Гидрогеохимические процессы

В изучении гидрогеохимической миграции выделяются
два аспекта:

Для чего изучать гидрогеохимическую миграцию?

Необходимость исследования массопереноса обуславливается потребностью использовать количественные методы при изучении геологических проблем формирования состава и минерализации подземных вод, а также при решении многих инженерных задач, в частности:

задач охраны подземных вод от загрязнении при водоснабжении;

обосновании подземного захоронения промышленных стоков;

Составлении прогнозов возможного засоления почв на массивах орошения и т.п.

ТЕПЛОПЕРЕНОС

представляет собой направленное изменение количества тепла в подземных водах, проявляется в изменении их температуры и представляется закономерностями гидрогеотермического режима и теплового баланса подземных вод.

Изучение теплопереноса важно для исследований массопереноса, а также при решении таких задач, как:

изучение процессов формирования температурного поля Земли и подземной гидросферы;

оценка возможности использования термальных вод в качестве источников энергии и для бальнеологических целей;

определение запасов подземных вод в районах многолетнемерзлых пород и т.д.

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МАССОПЕРЕНОСА

Конвективный перенос

Наиболее распространенный вид миграции в зоне интенсивного водообмена.

Представляет собой перенос вещества движущимся потоком подземных вод.

При этом считается, что физико-химических взаимодействий нет и все частицы жидкости перемещаются с одной скоростью V.

Теоретически граница между водами разной минерализации представляет собой вертикальную плоскость, называемую поршневым фронтом, а сама схема переноса – поршневым вытеснением. Фронт движется со средней скоростью V, и одна вода полностью вытесняет из пор другую, а на границе наблюдается скачок минерализации. При поршневом вытеснении любой мигрант считается нейтральным. Уравнение движения его в виде фронта вытеснения по любому направлению L имеет вид:

где V – скорость фильтрации, k- коэффициент

фильтрации, I - градиент потока, n – пористость

Массоперенос по механизму конвекции

Диффузионный перенос

Этот перенос осуществляется на молекулярном уровне под действием градиента концентрации С вещества описывается законом Фика:

Который характеризует плотность диффузионного потока,

т.е. количество вещества, прошедшее через единичное сечение потока в единицу времени в направлении L.

В процессе молекулярной диффузии происходит рассеивание вещества. Характер распределения концентрации по длине потока зависит от закона изменения концентраций на границах потока и его строения. Наиболее интенсивна диффузия в условиях, когда скорости фильтрации малы.

Гидравлическая дисперсія

Это процесс рассеивания вещества, сочетающий диффузию и конвекцию и зависящий от неравномерности поля скоростей во внутрипоровом пространстве (на молекулярном уровне), неоднородности и гетерогенности среды (на макро- и реги-ональном уровне). В связи с этим при гидрохимической мигра-ции выделяют микро- и макродисперсию.

Различают:
Микродисперсия

Обусловлена характером распреде-ления скорости фильтрации в каждой поре и движением воды по порам, имеющим различные размеры. В ре-зультате происходит отклонение ло-кальных скоростей движения струек от средней по величине и направлению, отставание или ускорение движения элементарных струек, имеющих раз-ную концентрацию мигранта, и рас-сеивания вещества.

Макродисперсия

Проявляется в породах с гетеро-блоковой структурой, а также при наличии в пластах макро-неоднородностей (0,1 – 1,0 м и >). При упорядоченной неод-нородности(в слоистых плас-тах), ускоренное продвижение вод с повышенной концентра-цией по хорошо проницаемым пластам приводит к появлению концентрационных «языков» внутри слоистой системы.

ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Сорбция – процесс совместного действия адсорбции и десорбции, т.е. поглощения и освобождения компонентов, которые происходят на поверхности твердой фазы и имеют различный характер и интенсивность в зависимости от состава, формы нахождения и концентрации примесей, состава воды и породы.

Если сорбируются ионы, процесс называется ионным обменом.

Высокой сорбционной способностью обладают глинистые минералы и породы, а также органические вещества. В песках сорбция фосфатов – значительна, фенолов – замедлена, тяжелых металлов – плохая. Слабо изучена сорбция пестицидов и других соединений.

