Снабжение крупных городов и промышленных центров доброкачественной водой для питья и водой для технических целей в настоящее время является острой техно – экологической проблемой. Для ее решения помимо открытых и потому легко загрязняемых источников активно используются подземные воды влагосодержащих пластов. Они менее подвержены антропогенным воздействиям, однако и для них вопросы, связанные с зачастую неизбежным загрязнением, остаются актуальными. Один из них – локализация вредных примесей, проникающих в часть пласта с тем, чтобы вода в других частях оставалась чистой и пригодной для потребления. Для решения этой задачи предлагается использовать часть грунтовых вод для создания на пути распространения загрязнений Рис. 1 своеобразного гидравлического барьера (рис.1). Между источником загрязнения (звездочки) и водозаборными скважинами устанавливаются специальные скважины, накачивающие чистую воду в пласт и повышающие ее уровень (барьер). Накачка создает принудительное движение грунтовых вод вправо и влево от барьера (стрелки). Фильтрующаяся направо часть потока сносит назад текущую ей навстречу воду с примесями, препятствуя дальнейшему продвижению загрязнений вдоль пласта.

Рис.1. Распространение загрязнений.

Основные предположения о гравитационном режиме течения грунтовых вод:

– пористая среда представляет собой пласт водонепроницаемого материала (песок, глина), ограниченного снизу грунтом, не пропускающим воду (гранит), а сверху – поверхностью земли (рис.2);

– вода рассматривается как несжимаемая жидкость с постоянной плотностью р;

– толщина пласта много меньше его ширины и длины;

– подстилающая поверхность не имеет разрывов и изломов, задающая ее известная функция Н(х,у) – достаточно гладкая функция своих аргументов;

– свободная поверхность воды h = h(х,у,t) плавно меняется с изменением координат х,у;

– грунтовые воды нигде не выходят на поверхность земли, причем на свободной поверхности жидкости давление постоянно;

– грунт однороден, т.е. его физические свойства не зависят от аргументов х, у, z.

Рис.2. Пористая среда.

Первое предположение вполне естественно, поскольку в рассматриваемом процессе не могут достигаться давления, способные заметно изменять плотность воды. Остальные предположения упрощающие, но они отнюдь не выхолащивают сути процесса, т.к. они выполняются в большом количестве реальных ситуаций.

Математическая модель, реализующая схему гидравлического барьера содержит уравнения фильтрации грунтовых вод и уравнения распространения примесей, дополненные соответствующими входными данными (свойствами грунта, воды и примесей, сведениями о геометрии рассматриваемой области, краевыми задачами т.д.).

– С(х,t) – искомая концентрация примесей;

– Q(х,у,t) – известная интенсивность источника загрязнения;

– v = мрg – коэффициент, определяемый свойствами грунта;

– р – плотность жидкости;

– g – ускорение свободного падения;

– D – коэффициент гидродинамической дисперсии (аналог коэффициента теплопроводности в законе Фурье);

– Н, h – const.

Решение уравнений для следующих начальных и граничных условий (для источника загрязнения и для формирователя барьера:

Для свободной области:

дает нам следующее (рис.3): гидравлический барьер сдерживает распространение загрязнения от источника в зоне соприкосновения областей, но вне этой зоны явно видно, что загрязнение распространяется за пределами зоны влияния барьера.

Рис.3. Источник загрязнения с 1 гидравлическим барьером.

Выводы:

1. Одного гидравлического барьера недостаточно для полного предотвращения распространения загрязнения, необходимо применение кольцевой модели гидравлических барьеров.

2. В реальных ситуациях Н, h, D – являются функциями от пространственных переменных, что необходимо учитывать.

3. Для разработки окончательной методики внедрения гидрологического барьера необходимо исследование конкретного полигона с конкретным источником загрязнения Q (х,у,t).