2 Оцінка ступеня захищеності грунтових вод від антропогенного забруднення

При різних видах антропогенної діяльності відбувається забруднення вод зони аерації (води родючого ґрунту й верховодки) та підгрунтових вод. У зв’язку з цим, при проектуванні різних інженерних споруд виникає необхідність у прогнозуванні можливого впливу таких споруд на природний стан ҐВ, що багато у чому визначається ступенем їхньої ізольованості від даної поверхні.

2.1 Кількісна оцінка захищеності ҐВ

В основу кількісної оцінки захищеності ҐВ від забруднення фільтратом покладене визначення часу (t), за який забруднена вода, що фільтрується з поверхні землі (днища полігону), досягає рівня ҐВ. Наближена оцінка величини t може бути здійснена за відомою формулою Цункера, яку у спрощеному вигляді для умов однорідного розрізу записують у такому вигляді:

t=(s·H/K_ф) [m/H-ln(1+m/H)], (2.1)

де H – висота стовпа забруднених (стічних) вод у межах полігону, м;

К_ф – коефіцієнт фільтрації порід зони аерації, м/добу;

m – потужність порід зони аерації, м;

s – нестача насичення порід зони аерації (s=n-n_e, де n – пористість, n_e – початкова вологість порід зони аерації);

Оскільки n_e, звичайно, невідома, то при розрахунку замість неї можна використати значення n, тобто формулу (2.1) можна записати у вигляді:

t=(n·H/K_ф) [m/H-ln(1+m/H)]. (2.2)

Розрахунки за формулами (2.1, 2.2) показують, що час проникнення стоків до ҐВ істотно залежить від значення К_ф , але в цілому цей час невеликий. Так, при К_ф більше 0,5 м/добу час руху стоків не перевищує декілька діб навіть при відносно великій потужності зони аерації (m>10 м); при К_ф менше 0,5 м/добу час фільтрації збільшується до декількох діб; при К_ф<0,01 м/добу і m>20 м – час фільтрації досягає перших сотень діб.

При двошаровій побудові зони аерації з малопроникним верхнім шаром (водоупором) час фільтрації стоків (фільтрату) до рівня ҐВ складається із часу руху у верхньому (t₁) та нижньому (t₂) шарах. Час (t₁) визначається за формулами (2.1) та (2.2) при підставленні в них параметрів К₁, m₁ для верхнього шару, а час t₂ визначається за формулою (2.3):

t=n₂·H/K_ф2·{m₂/H-[1-m₁/H·(K_ф2/K_ф1-1)] ln(1+m₂/H+m₁)},(2.3)

де n₂, m₂, К_ф2 – відносно пористість, потужність і коефіцієнт фільтрації нижнього, відносно добре проникного шару.

Аналіз показав, що при К₁/К₂ менше за 0,1 час руху стоків у двошаровому розрізі в основному визначається часом руху через верхній, слабкопроникний (водоупорний) шар. Тому для наближеної оцінки часу руху скрізь двошаровий розріз можна обмежитись визначенням за формулами (2.1) і (2.2) для часу руху стоків крізь слабкопроникний шар шляхом підстановки у ці формули параметрів водоупорного шару. У випадку неоднорідності будови відкладень зони аерації можливий другий наближений підхід: приведення неоднорідного розрізу до однорідного з середнім коефіцієнтом фільтрації, запропонованим Бочетвером:

K_ср=m/(m₁/K_ф1+m₂/K_ф2+…+m_і/K_і), (2.4)

де m₁, m₂…m_і – потужності окремих шарів, м;

К_ф1, К_ф2,…,К_фі – коефіцієнти фільтрації тих же шарів, м/добу;

m – потужність зони аерації, м.

При фільтрації з поверхні землі стічних вод (СВ), що скидаються з постійною витратою Q у приймач площею F, можуть бути два випадки. Якщо q<K_ф, де K_ф – коефіцієнт фільтрації порід зони аерації у випадку однорідного розрізу, q=Q/F, то стічні води, які потрапляють на поверхню землі (днище полігону) повністю підуть на інфільтрацію, не утворивши на поверхні землі стовпа води (H=0). В такому випадку час досягнення СВ рівня ҐВ можна визначити за формулою:

. (2.5)

Якщо ж q>К_ф, то на поверхні землі утворюється стовп СВ, що змінюється у часі H=f(t), і час фільтрації до рівня ҐВ може бути визначений за формулою:

(2.6)

Якщо розріз неоднорідний і складається із декількох шарів із різними фільтраційними властивостями, то час фільтрації можна оцінити таким чином. Якщо К_ф кожного шару більше q, то неоднорідний розріз приводиться до однорідного за допомогою формули (2.4) й розрахунок величини t виконується за формулою (2.5) при підстановці в неї замість значення (середнього). Так само чинять, якщо К_ф кожного шару менший q, але тільки у цьому випадку величину t розраховують за формулою (2.6), і далі отримані значення підсумовуються.

Для розрахунку часу фільтрації за формулами (2.5) і (2.6) як розрахункове значення q приймається 0,03 м/добу.

За часом досягнення рівня ҐВ виділяються такі категорії захищеності ґрунтових вод: I – t<10, II – t=10-50, III – t=50-100, IV – t=100-200, V – t=200-400 й VI – t>400 діб. Чим вища категорія, тим краще природна захищеність ҐВ від техногенного забруднення.

2.2 Розрахунок кількісної оцінки рівня захищеності ҐВ

Варіант 1. Джерелом забруднення є накопичувач рідких відходів металургійного підприємства. Висота стовпа промислових стоків у накопичувачі (H) складає 1,9 м. Породи зони аерації мають наступні усереднені характеристики: потужність m=2 м, пористість n=15 %, К_ф=0,011 м/добу. Дати кількісну оцінку часу фільтрації з накопичувача рідких відходів металургійного підприємства.

Для кількісної оцінки часу фільтрації з накопичувача рідких відходів може бути використана формула (2.2):

t=(n·H/K_ф) [m/H-ln(1+m/H)],

(0,15*1,9/0,011)[2/1,9-ln*(1+2/1,9)] = 8,64 діб.

Таке значення t відповідає низькому рівню (І категорії) захищеності ҐВ, що дозволяє припускати високий негативний вплив СВ, накопичених в приймачі рідких відходів.

Варіант 2. Джерелом забруднення є накопичувач рідких відходів металургійного підприємства. СВ скидаються на поверхню землі та практично повністю витрачаються на інфільтрацію, не утворюючи стовпа рідини. Породи зони аерації мають наступні усереднені характеристики: потужність m=2 м, пористість n=17 %, К_ф=0,011 м/добу. Дати кількісну оцінку часу фільтрації накопичувача рідких відходів металургійного підприємства.

В цьому випадку розрахунок часу досягнення рівня ҐВ визначається формулою (2.5):

,

=0,64 доби.

Таке значення t відповідає дуже низькому рівню (І категорії) захищеності ҐВ, що дозволяє припускати величезний негативний вплив СВ, накопичених в приймачі рідких відходів.

2.3 Якісна оцінка захищеності ҐВ

Якісна оцінка природних ҐВ виконується за такими показниками:

1. глибина залягання ҐВ або потужність зони аерації;

2. будова й літологічні особливості порід зони аерації;

3. потужності слабо проникних порід у розрізі зони аерації;

4. фільтраційні властивості порід зони аерації і перш за все слабопроникних різностей.

Найменш захищеними є ҐВ за умов, коли зона аерації представлена добре проникними відкладеннями і у їх розрізі відсутні слабкопроникні літологічні прошарки. Збільшення глибини залягання ҐВ хоча й покращує їхню захищеність, але вплив цього фактору менше істотний, ніж наявність водоупорних порід у розрізі зони аерації.

Якісна оцінка природної захищеності ҐВ може бути здійснена на основі визначення категорій захищеності ҐВ I, II, III, IV, V, VI у балах. Більш високим категоріям відповідає більша сума балів – сумарний показник захищеності ҐВ.

Як вихідна одиниця для оцінки балів прийняте визначення за формулою (2.2) часу фільтрації крізь зону аерації, складену з добре проникних порід (К_ф=2 м/добу) потужністю 10 м .Час фільтрації t₁ крізь зону аерації, складену такими породами, потужністю 20 м приблизно вдвічі більший (t₂=2t₁); крізь зону аерації потужністю 30 м – втричі більший (t₃=3t_i) тощо.

Звичайно, зона аерації (глибина залягання ҐВ) коливається від 3 до 30 м, рідко перевищуючі 40-50 м. Тому виділяють 5 градацій глибин залягання : до 10, 10-20, 20-30, 30-40, більш як 40 м. Першій градації з мінімальною (до 10 м) глибиною залягання рівня ҐВ, час фільтрації для якої дорівнює t₁, відповідає 1 бал; другій – 2 бали, третій – 3 бали, четвертій – 4 бали, п’ятій (більш ніж 40 м ) – 5 балів (за табл.2.1).

