Изменение химического состава подземных вод в ограниченных карбонатных структурах при окислении пирита покровных отложений
(на примере Полдневского месторождения Егоршинско-Каменской синклинали Восточно-Уральского прогиба)

Глава 5. Прогноз изменения химического состава воды на водозаборах

Схема миграции загрязнения от зоны окисления до водозаборных скважин

От зоны окисления до водозаборных скважин загрязнение мигрирует через толщу покровных отложений, поступает на кровлю водоносного горизонта, и далее переносится потоком по водоносному горизонту к водозаборным скважинам. Наблюдающийся постепенный рост концентрации сульфатов и жесткости на водозаборе связан с различным временем миграции загрязнения от различных участков зоны окисления.

Общее время миграции загрязнения складывается из времени миграции через покров и времени миграции по водоносному горизонту с различных участков месторождения. Расчеты для схемы пласт-полоса показывают, что время миграции по водоносному горизонту незначительно, с 90% площади месторождения загрязнение доходит за 2-10 лет. Основная задержка связана с миграцией загрязнения через покровные отложения.

Движение воды в толще покровных отложений происходит преимущественно в вертикальном направлении, поэтому задача миграции продуктов окисления в покровных отложениях может сводиться к одномерной со скоростью фильтрации равной средней величине инфильтрации. Дисперсионное рассеивание вещества в процессе массопереноса связано с молекулярной диффузией, микродисперсией и макродисперсией (гетерогенностью). Они зависят соответственно от нулевой, первой и второй степени скорости фильтрации. Диапазонные расчеты показали, что при столь низких скоростях фильтрации (1-5)^.10^-4 м/сут все три вида дисперсии имеют коэффициент примерно одного порядка 10^-5-10^-4 м²/сут.

Как показывает численный анализ, при длине пути миграции 10-50 м, размер переходной зоны составляет соответственно 4-10 м. Учитывая небольшой размер переходной зоны, массоперенос может приближенно описываться схемой поршневого вытеснения: t = (m-z)n/v, где (m-z) - путь миграции равный мощности покровных отложений (m) под зоной окисления на глубине z, n - пористость доступная для миграции, v - скорость фильтрации.

В работе дан прогноз для Полдневского и Северо-Мазулинского водозаборов. Данные месторождения подземных вод, как и месторождения - аналоги, характеризуется крайней изменчивостью мощности покровных отложений (рис. 5). Это обусловливает сильное различие времени прихода загрязнения на кровлю водоносного горизонта на различных участках месторождения.

Прогноз изменения химического состава воды на водозаборах по режимным данным

Для прогноза изменения химического состава воды на действующих водозаборах обычно имеется следующая информация: 1) режимные данные по изменению химического состава воды за период эксплуатации водозабора; 2) данные по изменчивости мощности покровных отложений на площади месторождения и их литологическом составе (по геологическим колонкам скважин); 3) данные по величине инфильтрационного питания (по эксплуатационному модулю).

В настоящей работе разработан графоаналитический метод прогноза изменения химического состава воды на водозаборах. Он заключается в наложении двух графиков изменения относительной концентрации сульфатов во времени. Первый график строится по данным режимных наблюдений за составом воды на водозаборе. Для построения второго графика используется кумулятивная кривая мощностей покровных отложений.

Шаг 1: Построение графика по кумулятивной кривой мощности

Ось ординат кумулятивной кривой мощности покровных отложений может характеризовать долю площади месторождения, на которой (в данный момент времени) сульфатное загрязнение достигло кровли водоносного горизонта (P). Для этого по оси абсцисс вместо мощности (m) необходимо откладывать эквивалентное время миграции t = (m-z)n/w, где z - средняя глубина залегания пиритсодержащих пород, w - средняя величина инфильтрационного питания (на данных месторождениях - 3.10^-4 м/сут). Таким образом, зная z и n можно легко преобразовать кумулятивную кривую мощности покровных отложений в теоретический график изменения относительной концентрации во времени.

Шаг 2: Построение графика по режимным данным

Для построения второго графика изменения относительной концентрации используются данные режимных наблюдений за изменением концентрации сульфатов на водозаборе, но для этого необходимо знать Сmax. Для Мазулинского и Северо-Мазулинского водозаборов эта величина известна. Мазулинский водозабор эксплуатируется более 70 лет и на нем максимальная концентрация достигнута. В последние 4 десятилетия концентрация сульфат иона на нем колеблется от 117 до 165 мг/л, составляя в среднем 142 мг/л. Данное значение условно принимается и для Северо-Мазулинского водозабора, так как оба эти водозабора эксплуатируют единое месторождение подземных вод.

Зоны окисления и на Северо-Мазулинском и на Полдневском участке образовались ориентировочно в 1975 году, когда было достигнуто максимальное понижение уровня подземных вод (до настоящего времени уровень подземных вод находится примерно на тех же отметках). При построении графиков относительной концентрации 1975 год может приниматься за 0 по оси абсцисс.

На Полдневском водозаборе дополнительным источником загрязнения являются карьеры и отвалы месторождения огнеупорных глин. Для устранения этого влияния рассматривались только те скважины водозабора, в область захвата которых техногенные ландшафты (карьеры, отвалы) не попадают.

Шаг 3: Наложение графиков

На Северо-Мазулинском участке графики относительной концентрации, построенные разными способами (1 - по кумулятивной кривой и 2 - по режиму), совпадают при n = 0,2 и z = 7 м (рис. 6).

На Полдневском участке пористость доступная для миграции принималась равной 0,23 (по лабораторным данным). Графики относительной концентрации построенные разными способами для Полдневского участка совпадают при Сmax = 280 мг/л и z = 7 м (рис. 7).

Анализ графиков относительной концентрации показывает, что на Северо-Мазулинском водозаборе примерно через 20 лет рост концентрации сульфат иона прекратится, достигнув значения порядка 140 мг/л. На Полдневском водозаборе концентрация будет расти еще 60-70 лет, пока не достигнет максимального значения на уровне 280 мг/л.

Средняя интенсивность выноса сульфат иона на Северо-Мазулинском участке оценивается на уровне 42 мг/сут с 1 м² площади месторождения (при максимальной концентрации 140 мг/л и величине инфильтрации 0.0003 м/сут), что эквивалентно интенсивности окисления пирита 2^.10^-4 моль/сут. На Полдневском участке интенсивность окисления пирита в два раза выше - 4^.10^-4 моль/сут.

Влияние отвалов песчано-глинистых пород на качество подземных вод

Складирование песчано-глинистых пород, содержащих дисперсный пирит, в пределах месторождений питьевых подземных вод может приводить к серьезному ухудшению качества воды на водозаборах (вплоть до полной потери водозабора). Ярким примером является отработка огнеупорных глин на Троицко-Байновском месторождении, карьер и отвалы которого располагаются в пределах водосборной площади Полдневского месторождения. Процесс выемки транспортировки и складирования горных пород занимает определенный промежуток времени (месяцы или даже годы). Расчеты показывают, что за полгода контакта с атмосферой в породе может окислиться от 5 до 25 % пирита, причем около половины этого количества окисляется уже в течение первого месяца контакта.

В теле рекультивированного карьера, отсыпанного 25 лет назад, была пробурена скважина (6тн) с поинтервальным отбором керна. Выполненные исследования показали, что в теле внутреннего отвала как выше, так и ниже уровня грунтовых вод залегают загипсованные породы. Гипс образовался в результате окисления дисперсного пирита во время контакта пород с атмосферой (в ходе извлечения, перемещения и складирования пород). За короткое время контакта пород с атмосферой окислилось 27 % пирита (в среднем для 35-метровой толщи) при разбросе по отдельным пробам от 9 до 55 % (рис. 8).

Суммарная площадь карьеров и отвалов в пределах к настоящему времени достигла 2.5 км². При равновесной концентрации сульфат-иона 1.4 г/л и оцененной величине инфильтрационного питания 0.0003 м/сут расчетный вынос сульфатов с территории техногенных ландшафтов достигает 1 тонны в сутки. Фактически все скважины Полдневского водозабора и карьерного дренажа дают суммарный массовый вынос сульфатов в количестве около 1.5 тонн в сутки. Таким образом, несмотря на то, что техногенные ландшафты занимают всего 5% площади месторождения, они несут основную ответственность за ухудшение качества добываемой воды. Из четырех скважин Полдневского водозабора наиболее тяжелое положение сложилось на скважине 13э. Эта скважина принимает на себя загрязнение с территории техногенных ландшафтов, защищая от него остальные скважины водозабора. В 2002 году скважину 13э из-за плохого качества воды пришлось перевести в разряд защитных водопонизительных скважин, значительно сократив добычу питьевых вод (сейчас скважина 13э работает на сброс).

Среднее содержание гипса составляет 4.2 кг на кубометр породы, а вся вскрытая толща содержит 147 кг гипса (в расчете на 1 м² площади отвала). Для промывки отвала от гипса потоком инфильтрационных вод потребуется 670 лет. Таким образом, изменение гидрохимической обстановки на площади внутренних и внешних отвалов можно считать необратимым.