Растворение солей, содержащихся в водоносных породах, зависит от количества, вида и степени растворимости минералов, состава пластовой воды и длительности её воздействия на породу, наличия в воде агрессивной углекислоты и других компонентов. Растворение при пленочном засолении может быть описано выражением:

где N – масса твердых солей в породе в момент времени t, αр – константа скорости растворения, Сн и С – концентрации насыщенного раствора и текущего.

Адсорбция микроорганизмов

Адсорбция связана с поглощением породами различных микро-организмов (водоросли, бактерии, вирусы) из подземных вод и оп-ределяется условиями фильтрации (состав пород, скорость фильтра-ции, состав воды) и самого биологического загрязнения (виды и на-чальное содержание микроорганизмов, время их выживаемости, усло-вия поступления – кратковременное, длительное). Дальность продви-жения микроорганизмов изменяется от 15 м (в песках) до 1000 м (га-лечники, известняки) и увеличивается с ростом скорости фильтрации. Интенсивность адсорбции микробов определяется временем их выжи-ваемости. Для наиболее распространенных в подземных водах микро-организмов(санитарно-показательные и патогенные бактерии, вирусы) время выживаемости, при 4-6оС колеблется от 50 до 400 сут. Скорость перемещения бактерий меньше скорости движения воды, при этом в каждом сечении наблюдается увеличение содержания бактерий во времени вплоть до насыщения сорбционной ёмкости породы, после че-го, следующие группы бактерий продвигаются по потоку дальше.

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТЕПЛОПЕРЕНОСА

Теплоперенос осуществляется конвекцией, кондукцией (тождествен-но диффузии) и гидродисперсией. Тепловая конвекция определяется средней скоростью V движения подземных вод по формуле:

Тепловой фронт перемещается по схеме поршневого вытеснения, граница раздела двух тепловых потоков вертикальна и на ней наблю-дается температурный скачок.

Гидродисперсия при теплопереносе развивается аналогично мас-сопереносу. Перенос тепла определяется средней скоростью фильтра-ции и кондукцией и сопровождается рассеиванием тепла с образовани-ем переходной зоны.

ПРЕДПОСЫЛКИ ВЫВОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОСА

. Используют принятое в гидромеханике понятие сплошной среды со средними статистическими характеристиками, выбирая для этого размеры репрезентативного объёма ΔVР геомиграционной среды и репрезентативного интервала времени tр. Твёрдую, жидкую и газо-вую фазы геологической среды считают непрерывными.

2. Рассматривают миграцию каждого отдельного элемента либо оце-нивают изменение общей минерализации или содержание отдельно-го характерного иона в подземных водах.

3. Реальные потоки вещества и тепла рассматривают в одном из нап-равлении.

4. Считают, что фильтрационные показатели и параметры физико- химического и теплового взаимодействия являются независимыми, поэтому решения дифференциальных уравнений проводят автоном-но.

5. В качестве основных законов миграции вещества и тепла в подземных водах для диффузионного и кондуктивного переноса, принимают законы Фика (для конвективного переноса) и Фурье (для дисперсии).

6. Реальные водоносные и относительно водоупорные пласты и слоистые толщи при решении задач рассматривают как условно однородные, а при моделировании – как дискретно неоднородные с различными параметрами.

ПОНЯТИЕ «ЗАГРЯЗНЕНИЯ» И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПИТЬЕВЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.

Понятие о загрязнении подземных вод.

Под антропогенным загрязнением подземных вод понимают ухудшение качества воды (химических, физических, биологических свойств), вызванное хозяйственной деятельностью человека.

Существует и другое, более емкое определение: Загрязнение питьевых подземных вод – это вызванное хозяйственной деятельностью изменение качества подземных вод по сравнению с естественным состоянием и санитарно-гигиеническими нормами к качеству питевых вод, которые частично или полностью исключают возможность использования этих вод в питьевых целях без предварительной их водоподготовки или обработки.

Обычно выделяют две стадии загрязнения:

начальную стадию, когда содержания компонентов выше фонового, но ещё ниже ПДК;

собственно загрязнение, когда концентрации отдельных компонентов превышают ПДК.

По видам загрязнителей выделяют следующие виды загрязнения:

химическое

биологическое

радиоактивное

тепловое

Химическое загрязнение подземных вод

Этот тип загрязнения является наиболее распространённым. Химическое загрязнение проявляется в виде:

увеличения, по сравнению с фоновой, минерализации подземных вод;

увеличения концентраций выше фоновых различных компонентов химического состава подземных вод;

появлением химических элементов и синтетических веществ не характерных для природного состава подземных вод.

Этот вид загрязнения является устойчивым, сохраняется в течении длительного периода времени и распространяется на большие расстояния по водоносным горизонтам. По составу загрязняющих веществ химическое загрязнение подземных вод может иметь различную степень токсичности.

Наиболее распространенными типами химического загрязнения подземных вод является загрязнение макрокомпонентами, нефтепродуктами, тяжелыми металлами и пестицидами.

Биологическое (бактериальное) загрязнение подземных вод.

В коммунальных и сельскохозяйственных отходах содержатся различные микроорганизмы, которые при попадании в водоносные горизонты изменяют биологические свойства и ухудшают санитарное состояние вод. Показателем такого бактериального (биологического) загрязнения является наличие повышенных концентраций, по сравнению с природными фоновыми концентрациями, санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов.

К санитарно-показательным микроорганизмам относятся бактерии группы кишечной палочки, энтерококки.

Патогенными, или болезнетворными микроорганизмами называются бактерии, которые вызывают проявления инфекционных заболеваний.

Безопасность питьевой воды в эпидемиологическом отношении определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям. Особенностью бактериального загрязнения является ограниченность его распространения внутри водоносного горизонта. Это обусловлено сравнительно небольшим временем выживания бактерий в подземных водах.

Радиоактивное загрязнение подземных вод является следствием выбросов в атмосферу и на поверхность Земли радионуклидов в результате:

ядерных взрывов;

нештатной работы атомных станций;

со сточными водами предприятий, добывающих или использующих радиоактивные вещества в научных, лечебных или производственных целях;

в результате аварий на объектах атомной промышленности и энергетики.

Подземные воды относятся к радиоактивно загрязненным, если концентрация в них радионуклидов превышает их фоновые значения, а степень их загрязнения определяется по соотношению фоновых и наблюдаемых концентраций. Авария на Чернобыльской АЭС показала, что подземные воды являются чувствительными к радиоактивному загрязнению. В Украине на загрязненных территориях радионуклиды обнаружены не только в грунтовых водах, но и в напорных глубокозалегающих водоносных горизонтах.

Тепловое загрязнение подземных вод проявляется в

виде повышения их температуры по сравнению с фоновой.

Формируется обычно в районах расположения крупных

промышленных предприятий, главным образом, предприятий

энергетического комплекса (тепловые и атомные электростанции),

а также на территориях городов за счет сброса на поверхность

земли нагретых промышленных и коммунальных сточных вод,

что влечет за собой изменение газового и химического состава

подземных вод, нарушение гидрогеохимического равновесия в

системе порода-вода, развитию микрофлоры и микрофауны и др.

Теплове загрязнение подземных вод наиболее часто встречается за счет:

инфильтрации с поверхности земли сточных вод,

вследствие закачки в глубокие водоносные горизонты тепловых сточных вод.

По масштабу загрязнения подземных вод выделяют:

Локальное загрязнение подземных вод имеет место на ограниченной площади вокруг источника загрязнения.

Региональное загрязнение подземных вод наблюдается на больших площадях. Обычно источником регионального загрязнения являются горнодобывающие предприятия и урбанизированные территории.

Поступать загрязнение в водоносный горизонт может практически со всех сторон: сверху, сбоку, снизу и непосредственно в пласт в результате закачки.

Влияние загрязняющих веществ на равновесие в системе вода - порода - газ – живое вещество.

С точки зрения влияния загрязняющих веществ на гидрохимические свойства подземных вод выделяют:

инертные загрязняющие вещества, которые не изменяют Eh - pH состояния подземных вод, слабо участвуют в процессах комплексообразования и т.д. (NO3- Cl-, некоторые органические вещества.).

активные загрязняющие вещества, которые изменяют гидрогеохимическую обстановку и, как следствие, нарушают равновесие в системе вода - порода - газ - живое вещество (Н+, Fe2+, H2S и т.д.).

Взаимосвязь гидродинамического и гидрохимического режимов подземных вод.

Гидродинамический и гидрохимический режимы подземных вод тесно связаны. При понижении уровней нарушается гидрогеохимическое равновесие, усиливаются окислительные процессы, изменяются pH, Eh и, как следствие, состав подземных вод. Например, если водовмещающие породы содержат сульфидные минералы, то снижение уровня подземных вод приведет к окислению сульфидов, снижению рН подземных вод и, как следствие, к увеличению содержания в воде многих металлов. Также при понижении уровня возможен подток сбоку или переток снизу некондиционных подземных вод. При повышении уровня изменяется водно-солевой баланс грунтовых вод, увеличивается испарение с капиллярной каймы, вода начинает контактировать с новыми водовмещающими породами, и, как следствие, - изменение химического состава.

Загрязнение подземных вод не является локальным процессом, оно тесно связано с загрязнением окружающей природной среды в целом.

Загрязнение пресных подземных вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, не только сказывается на здоровье людей и состоянии окружающей среды, но и приводит к необходимости колоссальных затрат на очистку воды, ремонт и реконструкцию очистных сооружений, дополнительных затрат на здравоохранение. Всё это происходит на фоне недостаточной изученности и состояния загрязнения, и влияния многих вредных компонентов на здоровье людей и животных, и несовершенности методов исследований многих новых видов загрязнения.

Понятие "качество" для подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения.

В настоящее время качество питьевой воды, как правило, оценивается путем сравнения ее свойств и величин содержания в воде различных компонентов с их утвержденными значениями и ПДК. Если таких превышений не обнаружено, вода считается пригодной к употреблению для питьевых целей.

На сегодняшний день, говоря об "экологическом качестве" питьевой воды, необходимо переходить от однозначных оценок типа "пригодна — не пригодна" к определению ее природных свойств, влияющих на здоровье человека. Наибольший интерес при этом представляют концентрации в воде элементов, активно участвующих в физиологических процессах (биологически активные компоненты).

Принципы и методы определения значений предельно допустимых концентраций (ПДК).

Нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) устанавливаются по органолептическим, санитарно-токсикологическим и микробиологическим показателям.

Первая группа показателей (по органолептическим) устанавливается с учетом физических свойств воды. К органолептическим показателям относится запах, привкус, цвет, прозрачность и др.

Вторая группа показателей (по санитарно-токсикологическим) устанавливается с учетом токсичности и возможности накопления в организме человека нормируемых элементов и соединений. В основе нормирования каждого вещества должно лежать: изучение его токсического воздействия; изучение его влияния на органолептические свойства воды; изучение его влияния на процессы естественного самоочищения от загрязнений.

Третья группа показателей (по микробиологическим показателям) устанавливается с учетом общего количества бактерий в 1 дм3 неразбавленной воды.

Коли-индекс - количество бактерий группы кишечной палочки в 1 дм3, оно не должна превышать 3.

Коли-титр - объём воды в миллилитрах в котором должна содержаться 1 кишечная палочка должен быть не менее 300 мл.

Основные нормативные документы Украины, России и ВОЗ, регламентирующие состав питьевых вод

Основными регламентирующими документами для питьевой воды в Украине и России являются:

ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством» - распространяется на воду при централизованном использовании местных источников с разводящей сетью труб.

ГОСТ 13273-88 "Воды минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые» распространяется на минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые воды, которые имеют минерализацию не менее 1 г/дм3 или содержат биологически активные микроэлементы в количестве не ниже бальнеологических норм.

ГосСанПиН 383-97 " Вода питьевая "

СНиП-88 "Санитарные нормы и предельно допустимые содержания вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»

Международные нормы качества питьевой воды разрабатываются Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). ВОЗ приняты рекомендуемые величины содержания компонентов, которые обеспечивают качество воды, эстетически приемлемое и не представляющее значительной опасности для здоровья потребителя. Данные величины служат основой при разработке национальных стандартов, которые при правильном применении должны обеспечивать безопасность питьевого водоснабжения. Во всех странах разрабатываются стандарты качества воды, наиболее близкие к рекомендуемым величинам.

