авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 10 |

Геохимическая опасность и риск на урбанизированных территориях: анализ, прогноз, управление

-- [ Страница 6 ] --

Реализация техногенных воздействий или воздействий техногеннонарушенной природной среды (например, загрязненной или агрессивной) могут привести к следующей цепочке: последствия - потери - ущерб (Оценка и управление природными рисками, 2003). В зависимости от реципиента различают следующие виды ущерба: жизни и здоровью конкретных людей (медико-биологический); физическим и юридическим лицам, организациям (материальный, экономический, моральный); природной среде (экологический); социально-экономической системе (социально-экономический.; государству (социально-политический). В разделе подходы к оценки экономического ущерба воздействия загрязненной окружающей среды на здоровье населения (Ревич, Сидоренко, 2006, 2007), экологического ущерба (Медведева, 2003), ущерба окружающей среде от загрязнения токсичными металлами (Головин, Морозова и др., 2000), ущерба от загрязнения подземных вод нанесенных различным природным средам (объектам, ресурсам) и природопользователям (Методика исчисления размера ущерба…., 1997), ущерба от загрязнения подземных вод и грунтов нефтепродуктами (Гольдберг, 1994).

Развитие методики постановки, проведения и интерпретации экспериментальных лабораторных исследований межфазных физико-химических процессов и определения миграционных параметров

Неопределенности при прогнозе опасных геохимических ситуаций в подземных водах в значительной степени связаны с недостаточным знанием физико-химических процессов в системе вода-порода, а также значений миграционных параметров, в особенности параметров межфазовых взаимодействий, основным методом определения которых остается лабораторный метод. Несмотря на ряд недостатков, неоднократно отмечаемых в литературе, экспериментальное лабораторное моделирование при условии правильной интерпретации результатов может успешно использоваться при изучении формирования гидрогеохимической обстановки, выяснении физико-химических процессов, происходящих при фильтрации через породы - процессов, которые во многих случаях трудно выявить по данным натурных наблюдений, а также характера и направленности микробиологических процессов, которые могут активизироваться при изменении условий. Представляется важным развитие данного направления.

Проанализированы сложности, возникающие при проведении экспериментальных лабораторных исследований и связанные: с отбором представительных проб пород и их подготовкой к опыту, изменением ионно-солевого комплекса пород при хранении образцов (рассмотрены преимущества и недостатки хранения пород в запарафинированном виде), активизацией микробиологических процессов при хранении образцов и в процессе эксперимента.

В разделе рассмотрены результаты экспериментальных лабораторных исследований, направленных на изучение: 1) формирования химического состава растворов при фильтрации через сульфидизированные глинистые породы, лессовидные суглинки и суглинки в условиях массобмена I типа; 2) процессов ионообменной сорбции карбонатными и песчано-глинистыми породах в статических и динамических условиях; 3) процессов сорбции тяжелых металлов на песках, супесях и суглинках в статических условиях. На основании полученных данных проводилось обоснование теоретических моделей процессов, определялись расчетные схемы, оценивались миграционные параметры.

Экспериментальные исследования формирования химического состава растворов при фильтрации через сульфидизированные глинистые породы. Лабораторные фильтрационные опыты по моделированию питания через слабопроницаемые сульфидизированные глинистые породы Тобольского и Сурско-Хоперского артезианских бассейнов проводились с целью исследования гидрогеохимического аспекта процесса перетекания и его роли в формировании химического состава межпластовых вод. На основании анализа результатов химического и минералогического исследования образцов пород до и после фильтрации, а также результатов изменения химического анализа фильтратов, выявлено влияние условий хранения образцов сульфидизированных пород на трансформацию ионно-солевого комплекса, установлены особенности формирования на разных стадиях эксперимента химического состава фильтратов из образцов, использованных после отбора керна (рис.3а) и образцов, хранившихся более 2-3 месяца в запарафинированном виде; определены физико-химические и микробиологические процессы, протекающие в образце на этапах хранения, подготовки к опыту, проведения фильтрационного эксперимента. Интерпретация полученных результатов позволила установить процессы, обусловливающие поступление компонентов из перекрывающих глин в межпластовые водоносные горизонты, и подтвердить региональные закономерности изменения химического состава вод на участках с различной интенсивностью питания. Теоретическая модель миграционного процесса разработана А.А.Рошалем. Четырехпараметрическая математическая модель среды с двойной пористостью ( – относительный объем слабопроницаемых пор, (v), '('v) – коэффициенты массообмена между жидкой фазой в хорошо- и слабопроницаемых порах и между твердой и жидкой фазами в слабопроницаемых порах, v - скорость фильтрации) удовлетворительно описывает экспериментальные выходные кривые. Определены параметры массообмена: = 0.4-0.7, =3.2-4.7 м-1, '= (0.7-0.9).10-3 м-1.

Экспериментальные лабораторные исследования формирования химического состава растворов при фильтрации через слабозасоленные суглинки и лессовидные суглинков. Опыты в фильтрующих образцах проводились с целью исследования формирования агрессивности растворов при фильтрации через суглинки и лессовидные суглинки, отобранные в разных районах Ставропольского края, в районе г. Одессы, на территории ВАЗ (г.Тольятти) и в г.Кривой Рог; обоснования теоретической модели миграционного процесса и расчетной схемы определения миграционных параметров. Комплекс исследований включал: определение химического состава фильтрата и содержания в образцах легко-и среднерастворимых солей, послойное определение в образце остаточной засоленности после фильтрации, диагностический анализ аутигенных минералов. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием программы "MASSTRAN" (Лехов, Петров,1989). Результаты обработки показали, что выходным кривым выноса хлорид-иона соответствует модель гетерогенной среды с сосредоточенной емкостью, а выходным кривым выноса сульфат-иона – также модель гетерогенной среды с неограниченной емкостью. На основании анализа результатов изменения химического состава фильтрата и минералогического состава образцов пород, особенностей массообмена в гетерогенно-блоковой среде было установлено, что химический состав растворов при фильтрации через слабозасоленные породы (легкорастворимые соли находились в растворенном состоянии) определялся; на начальной стадии опыта - составом жидкой фазы образца к началу фильтрации и особенностями переноса компонентов в гетерогенной среде, на второй стадии - условиями массообмена между жидкой и твердой фазами (растворением гипса, ионным обменом, а также образованием гидротроилита в основном на выходе из образца) и особенностями выноса компонентов в гетерогенной среде, на третьем этапе (конечный участок выходной кривой) - особенностями выноса компонентов в гетерогенной среде в тех условиях, когда межфазовые взаимодействия происходят в очень незначительных масштабах ограничиваются в основном образованием гидротроилита (растворение гипса практически закончено, роль ионного обмена крайне незначительна) (рис.3б).

При определении параметров гетерогенной модели, значения относительной пористости каналов в большинстве случаев не превышали 0.07, значения активной пористости, определенные по выходным кривым изменения содержания сульфат-иона, составляли 0.42 - 0.77, т.е. в 1.5-2 раза выше, чем определенные по выходным кривым выноса хлорид-иона, что связано с влиянием на миграцию сульфат-иона процесса образования гидротроилита. Величины коэффициентов массообмена, определенные по выносу хлорид-иона и сульфат-иона, в основном имеют близкие значения и в большинстве случаев характеризуются значениями 0.19 -1.2 сут-1, типичными для пород с гетерогенностью миллимитровых размеров.

а) б)

Рис. 3. Экспериментальные кривые изменения состава растворов при фильтрации через:а) юрские сульфидизированные глины, б)- лессовидные суглинки

Исследование процессов ионообменной сорбции на карбонатных и песчано-глинистых породах в статических и динамических условиях. Изучение физико-химического взаимодействия техногенных рассолов с породами и определение параметров ионного обмена проводились с целью информационного обеспечения геомиграционных моделей при прогнозе загрязнения подземных вод на шахтном поле БКРУ-2, расположенном в Березниковско-Соликамском горнопромышленном районе Верхнекамского месторождения калийных солей. Природная гидрогеологическая обстановка участка характеризуется наличием водоносных горизонтов, связанных с пермскими образованиями – терригенно-карбонатной толщей -P2u1sl2, и залегающими на ней песчано-глинистыми породами – пестроцветной толщей P2u2ss. На территории БКРУ-2 были зафиксированы значительные изменения естественной гидрогеохимической обстановки под влиянием утечек из шламохранилища где складируется соляно-глинистая пульпа с минерализацией в жидкой фазе до 250-300 г/кг. Исследования, ранее проводимые на рассматриваемой территории (Кочнева, 1987; Мироненко, Румынин, 1998), позволили установить, что в пределах ореола засоления активно протекает обмен катионов натрия и калия техногенных рассолов на кальций и магний поглощенного комплекса водовмещающих пород. Исследование формирования гидрогеохимической обстановки сосредотачивалось на изучении физико-химических процессов, происходящих в терригенно-карбонатной толще, в связи с чем возникла необходимость выяснения изменения состава рассолов на всем пути фильтрации, т.е. изучение процессов межфазового взаимодействия также в отложениях пестроцветной толщи. В ходе ранее проводимых исследований также выяснилась необходимость решения ряда методических вопросов, связанных с выбором оптимальной методики определения состава обменных катионов, емкости обмена, параметров реакций ионного обмена.

На первом этапе с целью уточнения и расширения существующих представлений об условиях формирования состава подземных вод на рассматриваемой территории, были проведены исследования минерального состава, структуры, степени засоленности, емкости поглощения и состава обменных катионов пород пестроцветной и терригенно-карбонатной толщ. На основании анализа полученных данных на втором этапе проводилась корректировка методик экспериментальных лабораторных исследований параметров ионного обмена в статических и динамических условиях и определялись параметры ионного обмена.

Проведенные исследования техногенного преобразования пород позволили уточнить масштаб и характер взаимодействия по площади и в разрезе рассолов шламохранилища и пород пестроцветной и терригенно-карбонатной толщ и определить область воздействия рассолов на породы, затрагивающую не только терригенно-карбонатную, но и пестроцветную толщу. При определении параметров ионного обмена в статических условиях (взаимодействие навески породы с растворами NaCl или KCl) было проведено сравнение ранее использовавшейся (вариант 1) и модифицированной методики (вариант 2). Отличие модифицированной методики состояло в том, что растворах хлористого натрия кроме Ca2+ и Mg2+ определялось содержание К+, а в растворах хлористого калия - содержание Na+, так как были установлены более значительные содержания натрия и калия в поглощенном комплексе, чем предполагалось ранее. В динамических условиях опыты проводились на образце из пород пестроцветной толщи, при фильтрации использовался раствор из шламохранилища.

На основании полученных материалов экспериментальных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Анализ результатов обработки опытов в статических условиях с образцами пород пестроцветной и терригенно-карбонатной толщи показал, что экспериментальные данные, полученные при проведении опытов с растворами хлористого натрия (обработка вариантам 1 и 2) и хлористого калия (вариант 1) удовлетворительно аппроксимируются изотермой Ленгмюра, а изотерма ионнообменной сорбции в опытах с раствором KCl (обработка по варианту 2) характеризуется "двухступенчатым" строением (рис.3), что связано с поступлением натрия с различных обменных позиций. Сравнение результатов расчета параметров ионного обмена с применением различных методических подходов позволило установить различия, особенно существенные при использовании в качестве вытеснителя KCl и учете вытеснения натрия (обработка по варианту 2). Максимальное различие величин параметра Qv (предельная емкость обмена) составляло 60 %. Это подтверждает важность учета вытеснения из обменного комплекса не только кальция и магния, но и натрия, который на участке техногенного загрязнения приобретает все большее значение в составе обменного комплекса пород. При использовании в качестве иона вытеснителя натрия при всех вариантах обработки не приводит к существенному изменению параметров (разница в определении Qv не превышает 5%) в связи с более низким содержанием калия в обменном комплексе.

2. При расчете по модифицированной методике параметров изотермы Ленгмюра выяснено, что величина параметра Qv существенно уменьшается в вертикальном разрезе, составляя: на границе четвертичных и пестроцветных отложений - 42.4-45.6 мг-экв/100 г породы); в пестроцветных отложениях - 19.1-29.5 мг-экв/100 г; в породах терригенно-карбонатной толщи - 12.9-21.0 мг-экв/100 г., что объясняется снижением степени глинистости пород с глубиной, а также увеличением содержания в глинистой фракции гидрослюдистых и хлоритовых пакетов и уменьшением монтмориллонитовых пакетов, характеризующихся более высокой емкостью поглощения.

3. При проведении экспериментов в динамических условиях на начальном этапе наблюдалась значительная метаморфизация рассолов, затрагивающая как катионный, так и анионный состав и обусловленная сочетанием процессов, происходящих на различных этапах опыта: концентрированием рассола в период стадии медленного насыщения образца, катионным обменом кальция и магния поглощенного комплекса пород на натрий и калий рассола, частичным осаждением сульфата кальция и хлорида натрия из фильтратов (галитовая стадия кристаллизации начинается при М=275.27 г/кг, твердая фаза – CaSO4 2 H2O+NaCl), незначительным растворением карбонатов и сульфатов. Величина полной емкости поглощения составила 36.9 мг-экв/100 г, что в несколько меньше результатов, полученных в статических условиях. Результаты экспериментальных исследований заставляют серьезно отнестись к вопросам метаморфизации техногенных рассолов в глинистых породах (в особенности в отложениях пестроцветной толщи и четвертичных отложениях).

а) б)

Рис. 4. Изотермы ионного обмена в породах терригенно-карбонатной толщи: а) скв. 3 глуб.34 м,

б) скв. 3 глуб.82 м

Условные обозначения: - опыты с NaCl, вариант 2, х - опыты с KCl, вариант 1, о - опыты с KCl, вариант 2.

Совершенствование подходов к обеспечению расчетных моделей параметрами сорбции. В данном разделе работы рассмотрен методический подход к постановке, проведению и интерпретации результатов экспериментальных исследований параметров сорбции в породах зоны аэрации. Постановка исследований связана с тем, что обычно используемые для описания сорбции уравнения Генри, Ленгмюра и Фрейндлиха часто недостаточно точно описывают экспериментальные данные и это приводит к существенным ошибкам при оценке параметров и последующих прогнозных расчетах. Экспериментальные исследования сорбции свинца, меди, никеля, ртути, цинка различными литологическими разностями отложений участка в пойме р. Москвы проводились в статических условиях с модельными растворами.

Обработка результатов экспериментальных исследований включала: 1) определение коэффициента распределения компонента между твердой и жидкой фазами (q/c), 2) построение графиков зависимости q-c, q/c –нагрузка (количеству вещества, взаимодействующего с породой, мг/кг), q/c –q, lg q/c - lg q; 3) установление класса и подкласса изотермы адсорбции компонента по классификации Джайлса (Giles, 1974);4) определение соответствия экспериментальных данных уравнениям изотермы сорбции, предложенным в (Hinz, 2001) и расчет параметров сорбции с использованием программы SorbFit.

На основании анализа результатов экспериментальных исследований сорбции тяжелых металлов на песках, супесях и суглинках исследуемого участка сделаны следующие выводы.

1. Величины q/c тяжелых металлов существенно зависят от величины нагрузки, в большинстве случаев по мере увеличения нагрузки вначале наблюдается увеличение значения q/c, а затем его уменьшение или стабилизация, что объясняется снижением фиксации компонентов исследуемыми литологическими разностями отложений. Значительный диапазон изменения q/c свидетельствует о важности учета нагрузки при выборе параметра. Обоснование значений q/c при миграционных расчетах должно проводиться с учетом концентрации компонента в инфильтрующихся водах и ее изменения в профиле зоны аэрации.

2. Интенсивность сорбции исследуемых компонентов в целом с глубиной залегания пород на рассматриваемой территории уменьшается, что приводит к снижению значений q/c.Данный факт важен при выборе коэффициентов распределения при расчетах массопереноса в зоне аэрации, так как использование осредненных значений для различных литологических разностей может существенно сказаться на результатах прогнозной оценки.

3. Диагностика вида кривой в области низких нагрузок с помощью графиков q/c - q и lg q/c - lg q позволила уточнить класс и тип изотерм Изотермы сорбции тяжелых металлов по классификации Джайлса в основном относятся к классу сигмоидных изотерм S, реже к классу L. Изотермы сорбции меди и никеля можно отнести к типу S2, изотермы сорбции цинка супесями и суглинками - в основном к типу S2, песков – к типу L2, изотермы сорбции свинца и ртути - к классу S1, реже к S2. Выявление сигмоидных форм изотерм оказалось возможным в связи с проведением опытов в области низких нагрузок, где сорбция компонента может быть ингибирована конкурирующей реакцией в растворе, например комплексообразованием. Проведение исследований с большими интервалами исходных нагрузок часто приводит к искажению формы кривой.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.