Учет гидрогеологических условий при исследованиях процессов массопереноса загрязняющих компонентов в подземных водах

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

УЧЕТ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

THE ACCOUNT OF HYDROGEOLOGICAL CONDITIONS AT

RESEARCHES OF PROCESSES MASSCONDUCTION OF POLLUTING COMPONENTS IN UNDERGROUND WATERS

С. А.Жуков*, В. С.Стародубцев*, А.Д.Потапов**

S. A.Zhukov*, V. S.Starodubtsev*, A.D.Potapov**

ВГАСУ*, МГСУ**

На основе анализа гидрогеологических условий территории водозабора подземных вод, данных режимных наблюдений и результатов структурного моделирования рассматриваются возможные причины загрязнения подземных вод.

On the basis of the analysis of hydro-geological conditions of territory of a water intake of the underground waters, the given regime supervision and results of structural modeling the possible reasons of pollution of underground waters are considered.

Неотъемлемой частью гидросферы природно-технической (ПТС) территориально-производственного комплекса (ТПК) г. Воронежа являются подземные воды. Подземные воды в системе ТПК г. Воронежа образуют два гидрогеологических этажа и приурочены к четвертичным, неогеновым, девонским отложениям - верхний этаж и до-кембрийским отложениям. Особенностью рассмотрения подсистемы подземных вод является использование неоген-четвертичного водоносного комплекса для централизованного водоснабжения г.Воронежа девятью (№№ 3, 4, 6, 8, 9, 11, "Южно-Чертовицкий", 12, "Теннистый") водозаборами подземных вод (ВПВ), общий водоот-бор которых составляет « 500 тыс.м3/сут при потребности города в 650 тыс.м3/сут. [1].

Техногенное воздействие на природную систему подземных вод привело к формированию значительных по протяженности (более 4 км) и по понижению (более 10 м) депрессионных воронок, что в свою очередь сказалось на изменении геоэкологической обстановки и в частности изменении гидрогеохимического состава подземных вод. Геоэкологическая обстановка в системах ВПВ характеризуется концентрациями близких к ПДК соединений азота, сульфатами, хлоридами, различными тяжелыми металлами. Особенно остро стоит вопрос о повышенном (по отношению к ПДК) содержание железа (более 7 мг/л) и марганца (более 1 мг/л).

Таким образом, значительные изменения гидрогеологических, гидродинамических, гидрогеохимических и геоэкологических условий, произошедших в ПТС ТПК

г.Воронежа под влиянием техногенных факторов (заполнение Воронежского водохранилища, эксплуатация ВПВ и промышленные выбросы) заставляют нас детально рассмотреть особенности функционирования подсистемы подземных вод. Рассмотрим особенности процесса геомиграции загрязняющих компонентов подземных вод на примере ВПВ №3 г.Воронежа/

ВПВ № 3 расположен на склоне правобережной террасы (рис.1). Эксплуатируемый неоген-четвертичный водоносный комплекс представлен разнозернистыми песками, переходящими в основании в крупнозернистые (рис.2).

Наличие прослоев верхнеплиоценовых глин приводит к образованию верховодки, что способствует заболачиванию территории и создает условия образованию и накапливанию в водоносном комплексе ионов железа и марганца.

На водозаборе пробурено 16 скважин в двух рядах, расположенных под углом друг к другу и отдельно стоящих скважин. Длина обоих рядов около 1150 м. Расстояние от крайней скважины до водохранилища составляет 500 м. Расстояние между скважинами в рядах - 50-140 м. Скважины оборудованы проволочными фильтрами диаметром 16" с гравийной обсыпкой. Длина рабочей части фильтров 12-20 м. Расход водозабора составляет 29.4 тыс.м3/сут при 14 работающих скважинах(не действуют скв. № 14 и 16). Условный фактический дебит одной скважины составил 2100 м.3/сут. Глубина эксплуатационных скважин составляет в основном - 47-67 м.

5/2011

ВЕСТНИК МГСУ

По химическому составу воды пресные с минерализацией 0,26 - 0,48 г/л, гидро-карбонатно-сульфатного кальциево-натриевого или гидрокарбонатного кальциевого типов.

Качество воды соответствует санитарным нормам по всем позициям за исключением железа (тах - 11.6 (скв.№1) при ПДК 0.3 мг/л) и марганца (тах - 1.55 мг/л (скв.1) при ПДК 0.1 мг/л).

Рис.2. Гидрогеологический разрез по линии 1-1 ПТС ВПВ №3

Анализируя данные мониторинга ПТС ВПВ №3, проводимого ОАО'Теоцентр Москва" ТЦ "Воронеж - геомониторинг" в период с 1998-2007 гг., можно сделать вывод о связи содержания ионов железа и марганца в подземных водах с водоотбором и количеством осадков (рис. 3, 4, 5 и 6).

При водоотборе порядка 17-21 тыс.м3/сут наблюдается максимальное содержание ионов железа в подземных водах ПТС ВПВ №3, которое усугубляется в 1 полугодие 2002 малым количеством осадков, что приводит к значительному повышению содержание ионов железа в подземных водах (до 5,87 мг/л) и может свидетельствовать о местном загрязнении водоносного горизонта.

Анализ данных мониторинга содержания ионов марганца в подземных водах ПТС ВПВ № 3 показал (рис. 4, 5 и 6), что влияние количества осадков в данном случае несколько размыто запаздыванием процесса (в период 2001-2002 гг. максимум достигается не в 1 полугодии 2002 года, а во втором), что может быть объяснено формированием среды образования марганцевого загрязнения.

Этим же (запаздыванием по времени) можно объяснить и максимальное значение содержания ионов марганца в подземных водах ПТС ВПВ № 3 во втором полугодии 1999 г (0,7 мг/л), т.к. и водоотбор и количество осадков, в общем, соответствуют пику периода 2001-2002 гг.

Рис. 3. Содержание ионов железа в подземных водах ВПВ №3

В целом, анализ также показал, что загрязнение ионами марганца подземных вод ПТС ВПВ № 3 может быть вызвано местным загрязнением водоносного горизонта.

1

41

Рис. 4. Содержание ионов марганца в подземных водах ВПВ №3

Рис. 5. Водоотбор из ПТС ВПВ №3

5/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

иг

Г*

т __« / \

\ / 1

V

л 04 ч"

± : \ш\ ,'^т 1 А'

Рис. 6. Количество осадков в ПТС ТПК г.Воронежа

Исследования по математическому моделированию процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод на основе метода группового учета аргументом [2] проводились на базе класса структур вида

5с _а (52сТ* | 5 1 ~ а 1.5 х2 I + а2 1.5 у2

у 2 V"* д с

"аз

/ \(-к '5с

5 х

/ \t-k '5с

5 у

+ а5Ч/1 +а6Ч/2 +а7Ч/:3 + а 8 4 +а9Ч/5 +а^10Ч/6 + ап

где: с - концентрация ионов загрязняющего компонента (например, железа или марганца) в подземных водах (прогнозируемая переменная в мг/л); а1 - а4 - соответствующие коэффициенты при производных; 1 - время; х, у - пространственные координаты; к - запаздывание по времени, к = 1, 2, 3; ¥ 1 - водоотбор в тыс.м3/сут; ¥ 2 -температура воздуха в С0; ¥ 3 - осадки в мм; ¥ 4 - рН поверхностных вод; ¥ 5 -содержание 02 в поверхностных водах водохранилища мг/л; ¥ 6 - содержание ионов хлора в поверхностных водах водохранилища мг/л; а5 - а10 - соответствующие коэффициенты при ¥ 1 - ^ 6; ап - свободный член и, соответственно (1), конечно-

разностный вид

1+1 1-1

4+1 '-1 , * / 1 О ' , ' \ _1_ * I 4-1 О < -1 , <"1 \_1_

у = + а 1 ( см,Г2си + ) + а 2 (сш,Г 2си + ) +

+ а 3 ( ст,Г 2</ + ) + а 4 ( су-1 " 2+ сЬ+1 ) +

+ а5 (сш~ 2си + 1 Ч _1_ * <\/+1 ) + а 6 У 4-2 (СУ-1 о < - 2

, * у 1 1 \ , * 1 1-1 + а 7 (с1+у ) +а 8 (с1+и" 4-1 * С1-У ) + а 9 У 4-2 (с1+и 4-2 \

< - 2 \ ,

^+1 ) +

+ а п (су+1 _сг,ы ) + а ^2 (су+1_ С;,Д ) + а1з^1 + а*^ 1 + а^Т 1 2+ а^Ч^ +

*17 * 2

48 ,1-1

'г'2

'3 1 + а^ 2 + " <т'' 1 ' " <т'' 2

+ а25Х^5+ а26Х^51 + а27^52 + азо^^2+аз1.

19 3 ,1-2

В результате эксперимента по идентификации процессов массопереноса ионов железа в ПТС ВПВ №3 была получена модель согласно

= с^ +1,103

Модель (3) процесса массопереноса ионов железа в ПТС ВПВ №3 включает первую производную по оси X и параметр водоотбора с запаздыванием по времени (-1), что подтверждает гипотезу о местном загрязнении водоносного горизонта.

Результатом эксперимента по идентификации процессов массопереноса ионов марганца в ПТС ВПВ №3 явилась модель

= c'j + 0,244

- 0,004 ^l1- 0,041.

Модель (4) процесса массопереноса ионов марганца в ПТС ВПВ №3 включает первую и вторую производную по оси X (без запаздывания по времени) и параметр водоотбора с запаздыванием по времени (-1), что также подтверждает гипотезу о местном загрязнении водоносного горизонта.

Литература

1. Жуков, С.А. Природно-технические системы. / С.А.Жуков, B.C. Стародубцев. - Воронеж, Вор.гос.ун-т, 2009. - 143 с. - (Гидросфера городов).

2. Жуков, С.А. Моделирование процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод / С.А.Жуков, B.C. Стародубцев // Экология и промышленность России, № 7., 2008. - С.24 - 27.

References

1. Zhukov, S.A. Nature-technical systems. / S.A.Zhukov, V.S.Starodubtsev. - Voronezh, Vor.gov.un-ty, 2009. - 143 p. - (Hydrosphere of cities).

2. Zhukov, S.A. Modelling of processes of dispersion polluting components of underground waters / S.A.Zhukov V. S. Starodubtsev// Ecology and the industry of Russia. - 2008. - Rel. 7.-P.24-27.

Ключевые слова: гидрогеологические условия, водозабор подземных вод, водоотбор, массопере-нос, загрязняющие компоненты, моделирование, идентификация.

Keywords: hydrogeological conditions, water intake of underground waters, water selection, masscon-duction, polluting components, modeling, identification..

Жуков С.А. т. 8-915-585-01-81 E-mail star@geol.vsu.ru Стародубцев В. С. т. 8-951-878-98-85 E-mail star@geol.vsu.ru Потапов АД. 129337, Москва, Ярославское ш.26 E-mail umu-potapov@mail.ru

Соавтор статьи член Редакционного совета «Вестника МГСУ» проф. д.т.н. А.Д.Потапов