Таблиця 2.1 – Градації глибин залягання рівнів ҐВ та кількість балів, яка їм відповідає

Номер градації	1	2	3	4	5
Глибина ,м	<10	10-20	20-30	30-40	>40

Потужність слабопроникних порід зони аерації поділяється на 11 градацій (до 2, 2-4, 4-6 ... понад 20 м), а серед них за літологічними та фільтраційними особливостями виділяються 3 групи: а – супіски , легкі суглинки з К_ф=0,1-0,01 м/добу; с – важкі суглинки й глини з К_ф менший 0,001 м/добу; в – проміжна між а та с суміш порід із значеннями К_ф=0,01-0,001 м/добу (за табл.2.2).

Висновки: при визначенні кількісної оцінки рівня захищеності ҐВ на ділянках, що розглядаються, я дійшла висновку, що досліджувана ділянка у першому варіанті відповідає за часом досягнення ҐВ І категорії, тобто найвищому рівню захищеності ҐВ, а в другому – V категорії, що також відображає високий рівень захищеності ҐВ. Досліджувані ділянки першого та другого варіанту дозволяють припустити, що ГВ не зазнають значного негативному впливу СВ, накопичених в приймачі рідких відходів.

Щодо якісної оцінки рівня ҐВ можна сказати, що розглядувана ділянка має аналогічно добру природну захищеність (VІ категорія).

Таблиця 2.2 - Градації потужностей слабо проникних порід зони аерації та кількість балів, яка їм відповідає

Номер градації	Потужність відкладень, м	Група відкладень
		a	в	c
1	<2	1	1	2
2	2-4	2	3	4
3	4-6	3	4	6
4	6-8	4	6	8
5	8-10	5	7	10
6	10-12	6	9	12
7	12-14	7	10	14
8	14-16	8	12	16
9	16-18	9	13	18
10	18-20	10	15	20
11	>20	12	18	25

Примітка: а – супіски, легкі суглинки; в – суміш порід груп а та с; с – важкі суглинки, глини.

Сума балів, що залежить від градації глибин залягання ҐВ, потужності слабопроникних порід та їх літології, визначають захищеність ҐВ, яку виражено показником захищеності (ПЗ). За значенням ПЗ існує 6 категорій захищеності ҐВ (табл.2.3).

Таблиця 2.3 – Категорії захищеності ҐВ (за ПЗ)

Категорії захищеності	I	II	III	IV	V	VI
Показник захищеності (за ПЗ)	<5	5-10	10-15	15-20	20-25	>25

2.4 Розрахунок якісної оцінки рівня захищеності ҐВ

В межах ділянки зона аерації представлена піском мілкозернистим (середня потужність 5 м), супісками (середня потужність 9 м) та легкими суглинками (середня потужність 8,5 м), а водоносний горизонт (середньої потужності 16 м) складений середньозернистими пісками. Мінімальна глибина залягання ҐВ визначається для грудня-лютого (час випадення мінімальної кількості опадів) і складає у середньому 38,5 м.

Таблиця 2.4 – Вихідні дані для завдання

№ п.ч.	Літологічний склад зони аерації	Потужність, м	Коефіцієнт фільтрації, м/добу	Пористість, в частках од.
1	Пісок мілкозернистий	0-3	0,007	0,25
2	Супісок	3-4	0,09	0,42
3	Суглинок легкий	4-7	0,005	0,25
4	Пісок мілкозернистий	7-10	1,1	0,46
5	Суглинок легкий	10-13	0,004	0,24
6	Супісок	13-15	0,14	0,45
7	Пісок середньозернистий	15-17	2,7	0,48

Згідно з табл. 2.1 глибина залягання ҐВ відповідає четвертій градації (30-40 м), тобто відповідає 4 балам. За літологічними особливостями зони аерації (група а – за табл.2.2) набирає ще 18 бали. Отже, сума складає 22 балів, що відповідає значенню ПЗ, відповідному V категорії. Така природна захищеність близька до помірної, вона дозволяє припускати можливість значного техногенного впливу на ҐВ, що залягають в умовах досліджуваної ділянки.

Висновки: при визначенні кількісної оцінки рівня захищеності ҐВ на ділянках, що розглядаються, я дійшла висновку, що досліджувана ділянка у першому варіанті відповідає за часом досягнення ҐВ І категорії, тобто низькому рівню захищеності ҐВ, а в другому теж І категорії, що також відображає низький рівень захищеності ҐВ. Досліджувані ділянки першого та другого варіанту дозволяють припустити, що ГВ зазнають значний негативний впливу СВ, накопичених в приймачі рідких відходів.

Щодо якісної оцінки рівня ҐВ можна сказати, що розглядувана ділянка має добру природну захищеність (V категорія).