Оценка запасов подземных вод на территории Московской области и определение состава подземных вод методом термодинамического моделирования

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Гусев Ю. В., Шестакова М. А. Оценка запасов подземных вод на территории Московской области и определение состава подземных вод методом термодинамического моделирования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – Т. 13. – С. 2791–2795. – URL: http://e-koncept.ru/2015/85559.htm.
Аннотация. Качество подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения не всегда соответствует нормативным требованиям. Для Московской области характерны повышенные концентрации в подземных водах таких компонентов, как железо, фтор, стронций и др. В связи с этим перед подачей воды населению используют специальную водоподготовку. Одним из методов коррекции химического состава является смешение в определенной пропорции подземных вод различных водоносных комплексов, отличающихся по своему химическому составу. При выполнении работ по оценке запасов подземных вод компанией МГХ «АлвенГидро» выполнен расчет равновесного состава подземных вод методом равновесного моделирования. По результатам расчетов получаем пропорции смешения подземных вод двух водоносных комплексов с результирующими составами смесей, соответствующих нормативным требованиям.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Гусев Юрий Викторович,аспирант кафедры гидрогеологии ГБОУ ВПО МГРИРГГРУ, «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» г. Москваskifolog90@mail.ru

Шестакова Мария Александровна,Ведущий гидрогеолог Многопрофильный геологический холдинг «АлвенГидро», г. Москваalvengidro@mail.ru

Оценка запасов подземных вод на территории Московской области и определение состава подземных вод методом термодинамического моделирования

Аннотация.Качество подземных вод для хозяйственнопитьевого водоснабжения не всегда соответствует нормативным требованием. Для Московской областихарактерны повышенные концентрациив подземных водах таких компонентов как железо, фтор, стронций и др.В связи с этим, перед подачей воды населению используют специальную водоподготовку.Однимиз методов коррекции химического состава является смешениев определенной пропорции подземных водразличныхводоносных комплексов,отличающихся по своему химическому составу. При выполнении работ по оценке запасов подземных вод компанией МГХ «АлвенГидро» выполнен расчет равновесного состава подземных водметодом равновесногомоделирования. Порезультатамрасчетов получаемпропорции смешения подземных воддвух водоносных комплексовс результирующими составами смесей, соответствующих нормативным требованиям. Ключевые слова:оценка запасов подземных вод, смешение; моделирование; Московская область, МГХ «АлвенГидро».

ВведениеХимический состав подземных вод на территории Московскойобласти формируется под влиянием целого ряда природных и техногенных факторов.Во многих районах области качество питьевых подземных вод в естественных условиях часто не соответствует нормативам по содержаниюжелеза, марганца, фтора, бора, стронция, литияи пр. Для залегающих первых от поверхности водоносных комплексов карбона характерны превышения в подземных водах содержания железа, марганца; для нижележащих водоносных комплексов отмечается превышение содержания фтора, стронция, лития, бора, а также сульфатов и хлоридов. Использование таких подземных вод для хозяйственнопитьевого водоснабжения при наличии в них показателей выше допустимых значений возможно только после специальной водоподготовки.Один из методовводоподготовки, который часто применяют на практике для доведенияподземных вод до норм СанПиН 2.1.4. 1074 –01[5], является смешениев определенной расчетной пропорции с подземными водами различных по своему химическому составу.Следует отметить,что организация смешенияподземных вод из различных водоносных комплексов сопряжено так же с определенными затратами на оборудования водозаборных узлов станциями водоподготовки.В Московской области наиболее часто этот метод водоподготовки, применяется в Красногорском, Одинцовском и Ленинском районах при эксплуатации подольскомячковского и алексинскопротвинского водоносных комплексов.

Постановка задачиИсследования проводилиськомпанией МГХ «АлвенГидро» на территории г.Одинцово Московской области, которая характеризуется постоянно растущейстепенью урбанизации.Территорияг.Одинцово расположена в пределах Среднемоскворецкого месторождения подземных вод, выделенного прирегиональной переоценке запасов в 2002 г[2]. В пределах района исследованийосновными эксплуатационными водоносными комплексамидляхозяйственно–питьевого водоснабжения являются подземные воды каменноугольных отложений. Основной проблемой хозяйственно–питьевоговодоснабжения в г. Одинцово является высокое содержание фторидиона истронция в подземных водах алексинскопротвинского комплекса(примерно в два раза превышающее предельнодопустимые нормы), и повышенное содержание железа в водоносном подольскомячковском комплексе.Водоотбор из алексинскопротвинского водоносного комплекса в пределах месторождения составляет примерно 10 % отобщего отбора подземных вод. При этом,практически,вся вода из этого комплекса(~ 21,7 тыс. м3/сут) в смешении с водой подольскомячковскоговодоносного комплекса подается для хозяйственнопитьевого водоснабжения населения. Главной целью настоящей работыявлялось –определение оптимального химического составаподземных вод, полученногопри смешении из двух водоносных комплексов,для доведения качества подземных вод нормативных значений. Объектом исследованияявлялись водоносные комплексы нижнего и среднего карбона.Для достижения поставленной цели в задачи исследования входили:1. Изучить условия формирования подземных вод;2. Дать оценку равновесного состававод после смешения вод двух комплексовв разных пропорциях.Для расчета химического состава подземных вод после их смешения предлагается применить метод термодинамического физикохимического моделирования. В основе метода лежит процедура минимизации функции Гиббса системы при заданной температуре и давлении[1].

Главнымпреимуществомпредлагаемой методикипостроения физикохимической (термодинамической) модели для расчета равновесного состава подземных вод –это учет в расчете внешних условий (температуры, давления, химическогопотенциалы вполне подвижных компонентов). Основной недостаток термодинамического физикохимического моделирования –это расчет вне времени протекания реакции.Предложенный метод расчета позволяет определить конечные концентрации элементов после смешения, которые установятся в системе, если она будет развиваться в сторону химического равновесия. Однимиз факторов, влияющих на достижениеравновесия, является скорость движения подземных вод. Перед подачей потребителю подземные воды будут смешиваться в резервуарах, после чего будут подаваться в разводящую сеть. В таких условиях скорость подземных вод будет минимальна, соответственно и больше химических соединений приблизится к состоянию насыщенияифакторомвремени можно пренебречь.На основе этого метода можно определить конечные концентрации химических элементов, которые устанавливаются в системе.

Природная геологогидрогеологическая модель района исследованияУчасток исследования расположен в южной части Московского артезианского бассейна и характеризуется сплошным распространением каменноугольных отложений, к которым приурочены водоносные горизонты и комплексы, являющиеся основным источником водоснабжения населения и предприятий (рис.1).

Рис. 1. Схематическая гидрогеологическая карта района исследования: 1 –водоносный волжскоальбский терригенный комплекс; 2 –водоупорный келловейкимериджский терригенный горизонт; 3 –скважины эксплуатационные; 4 –реки; 5 –границы населённого пункта; 6 –линия гидрогеологического разреза.

Гидрогеологический разрез изучаемого массива до глубины 260 м представлен отложениями четвертичного, мелового, юрского и каменноугольного возрастов (рис. 2).

Состояние проблемы в районе исследованияХимический состав подземных вод подольскомячковского и алексинскопротвинского водоносных комплексов был принят по результатам лабораторных анализов проб воды,отобранных из целевых водоносных комплексов из скважин в г.Одинцово в 2013 г. Основные показателиэтих водпредставлены в табл.1.Из таблицы видно, что подземные воды алексинскопротвинского водоносного комплекса, в районе исследования не удовлетворяют требованиям

Рис. 2. Схематический гидрогеологический разрез по линии АБ:1 –водоносный четвертичный комплекс; 2 –водоносный волжскоальбский терригенный комплекс; 3 –водоупорный келловейкимериджский терригенный горизонт; 4 –водоносный подольскомячковский карбонатный комплекс; 5 –водоупорный ростиславльский терригенный горизонт; 6 –водоносный каширский карбонатный комплекс; 7 –водоупорный верейский терригенный горизонт; 8 –водоносный алексинскопротвинский карбонатный комплекс; 9 –скважина эксплуатационная (вверху номер ГВК, в знаменатели абс. отм. устья скважины; цифра у стрелки уровень подземных вод).

по содержанию фторидов и стронция.Повышенное содержание фтора в подземных водахзакономерно, оно подчиняется горизонтальной и вертикальной гидрогеохимической зональности. Воды с максимальным содержанием фтора формируются в наиболее фтороносных вмещающих породах. Свойство фтора быть универсальным лигандом определяет широкий спектр геохимических условий его перехода в воду при взаимодействиях вода–порода. [3].Повышенное содержания стронция в подземных водах алексинскопротвинского водоносного комплекса в районе исследования обуславливается тем, чтостронций является геохимическим аналогом кальция. Сульфаты и Таблица 1Химический состав подземных вод, использованных при моделировании











хлориды стронция являются хорошо растворимыми, поэтому содержание в подземных водах стронция увеличивается с ростом их минерализации. Это особенно характерно для подземных вод, в которых увеличение минерализации происходит в результате нарастания концентраций Ca2+,SO42, Ca[3].Качество подольскомячковского водоносного комплекса в районе исследования не удовлетворяют требованиям посодержаниюжелеза.Что обуславливает растворимые свойства железа, которые определяются его геохимию в подземных водах хозяйственнопитьевого назначения.

