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].
Пескование, т.е. вымыв и вынос в скважину частиц песка из водоносного пласта, называется механической суффозией. Для возникновения суффозии необходимо выполнения следующих условий: 1) геометрических, определяемых соотношением между частицами фильтра и песка, защищаемого от выноса 2) гидромеханических, определяемых градиентами и входными скоростями фильтрации.
Если частицы песка не проникают сквозь поры гравийной обсыпки, т. е. по геометрическим условиям механическая суффозия невозможна, то любые большие градиенты и скорости фильтрации не могут вызвать пескования скважины.
Для избежания процессов механического кольматажа, следует применять прогрессивные способы бурения скважин (обратная промывка), а также для скважин каптирующих воду из песков предусматривать мощный слой гравийной обсыпки фильтра соответствующих гранулометрического состава и толщины [4].
2.2 Химический кольматаж фильтров и прифильтровых зон скважин и меры по его предупреждению
Опыт эксплуатации водозаборных скважин показывает, что их производительность и дренирующая способность существенно снижаются во времени вследствие зарастания фильтров и прифильтровых зон скважин различными химическими соединениями (рис. 2.1). Эти соединения образуются в результате нарушения химического равновесия в пласте, связанного с действием в нем гидродинамического возмущения. Нарушение химического равновесия обуславливается смещением наиболее динамического газового равновесия, выражающегося в гидролизе бикарбоната железа, окислении закисного железа до трехвалентной формы и избыточном образовании карбонат - ионов с одновременным увеличением рН при удалении свободной углекислоты [6].
В результате нарушения химического равновесия в прифильтровой зоне за счет понижения давления, происходит десорбция свободной углекислоты из подземных вод. При этом интенсифицируется гидролиз бикарбоната железа, в результате чего Fe2+ окисляется до Fe3+ с образованием гидроксида трехвалентного железа Fe(ОН)3, основного кольматирующего соединения [6,3].
Кроме так называемой «свободной» углекислоты, находящиеся в виде растворенного в воде газа СО2 и недиссоциированных молекул Н2СО3, содержится «полусвязанная» углекислота в виде бикарбонатных ионов НСО3, а в некоторых случаях и «связанная» углекислота в виде карбонатных ионов СО32 -. В подземных водах существует динамическое равновесие между различными формами угольной кислоты:
НСО3- - СО32 - +СО2 + Н2О (2. 1)
Из этого уравнения следует, что для поддержания в растворе определенной концентрации бикарбонатных ионов НСО3- требуется, чтобы в воде присутствовало соответствующее этой концентрации количество свободной углекислоты СО2 , называемой равновесной углекислотой [3,1].
Если количество свободной углекислоты больше равновесной концентрации, то избыток способен вызывать растворение карбоната кальция. При недостатке СО2 будет существовать тенденция к распаду части бикарбонатных ионов, т. е. к сдвигу вправо равновесия (2.1). Это приведет к дополнительному образованию СО32 -, которые будут реагировать с присутствующими в подземных водах катионами кальция, с выделением из раствора осадка карбоната кальция в соответствии с уравнением: