапе отток вод« из мелких пор в крупные сопровождается реаюм снижением Рг и скачком Рж. В дальнейшем при осушении мелких пор от центра к стыкам частиц происходят уменьшение радиуса мениска, увеличение Рг и замедление роста Рж. Ка стадии, когда объем, занимаемый газовой фазой, достаточно велик (не всегда достигается в природе), за счет гааовой конвекции система переходит к состоянии, открытому к атмосфере (Рг=Ратм.). В этой ситуации рост Рж происходит более интенсивно, пропорционально уменьшению радиуса менисков.

Таким образом, динамика водонзсыщеимя (осушения) горнил пород определяется двумя факторами: скоростями перемещения води по относительно крупным порам и ее оттока в (на) мелкие поры. Последний из них зависит от состояния порового воздуха. На основе предложенной модели могут быть объяснена многие эмпирические закономерности: гистерезис зависимости'всасывающего давления от влажности; наличие резкого фронта поименной влажности и неполного водонасидеиия (около 0.75 от полной влагоемкости) при интенсивной инфильтрации; длительное существование у поверхности земли слоя с достаточно вмссжой наименьшей влагсемкостью в соседстве с подстилающим "мертвым" горизонтом и т.д.

При анализе фактического материала из различных работ, представляющш результат« зкепери^ентальних исследований молекулярной дкффуаии, бшга выявлено, что значения коэффициентов диффузии в пересчете только на паровое пространство зависят от величины пористости и продолетггельнести опытов: Последнее в случаях с нестационарными поте .ами вещества.

Автором сделано предположение, . что диффузия в водонаенгден,-кой горной порода также зависит от неоднородности сруктури поро-

вого пространства. В наиболее мелких порах (доли мкм, возможно и целые мкм) должно наблюдаться снижение дк^узионной способности вещества за счэт, . сто крайней мере, двух процессов: упорядочения (увеличения "жесткости") структура породой води и уменьшения подвижности колакул }13-ва их более частых столкновений со стенкам;: пор (кундсеноизгсая диффузия). Как известно, распределение минеральных зерен и пор по размерам в гомогенных породах прибли-гкае»_ся к логарифмически нормальному. Причем снижение пористости в ходе литогенеза в глинистых отложениях приводит к сокращению размеров пор приблизительно пропорционально их крупности.

Икгодя из данных предпосылок автором било получено решение, описызамщее зависимость коэффициента дн$$ушш в поровом пространстве ох ойцой пористости при условии пракниески мгновенного выразкнванкл концентраций в крупных и мелких порзх: Б = Бо (а * + Ь 1г.(п)), где Во - коэффициент дк$$узш соли в свободном растворе; а - обцая пористость; а и Ъ - положительные константы, и а<1. Сравнение результатов 1Б2 экспериментов, проведенных различными автора;.м, дало удовлетворительное совпадение реальной зависимости с приведенной вьэде при значениях а=0.89 и Ь=0.64 для неиабухаклцик глинистых пород. Возмошость снижения з$$ектизиия коэффициентов ди|$уаии при протекании процесса в нестационарном потоке била показана автором с использованием принципа суперпо-ашуй на схеме, предполагагадей отсутствие взаимовлияния диффузионной миграции в порак с раалкчнш характерным размером. Очевидно, реальный процесс | диффузии протекает по схеме, являющейся промежуточной между двумя предложенными прадел&ншш варианташ1.

Защищаемое положение 4 (о классификации горних пород по условиям (йсрзцга;). Обобщение литературных и фондовых материалов по результатам лабораторных (только для коэ$. молекулярной диффузии и начальных градиентов напора) и полевых (в раккак схемы 'микродисперсии) определений фильтрационных и миграционных параметров горных пород привело к созданию Каталога их характерных значений (табл.2). На основе его анализа автором произведена классификация пород по условиям; миграции растворений веществ.

Класс А (рыхлые несцемэнткрованниэ горние породи). Нитрация вещества происходит исключительно в поровом пространстве (деля его велика в оби'ем объеме пород). Проницаемость' отложений и интенсивность конвективного переноса определяются пористостьв и диаметром пор. Особенности влагоперекоса рассмотрена вше.

таблица 2

Каталог характерных значений фильтрационных и миграционных __1_[^и^^ТДЁМ^^УУ'1-"^^!!'^—___1______

характеристика нач. кофф. общая ахтшмни» параметр козфф.

горной породы гради- фильтрации порис- ПО(ШС- прод. диффузии

ент м/сут тость ТОСТо гг.дродне- (а ¡юрах),

напора > перелн, и м2/сут*105

Класс рыхлых нссцсммгтропапнму порол (А)

Подкласс пегкоя (А1)

псскн грасел-ые | яж10 02-0.4 0.03-0.1 02-10 !

пески 1 1-20 0.25-0.35 ок. 0,1 0.1-1 3-6

пески мел./зери. — 0.1-1 0.35-0.4 0.1-0.15 п*0.0 !-п*0.1 1.5-3

Подкладе гупссен (А1)

псскн глин.

м пылев. ... 0,01-1 0,35-0.45 около

супеси легкие — г-0.01 0.3-0,4 ■ 0.7-0.8 около

супеси нылсв. — л*0.001-0.01 0.35-0,45 от общей (2-3)*сЬо

почвы псс.-гд. . — 0,01-0.1 0.25-0.35 пор-ти 2-4

Класс сугдинчоп и глин (Б)

супеси тяжелые 0.001-0.1 0.4-0.45

щебень, галька

с суш, за пол п. п*0.1 11*0.001-0.1 0,2-0.4 близка

суглтпш легкие 1-5 0.001-0,1 0.4-0.45 - К 2-3

СуГЛИНКИ гяж. 1-10 10"Ч0* 0.35-045 общей 2-5

глины ?М0 !0Ч0"> 0.35-0,45 пор-ти • 3-7

глины леит-ые 30-100 1040* 0.3-0,4 4-6

Класс енсментиров'.шнич и кристаллических по;юл (В) ГЬдкллсс относительно пористыз нород (М)

мела, иэй-кп-разеушечники ттт 1-50 0,2-0.3 определяется трещи но-ватостио 11*10* я. ворад (В н 0,1-1 5-7

мергели --- 0.1-10 0.1-0.2 0.1-1 2-5

конгломераты --- 0.1-10 . 0.05-0.1 0.1-5

песчаники --- 0.1-10 0.01-0.15 0.1-5 0.5-2

алевр., аргиил. --- 0.01-10 0.1-025 МО 1-2 '

слалцы --- 0.1-10 0.01-0.05 0.5-15

известняка ---- 1-100 0.05-0.25 5-50 3-6.

доломиты ... 0.5-100 0.05-0,15 !-50 1-3 .

гипсы нзв-ки охреиа.- ] >1 (раетв.) Т «далям крис 0.1-50 п*0.01 таляггсск' 0.01-0.05 5-50 г) 1-50

граниты —. 0.1-10 а*0.001 1-100 •

ирагг;рц --- 0.1-10 ■ п*0.001 1-100

"оставлен а .соавторстве с ИК-Коносавонш

Пор^тзсс М (песчанш и гравлГшые отложения). Высокая общая пористость и значительный контролирующий диаметр зерен (десятке доли и единицы мм) определяют большие коэффициенты фильтрации при отсутствии начального градиента напора. Из-за неоднородности пор по размерам активная пористость относительно низка (увеличивается по мере ухудшения фильтрационных свойств) и весьма высоки параметры дисперсш!, на пару порядков превышающие значения этой характеристики для однородных сред:. (2-3)¿50« Емкостная характеристика процесса в передовой части концентрационной волнн определяется величиной активно}') пористости, в тыловой части фронта приближается к оГщей пористости. В суммарных коэффициентах продольной и поперечной гидродисперсии доля коэ$. ди$фус;ш нала.