Термодинамическое физикохимическое моделированиеТермодинамическая модель была основана на рассмотрении равновесий в 11–компонентой системе (CCaClSrCuFFeHKMgNaO). Изучался равновесный химический составподземных вод при смешении в разных пропорциях из двух водоносных комплексов каменноугольного возраста.Результаты моделирования смешения подземных водМоделирование проводился с помощью программного комплекса HCh[6], который используется в гидрогеохимиидля исследования равновесий в мультисистемах. В расчётах использовалась термодинамическая база данных SUPCRT[7], основанная на уравнении состояния ХелгесонаКиркхэмаФлауэрса[8] для водных компонентов.Компонентный состав подземных вод двух водоносных комплексовпредставлен в табл.1. При расчётах модельная система рассматривалась как открытая по отношению к углекислоте и кислороду атмосферы, т. е. парциальные фугитивности газов СО2и О2принимались постоянными, равными их давлениям в атмосфере fCO2=33Па, fO2= 21000 Па.Температура и давление системы были приняты равными 25 0С и 1 бар соответственно.Моделирование выполнялось по следующей схеме. В водный раствор подольскомячковскогокомплексав соотношении 1/0,1–0,2–0,3–0,4добавлялся водный раствор алексинскопротвинского водоносного комплекса. Эта операция выполнялась до достижения химического состава водного раствора донормативных требований.Результаты расчета представлены в табл. 2.



Показатели, мг/лВодоносный комплексСанПиН2.1.4.107401

ПодольскомячковскийАлексинскопротвинский№ п/п

1Железо общ.1,60,10,32Хлориды23,98,4350,03Сульфаты43,567,0500,04Стронций0,6812,737,05Фтор0,584,061,56Гидрокарбонаты411,1277,0

7Натрий15,911,1200,08Магний10,630,8

9Калий1,14,3

10Кальций135,699,2

Таблица 2Сводная таблица результатов моделирования смешенияподземных вод





Полученные результатычисленного эксперимента показали оптимальный равновесный состав водного раствора предъявляемым нормам в соотношении 1/0,3.

Выводы

1. Несоответствие качества подземных вод требованиям СанПиН 2.1.4.107401в районе исследования обуславливается целым рядомприродных факторов, которые подчиняются горизонтальной и вертикальной гидрогеохимической зональности, требует предварительной водоподготовки. К числу основных загрязняющих веществ относятся избыточное содержание: фтора, стронцияижелеза.Одной из главныхпроблем является повышенное содержание фтора в подземных водах.Очистка от фторапредставляет собой сложную и дорогостоящую задачу. 2. Уменьшение основных загрязняющих показателей алексинскопротвинского водоносного комплекса, путём смешения с водами подольскомячковского водоносного комплекса в результате расчёта в программном комплексе HChпоказали, что для доведения качества алексинскопротвинского комплекса до требованийнеобходимо смешивать в соотношении 1/3с водами подольскомячковского комплекса.3. Избыточное содержание железа в подольскомячковском комплексе устраняетсяпутём его окисления до Fe(III) растворенным кислородом воздуха ипереводомв нерастворимые формы с последующим отстаиванием и (или) фильтрованием.

Ссылки на источники1. Борисов М.В. Шваров Ю.В. Термодинамика геохимических процессов. Учебное пособие.М: МГУ, 1992. 256 с.2. Ефремов Д.И. Региональная переоценка запасов пресных подземных вод центральной части Московского артезианского бассейна (Московская область). М., 2002 г.3. Крайнов С.Р. Рыженко Б.Н. Швец В.М. Геохимия подземных вод. М.:ЦентрЛифтеГаз, 2012. 672 с.4.ЛачиноваН.С.,ГаинцеваВ.А, ВасянинаО.М. Гидрогеологическая карта каменноугольных гидрогеологических подразделений N37II (Москва) М 1:200 000. Отчет о геологоэкологическом геоэкологическом картографировании масштаба 1:200 000 на территории листов N37I, II.5. СанПиН 2.1.4.107401 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». М., 2002.6. Шваров Ю.В. Hch: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows // Геохимия, № 8,2008. с. 898–903.7. JohnsonJ.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bars and 0to 1000C// Comp. Geosci. 1992. V. 18. P. 899–947.8. Tanger IV J.C., Helgeson H.C. Calculation of the thermodynamic and transport properties of aqueous species at high pressures and temperatures: revised equations of state for standard partial molal properties of ions and electrolytes // Amer. J. Sci. 1988. V. 288. P. 19–98.

ПоказателиРезультаты смешенияС2pdmc/С1alprСанПиН2.1.4.1074011:0,11:0,21:0,31:0,4

Железо общ, мг/л0,730,670,620,570,3Стронций, мг/л1,82,753,544,217,0Фтор, мг/л0,911,171,381,571,5