Районирование территории Республики Беларусь по применению методов регенерации водозаборов подземных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

На правах рукописи

УДК 628.112.4

Шейко Андрей Михайлович

Районирование территории Республики Беларусь по применению методов регенерации водозаборов подземных вод

Специальность 70 04 01 - Водохозяйственное строительство

Магистерская диссертация

на соискание степени магистра технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Ивашечкин Владимир Васильевич

МИНСК 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Подземные воды как источник водоснабжения

1.1 Краткий обзор природных условий территории

1.2 Водоносные горизонты и комплексы как источник водоснабжения

1.3 Анализ систем водоснабжения из подземных источников в Беларуси

ГЛАВА 2. Кольматаж фильтров скважин как фактор, влияющий на снижение их производительности

2.1 Механический кольматаж фильтров и прифильтровых зон скважин и меры по его предупреждению

2.2 Химический кольматаж фильтров и прифильтровых зон скважин и меры по его предупреждению

2.2.1 Геохимическая характеристика подземных вод зоны активного водообмена как среды кольматантообразования

2.3 Биологический кольматаж скважин

ГЛАВА 3. Ремонт скважин, оборудованных фильтрами, и методы восстановления их производительности

3.1 Факторы, влияющие на продолжительность работы скважин

3.2 Импульсные методы

3.3 Реагентные методы

3.4 Комбинированные методы

3.5 Опыт восстановления фильтров скважин различными методами в Беларуси

3.6 Расчет экономической годовой эффективности

ГЛАВА 4. Оптимизация и эффективность работы водозаборных скважин

4.1 Прогноз кольматажа скважин и определение рациональных сроков их регенерации

4.2 Районирование территории Республики Беларусь по характеру кольматации и регенерации фильтров скважин

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

водозаборный подземный скважина беларусь

Актуальность темы диссертации. В связи с постоянным ухудшением качества поверхностных вод, вызванных увеличивающимися выбросами отходов существующих и вновь построенных промышленных и сельскохозяйственных предприятий, с каждым годом увеличивается забор воды из подземных источников водоснабжения. Значительное удорожание строительства новых водозаборных скважин делает актуальным поддержание стабильного режима эксплуатации уже существующих подземных водозаборов, продление срока их службы и обеспечение приемлемого качества воды путем проведения мероприятий по очистке, дезинфекции, ремонту и техническому обслуживанию водозаборных скважин с минимальным вредным воздействием на окружающую среду.

Цель и задачи исследований. Целью диссертации является исследование процессов, которые влияют с различной степенью интенсивности на снижение производительности водозаборных скважин во времени, установление причин и механизмов кольматажа фильтров, а также разработка практических рекомендаций по применению методов регенерации скважин водозаборов Республики Беларусь в конкретных геологических, гидрологических, гидрохимических условиях, с минимизацией вредного воздействия на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) исследование геологических, гидрогеологических и гидрохимических условий районов распространения основных водоносных горизонтов и комплексов Республики Беларусь; 2) оценка комплексного влияния гидрогеохимических и гидродинамических факторов на процессы снижения производительности водозаборных скважин; 3) обоснование применения способов восстановления (регенерации) производительности скважин в зависимости от кольматантообразующих процессов; 4) разработка мероприятий по оптимизации режимов работы водозаборных скважин с целью предупреждения процессов снижения производительности и ликвидаций последствий кольматажа; 5) районирование территории Республики Беларусь по характеру кольматации фильтров скважин и по декольматации.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются факторы, влияющие на снижение производительности работы скважин. Предметом исследования являются способы регенерации фильтров водозаборных скважин.

Методология и методы проведенного исследования. В работе использовались теоретические методы исследований, включающие метод математической статистики обработки исходных данных с целью установления корреляционных связей между переменными, определения основных численных статистических характеристик распределения случайной величины, аппроксимации теоретической кривой эмпирических данных старения скважин, методику определения значения индекса стабильности и насыщения, метод определения межремонтного периода.

Научная новизна полученных результатов. 1) Произведен статистический анализ данных скважин водозаборов г. Минска; 2) Установлены межремонтные периоды для конкретных гидрогеологических условий; 3) Выполнено районирование территории Республики Беларусь по способам регенерации водозаборных скважин коммунальных систем водоснабжения; 4) Определены рекомендации по оптимизации условий и режимов эксплуатации водозаборов подземных вод для условий Республики Беларусь.

Практическая ценность. Результаты выполненных исследований являются научно обоснованным базисом для возможности применения способов регенерации фильтров скважин с целью: 1) Повышения производительности водозаборов подземных вод; 2) Продления срока службы водозаборных скважин; 3) Уменьшение материальных и энергетических ресурсов за счет проведенных ремонтных и профилактических мероприятий с минимизацией влияния на окружающую среду.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, и содержит 93 страницы текста, 19 рисунка, 15 таблиц и список использованных источников (30 наименований).

ГЛАВА 1

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК ИСТОЧНИК ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Краткий обзор природных условий территории

Особенности рельефа. Беларусь расположена в пределах западной части Русской равнины. Абсолютные высоты варьируют от 80 до 360 м. Средняя высота поверхности около 160 м. Рельеф характеризуется преобладанием плоских и пологоволнистых равнин, речных долин и грядово-увалисто-холмистых комплексов различного размера и конфигурации [15].

Релъефообразующими являются главным образом отложения антропогена, которые представлены собственно ледниковыми (моренными, 52%), флювиогляциальными (31%) и ледниково-озерными отложениями (5%). На генетические типы перигляциальной формации приходится около 7%. Межледниковые и современные аллювиальные, озерные, болотные, эоловые и прочие комплексы составляют всего 5%.

Степень денудационного преобразования, морфологические особенности и возраст рельефа территории республики изменяются в направлении с севера на юг. В северной части развит преимущественно ледниково-аккумулятивный рельеф поозерского оледенения с обилием озер, бессточных котловин, плоских заболоченных низин, окаймленных и разделенных группами холмов с системами краевых гряд.

