Формирование железа в подземных водах водозаборных участков по данным экспериментальных исследований и геомиграционного моделирования

Глава 4. Формирование железа в подземных водах водозаборов г. Воронежа.

В районе г. Воронежа на берегах Воронежского водохранилища расположен ряд водозаборов, используемых для централизованного водоснабжения. Подземные воды, отбираемые этими водозаборами, содержат в повышенных концентрациях железо и требуют предварительной очистки перед подачей потребителям.

В главе представлены результаты исследования поведения железа в системе <водохранилище - донные отложения - подземные воды - водозабор>, полученные в ходе экспериментальных работ и численных расчетов с использованием обоснованной для данного объекта модификации общей модели миграции железа, с целью установления источников формирования его повышенной концентрации в подземных водах скважин водозаборного сооружения (ВС) и прогноза их изменений в процессе эксплуатации.

Объект исследования. ВС N 4 (г. Воронеж, РФ) является по гидрогеологическим условиям типичным береговым водозабором и состоит из 2-х рядов эксплуатационных скважин: I-й ряд находится на намытой площадке среди Воронежского водохранилища и удален на 250 ÷ 300 м от II-го ряда, расположенного вдоль правого берега водохранилища. ВС N 4 эксплуатирует безнапорный неоген-четвертичный водоносный горизонт мощностью 30 ÷ 40 м, сложенный разнозернистыми песками с включением гальки и маломощными прослоями глин и суглинков. Восполнение запасов подземных вод на ВС N 4 по данным расчета П. Вана на 91 % происходит за счет привлечения поверхностной воды водохранилища, а на 9 % - за счет бытового потока.

После сооружения Воронежского водохранилища химический состав подземных вод водозаборных скважин претерпел изменения, главным последствием которого явилось появление в воде железа в концентрации, на порядок и более превышающей ПДК.

Рис. 6. Основные результаты экспериментальных работ (минимальное ÷ максимальное значение; предельные ошибки определения pH - ±0,02; Eh - ±0,5 мВ; O2 - ±0,4 мг/л; Fe - ±0,05 мг/л; Fe2O3 - ±0,02 %; FeCO3 - ±0,02%, Сорг - ±0,1%); * - по данным А. Я. Смирновой, Л. Н. Строгоновой и др.

На основе анализа литературных и фондовых данных были выделены потенциальные источники железа в подземных водах скважин ВС N 4: 1) поверхностные воды Воронежского водохранилища; 2) подземные воды неоген-четвертичного водоносного комплекса, поступающие с бытовым потоком, и атмосферные осадки, формирующие питание подземных вод; 3) донные отложения Воронежского водохранилища; 4) водовмещающие породы; 5) продукты коррозии железных фильтров и обсадных труб.

Экспериментальное измерение железа в подземных, поверхностных, придонных и поровых водах в районе ВС N 4, исследование состава донных отложений и водовмещающих пород неоген-четвертичного водоносного горизонта на предмет содержания минералов железа были выполнены автором в августе 2008 и 2009 гг. В главе представлена разработанная автором методика и схема опробования для полевых и лабораторных исследований. На рис. 6 отражены результаты измерения pH, Eh, содержания O₂ и различных форм железа (лабильного Feлаб, в органических комплексах Fe_{закомпл}, коллоидного Fe_кол) в подземных, поверхностных, поровых водах, водах родников, содержание остальных компонентов (HCO₃-, Ca2+, NH4+, H2S, ХПК и пр.) и подробный состав твердой фазы донных отложений и водовмещающих пород представлены в работе.

Обнаружено, что содержание лабильного железа (Feлаб) в поверхностных водах Воронежского водохранилища не превышает ПДК, а концентрация железа в органических комплексах (Fe_{закомпл}) достигает 28 ПДК. Концентрация железа во взвеси воды водохранилища увеличивается с глубиной водоема и достигает в придонном слое 8,3 мг/л (рис. 6). На границе <поверхностная вода - донные отложения> происходит резкая смена окислительных условий на восстановительные, что способствует накоплению железа, содержание которого по направлению <поверхностная вода водохранилища - придонная вода - поровый раствор донных отложений> увеличивается (рис. 6). Как в поверхностных, так и в поровых водах большая часть общего железа (78 ÷ 97 %) находится в виде органических комплексов. По данным анализа (рис. 6) твердая фаза донных отложений содержит 3,92 ÷ 6,40 % железа как Fe₂O₃ и до 0,35 ÷ 1,85 % карбонатного железа как FeCO₃, а также обогащена органическим веществом - С_орг = 2,0 ÷ 6,5 %.

В восстановительной обстановке толщи донных отложений протекает процесс деструкции органического вещества (условная формула {CH₂O}), приводящий к перераспределению форм железа между твердой и жидкой фазами (рис. 7). В частности, наблюдается восстановление его гидроксидов до Fe²⁺ согласно реакции

2{CH2O} + 4FeOOH + 2H+ = 2HCO3- + 4H2O + 4Fe2+.

(14)

При этом часть перешедшего в раствор Fe²⁺ переосаждается в другой минеральной форме (карбонатной и пр.) или сорбируется глинистыми минералами, гидроксидами металлов и органическим веществом, а другая часть, преимущественно в виде органических комплексов, мигрирует с нисходящим потоком воды водохранилища в подземные воды, восстановительная обстановка которых благоприятствует созданию техногенной геохимической провинции железа (рис. 7).

Рис. 7. Схема выноса железа из донных отложений в процессе фильтрации воды водохранилища в водоносный пласт.

Обнаружено, что подземные воды водозаборных скважин схожи по составу с поверхностными, но характеризуются значительным содержанием общего растворенного железа Fe_общ до 17 ÷ 101 ПДК (рис. 6). Следует отметить, что железо представлено в лабильной, преимущественно, 2-х валентной форме, в коллоидной форме (Fe_кол 0 ÷ 17 % от Fe_общ), образующейся, вследствие окисления и коррозии фильтров скважин, и в виде органических комплексов (Fe_{закомпл} = 2 ÷ 83 %). Содержание Fe_общ в подземных водах водозаборных скважин уменьшается при удалении от водохранилища: от I-го ряда ко II-му. Содержание железа как Fe₂O₃ в твердой фазе водовмещающих песков неоген-четвертичного водоносного горизонта составляет 0,22 %, что более чем на порядок меньше этого содержания в донных отложениях (рис. 6).

Воды родников сильно отличаются по химическому составу от поверхностных и подземных вод скважин и не содержат железа в своем составе (рис. 6). Согласно литературным данным, подземные воды неоген-четвертичного водоносного горизонта до строительства Воронежского водохранилища не содержали железа. По данным А. Я. Смирновой, Л. Н. Строгоновой и других исследователей атмосферные осадки также не содержат железа (рис. 6). В области захвата ВС N 4 не обнаружено наземных объектов, способных загрязнять подземные воды железом.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований выявлено, что формирование железа в воде, отбираемой скважинами ВС N 4, вероятнее всего происходит в результате трансформации состава воды водохранилища в процессе ее фильтрации через донные отложения, в которых протекают процессы перераспределения железа между твердой и жидкой фазами (рис. 7), миграции этой воды по пласту к скважинам, смешения в скважине трансформированной воды водохранилища и бытового потока подземных вод.

Моделирование формирования железа в подземных водах в районе береговых водозаборов Воронежского водохранилища. В ходе моделирования предполагалось проверить возможность формирования железа в поровой воде донных отложений в процессе восстановления гетита органическим веществом, исследовать, как быстро заданное содержание гетита может быть израсходовано, и не произойдет ли самоочищение донных отложений в ходе длительной нисходящей фильтрации вод водохранилища, а также получить на выходе из донных отложений концентрацию железа для ее дальнейшего использования при расчетах миграции железа в пласте.

Моделирование выполнено с использованием двух разномасштабных связанных между собой моделей: крупномасштабной модели многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения и мелкомасштабной модели миграции железа в пласте к водозаборным скважинам.

Используя модель многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения, предполагается получить концентрацию железа на выходе из колонки донных осадков для ее дальнейшего использования как граничное условие при расчетах миграции железа в пласте. Основная часть блока гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций при миграции через донные отложения включает следующие процессы (рис. 8): восстановление гидроксида железа органическим веществом, осаждение других минеральных форм железа (сидерита и др.), образование устойчивых органических комплексов железа (с ФК и др.). Факультативная часть включает сорбцию и катионный обмен, кинетику восстановления гидроксидов железа органическим веществом, добавочное потребление O₂ на окисление NH4+, H2S, органического вещества и др. (рис. 8).

Рис. 8. Блок гидрогеохимических взаимодействий и трансформаций для моделирования многокомпонентной миграции воды водохранилища через донные отложения.

Рассматривается многокомпонентная одномерная миграция без учета диффузионного переноса в процессе фильтрации воды водохранилища через колонку донных отложений мощностью 1 м. В гидрогеохимическую систему заданы полученные в результате экспериментальных работ усредненные составы жидкой и газообразной фаз и упрощенный состав твердой фазы (FeOOH, {CH₂O}, FeCO₃, CaCO₃) с ЕКО = 45 мг-экв/100 г. В системе происходит восстановление гетита органическим веществом, при этом скорость его растворения определяется выражением (6). Многокомпонентный состав воды водохранилища, фильтрующийся через колонку донных отложений, задан согласно результатам опытных работ. В случае пересыщения раствора в системе задавалась возможность выпадать в виде твердой фазы сидериту, но кинетика его осаждения и растворения не рассматривалась. При моделировании не учитывалось накопление новых порций донных отложений в ходе седиментации взвеси воды водохранилища и сорбция железа на органическом веществе. Расчеты многокомпонентной миграции выполнены в программе PHREEQC-2 при характерных скоростях фильтрации воды через донные отложения 0,18 ÷ 0,002 м/сут. Общее время расчета - 50 лет.

В результате расчетов установлено, что снижение содержания железа в твердой фазе донных отложений связано с восстановлением гетита органическим веществом, причем, чем больше скорость фильтрации, тем быстрее он растворяется: при скорости фильтрации 0,16 м/сут через 2,5 года весь гетит израсходуется, при 0,06 м/сут - через 4 года, при 0,002 м/сут - через 29,5 лет. Часть перешедшего в раствор Fe²⁺ переосаждается в виде сидерита, а часть мигрирует с водой водохранилища в виде неорганических и органических комплексов с ФК. Когда весь гетит израсходовался, в системе, согласно принятой схематизации, наблюдается медленное растворение сидерита в ходе поступления в колонку воды водохранилища.

Рис. 9 отражает зависимость выходной концентрации железа из колонки донных отложений на 25 год расчета от скорости фильтрации воды водохранилища. Видно, что чем меньше скорость фильтрации, тем большее количество растворенного железа поступает из донных отложений, но начиная со скорости 0,04 м/сут, оно практически не меняется (рис. 9). При этом содержание Fe_общ составляет 0,153 ÷ 0,166 ммоль/л (8,57 ÷ 9,29 мг/л), содержание Feлаб - 0,007 ÷ 0,011 ммоль/л (0,39 ÷ 0,62 мг/л), что соотносится с диапазоном концентрации железа в поровой воде донных отложений, полученным в ходе экспериментальных работ (рис. 6).

Рис. 9. Концентрация железа на выходе из донных отложений на 25 год расчета при различных скоростях фильтрации воды водохранилища.

Проведенные расчеты по вышеописанной модели многокомпонентной миграции, несмотря на принятые допущения, показали неплохую согласованность с экспериментальными данными и подтвердили возможность протекания процессов трансформации и мобилизации железа из донных отложений в ходе его выноса фильтрующейся водой водохранилища. Для моделирования миграции железа в пласте можно использовать в качестве граничного условия под дном водохранилища среднюю выходную концентрацию железа - 0,156 ммоль/л (рис. 9).

Модель миграции железа в пласте основана на региональной и локальной (район ВС N 4) геофильтрационных моделях, построенных Н. Н. Муромец, С. П. Поздняковым, П. Ваном и др. При моделировании миграции железа в неоген-четвертичном водоносном горизонте рассматривается однокомпонентный перенос общего растворенного железа от водохранилища к водозаборным скважинам, полагая, что Feлаб и Fe_{закомпл} переносятся с одинаковой скоростью, что позволяет рассматривать их в модели в качестве одного компонента Fe_общ. Принято, что водовмещающие породы, имеющие по данным рентгенофлуорисцентного анализа до 0,12% валового железа в своем составе, содержат его в инертных формах, не взаимодействующих с фильтрующейся водой. Поэтому гидрогеохимические взаимодействия в водовмещающем пласте не рассматривались, а миграция Fe_общ моделировалась, как перенос нейтрального компонента. В качестве начального условия на момент пуска водозабора задано [Fe_общ] = 0, что соответствует наличию в пласте только бытового потока подземных вод, разгружающихся в водохранилище. В момент пуска водозабора постепенно начинается перехват скважинами бытового потока и привлечение воды из водохранилища, которая изменяет свой состав в процессе миграции через донные отложения, получая на выходе из них ненулевую концентрацию растворенного железа. Для учета этого процесса в качестве граничной концентрации железа под ложем водохранилища использовались данные его средней выходной концентрации из донных отложений, полученные в результате многокомпонентного моделирования на крупномасштабной модели миграции (рис. 9) - 0,156 ммоль/л. В мелкомасштабную модель эта концентрация задавалась в безразмерном виде, то есть концентрации 0,156 ммоль/л соответствовала безразмерная концентрация равная 1. Общее время расчета - 25 лет.

В результате моделирования получено, что в процессе эксплуатации водоносный горизонт в районе участка ВС N 4, затронутый привлекаемым потоком со стороны водохранилища, содержит загрязненную железом подземную воду. Более того, за счет этого привлечения наблюдается загрязнение подземных вод неоген-четвертичного горизонта севернее и южнее ВС N 4. Принимая во внимание, что как вариант рассматривается расширение участка ВС N 4 на север, а также строительство новых ВС на исследуемой территории, то необходимо создать мониторинговые профиля для наблюдения за качеством подземных вод на прилегающих к водозаборным рядам участках.

В главе также представлены результаты тестового моделирования размыва донных отложений, направленного на снижения содержания железа в подземных водах скважин. Согласно расчетам это мероприятие оказалось весьма эффективным - уже на 100 сут после размыва содержание железа в водах скважин ВС снизилось в 2 раза. Поэтому рекомендуется создать опытно-производственный участок размыва в процессе переоценки запасов подземных вод на одном из ВС в районе Воронежского водохранилища, например на ВС N 4. В ходе опытных работ следует оценить возможность появления в подземных водах водозаборных скважин других токсичных компонентов (тяжелых металлов, органических веществ, бактерия и пр.), которые могли бы быть задержаны донными отложениями в процессе фильтрации через них привлекаемой воды водохранилища. Если данные работы покажут качественную и экономическую эффективность, то в дальнейшем подобную методику можно будет использовать на существующих ВС г. Воронежа.