КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЕМКОСТНЫХ И МИГРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДИКАТОРНЫХ МЕТОДОВ

Карпенко Н.П.

ORCID: 0000-0001-6638-149Х, Доктор технических наук, Российский государственный аграрный университет РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЕМКОСТНЫХ И МИГРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДИКАТОРНЫХ МЕТОДОВ

Аннотация

В статье рассмотрены результаты проведения экспериментальных полевых опытных работ по определению емкостных и миграционных параметров с использованием индикаторных методов. Для конкретного объекта исследований определены основные миграционные параметры для песчано-гравийных отложений, оценка которых позволяет применить их в дальнейшем при прогнозе и оценке качества подземных вод.

Ключевые слова: водозабор, источники загрязнения, индикаторные методы, миграционные параметры, макродисперсия, гидродисперсия

Karpenko N. P.

ORCID: 0000-0001-6638-149Х, PhD in Engineering, Russian Timiryazev State Agrarian University

INTEGRATED EVALUATION CAPACITIVE AND MIGRATORY PARAMETERS WATER-SATURATED MEDIA WITH THE USE OF TRACER METHODS

Abstract

The article describes the results of the experimental field of experimental work to determine the capacitance and migration parameters using tracer techniques. For a specific object of study defined the basic settings for the migration of sand and gravel deposits, the evaluation of which allows them to apply in the future for prognosis and assessment of the quality of groundwater.

Keywords: intake, sources of pollution, tracer techniques, migration options, microdispersion, hydrodispersion

Сохранение качества подземных вод в процессе их эксплуатации является необходимым условием работы водозабора при заданном режиме водоотбора. При наличии потенциальных источников загрязнения, ухудшающих качество подземных вод (сброс промышленных и бытовых стоков, естественные источники некондиционных подземных вод и т.д.), при оценке эксплуатационных запасов обязательным условием является прогноз изменения качества подземных вод.  Вопросы изучения емкостных параметров (трещиноватости, скважности, эффективной пористости) горных пород, так же как и геометрических особенностей пористых сред, имеют фундаментальное значение для расчетов миграции подземных вод в природных средах. В настоящее время прогноз изменения качества подземных вод часто проводится по схеме поршневого вытеснения [4, 5].

Как показывает опыт гидрогеологических исследований, в реальных водоносных горизонтах наблюдается существенная фильтрационная неоднородность, которая приводит к значительной дисперсии загрязненных вод при их движении к водозабору.  В связи с этим для достоверного гидрогеохимического прогноза необходимо проведение специальных полевых опытно-миграционных исследований, которые позволяют оценивать величину не только эффективной пористости, но и дисперсионные свойства водоносных горизонтов.

Цель исследований заключается в экспериментальном обосновании и проведении полевых опытных работ для определения емкостных и миграционных параметров с использованием индикаторных методов для дальнейшего составления гидрогеохимических прогнозов работы водозабора подземных вод.  Процесс фильтрации индикаторов в трещиноватой или пористой среде описывается дифференциальным уравнением конвективной диффузии (дисперсии) [4, 5]:

,                                                 (1)

где С – концентрация индикатора; n_э – коэффициент эффективной пористости (пустотности); D – коэффициент дисперсии, м²/сут ; V – скорость фильтрации, м/сут.

Нередко миграция подземных вод в водоносных горизонтах характеризуется дифференциальным уравнением диффузионного типа с конвективным членом. В этом случае эффективный коэффициент диффузии (коэффициент дисперсии) записывается в виде [1, 5]:

                                                      (2)

где D_M – коэффициент молекулярной диффузии в свободном поровом пространстве, м²/сут ; δ₁ и δ₂ – параметры микро- и макродисперсии; V – скорость фильтрации, м/сут.

В большинстве случаев при нарушенном режиме скорости фильтрации столь велики, что первыми двумя слагаемыми в формуле (2) можно пренебречь, поэтому задача опытных полевых работ сводится к определению эффективной пористости и параметра макродисперсии.

Существует несколько способов проведения опытов для определения миграционных параметров в полевых условиях – кустовая схема опробования при непрерывном запуске раствора; односкважинная схема опробования при непрерывном запуске индикатора; кустовая схема опробования по способу индикаторной волны [1].

Комплексная оценка емкостных и миграционных параметров (пористости и трещиноватости) проводилась для водонасыщенных отложений зоны транзита подземных вод в межгорной впадине Северного Таджикистана.  С этой целью на детальном участке проводился специальный полевой опыт индикаторного опробования основного водоносного горизонта с применением кустовой схемы по способу индикаторной волны [2, 4]. Суть опытно-миграционного опыта заключалась в том, что в водоносный пласт запускался индикатор определенного объема (пакет) в течение ограниченного времени, после чего до конца опыта с тем же расходом в скважину нагнеталась чистая пресная вода. В наблюдательной скважине прослеживалось изменение концентрации во времени и отмечалось время прохождения максимальной концентрации.  Обрабатывались опытные данные по моменту прохождения максимальной относительной концентрации индикатора путем решения уравнения конвективной диффузии.

Анализ гидрогеологической обстановки изучаемой территории, а также результаты изотопных исследований показали, что источниками вод повышенной минерализации являются грунтовые воды, засоленные почвы и породы зоны аэрации периферийной зоны переслаивания, которые являются источниками возможного ухудшения качества отбираемых подземных вод.

Опытный куст был оборудован двумя скважинами, одна из которых использовалась в качестве «закачечной», а другая – в качестве «откачечной».  Фильтры скважин были установлены на основной водоносный горизонт в интервале 40…65 м, расстояние между  скважинами составляло 15 метров.  В качестве индикаторной жидкости был использован природный рассол поваренной соли с общей минерализацией 250 г/л. Опыт по закачке индикаторной жидкости проводился на фоне откачки с постоянным дебитом около 30 л/сек в течение всего опыта.  Опытное нагнетание в «закачечную» скважину проводилось под избыточным давлением в течение 4 – х часов с дебитом около 2,0 л/сек (общий объем индикатора составил около 18 м³); а затем в течение 15-и часов закачивалась пресная пластовая вода с тем же дебитом [2, 3].

Наблюдения за прохождением индикаторной жидкости фиксировались путем прямого отбора проб воды из «откачечной» скважины.  Выходная кривая концентрации индикаторной жидкости по «откачечной» скважине имела ярко выраженный пик С_МАХ (рис. 1).

Рис. 1.  Выходная кривая концентраций индикаторной жидкости, полученная при обработке данных по схеме индикаторной волны

Комплексная оценка емкостных и миграционных параметров проводилась путем обработки данных опыта при непрерывном запуске индикатора и по способу индикаторной волны.

Распределение относительной концентрации индикаторной жидкости при непрерывном нагнетании ее в скважину при постоянном расходе подчиняется следующим зависимостям [3, 5].

;              ,                (3)

где l – мощность опробоваемого пласта, м; n_э – эффективная пористость пласта;  r - расстояние от центральной скважины до наблюдательной, м; Q – расход налива индикаторной жидкости, м³/сут; δ₂ – параметр макродисперсии, сут; C и C_о – текущая и фоновая концентрация индикаторной жидкости.

Для обработки выходной кривой строится график зависимости  от t, имеющий вид прямой, которая пересекает оси ς и t в точках ς⁰ и t⁰ (рис. 2).

Рис. 2. График изменения функции  во времени

По величинам этих отрезков определяются параметры миграции:

;                .                         (4)

где Q, t, l, r – условные обозначения, приведенные выше.

Получая по графику значения ς⁰ и t⁰ и подставляя их в формулы (4), находим комплексные значения эффективной пористости и параметра макродисперсии n_Эl = 0,20 м; δ₂/l = 0,46 сут/м, где l – мощность опробования водоносного пласта. При построении графика по приведенным выше зависимостям и при расчетах миграционных параметров вводилась величина коэффициента разбавления (в данном опыте она принималась равной 0,20), которая учитывает разнодебитный характер проведения опыта (дебит откачки Q₀ = 2870 м³/сут, дебит закачки Q_З = 137 м³/сут).

Опытные данные были обработаны также с использованием метода по способу индикаторной волны, решение задачи которой имеет следующий вид [3, 5]:

,                                                    (5)

,                               (6)

В приведенных зависимостях учитывается время t_и, в течение которого в наблюдательную скважину закачивается индикаторная жидкость.  В результате проведения опытного эксперимента и обработки данных различными методами была получена комплексная оценка емкостных и миграционных параметров водонасыщенных отложений изучаемого участка − коэффициента эффективной пористости (n_э = 0,15) и параметра макродисперсии (δ₂ = 0,7 сут).

Выводы. Полученные количественные оценки комплексного определения емкостных и миграционных параметров водонасыщенных отложений с использованием индикаторных методов, различных схем расчета и методов их обработки позволили с максимально возможной точностью и большой достоверностью определить геомиграционные параметры и применить их в дальнейшем при составлении гидрогеохимического прогноза по оценке качества отбираемых подземных вод. Данная методика по комплексной оценке емкостных и миграционных параметров может быть широко использована для прогноза изменения качества подземных вод при крупном водоотборе при подтягивании высокоминерализованных, некондиционных природных вод; некачественных промышленных сбросов; в вопросах изучения трещиноватости скальных пород под гидротехническими сооружениями, а также при изучении вопросов внедрения интрузии соленых морских вод в прибрежные водоносные горизонты.

Литература

1. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А. Определение миграционных параметров по данным опытных работ режима эксплуатации. Сб. Вопросы обоснования мелиорации и охрана природы». – М.: ВНИИГиМ. – 1983. – С. 105-115.
2. Карпенко Н.П., Манукьян Д.А., Питьева К.Е. Оценка гидрогеологических условий межгорных впадин для прогноза качества подземных вод при интенсивной их эксплуатации // Вестник МГУ, серия геологическая. – 1980. – № 6. – С. 89-96.
3. Манукьян Д.А. Теория и методы решения обратных задач геофильтрации: монография. – М.: МГУП. – 2007. – 188 с.
4. Лехов А.В. Физико-химическая гидрогеодинамика: учебник / А.В. Лехов/ – М.: КДУ. – 2010. – 500 с.
5. Шестаков В.М. Геогидродинамика: учебник. – М.: КДУ. – 2009. – 334 с.

References

1. Karpenko N.P., Manuk'jan D.A. Opredelenie migracionnyh parametrov po dannym opytnyh rabot rezhima jekspluatacii. Voprosy obosnovanija melioracii i ohrana prirody». – M.: VNIIGiM. – 1983. – S. 105-115.
2. Karpenko N.P., Manuk'jan D.A., Pit'eva K.E. Ocenka gidrogeologicheskih uslovij mezhgornyh vpadin dlja prognoza kachestva podzemnyh vod pri intensivnoj ih jekspluatacii // Vestnik MGU, serija geologicheskaja. – 1980. – № 6. – S. 89-96.
3. Manuk'jan D.A. Teorija i metody reshenija obratnyh zadach geofil'tracii: monografija. – M.: MGUP. – 2007. – 188 s.
4. Lehov A.V. Fiziko-himicheskaja gidrogeodinamika: uchebnik / A.V. Lehov/ – M.: KDU. – 2010. – 500 s.
5. Shestakov V.M. Geogidrodinamika: uchebnik. – : KDU. – 2009. – 334 s.