Введение к работе
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:
-
Анализ существующих моделей поведения железа в подземных водах при различных гидрогеохимических условиях.
-
Обоснование структуры общей прогнозной модели миграции железа в подземных водах зоны активного водообмена.
-
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.
-
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.
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:
-
Обоснована структура многокомпонентной модели миграции железа в водах зоны активного водообмена, которая может быть использована для прогноза качества подземных вод.
-
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.
-
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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: 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).
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,
Похожие диссертации на Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования
