Особенности фильтрационных параметров пород зоны аэрации территории Удмуртской республики.O.А. Коновалова, 2000 г.
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
Вид грунта |
Гранулометрический состав, % |
- >10
- мм
|
10-5мм |
5-2мм |
2-1мм |
1-0.5мм |
- 0.5-0.25
- мм
|
- 0.25-0.1
- мм
|
0.1-0.05мм |
песок мелкий |
|
- 01-0.22
- 0.03
|
- 0-0.7
- 0.1
|
- 0.0-0.9
- 0.2
|
- 0.1-4.1
- 0.9
|
- 2.3-56.3
- 17.9
|
- 22.1-64
- 38.1
|
- 13.1-27
- 16.4
|
- песок
- пылев.
|
- 0-0.4
- 0.1
|
- 0-0.2
- 0.1
|
- 0
- 0
|
- 0.0-0.2
- 0.1
|
- 0.1-0.2
- 0.1
|
- 13-15.6
- 14.9
|
- 37.8-58
- 48.9
|
- 33.6-48
- 35.7
-
|
Примечание: 1 - минимальное значение; 2 - максимальное значение; 3 - среднее значение.
Коэффициент фильтрации (Кф) определялся в образцах с нарушенной и ненарушенной структурой. Кф 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 Кф 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) Кф песка мелкого близок к среднему значению Кф аналогичных песков в уплотненном состоянии, полученным лабораторными методами, и равен 4.9м/сут.
Таблица 2
Гранулометрический состав аллювиальных суглинков
Вид грунта |
Гранулометрический состав |
- песчаные частицы
- (2-0.05мм), %
|
- пылеватые частицы
- (0.05-0.002мм), %
|
- глинистые частицы
- (< 0.002мм), %
|
Суглинок средний |
- 41.1 - 48.9
- 44.3
|
- 34.8 - 39.6
- 37.5
|
- 16.3 - 19.3
- 18.2
|
Суглинок тяжелый |
- 28.2 - 63.0
- 41.5
|
- 22.8 - 46.4
- 34.0
|
- 20.2 - 29.7
- 24.5
|
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%. Кф 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 Кф 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
Вид грунта |
Гранулометрический состав |
- гравийные
- частицы
- (>2мм), %
|
- песчаные
- частицы
- (2-0.05мм), %
|
- пылеватые
- частицы
- (0.05-0.002мм), %
|
- глинистые
- частицы
- (< 0.002мм), %
|
Песок |
- 0.0 - 2.3
- 0.3
|
- 97.7 - 100.0
- 99.7
|
|
|
Суглинок |
|
- 20.7 - 70.4
- 44.6
|
- 17.3 - 50.9
- 43.6
|
- 12.3 - 28.8
- 21.1
|
Глина |
|
- 18.9 - 21.4
- 20.1
|
- 45.8 - 48.7
- 47.5
|
- 30.9 - 32.4
- 31.3
|
Пористость суглинков - 43.2 - 45.6%, в среднем - 43.9%. Отмечается снижение пористости вниз по разрезу. Кф суглинков, определенный опытными наливами в шурфы, равен 0.01 - 0.5м/сут. Соответственно снижению пористости отмечается уменьшение Кф с глубиной. На глубине 0.9 - 1.0м пористость суглинков - 45.6%, Кф – 0.5м/сут. На глубине 2.9 - 3.0м пористость суглинков 43.2%, Кф – 0,01м/сут .
Среди песков делювиально-солифлюкционного генезиса выделяются мелкие и пылеватые (таб.4).
Таблица 4
Гранулометрический состав делювиально-солифлюкционных песков
Вид грунта |
Гранулометрический состав, % |
- >10
- мм
|
10-5мм |
5-2мм |
2-1мм |
1-0.5мм |
- 0.5-0.25
- мм
|
- 0.25-0.1
- мм
|
0.1-0.05мм |
песок мелкий |
|
|
|
- 0-0.3
- 0.1
|
- 0.7-2.3
- 1.2
|
- 13.1-50
- 33.1
|
- 43-74.3
- 56.3
|
- 3.4-18.7
- 9.3
|
- песок
- пылев.
|
- 0-1.7
- 0.9
|
- 0-0.5
- 0.2
|
- 0-0.1
- 0
|
- 0.0-0.5
- 0.3
|
- 0.1-1.1
- 0.6
|
- 5.8-11.3
- 8.6
|
- 29.1-41
- 35.1
|
- 53-55.7
- 54.2
-
|
Кф 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 Кф 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
Вид грунта |
Гранулометрический состав |
- гравийные
- частицы
- (>2мм), %
|
- песчаные
- частицы
- (2-0.05мм), %
|
- пылеватые
- частицы
- (0.05-0.002мм), %
|
- глинистые
- частицы
- (< 0.002мм), %
|
Песок |
- 0.0 - 11.0
- 1.2
|
- 89.0 - 100.0
- 98.8
|
|
|
Супесь |
|
- 52.4 - 79.2
- 65.9
|
- 16.1 - 37.9
- 29.5
|
- 4.7 - 9.8
- 7.7
|
Суглинок |
|
- 15.6 - 84.6
- 53.4
|
- 13.8 - 66.3
- 28.5
|
- 11.2 - 29.9
- 18.1
|
Глина |
|
- 3.5 - 46.7
- 30.9
|
- 23.3 - 55.2
- 36.0
|
- 30.0 - 41.3
- 34.6
|
Для глин характерна величина пористости, равная 43.01 - 43.32%, в среднем 43.2%. Кф 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
Вид грунта |
Гранулометрический состав, % |
- >10
- мм
|
10-5мм |
5-2мм |
2-1мм |
1-0.5мм |
- 0.5-0.25
- мм
|
- 0.25-0.1
- мм
|
0.1-0.05мм |
песок мелкий |
|
|
|
- 0-0.2
- 0.1
|
- 0.3-1.1
- 0.7
|
- 13.7-39
- 28.6
|
- 41.7-62
- 54.9
|
- 6.5-25.1
- 15.6
|
- песок
- пылев.
|
- 0-6.1
- 1.8
|
- 0-2.4
- 0.6
|
- 0-2.5
- 0.6
|
- 0.0-1.3
- 0.3
|
- 0.1-0.4
- 0.2
|
- 4.5-12.9
- 6.8
|
- 10.6-48
- 24.8
|
- 36.9-49
- 44.8
-
|
В случае рыхлого сложения (коэффициент пористости е > 0.7) Кф 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 Кф до 4.1м/сут (от 0.3 до 7.7м/сут).
