Оценка защищенности межпластовых вод

В условиях этажного расположения водоносных горизонтов (выделяется от 2-3 до 8-10 водоносных пластов) в пермских, особенно верхнепермских образованиях на Бугульминско-Белебеевской возвышенности, Камско-Бельской низменности и отдельных участках Юрюзано-Айской равнины, защищенность пресных вод от проникновения загрязняющих веществ с глубиной усиливается (время проникновения увеличивается). Слои разделяющие водоносные горизонты, представлены аргиллитами, глинами, алевролитами с коэффициентами фильтрации в среднем n·10^-4 м/сут. На отдельных участках, особенно в приповерхностных частях Уршак-Ашкадарского, Усень-Демского междуречий и Юрюзано-Айской равнины, коэффициент фильтрации глинистых пород составляют n·10^-2 – n·10^-3 . Основную роль в формировании подземного стока играют процессы взаимосвязи водоносных горизонтов через слабопроницаемые слои. В качестве показателя вертикальных межпластовых перетоков используются градиент фильтрации. Для двух напорных горизонтов (или безнапорного и напорного) он равен отношению разности отметок уровней вод этих горизонтов и мощности разделяющего слабопроницаемого слоя.

Экспериментальным путем установлено, что движение воды через глины начинается только при достижении определенной величины градиента, названной начальным градиентом фильтрации. В природных условиях фильтрация через глинистые породы происходит при величине градиентов 0,02 – 1. По особенностям изменения уровней вод выделяется три типа гидродинамических разрезов.

Тип I свойственен водоразделам и склонам долин. Здесь наблюдается обратное соотношение уровней вод этажнорасположенных горизонтов с глуби­ной (уменьшения их абсолютных отметок), что является необходимым услови­ем возникновения нисходящих межпластовых перетоков (рисунок 7). Градиент фильтрации всегда имеет положительную величину (J > 0). В зависимости от величины напора воды, обусловленной главным образом мощностью и выдер­жанностью глинистых пород в составе данного типа выделяется три вида гид­родинамических разрезов, из которых (1А) свойственен Уфимскому плато и Бугульминско-Белебеевской возвышенности (3·J·I), а два других (1Б и 1В) -Камско-Бельскому понижению (1> J >0). В их пределах градиенты фильтрации с глубиной обычно уменьшаются.

Тип ІІ - отражает гидродинамическую обстановку в речных долинах Камско-Бельского бассейна, где наблюдается прямое соотношение уровней вод в многослойном разрезе (рост отметок с глубиной), что вызывает восходящие перетоки их нижних горизонтов в верхние, в конечном итоге - в аллювий и русла рек (см. рисунок 7). Величина вертикального градиента фильтрации колеб­лется от минус 0,01 до минус 0,3.

Тип III гидродинамических разрезов встречаются в восточной и центральной частях Юрюзано-Сылвинской депрессии, где водоносные отложения (конгломераты, песчаники) обладают высокой проницаемостью, в то время как глинистые разновидности пород относительно маломощны, фациально не выдержаны и нередко сильно трещеноваты. Водоносные горизонты, вскрываемые на различных глубинах, имеют один уровень, т.е. представляют собой единую гидравлическую систему. Градиент фильтрации равен нулю (или близок к нему). Поэтому вертикальная миграция вод может осуществляться под действием градиентов, имеющих иную природу, нежели гидростатическую, например градиента плотности воды.

Рисунок 7 Схема взаимосвязи водоносных горизонтов зон интенсивной и затрудненной циркуляции

I зона аэрации; 2, 3 – породы; 2 - водопроницаемые, 3 - относительно водоупорные; 4-пьезометрический уровень, 5 - направления и градиенты фильтра­ции; 6-изолинии минерализации, г/л; 7-скважина (стрелка соответствует напору вод, закрашены водопроницаемые породы).

С учетом соотношением уровней (градиентов фильтрации) выделяются три категории защищенности напорных вод.

І защищенные: водоносные горизонты разделены выдержанным по площади и без нарушения сплошности водоупором при m > 10 м и H₂ > H₁ (H₂ – уровень нижележащего и H₁ – уровень вышележащего горизонтов). В группе І защищенность напорных вод обеспечивается большой мощностью водоупора и такими гидродинамическими условиями, при которых невозможно перетекание загрязненных подземных вод сверху.

ІІ – условно защищенные: водоносные горизонты перекрыты выдержанным по площади водоупором без нарушении сплошности при 5м < m <10м и H₂> H₁, а при m > 10м и H₂ ≤ H₁.

III - незащищенные: водоупор небольшой мощности т<5 м и H₂<H ₁.

Выполненный анализ соотношения уровней свидетельствует о том, что водораздельные пространства и склоны долин Башкирского Предуралья (I и II типы гидродинамических разрезов) относятся к III, иногда - II категории за­щищенности. В крупных речных долинах (тип II гидродинамической обстанов­ки) наблюдается прямое соотношение уровней (H₂ > H₁), вызывающее восхо­дящие перетоки вод из нижних горизонтов в верхние. Вследствие этого раз­грузка природных некондиционных (соленых и рассольных) вод вызывает ухудшение качества пресных вод аллювиальных отложений.

Количественная оценка условий защищенности межпластовых (безна­порных и напорных) во времени фильтрации загрязненных вод из вышележа­щих горизонтов через разделяющий водоупор оценивается по формуле:

где

t – время перетекания;

т, п, К – мощность, активная пористость и коэффициент фильтрации разде­ляющих глинистых пород;

J – градиент фильтрации.

Данные для расчета по вариантам приведены в таблице 3. В целом расче­ты времени проникновения загрязняющих веществ в этажнорасположенные во­доносные горизонты свидетельствуют о том, что в верхний горизонт загряз­няющие вещества проникают за время менее одного года. В нижележащие во­доносные горизонты время проникновения загрязнения с глубиной увеличива­ется и достигает нескольких лет, т.е. степень защищенности их увеличивается.

По времени фильтрации загрязненных вод выделяются водоносные гори­зонты не защищенные (менее одного года) и условно защищенные (свыше од­ного года).

Таблица 3

Варианты для расчета времени перетекания подземных вод

в пермских отложениях из верхних в нижние водоносные горизонты