Особенности фильтрационных параметров пород зоны аэрации территории Удмуртской республики.

В связи с интенсивным развитием нефтедобывающего комплекса в пределах Удмуртской республики особую актуальность приобрела проблема охраны подземных вод. Особенности геологического строения обусловливают тесную гидравлическую связь между водоносными горизонтами и комплексами внутри гидрогеологических этажей. Возникновение загрязнения на любой глубине приводит к последующему изменению качественного состава воды всей зоны пресных подземных вод.

Одним из основных путей загрязнения водоносных комплексов, используемых для питьевого водоснабжения, служит проникновение элементов-загрязнителей с поверхности. Естественная защищенность подземных вод в значительной степени определяется проницаемостью пород зоны аэрации. В пределах Удмуртской республики в строении зоны аэрации принимают участие отложения четвертичного и позднепермского возраста. Четвертичные отложения, характеризующиеся поровым типом проницаемости, составляют большую часть зоны аэрации, и оказывают определяющее влияние на особенности локализации и прогноз распространения возможного загрязнения.

В процессе проведения работ по геологическому доизучению центральной части территории республики в пределах Увинского, Селтинского, Старо-Зятцкого, Якшур-Бодьинского и Завьяловского районов (рис.1) получены новые данные об особенностях фильтрационных параметров четвертичных отложений. Полученная информация с высокой степенью надежности может использоваться для проектирования сети мониторинговых наблюдений за состоянием пресных подземных вод и прогноза распространения возможного загрязнения на близ расположенных нефтяных месторождениях.

Среди четвертичных отложений развит аллювий пойм, первой и второй надпойменных террас, водно-ледниковые, эоловые, делювиально-солифлюкционные, элювиально-делювиальные образования и покровные образования проблематичного генезиса.

Алювиальные отложения отмечаются в долинах рек Кильмези, Валы, Увы, Нылги и др. Они представлены песками, суглинками, галечниками. Изменение зернистости и проницаемости одновозрастных отложений по разрезу происходит монотонно. Галечники и пески, как правило, являются водоносными. Из аллювиальных отложений в состав зоны аэрации входят суглинки и пески верхней части разреза.

По гранулометрической классификации крупнообломочных и песчаных грунтов (СНиП II-15-74) среди песков аллювиального генезиса выделяются мелкие и пылеватые (таб.1).

Таблица 1

Гранулометрический состав аллювиальных песков

Примечание: ¹ - минимальное значение; ² - максимальное значение; ³ - среднее значение.

Коэффициент фильтрации (К_ф) определялся в образцах с нарушенной и ненарушенной структурой. К_ф песка мелкого в рыхлом состоянии изменяется от 2.4 до 10.9м/сут при среднем значении 7.8м/сут. В уплотненном состоянии - от 1.0 до 6.7м/сут, среднее значение 4.4м/сут.

Для песка пылеватого в рыхлом состоянии характерен разброс значений К_ф от 1.0 до 8.7м/сут, среднее – 4.1м/сут. В уплотненном состоянии - от 0.2 до 3.3м/сут при среднем 1.5м/сут.

По данным опытных наливов в шурфы (ненарушенное сложение грунтового массива) К_ф песка мелкого близок к среднему значению К_ф аналогичных песков в уплотненном состоянии, полученным лабораторными методами, и равен 4.9м/сут.

Таблица 2

Гранулометрический состав аллювиальных суглинков

Примечание: Виды грунтов выделены согласно классификации дисперсных грунтов по гранулометрическому составу Охотина В.В.

Пористость суглинков изменяется от 40.1 до 43.4%, в среднем составляя 41.7%. К_ф суглинков определен по результатам опытных наливов в шурфы и составляет 3.2м/сут. Слоистость террасовых суглинков предопределила значительное повышение их водопроницаемости в горизонтальном направлении. Высокое значение К_ф характеризует проницаемость всего грунтового массива, обусловленную, главным образом, горизонтальным направлением фильтрации.

Делювиально-солифлюкционные отложения слагают склоны речных долин северной и северо-восточной экспозиции. Представлены суглинками и глинами, в нижней части песками с гравием и галькой.

Таблица 3

Гранулометрический состав грунтов делювиально-солифлюкционного генезиса

Пористость суглинков - 43.2 - 45.6%, в среднем - 43.9%.  Отмечается снижение пористости вниз по разрезу. К_ф суглинков, определенный опытными наливами в шурфы, равен 0.01 - 0.5м/сут. Соответственно снижению пористости отмечается уменьшение К_ф с глубиной. На глубине 0.9 - 1.0м пористость суглинков - 45.6%, К_ф – 0.5м/сут. На глубине 2.9 - 3.0м пористость суглинков 43.2%, К_ф – 0,01м/сут .

Среди песков делювиально-солифлюкционного генезиса выделяются мелкие и пылеватые (таб.4).

Таблица 4

Гранулометрический состав делювиально-солифлюкционных песков

К_ф песка мелкого в рыхлом состоянии изменяется от 2.0 до 19.3м/сут при среднем значении 11.9м/сут. В уплотненном состоянии - от 0.8 до 10.8, среднее значение 6.3м/сут.

Для песка пылеватого в рыхлом состоянии отмечается варьирование К_ф от 0.6 до 1.2м/сут, среднее – 0.9м/сут. В уплотненном состоянии - от 0.2 до 0.5м/сут при среднем 0.3м/сут.

Элювиально-делювиальные образования в пределах изученного участка занимают значительную площадь. Они покрывают водораздельные поверхности и склоны, достигая мощности 6м. Представлены глинами, суглинками, супесями с дресвой, щебнем, гравием и галькой.

Таблица 5

Гранулометрический состав грунтов элювиально-делювиального генезиса

Для глин характерна величина пористости, равная 43.01 - 43.32%, в среднем 43.2%. К_ф глин определен опытными наливами в шурфы и составляет - 0.06м/сут.

Также как и среди песков аллювиального и делювиально-солифлюкционного генезиса, среди песков элювиально-делювиального генезиса выделены мелкие и пылеватые (таб.6).

Таблица 6

Гранулометрический состав элювиально-делювиальных песков

В случае рыхлого сложения (коэффициент пористости е > 0.7) К_ф песка мелкого изменяется от 1.5 до 15.2м/сут при среднем значении 8.4м/сут. При е < 0.6 (плотное сложение) фиксируется снижение среднего значения К_ф до 4.1м/сут (от 0.3 до 7.7м/сут).

К_ф песка пылеватого в рыхлом состоянии лежит в пределах от 1.1 до 1.5м/сут, среднее – 1.3м/сут. В уплотненном состоянии - от 0.2 до 0.3м/сут при среднем 0.2м/сут.

Водно-ледниковые отложения занимают центральную часть территории. Представлены песками с прослоями суглинков и глин.

Таблица 7

Гранулометрический состав грунтов водно-ледникового генезиса

Согласно гранулометрической классификации песков выделены пески мелкие, пылеватые и средней крупности.

Таблица 8

Гранулометрический состав водно-ледниковых песков

Пески мелкие при е > 0.7 имеют К_ф 2.6 - 11.8 м/сут, среднее значение 6.0м/сут. В уплотненном состоянии К_ф изменяется от 0.8 до 6.5, среднее значение 2.8м/сут. К_ф песка пылеватого при е > 0.8 равен 0.7м/сут, при е < 0.6 К_ф = 0.2м/сут.

К_ф песка средней крупности лежит в пределах от 22.7  до 31.1м/сут, среднее – 27.3м/сут, если е > 0.7. Когда е < 0.5 К_ф снижается до 8.4 - 12.6м/сут при среднем 10.8м/сут.

Эоловые отложения в пределах территории развиты локально. Представлены хорошо отсортированными рыхлыми песками.

Таблица 9

Гранулометрический состав эоловых песков

По данным, полученным лабораторными методами, К_ф песка пылеватого в рыхлом состоянии составляет 25.9м/сут, в уплотненном 17.5м/сут. По результатам опытных наливов в шурфы К_ф песка пылеватого, в среднем, равен 4.0м/сут.

К_ф песка средней крупности в рыхлом состоянии лежит в пределах от 22.6  до 32.3м/сут, среднее – 26.7м/сут. В уплотненном состоянии от 15.3 до 12.7м/сут при среднем 17.4м/сут. По результатам опытных наливов в шурфы К_ф песка средней крупности, в среднем, равен 25.0м/сут, что близо к К_ф при е > 0.7 по лабораторным данным.

Покровные образования проблематичного генезиса ранне - среднечетвертичного возраста занимают незначительную площадь в пределах территории. Представлены лессовидными суглинками (таб.10).

Таблица 10

Гранулометрический состав суглинков проблематичного генезиса

Пористость суглинков, в среднем, составляет 45.3%. К_ф равен 0.07м/сут.

Обобщая изложенный фактический материал, следует отметить, что проницаемость пород зоны аэрации в значительной степени обусловливается их генезисом. В качестве заключения приводим сводную таблицу коэффициентов фильтрации грунтов четвертичного возраста.

Таблица 11

Сводная таблица средних значений коэффициентов фильтрации

Рыхлые песчаные отложения характеризуются, в целом, высокими значениями коэффициентов фильтрации, а потому не могут выполнять роль защитных экранов для подземных вод. Проницаемость песков определяется их гранулометрическим составом (крупностью первичных частиц) и пористостью (плотностью упаковки).

Вопреки распространенному мнению, что большая мощность глинистых пород обеспечивает надежную защиту грунтовых вод от загрязнения, выявлены генетические типы отложений со значительной проницаемостью, несмотря на преобладание в их составе тонкодисперсных частиц. Наличие слоистости у террасовых суглинков обусловливает неодинаковую водопроницаемость грунтовых толщ в горизонтальном и вертикальном направлениях, причем скорость фильтрации в горизонтальном направлении в несколько раз превышает скорость фильтрации в вертикальном направлении.

Таким образом, при выборе оптимального размещения техногенных объектов, обеспечивающего максимальную защиту пресных подземных вод, следует учитывать, что песчаные отложения являются сильнопроницаемыми с коэффициентами вертикальной фильтрации от 1.5 до 25.6м/сут. Глинистые породы, в основном, выполняют роль адсорбционных барьеров на пути фильтрации загрязненных вод, но этот факт не является абсолютным и требует уточнения в каждом конкретном случае.