3.17. Изучение загрязнений подземных вод

По условиям залегания выделяются виды подземных вод: почвенные, верховодка, грунтовые и артезианские.

Почвенные воды – это влага, содержащаяся в почвенном слое. Передвигаются они под действием молекулярных, капиллярных гравитационных сил. Небольшие постоянные скопления воды образуются лишь в почвах болотного типа, они характеризуются большим содержанием органических веществ и микроорганизмов.

В зоне аэрации, то есть в слое покровных отложений от уровня грунтовых вод до поверхности земли, выделяют три слоя почвенных вод:

1) почвенный горизонт переменной влажности – корнеобитаемый слой (в нем совершается обмен влагой между атмосферой, почвой и растениями);

2) подпочвенный горизонт;

3) горизонт капиллярной влаги – капиллярная кайма.

Почвенная влага является основой урожая сельскохозяйственных культур.

Верховодка – это небольшие скопления вод временного, сезонного характера, находящиеся в гидравлической связи с почвенными водами и залегающие на невыдержанных водонепроницаемых и слабопроницаемых слоях вблизи самой поверхности земли. В почвоведении эти воды называют почвогрунтовыми.

Накопление верховодки происходит весной при оттаивании почвы и осенью после периода длительных дождей.

Воды верховодки не имеют связи с реками.

Грунтовые воды – это воды первого от поверхности земли выдержанного горизонта подземных вод, залегающих на водоупоре. Они имеют свободную поверхность, так как выше залегают проницаемые породы зоны аэрации, и являются ненапорными водами.

Артезианские воды – это напорные воды, залегающие в тектонических структурах, вогнутых или наклонных водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями.

Подземные воды являются, как правило, хорошими источниками питьевой воды вследствие очищающих свойств грунтов. Но и они подвержены загрязнению. Под загрязнением следует понимать изменение физических, химических и биологических свойств воды, ограничивающих или исключающих их использование в различных направлениях.

Загрязнения подземных вод по своему происхождению подразделяются на четыре основные группы:

• промышленная;

• бытовая;

• сельскохозяйственная;

• природная.

Каждая группа в свою очередь подразделяется на два типа – постоянный и случайный.

Промышленное загрязнение поступает с использованными водами, содержащими химические соединения или имеющими высокую температуру, а также содержащими радиоактивные загрязнения; с дождевой водой; при авариях трубопроводов.

Бытовое загрязнение поступает с дождевой водой, при авариях.

Сельскохозяйственное загрязнение - в связи с выносом оросительными или дождевыми водами удобрений, гербицидов, пестицидов и солей.

Природные загрязнения - главным образом вследствие внедрения морской воды в прибрежный водоносный горизонт.

Важное значение при решении задач минимизации технологического и антропогенного загрязнения имеют знания о физико-химических процессах, возникающих при поступлении в водоносные пласты загрязняющих жидкостей. К таким процессам относятся: диспергирование и перемешивание чистых подземных вод и загрязняющих жидкостей в зоне их контакта, химические реакции, способные вызвать удаление растворенных веществ из подземных вод или обогащение их теми или иными компонентами и др.

Кинетика и механизм этих процессов к настоящему времени изучены не полностью. Поэтому при их описании используют некоторые модели с применением физико-химической гидродинамики, а также теории массо- и теплопереноса.

Поступающие в водоносный пласт загрязненные сточные воды вытесняют чистые подземные воды и перемешиваются в пласте по направлению общего фильтрационного потока. Передвижение загрязнений вместе с потоками подземных вод представляет собой собственно конвективный перенос.

При вытеснении образуется зона смешения, концентрация ингредиента в которой изменяется от С_п до С_о (С_п – концентрация ингредиента в поступающих загрязняющих водах, С_о – концентрация ингредиента в чистых подземных водах).

Формирование зоны смешения связано с фильтрационным диспергированием вещества. Диспергирование потока жидкости в пористой среде – это образование и развитие во времени переходной зоны между областями распределения двух фаз различного химического состава.

Процесс миграции несорбируемых ингредиентов сточных вод в подземных водах может быть количественно описан уравнением

, (23)

где n_a – активная пористость грунта;

С – концентрация ингредиента в паровом растворе;

t – время;

D = D_o+λ(V) – коэффициент конвективной диффузии;

D_o – коэффициент молекулярной диффузии;

λ – коэффициент диспергирования;

x – расстояние;

V(t) – скорость фильтрации.

Коэффициенты, входящие в уравнения, зависят от источников загрязнения, свойств вмещающих горных пород. Если экспериментально определить концентрацию загрязняющих веществ, то, решая обратную задачу, определяют коэффициенты уравнения. Зная их, начальные и граничные условия, находят функцию С=С(x, t), то есть зависимость концентрации загрязняющих веществ от времени и расстояния.