АНАЛИЗ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ДНЕПРОВСКИХ МОРЕННЫХ СУПЕСЕЙ И СУГЛИНКОВ, ПАЛЕОГЕНОВЫХ АЛЕВРИТОВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ОТВАЛОВ ФОСФОГИПСА

Прилуцкая Дарья Игоревна

студент 2 курса, кафедра геологии и разведки полезных ископаемых ГГУ, г. Гомель

E-mail: igorprilutsky@mail.ru

Прилуцкий Игорь Олегович

научный руководитель, зам. декана геолого-географ. ф-та ГГУ, г. Гомель

Анализ защитных свойств днепровских моренных супесей и суглинков, палеогеновых алевритов в зоне влияния отвалов фосфогипса ОАО «Гомельский химический завод» является частью локального мониторинга подземных вод, осуществляемого при участии сотрудников и студентов кафедры геологии и разведки полезных ископаемых УО «ГГУ им. Ф. Скорины». В рамках реализуемого проекта в пределах санитарно-защитной зоны используется система скважин режимных наблюдений (рисунок 1).

В ходе исследования в 80—90 гг. XX в. (Жогло В.Г., Акулевича А.Ф., Журавля Н.А.) установлено, что в пределах санитарно-защитной зоны ОАО «Гомельский химический завод» сформировался поток подземных вод междуречного типа, состоящий из 5 водоносных горизонтов и 4 слабопроницаемых слоев. Питание подземных вод происходит на большей части территории в основном за счет атмосферных осадков, разгрузка — в поймах рек Рандовки, Мильчанской канавы (система р. Сож). Существенную роль в водообменных процессах занимают слабопроницаемые слои между грунтовым и подморенным водоносными горизонтами (днепровская морена) и между подморенным и палеогеновым водоносными горизонтами (алевриты палеогена).

Защитная роль слабопроницаемых слоев проявляется в двух аспектах:

1.  они снижают скорость водообменных процессов по вертикали;

2. за счет сорбции и осаждения солей в порах части химических веществ снижается концентрация загрязнителей в жидкой мобильной фазе.

Рисунок 1. Расположение режимной сети наблюдений за состоянием подземных вод Гомельского химического завода
1 — Промплощадка ОАО «ГХЗ», 2 — Контуры промышленных отходов, 3 — Санитарно-защитная зона, 4 — Поверхностные водные объекты, 5 — Гидрогеологическая скважина и ее номер, 6 – Колодец; Срок ввода пункта наблюдения (год): 7 — 1981, 8 — 1982, 9 — 1984, 10 — 1987, 11 — 1988, 12 — 1989, 13 — 1995, 14 — 1997, 15 — 2005, 16 — 2007; 17 — Законсервированные скважины; 18 — Скважины, выведенные из режимной сети

Для оценки водообменных процессов мы опирались на методику И.К. Гавич, которая предложила использовать коэффициент водообмена между водоносными горизонтами [5, с. 41]. В связи с этим для двух гидравлически связанных пластов коэффициент водообмена был представлен как:

                                                    (1)

при                                ;                                                       (2)

где  — расход фильтрационного потока связанный с перетеканием в основной водоносный пласт через разделяющий слабопроницаемый слой;

 — расход потока связанный с движением жидкости по основному пласту, для которого рассчитываются балансовые соотношения;

 — параметр перетекания для двухпластовой системы;

 — средняя величина водопроводимости и разности уровней воды на участке основного пласта длиной ;

 — средние коэффициент фильтрации и мощность разделяющего слабопроницаемого слоя;

 — средняя разность уровней основного и соседнего водоносных горизонтов, из которых идет перетекание на участке длиной .

В зависимости от величины коэффициента водообмена пласты при схематизации приводят к четырем типам расчетных схем или моделей:

·     с горизонтальным водообменном, ;

·     с горизонтально-вертикальным водообменном, >>;

·     с вертикально-горизонтальным водообменном, > > ;

·     с активным вертикальным водообменом, .

На основе ранее построенных карт уровенных поверхностей грунтового, подморенного и палеогенового водоносных горизонтов [2], с использованием гидродинамических параметров, полученных Союзводоканалпроектом в 1989—1990 гг. [1], А.Ф. Акулевичем [3, 4], а также параметров перетекания между горизонтами, определенных В.Г. Жогло методом моделирования [6], нами проведен расчет коэффициентов водообмена на участках кустов скважин (таблицы 1, 2).

Расчеты показывают, что вертикальный водообмен с глубиной затухает и для палеогенового водоносного горизонта характерно преимущественное горизонтальное движение подземных вод.

Таблица 1.

Расчет коэффициента водообмена между грунтовым и подморенным водоносными горизонтами*

* Расшифровка условных обозначений в тексте (см. формулы 1, 2)

Таблица 2.

Расчет коэффициента водообмена между подморенным
и палеогеновым водоносными горизонтами*

* Расшифровка условных обозначений в тексте (см. формулы 1, 2)

Для подморенного водоносного горизонта присуща мозаичная картина интенсивности фильтрационных потоков (таблица 1), что согласуется с мозаичным распределением загрязнения в подморенном и грунтовом водоносных горизонтах.

Для изучения защитной роли днепровской морены с точки зрения физико-химических процессов происходящих в слабопроницаемых грунтах, содержащих большое количество глинистых материалов нами организован длительный эксперимент с моренной супесью (монолит № 4). В лаборатории, путем состругивания ножом, монолиту была придана цилиндрическая форма диаметром 9 см и высотой 12 см. Образец был помещен в пластмассовую трубу 12 см внутренним диаметром 10,3 см и толщиной стенок 3 мм. Для создания гидроизоляции кольцевое пространство между поверхностью монолита и стенкой трубы заливалось перегретым парафином. Подача индикаторного раствора осуществлялась сверху. Сборник профильтровавшейся жидкости располагался под монолитом (рисунок 2).

Рисунок 2. Опыт по изучению просачивания индикаторного раствора через монолит днепровской морены в лаборатории гидрогеохимических исследований

УО «Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины»

В качестве индикаторного раствора использованы кислые стоки, отобранные у подножия свежеотсыпанного отвала фосфогипса в окрестностях скважин 5^А, 5^Б (рисунок 1). В центральной заводской лаборатории ОАО «Гомельский химический завод» проведено определение химического состава индикаторного раствора и профильтровавшегося через монолит раствора. Кроме того, нами определялись объем фильтрата в каждой пробе, время фильтрации и значения уровней воды на входе и выходе из монолита, что позволило рассчитать коэффициенты фильтрации на каждом этапе эксперимента, продолжающегося 4 года (таблица 3).

Можно отметить, что в ходе эксперимента, по мере нарастания объема профильтровавшегося через монолит раствора коэффициент фильтрации закономерно снижался от 7,294 см/сут в начале эксперимента, до 0,024 см/сут к маю 2012 г., т. е. уменьшился на 2 порядка, что связано с перестройкой структуры монолита, уменьшением порового пространства и, возможно, с осаждением солей. В целом это приводит к снижению проницаемости днепровской морены. Из-за малого числа химических анализов фильтрата трудно оценить физико-химические процессы, однако можно отметить, уменьшение фосфора фосфатного и фтор-иона в фильтрате после длительного процесса просачивания жидкости через монолит (таблица 3).

Таблица 3.

Результаты исследования проб воды профильтровавшейся через монолит № 4

Интегральная оценка защитных свойств слабопроницаемых отложений была определена по коэффициенту ослабления загрязнения Ко, который рассчитывается как отношение концентрации исследуемого компонента в вышележащем над слабопроницаемыми отложениями водоносном горизонте к концентрации этого компонента в нижележащем водоносном горизонте в исследуемой точке:

,                                                           (3)

где  — концентрация исследуемого компонента в вышележащем водоносном горизонте;

 — концентрация исследуемого компонента в нижележащем водоносном горизонте;

 — фоновая концентрация исследуемого компонента в вышележащем водоносном горизонте;

 — фоновая концентрация исследуемого компонента в нижележащем водоносном горизонте.

Расчеты коэффициента ослабления загрязнения для удобства проведены для ярусных кустов скважин, расположенных по центральной оси отвалов фосфогипса (кусты скважин 7, 7^А, 7^Б; 19 19^А, 19^Б; 51, 5^А, 5^Б — рисунок 1), принимая, что боковой приток и отток загрязнения здесь минимальный. Результаты представлены в таблицах 4, 5, 6.

Таблица 4.

Расчеты коэффициента ослабления загрязнения  для куста скважин 51, 5^А, 5^Б

* данные не позволяют корректно выполнить расчеты;

∞ — загрязнение в горизонте отсутствует, т. е. полностью задерживается вышележащими отложениями

Таблица 5.

Расчеты коэффициента ослабления загрязнения  для куста скважин 7, 7^А, 7^Б

* данные не позволяют корректно выполнить расчеты;

∞ — загрязнение в горизонте отсутствует, т. е. полностью задерживается вышележащими отложениями

Таблица 6.

Расчеты коэффициента ослабления загрязнения  для куста скважин 19, 19^А, 19^Б

* данные не позволяют корректно выполнить расчеты;

∞ — загрязнение в горизонте отсутствует, т. е. полностью задерживается вышележащими отложениями

Анализ таблиц показал, что наиболее представительные данные имеются по иону аммония, сульфат-иону и сухому остатку. Моренные супеси и суглинки наиболее активно поглощают (вплоть до полного поглощения) ион аммония, фосфат-ион, алюминий, фторид-ион. Сульфат-ион и связанный с ним сухой остаток, хлорид-ион слабо задерживается днепровской мореной и в достаточной степени задерживается алевритами палеогена, причем задерживающая способность толщи алевритов выше в районе нового отвала (куст скважин 5) и ниже в районе старых отвалов (кусты скважин 7 и 19).

Таким образом, в ходе исследования выяснено следующее:

·  защитная роль слабопроницаемых слоев (днепровской морены и алевритов палеогена) проявляется в снижении скорости водообменных процессов по вертикали, а также за счет сорбции и осаждения солей в порах части химических веществ снижается концентрация загрязнителей в жидкой мобильной фазе;

·  вертикальный водообмен с глубиной затухает, для палеогенового водоносного горизонта наиболее характерно горизонтальное движение подземных вод, для подморенного водоносного горизонта присуща мозаичная картина интенсивности фильтрационных потоков, что согласуется с мозаичным распределением загрязнения в подморенном и грунтовом водоносных горизонтах;

·   по данным лабораторного эксперимента заметно снижается (на 2 порядка) проницаемость днепровских моренных супесей при фильтрации высокоминерализованных кислых вод, отобранных в районе свежеотсыпанного отвала фосфогипса.

Список литературы:

1.Гомельский химзавод. Производство серной кислоты (реконструкция). Защита грунтовых и поверхностных вод с отвалов фосфогипса. Стадия: проект. Отчет об инженерных изысканиях. Том II. Инженерно-геологические изыскания. Книга I. Пояснительная записка и графические приложения / Союзводоканалпроект. Минское отделение; главный инженер проекта В.А. Мокринский. — Минск, 1990. — 192 с.

2.Методические работы при эксплуатации опытно-экспериментальной установки защиты подземных вод от загрязнения: отчет о НИР (заключ.) / Гомельский госуниверситет; рук. темы И.О. Прилуцкий. — Гомель, 2009. — 186 с. — № ГР 20081931.

3.Опытно-экспериментальные работы при сооружении второй очереди технического водозабора на территории ОАО «Гомельский химический завод»: отчет о НИР (заключ.) / Гомельский госуниверситет; рук. темы Ю.Б. Круковский. — Гомель, 2008. — 208 с. — № ГР 20071964.

4.Организация и ведение работ по локальному мониторингу подземных вод и разработке рекомендаций по оптимизации сети наблюдательных скважин на территории влияния Гомельского химического завода: отчет о НИР (заключ.) / Гомельский госуниверситет; рук. темы В.В. Коцур. — Гомель, 2005. — 157 с. — № ГР 2005557.

5.Основы гидрогеологии. Гидрогеодинамика / И.К. Гавич, В.С. Ковалевский, Л.С. Язвин [и др.]; отв. ред. И.С. Зекцер. — Новосибирск: Наука, 1983. — 240 с.

6.Разработать гидрогеологическое обоснование проекта защиты подземных вод от загрязнения в районе Гомельского химзавода (бессточная система водопользования): отчет о НИР (заключ.) / Гомельский госуниверситет; рук. темы В.Г. Жогло. — Гомель, 1999. — 70 с. — № ГР 19981303.