IV.3. Прогнозные модели

Модели, используемые для прогноза распространения загрязнений в экологической гидрогеологии, условно можно разделить на два типа: гидродинамические и гидрогеохимические. Гидродинамические модели довольно олно описывают перемещение подземных вод в водоносных системах, но недостаточно учитывают взаимодействие этих вод с вмещающими их породами и загрязненных вод с незагрязненными. Смешение растворенных веществ с водами вмещающих пород описывается обобщенными коэффициентами дисперсии; взаимодействие с водовмещающими породами - с помощью коэффициентов сорбции [8, 25, 47]. При использовании этих моделей геохимическое поведение растворенных веществ оказывается неизвестным, и основное их применение связано с исследованием и прогнозом распространения инертных загрязняющих веществ.

В гидрогеохимических моделях основное внимание уделяется моделированию процессов, протекающих в системе вода - порода. При этом используется один из двух типов модельных представлений о природе раствора (межионное взаимодействие или ассоциация - гидратация ионов) и два типа математических описаний систем (методы минимизации свободной энергии или классические методы расчета ионных равновесий) [37]. Методические подходы каждой из пар не пересекаются, но вполне уместны и обладают собственными преимуществами и недостатками.

Гидрогеохимическое моделирование используется в экологической гидрогеологии для решения различных задач. Полную оценку качества воды, заключение о стабильности данных показателей (защищенности водоносного горизонта), целенаправленное изменение химического состава воды невозможно сделать без применения современных методов гидрогеохимического моделирования. В гл. II отмечалось, что биохимическое действие биологически активных элементов изменяется в зависимости от формы их нахождения в растворе. Большинство биологически активных элементов является комплексообразователями (Мд, Си, Ре, Со, 2п, N1, Мп) или анионогенными элементами (Мо, 5е, Аз, I, Р). Многие из них могут иметь в подземных водах различную валентность (Ре[+2,+3]; Мп[+2,+3,+4]; Аз[-3,+3,+5];5е[+4,+6]; Сг[+3,+6]; Си[+1,+2]) и, следовательно, находиться в виде различных миграционных форм. Действительный состав раствора, включающий, в отличие от брутто-состава, все устойчивые миграционные формы, в общем случае не определяется аналитически, а вычисляется. Необходимость такой расчетной работы, помимо сказанного выше, определяется еще и хорошо известным фактом зависимости поведения растворенных веществ в миграционных процессах от их распределения по разным миграционным формам (имеются в виду процессы ионного обмена и адсорбции, осаждения и растворения минералов, окисления и восстановления и т.д.). Задача определения неизвестного действительного состава воды по ее заданному брутто-составу состоит в моделировании (численной имитации) всех возможных в ней ионных равновесий. Применительно к природным гидрохимическим системам она была сформулирована около 30 лет назад СА. Брусиловским (Россия) и Г. Хелгесоном (США). Высокая степень сложности соответствующих расчетов исключает возможность эффективного решения задачи без применения современных компьютеров.

Еще одной областью применения гидрогеохимического моделирования является мониторинг качества подземных вод. При определенных рН - Еп условиях некоторые нормируемые элементы не могут находиться в жидкой фазе в сколько-нибудь значительных концентрациях. Таким образом, после определения макрокомпонентного состава воды и рН - Еп параметров водоносного горизонта с помощью программы, моделирующей формы миграции микроэлементов и пределы растворимости их соединений в данных условиях, можно существенно сократить список определяемых в воде нормируемых элементов. В условиях постоянного роста цен на химико-аналитические работы такой подход дает значительный экономический эффект.

И, наконец, весьма перспективной областью применения гидрогеохимического моделирования является разработка технологий управления качеством воды целенаправленным искусственным воздействием на распределение элемента по миграционным формам прямо в водоносном горизонте (путем создания геохимических барьеров и т.д.). Более подробно с методами гидрогеохимического моделирования можно познакомиться в работе [31].

Наиболее перспективным направлением разработок в области прогнозного моделирования процессов, связанных с эксплуатацией и загрязнением подземных вод, является соединение в одной программной системе "гидродинамической" и "гидрогеохимической" моделей. В настоящее время уже имеются первые варианты таких программ [38].