Химический состав подземных вод формируется под влиянием многих природных факторов и в связи с этим отличается большим разнообразием. Тем не менее в распространении отдельных химических типов подземных вод выявлены некоторые закономерности, наиболее общими из которых являются вертикальная и горизонтальная (широтная) гидрохимические зональности [92].
Хозяйственная деятельность человека часто приводит к нарушению природного химического состава подземных вод. Наибольшее по масштабам влияние на химический состав подземных вод оказывают интенсивное развитие промышленности, городов и химизация сельского хозяйства, сопровождающиеся появлением большого количества сточных вод и газовых выбросов. При этом в атмосферу, почвы и поверхностные воды переходят разнообразные органическиие и неорганические вещества, которые в природной обстановке содержатся в воде в микроколичествах либо вообще не встречаются.
Из изложенного следует, что в естественных условиях и тем более при воздействии техногенных факторов пресные подземные воды имеют сложный, разнообразный состав, который отличается изменчивостью на отдельных участках водоносного пласта, испытывает колебания во времени и может оказаться неблагоприятным для использования воды в тех или иных це- лях. В зависимости от характера применения воды (для хозяйственно-питьевых нужд, для технологических процессов, в па« росиловом хозяйстве, при заводнении нефтяных пластов, в сельском хозяйстве и др.) к качеству ее предъявляются определенные требования.
Определение в воде мутности, бактериального состава, содержания основных макро- и микрокомпонентов 1-й и 2-й групп не вызывает трудностей и может быть проведено по соответствующим ГОСТам и рекомендациям, изложенным в работах [105, 107].
При загрязнении сточными водами и отходами, как .следует из вышеизложенного, в подземные воды могут попадать разнообразные химические вещества, и загрязненная вода, таким образом, представляет собой раствор, содержащий обычно несколько растворенных, "эмульгированных или взвешенных компонентов и имеющий часто повышенную минерализацию.
Поступающие в водоносный пласт загрязненные сточные воды, атмосферные осадки и воды поверхностных водотоков и водоемов вытесняют чистые подземные воды и перемещаются в пласте по направлению общего фильтрационного потока. Передвижение загрязнений вместе с потоком подземных вод представляет собственно конвективный перенос, который является наиболее существенным фактором миграции.
При фильтрации загрязненных подземных вод в водоносном горизонте площадь контакта воды и поверхности зерен породы очень велика. Это способствует поглощению, а также сорбции из воды грубодисперсных, коллоидных и растворенных примесей.
Радиоактивные вещества (уран, радий, стронций, цезий, тритий и некоторые другие элементы), встречающиеся в подземных водах, имеют естественное или искусственное происхождение.Как и в отношении других загрязнений, опасность техногенного радиоактивного загрязнения угрожает в первую очередь грунтовым водам, в особенности при отсутствии почвенного слоя и покровных грунтов, задерживающих сорбирующиеся и корот-коживущие элементы.
Многочисленные гидрогеологические исследования и наблюдения свидетельствуют о том, что слабоминерализованные подземные воды при движении в водоносном пласте способны хорошо растворять минералы, образованные сульфатами натрия, калия и магния, а также хлоридами и бикарбонатами щелочей и щелочноземельных металлов. К среднерастворимым минералам относятся сульфаты кальция (гипс и ангидрит), к относительно труднорастворимым — карбонаты кальция и магния (кальцит и доломит). В определенных условиях способны растворяться (выщелачиваться) и многие другие минералы, в особенности при длительном воздействии воды.
Биологическое загрязнение подземных вод может быть вызвано различными микроорганизмами — водорослями, бактериями,-вирусами. Наиболее опасным является загрязнение болезнетворными микроорганизмами, поступающими в грунтовые воды на участках интенсивной и длительной фильтрации фекальных и хозяйственно-бытовых вод — с полей фильтрации, выгребных ям, скотных дворов, дефектной канализационной сети и т. д. В прибрежные водозаборы биологические загрязнения могут поступать из речных вод, привлекаемых водозабором.
Методы расчета фильтрации и количественной оценки ресурсов подземных вод основываются на решениях дифференциальных уравнений подземной гидродинамики или теории фильтрации [10; 62, 91, 118, 133].Для прогноза качества подземных вод широко используются методы, разрабатываемые в подземной физико-химической гидродинамике, теории массо- и теплопереноса (миграции вещества) в пористых средах и соответствующих исходных дифференциальных уравнениях.
Соотношение (3.6) для а по предложению В. Н. Щелкачева [133] носит название коэффициента пьезопроводности и служит основным параметром нестационарной напорной фильтрации.Здесь Д ср — среднее понижение напора на площади пласта, ограничивающей в плане «воронку» депрессии.
Здесь У1 = — скорость фильтрации. т.Величины С и N здесь даны уже в единицах объемной концентрации, т. е. в единицах массы к объему норового пространства.В слоистой системе водоносных пластов при наличии в кровле и подошве слабопроницаемых разделяющих слоев, через которые может происходить диффузионный отвод солей, в силу неразрывности солевого потока концентрации на контакте равны между собой, т. е. C = Ci и С = С2. Поэтому члены с множителями 8! и 82 из уравнения (3.19) исключаются (это можно сделать и на том основании, что сами скорости ei,2 здесь являются пренебрежимо малыми).
В данной главе рассматриваются аналитические методы расчета водозаборов в различных гидрогеологических условиях. Наиболее распространенным типом водозаборных сооружений являются скважины. Поэтому расчетные зависимости даются преимущественно для одиночных скважин и сис1гем скважин с заданным, постоянным или изменяющимся во времени расходом.
Вблизи поверхностных водотоков располагается большая часть существующих водозаборов подземных вод. Они носят название береговых, или инфильтрационных, водозаборов.По характеру гидравлической связи речных й подземных вод поверхностные водотоки могут быть подразделены на совершенные и несовершенные.
Однородный пласт. Решение задач, связанных с фильтрацией к береговым водозаборам в однородных пластах, для установившихся условий проводится с использованием уравнения Лапласа, являющегося частным случаем общего уравнения (3.12) (при 81,2=0, а = оо). Граничное условие на линии совершенной реки выражается по формуле (1) (см. табл. 7 гл. 3) или в несколько иной записи л:=0; 5=0.
Схема фильтрации подземных вод к скважине вблизи несовершенной реки в однородном по проницаемости пласте представлена на рис. 22.При различных упрощающих предпосылках рассматриваемая схема исследована в работах [10, 18, 112]. В более общем виде эта задача может быть поставлена следующим образом.
Водораздельные водозаборы характеризуются отсутствием гидравлической связи с поверхностными водотоками. Основными источниками питания водозаборов на водораздельных пространствах могут служить: гравитационная и упругая водоотдача водоносных пород; перетекание подземных вод из соседних водоносных горизонтов; инфильтрация атмосферных осадков.
При определении понижения уровня в скважине в формулах (4.32) и (4.33) принимается г = г0, где г0—радиус скважин.На практике дебит скважин может изменяться, что связано с различными причинами, например с их периодической остановкой и включением, заменой насосного оборудования, постепенным изменением проницаемости фильтра и призабойной зоны.
Формулы (4.46) пб методу наложения течений позволяют также рассчитать групповой водозабор, состоящий из произвольного количества скважин.Значения функции 1егГс приведены в прилож. 2.Схема на рис. 25 соответствует линейной одномерной фильтрации подземных вод к водозабору в неоднородном пласте. Из формулы (4.48) видно, что в этом случае параметры неоднородности пласта суммарно учитываются с помощью коэффициента А.
Во многих случаях эксплуатируемые водоносные пласты перекрыты песчано-глинистыми осадками. В таких условиях при действии водозаборов происходит интенсивное питание водоносных горизонтов водами покровных слабопроницаемых отложений и атмосферными осадками.
Под литологическими окнами понимаются перерывы в водоупорных слоях, разделяющих водоносные горизонты артезианских бассейнов. Такие перерывы образуются вследствие размыва, выклинивания или фациального замещения глинистых отложений хорошо водопроницаемым материалом.
Миграция нейтрального компонента, т. е. не разлагающегося, не сорбирующегося и не вступающего в химические реакции, происходит в результанте конвективного переноса, осложненного молекулярной диффузией и гидравлической дисперсией.
Изолированный пласт. К поглощению вещества в породе при фильтрации загрязненных вод, как указывалось выше, может привести кроме собственно сорбционных процессов также задержка вещества в закрытых «тупиковых» порах и ряд других явлений. Для суммарной оценки кинетики этих процессов представляется возможность использовать уравнение (2.7) главы 2, в котором коэффициенты аир следует рассматривать как обобщенные параметры, определяемые опытным путем, а N — как суммарное количество вещества, сорбированное и задержанное породой.
Уравнение (5.50) рассматривалось в работах [37, 130], посвященных вопросам фильтрации малоконцентрированных- суспензий и эмульгированных нефтепродуктов в пористых средах.Обобщенный параметр сорбции а0 (1/сут), таким образом, зависит от начального содержания микроорганизмов, а обобщенный параметр (3° (1/м) —от скорости фильтрации и предельной емкости поглощения микроорганизмов.
Характер зависимости С=/(л:, ¿) при фильтрации в породе, содержащей дисперснорассеянные частицы водорастворимого вещества, подробно изучен в экспериментах [76]. Показано, что при поступлении в породу воды, в которой содержание данного вещества СВХ<СН, в засоленной породе в направлении фильтрационного потока формируются три зоны (рис. 40).
Поступающие в водоносный пласт загрязненные сточные водьг часто отличаются от подземных вод не только по химическому составу, но и по физическим свойствам — плотности и вязкости. Эти отличия влияют на характер и скорость распространения загрязнений в пласте. В частности, более тяжелые загрязненные воды погружаются в нижнюю часть пласта и здесь продвигаются быстрее, чем в верхней его части. Более легкие загрязненные воды задерживаются преимущественно в. верхней части пласта. В том и другом случае граница между загрязненными и чистыми подземными водами деформируется, приобретая в горизонтальном пласте наклонное положение. В результате этого под влиянием гравитационного фактора увеличивается переходная зона от загрязненных вод к чистым. Формирование такой зоны в первую очередь связано с гидравлической макродисперсией. Развитие зоны, кроме того, существенно зависит от различий в вязкости вытесняющих (загрязненных) и вытесняемых (чистых) подземных вод.
Главное, определяющее влияние на скорость и дальность распространения загрязнений имеет перенос загрязняющих веществ фильтрационным потоком.Как было показано (см. гл. 5), при фильтрации загрязненных поверхностных и сточных вод природные подземные воды вытесняются ими из пласта с образованием на границе раздела под влиянием сорбции, конвективной дисперсии и других физико-химических процессов переходной зоны смешения (зоны дисперсии), в которой концентрация загрязняющего вещества изменяется от Свх (концентрация у источника загрязнения) до Се (естественная фоновая концентрация в природных подземных водах; часто Се = 0).
Здесь ( е — бытовой поток подземных вод; Хф0 и Хф — соответственно первоначальное (на момент времени ¿ = 0) и текущее (при t — tф) положение фронта загрязнений; т—мощность пласта.Рассмотрим схему линейного берегового водозабора большой протяженности на расстоянии х0 от реки. На водозаборе поддерживается уровень в=const.
Трехслойный пласт (см. схему на рис. 28 в гл. 4) представляет собой систему, состоящую из двух хорошо проницаемых горизонтов, в одном из которых (слой 1) располагается водозабор; горизонты разделены слабопроницаемой перемычкой. При действии водозабора происходит смешение вод эксплуатируемого пласта (концентрация Се) с подземными водами питающего пласта (слой 2) с концентрацией некоторого компонента Се.
Аналитические методы определения фронта фильтрации загрязнений применимы для простых, в значительной мере идеализированных фильтрационных потоков.В более сложных фильтрационных течениях, — при наличии нескольких источников загрязнения и водозаборов в естественном (бытовом) потоке, — можно производить расчеты численна по методу, основанному на кусочно-разностном разделении всего прогнозируемого периода фильтрации.
При большом накоплении в пласте загрязняющих веществ и малой их десорбируемости, а также при низких фильтрационных свойствах пород время, необходимое для полного извлечения загрязнений из пород и подземных вод может измеряться десятками и даже сотнями лет.
Общие положения по организации зон санитарной охраны (ЗСО). В составе зон санитарной охраны водозаборов подземных вод обычно выделяют два пояса: 1 =—пояс строгого режима и II — пояс ограничений.Назначением I пояса ЗСО является устранение возможности случайного или умышленного загрязнения подземных вод непосредственно через водозаборные сооружения или нарушения нормальной работы водозаборного сооружения, водоподъемных устройств и сооружений для очистки и сбора воды. Поэтому размеры и конфигурация территории I пояса практически мало> зависят от гидрогеологических условий и определяются преимущественно составом и расположением охраняемых объектов.