Миграция вещества и тепла в подземных водах

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Миграция вещества и тепла в подземных водах

27.07.2020

Научной основой изучения и прогноза миграции вещества в подземных водах служит теория массопереноса в пористых естественных и искусственных материалах, широко применяющаяся в физической химии, химической технологии, нефтегазовой гидродинамике и других науках.

В гидрогеологии процессы миграции вещества и тепла в подземных водах представляют интерес в связи со многими научными и практическими проблемами, например, для прогноза качества пресных подземных вод при их магазинировании, при искусственном пополнении запасов подземных вод поверхностными водами, захоронении сточных вод и промышленных отходов в глубокие горизонты земной коры, внедрении соленых морских вод в пресные подземные воды на островах и побережьях и др. Теория тепло- и массопереноса используется также для прогнозирования и палеореконструкции температурных н концентрационных полей в водонапорных системах, для разработки физико-химических моделей инфильтрацнонного и гидротермального рудообразования, естественного и искусственного растворения и выщелачивания минералов и соленосных пород и др.

Возникшая в последние десятилетия проблема загрязнения подземных вод при инфильтрации загрязненных атмосферных осадков, хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод и влияние этого процесса на окружающую среду обусловили повышенный интерес к теории массо- и теплопереноса в водонасыщенных пористых средах.

За рубежом первые исследования по массообмену в горных породах были связаны с разработкой теории гидродинамической дисперсии. Изучение продольной и поперечной дисперсии в потоке в пористой среде началось с работы К. Китагава.

Обстоятельный обзор исследований по гидродинамической дисперсии в пористой среде, выполненных до 1967 г., дали Дж. Бер, Д. Заславски, С. Ирмей. В работе на основе упрощенных и статистических моделей рассмотрены различные теории гидродинамической дисперсии, формы граничных и начальных условий, а также теоретические и экспериментальные данные о зависимости коэффициента дисперсии от скорости потока и геометрических характеристик фильтрующей среды. В частности, было показано, что гидродинамическая дисперсия может быть охарактеризована коэффициентами продольной и поперечной дисперсии Dl и Dt, причем в одномерном потоке в общем случае коэффициент продольной гидродинамической дисперсии Dl представляет сумму коэффициентов конвективной дисперсии Dк и молекулярной диффузии Dм. Подробно освещен вопрос о роли молекулярной диффузии в гидродинамической дисперсии. Рассмотрены также полученные к тому времени решения некоторых одномерных задач гидродинамической дисперсии, в том числе:

1) продвижение фронта концентрации в бесконечной колонке пористой среды при первоначально резком фронте на границе двух смешивающихся жидкостей; скорость фильтрации U постоянна или изменяется во времени;

2) запуск тонкого слоя индикаторной жидкости в центр (х = 0) бесконечной колонки пористой среды; скорость фильтрации U = const;

3) полубесконечная колонка пористой среды во входном сечении (х = 0) контактирует с раствором инертного или радиоактивного индикатора, имеющего постоянную концентрацию; скорость фильтрации U = const;

4) полубесконечная колонка при адсорбирующемся индикаторе, U = const;

5) бесконечная колонка при адсорбции индикатора U = const.

Сведения о зарубежных исследованиях рассматриваемого периода в области массопереноса также содержатся в работах советских авторов. Дальнейшее исследование миграции вещества и тепла в подземных водах за рубежом шло в направлении получения новых аналитических решений для более сложных расчетных схем, включающих рассмотрение двумерной дисперсии, гравитационной сегрегации, физико-химического взаимодействия мигрирующих веществ с породами и подземными водами; разрабатывалась методика определения параметров массообмена в лабораторных экспериментах и в полевых опытах. Продолжались также теоретические исследования моделей дисперсии. Ж. Фрид в 1972 г. критически рассмотрел классические модели и уравнения гидродинамической дисперсии, основанные на предпосылке о непрерывности макроскопической пористой среды, согласно которой предполагается, что каждый бесконечно малый элемент пористой среды состоит одновременно из твердого вещества и пор. Автор предложил новую модель гидродинамической дисперсии, учитывающую скачки концентрации и градиента концентрации на границе раздела между твердым веществом и порами, что приводит к появлению дополнительных членов в уравнении гидродинамической дисперсии.

В последние 10—15 лет широкое развитие получили численные методы решения уравнений массопереноса, позволяющие исследовать эти явления при сложной конфигурации водоносного пласта, пространственной неоднородности его свойств и при разнообразных граничных и начальных условиях. Вместе с тем применение численных методов в ряде случаев оказалось недостаточно эффективным из-за значительных затрат времени и средств на подготовку к решению задач и машинный счет; отмечаются также затруднения в связи с проблемой сходимости и устойчивости решений, зависящей от техники дискретизации. Обычный недостаток исходных сведений о параметрах водоносной системы и миграции часто заставляет использовать в модели усредненные значения их и, таким образом, переходить к простым схемам, которые более эффективно и быстро могут быть решены на основе аналитической модели. Эти обстоятельства, а также возможность использования аналитических решений для оценки относительной значимости тех или иных параметров в процессе массопереноса и для расчета параметров по опытным данным, несмотря на успехи численных методов. поддерживают интерес исследователей к расширению арсенала точных и приближенных аналитических решений.

Ниже изложены результаты зарубежных теоретических и экспериментальных исследований миграции веществ и тепла в подземных водах по наиболее важным вопросам, представляющим научный и практический интерес.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: