В. А. Мироненко динамика ползших поп московский

1 - хлор-ион; 2 - ПАЛ
Таблица

■WHbwyv Номер наблюда­тельной скважи- 1	I111II 0,65	Расчетны 4,35	е параметры “о	^S6^Dm ^n0V ^1°^4 • сут ■ 4,3
2	1,70	2,22	0,004	2.8

торам, оказались сопоставимыми , что является подтверждением вполне приемлемого качества опыта.
Приведем еще простой пример использования индикаторного запуска для фильтрационной дифференциации разреза — оценки изменчивости показателя послойной действительной скорости филь-
к.
трации X ⁼ “ в профильно-неоднородном пласте (к. и n_t — коэф­фициент фильтрации и пористость пород ¹-го слоя). Индикаторный запуск NaCl в наблюдательную скважину был осуществлен на за­ключительном этапе откачек в процессе опробования водоносного горизонта, приуроченного к трещиноватым известнякам. Опытные характеристики были приняты следующими: расход откачки Q_c *= 51 м³/сут, расстояние между скважинами г *= 30 м, общая мощность опробуемого интервала т = 10 м. Предшествующий опыту расходо­метрический каротаж эксплуатационной скважины позволил выде­лить две заметно различающиеся по проницаемости зоны; верхнюю, более проницаемую (т^ * 2 м), и нижнюю (т₂ * 8 м), которая на расходометрических диаграммах трактовалась как менее проницае­мая.
На графике временного прослеживания отчетливо выделялись два максимума концентрации индикатора (*_шах1 ~ 10 ч и *_шах7 ~ 40 ч), существенно сдвинутые один относительно другого. По всей веро­ятности, пики максимальной концентраций связаны со временем прихода индикаторной волны по различным зонам: первый отвечает миграции в верхней зоне, а второй — переносу вещества в нижней зоне.
Составляя очевидные балансовые уравнения, легко находим вы­ражения для искомых показателей:
у - пРт _ ЯгУ
Qc‘тал ² Qc'maxl'
где Т — суммарная проводимость пласта (по данным откачки Г=30м /сут).
Подставляя исхлодные значения, получаем^ ~4 • 10³ м/сут, Х₂ ~ 1-10³ м/сут. Величины параметра % далее могут непосредст­венно использоваться в расчетных оценках массопереноса, а после независимой оценки значений п_{ они могут быть пересчитаны для представления коэффициентов фильтрации k_t в явном виде.

2. 
   Постановка режимных наблюдений ^
   

за процессами загрязнения подземных вод

1. 
   Общие положения
   

Этот вопрос мы рассмотрим главным образом применительно к миграции загрязнений от поверхностных бассейнов промышленных стоков. Будем считать для определенности, что такое загрязнение представляет угрозу водозаборным сооружениям хозяйственно­питьевого назначения. Б этих условиях режимные наблюдения со­ставляют основу управления ресурсами и качеством подземных вод в районе. Здесь мы займемся лишь теми аспектами наблюдений — гидрохимических и гидродинамических (геофильтрационных), ко­торые непосредственно связаны с проблемой охраны подземных вод от загрязнения.
Режимные гидрохимические наблюдения на участках загрязне­ния подземных вод направлены на своевременное обнаружение не­благоприятных тенденций в изменениях их качественного состава и позволяют получить необходимую информацию для построения ре­гиональной прогнозной модели. Иначе говоря, с позиций задач охра­ны водоносных комплексов гидрогеологические наблюдения выпол­няют две функции: первую — контрольную, связанную с оператив­ным фиксированием загрязнения, и вторую — экспериментальную, сводящуюся к изучению расчетной модели миграции и миграцион­ных параметров путем дальнейшего решения соответствующих об­ратных задач (см. раздел 5.1). Естественно, что анализ данных гид­рохимических наблюдений не может проводиться без качественной геофильтрационной основы, получаемой в рамках режимных гидро­динамических наблюдений.
Постановка наблюдений должна исходить из основных законо­мерностей формирования гидродинамических и гидрохимических полей на участках нарушенного режима подземных вод. Сложность этих закономерностей делает необходимым тщательное планирова­ние соответственно ориентированных режимных наблюдений на базе принципа обратной связи (см. раздел 7.5), предполагающего всесто­ронний учет — при планировании наблюдательной сети — главных особенностей прогнозируемых миграционных процессов в период строительства и эксплуатации инженерных объектов. В основе тако-
* Например, в случае пористых пород для этого можно использовать параллельные лабораторные оценки пористости.
го планирования лежит аппарат теории миграции подземных вод, с помощью которого проводятся разведочные (прогнозные) оценки возможных процессов загрязнения водоносных горизонтов. Исход­ными данными для подобных оценок служат преимущественно ре­зультаты опытно-фильтрационных и опытно-миграционных работ, а также режимных наблюдений, проведенных при разведке место­рождений подземных вод. В дальнейшем эти данные, так же как и сами прогнозные оценки и запланированный по ним исходный вари­ант наблюдательной сети, корректируются по мере накопления ре­зультатов наблюдений. Таким образом, при постановке наблюдений должен использоваться гибкий адаптационный подход, который воз­можен лишь при поэтапной схематизации процессов загрязнения подземных вод, последовательном уточнении прогнозных оценок и, соответственно, стадийности в планировании, организации и прове­дении наблюдений.
Важно особо подчеркнуть, что возможный характер и законо­мерности изменений качества подземных вод определяются не толь­ко характеристиками водоносного комплекса, где происходит основ­ное движение загрязненных вод, но в значительной степени и про­цессами, протекающими в пределах приграничной области, через которую осуществляется взаимодействие накапливаемых неконди­ционных вод с подземным потоком. Приграничная область — для типичных условий бассейнов промышленных стоков — приурочена обычно к глинистым или полимерным экранирующим покрытиям, на которые в процессе эксплуатации нередко намываются техногенные продукты (например, отходы обогащения полезного ископаемого), и в результате мощность и свойства донных отложений меняются во времени. К приграничной области следует отнести также непосред­ственно прилежащую к бассейну узкую (метры— первые десятки метров) зону природных коллекторов, заметно изменивших свои физические свойства в результате внешнего техногенного воздейст­вия. Гидродинамические и гидрохимические условия в описанной области, примыкающей к контурам бассейнов промышленных сто­ков (как правило, несовершенных по характеру и степени вскрытия водоносного горизонта), являются особыми по раду позиций: во-пер­вых, это область с наиболее сильно деформированной структурой фильтрационного и миграционного потоков, где, в частности, обычно заметно проявляется вертикальная составляющая скорости фильт­рации (см. раздел 2.5.1); во-вторых, на границе раздела между по­верхностными и подземными водами (проходящей либо непосредст­венно по контакту с донными отложениями — при подпертом режиме фильтрации, лиоо в пределах зоны неполного водонасыщения под бассейном — при режиме свободной инфильтрации) наиболее интен­сивно протекают процессы самоочищения воды физико-химического и биологического характера, которые в пределах основной площади области миграции обычно не столь выражены и чаще всего имеют совершенно иную природу. С этих позиций можно утверждать, что в ряде случаев только контроль за качеством и количеством вод, ин- фильтрующихся через экранирующие отложения, дает возможность установить истинную концентрацию компонентов и их общий мас­совый поток на «входе» в водоносный горизонт (на участке его непос­редственного загрязнения).
Отсюда понятно, что принципы организации режимных наблю­дений и их методическая постановка должны быть во многом отлич­ными для двух выделенных областей — приграничной и основной. Имея это в виду, рассмотрим особенности проведения режимных гидрогеологических наблюдений, которые по своей направленности подразделяются на геофильтрационные и гидрохимические.

