Введение
Объектом исследования представленной к защите диссертационной работы является естественная экологическая система - соленое озеро сравнительно небольших размеров. В подобных системах принято выделять следующие компоненты: рапу, иловые отложения, атмосферный воздух над озером, подстилающие горные породы, образующие дно и берега озера, а также многочисленные и разнообразные биообъекты [64, 97]. Помимо самостоятельной ценности в качестве уникального природного объекта, такие экосистемы очень часто служат еще одной цели - они являются источниками лечебных грязей (пелоидов), которые давно и с большой эффективностью применяются санаторно-курортными учреждениями и пользуются большой популярностью среди населения. На территории Южного Федерального округа России расположены широко известные месторождения лечебных грязей Ставропольского и Краснодарского краев, Дагестана [43], самым крупным из которых является Большое Тамбуканское озеро. Несмотря на оптимистичные оценки запасов пелоидов [15, 67, 82], запасы эти не являются бесконечными - к настоящему времени они исчерпаны примерно на четверть. Более того, с течением времени различные компоненты рассматриваемой экосистемы способны изменяться как под действием различного рода внешних факторов, так и в результате внутренних процессов, протекающих в грязевом месторождении. Причем изменения оказывают существенное влияние не только на лечебные свойства пелоидов, но и на уровень их запасов, формируя условия образования новых донных отложений [60, 93, 103]. По этой причине первостепенное значение имеет постоянный контроль состава как самой лечебной грязи так и покрывающей ее рапы, т.е. мониторинг грязевого месторождения. Обычно он проводится инструментально и состоит в отборе проб рапы и лечебной грязи, определении концентрации и состава химических и биологических компонентов, содержащихся в этих пробах. Полученные таким образом данные могут быть использованы только в статистической модели исследуемого объекта. Для этого необходимо сравнить пока-
затели, полученные в разные моменты времени, оценить произошедшие за этот период изменения и, если измерения проводились для достаточно большого числа параметров, выявить наиболее вероятные причины, приведшие систему в текущее состояние. Проблема мониторинга подобного рода в том, что он, требуя регулярных наблюдений и анализов, все равно не может дать ответа на вопрос, какое значение будут иметь основные параметры грязевого месторождения, если воздействующие на него факторы примут ранее ненаблюдаемое значение, или изменится интенсивность их влияния, или появятся новые внешние возмущения. Необходимые данные можно было бы получить, например, при постановке целенаправленного эксперимента или с использованием физической модели. Но опыты с природным объектом заведомо неприемлемы (нельзя, например, изменить концентрацию какой-либо соли в озере и посмотреть, что из этого получится), а лабораторная модель представляет собой тонкую пленку, гак как отношение вертикального масштаба озера к горизонтальному составляет примерно 10" - 10" . И в такой пленке невозможно адекватно отразить процессы, происходящие в вертикальном направлении и оказывающие существенное влияние на эволюцию изучаемого объекта [28].
Таким образом, единственный перспективный путь организации мониторинга грязевого месторождения, который позволит получить не только достоверную картину текущего состояния, но и обоснованный прогноз на будущее — математическое моделирование плюс реальные полевые наблюдения. Причем модель и наблюдения взаимосвязаны — результаты проб и анализов используются для создания, совершенствования модели, а сами лабораторные исследования организуются на основании рекомендаций, полученных при математическом моделировании.
Актуальность темы. Одной из основных задач общегосударственного значения является обеспечение населения сравнительно недорогими и эффективными лечебными средствами отечественного производства. К таким средствам можно отнести лечебные грязи (пелоиды), высокая терапевтическая цен-
7
ность которых подтверждена многолетним положительным опытом пелоидотерапии. В Российской Федерации трудами ученых - физиотерапевтов и бальнео-техников разработаны различные способы и устройства для эффективной добычи, транспортировки, предпроцедурной термоподготовки и хранения лечебных грязей [63, 64, 74, 89-95], а также методика их применения для лечения большого перечня заболеваний [8, 67, 84, 96, 100, 103]. Однако в медицинской практике допустимо использование только кондиционных лечебных грязей, которые по химическому составу, физическим свойствам, содержанию микроорганизмов и ряду других параметров удовлетворяют определенным требованиям [8, 13, 15, 34]. Между тем состав пелоида, добываемого в грязевом месторождении, нестабилен. Лечебная грязь представляет собой мазеподобное тонкодисперсное вещество, состоящее из твердых минеральных частиц, образующих остов. Остов пропитан водой (грязевым раствором), содержащей ионы солей натрия, калия, магния, кальция, хлора, а также органические соединения и биокомпоненты. Качество лечебной грязи, в смысле удовлетворения нуждам медицинских учреждений, во многом зависит от концентрации в ней всех этих компонентов, которая под воздействием процессов различной природы способна изменяться в широких пределах. В результате пелоид приобретает либо иные терапевтические свойства, либо вообще становится непригодным для лечения. Поэтому необходим постоянный мониторинг грязевого месторождения, который не только давал бы возможность судить о составе лечебной грязи на момент ее добычи, но и позволял бы прогнозировать наиболее вероятное изменение во времени качества пелоида.
