автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Реабилитация подземных вод при нефтехимическом загрязнении

На правах рукописи

РЕАБИЛИТАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ НЕФТЕХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ.

05.23.07. Гидротехническое строительство 25.00.07. Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии - ордена Трудового Красного Знамени комплексном научно-исследовательском и конструкторско - технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ФГУП «НИИ ВОДГЕО»).

Научный руководитель, кандидат технических наук

Кузьмин Владимир Викторович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, Покровский Геннадий Иванович

кандидат геолого-минералогических наук, Трушин Борис Васильевич

Ведущая организация

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

Защита состоится « 25 » мая 2005 г. в 10 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 в ФГУП «НИИ ВОДГЕО» по адресу: 119992, Москва, Г-48, ГСП-2 Комсомольский проспект, 42, строение 2, комн. 21а..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НИИ ВОДГЕО», тел. (095) 245-95-56, факс (095) 245-97-80.

Автореферат разослан « 22 » апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Кедров Ю.В.

Актуальность работы: В настоящее время одним из наиболее приоритетных направлений водоохранной политики в мире является защита подземных вод от загрязнения нефтепродуктами, что связано как с масштабами распространения этого вида загрязнения, так и с высокой токсичностью нефтепродуктов и продуктов их распада.

Основными источниками нефтехимического загрязнения подземных вод являются:

• систематические проливы нефти на участках бурения скважин, освоения и эксплуатации нефтяных месторождений;

• аварийные разливы нефти и нефтепродуктов при их транспортировке;

• систематические потери нефти и нефтепродуктов на участках переработки;

• систематические потери нефти и нефтепродуктов на участках их хранения и отгрузки.

Учитывая остроту проблемы в последние десятилетия, как в России, так и за рубежом проведено значительное количество исследований, связанных с изучением углеводородного загрязнения подземных вод, научным обоснованием систем инженерной защиты подземных вод от нефтехимического загрязнения, реабилитации загрязненных территорий.

Изучение и обобщение отечественного опыта убеждает в необходимости разработки научно обоснованного регламента проведения работ по защите подземных вод на участках нефтехимического загрязнения.

Целью диссертационной работы является разработка системы комплексной оценки состояния подземных вод, научного обоснования целевых показателей (нормативов очистки) и регламента проведения работ по защите и реабилитации подземных вод с использованием специальных типов дренажных сооружений.

Основные задачи диссертационной работы состояли в следующем:

• обобщение мирового и отечественного опыта организации работ по реабилитации загрязненных нефтепродуктами подземных вод;

• разработка методов комплексной оценки состояния подземных вод;

• разработка научно обоснованного регламента проведения работ по защите подземных вод от нефтехимического загрязнения;

• научное обоснование требуемой степени очистки подземных вод при проведении работ по их реабилитации;

• систематизация методов оценки степени загрязнения подземных вод, прогнозирования миграции углеводородов и обоснования систем инженерной защиты;

• обобщение существующих методов реабилитации подземных вод и грунтов от нефтехимического загрязнения;

• анализ распространения нефтепродуктов в подземных водах на основе данных мониторинга в районе линз нефтепродуктов в г. Энгельсе;

• разработка рекомендаций по проектированию систем локализации и ликвидации углеводородных загрязнений в районе г. Энгельса.

Методика исследований включала в себя:

• сбор, анализ и обобщение литературных данных по опыту проведения реабилитационных работ на территориях с нефтехимическим загрязнением подземных вод и грунтов;

• изучение существующих способов количественной оценки миграции углеводородного загрязнения в пористых средах и обоснования систем инженерной защиты подземных вод;

• обобщение фактических данных инженерно-геологических и экологических изысканий на территориях, подверженных углеводородному загрязнению;

• оценку комплексного состояния подземных вод на основе компьютерной обработки данных геоэкологического мониторинга загрязненных подзем -ных вод в районе линз нефтепродуктов г. Энгельса;

• математическое моделирование вариантов систем инженерной защиты подземных вод от загрязнения.

Научная новизна и основные результаты работы:

• разработана система комплексной оценки состояния подземных вод на основе определения содержания и мобильности нефтепродуктов в различных фазовых состояниях на участках нефтехимического загрязнения;

• разработаны критерии научного обоснования требуемой степени очистки подземных вод при проведении работ по их реабилитации на основе методологии оценки риска;

• сформулированы принципы обоснования регламента проведения работ по защите подземных вод от нефтехимического загрязнения с использованием специальных гидротехнических сооружений (дренажей);

• разработана математическая модель миграции нефтепродуктов на участке нефтехимического загрязнения подземных вод;

• разработана система инженерной защиты подземных вод и Волгоградского водохранилища от загрязнения нефтепродуктами в районе г. Энгельса, Саратовская области.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методы оценки состояния подземных вод, обоснования нормативов очистки и регламента проведения работ по защите подземных вод с использованием специальных типов дренажных сооружений могут быть использованы для широкого круга практических задач реабилитации территорий, загрязненных нефтепродуктами, что подтверждается выполненными исследованиями на территории вблизи г. Энгельса, Саратовской области.

На защиту выносятся:

• система комплексной оценки состояния подземных вод на участках нефтехимического загрязнения;

• критерии научного обоснования требуемой степени очистки подземных вод при проведении работ по их реабилитации на участках нефтехимического загрязнения;

• принципы обоснования регламента проведения работ по защите подземных вод от нефтехимического загрязнения;

• система инженерной защиты Волгоградского водохранилища и подзем -ных вод от загрязнения нефтепродуктами и локализации техногенных залежей нефтепродуктов в районе г. Энгельс, Саратовская область.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по реабилитации загрязненных углеводородами территорий в г. Новокуйбышевск (ноябрь 2002 г.), на региональных совещаниях в администрации Саратовской области (июль 2002 г., сентябрь 2003 г.), на семинаре «Гидротехника, инженерная гидрогеология и гидравлика» во ФГУП НИИ ВОДГЕО (ноябрь 2004 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано пять статей.

Структура и объем работы. Работа изложена на 171 -й странице, состоит из четырех глав, введения, основных выводов, списка литературы (80 наименований), содержит 28 таблиц, 58 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена оценке масштабов нефтехимического загрязнения подземных вод и планированию работ по их реабилитации.

В настоящее время одним из приоритетных направлений мировой водоохранной политики является защита подземных вод от загрязнения нефтепродуктами, что связано как с масштабами распространения этого вида загрязнения, так и с высокой токсичностью нефтепродуктов и продуктов их распада.

Согласно статистическим оценкам, потери при добыче в результате выбросов из скважин, разливов при производстве транспортных операций, хранении топлива и нефтяной основы бурового раствора составляют 0.8% от массы добытой в РФ нефти, что составляет 2 4 млн.т./год. Еще около 2.2 млн.т. нефти и нефтепродуктов поступает в окружающую среду в результате аварий на магистральных трубопроводах, по которым доставляется до 98% от общего объема потребляемой в РФ нефти и нефтепродуктов. Утечки из заглубленных хранилищ и связанных с ними сетей подземных трубопроводов характеризуются величиной 0.1% -0 5% от объема хранения нефтепродуктов.

Мониторинг геологической среды показывает широкое распространение углеводородного загрязнения подземных вод.

По данным «ВСЕГИНГЕО» запасы керосина в техногенной залежи под г. Ейском составили около 250 тыс. т., в линзе под Братиславой (Словакия) -110 тыс. мЗ. Площадь линзы свободных нефтепродуктов средней мощностью 1.7м в районе Курской нефтебазы превышает 12 га.

Примером загрязнения обширной городской территории в районе нефтеперерабатывающего завода может служить г. Новокуйбышевск Самарской области, где свободные нефтепродукты занимают площадь более 500 га, при их суммарном количестве 1650 тыс. тонн.

На территории, прилегающей к одной из воинских частей в. г. Энгельсе сформировались две линзы нефтепродуктов авиационного керосина общей площадью 66 4 га. Мощность линз составляла 2-3 и более метров.

Специальные исследования, выполненные в Саратовской области выявили 209 очагов загрязнения подземных вод, из них 49 - относится к загрязнению неф-

тью и нефтепродуктами. В зоне влияния загрязненных нефтепродуктами подземных вод находится 11 действующих водозаборов Саратовской области.

Аналогичные проблемы имеют место на сопредельных с РФ территориях -в странах СНГ. Так, на сегодняшний день из 191 крупных водозаборов Украины 133 находятся в зонах существующих или потенциальных источников нефтехимического загрязнения.

Масштаб и острота проблемы привели к тому, что в последние десятилетия в России и других странах было проведено большое количество исследований, связанных с изучением углеводородных загрязнений и разработкой проектов* по очистке от них подземных вод.

Среди наиболее значимых в научном и практическом отношении исследований отечественных ученых можно выделить работы В М. Гольдберга, В.П. Зверева, Б.В. Боревского, И.С. Пашковского, А.В. Расторгуева и др. Зарубежные фундаментальные исследования связаны, в первую очередь с работами таких ученых, как: J.W. Mercer, R.M. Cohen , J.C. Parker , A.K. Katyal , RJ. Lenhard, a также с исследованиями, выполненными по грантам ЕРА.

Специалистами' НППФ «ГИДЭК», «Геолинк», ФГУП НИИ «ВОДГЕО» и ЗАО«Дар/ВОДГЕО» выполнен ряд успешных проектов по защите подземных и поверхностных вод от загрязнения нефтепродуктами.

Вместе с тем, положительный опыт работ по реабилитации участков нефтехимического загрязнения подземных вод пока весьма ограничен.

Крайне негативную роль сыграло введение в практику концепции «техногенных месторождений». Имея целью стимулировать работы по удалению свободной фазы нефтепродуктов, эта концепция, по сути, установила систему приоритетов, ориентированную на максимизирование прибыли за счет извлечения нефтепродуктов в ущерб экологической и санитарно-эпидемиологической составляющим.

