Диссертация: Районирование территории Республики Беларусь по применению методов регенерации водозаборов подземных вод

Са²⁺ + СО₃^{2 -} > СаСО₃v (2. 2)

Склонность воды выделять осадок карбоната кальция или растворять его, определяется индексом насыщения, предложенным Ланжелье в 1936 году. Индекс насыщения равняется разнице между замеренной (фактической) и расчетной (равновесной), для данной гидрохимической системы величинами рН [3]:

J = рН - рН _s (2. 3)

Для расчета рН _s И. Э. Апельциным составлена номограмма, в котором рН _s определяется как функция температуры f₁ (t), содержания кальция f₂(Са²⁺), величины щелочности f₃ (Щ) и общего солесодержания f₄ (р):

рН _s = f₁ (t) + f₂(Са²⁺) + f₃ (Щ) + f₄ (р) (2. 4)

Если рН > рН _s , то вода склонна к выделению карбоната кальция, а при рН < рН _s вода способна растворять карбонат кальция.

Индекс Ланжелье не является объективным показателем стабильности воды, так как различные растворы, характеризующиеся одинаковым индексом Ланжелье, могут значительно отличатся по величине кислотности (щелочности).

Более объективную оценку условий стабильности раствора дал Ризнер в 1944 году. Индекс стабильности по Ризнеру определяется по формуле:

Ri = 2рН _s - рН (2. 5)

Установлено, что при Ri < 7,0 воды всегда склонны к выделению кольматирующих образований [6].

Для оценки возможности кольматации солями жесткости и железистыми соединениями были определены, для условий коммунального водоснабжения Беларуси [16,17,18] и отдельно г. Минска, следующие параметры: рН, рН _s, показатель Ризнера (Ri) и индекс насыщения (J) (табл. 2.1). Для наглядности расчетные данные показателя Ризнере по водозаборам республики приведены на рис. 2. 2.

Подземные воды, приуроченные к верхним мелам К₂ср, верхнему девону D₃ fr имеют положительный индекс насыщения и относительно низкий показатель Ризнера (6,5 - 7,5). Такие воды способны откладывать на фильтрах скважин соли жесткости. Согласно шкале Ризнера [22] воды не коррозионны.

Эти воды эксплуатируют водозаборные скважины городов Витебска, Гордка, Дубровно, Орши, Лиозново, Костюковичей и др. в восточной части республики.

Отрицательные значения индекса насыщения характерны для центральной, западной и южной части республики. Такие воды способны растворять карбонатные отложения (величина рН ниже рН _s, избыток в растворе углекислоты ).

Причем для южной части республики характерны максимальные значения показателя Ризнера: согласно шкале Ризнера воды коррозионны в высокой степени - «красная вода». Высокие показатели Ризнера характерны для водозаборов городов Лельчицы, Житковичи, Наровля, Калинковичи и др. (рис. 2. 2).

Таблица 2. 1

Значения показателей Ризнера и Ланжелье для областных городов Республики Беларусь и водозаборов

Рис. 2.2 Расчетные значения показателя Ризнера по водозаборам Республики.

Примечание: цифры - среднеарифметические значения показателя Ризнера.

Для водозаборов г. Минска индекс насыщения J в изучаемой воде находится в пределах -0,65 ч +0,39, показатель Ризнера колеблется от 7,12 до 8,76 (табл. 2. 1). При таких значениях индекса насыщения и показателя Ризнера воды способны кольматировать фильтры и прифильтровые зоны скважин главным образом соединениями железа и в меньшей степени солями жесткости. Это подтверждается исследованиями состава кольматирующих отложений [13].

Для анализа химического состава кольматирующих соединений были отобраны образцы кольматирующих осадков, в основном с погружных насосов, водоподъемных труб [5,16,17,18,19,20,21]. Часть образцов (водозабор «Новинки » скв. №1, 6, 29, 34, 35; водозабор «Боровляны» скв. №27, водозабор «Зеленовка» скв. №3; водозабор «Дражня» скв. № 20; водозабор «Головной», г. Речица скв. № 19) взяты при реагентной обработке скважин. Результаты анализа даны в таблице 2.2.

Результаты химического анализа показали, что основными составляющими образцов являются оксиды железа (40 - 70%) и кальция (3 - 38%)(рис. 2.3). Им сопутствуют в небольших количествах оксиды фосфора, алюминия, магния и марганца, распределение которых приведено на рис. 2.4. Содержание оксида серы в некоторых случаях достигает 10 - 17%. Это в основном сульфидная сера, присутствующая в образцах, содержащих сульфиды железа.

Железистая составляющая представлена лимонитом, гетитом, гидрогетитом, маркизитом и свободными оксидами железа.

Кальций откладывается в виде карбонатных солей. Карбонатная составляющая представлена доломитом и кальцитом.

Присутствующие в образцах кольматанта сульфиды железа можно рассматривать как продукт жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий.

Значения коэффициентов корреляции, между параметрами химического состава кольматанта, представлены в таблице. 2.3. Таблица 2.2

Химический состав кольматанта скважин территории Беларуси

Рис. 2. 3 Состав кольматирующих образований водозаборных скважин.

Основные компоненты:

1 - окись железа (Fe₂ O₃) - 60,4 %;

2 - потери при прокаливании - 18,6 %;

3- окись кальция (Ca O) - 10 %;

4 - закись железа (Fe O) - 5 %;

5- силикаты (Si O₂) - 2 %;

6 - окись фосфора (P₂ O₅) - 2 %;

7 - окись алюминия (Al₂ O₃) - 1 %;

8 - окись магния (Mg O) - 0,5 %;

9 - окись марганца (Mn O₂) - 0,5 %;

Рис. 2.4 Диаграмма распределения содержания окислов в кольматирующих образованиях: а) железа б) закисного железа в) алюминия г) кальция д) магния е) марганца.

Таблица 2.3

Значения коэффициентов корреляции для химического состава кольматанта

Профилактические мероприятия, позволяющие несколько снизить интенсивность процессов химического кольматажа, следует предусматривать как при конструировании скважин, так и в процессе их работы.

При эксплуатации скважин в водоносных горизонтах с подземными водами, склонными к выделению кольматирующих образований, следует избегать неравномерности режима эксплуатации, в результате которого происходит аэрация подземных вод, надежно герметизировать устья скважин, исключать использование эрлифтных водоподъемников, проверять работу обратных клапанов погружных насосов с тем, чтобы предотвратить поступление аэрированных вод в интервал установки фильтра, и самое главное, необходимо предусматривать регулярную регенерацию скважин на основе прогноза снижения их производительности [6].

2.2.1 геохимическая характеристика подземных вод зоны активного водообмена как среды кольматаобразования

Пресные подземные воды Республики Беларусь развиты в зоне интенсивного водообмена на глубинах от нескольких до 300 - 400 метров относительно земной поверхности. Инфильтрация вод в толщу земной коры наиболее активно осуществляется на участках, приуроченных к орогидрографическому водоразделу Балтийского и Черного морей (Минская, Новогрудская, Волковысская и другие возвышенности). Прослеживается гидрохимическая зональность, проявляющаяся в закономерной смене типа вод по мере увеличения глубин залегания водоносных горизонтов от гидрокарбонатно-кальциевых и гидрокарбонатно-кальциевых-магниевых до сульфатно-кольциевых, сульфатно-натриевых в глубоко залегающих высокоминерализованных водоносных горизонтах. В районах городов Полоцка, Бобруйска, Глуска, Петрикова, Речицы, Слуцка на отдельных участках зоны активного водообмена существующая зональность нарушается присутствием вод повышенной минерализации, связанных с подтоками из глубоко залегающих водоносных горизонтов по тектоническим разломам. В целом, в условиях достаточно высокой промытости первых от поверхности водоносных горизонтов, формируются относительно однотипные по составу пресные гидрокарбанотно - кальциевые воды, общее солесодержание (минерализация) которых варьируется от 150 - 200 до 600 - 700 мг/л [22].

Элементный состав питьевых подземных вод республики сложен, а его изучение представляет большой практический интерес как из санитарно - гигиенических соображений, так и в связи с активной ролью отдельных химических компонентов в процессах кольматообразования. Для выяснения природы и характера этих процессов представляет интерес оценка следующих физико-химических параметров вод: концентрация и формы железа, кальция, магния, алюминия, кремния, сульфатов, хлоридов, водорастворенного органического вещества, свободной углекислоты, а также щелочнокислых и окислительно-восстановительных условий.

Качество подземных вод характеризуется по данным химического анализа, полученным в УП «Водоканал» областных городов республики и г. Минска [16,17,18].

Для централизованного хозяйственно - питьевого водоснабжения территории Республики Беларусь используются подземные воды от четвертичных до верхнепротерозойских водоносных горизонтов, литологически представленных преимущественно песчано- гравийными отложениями, известняками, доломитами, песчаниками. Водоносные горизонты и комплексы, содержащие гидрокарбонатные кальциевые воды с минерализацией от 200 до 800 мг/л, распространены, как правило, до глубины 200 - 300 м.

Использующиеся в народном хозяйстве республики подземные воды отличаются высоким качеством за исключением повышенного содержания железа.

Реакция среды (рН) исследуемых вод лежит в пределах от 7 до 8,2. Содержание марганца колеблется от 0,05 до 0,55 мг/л. В анионном составе преобладают гидрокарбонат - ионы (НСО₃^-), сульфат ионы (SO₄ ^2-), хлориды в незначительном количестве, за исключением некоторых случаев (г. Орша водозабор «Южный», г. Минск водозабор «Новинки»).

При рассмотрении вертикальной зональности химического состава подземных вод на территории республики, можно отметить рост концентрации гидрокорбонат-иона с глубиной. Вместе с тем наблюдается сокращение в водах иона SO₄ ^2-. Этот процесс связан с восстановлением сульфат - иона с помощью сульфатредуцирующих бактерий, активно действующих в условиях обычно свойственных подземным водам (рН = 4 - 10,5, температура от 0до 80⁰С ).

Напорные воды неоген - палеогенового комплекса Беларуси имеют величину общей минерализации в среднем 100 - 250 мг/л и характеризуются незначительным содержанием сульфатов и часто присутствием сероводорода. Сероводород, выделяющиеся при реакции восстановления сульфатов, может взаимодействовать с растворенным в воде железом с образованием сульфидов по схеме: