CC BY
21
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2019, том 25, № 1 (78), с. 32-42
: ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 504.43
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛЕПЕРЕНОСА НА ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
© 2019 г. А.П. Белоусова
Институт водных проблем РАН Россия, 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. E-mail: belanna47@mail.ru
Поступила в редакцию 16.05.2018. После доработки 20.07.2018. Принята к публикации 20.08.2018.
Рассмотрены экспериментальные исследования гидрогеохимические исследования в полевых условиях на воднобалансовых участках и лабораторных условиях. Установлены принципы выбора и оборудования воднобалансовых участков и лабораторных установок, выбора основных загрязняющих веществ и химического состава индикаторных растворов и промывной воды для промывки целиков и монолитов.
Предложена последовательность проведения экспериментальных опытов в полевых и лабораторных условиях.
Рассмотрена методика определения параметров солепереноса по математическим моделям макродисперсии (тремя методами: эталонных кривых, моментов и графоаналитическим), микродисперсии и растворения солей.
Методика экспериментальных исследований солепереноса опробована на Северо-Ершовской оросительной системы (СЕОС) в Саратовской области.
Ключевые слова: массоперенос, солеперенос, загрязняющее вещество, воднобалансовый участок, целики и монолиты, макродисперсия, микродисперсия. DOI: 10.24411/1993-3916-2019-10042
Полевые экспериментальные исследования массопереноса загрязняющих веществ в подземных водах и ненасыщенной зоне обычно проводятся на опытных воднобалансовых участках. Опытные участки располагают на типичных по геоморфологическому, почвенному, гидрогеологическому строению (глубина залегания, минерализация грунтовых вод, степень естественной дренированности) и условиям их засоления или загрязнения. Полученные в процессе исследований материалы служат основой для выбора расчетных математических моделей для определения параметров массопереноса (миграции) типичных для данного гидрогеологического района.
Точность и достоверность прогнозов водносолевого режима зависит от выбора воднобалансовых участков и проведения на них комплекса специальных гидрофизических и гидрогеохимических исследований.
Рассмотрим методику экспериментальных исследований солепереноса на примере Северо-Ершовской оросительной системы (СЕОС) в Саратовской области.
Материалы и методы
Выбор и оборудование воднобалансовых участков. Методикам экспериментальных гидрогеохимических исследований и выбора воднобалансовых участков посвящены многие работы, обзор которых приведен у А.П. Белоусовой (2001).
Оборудование опытной геохимической площадки (на воднобалансовом участке). Опытную площадку для проведения экспериментальных исследований солепереноса устраивают в полевых условиях. Задачами лабораторных исследований солепереноса являются: а) изучение закономерностей солепереноса; б) определение параметров солепереноса; в) проверка соответствия теоретических моделей природной среде. Площадка состоит из котлована с оборудованием для гидрогеохимических исследований и куста гидрогеохимических скважин.
Глубина котлована составляет 3 м, что определяется глубиной залегания магистральных каналов и дрен, а также положением в процессе орошения «критической» глубины залегания грунтовых вод,
при достижении которой возникают процессы засоления пород. Ширина котлована - 3 м, длина определяется количеством целиков1, которые в нем устанавливают. При 8-10 целиках длина составляет около 30 м, при меньшем их количестве, соответственно, уменьшается. Котлован сооружают механизированным способом, при его проходке оставляют нетронутые квадратные целики грунта, которым в дальнейшем вручную придают цилиндрическую форму. Перед установлением целиков готовят оборудование, состоящее из:
1) металлических кожухов - тонкостенных вентиляционных труб диаметром 0.6 м и более, высотой 1.0-1.5 м; в стенках труб на заданной высоте от верхнего торца прорезают отверстия диаметром 0.03 м для установки фильтров;
2) металлических поддонов диаметром 0.6 м и более, высотой борта 0.1-0.15 м, в днище поддона на стыке с бортом прорезают отверстие, к которому приваривают кран для отвода собирающегося в поддоне фильтрата.
Оборудование целика. На подготовленный целик цилиндрической формы заданного диаметра надевают металлический кожух так, чтобы между стенкой целика и трубы по всему диаметру оставался зазор в 1.5-2.0 см. Зазор заливают битумом с добавлением парафина. Когда битум полностью застывает, половину целиков отрывают от днища котлована и устанавливают в поддон со слоем гравия. На верхнюю поверхность целиков задавливают кольцо (диаметр которого на несколько сантиметров меньше диаметра целика) высотой 0.1-0.15 м, оно служит для поддержания постоянного уровня воды на поверхности целика. При установке кольца добиваются хорошей герметичности, для чего внутренний шов на границе кольца с породой тщательно трамбуют частицами породы, а внешний шов проливают битумом. На кольцо устанавливают поплавковое устройство, регулирующее подачу воды в него. В стенках целика на расстоянии 0.2-0.25 м от нижнего торца и в середине с двух сторон специальным буром проделывают отверстия диаметром 0.024 м и длиной 0.3 м (рис. 1) для установки бактериальных керамических фильтров марки «1а11» для отбора поровых растворов, а также отверстия для тензиометров, которыми измеряют всасывающее давление. Фильтры медленно вдавливают в отверстия так, чтобы между стенкой отверстия и фильтром не было зазора, для чего диаметр отверстия должен быть чуть меньше диаметра фильтра. В противном случае проводят тампонаж зазора отверстия выбуренным грунтом. При установке фильтров брать руками его пористую поверхность запрещается. Фильтр через шланг соединяют с вакуумным сосудом, в который отбирают поровый раствор и который в свою очередь соединяется с вакуумным насосом. При установке фильтра он должен находиться на одном уровне с вакуумным сосудом и насосом.
Рис. 1. Лабораторная установка. Условные обозначения: 1 - тело большого монолита, 2 -металлический кожух, 3 - битумная заливка, 4 - поддон, 5 - поддерживаемый уровень воды, 6 -бактериальный керамический фильтр, 7 - вакуумный сосуд для отбора поровых растворов, 8 -вакуумный насос, 9 - устройство для подачи воды и растворов, 10 - сосуд для сбора фильтрата.
1 Целик - цилиндрической формы столб грунта, который выкапывают на дне котлована и на который надевают металлический кожух.
Подача воды в кольца проводится любым автоматическим или полуавтоматическим прибором (например, прибором Нестерова). Для проверки готовности целика к опыту в вакуумных сосудах создают разряжение, и если оно удерживается, то целик готов к эксперименту. В журнале наблюдений за ходом опыта на первой странице чертят схему оборудования целика, записывают его адрес, интервалы его установки в котловане (с поверхности 0-1.5 м, со снятым почвенным слоем 0.52.0 м или другие варианты установки, определяемые необходимостью изучения солепереноса в том или ином горизонте трехметровой толщи пород зоны аэрации).
На расстоянии 10-15 м от котлована оборудуют куст гидрогеохимических скважин для наблюдения за сезонными колебаниями в составе солей в породах зоны аэрации и грунтовых водах в естественных условиях и под влиянием поливов и промывок в орошаемых условиях. Куст состоит из четырех скважин, каждую из которых бурят в соответствующий сезон года (осень, зима, весна, лето). Их бурят всухую, с полным отбором керна до уровня грунтовых вод. Из водоносного горизонта отбирают пробы воды на сокращенный химический анализ и определяют рН.
Лабораторные методы позволяют увеличить глубинность изучения процессов солепереноса, что обеспечивается поинтервальным отбором малых монолитов по всему разрезу зоны аэрации, а в интервале глубин 2-3 м используют большие монолиты.
Большие монолиты отбирают из пород, вскрытых котлованом и идентичных по составу и строению породам целиков, поэтому место их отбора находится не далее чем в 0.5 м от последнего. Монолит имеет диаметр от 0.3 м и более и высоту 0.5 м и более. Монолит отбирают из днища или стенок котлована, вручную придают ему цилиндрическую форму, затем помещают в специальный кожух и транспортируют в лабораторию.
В стенках кожуха сверлят отверстия на заданной высоте и заданного диаметра (0.03 м) для установки керамических фильтров и тензиометров. Поддоны изготавливают из железа, диаметр их на 0.05-0.10 м больше диаметра кожуха, высота - 0.10-0.15 м, в днище прорезают отверстие для установки сливного крана.
Подготовка большого монолита к опыту. В лаборатории проводят зачистку торцов монолита, его нижний торец устанавливают в поддон, на дно которого насыпан слой мелкого гравия. На нижний и верхний торцы монолита надевают специальные крышки с отводом для жидкости. Между верхней крышкой и торцом монолита остается небольшой зазор в 0.5 см, который заполняют жидкостью (промывной водой или раствором). Через отверстие в верхней крышке подают промывную воду. Через отверстие в нижней крышке собирают пробы фильтра. Фильтры плотно без зазора должны входить в отверстия. Их устанавливают на расстояниях 0.1-0.2 м от верхнего и нижнего торцов монолита, если его высота менее 0.5 м, то их устанавливают на высоте 0.15-0.2 м выше нижнего торца, керамические фильтры присоединяют к вакуумному сосуду и вакуумному насосу соединительным шлангом. Готовность монолита к опыту проверяют также созданием разряжения в вакуумном сосуде, которое должно быть неизменным в течение 5-10 мин. В журнал наблюдений заносят адрес монолита, схему его оборудования.
Отбор и подготовка к транспортировке малых монолитов. Малые монолиты отбирают из скважин, пробуренных всухую рядом (2-3 м) от котлована, из всех зон, выделенных в разрезе зоны аэрации по результатам схематизации, и из каждой литологической разности пород. Его выполняют специальными грунтоносами диаметром 0.127 и 0.146 м, высота монолита - 0.2-0.3 см. Для лучшей сохранности монолит сразу при изъятии из грунтоноса обертывают несколькими слоями марли, пропитанной парафином с битумом, а затем помещают в обойму и зазор заливают битумом с парафином, при этом оставляя торцы монолита выступающими над краями обоймы. В таком виде малые монолиты удобно транспортировать и хранить и течение нескольких суток.
Подготовка малого монолита к опыту. В лаборатории торцы монолита зачищают, нижний торец помещают и поддон с гравием. Поддон имеет отвод для сбора фильтрата. В верхний торец вдавливают кольцо для поддержания постоянного уровня воды с помощью регулирующего устройства. Если размеры монолита позволяют установить в нем керамические фильтры, то его оборудуют, как и большой монолит, в противном случае в опытах собирают только фильтрат из поддона, а для подачи воды и поддержания постоянного уровня воды в кольце используют колбы с притертыми пробками. В журнале наблюдений указывают адрес монолита и схему его расположения.
Рекомендации по количеству целиков и монолитов. Каждый слой, выделенный в разрезе зоны
аэрации, характеризуется 8-10 точками опробования для получения статистически значимых определений. Учитывают целики вместе с большими и малыми монолитами. При этом слой пород 03 м характеризуется целиками и большими монолитами, общее количество которых составляет 8-10, каждый нижележащий слой характеризуется 8-10 малыми монолитами. Минимальное число монолитов по всему разрезу зоны аэрации - не менее 8-10.
Определение начальных условий. Перед опытом устанавливают средние значения показателей физико-механических, водно-физических и агрохимических свойств, степени и характера засоления пород, количество гипса и диоксида углерода в исследуемом разрезе зоны аэрации и выделенных в ней типовых зонах. Эти значения принимают в качестве начальных для опытов на целике, большом и малом монолитах, при этом для каждой типовой зоны (слоя) могут быть приняты свои средние значения показателей. Для этого в котлованах в местах установки целиков и отбора больших монолитов берут монолиты размером 15х15х15 см из интервалов глубин, соответствующих верхнему, среднему и нижнему сечениям целика, верхнему и нижнему сечениям больших монолитов. Через 0.1 м отбирают пробы грунта нарушенной структуры на водные вытяжки. Из скважин в интервалах взятия малых монолитов отбирают монолиты для определения показателей вышеперечисленных свойств пород. В лаборатории по этим монолитам определяют естественную влажность, пределы пластичности, коэффициент пористости, общую пористость, объемную массу скелета грунта, плотность, молекулярную влагоемкость, полевую и полную влагоемкость, степень влажности, максимальную гигроскопичность, состав почвенного поглощающего комплекса, водных вытяжек, гипса, диоксида углерода и гранулометрический состав пород. Номера проб, интервалы их отбора и виды анализов фиксируют в начале журналов наблюдений.
Начальные условия, как правило, изменяются по разрезу зоны аэрации. Для простоты расчетов по выбранным моделям солепереноса начальные условия искусственным путем приводят к однородным. Для этого до начала опыта используемый образец промывают водой в количестве четырех объемов его порового пространства (для монолитов, содержащих гипс, недостаточным оказывается и 10-15 объемов, т.к. гипс, по-видимому, покрыт коркой карбонатов, что резко снижает его растворимость) для выравнивания концентраций солей в нем и установления полного насыщения и стабилизации скорости фильтрации, что фиксируют контрольными анализами поровых растворов и фильтрата. Промывку монолитов от естественного засоления необходимо осуществлять снизу вверх с целью удаления из порового пространства защемленного воздуха. На монолитах с тяжелым суглинистым составом сделать это практически невозможно, т.к. промывка монолитов с гипсом длилась бы больше полугода. В связи с этим промывка монолитов проводилась сверху вниз. Такая постановка при прогонке через монолит четырех и более объемов пресной воды при открытом нижнем торце монолита позволяет удалить из него защемленный воздух, о чем свидетельствуют и данные определения величины тупиковой пористости в объеме пор, полученные при определении параметров солепереноса по С1- из поровых растворов, которые соответствуют тем же величинам дифференциальной пористости, определенной на капилляриметре, где образец перед опытом насыщался снизу ю=0.5-0.89 при дифференциальной пористости заданного диаметра 0.45-085, для СЕОС ю=0.5-0.64 при дифференциальной пористости 0.48-0.6.
Выбор и задание граничных условий. Опыты по изучению солепереноса проводят в динамическом режиме. Основным граничным условием является условие 1 рода, т.е. постоянство концентрации индикатора во входном сечении, а также постоянство скорости фильтрации через испытуемый образец. Оно достигается тем, что на верхний торец целика или монолита заданным расходом или заданной скоростью подают раствор принятой концентрации. Постоянство скорости фильтрации или возможность ее интегрального осреднения достигается тем, что при промывке монолита от естественного засоления на подготовительной стадии скорость фильтрации испытывает в начале значительные колебания, к концу промывки - меньше, а в процессе самого опыта скорость фильтрации колеблется незначительно. Можно вести опыт при постоянном уровне раствора заданной концентрации в кольце. В процессе опыта соблюдение граничных условий контролируют проверкой значений поступающего расхода и заданной концентрации раствора, для чего отбирают пробы и выполняют контрольные анализы.
Выбор исследуемых компонентов и индикаторного раствора. Выбор исследуемых компонентов и индикаторного раствора зависит от назначения прогноза, характера установленных при
схематизации преобладающих физико-химических процессов при солепереносе и от начальных условий. В качестве основных ЗВ в мелиоративной и экологической задачах считают наиболее токсичные, присутствующие в породах зоны аэрации и в грунтовых водах. В составе токсичных ионов в породах зоны аэрации СЕОС выделяются О", SO42+, №+, а с позиций возникновения обменных реакций и растворения гипса представляет интерес и перенос Са2+ и Mg2+ , которые (вместе взятые) могут вызвать нежелательные изменения в структуре и составе почв, а также ухудшить состав подземных вод. Поэтому для определения параметров солепереноса был использован искусственно приготовленный раствор, включивший в себя все названные ионы. Минерализация индикаторного раствора не должна превышать 3 г/л, чтобы в процессе солепереноса в системе порода-вода физико-химические взаимодействия подчинялись линейному закону, описанному изотермой У. Генри. В этом случае учет физико-химических процессов делают по В.М. Шестакову (1979). Состав индикаторного раствора и промывной воды СЕОС приведен и таблице.
Таблица. Состав индикаторного раствора и промывной воды.
Тип раствора Ионный состав (г/л) Минерализация (г/л)
С1- 80/2 Са+2 МЕ+2 ЫС0э"
Пресная промывная вода 0.08 0.01 0.04 0.02 0.01 0.027 0.60
Индикаторный раствор 1.21 0.78 0.34 0.19 0.41 0.02 2.95
Методика проведения опыта на больших и малых монолитах и целиках состоит из двух этапов:
I этап - налив в монолит искусственного многокомпонентного раствора минерализацией 3 г/л. Через монолит должно профильтроваться не менее четырех объемов его порового пространства. Назначение этого этапа заключается в изучении засоления пород из зоны аэрации.
II этап - налив в монолит пресной воды с целью изучения процесса рассоления. Через монолит также должно профильтроваться не менее 4-х объемов порового пространства.
Ход опыта. Опыт проводят в условиях полного насыщения монолита, достигнутого еще при предварительной его промывке от естественного засоления, в процессе опыта постоянно фиксируют расход промывной жидкости, отбирают пробы поровых растворов и фильтратов. Продолжительность этого опыта определяется условием выравнивания концентраций раствора во входном и выходном сечениях монолита. В процессе опыта гидрогеохимическая обстановка (рН, ЕЬ, и 1;0С раствора и окружающей среды) должна быть приближена к натурной. Поэтому опыты по изучению солепереноса и в лабораторных условиях должны проводиться в летнее время при соблюдении близкого температурного режима.
Отбор проб растворов и фильтрата в процессе опыта осуществляется в следующей последовательности.
1. Отбор проб проводят в тщательно промытую в дистиллированной воде и высушенную посуду .
2. Создав разряжение 0.8-0.9 атмосфер в керамических фильтрах, их прокачивают для удаления скопившегося после предыдущего отбора порового раствора. После этого отбирают поровые растворы из фильтров, объем проб должен быть не менее 30 мл.
3. Фильтрат из поддонов отбирают путем его свободного стока через сливное отверстие.
4. Для обеспечения точности расчета параметров, чтобы время наполнения пробы поровым раствором было значительно меньше общего времени регистрации выходной кривой.
5. Интервалы отбора проб растворов и фильтрата: на каждом этапе опыта в первые трое суток отбор проводят через три часа, в следующие трое суток - через 6 часов, затем - через 12 и 24 часа.
6. В пробах поровых растворов и фильтрата определяют концентрацию заданных ионов.
7. Одновременно с отбором проб проводят замеры расхода подаваемого раствора по шкале мерного прибора.
8. После окончания опытов из монолитов отбирают пробы грунта на те же виды анализа, что и до опыта. Это необходимо для выявления изменений свойств пород при длительной фильтрации, которые могут возникнуть и при орошении.
9. Текущая обработка опытов заключается в построении в процессе опыта и в соответствии с результатами микрохимического анализа поровых растворов и химического анализа фильтров
выходных кривых изменения концентрации С1-, 8042+, Са2+, Mg+2, во времени.
Продолжительность одного опыта составляла 30-60 суток для СЕОС, как и предварительной подготовки (промывка монолита пресной водой), т.е. опыты по изучению процессов солепереноса в глинистых грунтах являются очень длительными, что следует учитывать при планировании изысканий на различных стадиях проектирования оросительных систем.
После завершения промывки монолитов концентрация ионов в фильтрате на выходе из монолита практически равна концентрации ионов в промывной воде на входе, выравнивания концентраций ионов в поровом растворе не происходит (за этот же период времени). Кроме того, в поровых растворах, отжатых на прессе, концентрация всех ионов превышает их концентрацию в последней пробе раствора, отобранного из керамического фильтра (рис. 2). Это можно объяснить двумя причинами: процесс выноса солей из слабопроницаемого порового пространства более длительный, чем вынос из проницаемого; при отборе проб порового раствора в фильтр попадает фильтрат и
Рис. 2. Выходные кривые С=£(1) для рассоления в большом монолите.
Выходные кривые
(поровый раствор) по ионам: 1 - С1-; 3 - Са2+; 5 -Mg2+; выходные кривые (фильтрат) по ионам: 2 -С1-; 4 - Са2+; 6 - Mg2+; концентрации ионов в промывном растворе: 7 -С1-; 8 - Са2+; 9 - Mg2+; концентрации ионов в поровом растворе,
отжатом на прессе: 10 -С1-; 11 - Са2+; 12 - Mg2+.
Анализ показателей свойств пород в монолитах до и после опыта указывает на значительное изменение их свойств под влиянием длительной фильтрации; так, уменьшение засоления пород с 10 до 80% приводит к уменьшению пористости на 1-12% и увеличению объемного веса на 1-20%, в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК) также происходят изменения: количество обменного кальция увеличивается с 1 до 80%, а натрия уменьшается с 1 до 80%, количество магния в ППК практически не изменяется. Все это свидетельствует, с одной стороны, об ухудшении фильтрационных свойств пород за счет кольматажа трещин и пор, а с другой, о вытеснении из ППК иона ионом Са2+ при растворении гипса.
Определение параметров солепереноса. При определении параметров возникает вопрос: следует ли проводить сглаживание выходных кривых изменения концентрации ионов во времени перед определением параметров? Для ответа были рассчтитаны параметры по экспериментальной выходной кривой C=f(t) (несглаженной) и кривой, аппроксимированной экспоненциальной зависимостью (сглаженной), т.к. известно, что зависимость C=f(t) имеет вид экспоненты. Затем по полученным параметрам по первому и второму способам была решена прямая задача восстановления выходных кривых, после чего рассчитана систематическая ошибка между экспериментальными значениями концентраций и новыми расчетными значениями (между выходными кривыми). Расчеты показали, что наименьшая ошибка характеризует первый способ определения параметров по несглаженной выходной кривой (ст=20%), по второму способу ошибка определения больше (ст=26%). Следовательно, гидрогеохимические параметры по многопараметрическим моделям целесообразно определять по экспериментальным выходным кривым, не сглаживая их предварительно.
Определение параметров солепереноса по модели макродисперсии. Параметры солепереноса
происходит разбавление, смешение порового раствора и фильтрата.
определялись (Белоусова, 2001) тремя методами: эталонных кривых, моментов и графоаналитическим.
Рассмотрим определение параметров солепереноса графоаналитическим методом. Модель макродисперсии (в микронеоднородной среде, гетерогенно - блоковая) представляется системой дифференциальных уравнений (Шестаков, 1979; Шестаков и др., 1992):
о — = a(C - C)' 8 z
8 С
n'— = a(C - С*) 81
а=ал+ав,
(1),
где С* - концентрация иона в блоке, С - концентрация иона в канале, а - коэффициент массообмена между блоками и каналами (а и ай отражают действие конвективного и диффузионного переноса в каналах). Первое уравнение отвечает переносу солей в каналах, второе - в блоках и является основным при описании массопереноса в этой модели, так как наибольшее количество солей находится в слабопроницаемых блоках. Расчетными параметрами этой модели являются п и а.
Для обработки опытных данных используется фундаментальное решение уравнений (1), полученное при условии постоянства концентрации раствора на выходе в испытуемый образец и постоянства скорости фильтрации (Шестаков, 1979; Шестаков и др., 1992):
— C - C C = C Ch
Cn - Ch
/1* /1*
= FJ); C * = C—CL = 1 - ft(t,J);
(2),
C - C
at
az
*=-; t=- (3)
n о
где FT — специальная функция, подробно табулированная и приведенная в работе В.М. Шестакова (1979); т, Tj — безразмерные переменные времени и расстояния; C — текущая концентрация; Сн -начальная концентрация иона в монолите; Сп — концентрация иона в промывной воде.
Обработка результатов эксперимента проводится по методике A.A. Рошаля (1980) на основе линейной аппроксимации зависимости-1 от г, так как в полулогарифмическом масштабе и
^ г при больших значениях г эта зависимость представляет собой прямую линию.
Для обработки экспериментальных данных удобно строить график зависимости от ^ /.
который является прямой линией. Тангенс угла наклона ее (тс) и величина отрезка ^ 1°, отсекаемого ею на оси ^ I, зависят не только от безразмерной переменной т] (или параметра а), но и от комплексного параметра а/т]. Для разделения влияния параметров рассчитывается величина Е=\£тс+1ё°1°, которая уже однозначно зависит от т] (рис. 3).
Рис. 3. Номограмма для определения параметров солепереноса (Рошаль, 1979).
Найдя по этому графику величины т] и т, определяют коэффициент массообмена и эффективную пористость (Шестаков, 1979; Шестаков и др., 1992):
(4).
Кроме графоаналитического метода параметры солепереноса определяли методом эталонных кривых и методом моментов.
Определение параметров солепереноса по модели микродисперсии (микрогетерогенная среда). Модель микродисперсии (в микронеоднородной среде) описывается уравнением (Рошаль, 1980):
„дС дС п*ыь>Э2С
П*--h V— = и —----
dt 8z dz~ a. dzdt
a dts
(5),
где п — эффективная пористость, и - средняя скорость фильтрации (м/сут), С - концентрация иона (г/л), г - вертикальная координата, с - относительный объем застойных зон в объеме пор, а -коэффициент массообмена между застойными и проточными порами (1/сут), В - коэффициент микродисперсии (м2/сут), зависящий от скорости фильтрации.
Для ограниченной длины опытной колонки и непрерывного запуска индикатора постоянной концентрации используют приближенное решение предыдущего уравнения (Рошаль, 1980):
С = 0.5вф (£); С (0,г) =С*(0,г) = Сн; С (0,*) = Сп;
при
£ =- ДЬ
0.5
' t ^
n
-B; t = t -(l -ю) n
I- 0.25
A =vR; B1 ; R =
со2 z
t vt v
zz
D=Sv; V=D^v
(6),
(7),
'VR' s
где Ai и Bi - константы, зависящие от безразмерного комплекса R, графики их изменения получены численными расчетами (Рошаль, 1980): V - интегральный объем воды (м), вычисляемый как V=fQ v dt и равный объему раствора, выраженному в метрах водяного столба, профильтровавшегося
через единичную площадь поперечного сечения к моменту времени t.
По опытным данным модели микродисперсии определяем параметры п, ю, S, и D, используя решение (5), в котором они входят в аргумент в виде безразмерных комбинаций (6). Параметры определяют графоаналитическим методом в следующей последовательности:
1. Строят график в координатах от lg t (рис. 4, экспериментальные точки). Значение определяется как обратная функция от интеграла вероятности ^ = arcerf (l - 2 C), где значения C
определяются на каждый момент времени по экспериментальным данным. Значение определяется по таблицам интеграла вероятности путем перемены местами значения функции и аргумента. Функция erf (l - 2 C) - нечетная, поэтому при изменении знака у аргумента изменяется знак и у нее.
2. При ю=0.5 график является прямолинейным; если ю<0.5, то начальные и конечные точки графика %3=f(lgt) отклоняются вправо от прямой; при ю>0.5 - влево. Если точки отклоняются от прямой линии, параметры определяют методом последовательных приближений. В каждой точке графика вычисляют значения tx =(2с -l)n* и его перестраивают в координатах от lg (t + ^). Но так
как значения ю и п неизвестны, поступают следующим образом: в каждой точке графика прибавляют одну и ту же величину (например, 0.1) к координате lg t (т.е. t =0.1); если график не спрямился, эту величину прибавляют, пока он не станет линейным. Спрямление графика £3=f(lgt) получено при tl =0.4 (рис. 5); при ю<0.5 график смещается влево от первоначального, при ю>0.5 - вправо.
3. Получив спрямленный график (рис. 4) по тангенсу угла наклона прямой и оси lg (t + tx),
который определяется как соотношение катетов, вычисляется константа Ai =0.434 tg a; tg а=-4.5, значение tg а отрицательное, так как угол находится во втором квадранте, Ai=-0.434x4.5=-1.95. Определяют величину R=A2=4.0 и величину Bi=0.25^A=-0.13.
4. Величину Bi откладывают на оси £,з на графике ¿¡3 = f [lg(/ + )] на рисунке 4 и проводят
прямую, параллельную оси lg (t + tx), до ее пересечения с экспериментальной (сдвинутой) прямой, в
точке пересечения устанавливают перпендикуляр к оси ^ (г + ) и определяют величину
¿0' =\Е ¿°=0.8.
5. По значениям Я, г0' и ¿г рассчитывают миграционные параметры по формулам:
_ ¿0 с _ (¿о' 2 .
' ¿о' -; ;® = "V1; 5 =
2 7 п
4 2 02 Я
0=ёи
(8),
где 2 - глубина установки бактериологического фильтра; равная 0.4 м; и - скорость фильтрации, равная 0.018 м/сут, «*=0.8-0.4=0.4; ю=0.75; 5=0.056 м; £>=Ы0-3 м2/сут.
Рис. 4. Определение параметров по модели микродисперсии по большому монолиту. Условные обозначения: 1 -
экспериментальные точки, 2 -смещенные точки, а - угол наклона прямой.
Определение параметров по модели растворения солей. Определение параметров проводилась по методике, изложенной в работе (Бочевер и др., 1979).
Для расчета константы скорости растворения ар используется решение системы уравнений
д С
конвективного переноса и растворения в полуограниченном теле при условии 0К=0 и _=0. Тогда
дг
для второй стадии растворения, когда во входном сечении сформировалась выщелоченная зона, распределение концентрации в растворе описывается уравнением:
1_
(I -аг/2и]
С=С тах~ (С та--
СН2
(9),
где Стах - максимальное содержание веществ в породе (г/л), I - длина монолита (м), и - скорость фильтрации, а - скорость выщелачивания вещества из породы м/сут, определяемая по формуле (9):
_(Стк -Сп )и (10)
а=-
где £° - удельное объемное вещество в породе, равное:
£0=—(1 - п)£
у
/ п
(11),
где к - плотность выщелоченной породы, ус - плотность соли, п - пористость породы, £
рВ
-I:
п
0
начальное удельное весовое количество растворимого вещества в породе. Коэффициент скорости растворения ар равен (Бочевер и др., 1979):
2 о
rarth
C —C
ГУ =--a
p tB (1 —at) Km
—
C
Для расчета ар строят график ф (1), как видно на рисунке 5, где
р = arth
C — Cn C — C
Коэффициент ap рассчитывают по выражению:
2оВ
a =-
p
или
Р а4С
где В - отрезок, отсекаемый прямой ф^) на оси координат, tg в- угловой коэффициент этой прямой. Величина скорости выщелачивания определяется через ар:
2и^в (!5).
2otgd
(12).
(13).
(14),
a =-
fp°
Изменение режима влажности в зоне аэрации при орошении приводит к необходимости изменения значений солепереноса, так как в условиях эксперимента они определялись при помощи насыщения. По рекомендации А.А. Рошаля (1980), эффективная пористость в зоне неполного насыщения (п*э) вычисляется по формуле:
П*э = ®об-Псорб (16),
где ©об - объемная влажность пород зоны аэрации, Псорб=Па-п*, n - эффективная пористость, установленная по экспериментальным данным для пород, Па - активная пористость, определенная по слабо сорбируемому иону (С1-), Па можно заменить величиной ©п - полной влагоемкости пород.
Рис. 5. Определение
параметров по модели растворения. Условные
обозначения: 1 - по Са2+; 2 -по SO42-.
Значения коэффициента микродисперсии В* и коэффициента массообмена между блоками и каналами определяется по формуле:
В*=В0об/па (17).
Остальные физико-химические процессы учитываются в обобщенных параметрах солепереноса, определенных по моделям микро- и макродисперсии за счет наливов в монолиты многокомпонентных растворов, а затем вытеснения их пресной водой.
Выводы
Экспериментальные исследования являются важным элементом в изучении процессов трансформации качества подземных вод как в природных, так и в техногенных условиях. Они
p
представляют собой основу для составления прогнозов изменения гидрогеохимической ситуации в ненасыщенной зоне и подземных водах при среднемасштабных исследованиях, а также являются неотъемлемой частью при крупномасштабных исследованиях. При среднемасштабных исследованиях они выполняются на типовых водно-балансовых участках, а результаты их интерполируются на территории крупных объектов с использованием методов, входящих в структуру специального гидрогеохимического районирования и оценок защищенности подземных вод. При крупномасштабных работах экспериментальные исследования выполняются для изучения территорий ограниченных размеров (практически в локальных масштабах) и результаты их используются для этих же территорий (участков).
В результате проведения данных работ были выполнены экспериментальные исследования солепереноса, разработана методика определения параметров солепереноса в полевых и лабораторных условиях. По этой методике проведены гидрогеохимические исследования на Северо-Ершовской оросительной системе (СЕОС) в Саратовской области, построены выходные экспериментальные кривые по промывкам от солей целиков и монолитов, определены параметры солепереноса по трем моделям массопереноса: макродисперсии, микродисперсии и растворения солей. Эти исследования явились первым этапом гидрогеохимических исследований на изучаемом объекте.
Последующим промежуточным этапом является оценка математическими методами достоверности параметров солепереноса, полученных в результате экспериментальных исследований, а также выбор модели, наиболее точно описывающей процесс массопереноса.
Завершающим этапом исследований является оценка возможности использования полученных параметров массопереноса для решения прогнозных задач на орошаемых массивах путем получения математических зависимостей параметров солепереноса от свойств фильтрационной среды, а также возможности их использования на других аналогичных по природным и антропогенным условиям массивах орошения.
Два последних этапа исследований являются предметом последующих исследований и статей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
БелоусоваА.П. 2001. Качество подземных вод. Современные подходы к оценке. М.: Наука. 339 с.
Бочевер Ф.М., Лапшин Н.Н., Орадовская А.Е. 1979. Защита подземных вод от загрязнения. М.: Недра. 254 с.
Рошаль А.А. 1980. Методы определения миграционных параметров. М.: ВИЭМС. 62 с.
Шестаков В.М. 1979. Динамика подземных вод. М.: Издательство Московского университета. 368 с.
Шестаков В.М., Пашковский И.С., Сойфер А.М. 1992. Гидрогеологические исследования на орошаемых
территориях. М.: Недра. 243 с.