. Подкласс А2 (супесчаные отломення). Снижение контролирующего диаметра зерен, а следовательно, и уменьшение среднего диаметра пор приводит к снижению коэффициентов фильтрации все еще при•отсутствии начального градиента. Иа-за пониженных скоростей фильтрации относительные значения акт}1вной пористости существенно возрастают (около 70-80% от общей). Яараметр продольной механической дисперсии стремится к (2-3)с150. Вклады в коэффициента продоольной гадрадисперсии механической и диффузионной составляющей согамеримы, а в коэффициенте поперечной гидродиопероии доля молекулярной диффуаии больше.

Класс Б (глинистые и суглинистые отложения). Преобладании свяаанной воды над гравитационной обусловливает крайне ¡¡накиа фильтрационные свойства и наличие начального градиента напора. В большинстве ситуаций перенос загрязнителей происходит в основном за счет молекулярной диффузии по всему поровому пространству, причем «оэф. диффузии в воде, как отмечалось вше, растет о увеличением пористости. Трещиноватые глины, в первую очередь, коренные отнесены автором не к этому классу, а к следующему.

Класс В (сцеметированные и кристаллические горные породы). Общая пористость делится на две части: трешиноватость и пористость блоков. Первая (доли процента) обусловливает высокие фильтрационные свойства (интсоивность ко!шокт}шной миграции загрязнителей) , вторая в основном определяет процессы рассеянии.

Подкласс Ы (отноелтельио лоритсю породы). Пористость блоков превалирует над треа^новатостьи, что вшивает макрогетерогенность пород. Параметры .гадрпднеперегщ (при »а расчете ко схеме широдасперсни) определяются пористш^ыо блоков,, нх размерами

- 17 - .

и величиной пор. Рост первого и последнего факторов приводит к сближению с рыхлыми порогами, т.е. к увеличению дели конвективного потока в блоках и к снижению параметра гидродисперсии. Замкнутость перового пространства блоков при влагопереносе приводит к снижению элективных пористости и дисперсии.

Подкласс В?, (кристаллические породы). Пористость блоков не больше трещиноватости. Фильтрационные свойства полностью зависят от густоты и раскрытия трещин; рассеяние обусловлено характерными расстояниями ке»ду трестами. Влагоперенос но 'трещинам практически но отличается от фильтрации в водонаешценной среде.

Выделенные классы к" всегда совпадают с делением на генетические типы. Так,например, слабосцементированнке песчаники могут относиться к классу А, а породи подкласса В2 при средних размерах блоков по свойствам схожи с валунно-галечними отломениями.

Защищаемое положение 5 (о методике крупномасштабного картирования ЗПВ). Предлагаемая методика может рассматриваться, как развитие способов картирования по прямому показателю: времени прихода загрязнителя в водоносный горизонт. Автором введены дополнительные принципы: - на конвективный перенос загрязнителя закладываются действующие вертикально гидродисперсионные процессы; - учитывается разнообразие.механизмов миграции загрязнителя в естественных условиях и возможность их изменения при нарушении гидродинамической обстановки в ходе откачки. При картировании оценивается ОЗВГ от поверхностного загрязнения.

Исходные материалы для построения карты - гидрогеологическая карга, гидрогеологические разрезы и колонки скважин, карты гидро- и пьеаоизогипс, изопахит мощности зоны аэрации. Параметры горизонтов, если они не определялись непосредственно, оцешшают-ся по составу пород, используя Каталог характерных зиачоннй.

Цветом по принципу "светофора" на карте выделяются различные типы и подтипы гидрогеологических разрезон: А - красным, RI-желтым, В2 - естество'но-зелеиым, ВЗ - изумрудным, С - синим.

В пределах площадей развития одного тина участки с разным временем проникновения в горизонт первых порции (1% от пыброщеи-ной из земную ионкрность массы) загрязнители разделяются опенками цвета: Л - чем лучи'е знщпцеинооть, тем Солее.».бледная закраска; ВЗ и С - наоборот; ИI - от оранжево- »елтого до лимонного; Ег - от желто зеленого до темно золеного ПИ и Ü1! - по мпрг? улучшения услоннй и.'щин^ннсстн). Различное npt?>f4 пронинтнюнии

Е0% массц загрязнителя в горгаснт в пределах тех же участков от-р-!;;аетс;: крг.пом для А и "1 и ытрицовкой для 22, БЗ и С с их сгу-¡цегиеы по мерз улучшения уолоша! защищенности. Виды крапа или штриховки различна для разных типов л подтипам.

» Парнцй временной критерий объясняется, с одной сторона, тем, что он наглядно иллюстрирует скорость протекания процесса ■загрязнении, а сдругой оторопи, тем, что для одних загрязнителей опаслш малые их концентрации, а для других лишь значительная часть вг/броса штат оказать влияние на качество вод.

Дли каждого выделенного участка определяется коэффициент а, " (м^/м2^ (М = а х ПДК) безопасной массы загрязнителя, которая может бить вцброшапг. на 1 кв. и поверхности без ущерба для качества вод (концентрация загрязнителя в любой точке водоносного горизонта не превысит ПДК или естественного фонового содержания: ПДК или Сг). Он указывается на карте числом под индексом рассматриваемого водоносного горизонта. Там ке для участков с разрезом типа В прлвьдзтся значения паркого временного критерия для случая нарушенной гидродинамической обстановки.'

ЗАКЛЮЧИВ !Е

В результате исследований обработан и интерпретирован обширный фактически материал по миграции загрязнителей в горних породах, полученный автором в ходе лабораторных и полевых работ или собранный им но многочисленным публикациям и фондовым ноточ- . ютам. Главными итогами выполненной работы яаляштся:

1. Предложено новое структурированное определение понятия "Защищенность подземных под", которое можно использовать при решении разнообразных гидрогеаэколсгических задач с отсутствушим, хотя ?! потенциально возможным аагркзннтелеы, заменяя км в этих случаях понятие "Прогноз изменения качества води".

2. Разработаны подходы к оценке разнил видов ЗПВ на основе единого интегрального критерия: времени миграции загрязнителя.

3. Врошьэдена тзххшзацкя гидрогелогкческих условий при сцелке одного из в.хдоа аащищенноати: ОЗВР.

4. Получен ряд ркаллгическкх решений одномерной пряиолнней ной миграцш! прз: разних гракччинх и начальных условиях. Е частности, доказана возможность получении относительно простим способом решений с граяидзй первого рода из рззений об импульсном

запуске у непрошибаемой грашщи и обратно, что модет быть распространено также и ка задачи одномерной фгл&'гргцил.

5. Обоснован« модели влзгопореносз а зоне аэрыэтн и диффузии в водонасщснмой среде в гомогенных породах, учитывающее неоднородность структуру норового пространства.

6. Систематизированы дашше пс определения!.! значений филы трациопнки и миграционных параметров горных пород. Предложена классификация пород по уалпяняи ыигрвщт в :иг: лнерткых в химическом отношении растворению: веществ.

7. Проанализированы современнее подходи к картированию защищенности подземных вод. Разработана методика крупномасштабного картировать защищенности водоносных гсршонтов.

9. На основе полученных теоретичесжпс вшзодоп произведена оценка ОЗБГ в различных районах Северо-Двинского арталшнского бассейна при решении различных гидрогоозкологгпесюи задач.

Основное положения диссертации олублицогаки в работах:

1. Шемякин З.Н., Потапов A.A., Ккрюхин В. А. Геохимический способ поисков сульфидных месторощоний полиметаллов и золота. A.C. Н 1433224 от 22.ОБ.83.

2. Шемякин В.Н., Потапоз A.A., Абрамов В.Ю., Киржшн В.А. йгагеохммичсскнй способ поисков гидротермальных суль|кдсодериа-щих месторождений. A.C. N 151G020 от 15.03.89.

3. Абрамов В.Ю., Потапов A.A. Формирование гидрогеохимических ореолов и потоков рассеянии золота в условиях Приамурья. Зап. ЛГИ, т.129, 1901.

4. Абрамов В.Ю., Потапов A.A. Расчленнение подземного стока в прибрежно-морскнх районах при гидрогсохимических поисках. Геология и разведка, IJ ö, 19Ö1.

5. Потапов A.A., Абрамов В.50., Киркгош В.А. Особенности формирования химического состава иадмерзлотних вод Среднего Приамурья. Геокриологии, Н 3, 1992.

6. Шемякин В.Н., Хархордин И.Д., Потапов A.A. Способ геохимической разводки. A.C. 1! 1005432 от 09.10.92.

7. Абрамов В.Ю., Потапов A.A., Киршшн В.А., Мемя^ш В.Н. О гидрогшшой составляющей аллювиальных россыпей золота. Геохимия, Н 3, 1993.

8. Кирншш В. А., Абрамов ВЛО., Потапов A.A., Хархордин

И.Л., Петров Н.С. Экологические проблем.1; в связи с окислением сульфидных минералов па объектах промышленного т горнорудного производства. Тез.док. Международного семинара "Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря." С-Пб, 1393.

Q. Потапов А. А. Проблемы оценки защищенности водоносных горизонтов от павер;шостного загрязнения при геоэкологической съемке. Tea.док. Всеросс. пдаозснмического совещания. Томск, 1QS3.

10. Kharkhor'lin 1.Ц., Potapov А. А., Abramov V.J., Arhipov В.S. Soil-gas investigation for the Trapping of petroleum product contamination at large industriale region. Abs;tr. International Conference on Erougwater Quality Managment. Estonia, 1S93.

11. Потапов A. A., Абрамов В.Ю., Киркхии В. А.Подход it оценке защищенности подземных вод от поверхностного " загрязнения.Тез.д. Есеросо. совещ. по пода, водам. -Востока России. Иркутск, 1S34.

12. Kharkhordin I.L., Potapov А.А., Abramov V.J., Vichnevs-kaja J.G. The methods of Streams Discharge Division With Use of Kydrochemical Data. Abstr. Western Pacific- Geophysics meeting. Hong-Kong, 1994.

13. Кир ¡«хин В. А., Потапов А. А., Абрамов В.Ю., Хархордин И.Л., Опатнка режимные наблюдения при разработке регламента мониторинга блиаповерхностных подземных вод. Тез.док. Научно-практической конференции. Хабаровск, 1G35.

14. Хархордин И.Л., Петров Н.С., Абрамов В.Ю., Потапов А.А. Опыт использования газовой съемки для картирования загрязнения подземных -вод и пород зоны аэрации нефтепродуктам}! на участке ТЭЦ-2. В сб. Теория и методика полеЕых гидрогоолггических исследований. XV Толстнхинекие чтения. С-Г.б, 1935.

.15. Потапов А.А. Подход к построению карты защищенности подземных вод от новерхносхного загрязнения. В сб. Сборшш трудов молодых' ученьк С-Петсрбургского государственного горного института. С-Пб, 1935, в печати.

16. Potapov A.A., Abramov V.J., Kotchneva M.N. A l.'cvj Approach to Mapping of Gromd-water Vulnerability Lo Surface Contamination. In "Water Resources at Risk".USA p.92--101, Denver, IS3b

17. Потапов А.А., Панова И.О. Защищенность подземньи вод и ее виды. В сб. Современно проблемы гидрогеолог»!. V Толсхихинс-кио чтения. С-ПС, 19Ш.