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.