Всего в Украине нормативными документами установлены ПДК для более чем 1500 различных элементов и соединений.

Данные по предельно допустимым концентрациям различных компонентов в воде приводятся в различных справочных изданиях:

химическая классификация и некоторые физические и химико-аналитические свойства около 1000 нормируемых в водах органических соединений представлены в справочнике "Основные свойства нормируемых в водах органических соединений". Там же даны структурные формулы этих соединений, их ПДК, лимитирующие признаки вредности (необходимы при выборе наиболее опасных веществ для контроля и учитываются при одновременном содержании вредных веществ), молекулярные массы, агрегатное состояние, некоторые физические константы, растворимость, устойчивость, область применения.

о физико-химических свойствах, получении и применении, а также ПДК для элементов 1-VIII групп, углеводородов и их галогенопроизводных и радиоактивных элементов приведены в четырехтомнике "Вредные химические вещества".

В настоящее время является актуальным совершенствование системы контроля качества питьевой воды (приоритетность методов анализа, периодичность исследований, методика отбора проб воды и др.). Самостоятельной задачей является уточнение величин гигиенических стандартов по ряду показателей, таких как цветность, содержание хлоридов, сульфатов, алюминия, свинца, селена, по которым имеются расхождения между ГОСТом и "Рекомендациями" ВОЗ. Также необходима разработка отдельного Государственного стандарта на качество питьевой опресненной воды, так как опреснение соленых и солоноватых вод является очень важной гигиенической проблемой.

Классификация подземных питьевых вод по качеству

В настоящее время по целому ряду элементов, доля поступления которых в человеческий организм с водой особенно велика, даются конкретные цифры по рекомендуемым концентрациям. Как правило, такие значения получены в результате статистического анализа данных медико-биологических исследований состояния здоровья населения по регионам с питьевой водой различного химического состава или материалов клинических экспериментов с животными. Однако содержание в питьевой воде других элементов также весьма существенно влияет на общий минеральный баланс человека. В табл.3 приведены данные по среднесуточному потреблению человеком элементов с пищей и водой, существующие ПДК в питьевой воде для данных элементов и процентная доля поступления данного элемента с водой при условии его содержания на уровне ПДК.

Влияние загрязнения подземных вод на окружающую среду

При оценке влияния химического состава подземных вод на окружающую среду требуют серьезного внимания процессы распространения загрязняющих компонентов из подземных вод по пищевым цепям. В этом случае токсические элементы попадают в организм человека не только с питьевой водой, но и через растительную и животную пищу. Даже если население не пьет загрязненную воду, а только использует ее для приготовления пищи, водопоя скота и полива растений, это может отразиться на здоровье не только нынешнего, но и последующих поколений.

Своевременный, оперативный и качественный контроль за химическим составом воды, используемой для хозяйственно-бытовых целей, является одним из условий улучшения состояния окружающей среды.

При оценке качества подземных вод нормируемые элементы можно разделить на две группы.

В первую группу входят элементы, фоновые концентрации которых в пресных подземных водах часто близки к ПДК. К ним относятся F, Fe, Be, Se, Sr, Mn и ряд других.

Вторую группу составляют элементы, естественные концентрации которых, как правило, значительно ниже ПДК. Такими элементами являются Сu, Mo, Pb, Zn и некоторые другие.

Однако следует учитывать, что такое распределение весьма условно, и в каждом конкретном случае для прогноза возможных концентраций микроэлементов в подземных водах необходимо прежде всего изучить гидрогеологические условия района и минералогический состав водовмещающих пород. Так, например, Cu, Zn и Pb могут иметь повышенные концентрации в районах полиметаллического оруденения. В связи с тем, что подземные воды с регионально повышенными концентрациями нормируемых элементов достаточно широко и закономерно распределены в земной коре, при гидрогеологических исследованиях выделяют гидрогеохимические провинции с фиксированным набором элементов, имеющих концентрации на уровне или выше ПДК.

Поиск по сайту: