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:
1) Анализ существующих моделей поведения железа в подземных водах при различных гидрогеохимических условиях.
2) Обоснование структуры общей прогнозной модели миграции железа в подземных водах зоны активного водообмена.
3) 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.
4) 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:
1) Обоснована структура многокомпонентной модели миграции железа в водах зоны активного водообмена, которая может быть использована для прогноза качества подземных вод.
2) 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.
3) 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:
1) Обоснованная общая 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.
2) 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.
По результатам проведенных исследований сформулированы следующие 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.
2) Многокомпонентная модель внутрипластового обезжелезивания для подземных вод с температурой менее 10 °C 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.
3) 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.
4) Для прогноза загрязнения подземных вод береговых водозаборов компонентами, привнесенными из донных отложений привлекаемой водой водоемов, необходимо использовать комбинацию из крупнои 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, 19 таблиц.
Список использованных источников
включает 110 отечественных и 36 зарубежных наименований.
4.4 Выводы.
Изучение формирования железа в подземных водах, извлекаемых ВС № 4, было выполнено посредством ознакомления с опубликованной и фондовой литературой, проведения экспериментальных полевых и лабораторных исследований, многокомпонентного геомиграционного моделирования.
В результате экспериментальных работ путем опробования подземных, поверхностных и поровых вод, донных отложений Воронежского водохранилища и пород водоносного горизонта, удалось установить наиболее вероятный источник железа в подземных водах водозаборных скважин — донные отложения, содержащие минералы железа (до 6,4% гидроксида железа (табл. 4.9) и до 1,85% сидерита (табл. 4.8)) и предположить протекание наиболее вероятных процессов, приводящих к формированию его концентрации в подземных водах. Обнаружено, что поверхностная вода водохранилища претерпевает изменение своего состава, проходя через донные отложения, в частности приобретает высокую концентрацию растворенного железа (рис. 4.14), мобилизующегося в результате восстановления его гидроксида органическим веществом. Далее вода мигрирует к водозаборным скважинам, где наблюдается ее смешение с бытовым подземным потоком с берега. Экспериментально установлено, что основной формой миграции железа являются органические комплексы, но также присутствуют лабильные и коллоидные формы железа (табл. 4.5).
Проведенное моделирование многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения показало, что термодинамически возможно протекание процессов перераспределения минеральных форм железа за счет восстановления гетита растворенным органическим веществом и переосаждение части желаза в виде сидерита. При заданных параметрах модели, чем больше скорость фильтрации воды водохранилища через донные отложения, тем быстрее произойдет их промывка от гетита. Часть перешедшего в раствор железа по данным расчета мигрирует из донных отложений преимущественно в виде органических комплексов с фульвокислотой. Таким образом, получается, что высокое содержание растворенного железа в рассматриваемой системе определяется заданной концентрацией фульвокислоты, что согласуется с полученными экспериментальными данными (табл. 4.5),.
Результаты моделирования при различных скоростях движения воды за 25 лет показали, что концентрация растворенного железа в донных отложениях изменяется во времени, а на выходе из них в среднем составляет 0,156 ммоль/л и немного увеличивается с уменьшением скорости фильтрации. Следует отметить, что доля мигрирующего из колонки лабильного железа достигает 6% от общего растворенного. Таким образом, расчетные значения соответствуют диапазону концентрации железа, полученной в процессе опробования поровой воды донных отложений (табл. 4.5).
В ходе расчетов однокомпонентной миграции железа в пласте к водозаборным скважинам удалось получить распределение его безразмерной концентрации в плане. Установлено, что весь водоносный горизонт в районе ВС № 4, затронутый привлекаемым потоком со стороны водохранилища, содержит загрязненную железом подземную воду. Более того, в процессе эксплуатации будет наблюдаться загрязнение подземных вод неоген-четвертичного горизонта севернее и южнее ВС№ 4 (рис. 4.28). Принимая во внимание, что в будущем планируется расширение существующего ВС, а также строительство новых в районе исследуемой территории, то необходимо, создание мониторинговых профилей, для наблюдения за качеством подземных вод на прилегающих к водозаборным рядам участкам.
Учитывая, что результаты тестового моделирования показали высокую эффективность реабилитационных мероприятий по снижению содержания железа в донных отложениях, связанных с их размывом (рис. 4.29), рекомендуется создание опытно-производсвенного участка размыва в процессе переоценки запасов подземных вод на одном из ВС, расположенных в районе данного водохранилища, например на ВС № 4. В ходе этих рекомендованных работ следует также оценить возможность появления в подземной воде других токсичных компонентов (тяжелых металлов, органических веществ, бактерия и пр.), которые задерживаются донными отложениями в процессе фильтрации воды водохранилища в пласт. В случае если данные работы покажут качественную и экономическую эффективность, то в дальнейшем подобную методику можно будет использовать на существующих ВС г. Воронежа.