Для центральной части характерен заметно денудированный, преимущественно ледниково-аккумулятивный рельеф сожского оледенения. Здесь развита система краевых возвышенностей и платообразных равнин, являющихся частью водораздела бассейнов Балтийского и Черного морей. И, наконец, на юге распространен денудированный ледниково-аккумулятивный рельеф сожского и днепровского оледенений.

Облик земной поверхности постоянно изменяется под воздействием как эндогенных, так и экзогенных процессов. В последние десятилетия все большее распространение получают техногенные формы рельефа: карьеры, каналы, отвалы, котловины и т.п.

О масштабе антропогенных преобразований поверхности территории Беларуси можно судить по таким данным: не менее 200 км² занимают карьеры, причем их глубина нередко составляет 10-30, а иногда 50 м и более, протяженность достигает 1,5 км; площадь отвалов в пределах 6-8 км², высота 80-150 м; искусственно террасированная поверхность населенных пунктов охватывает около 5 тыс.км²; площадь дорог превышает 1000 км², на многие тысячи километров протянулись судоходные и осушительные каналы.

Под влиянием техногенеза почти на третьей части территории Беларуси получила развитие плоскостная эрозия: происходит обмеление рек, заиление озер, развиваются овраги, усиливаются эоловые процессы. В районах городских водозаборов и горных выработок формируются просадки грунтов [15].

Климат. Климат Беларуси умеренно теплый, переходный от морского к континентальному (Шкляр, 1973). Господство атлантических воздушных масс обусловливает высокую относительную влажность воздуха, которая в зимний период достигает 85-90%, понижаясь на востоке и в районе возвышенностей до 58-63%, на юге и в центре республики - до 54-55%.

Осадки на территории Беларуси зависят главным образом от характера циклонической деятельности. Ввиду того, что последняя постепенно ослабевает в направлении с северо-запада на юго-восток, количество осадков также убывает в этом направлении, составляя соответственно 600-650 мм и 550 мм в год. На территории низменностей выпадает обычно менее 600 мм, на возвышенностях - более 650 мм. Во влажные годы количество осадков может превышать 1000 мм. Максимум годовых осадков приходится на июль- август (исключая юго-запад, где максимум приходится на июнь), минимум на январь- февраль. Число дней с осадками в Беларуси составляет от 180-194 (в районе возвышенностей и на севере) до 160-180 (к югу и востоку). Наиболее часты осадки зимой и осенью (15-20 дней я месяц), наименее (12-14) - в мае.

Среднегодовая температура воздуха на территории Беларуси изменяется от +8 С в Брестской области до +5 С - в Витебской. Максимальная годовая температура воздуха приходится на июль: от +18 С на севере до +20 С на юге республики, минимальная - на январь: -8 С на севере, -4 С на юге. Абсолютные амплитуды температуры воздуха составляют 70-76 С.

Осень в Беларуси наступает во второй декаде сентября (на северо-востоке) - первых числах октября (на юго-западе), когда среднесуточная температура воздуха устанавливается ниже 10 С. Конец осени, соответствующий появлению устойчивой среднесуточной температуры О С, приходится в северо-восточной Беларуси на середину ноября, на юго-западе - конец ноября. В наиболее холодные годы в ноябре могут ежедневно наблюдаться морозы. В связи с усиливающейся циклонической деятельностью над Атлантикой, по сравнению с летним сезоном, осенью значительно увеличивается облачность и чаще выпадают дожди, хотя количество атмосферных осадков, наоборот, уменьшается. Осенью часты туманы.

Зима в Беларуси наступает в ноябре: на юге - в конце месяца, на севере - в начале. Продолжительность зимы, т.е. периода с температурой воздуха ниже О С, изменяется от 105 дней на юго-западе до 145 дней на северо-востоке. Устойчивый снежный покров устанавливается на большей части территории республики в течение декабря. Средняя температура января от -4 С на юго-западе (Брестская область) до -8,5 С - на северо-востоке (Витебская область). В результате глубокого проникновения в пределы Беларуси морских воздушных масс зимой часто бывают оттепели: в среднем один из трех дней декабря и февраля.

Весна в Беларуси обычно наступает в апреле. Переход среднесуточной температуры воздуха через О С на юго-западе происходит в середине марта. За вторую половину марта- первую половину апреля полностью сходит снег. В конце апреля - начале мая наблюдаются последние заморозки, среднесуточная температура воздуха становится выше 10 С - начинается лето.

Лето в Беларуси - самый продолжительный период года: начинается в первой декаде мая, заканчивается в третьей декаде сентября. Лету свойственны малая облачность и наибольшее число ясных дней. Максимум пасмурных дней наблюдается в районах Минской возвышенности, минимум - в южной части Полесья. Средняя температура июля на юго-востоке составляет более 19 С, на севере - 18 С. На этот сезон года приходится максимальное количество осадков (в среднем 40% годовой суммы) [15] .

Почвы и растительность. Почвенный покров Беларуси формируется под влиянием трех основных факторов: климата, рельефа и состава материнских пород. Известны 4 основных генетических типа почв. Наиболее распространены дерново-подзолистые (более 70%) почвы, которые характеризуются в общем высокой кислотностью, слабой насыщенностью основаниями в верхних горизонтах почвенного профиля, невысоким содержанием гумуса (3-3,5%). По механическому составу и степени оподзоленности дерново-подзолистые почвы неоднородны. Около 8% территории Беларуси занимают суглинистые и глинистые разности, развитые на моренных возвышенностях, иногда на равнинах, сложенных моренными суглинками и глинами. Значительный процент глинистой фракции моренных суглинков определяет их высокую влагоемкость и небольшую водопроницаемость, отчего эти почвы в пониженных участках рельефа заболачиваются. Около 14% площади приходятся на средне- и сильнооподзоленные почвы на лессах и лессовидных суглинках. Они формируются на водораздельных равнинах, сложенных мореной, которая сверху прикрыта пластом лессовидных пород и лессом, часто при глубоком залегании грунтовых вод. Почвы имеют кислую реакцию, низкую степень насыщенности основаниями, небольшое содержание гумуса (до 3%). В силу повышенного содержания пылеватых частиц эти почвы отличаются небольшой связностью и легкой размываемостью атмосферными осадками, что приводит к развитию процессов эрозии на крутых склонах. Около 20% территории республики занимают супесчаные среднеоподзоленные дерновые почвы, расположенные на низменных и возвышенных равнинах. Почвы формируются на моренных отложениях, неоднородны по гранулометрическому составу, что связано с неоднородностью материала почвообразующих пород. Небольшая влагоемкость супесей и хорошая водопроницаемость подстилающих их песков способствуют просачиванию значительной части атмосферных осадков за пределы почвенного профиля.

Песчаные слабо- и среднеоподзоленные почвы занимают около 17% площади республики. Они развиты на моренах, водно-ледниковых, озернотледниковых и древнеаллювиальных песках. Почвы рыхлые, что обусловливает их большую водопроницаемость и незначительную влагоемкость. Песчаные почвы имеют кислую реакцию среды, очень бедны гумусом (до 1%).

Около четверти территории Беларуси занимают торфяно-болотные почвы, которые формируются в условиях болотного процесса при избыточном увлажнении грунтовыми и атмосферными водами. Основная часть торфяно-болотных почв сосредоточена в Брестской, Минской и Гомельской областях. На севере республики преобладают торфяники верхового типа, в центральных и южных районах - низинного. Заболоченность отдельных районов Полесья достигает 40%.

Наименьшую площадь в республике (0,5%) занимают дерново-карбонатные почвы, распространенные небольшими островами среди дерново-подзолистых почв преимущественно в Брестской и Минской областях. Почвы приурочены к положительным формам рельефа и формируются на выходах пресноводных мергелей, из известковых туфов и других рыхлых, обогащенных известняком породах, имеют промывной тип водного режима. Почвы характеризуются зернистой структурой, нейтральной или близкой к ней реакцией, насыщены основаниями, содержат достаточно много гумуса (4-6%).

Для ландшафтов Беларуси характерна высокая залесенность. Леса занимают 7,2 млн га площади республики (около 35%). В естественном состоянии произрастают 28 древесных и более 70 кустарниковых видов. Преобладающие породы (%): сосна (56), береза (16), ольха (11), ель (9), дуб (5), осина (4). Из кустарников наиболее распространены багульник, вересок, жимолость, ивы, калина, лещина, можжевельник, шиповник, черемуха. Крупнейшие лесные массивы расположены в центральной части республики, от Мозыря до Полоцка.

Около 25% территории заболочено. Культурная растительность в республике занимает около третьей части всей территории.

Наибольшая степень распаханности свойственна средней части Беларуси, из культивируемых культур преобладают зерновые [15].

Геологическое строение. Территория Беларуси характеризуется сложным строением, в вертикальном геологическом разрезе принято выделять два структурных этажа: кристаллический фундамент и осадочный чехол [15,22].

Кристаллический фундамент архей-нижнепротерозойского возраста залегает на различных глубинах, от нескольких до 5 - 6 тыс. м. Представлен фундамент метаморфическими породами (гнейсами, амфиболитами, кристаллическими сланцами).

В северо-западной и центральной частях республики расположена крупная тектоническая структура - Белорусский кристаллический массив (Белорусская антеклиза). Осадочный чехол массива сложен верхнепротерозойскими, палеозойскими, мезозойскими, и кайнозойскими отложениями. Мощность осадочного покрова в пределах Белорусской антеклизы изменяется от 80 до 620 м.

Выделяется ряд других, более мелких положительных структур: на юге - северная часть Украинского кристаллического щита; на юго-востоке - Воронежская антеклиза с глубинами залегания фундамента, перекрытого девонскими и более молодыми осадочными отложениями, 300 - 500 м; Микашевичско-Житковичский выступ, расположенный в восточной приподнятой части Полесской седловины. В фундаменте Полесской седловины прослеживается глубинные разломы северо-восточного простирания. Осадочный чехол сложен образованиями рифейского (пинская свита) и вендского комплексов верхнего протерозоя. Докембрийская толща перекрывается отложениями мела, палеогена, неогена и антропогена.

Припятский прогиб - западная часть Припятско-Днепровского-Донецкого палеозойского авлакогена - является крупным отрицательным структурно-тектоническим элементом Русской плиты. На западе прогиба фундамент перекрыт верхнепротерозойскими отложениями, на остальной территории - мощной толщей девонского возраста. Выше по разрезу принимают участие отложения карбона, перми, триаса, юры, мела, палеогена, неогена и антропогена [15,22].

На юго-западе республики расположена Брестская впадина, которая на севере граничит с Белорусской антеклизой, на востоке с Полесской седловиной и в южной части ограничена Лкувско-Ратновским выступом. Кристаллический фундамент впадины погружен до глубин 1,6 - 1,9 км и разбит разломами северо-восточного простирания на отдельные блоки с амплитудами смещения до 100 - 300 м. Фундамент представлен преимущественно отложениями верхнего протерозоя, кембрия, ордовика, силура, юры, мела, палеогена, неогена, и антропогена.

Значительную по площади территорию на северо-востоке Беларуси занимает Оршанская впадина. Глубина залегания фундамента в пределах этой структуры изменяется от 0,7 - 0,8 км до 1,5 - 1,6 км. На кристаллическом фундаменте залегают рифейские и вендские образования верхнего протерозоя мощностью до 1000 и более метров, которые перекрываются отложениями девона и антропогена, а в южной части впадины, кроме того, юрскими, меловыми и палеогеновыми [15,22].

В строении осадочного чехла Белоруссии принимают участие отложения верхнего протерозоя (рифей и венд), палеозоя (кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь), мезозоя (триас, юра, мел), кайнозоя (палеоген, неоген и антропоген) (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Геологическая карта доантропогенных отложений Беларуси.

Верхнепротерозойские отложения почти повсеместно распространены на территории республики. В составе осадочной толщи докембрийских образований выделены верхнерифейский и вендский комплексы. Толща рифея сложена преимущественно красноцветными кварцевыми, полевошпатово-кварцевыми и аркозовыми песчаниками, глинисто-алевритовыми породами общей мощностью 1200 - 1400 м. Рифейские образования перекрываются вендским комплексом отложений, которые представленные красноцветными песчаниками, алеврито-глинистыми породами, а в верхней части глинами, алевролитами, песчаниками с прослоями алевролитов. Мощность вендских отложений достигает 1,5 км.

Кембрийские отложения имеют ограниченное распространение на территории Беларуси и развиты только в юго-западных и северо-западных районах.

В ордовикский период большая часть территории республики была сушей. Отложения ордовика присутствуют лишь на ограниченных площадях в северной и юго-западной зонах. Мощность осадочной толщи ордовикского времени достигает 100 - 200 м.

Отложения силурийской системы на территории республики присутствуют только на северо-западе и в пределах Брестской впадины. Основание силурийского разреза представлено мергельно-глинистой толщей. Отложения верхнего силура представлены мергелями и глинами с прослоями и линзами известняков.

Девонская система представлена образованиями всех отделов и ярусов за исключением зигенского и эмского.

В раннем девоне была образована глинисто-карбонатная толща юго-западного структурно-фациального района. Среднедевонские отложения (витебский, пярнуский, наровский и старооскольский горизонты), представлены разнозернистыми песчаниками, песками, доломитами. Мощность среднедевонских отложений 70 - 300 м. Образования верхнего отдела девона широко развиты на северо-востоке республики и в пределах Припятского прогиба, где они достигают наибольшей мощности - свыше 3500 м. Толща франских отложений представлена песчаниками, алевролитами, глинами, а в верхней части разреза - известняками, доломитами и мергелями. В разрезе фаменских образований задонский, елецкий и петриковский горизонты сложены преимущественно доломитами, известняками, мергелями, а лебедянский, оресский, стрелинский горизонты - каменной солью с прослоями глин, мергелей, песчаников и сульфато-карбонатных пород. Верхняя часть разреза девонских отложений завершается полесским горизонтом, представленной глиносто-мергельной толщей, переслаивающейся песчаниками, известняками, доломитами и горючими сланцами.

Каменноугольная система представлена нижним (туйнейским, визейский и серпуховский ярусы) и средним (башкирский и московский ярусы) отделами. Толща отложений каменноугольного периода сложена песчано-глиностыми и мергельными породами, переслаивающимися с известняками, доломитами и бурыми углями. Мощность отложений карбона изменяется от нескольких метров до 1000 и более метров [15,22].

Пермские отложения распространены в пределах Припятского прогиба, Брестской впадины и южного склона Балтийской синеклизы. В пермское время в Припятском прогибе накапливались глинистые и доломитово-сульфатные осадки ассельского яруса мощностью около 50 м, а затем красно-бурые глины дудичской свиты татарского яруса мощностью до 170 м. Отложения Перми юго-западного структурно-фациального района образовывались в конце нижнего - начале верхнего отделов системы. Эти образования представлены на южном склоне Балтийской синеклизы песками и слобосцементированными песчаниками, а в верхней части разреза - известняками и доломитами с мергельно-глинистыми прослоями. В пределах Подлясско-Бресткой впадины пермь сложена гравелитами, известняками и доломитами каменецкой свиты.

Отложения триаса приурочены в основном к Припятскому прогибу и известны на ограниченной площади территории Брестской впадины. В структуре осадочного чехла Припятской впадины триас представлен нижним (выступовичская, кореневская и мозырская свиты), средним (калинковичская и наровлянская свиты) и верхним (валавская свита) отделами. Разрез нижнего триаса сложен песками и песчаниками, мергельно-глинистыми отложениями и глинами, мощность которых достигает 450 м. Выше залегает толща пестроцветных глин, в различной степени известковистых с прослоями алевролитов, песчаников и гравелитов.

Отложения юры представлены средним и верхним отделами. Наиболее полный разрез юрских отложений вскрыт в пределах Припятского прогиба, где выявлены гравелиты, пески, глины и алевролиты байосского и батского ярусов среднего отдела. Отложения верхней юры развиты значительно шире и известны на юго-востоке и юго-западе республики. толща келловейского яруса песками, известковистыми песчаниками, алевролитами, известняками и мергелями. Выше по разрезу залегают известняки и мергели оксфордского яруса, которые в Припятском прогибе переходят в известковистые глины кимериджа.

Меловые отложения широко развиты в южной части Беларуси и представлены всеми ярусами за исключением берриасского и датского. Нижнемеловое время (валанжин, гетерив, баррем и частично апт) накопление отложений происходило только на юго-востоке республики, где были образованны песчано-алевролитовые и глинистые породы. Затем в апте и Альбе накапливаются континентальные песчано-глинистые отложения. Максимальная мощность нижнемеловых образований достигает 76 м [15,22].

Отложения верхнего мела представлены двумя литологическими толщами: нижней - песчаной, соответствующей нижнему подъярусу сеномата, и верхней - мергельно-меловой. Мощность верхнемеловых отложений на юго-востоке республики достигает 293 м.

Отложения кайнозойской группы распространены повсеместно и представлены всеми тремя системами.

Палеогеновые отложения распространены на юге республики в пределах Припятского прогиба, Полесской седловины, Брестской впадины и южных склонов Белорусского массива. Толща палеогена сложена опоковидными глинами, песками глауконитово-кварцевыми разнозернистыми, преимущественно мелкозернистыми. Завершается разрез континентальными отложениями страцубской и крупейской свит олигоцена, представленных глинами, песками и каолинитовыми песчаниками. Эти отложения встречены только в юго-восточной части республики на территориях Припятского прогиба и Лоевско-Брагинской седловины.

В неогене на территории республики существовали континентальные условия, обусловившие формирование толщи пород аллювиального и озерного происхождения (бриневский и антопольский региональные горизонты миоцена). Для образований неогенового возраста характерен пестрый литологический состав (от песчано-углиностых до углистых отложений), невыдержанность по мощности (от 15 - 35 до 60 м) и простиранию.

Четвертичные отложения развиты на территории республики повсеместно. Для антропогенного периода характерно общее похолодание климата и многократные материковые оледенения. Ледниковые эпохи периодически сменялись межледниковыми. В соответствии с современными представлениями о стратиграфическом расчленении четвертичных отложений, на территории республики выделяются Брестский, Наревский, Беловежский и Березинский горизонты нижнего плейстоцена, Александрийский, Днепровский, Шкловский и Сожский горизонты среднего плейстоцена, Муравинский и Позерский горизонты верхнего плейстоцена. Разрез четвертичных отложений завершаются осадочными образованиями голоцена [15,22].

Отложения этого периода представлены осадочными породами различных генетических типов и фракций ледниковой и межледниковой формации. Широкое развитие получили мощные толщи ледниковых и водоледниковых отложений (моренные супеси и суглинки, лимногляциальные алевриты, суглинки и глины). Меньшее значение в разрезе имеют эоловые, пролювиальные, озерные, болотные образования, а элювиальные и делювиальные осадки играют подчиненную роль.

В целом, отложения антропогенной системы характеризуются сложностью строения и условий залегания, отличаются значительной пестротой гранулометрического, петрографо-минералогического и вещественного (химического) состава.

1.2 Водоносные горизонты и комплексы как источник водоснабжения

Источником подземных вод являются различные по распространению, мощности, литологическому составу, водообильности и возрасту водоносные горизонты и комплексы, от четвертичных до верхнепротерозойских.

Наиболее широко эксплуатируется водоносный комплекс антропогенных отложений. На эту толщу приходится около 65 % ресурсов пресных вод и до 45 % общих эксплуатационных запасов подземных вод Беларуси.

Водоносный комплекс четвертичных отложений почти повсеместно распространен на территории республики, во многих районах является основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения (рис. 1.2).

Относительно неглубокое залегание подземных вод и их высокое качество позволяют широко использовать водные ресурсы этих отложений в водоснабжении. В целом по республике, глубина залегания водоносных пород четвертичных отложений изменяется от нескольких до 100 - 150 и более метров.

Комплекс представлен горизонтами современных аллювиальных, озерно-аллювиальных и болотных отложений, а также водоносными толщами моренных и межморенных образований. Наиболее интенсивно используются горизонты, залегающие между днепровской и сожской моренами, березинско-днепровские межморенные отложения, воды спорадического распространения, содержащиеся в моренных и краевых образованиях московского оледенения. Подземные воды этих горизонтов эксплуатируются скважинами, число которых достигает 85 % от их общего количества, пробуренных с целью освоения антропогенного водоносного комплекса.

Рис. 1.2 Схема распространения водоносных комплексов кайнозойского возраста.

Водовмещающие породы представлены песками различного гранулометрического состава, нередко с включением гравия, гальки и валунов. Разделяющие отдельные водоносные горизонты отложения представлены супесями и суглинками мощностью от нескольких до 20 - 30 м и более. Во многих местах водоупорные породы четвертичного комплекса частично или полностью размыты или опесчанены, что, как правило, обеспечивает хорошую гидравлическую связь между разновозрастными горизонтами.

Четвертичные отложения отличаются невыдержанностью по мощности и простиранию, пестротой литологического состава. Эти факторы обуславливают значительные изменения гидрогеологических характеристик отдельных водоносных горизонтов и всего комплекса в целом и пределах ограниченной территории. Удельные дебиты скважин, пробуренных на четвертичные отложения, изменяются от сотых долей до 5 - 10 л/с.

Подземные воды комплекса (за исключением первых от поверхности водоносных горизонтов), как правило, характеризуются хорошим качеством, отвечающим требованиям различных потребителей. Воды обычно гидрокарбонатно-кальциевого состава с общей минерализацией 0,1 - 0,4 г/л.

Водоносный комплекс палеоген-неогеновых отложений широко распространен на юге республики в пределах Припятского, Подляско-Брестского и частично Прибалтийского артезианских бассейнов (рис. 1.1) и связан с полтавской серией неогена, харьковской, киевской, и бучаковской свитами палеогена. Водовмещающими являются разнозернистые пески, преимущественно мелкозернистые, местами глинистые с прослоями мергелей, алевролитов и слобосцементированных песчаников. Мощность водоносной толщи 3 - 50 м.

Водообильность комплекса характеризуется удельными дебитами скважин от 0,001 до 3 л/с, а его фильтрационные свойства определяются коэффициентом фильтрации - от 0,5 до 10 м/сутки.

Свыше 7% от общего числа водозаборных скважин, работающих в республике, пробурено с целью эксплуатации подземных вод палеоген-неогеновых отложений. обладая значительными запасами пресных подземных вод, этот водоносный комплекс является одним из основных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения для районов и многих городов юга республики.

Воды комплекса пресные с минерализацией от 0,1 до 1 г/л относятся к гидрокарбонатно-кальциевому типу. В отдельных случаях скважины вскрывают солоноватые воды гидрокарбонатно-хлоридного и сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатно-кальциевого типов, что, вероятно, объясняется влиянием подземных вод глубоких горизонтов палеозойских отложений, частично разгружающихся по зонам тектонических нарушений в вышележащие горизонты.

Воды меловых отложений связаны с разновозрастными и различными по литологическому составу водоносными горизонтами и комплексами (рис. 1.3). В Припятском артезианском бассейне развиты верхнесеноманские - маастрикские водоносные горизонты, сложенные трещиноватым мелом, мергелями, глауконитовыми песками или песчаниками. Мергельно-меловая толща верхнего отдела системы содержит напорные воды. Уровни воды в скважинах устанавливаются на глубинах до 25 м, в поймах рек иногда отмечаются случаи самоизлива. Удельные дебиты скважин, эксплуатирующие мергельно-меловой комплекс, достигают 7 - 22,2 л/с. Водоносный комплекс альбских и сеноманских отложений сложен преимущественно тонко- и мелкозернистыми песками, реже средне- и крупнозернистыми; при эксплуатации подземных вод достигнуты удельные дебиты скважин до 6,9 л/с.

В южных районах Оршанского артезианского бассейна активно используются воды, заключенные в альб-сеноманских песках и турон-сеноманских мергельно-меловых образованиях, а на западе республики - воды мергельно-меловой толщи верхнего отдела системы, а также альбские, сеноманские и отложения нижнего и верхнего мела.

В связи с отсутствием в толще меловых отложений выдержанных региональных водоупоров все связанные с ним горизонты можно рассматривать как гидравлически связанные. При эксплуатации маломощного (до 5 - 10 м) альб-сеноманского водоносного комплекса отмечается перетекание подземных вод из вышележащих отложений. В целом по республике, использование этого комплекса обеспечивает более 70 % водоотбора от общего количества вод, отбираемых из меловых отложений [15,22].

Рис 1.3 Схема распространения основных водоносных комплексов мезозойского возраста.

Водные ресурсы меловой толщи используются для централизованного водоснабжения крупных водопотребителей, таких как Гомель, Гродно, Брест, а также ряд районный центров. Широкому использованию мелового водоносного комплекса в народном хозяйстве способствует хорошее качество содержащихся в нем вод, которые относятся к гидрокарбонатно-кальциевому типу и имеют минерализацию до 1 г/л. Лишь в отдельных местах, связанных с зонами региональных глубинных разломов, отмечено увеличение минерализации до 6 - 8 г/л.

Верхнее- и среднеюрский водоносный комплекс связан с оксфордскими и бат-келлавейскими отложениями, развитыми в западной и восточной частях республики. водовмещающие породы представлены трещиноватыми, кавернозными известняками и мергелями, реже песчаниками на карбонатном цементе (оксфордский горизонт) и прослоями тонко- и мелкозернистых песков, трещиноватых известняков, мергелей бат-келловея. В целом, комплекс обладает большим запасом подземных вод (преимущественно оксфордский горизонт), однако, значительная глубина залегания отложений существенно снижает возможности использования водных ресурсов. Водообильность оксфордских отложений верхней юры характеризуется удельными дебитами скважин от 0,2 до 2,7 л/с.

Воды комплекса пресные, гидрокарбонатно-кальциевого типа с минерализацией, не превышающей 500 мг/л.

Водоносный комплекс триасовых отложений распространен на ограниченных площадях в западной части Подлясско-Брестского бассейна и на юго-востоке республики. Комплекс сложен переслаивающимися глинистыми породами и песками, песчаниками и мергелями. В народном хозяйстве водоносный комплекс не используется из-за больших глубин залегания, повышенной минерализации воды и низкой водообильности.

Пресные воды палеозойских горизонтов и комплексов распространены преимущественно в отложениях девона и в меньшей степени силура, ордовика и кембрия (рис. 1.4).

Водоносные комплексы пермских и каменноугольных отложений развиты в пределах Припятской и Брестской вподин, залегают на больших глубинах и содержат минерализованные воды. В силу указанных причин эти комплексы не используются для водоснабжения.

Водоносный комплекс девонских отложений является основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения на северо-востоке Беларуси. Наиболее водообильными в девонской толще являются франско-фаменские отложения, представлены известняками и доломитами, в различной степени трещиноватыми и кавернозными, с незначительными по мощности прослоями песков и песчаников. Карбонатные отложения этого комплекса перекрываются песчано-глинистыми антропогеновыми образованиями, а в подошве залегают глины и алевролиты ланского горизонта. Неоднородная трещиноватость водовмещающих пород комплекса определяет различие фильтрационных свойств отложений. Зоны повышенной проницаемости, как правило, развиты на участках, примыкающих к долинам рек. На участках разведанных водозаборов проводимость водовмещающих пород изменяется от 430 до 1000 м² /сут [15,22].

Рис 1.4 Схема распространения основных водоносных комплексов палеозойского возраста.

Комплекс карбонатных отложений верхнего девона обладает высокой водообильностью. Удельные дебиты скважин, его эксплуатирующих, составляют 0,1 - 6,3 л/с, достигая 33 л/с в местах высокой кавернозности отложений. Водоносный комплекс франко-фаменских карбонатных отложений полностью залегают в зоне активного водообмена и содержит пресные воды с минерализацией 0,13 - 0,62 г/л, которые относятся к гидрокарбонатно-кальциевому и относятся к гидрокарбонатно-кальциево-магниевому типам. Подземные воды комплекса служат основой централизованного водоснабжения г. Витебска, других городов и крупных населенных пунктов, а также используются для удовлетворения нужд сельского хозяйства [15,22].

Широким распространением на севере, северо-востоке и востоке республики используется водоносный комплекс старооскольских и ланских отложений, водовмещающие породы которого представлены преимущественно песками и песчаниками, переслаивающимися с глинисто-алевролитовыми отложениями. Мощность песчаных частей разреза изменяется от 15 до 35 м, достигая в отдельный случаях 90 м и более. Комплекс представлен гидравлически связанными водоносными горизонтами и слоями. Обычно воды напорные, в долинах рек сомоизливающиеся. Фильтрационные свойства комплекса характеризуются удельными дебитами скважин до 6,5 л/с и коэффициентом фильтрации от 0,1 до 24 м/сут. Воды пресные, с минерализацией 0,16 - 0,54 г/л, гидрокарбонатно-кальциевые и гидрокарбонатно-кальциево-магниевые. В районе г. Полоцка отмечено изменение химического состава вод и локальное повышение минерализации до 0,7 - 1 г/л и более.

Водоносный комплекс пярнуско-наровских отложений сложен трещиноватыми карбонатными породами с прослоями глин, песков и песчаников. Воды комплекса напорные, в пониженных участках рельефа (долина р. Западная Двина) сомоизливающиеся. водообильность отложений невысокая, величина коэффициента фильтрации не превышает 5 м/сут. Химический состав вод сложный - от пресный гидрокарбонатно-кальциевых в пределах зоны активного водообмена Прибалтийского и Оршанского артезианских бассейнов, до хлоридно-натриевых рассолов с минерализацией до 65 г/л в погруженных участках Оршанской впадины.

Из девонских водоносных отложений отбирается около 20 % подземных вод, потребляемых народным хозяйством республики.

Водоносный комплекс ордовикских и силурийских отложений распространен в пределах Подлясско-Брестского и Прибалтийского бассейнов. Водовмещающие породы представлены преимущественно трещиноватыми и кавернозными известняками, доломитизированными известняками, доломитами и мергелями с маломощными прослоями песков и песчаников. Значительная минерализация воды (до 5 г/л) и глубина залегания комплекса в Подлясско-Брестском бассейне ограничивают возможности его использования.

В северной части Гродненской области на территориях Островецкого, Ошмянского, Сморгонского районов, водоносный комплекс ордовикских и силурийских отложений является одним из основных источников водоснабжения. Воды гидрокарбонатно-кальциевые или гидрокарбонатно-кальциево-магниевые. Минерализация 0,2 - 0,5 г/л. Удельные дебиты скважин изменяются от 0,07 до 1,7 л/с [15,22].

Кембрийский водоносный комплекс развит на западе Беларуси. Водовмещающими породами являются пески и песчаники с прослоями алевролитов и глин. Комплекс отличается достаточно высокой, но неравномерной водообильностью. Глубина залегания кровли колеблется 80 - 270 м, удельные дебиты скважин, пробуренных на кембрийские отложения составляют 0,05 - 5,5 л/с. Воды пресные, гидрокарбонатно-кальциево-магниевые. С увеличением глубины залегания комплекса минерализация вод возрастает, а химический состав изменяется до хлоридно-натриевого.

Водоносный комплекс верхнепротерозойских отложений распространен на значительной части территории республики, за исключением районов поднятия кристаллического фундамента, где эти отложения размыты, а также структур с большой глубиной залеганий отложений (Припятская, Брестская, Оршанская впадины), где воды протерозоя высоко минерализованы и не могут быть использованы в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Комплекс сложен песчаниками с прослоями аргиллитов, алевролитов, песков и глин. Комплекс широко развит в зонах активного и замедленного водообмена, в связи с чем верхнепротерозойские водоносные отложения имеют важное значение для водоснабжения в краевых частях артезианских бассейнов. Отсутствие выдержанных региональных водоупоров между верхнепротерозойскими вышележащими отложениями обуславливает наличие гидравлической связи между ними, что в ряде случаев позволяет рассматривать толщу верхнепротерозойских, девонских и меловых образований как единый водоносный комплекс (рис. 1.5).

Верхнепротерозойские отложения неоднородны по водообильности: удельные дебиты скважин изменяются от 0,1 до 30 л/с.

Эксплуатационные ресурсы комплекса активно используются в народном хозяйстве, составляя до 8 % общей величины эксплутационных запасов пресных подземных вод республики.

В целом для Беларуси характерна хорошая обеспеченность подземными водами, которые формируются главным образом путем инфильтрации атмосферных осадков. затруднения в водоснабжении за счет подземных источников возможны лишь в районах интенсивного водоотбора, прежде всего вблизи крупных городов [15,22].

Пресные подземные воды развиты в зоне активного водообмена до глубины 300 - 400 метров и несколько глубже. Качество подземных вод всех горизонтов, как правило, соответствует требованиям СанПиН 10124 РБ 99 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Исключение составляют свойственные им повышенные содержания железа и недостаточное количество фтора.

Рис. 1.5 Схема распространения основных водоносных комплексов протерозойского возраста.

1.3. Анализ систем водоснабжения из подземных источников в Беларуси

Общая характеристика. Население Беларуси составляет 10,1 млн. человек, из которых 70 % -городское население, проживающее в 102 городах и 110 поселках городского типа, и 30% - сельское, - в 24297 сельских населенных пунктах.

В Республике имеется 13687 источников централизованного питьевого водоснабжения, из них 13863 - подземные и 4 поверхностные, а также 519673 источника нецентрализованного водоснабжения. Более 77% населения пользуются водой централизованных и около 22% - нецентрализованных источников водоснабжения [11].

Системы централизованного водоснабжения 100 городов, 78 поселков городского типа, 137 сельских населенных пунктов обслуживаются коммунальными предприятиями, а 20 городов и 28 поселков городского типа -- предприятиями промышленности и железной дороги.

Основным источником централизованного водоснабжения населения Беларуси являются подземные воды, лишь в Минске, Гомеле, Гродно и Полоцке для питьевого водоснабжения частично используется вода из поверхностных источников.

Системы централизованного питьевого водоснабжения, находящиеся на балансе сельскохозяйственных предприятий, имеются лишь в 4904 сельских населенных пунктах (20% от общего числа).

Водообеспечение около 90% сельского населения (2,8 млн. чел.) базируется на использовании шахтных колодцев, незащищенных от возможного загрязнения грунтовых вод.

До настоящего времени нет бесперебойного круглосуточного водоснабжения в ряде городов (Борисов, Солигорск, Пинск, Мозырь, Петриков, Рогачев, Калинковичи и др).

Более 50% централизованных систем питьевого водоснабжения не имеют сооружений подготовки воды до питьевых кондиций.

Фактическое состояние сетей и сооружений водоснабжения и водоотведения и техническая политика в части налаживания забора, подачи и учета потребления при планировании перспективного развития систем питьевого водоснабжения практически не ведется.

Износ основных фондов систем водоснабжения населенных мест превышает 50 процентов и подходит к критическому [11].

Подземные источники водоснабжения. Подземные воды характеризуются в основном благоприятными условиями формирования естественных ресурсов, обеспеченных инфильтрацией атмосферных осадков. Естественные ресурсы подземных вод оцениваются в 43560 тыс. м³/сутки.

По состоянию на 1.01.99 г. на территории республики разведано 243 месторождения и участка подземных вод, по которым утверждены эксплуатационные запасы подземных вод в количестве 6643,72 тыс. м³/сут. На базе утвержденных запасов работает 132 групповых водозабора для водоснабжения 73 городов, промышленных центров и крупных населенных пунктов [11].

Суммарный водоотбор из подземных источников по этим водозаборам в 1999 г. составил 1857,3 тыс. м³/сут. Общий водоотбор по республике подземных вод в 1998 г. составил 2992,5 тыс. м³/сут. Степень использования разведанных эксплуатационных запасов в целом по республике составляет 28%.

Значительное количество (109) разведанных месторождений пресных подземных вод с общими эксплуатационными запасами 2067,3 тыс. м³/сут. (что составляет 31 % от утвержденных по республике запасов) не освоено [11].

Водозаборные сооружения. Добыча подземных вод в республике для централизованного водоснабжения городов и поселков, обслуживаемых коммунальным водным хозяйством, осуществляется 2750 водозаборными скважинами.

В сельской местности Беларуси насчитывается порядка 35 тыс. скважин (по данным ГО «Трест Промбурвод»), из которых менее 5% используется для питьевого водоснабжения сельского населения. Большинство скважин не отвечает санитарно-техническим требованиям эксплуатации, около 40% находятся в нерабочем состоянии, специализированных служб по эксплуатации не имеется. Аналогичная ситуация наблюдается в других ведомствах.

Многочисленные скважины, пробуренные для новых индивидуальных застроек (по прогнозам их не менее 1,5 тыс.), не зафиксированы в официальных системах учета.

Производительность действующих водозаборов по отношению к паспортным данным составляет по коммунальным скважинам в среднем, в том числе по областям: Брестская-75%, Витебская - 61%, Гомель-79%, Гродненская - 88%, Минская - 70%, Могилевская - 75%. В сельских и ведомственных водозаборах этот процент составляет порядка -35 процентов. В то же время процент использования утвержденных запасов на водозаборах составляет порядка 50 % [11].

ГЛАВА 2

КОЛЬМАТАЖ ФИЛЬТРОВ КАК ФАКТОР, ВЛИЯЮЩИЙ НА СНИЖЕНИЕ ИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Термин кольматаж (от французского colmatage - закупорка, засорение, естественная цементация) используется для объяснения причин снижения фильтрационных характеристик водовмещающих пород и фильтрующих элементов водозаборных сооружений. В зарубежной литературе термин «кольматация» применяется для обозначения процесса механического осаждения частиц в поровом пространстве, а для обозначения химического осаждения различных минеральных соединений используется термин инкрустация (от англ. incrustation - образование корки, кора, плотное отложение) [22].

Эффективность работы фильтров водозаборных скважин значительно зависит от кольматационно - суффозионных процессов на контактах каркас фильтра - порода, гравийная обсыпка - порода и каркас фильтра - гравийная обсыпка. В ходе зксплуатации скважин в большинстве случаев наблюдается снижение их производительности, обусловленное отложением в отверстиях фильтров, порах гравийной обсыпки и водоносных породах осадков физико - химического и биологического происхождения (рис. 2.1). Сущность этих процессов необходимо знать как для разработки методов подбора и расчета фильтров, так и для формулирования рекомендаций по поддержанию стабильного дебита скважин во времени за счет применения комплекса профилактических мер и ремонтных работ.

Прямым следствием кольматажа является увеличение скоростей фильтрации, рост входных гидравлических сопротивлений и снижение притока воды к скважине. Процесс кольматообразования протекает на различных этапах работы водозаборных сооружений, в разнообразных геологических и гидрогеологических условиях, а его интенсивность и характер изменяются во времени и пространстве.

Различают три вида кольматажа: механический, химический и биологический.

Рис. 2.1. Закольматированный а) провольчный и б) щелевой фильтры, извлеченные из водозаборных скважин водозабора «Неманица» г. Борисова.

2.1 Механический кольматаж фильтров и прифильтровых зон скважин и меры по его предупреждению

Механические формы кольматации активно появляются на этапе сооружения водозаборной скважины. При вскрытии или проходке водоносного горизонта вращательным способом с прямой промывкой образуются зоны кольматации пласта, которые связаны с проникновением частиц бурового шлама, глинистого раствора (промывочной жидкости) и фильтрата глинистого раствора. Геометрические размеры зоны кольматации зависят от многих факторов, определяющими среди которых являются: литологичский и механический составы водовмещающих пород, параметры промывочного раствора, перепад давлений в стволе скважины и водоносном горизонте. Различные режимы бурения и условия проходки создают кольматаж рыхлых водовмещающих пород на расстоянии до 10 - 15, реже 100 и более мм от стенок скважин, что тем не менее, существенно влияет на изменение фильтрационных характеристик этой зоны, снижая водопроницаемость в десятки и более раз. Отрицательные последствия механического кольматажа, обусловленного проникновением в пласт технологических продуктов бурения (шлам, компоненты промывочного раствора) могут быть в значительной степени сокращены в случае применения прогрессивных способов вскрытия и освоения водоносного горизонта. Механический кольматаж контактной зоны между гравийной обсыпкой и водовмещающей породой, а также на границе фильтрующей поверхности и прилегающей к ней гравийной обсыпки вызывается заклиниванием отверстий, обеспечивающих фильтрацию [6,4].

При отборе воды из рыхлых песчаных отложений необходимо стремится к созданию естественных фильтров на контакте каркаса фильтра с породой, либо на контакте гравийной обсыпки с породой. Естественные фильтры должны формироваться при непременном песковании скважин, так как только при этих условиях наблюдается сортировка пород по диаметрам фракций и отмывка мелкозернистых частиц, снижающих фильтрационные свойства пород в прифильтровой области [6,4].

...