Наиболее часто в лечебных учреждения Южного Федерального округа используются иловые сульфидные грязи, источником которых служат соленые водоемы (озера, лиманы). Важной составляющей этих природных объектов, кроме лечебной грязи, является рапа. С одной стороны, рапа - среда обитания микроорганизмов, играющих решающую роль в процессах грязеобразования [12, 60, 65], а с другой — "проводник", через который внешние воздействия, при-
8
лагаемые к грязевому месторождению, передаются к лечебной грязи (грязевой раствор является прямой производной рапы). Так как рапа - многокомпонентный раствор неорганических солей, ее главной физико-химической характеристикой является общая минерализация (или концентрация отдельных ионов/солей). Именно минерализация рапы определяет условия жизнедеятельности микрофлоры грязевого месторождения, ее численный и видовой состав [60, 65, 95], а от минерализации грязевого раствора существенно зависят лечебные свойства пелоида [13, 74, 89].
Актуальности результатов, получаемых при исследовании предлагаемой модели, способствуют также следующие факторы:
— действующие федеральные целевые программы "Юг России" и "Экология и природные ресурсы (2002-2010 годы)";
— технические и технологические достижения, которые не только усиливают роль антропогенных воздействий на окружающую среду, приводящих к глобальным изменениям климатических условий, но и расширяют возможности вмешательства человека в открытые экосистемы;
— имеющие место естественные процессы, которые влияют на состояние грязевого месторождения (примером может служить наблюдаемое последние годы обводнение Тамбуканского озера, которое в 30-е годы прошлого века имело искусственное происхождение);
— изменившиеся экономические условия, которые способствовали элементарному удорожанию анализов, необходимых для целей мониторинга;
— целый комплекс социально-экономических нововведений, имевших место за последние десть лет, таких как определение стандартов на лечебные процедуры в соответствии с требованиями страховой медицины или международных стандартов, аналогичных ISO-9000; изменение в структуре права собственности на природные ресурсы, когда их собственником остается государство, лицензией на добычу владеют частные лица или организации, а применением занимаются вообще третьи лица;
9
- принятый в январе 2002 г. Федеральный закон "Об охране окружающей среды", в котором явно прописаны такие принципы, как презумпция экологической опасности планируемой хозяйственной или иной деятельности, приоритет сохранения естественных экологических систем, сохранение биологического разнообразия, запрещение любой деятельности, последствия воздействия которой на окружающую среду непредсказуемы, а лечебно-оздоровительные местности и курорты вообще отнесены к особо охраняемым объектам.
Цель работы заключается в определении основных закономерностей изменения минерализации в грязевом месторождении, в совершенствовании методики мониторинга месторождений лечебных грязей в зоне Кавказских Минеральных вод путем математического моделирования процессов изменения их минерализации. Для этого необходимо:
- разработать нестационарные математические модели, описывающие данный процесс;
- создать комплекс программных средств, который позволит провести исследование полученных моделей на предмет определения основных количественных и качественных характеристик массообмена в природном объекте — грязевом месторождении, выявить наиболее существенные факторы, влияющие на массообмен;
- разработать рекомендации по практическому мониторингу грязевого месторождения;
- разработать прибор для отбора проб рапы, которые используются для получения экспериментальных данных по минерализации.
Методы исследования. В работе использованы методы классической теории массопереноса, теории сушки, теории подобия, уравнений математической физики, численных методов математического анализа и решения дифференциальных уравнений. Научная новизна работы состоит в следующем:
10
- разработана методика оценки минерализации рапы и лечебной грязи; исследованы различные пространственно-временные области концентрационного поля грязевого месторождения; исследовано влияние на минерализацию грязевого месторождения таких факторов, как ветровое движение рапы, изменения уровня рапы, условий на поверхности водоема и на нижней границе месторождения;
- установлено существование в грязевом месторождении нескольких различных по характеру переноса вещества зон массообмена; доказана возможность применения математической модели, основанной на уравнениях диффузии, для описания динамики минерализации грязевого месторождения; доказано влияние толщины слоя рапы и ее возможного турбулентного движения на интенсивность явлений массообмена, происходящих в грязевом месторождении;
- предложен научно-обоснованный способ отбора проб рапы, позволяющий получать объективные данные об ее минерализации.
Достоверность результатов. При составлении математических моделей использовались фундаментальные законы переноса массы с учетом физических особенностей исследуемых процессов. Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных и расчетных результатов в широком диапазоне изменения характерных параметров. Достоверность научных положений обеспечивается использованием классических численных методов решения задач массообмена, совпадением результатов расчетов диссертанта и экспериментальных данных.
Практическое значение работы. Разработанная методика расчета нестационарных концентрационных полей химических компонентов, содержащихся в рапе и в лечебной грязи, и их реализация в виде единого программного комплекса позволяют:
11
- найти концентрацию ионов солей, входящих в состав рапы и лечебной грязи в любой момент времени в любой точке по глубине водоема и толщине пласта лечебной грязи;
- прогнозировать динамику состава, а значит и качества лечебной грязи;
- определить горизонт, на котором добываемая лечебная грязь имеет в данный момент времени оптимальный химический состав;
- организовать мониторинг состояния лечебной грязи на месторождении.
Предложены варианты проведения экспериментов на грязевом месторождении, позволяющие при минимальном объеме опытов проводить не только мониторинг текущего состояния лечебной грязи, но и прогнозировать динамику его изменения на предстоящий период.
Разработан прибор для получения проб рапы на грязевом месторождении.
Реализация результатов работы. Комплекс программных средства для расчета концентрационных полей химических компонентов в рапе и в лечебной грязи принят к использованию в Объединении "Кавказские минеральные курортные ресурсы" (г. Ессентуки). Прибор для отбора проб рапы на грязевом месторождении принят к использованию в отделе "Изучение курортных ресурсов" ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск). Апробация результатов работы.
Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались на международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях'1 (г. Новгород, 1999 г.; г. Санкт-Петербург, 2000 г.; г. Тамбов, 2002 г.); на научно-практической конференции, посвященной 80-летию ГНИЙ К (г. Пятигорск, 1999 г.); на IV объединенной научной сессии, посвященной 30-летию Северо-Кавказского научного центра высшей школы (г. Ростов-на-Дону, 1999 г.); на юбилейной научно-практической конференции "Актуальные вопросы курортной науки в России" (г. Пятигорск, 2000 г.); на Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства контроля и диагно-
стики" (г. Новочеркасск, 2000 г.); на VI-ой Международной теплофизической школе "Теплофизические измерения в начале XXI века" (г. Тамбов, 2001 г.), на межрегиональной научно-практической конференции "Устойчивая безопасная энергетика — основа эффективного социально-экономического развития региона" (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.), на 11-й Региональной научно-технической конфереции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» (г. Новочеркасск, 2002 г.), а также на научных семинарах кафедр "Теоретические основы теплотехники" и "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами" Южно-Российского государственного технического университета. На защиту выносятся:
- математическая модель нестационарного массообмена между рапой и лечебной грязью на грязевом месторождении.
- результаты исследования структуры концентрационных полей рапы и лечебной грязи на месторождении, имеющем несколько различных по характеру переноса вещества зон массообмена;
- метод расчета зон массообмена на месторождении лечебной грязи;
- методика контроля и прогнозирования величины минерализации различных компонентов грязевого месторождения;
- методика отбора проб рапы на месторождении лечебной грязи
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования
1.1. Соленый водоем как объект исследования массообменных процессов
Согласно [8, 43] лечебные грязи (пелоиды) - это вещества, которые образуются в естественных условиях под влиянием геологических процессов и в тонкоизмельченном состоянии, будучи смешанными с водой, применяются с лечебными целями в виде ванн и аппликаций. Это определение дано Советом Международного общества медицинской гидрогеологии. Оно отражает преимущественно зарубежный опыт подготовки пелоидов (торфов) для отпуска лечебных процедур, который заключается в высушивании пелоида, его измельчении и смешивании с водой. Но так как в нашей стране лечебные грязи применяются, как правило, в естественном виде, то Центральный НИИ курортологии (г. Москва) уточнил это определение [63, 64], включив в него сведения о происхождении и составе: "Лечебными грязями (или пелоидами) называются современные или геологически молодые природные образования, состоящие из воды, минеральных и, как правило, органических веществ, обладающие тонкодисперсной структурой, однородностью и в большинстве случаев мазеподоб-ной консистенцией, благодаря чему они могут применяться (в нагретом состоянии) в лечебных целях в виде ванн и местных аппликаций".
Грязелечение является одним из наиболее мощных лечебных курортных факторов, ведущим свое начало из недр народной медицины [65]. Получив научное обоснование в 20-х годах XX века [15, 65, 67, 74], лечение грязями широко применяется на курортах России, главным образом при заболеваниях органов движения, гинекологических и хирургических заболеваниях [8, 103].
Однако для правильного и полноценного лечебного применения грязи, прежде всего, необходимо научиться рационально, бережно и со знанием дела обращаться с самим используемым лечебным средством. При этом следует иметь в виду, что все пелоиды, в том числе и лечебные иловые грязи, образу-
14
ются в природных условиях при большой доле участия биологических факторов, на состав которых влияют естественные и техногенные воздействия.
Теоретическое изучение различных областей, связанных с жизнью грязевых озер, с их формированием, с физико-химическим составом и биологическими и лечебными свойствами грязей составило предмет исследований, проводимых в ГосНИИ курортологии (г. Пятигорск), в Объединении "Кавказские минеральные курортные ресурсы" (г. Ессентуки), в Центральном НИИ курортологии (г. Москва), в отраслевых лабораториях при курортных советах (г.г. Пятигорске, Сочи, Одессе), нашедших отражение в работах таких авторов, как О.Ю. Волкова, Д.Н. Вайсфельд, В.Б. Адилов, В.Т. Олефиренко, Ф.М. Эф-фендиева, П.А. Кашинский, В.Г. Ушаков, Е.Г. Потапов, Ю.А. Федоров.
К вопросам, которые требуют повышенного внимания, относятся:
- состояние самих эксплуатируемых грязевых озер;
- охрана их санитарного состояния;
- содержание береговой полосы, ее озеленение;
- установление и поддержание научно-обоснованного рационального водно-солевого режима, способствующего как сохранению имеющихся запасов лечебной грязи, так и ее новообразованию;
- рациональная добыча лечебной грязи из озера;
- проведение постоянных метеорологических, гидрологических, физико-химических и санитарно-бактериологических наблюдений за грязевыми озерами.
По своему происхождению, составу и свойствам лечебные грязи классифицируются как торфы, сапропели, иловые сульфидные грязи, глинистые пресноводные илы, сопочные и гидротермальные [2, 43]. Состав этих грязей различен и зависит от природных условий их образования. Однако все они характеризуются общим признаком структуры, являясь гетерогенной физико-химической системой, состоящей из жидкой и твердой фаз, находящихся между собой в равновесии [89, 92, 100]. Жидкая фаза - это грязевой (иловый) раствор, а
твердая — состоит из двух частей: остова, кристаллического скелета (грубодис-персного: глинистые и песчаные частицы диаметром более 1 мкм, мало растворимые в воде соли — гипс, углекислый и фосфорно-кислый кальций, углекислый магний и др., а также грубые органические остатки) и гидрофильного коллоидного комплекса (тонкодисперсного).
Грязевой раствор составляет от 25 до 97 % массы лечебной грязи. Он по минерализации и ионному составу в известной мере отражает состав рапы, которая контактирует с лечебной грязью на дне водоема, будучи производным последней. Соленость грязи варьируется от 0,01-0,05 г/л (для торфяных грязей) до 250—300 г/л (для иловых сульфидных грязей). Чем больше содержание соли в грязи, тем меньше в ней воды. Это соотношение имеет важное бальнеологическое значение и учитывается непосредственно при выборе методики грязелечения. В состав грязевого раствора, наряду с солевым раствором, входят также газы и органические вещества.
