Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Поэтому уже в 70-е годы в гидрогеологии возникла задача разработать такие количественные методы прогнозного моделирования гидрогеохимических явлений, которые учитывают не только транспорт веществ в гидрогеологических структурах, но и те геохимические взаимодействия, которые происходят при этом транспорте.
• Однако исторически сложилось так, что в гидрогеологии разработка методов прогнозного моделирования гидрогеохимических явлений пока имеет два параллельных направления; первое направление основано на принципах химической термодинамики, второе — физико-химической гидродинамики и кинетики. Почему развиваются именно эти два направления?
Принципиально говоря, в гидрогеологии мы имеем дело с градиентными полями. Это означает, что физические и химические процессы, составляющие основу формирования химического состава подземных вод, в своем макровыражении являются неравновесными и необратимыми, так как протекают в крупных открытых системах, обменивающихся веществом' и энергией с окружающей средой. Для таких неравновесных макросистем с необратимыми процессами наиболее корректный путь моделирования и прогнозирования гидрогеохимических явлений — это использование методов физико-химической гидродинамики и кинетики, учитывающий всю совокупность транспортных и геохимических явлений массопереноса в этих системах. Но в то же время общая неравновесность гидрогеохимических макросистем не означает полного отсутствия химических равновесных состояний в отдельных их частях. В разделе 2.3 было показано, что такие равновесные состояния в них, как результат стадийных превращений веществ, широко распространены и особенно характерны для гомогенных систем, например, карбонатных, сульфатных и т. д. Эти гомогенные системы релаксируют к равновесным состояниям очень быстро. Но равновесные состояния возникают также и в гетерогенных системах, как в простых, например, «СаС03<тв>— подземная вода», «CaF2(TB) — подземная вода», так и в более сложных, включающих несколько компонентов твердой фазы, например, «CaCO3(TB) — подземная вода — CaMgCO3) 2(тв), СаСОз(тв) — подземная вода CaF2(TB) и т. д. Мы также видели, что подобные равновесные состояния могут возникать и в отдельных частных системах, образуемых подземными водами с различными твердыми фазами силикатов (см. рис. 6.4).
27'
15.3. ОБЩИЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ В ГИДРОГЕОХИМИИ
Независимо от того* какой путь моделирования гидрогеохимических явлений избирается для прогноза изменений химического состава подземных вод, построение моделей в гидрогеохимии имеет общие методологические принципы. Основой моделирования гидрогеохимических явлений и процессов являются гидрогеологические и геохимические представления и знания об объекте моделирования. Точность построения моделей в гидрогеохимии и степень их адекватности реальности зависит от уровня этих знаний. Поэтому существует определенная последовательность построения этих моделей [26J.
Прежде всего необходимо построить качественную геологическую (гидрогеологическую, гидрогеохимическую) модель процесса или явления, которая должна аккумулировать в себе теоретические представления о них, конкретные природные и экспериментальные данные. Геологическая модель может описывать как процесс в целом, так и отдельные явления, входящие в него. Однако построить количественную основу геохимических процессов и решить проблемы гидрогеохимической практики чисто индивидуальным путем, т. е. по результатам геологических наблюдений без привлечения законов физики, физической химии и химии невозможно. . .г
Далее на основе геологических, гидрогеологических и гидрогеохимических представлений об объекте строят его физико-химическую и математическую модели. '
. Физико-химическая модель отражает взаимосвязи компонентов геологической модели с помощью различных термодинамических и других физико-химических соотношений, учитывающих или неучитывающих динамику массопереноса и кинетику химических взаимодействий.
Математическая модель является подсобной реализационной моделью. Это средство для количественной реализации физико-химической модели. 0&а количественно описывает соотношения физико-химической модели с помощью систем уравнений и ограничений (условия минимальности термодинамического потенциала, уравнения массопереноса, кинетические ограничения и т. д.) и включает в себя методы и алгоритмы ее решения.
Таким образом, по времени построения геологическая модель должна всегда опережать физико-химическую и быть ее основой. Иные соотношения, когда физико-химическая модель обгоняет по времени реализации геологическую и, когда геологию «подлаживают» под такую физико-химическую модель, недопустимы в практике гидрогеохимического моделирования. В то же время необходимо знать, что полное количественное
420
описание гидрогеохимического явления может быть достигнуто только на основе сочетания всех перечисленных моделей (геологической, физико-химической и математической) в указанной последовательности построения.
Технологически процесс моделирования гидрогеохимических явлений всегда включает в себя систему обратной связи. Главным критерием пригодности различных моделей в гидрогеохимии является гидрогеологическая и гидрогеохимическая практики. Непрерывной и составной частью любого моделирования в гидрогеохимии должно быть постоянное сопоставление его результатов с реальными распределениями элементов в подземных водах. Таким образом, всегда должна выполняться природная корректировка моделей, обеспечивающая их адекватность реальности. В связи с этим процесс моделирования для решения прогнозных задач имеет несколько этапов: 1) постановка задачи; 2) гидрогеологический и гидрогеохимический анализы объекта прогнозирования; 3) построение физико-химической и математической моделей этого объекта; 4) тестовое апробирование модели и оценка соответствия расчетных данных реальным распределениям элементов в подземных водах; 5) совершенствование модели на основе системы обратной связи; 6) применение модели к конкретному объекту прогнозирования и выдача прогноза.
