Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования

Основные положения.

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 pH 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 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.

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 pH 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 крупно- и 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: XIII 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.

Благодарности. Автор признательна и благодарена научному руководителю профессору С. П. Позднякову за помощь и всестороннюю поддержку, терпение и понимание в процессе выполнения и написания работы. При выполнении работы особо ценные консультации и рекомендации были получены от профессоров кафедры: А. В. Лехова, В. М. Шестакова, К. Е. Питьевой, а также профессора Л. Лукнера и д-ра Ф. Биллека (Дрезден, DGFZ e. V.), к. г.-м. н. М. В. Мироненко (Геохи РАН), которым автор глубоко благодарна. Часть полевых и лабораторных экспериментов была бы не возможна без помощи С. А. Смирновой, Н. Н. Муромец и участия студентов кафедры гидрогеологии В. Н. Самарцева и А. А. Карповой. Автор признательна всем преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии Геологического факультета МГУ за полученные знания в процессе обучения. За помощь в выполнении лабораторных испытаний автор признательна сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии доценту Е. Н. Самарину, с. н. с. В. В. Крупской и с. н. с. кафедры геохимии Т. В. Шестаковой.

Автор в бесконечном долгу перед своими родителями и глубоко признательна супругу А. В. Казаку за моральную поддержку и предоставленную возможность заниматься научной деятельностью в процессе учебы в аспирантуре.