logo1-color


Анализ причин несоответствия прогноза качества питьевых подземных вод и данных эксплуатации на разведанном участке в палеодолине р.Свияга Республики Татарстан

Рассмотрены причины не подтверждения разведочного прогноза изменения качества подземных вод с данными эксплуатации. Особое внимание уделено методике выявления и анализу причин повышения показателей общей жесткости и железа в подземных водах в условиях изменившихся водохозяйственной обстановки и санитарных условий.

Ключевые слова: питьевые подземные воды, поисково-разведочные работы, зона санитарной охраны, показатели качества воды, загрязнение подземных вод

В период с 2010 по 2012 г.г. в палеодолине р.Свияга выполнены поисково-разведочные работы, направленные на обоснование источника хозяйственно-питьевого водоснабжения предприятия по производству этилового спирта из пищевого сырья (спиртозавода). Предъявленные Заказчиком требования к качеству воды, используемой в технологическом процессе изготовления спирта более жесткие, чем требования СанПиН2.1.4.1074-01 «Вода питьевая...», пределы содержания отдельных компонентов, характеризующих качество подземных вод следующие: общая жесткость – до 7 0Ж; Fe – до 0.3 мг/л; Mg< 20-50 мг/л; фтор ≤ 0.7-1.5 мг/л; Ca < 30-140 мг/л; Мобщ. – до 0.3 г/л.

По результатам наземных геофизических исследований (методом ЗСБ) в пределах развития песчаных отложений плиоцен-четвертичного водоносного комплекса выбран перспективный участок, расположенный в 3.8 км северо-западнее спиртозавода (рис.1,2) [1-3].

statia-12-ris-1

statia-12-ris-2

На участке последовательно выполнены бурение, каротаж, фильтрационное и гидрогеохимическое опробование двух поисковых, четырех разведочно-эксплуатационных скважин (глубиной 46 м), формирующих схему водозабора с производительностью 3,4 тыс.м3/сут и четырех наблюдательных скважин для проведения кустовой откачки.

Для бурения и освоения разведочно-эксплуатационных скважин (№№1-4) применены новейшие технологии сооружения высокодебитных скважин (рабочая часть – фильтры проволочные каркасно-стержневые, мод. «STUEVA», Германия), апробированные на современных российских и зарубежных водозаборах. По результатам опытно-фильтрационных работ получены высокие дебиты 907-1440 м3/сут, что подтвердило обоснованность принятых решений. По результатам кустовой откачки, из возмущающей скв.№1, с производительностью 16,67 л/с (1440 м3/сут), уточнены фильтрационные параметры продуктивного пласта, схема водозабора и определены условия промышленного каптажа подземных вод.

Качество подземных вод, локализованных в продуктивном пласте, в основном, соответствует питьевым кондициям и установленным Заказчиком работ, требованиям, за исключением содержания железа – до 3,38 мг/л (ПДК-0,3 мг/л), марганца – до 0,44 мг/л (ПДК-0,1 мг/л). Перед использованием воды в хозяйственно-питьевых целях необходима водоподготовка – обезжелезивание и деманганация.

Схема расчетного водозабора представляла собой линейно вытянутый, вкрест тальвега палеодолины р.Свияга ряд, состоящий из 4-х скважин, в том числе 3-х рабочих и 1 резервной , с производительностью 1130 тыс. м3/сут каждая (суммарно 3,4 тыс. м3/сут).

На всех стадиях поисково-разведочных работ проводилось изучение санитарной обстановки в области формирования запасов подземных вод плиоцен-четвертичного водоносного комплекса [1,3]. На предпроектной стадии выполнено рекогносцировочное обследование и определение границ нормативных санитарно-защитных зон предприятий, в соответствии с требованиями СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Участок оценочных работ выбран за пределами СЗЗ основных потенциальных источников загрязнения – полей фильтрации сахарного завода и скотомогильников. В направлении от участка водозабора в сторону полей фильтрации пробурены наблюдательные скважины, с целью отслеживания развития депрессионной воронки во время длительных опытно-фильтрационных работ (кустовой откачки), проведены миграционные опыты с целью уточнения коэффициента пористости песчаной толщи.

Результаты комплексного обследования потенциальных источников загрязнения и детального гидрогеологического обследования полей фильтрации производственных сточных вод сахарного завода, послужили исходными данными для разработки миграционной модели месторождения и решения на ней миграционных задач, с целью выполнения прогноза сохранения качества подземных вод на 25-ти летний срок эксплуатации водозабора.

Численные миграционные расчёты выполнялись с целью оценок прогнозных значений жёсткости воды при проектном водоотборе 3400 м3/сут. Для выполнения расчётов использовалась программа миграционных расчётов MT3DMS, входящая в программный комплекс решения гидрогеологических задач Visual Modflow версии 3.1, использующая в качестве основы прогнозное гидродинамическое решение (баланс и скорости потоков между блоками) численной геофильтрационной модели Modflow. Задача решалась в консервативной постановке (без учёта гидрохимического взаимодействия подземных вод с водовмещающими породами). В качестве расчётного алгоритма использовалась конечно-разностная схема Upstream Finite Difference.

В качестве начальных условий, на основе построенных карт распределения изолиний жёсткости подземных вод, по слоям модели были построены карты-схемы осреднённых характеристик начальной жёсткости. Начальное значение жёсткости в блоке водозабора на модели составило 6 0Ж, на участках полей фильтрации - 100Ж.

Результаты выполненных расчетов показали, что наиболее значительное увеличение жёсткости воды (на 10Ж) при прогнозном водоотборе 3400 м3/сут происходит в первые 3 года расчётного срока эксплуатации, далее кривая выполаживается, и к концу расчётного срока (10000 сут) суммарное расчётное увеличение жёсткости составляет 1,79 0Ж от текущих значений по скважинам. Прогнозные показатели общей жесткости на участке водозабора, по расчетным данным, составили 8-90Ж.

Балансовые запасы плиоцен-четвертичного аллювиального водоносного комплекса месторождения в количестве 3,4 тыс. м3/сут по категории В утверждены Протоколом ТКЗ №195/2012 от 25.06.2012г., на 25-ти летний срок эксплуатации.

Водозабор построен и эксплуатируется с 2012 года. По состоянию на декабрь 2019 года в работе находятся четыре скважины (№№1,2,3,4). Увеличение показателя общей жесткости и железа зафиксировано недропользователем с 2016 года (через пять лет от начала эксплуатации водозабора), последовательно в скважинах №№4,3,2 (в условиях сокращения эксплуатационных нагрузок на скважины с отмеченным превышением). Выполненный в составе поисково-разведочных работ прогноз качества питьевых подземных вод не подтвердился данными эксплуатации в части прогноза роста величины общей жесткости (до 12,750Ж по скв.№4, до 9,850Ж по скв.№3) в отличие от прогнозных величин – до 90Ж.

С целью выявления причин увеличения показателей общей жесткости и общего железа в воде, добываемой на водозаборе спиртозавода, выполнены:

  • сбор материалов характеризующих опыт эксплуатации скважин водозабора;
  • гидрогеологическое и санитарное обследование территории поясов ЗСО водозабора, в том числе полей фильтрации сахарного завода;
  • геофизические исследования в скважинах №№3,4 водозабора на разных режимах водоотбора (гамма-каротаж, резистивиметрия, расходометрия);
  • отбор проб воды и оперативный анализ показателей общей жесткости и общего железа;
  • химический анализ водных проб в аккредитованных лабораториях.

Сбор материалов характеризующих опыт эксплуатации скважин водозабора

По результатам сбора и анализа материалов мониторинга выявлено следующее:

  1. Режим работы насосов резко неравномерный, пиковые нагрузки по скв.№ 1 составили 60-69 м3/час (5 пиков), по скважине 2 - 60-67 м3/час (6 пиков), по скважине 3 - 67 м3/час (1 пик), по скважине 4 – 40-54 м3/час (3 пика). Рекомендованная проектная производительность скважин 47 м3/час при неравномерном суточном водоотборе, не выдерживается.
  2. Одновременно работают три скважины в разных вариациях (№№1-2-3, №№1-2-4, №№1-3-4, №№2-3-4), отключение скважин каскадное (скв.№№4-3-2-1), за сутки 2,5 цикла.
  3. Режим работы скважин зависит от давления в водопроводной сети, пиковые нагрузки на скважину обеспечивают восстановление нормального давления в водопроводе.
  4. Общая тенденция к последовательному повышению показателей общей жесткости и общего железа, в последовательности скв.№4-№3-№2, за время эксплуатации водозабора с 2016 года по 2019 год, подтверждается.

Гидрогеологическое и санитарное обследование области формирования запасов подземных вод (в том числе полей фильтрации сахарного завода)

Результаты обследования показали существенное изменение водохозяйственной обстановки и санитарных условий по сравнению с периодом проведения поисково-разведочных работ (2010-2011 г.г.):

1. Наиболее крупным и значимым объектом загрязнения подземных вод, являются поля фильтрации сахарного завода, расположенные в 2-х км юго-юго-западнее водозабора. Накопление жидких и твердых отходов ведется с 1960 года. По сравнению с 2010 годом производительность сахарного завода в части объемов переработанной продукции и производства сахара выросла более чем в 2,5 раза, соответственно, увеличились сбросы жидких отходов на поля фильтрации (таблица 1).

statia-12-tabl-1

Фактическая площадь полей фильтрации сахарного завода составляет 45 га, при нормативной нагрузке 50 м3/га в сутки должна составлять более 90 га. Анализ результатов расчетов и данных, представленных в таблице 2, свидетельствует о двойной нагрузке на поля фильтрации, что приводит к переливу стоков и их распространению за пределы контуров полей.

statia-12-tabl-2

2. Ручей Каилка дренирует участок полей фильтрации и отводит стоки сахарного завода к р.Свияга. По результатам обследования русло ручья извилистое, местами заболоченное, шириной до 2-х метров, долина U-образная. Выше полей фильтрации речные воды прозрачные зеленого цвета. Ниже по потоку (в пределах участка полей фильтрации), вода изменяет цвет на серо-зеленый до черного, приобретает неприятный запах разложения органики. Долина ручья заилена (ил серого (до черного) цвета), отмечаются «языки» размытых склонов.

Из источников массовой информации (МК, 2013 г.) получены сведения о сбросе в ручей Каилка белой пенистой жидкости (возможно известковое молоко) через трубу, проложенную под полями фильтрации. Природоохранной прокуратурой РТ факт сброса стоков признан локальной экологической катастрофой, загрязнению подверглась не только долина ручья Каилка, но и территория деревни, расположенной в низовьях ручья (включая озеро-старицу р.Свияги). Появление жидких стоков белого цвета отмечено населением в озере находящемся в центре деревни и р.Свияга (в ~4-х км от участка сброса сточных вод).

3. По результатам обследования не обнаружена на местности канава, которая отводила разливы (сезонные и сбросовые) поверхностных вод от ручья Каилка за пределы третьего пояса зоны санитарной охраны водозабора спиртозавода. По опросным данным канава запахана землепользователем. Также по опросным данным на поля сельскохозяйственных угодий, расположенных в 3-м поясе ЗСО, землепользователем вывозился дефекат сахарного завода. Дефекат, с содержанием кальция 70-80% использовался для повышения урожайности земель, улучшения их структуры в качестве комплексного удобрения.

4. Население деревни для собственных нужд отбирает воду из колодцев, каптирующих подземные воды первого от поверхности четвертичного горизонта (питающего плиоценовый комплекс на участке водозабора спиртозавода). Скважины, используемые в 2010-2012 г.г. для хозяйственно-питьевого водоснабжения не эксплуатируются и подлежат ликвидации. В 2015 году в 600 м от ранее действующей скважины пробурена и эксплуатируется водозаборная скважина б/н.

Выводы, сделанные по результатам обследования, заключаются в следующем:

  • водохозяйственная обстановка и санитарные условия зоны санитарной охраны и области формирования запасов подземных вод существенно изменились;
  • очаг загрязнения, сформированный отходами производства сахарного завода ввиду несанкционированных сбросов стоков и увеличения нагрузки на поля фильтрации из потенциально опасного перешел в активно действующий и изменил границы в сторону увеличения;
  • водоотбор из скважины, пробуренной для водоснабжения деревни изменил структуру потока подземных вод, сформировавшуюся в процессе эксплуатации водозабора спиртозавода.

Геофизические исследования в скважинах №№3,4 водозабора

Геофизические исследования в скважинах №№3, 4, показали сохранение целостности и высокой пропускной способности рабочей части фильтровых колонн, интенсивность водопритока равномерно распределена по всей рабочей части фильтров. При нагрузках на скважину 60 м3/час (скв.№4) и 70 м3/час (скв.№3) отмечается слабый подток минерализованных вод с забоя скважин.

Отбор проб природных и сточных вод, лабораторные исследования

Отбор водных проб сопровождал все виды исследований: обследование санитарного состояния и водохозяйственной обстановки в области формирования запасов подземных вод месторождения, обследование скважин водозабора спитрозавода. Нестабильные во времени компоненты химического состава подземных вод определялись оперативно полевой лабораторией Merck по сокращенному перечню показателей: pH, Cl-, SO4-2, HCO3-, NO2- , NO3-, NH4+, Na++K+, Ca+2, Mg+2, Mn, Fe, запах, цветность, мутность, сухой остаток, жесткость общая. Контрольные анализы водных проб выполнялись в аккредитованных лабораториях г.г.Москвы и Казани.

Результаты показали следующее:

  • рост концентраций общей жесткости, хлоридов, гидрокарбонатов и общего железа (относительно опробования 2011 года) отмечается в пробах воды из скв.№№3,4, в пробах воды из скв.№№1,2 отмечается только рост хлоридов.
  • содержание в воде сульфатов (показателя перетоков подземных вод из ниже залегающего уржумского водоносного комплекса) осталось без изменений (16-27 мг/л).
  • по химическому составу вода в ручье Каилка гидрокарбонатная, магниево-кальциевая, натриево-кальциевая с минерализацией 910-1030 г/л, общей жесткостью 7,8-8,40Ж, хлоридов 46,2-67,5 мг/л, гидрокарбонатов до 500 мг/л.
  • в озере (расположенном в центре деревни), выявлено превышение ПДК по жесткости (до 8,2 0Ж), хлоридов до 138,5 мг/л (относительно фоновых концентраций - 20 мг/л);
  • вода четвертичного водоносного горизонта в колодце деревни гидрокарбонатная, натриево-кальциевая с минерализацией 1230 мг/л, с общей жесткостью 9,60Ж, содержание гидрокарбонатов 580 мг/л;
  • стоки сахарного завода из сброса (труба) в р.Свияга характеризуются хлоридно-гидрокарбонатным смешанным по катионам (с преобладанием натрия) составом с общей жесткостью до 9,50Ж, минерализацией до 2060 мг/л, хлоридов до 219 мг/л, гидрокарбонатов до 744 мг/л;
  • вода из вновь пробуренной, для водоснабжения деревни, скважины гидрокарбонатная магниево-кальциевая, с общей жесткостью 11,40Ж, с минерализацией 1270 мг/л, содержанием общего железа 22,1 мг/л.

Выводы заключаются в следующем: во всех пробах отмечаются превышения показателей общей жесткости и минерализации (относительно ПДК установленных СанПиН2.1.4.1074-01), хлоридов, гидрокарбонатов и железа общего (относительно фоновых концентраций, характерных для подземных вод плиоцен-четвертичного комплекса в ненарушенных техногенезом условиях).

Возможные причины повышения общей жесткости

Рост показателя общей жесткости в подземных водах, добываемых на водозаборе обусловлен изменением санитарной обстановки в области формирования запасов подземных вод и на территории зоны санитарной охраны водозабора.

Основной источник попадания в подземные воды кальция, магния и хлоридов – это дефекат. Дефекат – продукт дефекации, которая заключается в обработке свекольного сока известью. Общее количество активной извести, используемой на очистку диффузионного сока, составляет 2,2 - 2,5 % СаО. Ее получают непосредственно на заводе обжигом известнякового камня, содержащего не менее 93 % карбоната кальция и не более 2,5 % карбоната магния.

После дефекации диффузионный сок подвергается сатурации с целью удаления из свекольного сока растворенной и связанной извести. Сатурацию проводят, вводя в сок очищенный сатурационный газ, состоящий в основном из диоксида углерода. При разбрызгивании сока в сатураторе пропускаемый сатурационный газ, соединяясь с водой, образует угольную кислоту Н2СО3, вступающую в реакцию с гидроксидом кальция Са(ОН)2 в результате получается выпадающий в осадок карбонат кальция CaCO3. Побочным продуктом сатурации является фильтрованный осадок (дефекационная грязь), состоящий на 75 - 80 % из карбоната кальция и на 20 - 25 % - из органических и минеральных несахаров.

Анализ данных, представленных в таблице 3, показал, что за весь срок работы сахарного завода на полях фильтрации и близлежащих землях сельскохозяйственного назначения размещено более 500 тыс. тонн извести (углекислого кальция) в составе дефеката, при этом 25% (более 120 тыс. тонн) за период с 2106 по 2020 г.г.

statia-12-tabl-3

Попадание извести в подземные воды приводит не только к появлению и выпадению карбоната кальция, но и появлению дополнительных количеств гидрокарбоната кальция. Этот процесс, вероятно, является причиной наблюдаемого увеличения общей жесткости и концентрации гидрокарбонатов, и как следствие увеличение минерализации.

Исходя из производительности завода, по нормативам, площадь полей фильтрации должна составлять 90 га, фактически площадь составляет около 45 га. За счет растекания стоков и отходов производства складированного на полях фильтрации, границы очага загрязнения увеличились. Увеличению площади загрязнения «поспособствовала» также запашка водоотводной канавы, которая ранее транспортировала талые и паводковые загрязненные поверхностные воды за пределы третьего пояса ЗСО водозабора.

Возможные причины повышения общего железа

По результатам анализа всей полученной информации нами определены две возможные причины увеличения показателя общего железа в подземных водах, добываемых на водозаборе спиртозавода.

1). Неравномерный внутри суточный водоотбор.

Для природных условий распространения железа в подземных водах характерны горизонтальная и вертикальная зональности и пространственно-временная неоднородность, связанная с условиями водоотбора или изменением климатических условий в течение года. По показателю железа, отмечается постоянный рост концентраций по всем скважинам (с различной интенсивностью) без реакции на смену сезонов года. Вертикальная зональность распределения железа проявляется в более высоких его концентрациях в верхнем (условно четвертичном) горизонте, при отсутствии выраженного водоупорного разделяющего слоя. Источник поступления в подземные воды общего железа связан, вероятно, с неравномерным импульсным водоотбором из скважин (от 0 до 70 м3/час), что приводит к резким колебаниям уровня и, следовательно, к изменению окислительно-восстановительной обстановки в верхнем пласте (в четвертичных отложениях).

2). Отходы производства БСЗ обогащенные органическим веществом.

Поступление, обогащенного органическим веществом дефеката с полей фильтрации и сельхозугодий в подземные воды, в результате процесса биодеструкции, приводит к появлению углекислого газа и снижению величины рН, что увеличивает миграционную способность железа, и, в меньшей степени, марганца. Наличие этих процессов подтверждается наблюдениями за изменением химического состава воды в скважинах водозабора, а именно ростом содержания общего железа при стабильном содержании марганца. Дополнительно само органическое вещество является фактором увеличения миграционной способности железа за счет образования железоорганических комплексов.

Причины последовательного изменения показателей общей жесткости и общего железа от скв.№4 к скв.№1

Движение фронта потока воды с повышенным содержанием кальция и магния (формируют значение общей жесткости) происходит на площади развития депрессионной воронки, в направлении от реки Свияги и с южного направления от р.Каилка.

Направление потока подземных вод, в процессе эксплуатации водозабора формируется по наиболее проницаемым зонам сложенным песками. Наиболее переуглубленная и песчанистая часть разреза палеодолины примыкает к участку водозабора с восточного фланга, что явилось следствием первоначального появления приоритетных показателей качества (кальция и магния формирующих общую жесткость, гидрокарбонатов, хлоридов, общего железа) в воде, добываемой из скв.№4, и далее при уменьшении на нее эксплуатационной нагрузки, последовательно в скв.№3 и скв.№2.

На изменение структуры потока подземных вод, сформировавшейся в процессе эксплуатации водозабора, возможно оказала влияние пробуренная в 2015 году, между р.Свияга и водозабором, водозаборная скважина (б/н) для водоснабжения деревни.

Приток воды из нижнего горизонта, по результатам геофизических исследований в скважинах, признан незначительным и не проявляется в общем химическом составе воды, в противном случае превышение компонентов качества произошло во всех скважинах одновременно.

Рекомендации по устранению причин повышения содержания общей жесткости и общего железа

  1. Снижение техногенной нагрузки на территорию области формирования запасов подземных вод, путем реабилитации загрязненных отходами сахарного завода, почв, поверхностных и подземных вод.
  2. Снижение нагрузки на имеющиеся установки обезжелезивания путем предварительной аэрации поступающих на завод подземных вод с последующим отстаиванием в резервуарах и фильтрацией на песчаных фильтрах.
  3. Обеспечение равномерного внутри суточного водоотбора из водозаборных скважин, с нагрузкой рекомендованной при оценке запасов – ориентировочно 47 м3/час.
  4. Восстановление скважин наблюдательной сети мониторинга, ведение мониторинга за состоянием подземных вод выше и ниже залегающих водоносных горизонтов и комплексов.
  5. Эксплуатация скв.№4 с производительностью 1000 м3/сут с целью создания барража для перехвата некондиционных вод, сброс добытой воды в нижележащие водоносные комплексы или поверхностные водотоки (р.Свияга).

 

Литература

  1. Гараева Т.В. Поисково-разведочные работы для водоснабжения спиртового завода, г.Казань, 2012г.
  2. Солнцев А.В. Проведение эколого-гидрогеологической съёмки масштаба 1:200000 листов N-38-VI, XII, XVIII, N-39-VII, VIII Предволжъя, XIII. Апастовский, Буинский, Верхнеуслонский, Дрожжановский, Кайбицкий, Камско-Устьинский, Тетюшский районы РТ, ТГРУ, Казань, 2002г.
  3. Поляков С.И. Оценка ресурсного потенциала пресных подземных вод Волго-Сурского и Камско-Вятского артезианских бассейнов в пределах Республики Татарстан и его локализация для обеспечения населения республики защищенными источниками водоснабжения. Оценка условий локализации ресурсов подземных вод на территории Предволжья, Гос.контракт 1-К-32, г.Казань, Росгеолфонд, 2004г.