При обилии атмосферных осадков и при малом испарении на больших заболоченных площадях образуются торфяные грязи или пресные сапропелевые илы на дне пресных водоемов. Эти грязи, а особенно торфяные, характеризуются большим содержанием органических веществ, значительной влажностью, малой минерализацией, наличием малых количеств сероводорода или отсутствием его.
В областях с засушливым жарким климатом, где обычно бывает немного атмосферных осадков и наблюдается значительное испарение с поверхности озер, наоборот, образуются соленые иловые грязи, иногда с большим содержанием солей (с высокой минерализацией) и с переменной соленостью в зависимости от времен года. Такие грязи относительно бедны органическими веществами. Чем лечебная грязь концентрированнее в отношении солевого состава, тем она беднее органическим веществом.
Образование лечебных грязей представляет весьма сложный процесс, длящийся десятки и сотни лет. В нем участвуют многие слагаемые, прежде все-
го, минеральная основа, тонкоструктурные глины, песок, частицы кристаллов минералов различной величины, соли, коллоидные частицы весьма малого размера. Эти "исходные компоненты" связываются между собой под воздействием геолого-гидрологических, климатических, физико-химических и биологических факторов.
В лечебной грязи содержится такое огромное количество биообъектов, что грязь, почти в буквальном смысле слова, можно считать живой массой [8, 65]. При этом грязевой субстрат и микроорганизмы находятся в тесном взаимодействии. С одной стороны, микроорганизмы, обитающие в грязи, своей жизнедеятельностью оказывают влияние на некоторые ее физико-химические свойства, участвуя в образовании сероводорода, отложений элементарной серы, сернистых соединений и окислов железа. Благодаря деятельности микроорганизмов в лечебной грязи образуются, помимо других коллоидных веществ, и так называемые биоколлоиды, обусловливающие важные физические свойства грязей — их пластичность и вязкость. С другой стороны, сама грязевая среда, ее физико-химический состав, солевая концентрация, рН, содержание органических веществ, влажность и т.д. оказывают определенное влияние на микробное население донных отложений, способствуя его размножению или же лимитируя его.
Главнейшими физическо-механическими свойствами лечебных грязей является содержание в них воды (влажность), плотность, пластичность, вязкость, липкость и адсорбционная способность. Вязкость, липкость, сопротивление сдвигу — все эти показатели зависят от содержания воды в лечебной грязи.
Физико-химические свойства лечебных грязей определяются, прежде всего, составом грязевого раствора, пропитывающего частицы скелета грязи. Концентрация солей в грязевом растворе различных грязей, или их соленость, колеблется в широких пределах. В солевом растворе содержатся растворимые соли хлористого натра, хлористого магния, растворимые сульфаты — сернокислый натрий, сернокислый магний, растворимые карбонаты. В одних типах гря-
17
зи преобладают соли хлористого натра, в других — сульфатные соли. Тем не менее, основная масса растворенных в водах солей состоит из шести ионов: трех анионов (хлора, сульфата и гидрокарбоната) и трех катионов (натрия, магния, кальция).
В последнее время большое внимание уделяется изучению состава органических веществ в лечебных грязях [13, 63, 64]. В результате были обнаружены летучие жирные кислоты, твердые и жидкие высокомолекулярные кислоты жирного ряда, липоиды, углеводы, азотистые соединения, вещества фенольного характера.
Все вышеперечисленные факты приводят к выводу, что организация регулярного, качественного мониторинга грязевого месторождения требует сбора и анализа довольно большого числа параметров. Для предварительной оценки сложности задач наблюдения предлагается использовать следующую классификацию этих параметров:
- по частоте, скорости их изменения. Например, геологическое строение района озера вообще остается постоянным, гидрологические условия могут изменяться незначительно в течение десятилетий, а для исчезновения какого-либо вида микроорганизмов достаточно и нескольких месяцев;
- по тому, для какой части грязевого месторождения используется тот или иной параметр. Такие понятия, как вязкость, пластичность применяются только для грязи; количественный и видовой состав зоопланктона описывает особенности рапы; минерализация, солевой состав характеризуют как рапу, так и грязь; величина поверхностного стока может рассматриваться применительно к озеру как единому объекту;
- по совокупной стоимости процедур наблюдения. Так, для измерения глубины озера требуется только размеченная рейка и несколько минут времени, а для выяснения солевого состава рапы необходим целый комплекс мероприятий — начиная от отбора проб с использованием специального прибора — бато- |