2. 
   Геофильтрационные наблюдения вблизи бассейнов промышленных стоков
   

Систематические наблюдения за гидродинамическим режимом подземных вод, являющиеся важной составной частью исследований на участке загрязнения, позволяют:
|Т[ выделить вклады естественного (регионального) фильтра­ционного потока и утечек из бассейна промышленных стоков в общий объем фильтрационного расхода в пределах ореола загрязнения;
выявить места наиболее интенсивных утечек из водоема;
оценить распределение напоров и скоростей фильтрации в водоносном горизонте. Заметим, кстати, что решение первых двух вопросов на базе исходных данных, полученных наливами в шурфы в период изысканий, оказывается обычно весьма ненадежным (см. раздел 6.9.3).
Среди методов количественного определения утечек из бассейна промышленных стоков, наряду с общими балансовыми оценками, ведущее место должно отводиться изучению фильтрационных свойств донных отложений (в том числе искусственных экранов) путем организации специальных пунктов наблюдений. Так^как фильтрация здесь носит существенно вертикальный характер , то для определения напоров в породах экрана в качестве стационарной аппаратуры необходимо использовать этажно установленные «то­чечные» пьезометры (с короткими фильтрами) или датчики порового давления (см. раздел 5.4.5). Для прямого определения инфильтраци- онного расхода на отдельных участках бассейна используют перенос­ные и стационарные инфильтрометры различных конструкций. Весьма эффективным экспресс-методом выявления очагов инфильт­рации в прибрежной зоне является термозондирование [21 ], которое позволяет оценить скорость вертикальной фильтрации по измене­нию температуры специального зонда, залавливаемого в донные от­ложения (в теоретическом плане, эта задача сходна с рассмотренной в разделе 6.5.2 задачей о термометрии скважин в разделяющих сло­ях).
Не останавливаясь подробно на общих принципах создания на­блюдательной сети скважин в районе расположения хранилищ про­мышленных стоков, отметим лишь необходимость сгущения числа пьезометров вблизи береговой линии, что позволяет, используя за­меры уровней по ним в период заполнения бассейна, определить средние значения фильтрационных сопротивлений донных отложе­ний (см. раздел 3.4). В целом указанные наблюдения по режимной сети, после построения карты гидроизогипс, дают гидродинамиче­скую картину, анализ которой позволяет достаточно надежно опре­делить направление потока подземных вод и при известных фильт­рационных параметрах — некоторые усредненные значения скоро­сти фильтрации. Однако карты гидроизогипс лишь в очень сглажен­ном виде отражают плановую фильтрационную неоднородность пла­ста, так что по ним практически невозможно выявить распределение зон преимущественной фильтрации по площади и тем более в разре­зе. В этой ситуации ценную дополнительную информацию о распре­делении поля скоростей фильтрации в пределах водоносного гори­зонта может дать комплекс гидрогеофизических методов.
Среди этих методов выделим два вида скважинного каротажа. Первый — резистивиметрический (см. раздел 6.1) позволяет в усло­виях профильно неоднородных толщ оценить послойные скорости фильтрации и тем самым выделить зоны наиболее интенсивного пе­реноса. Второй — режимный термометрический каротаж - проводят для прослеживания сезонных температурных колебаний, по харак­теру которых выявляют места наиболее значимых утечек из храни­лищ промстоков и оценивают скорости движения подземных вод (теоретические основы этого теплового метода рассматривались в разделе 6.5).
В целом от степени изученности поля скоростей фильтрации в решающей мере зависит качество интерпретации всех наблюдений за загрязнением подземных вод.

3. 
   Наблюдения за качественным составом подземных вод
   

Как уже отмечалось, наиболее существенные изменения в хими­ческом составе сточных вод происходят в пределах приграничной области, где степень их метаморфизации определяется повышенной дисперсностью, аэрируемостью, насыщенностью органическим ве­ществом донных и примыкающих к ним приповерхностных отложе­ний. С позиций оценки процессов самоочищения в придонном слое и в экранирующих отложениях целесообразно еще до заполнения бас­сейна установить в донной его части специальные стационарные пробоотборники. Этой же цели должна служить и группа специально оборудованных скважин, расположенных вблизи уреза бассейна. Та­ким образом, данные, полученные по этим элементам системы на­блюдений, позволяют отдельно изучить гидрохимические процессы, не свойственные основной области миграции, и установить гранич­ные условия на «входном» контуре загрязняющегося водоносного пласта. Подчеркнем, что пренебрежение этим требованием может привести к совершенно неверным выводам о динамике процессов переноса в подземных водах.
Теперь коротко остановимся на основных факторах, которые определяют наиболее рациональную схему размещения точек гидро­геохимических наблюдений в плане и в разрезе водоносного горизон­та, а также временные критерии для частоты и последовательности гидрохимического опробования.
Прежде всего, характер наблюдений зависит от конкретных ес­тественно-гидрогеологических условий и литолого-структур- ных особенностей строения региона, которые качественно устанав­ливаются уже при предварительной схематизации области фильтра­ции. При этом следует принимать во внимание профильную фильт­рационную анизотропию и наличие в разрезе резко выраженных зон преимущественного гидравлического переноса. Необходимо особо учитывать высокие дейсмтвительные скорости фильтрации и силь­ные дисперсионные эффекты рассеяния в трещиноватых породах (см. раздел 6.4). Наоборот, в пористых комплексах действительные скорости движения заметно ниже, рассеяние в пределах относитель­но однородных толщ выражено слабее, но существенную роль играют сорбционные эффекты, которые иногда приводят к изменению филь­трационных свойств пород. Соответственно масштаб области, охва­тываемой наблюдениями в трещиноватых средах, должен быть за­метно шире, чем в пористых породах. Однако резко выраженный фронт переноса в последних и возможность отмеченных изменений фильтрационных свойств предполагают более детальное изучение перемещения фронта загрязнения во времени.
Принципы организации режимных наблюдений будут разли­чаться и в зависимости от ожидаемого режима рассеяния загрязня­ющих компонентов в водоносных горизонтах, под которым понима­ются пространственно-временные закономерности формирования и строения ореола с измененным качеством вод. Так, режим рассеяния загрязняющих стоков, близких по физическим свойствам к пласто­вым водам, во многом определяется степенью влияния утечек из бассейна-накопителя на общую структуру гидродинамического по­ля. Соответственно полезно рассматривать соотношение между удельными расходами фильтрационных потоков — регионального q и инфильтрационного q_Q — в качестве основополагающего для ти­пизации наблюдаемых режимов миграции. Выделим по этому при­знаку два достаточно характерных предельных режима:
ГГ] источник загрязнения является одновременно и мощным источником фильтрационного возмущения, т.е. поступление воды из него обеспечивает основную долю фильтрационного расхода потока в районе бассейна (q₀ » q_e);
[~2~| расход естественного фильтрационного потока (в данном случае потока-носителя) заметно превышает интенсивность ин­фильтрации из источника загрязнения (q₀ «Яг>‘
В сильно нарушенных гидродинамических условиях, которым отвечает режим рассеяния первого типа, основным показателем ин­тенсивности внутрипластового переноса в относительно однородных пластах служит конвекция. Явления смешения некондиционных и пластовых вод происходят в основном в границах переходной зоны вблизи фронта вытеснения, а сам процесс резко нестационарен на всех этапах миграции и поэтому для изучения его показателей необ­ходимо детальной временное прослеживание. При этом, даже если фронт загрязнения и не выражен достаточно четко, общая гидроди­намическая ситуация и установленная по геофильтрационным на­блюдениям структура сетки движения подземных вод позволяют обычно выделить наиболее важные ленты тока и сосредоточить на них основное количество наблюдательных скважин. Таким образом, скважины окажутся размещенными по лучам, отходящим от бассей­на-накопителя и замыкающимся на охраняемых объектах.
В то же время подобная система наблюдений мало эффектавна для условий, отвечающих второму режиму рассеяния. Для него ха­рактерно формирование объемных ореолов загрязнения, испытыва­ющих сильное влияние плановой и профильной фильтрационной дисперсии (см. разделы 6.3 и 6.4), за счет которой происходит замет­ное разбавление мигрирующих стоков. Сам процесс рассеяния тяго­теет к стационарности (квазистационарности), по крайней мере, в областях, прилежащих к бассейнам. В этих условиях первостепенное значение приобретает изучение пространственных закономерно­стей, обусловленных широким развитием процессов смешения. На­иболее надежно контролировать такое загрязнение будут площадные системы наблюдательных скважин, расположенные по линиям не только вдоль, но и вкрест направления основного переноса. Такой контроль будет оптимальным, так как он позволяет оценить:
|~Г] обеспеченность мигрирующими солями различных расчет­ных сечений потока-носителя, что является обязательным элемен­том эпигнозных, а затем и прогнозных построений (проводимых, в частности, для установления времени достижения ореолом своего квазистационарного положения);
|~2~| роль эффектов поперечного рассеяния, т.е. масштабы за­грязнения.
Специального подхода требует постановка наблюдений в усло­виях гравитационной дифференциации промышленных стоков в водоносных горизонтах, коща естественные гидродинамические гра­ницы пласта и структура фильтрационного течения (гидродинами­ческая сетка) слабо контролируют реальную геометрию ореола за­грязненных вод, претерпевающего значительную деформацию под влиянием плотностной конвекции (см. раздел 6.1.2). Кроме того, предсказание действительной конфигурации ореала загрязнения ус­ложняется и ввиду отсутствия в большинстве случаев данных о проф­ильной фильтрационной анизотропии и неоднородности водоносных пород.
Все это делает весьма неопределенным планирование гидрохи­мических наблюдений за миграцией разноплотностных жидкостей. Полезно поэтому отметить достаточно Типичные черты развития такого загрязнения, которые надо учитывать при выборе общей схе­мы гидрохимического контроля:
|Т] быструю стабилизацию границы раздела между разно- плотностными жидкостями в центральной части ореола, прилежа­щей к бассейну, из-за чего наблюдения за положением этой границы почти ничего не говорят о возможных масштабах процесса за преде- ламиданной области;
более активное продвижение тяжелых стоков по подошве
пласта в сравнении с интенсивностью их миграции в верхней его части;
плотностную конвекцию, резко усиливающую интенсив­ность межслоевого обмена в профильно-неоднородных толщах, поэ­тому неоднородность в разрезе поля действительных скоростей филь­трации может заметно сглаживаться, что приводит и к выравнива­нию профильного положения концентрационны фронтов по отдель­ным слоям;
|~4~| при весьма значительном превышении плотности сточных растворов над плотностью пластовых вод вблизи бассейна-накопите­ля и под его дном формируется интрузия рассолов, так что загрязне­ние водоносного горизонта может происходит в основном за счет сноса солей с ее поверхности огибающим естественным потоком под­земных вод. При этом размеры самого тела концентрированных рас­солов могут оставаться стабильными весьма длительное время. Для выявления контуров загрязнения в подобной ситуации могут, наряду с режимными наблюдениями по скважинам, с успехом использовать­ся плошадные геофизические методы, которые достаточно хорошо реагируют на изменение электропроводности пород, насыщающихся сильноминерализованными растворами.
В целом уже из самого общего анализа следует очевидный вывод о том, что всестороннее изучение процессов загрязнения подземных вод возможно только путем наблюдений концентрационных пблёй на достаточно большом расстоянии от бассейна: контроль по скважи­нам, расположенным вблизи источника загрязнения, которые очень быстро оказываются за фронтом переноса, не позволяет надежно установить характер миграции в пласте, поскольку для оценки фи­зико-химических и дисперсионных эффектов основной интерес пред­ставляют точки наблюдения в пределах переходной зоны. Отсюда мож­но сделать вывод о том, что требования к плотности и расположению скважин режимной сети с позиций гидродинамики, с одной стороны, и гидрохимии, с другой — существенно различаются.
Особо следует остановиться на специфике требований к разме­щению точек гидрохимического контроля по вертикали. С учетом; профильной фильтрационной неоднородности и анизотропий, а Так-?” же важного фактора гравитационной дифференциации загрязнен­ных и естественных вод основное загрязнение часто можетйдти лишь в пределах ограниченной по мощности зоны водоносного'пласта. Поэтому пробы из скважин, фильтры которых расположены вне зоны преобладающего загрязнения или, наоборот, заметно превышают их мощность, оказываются здесь непредставительными. Отсюда выте­кает необходимость детального опробования фильтрующей толщи по всей ее мощности, что не увязывается с существенно менее жесткими требованиями к гидродинамическим наблюдениям по пьезометрам в условиях плановой фильтрации . Для вертикальной дифференциа­ции проб воды, отбираемых на участке загрязнения, необходимо либо увеличение объемов бурения, либо применение пьезометров с секционными фильтрами, поинтервально изолируемыми перед цро- качкой скважины и отбором пробы.
Одним из наиболее ответственных моментов в системе режим­ных наблюдений является отбор представительных проб, состав ко­торых может быть искажен физико-химическими процессами, про-т текающими в скважинах. Поэтому отбору проб должна обязательно предшествовать прокачка скважин, причем обычно ее минимальный объем нельзя определить заранее. Наиболее надежными показателя­ми необходимой интенсивности прокачки можно считать, по-види­мому, параметры, непосредственно отражающие свойства воды. Сю­да, например, следует отнести удельную электропроводность, pH, Eh и температуру. Стабилизация этих параметров при прокачке может служить критерием для допустимости Отбора гидрохимической про­бы на анализ. Если контроль перечисленных параметров по каким- либо причинам невозможен, то минимальный объем прокачки дол­жен быть не менее пяти обводненных объемов скважины, причем пробы всегда желательно отбирать на уровне фильтра.
Пренебрежение требованиями, обеспечивающими качествен­ный отбор проб из наблюдательных скважин, может привести на практике к совершенно неверным выводам о тенденциях изменения химического состава подземных вод во времени. Так, в результате предварительного анализа материалов гидрогеологических изыска­ний, проводившихся в одном из горнодобывающих районов КМЛ [21 ], было установлено, что минерализация подземных вод, отбира­емых дренажными скважинами карьеров, в целом заметно выше минерализации вод тех же горизонтов, но охарактеризованных про­бами из пьезометров региональной режимной сети. Такая ситуация ставила под сомнение возможность использования дренажных вод для питьевого водоснабжения, поскольку напрашивался вывод о про­грессирующем ухудшении качественных показателей воды в резуль­тате резкого нарушения общей гидрогеологической обстановки. На самом же деле, более детальные исследования указали на малую представительность гидрохимического опробования, проводившего­ся большей частью без предварительной прокачки пьезометров. По­следнее и повлекло за собой повсеместное проявление процессов деминерализации воды в стволах наблюдательны скважин - эту тен­денцию, в сущности, и отражали выполненные наблюдения. 6 то же время вода из эксплуатационных скважин, отвечавшая истинному составу подземных вод, практически не претерпела изменений в процессе дренажа месторождения и вполне соответствовала требова­ниям, предъявляемым к питьевым водам. Сказанное иллюстрирует­ся данными опробования (рис. 7.5) гидрокарбонатно-кальциевых вод района, ще уменьшение общей минерализации М в наблюдательных скважинах связано с выпадением из раствора карбоната кальция (содержание кальций-иона дается по оси ординат графика).
6 целом гибкий и целенаправленный гидрогеологический конт­роль, основанный на глубоком понимании особенностей гидродина­мических и миграционных процессов и всесторонне учитывающий информацию о фильтрационных и миграционных параметрах, пол­ученную режимными наблюдениями (наряду с опытными работа­ми) , позволяет эффективно управлять ресурсами и качеством под­земных вод.

2. 
   Общие принципы гидрогеологической схематизации в связи с постановкой опытных работ и наблюдений
   

Под гидрогеологической схематизацией (ГГС) понимается сово­купность операций, с помощью которых реальная гидрогеологиче­ская обстановка на конкретном объекте упрощается до уровня неко­торой расчетной модели. При этом упускаются малозначащие дета­ли, но сохраняются принципиальные черты изучаемого процесса, определяющие условия функционирования природного и (или) ин­женерного объекта. Надежная схематизация подразумевает эффек­тивное использование накопленной гидрогеологической информа­ции. В частности, ГГС обеспечивает стыковку между общим гидро­геологическим анализом, проводимым на качественном уровне, й математической моделью процесса. Связывая геологическую основу с ее механическим описанием, ГГС является важнейшим звеном гидрогеологических прогнозов, во многом предопределяющим их точность и надежность.
Со * *^г/л

13*
U0
10*1
90
75
«О
45
Зо