Изменение минерализации воды в процессе эксплуатации скважин (часть 1)

Довольно часто минерализация воды в водозаборных скважинах постепенно увеличивается. Иногда даже приходится отказываться от использования таких скважин.
Минерализация в водозаборной скважине может увеличиться вследствие подсасывания минерализованных вод из других водоносных горизонтов или проникновения в используемый водоносный горизонт поверхностных загрязнений.

Даже в естественных условиях вода движется из одного водоносного горизонта в другой; при работе же водозаборной скважины вследствие создания депрессионной воронки приток из других водоносных горизонтов усиливается. В результате изменяется химический состав воды в скважине, так как степень и характер минерализации вод разных водоносных горизонтов могут быть различны.

Обычно следует опасаться значительного подсасывания из нижележащего водоносного горизонта, так как минерализация воды, как правило, возрастает с глубиной. Ниже приводится ряд примеров изменения минерализации воды в водозаборных скважинах, вызванного подсасыванием минерализационных вод из пород, подстилающих используемый водоносный горизонт.

Водопровод г. Березники, находящийся на западном склоне Северного Урала, питается водами водоносного горизонта известняков плитняковой толщи кунгурского яруса. Воды эти пресные, содержат небольшое количество сульфатов (до 30 мг/л) и хлоридов (до 15 мг/л), общая жесткость их не превышает 4—5 мг-экв/л. Водоносный горизонт плитняковой толщи подстилается загипсованными глинами и мергелями глинисто-мергелистой толщи того же яруса, воды которой содержат до 1000 мг/л сульфатов, до 20 мг/л хлоридов и имеют общую жесткость до 30 мг-экв/л.
При эксплуатации водозаборных скважин, доведенных до кровли глинисто-мергелистой толщи, минерализация вод плитнякового водоносного горизонта не изменяется до тех пор, пока динамический уровень в скважинах находится выше пьезометрического уровня воды в глинисто-мергелистой толще. Но когда динамический уровень воды опускается ниже этого пьезометрического уровня, из глинисто-мергелистой толщи подсасываются сульфатные воды. Скважины дают воду с содержанием сульфатов до 200 мг/л и общей жесткостью до 11—13 мг-экв/л. После уменьшения интенсивности эксплуатации скважин восстанавливается химический состав воды, соответствующий обычному ее составу в водоносном горизонте плитняковой толщи.
Как указывает Н. А. Плотников, водозаборная скважина спиртового завода в районе г. Брянска, пройденная на водоносный горизонт верхней части девонских известняков, подсасывает воду из нижней части этих известняков, вследствие чего жесткость воды в скважине с 1905 по 1927 г. увеличилась с 2,3 до 4,4 мг-экв/л.
Значительное увеличение минерализации воды в водозаборных скважинах вследствие притока минерализованных вод из нижнего водоносного горизонта наблюдалось в г. Жигулевске, расположенном на коренном берегу Волги. Водозаборные скважины глубиной до 60 м питаются водами водоносного горизонта верхнего карбона. Согласно данным А. А. Павлова (1957), в октябре 1955 г. вода скважин содержала 460—740 мг/л сухого остатка, общая жесткость ее была равна 7,5—8,5 мг-экв/л. Но в 1956 г. одновременно с заполнением Куйбышевского водохранилища резко повысилась минерализация воды в действующих водозаборных скважинах в основном за счет сульфатов. Содержание сухого остатка в воде достигло 2060—2580 мг/л, а общая жесткость увеличилась до 15 мг-экв/л.
Это связано с тем, что Волга дренирует не только пресные воды верхнего карбона, но и минерализованные воды среднего карбона. Поэтому при подъеме уровня воды в реке в связи с заполнением водохранилища интенсивность дренирования минерализованных вод уменьшилась, что вызвало повышение уровня вод на возвышенном коренном берегу, где расположены водозаборные скважины г. Жигулевска. Таким образом, облегчилось подсасывание этих вод указанными скважинами.

Химический состав воды в эксплуатируемом водоносном горизонте вследствие нарушения естественного гидродинамического режима изменяется, по-видимому, всегда, но если водоносный горизонт изолирован от других достаточно мощными водоупорными или слабоводопроницаемыми породами, эти изменения малы и не имеют практического значения.

Влияние водохранилищ на изменение состава подземных вод может проявляться не только в увеличении подсасывания минерализованных вод из нижних водоносных горизонтов. Часто наблюдается, что вследствие подъема уровня воды в водохранилище происходит подпор грунтовых вод, замедляется их сток и увеличивается минерализация этих вод. В некоторых районах, примыкающих к Каховскому водохранилищу, ухудшились физико-химические показатели качества грунтовых вод после подъема уровня воды в водохранилище в результате увеличения содержания в них сульфатов кальция, так как в водоносную толщу включились загипсованные лёссовидные супеси и суглинки (Л. М. Дунаевская и др., 1962).

Химический состав подземных вод в г. Березники значительно изменился после заполнения Камского водохранилища. Вследствие подпора поверхностных и подземных вод на территории города значительно возросла интенсивность загрязнения последних стоками расположенных здесь промышленных предприятий (Я. И. Вайсман, Б. Б. Немковский, 1963).

Увеличение минерализации воды в водозаборных скважинах иногда наблюдается при расположении их близ берега моря. Так, Я. П. Озолиным было установлено, что в г. Жданове, расположенном на побережье Азовского моря при впадении в него р. Кальмиуса, вода водозаборных скважин засолоняется вследствие подсасывания морской воды.

Последнее время случаи проникновения морских соленых вод в эксплуатируемые водоносные горизонты часто отмечаются в отечественной и зарубежной литературе: в Эстонской ССР на побережье Балтийского моря, в прибрежных зонах Калифорнии в США, в прибрежных районах Японии и др.

Иногда изменение минерализации воды в водоносном горизонте связано с процессами, происходящими в зоне аэрации. Интересным примером этого явления может служить надъюрский водоносный горизонт, используемый Мытищинским водозабором, который эксплуатируется уже более 100 лет. По данным С. А. Озерова, общий расход водозабора с 4000 м3/сутки в 1805 г. увеличился до 41 500 м3/сутки в 1903 г. За этот период уровень воды в скважинах снизился на 13 м, а минерализация ее возросла следующим образом: количество сухого остатка увеличилось с 145 до 501 мг/л, общая жесткость — с 2,3 до 7,7 мг-экв/л, количество сульфатов — с 5 до 140 мг/л, хлоридов — с 2,5 до 5,1 мг/л, железа—с 0,13 до 1,3 мг/л.

Надъюрский водоносный горизонт покрыт толщей морены, мощность которой достигает 10—15 м, но в отдельных местах морена отсутствует. Выше залегают послеледниковые отложения, состоящие из песков, глин и торфа. Согласно исследованиям С. А. Озерова, повышение минерализации воды в Мытищинском водозаборе связано с выщелачиванием серных соединений, заключенных в осушаемой части торфяных массивов, вследствие снижения уровня подземных вод в этом районе под влиянием эксплуатации водозабора.

Начиная с 1903 г., в течение 15 лет общий дебит Мытищинского водозабора был уменьшен до 30 000—35 000 м3/сутки. Это привело к уменьшению минерализации воды в скважинах; количество сухого остатка понизилось до 320 мг/л, общая жесткость — до 5,3 мг-экв/л и содержание сульфатов — до 54 мг/л. Наибольший расход водозабора приходится на 1903 г., а максимальная минерализация воды отмечалась в 1910 г. Таким образом, на изменение химического состава воды в данных условиях потребовалось около 7 лет.

Химический состав вод аллювиальных террас, как уже указывалось, непостоянен вследствие изменения количества вод, поступающих в эти отложения из различных источников питания.

Изменение состава воды в эксплуатируемом водоносном горизонте часто бывает связано с проникновением в него загрязненных грунтовых или поверхностных вод. Изучение ряда районов показывает, что в местах, где имеются крупные источники загрязнения, занимающие большие площади (крупные поля фильтрации, большие города и заводы, особенно химические), изменяется минерализация не только грунтовых, но и артезианских вод.

Примером влияния крупного поверхностного источника загрязнения на состав артезианских вод являются Люберецкие поля фильтрации, находящиеся в окрестностях Москвы. В районе этих полей фильтрации водозаборные скважины питаются водами мячковско-подольского водоносного горизонта среднего карбона, залегающего здесь на глубине 50—60 м от поверхности земли под глинами верхнего карбона и верхней юры.

Мощность глин верхнего карбона не превышает 10 м, а мощность верхнеюрских глин непостоянна. Имеется участок к югу от полей фильтрации, где верхнеюрские глины совсем отсутствуют, в других частях района и в пределах площади, занятой полями фильтрации, мощность этих глин колеблется от 10 до 40 м.

Поля фильтрации были организованы в 1913 г1. Они занимали площадь около 1300 га. После 8 лет эксплуатации полей фильтрации химический состав вод мячковско-подольского водоносного горизонта начал изменяться (табл. 9). Из этой таблицы видно, что, кроме увеличения общей минерализации содержания хлоридов и сульфатов, отмечается большое повышение количества железа. В загрязненных водах также отмечается резкий запах сероводорода.

химический состав артезианской воды изменяется в скважинах, имеющих конструкцию, удовлетворяющую санитарным требованиям.

Химический состав артезианских вод, по данным 1952 г., изменился в зоне шириной около 3 км и длиной 9,5 км, вытянутой к юго-западу от полей фильтрации вниз по потоку подземных вод к р. Москве. За пределами этой полосы химический состав артезианских вод практически не изменялся.

В последние годы в г. Люберцы, расположенном непосредственно ниже по потоку подземных вод Люберецких полей фильтрации, значительно увеличился отбор воды из водоносного горизонта среднего карбона. Согласно данным В. Ф. Ефремова и Б. М. Кудрявцевой, это обусловило полный перехват загрязненных подземных вод водозаборными скважинами города, вследствие чего уменьшилась площадь зоны влияния указанных полей фильтрации.

Таким образом, сточные воды проникли в артезианский водоносный горизонт через покрывающие его отложения. В этом районе нет недействующих заброшенных скважин, которые могли бы служить путями для движения загрязненных грунтовых вод. Кроме того, химический состав артезианской воды изменяется в скважинах, имеющих конструкцию, удовлетворяющую санитарным требованиям. Однако, несмотря на заметное влияние полей фильтрации на химический состав артезианских вод в бактериальном отношении, качество последних остается удовлетворительным.

1 В настоящее время Люберецкие поля фильтрации постепенно ликвидируются в связи со строительством мощной Люберецкой станции аэрации.

Проектирование разведочно-эксплуатационных скважин для водоснабжения.
Белицкий А.С., Дубровский В.В., Издательство "Недра", 1968