Кф 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
Вид грунта |
Гранулометрический состав |
- гравийные
- частицы
- (>2мм), %
|
- песчаные
- частицы
- (2-0.05мм), %
|
- пылеватые
- частицы
- (0.05-0.002мм), %
|
- глинистые
- частицы
- (< 0.002мм), %
|
Песок |
- 0.0 - 10.1
- 1.0
|
- 89.9 - 100.0
- 99.0
|
|
|
Суглинок |
|
- 10.0 - 55.9
- 38.0
|
- 24.3 - 70.3
- 40.3
|
- 19.2 - 24.6
- 20.1
|
Глина |
|
- 3.0 - 11.9
- 7.4
|
- 24.2 - 56.3
- 49.7
|
- 20.1 - 32.8
- 42.8
|
Согласно гранулометрической классификации песков выделены пески мелкие, пылеватые и средней крупности.
Таблица 8
Гранулометрический состав водно-ледниковых песков
Вид грунта |
Гранулометрический состав, % |
- >10
- мм
|
10-5мм |
5-2мм |
2-1мм |
1-0.5мм |
- 0.5-0.25
- мм
|
- 0.25-0.1
- мм
|
0.1-0.05мм |
песок мелкий |
- 0-0.1
- 0.1
|
- 0-0.1
- 0
|
- 0-0.1
- 0
|
- 0-0.2
- 0.1
|
- 0.1-1.2
- 0.5
|
- 13.5-38
- 24.7
|
- 41.9-65
- 55.8
|
- 12.2-23
- 18.6
|
- песок
- пылев.
|
|
|
|
|
0.2 |
13,1 |
34.4 |
52.3 |
песок ср.крупности |
- 0-0.2
- 0.1
|
- 0-0.2
- 0.1
|
- 0-0.2
- 0.1
|
- 0.2-0.7
- 0.1
|
- 2.4-6.5
- 3.8
|
- 56.7-73
- 63.8
|
- 16.4-35
- 27.8
|
- 2.5-5.8
- 4.2
|
Пески мелкие при е > 0.7 имеют Кф 2.6 - 11.8 м/сут, среднее значение 6.0м/сут. В уплотненном состоянии Кф изменяется от 0.8 до 6.5, среднее значение 2.8м/сут. Кф песка пылеватого при е > 0.8 равен 0.7м/сут, при е < 0.6 Кф = 0.2м/сут.
Кф 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 Кф 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
Вид грунта |
Гранулометрический состав, % |
- >10
- мм
|
10-5мм |
5-2мм |
2-1мм |
1-0.5мм |
- 0.5-0.25
- мм
|
- 0.25-0.1
- мм
|
0.1-0.05мм |
- песок
- пылев.
|
|
|
|
0.1 |
0.8 |
44.3 |
52.7 |
2.1 |
песок ср.крупности |
|
|
|
- 0-0.5
- 0.1
|
- 0.4-2.5
- 1.7
|
- 48.9-62
- 56.3
|
- 29-49.6
- 38.7
|
- 0.5-5.8
- 3.1
|
По данным, полученным лабораторными методами, Кф песка пылеватого в рыхлом состоянии составляет 25.9м/сут, в уплотненном 17.5м/сут. По результатам опытных наливов в шурфы Кф песка пылеватого, в среднем, равен 4.0м/сут.
Кф 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 Кф песка средней крупности, в среднем, равен 25.0м/сут, что близо к Кф 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
Вид грунта |
Гранулометрический состав |
- песчаные частицы
- (2-0.05мм), %
|
- пылеватые частицы
- (0.05-0.002мм), %
|
- глинистые частицы
- (< 0.002мм), %
|
Суглинок |
- 25.3 - 28.5
- 26.3
|
- 44.6 - 53.8
- 49.2
|
- 19.7 - 30.4
- 25.1
|
Пористость суглинков, в среднем, составляет 45.3%. Кф 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
Генетический тип отложений |
Вид грунта |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
рыхлое сложение |
плотное сложение |
естественное состояние |
аллювиальный |
суглинок слоистый |
3.2 |
песок пылеватый |
4.1 |
1.5 |
песок мелкий |
7.8 |
4.4 |
делювиально-солифлюкционный |
суглинок |
0.2 |
песок пылеватый |
0.9 |
0.3 |
песок мелкий |
11.9 |
6.3 |
элювиально-делювиальный |
глина |
0.06 |
песок пылеватый |
1.3 |
0.2 |
песок мелкий |
8.4 |
4.1 |
водно-ледниковый |
песок пылеватый |
0.7 |
0.2 |
песок мелкий |
6.0 |
2.8 |
песок ср. крупности |
27.3 |
10.8 |
эоловый |
песок пылеватый |
25.9 |
17.5 |
4.0 |
песок ср. крупности |
25.8 |
17.4 |
проблематичный |
суглинок |
0.07 |
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.
Назад
|