Влияние ожелезненных грунтовых вод на закрытый дренаж

Поступление железа в грунтовые воды Нечерноземья следует прежде всего объяснить тем, что здесь на огромных территориях абсолютно господствует процесс глееобразования, следствием которого является интенсивное обезже­лезнение почв и почвообразующих пород.

Высокие концентрации двухвалентного железа сами по себе, очевидно, не представляют опасности для работы дренажа, пока сохраняются анаэроб­ные условия. Однако, если возникает аэробная обстановка, значительные мас­сы двухвалентного железа переходят в форму трехвалентного гидроксида и выпадают в осадок. В последнем случае особенно опасна дегидратация амор­фных и рыхлых коллоидальных масс трехвалентного гидроксида железа. При этом (например, в период летней межени) внутри труб, на стыках керамиче­ских или в перфорации пластмассовых дрен формируются аккумуляции твер­дых осадков лепидокрокита, лимонита, гидрогетита и других гидроксидных несиликатных железосодержащих минералов. Это явление сопровождается вы­ходом из строя отдельных дрен, секций и дренажных систем.

Охра (коллоидальный осадок гидроксида трехвалентного железа) в све­жем состоянии имеет желеобразную консистенцию желтоватого или красно­вато-бурого цвета. После высыхания на воздухе она превращается в окрис- таллизованный порошок. Ее химический состав неоднороден. В охре 3—70% окиси железа, 10—20% состава — нерастворимый концентрированной соля­ной кислотой минеральный силикатный остаток. В охре содержатся алюми­ний, марганец, кальций, магний, сера, кремний. В ней от 20 до 50% органи­ческого вещества, что позволяет предполагать самое активное участие в ее формировании микроорганизмов [Кунтце, 1986]. В окислении двухвалент­ного железа и образовании охры ряд авторов предполагают участие следую­щих процессов:

1. Химическое образование охры, связанное с изменением парциального давления кислорода, окислением двухвалентного железа и его осажде­нием в результате изменения pH и Eh.

2. Биохимическое образование охры (до 80—98% всего объема охры) обус­ловлено, во-первых, хемолитоавтотрофным окислением железа на фоне выделения энергии, используемой микроорганизмами; во-вторых, оно происходит в результате окисления без выделения энергии как следствие

жизнедеятельности гетерогенной группы гетеротрофных «железоорганиз- мов»; в-третьих, осаждением из железоорганических соединений в ре­зультате жизнедеятельности гетеротрофных бактерий.

Химический путь образования охры имеет подчиненное значение (~ 2- 20%). Основная масса охры возникает биохимическим путем.

В нейтральной и слабокислой среде причиной образования охры пре­имущественно из хелатных органо-минеральных соединений является жиз­недеятельность нитчатых железобактерий групп Galionella, Leptothrix и ните­образующих бесцветных сероокисляющих бактерий Tiothrix. Кроме того, в этом процессе принимают участие гетеротрофные микроорганизмы, мине­рализующие органические леганды (бактерии, актиномициты и другие гри­бы). Г. Кунтце (1986) подчеркивает важную роль палочковидных ацидо­фильных серобактерий в окислении двухвалентного железа до трехвалентного и образовании охры в дренажных трубах.

В наиболее распространенных слабокислых или нейтральных условиях в контактных зонах (аэробные — анаэробные среды), т.е. в щелях керамиче­ских или в перфорации пластмассовых труб, быстро развиваются нитевид­ные железобактерии с оптимумом pH 5—8 и Eh +200...+500 мВ.

В прикладном отношении в рассматриваемой проблеме наибольший интерес представляют два вопроса: в каких почвенно-мелиоративных усло­виях происходит закупорка дренажа гидроокисью железа и какими способа­ми следует предотвратить выход из строя закрытых осушительных систем в результате аккумуляции железа в дренажных трубах.

Теоретически закупорка дренажа определяется окислительно-восстано­вительным потенциалом и щелочно-кислотными условиями. Двухвалентное железо может удерживаться в растворе и не переходить в трехвалентную не­растворимую форму при pH 7, если окислительно-восстановительный по­тенциал почвы ниже 200 мВ. Закупорка дренажа наблюдается прежде всего на массивах, заболоченных аллохтонными (грунтовыми) сильноожелезнен- ными водами. Особенно отчетливо это проявляется на фоне экстремально ожелезненных грунтовых вод, приуроченных к породам и водоупорным го­ризонтам с повышенным содержанием несиликатных минералов железа.

По сообщениям У. Найдекера (1956), наиболее быстро выходит из строя дренаж, расположенный в поймах речных долин.

Ранее было отмечено [Зайдельман, 1981], что почвы Нечерноземной зоны с точки зрения возможной закупорки дренажа гидроксидом железа следует подразделить на следующие пять групп.

В состав первой группы входят подзолистые и болотно-подзолистые, дер­ново-глеевые, дерново-карбонатные, серые и серые лесные оглеенные на суглинистых и глинистых карбонатных, нейтральных и кислых покровных и моренных, на карбонатных пермских и озерно-ледниковых (кроме тонко­слоистых ленточных глин) отложениях, заболоченных поверхностными во­дами.

Применительно к минеральным заболоченным почвам, объединенным в первую группу, на территории Нечерноземной зоны неизвестны случаи вы­хода из строя систем в результате закупорки дрен гидроксидом железа.

Для этой группы почв свойственны концентрации железа в естествен­ных поверхностных водах, вызывающих их заболачивание, не более 3 мг/л. Таким образом, содержание закисного железа в водах не превышает крити­ческие значения (табл. 3.39).

Таблица 3.39

Опасность отложения охры в дренах в зависимости от содержания в воде двухвалентного железа и значения pH

[Кунтце, Эггельсманн, 1974]

Существенно и то, что концентрация железа в дренажном стоке из почв, заболоченных поверхностными водами, обычно имеет тенденцию к снижению.

При этом в отношении почв первой группы необходимо иметь в виду следующие обстоятельства.

1. В дренажном стоке содержание железа оказывается тем выше, чем больше междренные расстояния, чем слабее канализация участка (табл. 3.40).

2. В почвах на кислых породах в условиях поверхностного заболачива­ния изменчивость содержания Fe²⁺ во времени и в пространстве невелика. Заметные отклонения в естественных условиях можно ожидать лишь в ареа­лах сильнооторфованных или в торфяных почвах. На минеральных оглеен­ных почвах колебания не выходят за границы одной градации.

3. Мероприятия по аэрации профиля оглеенных суглинистых и глинис­тых почв поверхностного заболачивания вызывают существенное снижение содержания Fe²⁺ в водах дренажного стока. Так, на второй-третий год после глубокого мелиоративного рыхления активными рыхлителями на глубину 0,8 м установлено снижение содержания Fe²⁺ на 20-50%.

4. При анализе полученных данных обращает внимание часто наблюда­емое увеличение концентрации Fe²⁺ на спаде весеннего пика.

Последнее обстоятельство связано, по-видимому, с тем, что на спаде паводка на фоне общего прогревания обводненной почвы интенсифициру­ется процесс обезжелезнения минеральной массы мелкозема и кратковре­менного повышения содержания закисного железа в водах дренажного стока.

Вторую группу образуют легкие почвы различного генезиса, заболочен­ные неминерализованными пресными, ультрапресными и жесткими гидро-

Таблица 3.40

Влияние глубокого мелиоративного рыхления и меж* дренных расстояний на содержание Fe²* в дренажных водах, мг/л. Почвы дерново-подзолистые глееватые на кислых тяжелых покровных суглинках — легких глинах (мелиоративный почвенно-гидрологический стационар «Сахарово-Лихтошь», Вологодская область, 1982 г.)*

* В числителе — контроль, в знаменателе — глубокое рыхление.

карбонатно-кальциевыми водами. Осушительным системам, действующим в таких условиях, не угрожает закупорка дренажа гидроксидом железа.

В третью группу входят суглинистые и глинистые пойменные почвы на тяжелом аллювии, заболоченные поверхностными намывными русловыми водами. В этом случае также, как правило, не происходит формирования оже­лезненных вод и не возникает угроза закупорки дренажа оксидом железа.

Вместе с тем в ряде случаев здесь не только на торфяных, но и в мине­ральных почвах может заметно увеличиваться содержание подвижного железа в верховодке. Последнее обстоятельство обычно обусловлено геологическим строением речной долины.

Особый интерес представляют почвы четвертой группы, приуроченные к кислым или нейтральным тонкослойным ленточным глинам поверхност­ного заболачивания. В этом случае, когда почвообразующие породы отлича­ются особенно тяжелым гранулометрическим составом и высоким содержа­нием илистой фракции (например, тонкослоистые ленточные глины бассейна оз. Ильмень, частиц менее 0,001 и 0,01 соответственно 40—45 и 85-95%), выход закисного железа в дренажный сток на спаде паводка оказывается весьма значительным. По сравнению с пиком паводка в этом случае нами [Зайдельман, Жиров, Санжаров, неопубликованные данные] было установ­лено увеличение в несколько раз содержания Fe²⁺ в дренажном стоке при его переходе в капельный. Эти особенности изменения содержания железа в дренажных водах следует учитывать при проектировании дренажа и выборе мероприятий, исключающих его закупорку охрой. Несмотря на то что пока здесь не зафиксированы случаи выхода из строя дрен в результате ожелезне­ния, тем не менее существует реальная угроза их закупорки охрой.

Наконец, пятую, наиболее опасную группу образуют почвы, приурочен­ные к ареалам распространения ожелезненных грунтовых вод. Как правило, это ортзандовые и рудяковые почвы разного генезиса, железистые аккуму­лятивные коры, ожелезненные торфяные почвы, часто с мощными аморф­ными гидроокисными поверхностными горизонтами, минеральные и тор­фяные пойменные почвы. Грунтовые воды, вызывающие их заболачивание, приурочены к водоносным и (или) водоупорным породам, обогащенным же­лезосодержащими несиликатными минералами. В таких условиях в дренаж­ных трубах, в их стыках и перфорации может накапливаться значительная масса охры, которая после дегидратации прочно перекрывает поступление воды в дрены. В табл. 3.41 систематизированы данные, отражающие степень опасности и угрозу заохривания дрен в зависимости от почвенно-мелиора­тивных условий и состав изысканий по выявлению угрозы ожелезнения дрен.

К этому следует лишь добавить, что для территорий, занятых почвами пятой группы, следует признать целесообразным составление самостоятель­ных картограмм гидрохимического опробования, увязанного с детальными (М 1: 2000 или 1: 5000) почвенно-мелиоративными картами массивов осу­шения. На этой основе затем в составе проекта необходимо разработать систему мероприятий по защите закрытых дренажных систем от заохрива­ния. Весьма эффективны из них следующие:

1. Замена пластмассового дренажа керамическим в тех случаях, когда содер­жание Fe²⁺ в грунтовых водах равно 3—6 мг/л. Если концентрация этого иона оказывается более 6 мг/л, то происходит заиление приемных отверстий труб.

2. Увеличение уклона дрен до 0,005—0,007. Так, при осушении торфяных почв в долине р. Яхромы Московской области дрены с уклоном 0,005 оказались в два раза меньше заилены охрой, чем при уклоне 0,002 [Маслов, 1963]. Прида­ние такого уклона создает благоприятные условия для работы керамических дрен при содержании железа в грунтовых водах в интервале от 6 до 10—12 мг/л.

3. При значительных концентрациях железа необходимы перехват грунто­вого потока и сброс его за пределы осушаемой территории.

4. Принудительная промывка дрен с помощью несложных реактивных промывочных устройств в последние годы в нашей стране и за рубежом приобретает все большее распространение [Эггельсманн, 1984].

5. Ингибирование железобактерий ионами меди.

Значительно снижают миграционную активность двухвалентного железа все мероприятия, усиливающие аэрацию почв (глубокое мелиоративное рых­ление, кротование), и интенсивное известкование поверхностных горизон­тов профиля. Вместе с тем наблюдения Г. Кунтце (1986) показывают, что использовавшийся ранее прием внесения извести в траншею для создания слабощелочного барьера вокруг дренажной трубы часто приводит к аккумуля­ции гидроокиси железа в порах засыпки и падению ее водопроницаемости.

Процесс закупорки наиболее заметен при концентрациях двухвалент­ного железа в грунтовой воде свыше 10 мг/л. Кф засыпки снижается в 2—3 раза по сравнению с неизвесткованным контролем.

В связи с изложенным следует подчеркнуть, что все рассмотренные реко­мендации по оценке ожелезненных грунтовых вод в связи с угрозой закупорки

Степень опасности закупорки трубчатого закрытого дренажа охрой и состав изысканий в зависимости от почвенно-мелиоративных условий

дренажа оксидом железа относятся в основном к условиям южнотаежной подзоны.

Сведения о возможности закупорки дренажа на закрытых системах в средней и северной тайге практически отсутствуют. Однако известны сооб­щения о том, что закрытые дренажные системы в высоких широтах при значительном содержании закисного железа в грунтовых водах (до 20—30 мг/л и более) не подвергаются заметному заохриванию. В настоящее время экс­периментальные данные, объясняющие это явление, отсутствуют. Можно предложить лишь следующую гипотезу слабого ожелезнения дрен осуши­тельных систем северных территорий Нечерноземья.

Как известно, минеральные почвы южной тайги подвергаются глубокому и относительно длительному иссушению в период летней межени. Это обуслов­ливает обезвоживание охры и накопление железа в дренажной трубе и на ее стенках. Воды снегового и ливневого паводков не смывают эти осадки, и они активно нарастают. В конечном итоге дрена заполняется лимонитом, другими гидроксидными железистыми минералами, и ее деятельность прекращается.

В отличие от южной в средней и особенно в северной тайге высыхание осушенных почв протекает слабее, аморфный осадок гидроксида железа не подвержен в этом случае дегидратации. Поэтому проходящий здесь под из­вестным напором весенний паводок размывает и выносит окись железа из дрены. Такая естественная очистка труб весной позволяет, по-видимому, осушительный системе неопределенно долго действовать в ожелезненных грунтовых водах почв Севера.

3.6.2.