Оценка условий миграции железа в районе береговых водозаборов может быть выполенена с использованием общей модели миграции, оптимальная структура блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций которой обосновывается по данным, полученным в результате экспериментальных (полевые и лабораторные) работ. При этом состав экспериментальных работ должен включать опробование подземных вод водозаборных и наблюдательных скважин, привлекаемых поверхностных вод и поровых вод донных отложений на определение величин Eh и рН in situ, концентрации сульфидов, иона аммония, нитрат и нитрит ионов, растворенного кислорода, сульфат, гидрокарбонат ионов, жесткости и органического углерода, а также обязательно установление концентрации различных растворенных форм железа (лабильного, коллоидного и закомплексованного с органическим веществом) и содержания его минеральных форм, а также органического вещества в водовмещающих породах и донных отложениях. Пространственно-временная структура опробования (количество точек отбора, их расположение, воспроизводимость) должна определяться исходя из условий на конкретных объектах.
Заключение
.
На основании исследований, проведенных в области разработки и апробации методики прогноза концентрации железа в подземных водах в районе водозаборных участков на основе геомиграционного моделирования можно сделать следующие выводы:
1) Гидрогеохимия железа обуславливает необходимость для изучения и прогнозов его поведения в подземных водах использовать многокомпонентную модель миграции. Общая многокомпонентная модель миграции железа в подземных водах, включающая в себя блоки многокомпонентного переноса и многокомпонентных гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций, обладает универсальной структурой и может быть модифицирована в зависимости от состава рассматриваемой системы, поставленных целей и задач, имеющихся начальных условий.
2) Установлено, что многокомпонентная модель миграции для целей внутрипластового обезжелезивания подземных вод с температурой менее 10 °C и рН менее 6,8 существенно чувствительна к параметрам, определяющим кинетику окисления двухвалентного железа кислородом — температуре, рН и концентрации растворенного кислорода. Поэтому при прогнозных оценках эффективности внутрипластового обезжелезивания таких вод и проектирования систем очистки необходимо учитывать кинетику окисления в прогнозных расчетах для обоснования регламента их работы.
3) В результате экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования обнаружено, что в процессе эксплуатации береговыми водозаборами г. Воронежа подземных вод неоген-четвертичного водоносного горизонта формирование повышенной концентрации железа в них происходит за счет его выноса из донных отложений водой Воронежского водохранилища, при этом доминирующей формой миграции железа являются его органические комплексы.
4) Согласно результатам экспериментальных исследований и моделирования, основной растворенной формой железа в подземных водах в районе береговых водозаборов г. Воронежа являются его органические комплексы, которые в силу своей большой устойчивости могут осложнить процесс очистки воды от железа и не определяются в рамках стандартной системы мониторинга качества воды. В связи с этим необходимо расширить рамки существующего мониторинга качества подземных вод, добавив изучение содержания, динамики и устойчивости органических комплексов железа.
5) Состав экспериментальных работ для оценки условий миграции железа в районе береговых водозаборов должен обязательно включать опробование подземных вод водозаборных и наблюдательных скважин, привлекаемых поверхностных вод и поровых вод донных отложений на определение величин Eh, pH, концентрации лабильных, коллоидных и органических форм железа, а также содержания его различных минеральных форм в водовмещающих породах и донных отложениях. Это позволит обосновать оптимальную структуру блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций для общей модели миграции железа.
6) При изучении миграции железа в несопоставимых пространственных масштабах, например, через донные отложения к скважинам берегового водозабора, общая модель миграции железа расщепляется на две разномасштабные связанные между собой модели: крупномасштабную модель вертикальной одномерной фильтрации и многокомпонентной миграции через донные отложения и мелкомасштабную плановую геомиграционную модель, в качестве граничных условий в которую задаются выходные из донных отложений концентрации компонентов, полученные на крупномасштабной модели.
В процессе исследования миграции железа в подземных водах были получены следующие результаты:
1) Оценка чувствительности блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций при окислении двухвалентного железа растворенным кислородом показала, что для вод с температурой менее 10 °C с значениями pH менее 6,8 влияние кинетики окисления Fe2+ оказывает существенное влияние на процесс внутрипластовой очистки подземных вод и обязательно должно быть учтено в расчетах. Блок характеризуется слабой чувствительность к изменению констант поверхностного комплексообразования железа на своей гидроокиси относительно лабораторных значений для синтезированного феррогидроксида и в дальнейших расчетах могут быть использованы лабораторные константы, полученные D. А. Dzombak и F. М. М. Morel. Выявлена чувствительность к изменению начального содержания кислорода в закачиваемой воде в диапазоне pH 6,0+7,0 и от 7,8+8,1 и температур 4±20 °С. Для околонейтральных значений pH (5,6+7,4) в области температур 4-+10°С процессы катионного обмена будут иметь факультативный характер и учитываются в расчетах или нет в зависимости от состава водовмещающих отложений.
2) В результате моделирования опыта внутрипластовой очистки подземных вод на АПВЗ с использование двухкомпонентной модели миграции установлено, что эффективность потребления кислорода в процессе внутрипластовой очистки подземных вод зависит от коэффициента сорбции железа на водовмещающих породах и от параметров, определяющих кинетику окисления (температура и рН воды). При этом, чем выше будут их значения, тем больше кислорода будет потрачено на окисление двухвалентного железа, следовательно, тем эффективней будет очистка.
3) В результате проделанных экспериментальных исследований в районе ВС № 4 в г. Воронеже установлено, что основным источником железа в подземных водах, извлекаемых водозаборными скважинами, являются минералы железа, содержащиеся в донных отложениях водохранилища, и выявлены наиболее вероятные процессы, отвечающие за вынос и перераспределение форм железа между твердой и жидкой фазами донных отложений. К этим процессам относятся — восстановление гидроксидов железа растворенным органическим веществом, переосаждение часта восстановленного железа в другой минеральной форме (сидерит, пирита и др.) и вынос оставшейся растворенной доли железа нисходящим потоком поверхностной воды в водоносный горизонт. Количественно определено, что доминирующей формой миграции железа по пути фильтрации «вода водохранилища — донные отложения — водоносный горизонт — подземные воды скважин» являются его органические комплексы, в меньшей степени представлена лабильная форма железа.
4) Проведенное моделирование с использование крупномасштабной многокомпонентной модели миграции воды водохранилища через донные отложения показало, что термодинамически возможно протекание обозначенных по результатам экспериментальных работ процессов трансформации и перераспределения железа между донными отложениями и поровой водой. Расчетами подтверждено, что высокая выходная концентрация растворенного железа (на порядок превышающая ПДК) в данном случае обусловлена его гидрогеохимической способностью образовывать устойчивые органические комплексы с кислотами гумусового ряда.
5) В ходе расчетов с использованием мелкомасштабной однокомпонентной модели переноса общего железа в водоносном пласте к водозаборным скважинам удалось установить плановое распределение безразмерной концентрации железа на исследуемой территории ВС№ 4. По данным расчета уже в первые годы работы ВС будет достигнут стационарный режим максимального содержание железа в подземном потоке со стороны водохранилища к скважинам. Более того, со временем следует ожидать загрязнения железом природных подземных вод водоносного неоген-четвертичного горизонта к северу и югу от рассматриваемого ВС за счет подтягивания трансформированной в донных отложениях поверхностной воды водохранилища.
В свете изложенных результатов представляются обоснованными следующие рекомендации:
Для увеличения эффективности потребления кислорода на окисление двухвалентного железа в подземных водах АПВЗ (рН 6,4+6,6 и температура 4+9 °С), следует проводить дополнительные мероприятия, например, повысить содержание растворенного кислорода в закачиваемой воде или увеличение времени простоя скважины после полуцикла закачки перед полуциклом откачки для завершения кинетических процессов потребления кислорода до начала цикла откачки. Оценочные расчеты показали, что проведение данных мероприятий приведет к ощутимому снижению содержания железа в откачивающей скважине (до 45%) в ходе внутрипластового обезжелезивания подземных вод.
По данным проведенного прогнозного геомиграционного моделирования, область загрязнения подземных вод железом в районе берегового ВС № 4 в г. Воронеже имеет протяженный вдоль берега водохранилища размер, затрагивая даже области вне ВС, поэтому рекомендуется на стадии разведочных работ до строительства новых водозаборов или при расширения имеющегося провести дополнительные исследования, направленные на опробование потенциально загрязненных участков неоген-четвертичного водоносного горизонта, разработать и внедрить эффективную систему мониторинга. Принимая во внимание, что основной растворенной формой железа в подземных водах являются его органические комплексы, то рекомендуется расширить рамки существующего мониторинга за качеством подземных вод, добавив определение различных форм железа (лабильного, коллоидного, закомплексованного с органическими веществами). Согласно данным мониторинга подобрать наиболее эффективный регламент очистки с учетом разрушения органических комплексов железа в отбираемых подземных водах перед их подачей в распределительную сеть.
Учитывая, что результаты тестового моделирования показали высокую эффективность реабилитационных мероприятий, связанных с размывом донных отложений и снижением содержания железа в подземной воде водоносного горизонта, рекомендуется создание опытно-производсвенного участка размыва в ходе переоценки запасов подземных вод на одном из ВС, расположенных в районе данного водохранилища, например на ВС № 4. Наряду с мониторингом изменения содержания различных форм железа в подземных водах на опытном участке необходимо исследовать возможное появление в них других компонентов (тяжелых металлов, органических поллютантов, бактерий и пр.), которые могли бы быть задержаны на природном барьере донных отложений в процессе фильтрации через них привлекаемой воды водохранилища.