В этой связи чрезвычайно актуальной является разработка научно-обоснованного регламента проведения работ по реабилитации подземных вод на участках нефтехимического загрязнения.

Обобщение мирового и отечественного опыта, позволило предложить следующую последовательность проведения работ по реабилитации нефтезагряз-ненных территорий:

• оценка состояния (масштабов и степени загрязнения нефтепродуктами) подземных вод и грунтов;

• оценка потенциального воздействия загрязняющих веществ на подземные воды;

• определение нормативов восстановления качества подземных вод (целевых показателей проведения работ);

• выбор технологий проведения восстановительно- реабилитационных работ;

• реализация выбранных технологий,

• проведение мониторинга загрязненных сред и определение остаточных рисков вследствие загрязнения подземных вод;

• корректировка (в случае отклонения от целевых показателей) технологии и регламента проведения работ.

• снижение остаточных рисков загрязнения вследствие подземных вод.

Вторая глава посвящена научно-методическому обеспечению работ по

оценке масштабов загрязнения, потенциального воздействия загрязняющих веществ на подземные воды и разработке основных принципов определения нормативов очистки при реабилитации подземных вод на участках нефтехимического загрязнения.

В состав регламента должны быть включены следующие основные виды

работ:

• оценка масштабов и степени загрязнения подземных вод;

• оценка потенциального воздействия участка загрязнения на подземные воды и уязвимые элементы природной среды (водоемы, водотоки и т п), объекты и инфраструктуру территории;

• определение нормативов очистки территории на основе оценки риска вследствие нефтехимического загрязнения;

• выбор наилучших доступных технологий проведения реабилитационных работ.

В диссертации приводится методика оценки масштабов и степени загрязнения подземных вод на основе количественных расчетов степени насыщенности фунтов нефтепродуктами, объемов свободных и защемленных нефтепродуктов в пласте, степени мобильности свободных нефтепродуктов, распространения загрязнения в растворенной фазе. Вместе с рекомендуемыми расчетными зависимостями в работе выполнено обобщение материалов по их параметрическому обеспечению.

Оценку потенциального воздействия загрязнения на подземные воды предложено проводить на основе прогнозных расчетов мобильности свободных нефтепродуктов, а также прогнозов распространения растворенных нефтепродуктов с учетом миграционных свойств веществ, входящих в их состав. Рекомендованы аналитические решения и численные модели проведения этих прогнозов.

Центральным моментом при планировании мероприятий по реабилитации подземных вод и грунтов на участках нефтехимического загрязнения является определение нормативов очистки или целевых показателей. Традиционно в качестве целевых показателей используются пороговые концентрации веществ.

Анализ мирового опыта по реабилитации нефтезагрязненных территорий показывает, что в ряде случаев достижение нормативов «СанПИН 2.1.4.1074-01» по суммарным нефтепродуктам на участках нефтехимического загрязнения тел-нически трудно осуществимо, экономически не оправдано, а при достижении нормативов - не в полной мере гарантирует безопасность, с точки зрения использования вод в питьевых и хозяйственных целях.

Это обусловлено, во-первых, эффектом «остаточной насыщенности», благодаря которому даже при очистке с применением различных методов ее интенсификации, в пласте остается от 12 до 20% свободных нефтепродуктов от первоначальной насыщенности. Расчеты показывают, что при остаточной насыщенности грунтов, равной 5%, время, в течение которого содержание растворенных нефтепродуктов превышает ПДК, может составить 150 и более лет.

Во-вторых, нефтепродукты представляют собой многокомпонентную смесь углеводородов и сопутствующих им веществ, значения токсичности которых существенно варьируют. В частности, процентное содержание комплекса легких ароматических соединений в легких товарных нефтепродуктах может достигать 68% и более, при том, что ПДК для этих соединений на порядок ниже ПДК для суммарных нефтепродуктов.

При определении нормативов очистки предложено исходить из следующих принципов:

1. Насыщенность свободной фазы нефтепродуктов на участках нефтехимического загрязнения должна быть снижена до степени:

• исключающей возможность латерального распространения нефтепродуктов в свободной фазе, их поступления в водоемы, водотоки, местные понижения рельефа, подземные коммуникации и т.п.

• исключающей возможность накопления взрывчатых паров в подземных коммуникациях, подвалах домов и сооружений и т.п;

2. На участке нефтехимического загрязнения состояние подземных вод и грунтов должно соответствовать следующим требованиям:

• концентрации загрязняющих веществ в фунтах и подземных водах должны быть снижены до пределов, исключающих угрозу для сложившейся системы водопользования территории;

• содержание суммарных нефтепродуктов в воде, отбираемой из водозаборных сооружений не должно превышать ПДК для питьевого водоснабжения;

• концентрации загрязняющих углеводородов в составе суммарных нефтепродуктов на водозаборах не должны превышать соответствующих ПДК;

• данные мониторинга участка должны показать, что содержание суммарных нефтепродуктов стабильно или снижается.

Кроме того, должны быть представлены убедительные данные о том, что реализация технологий при восстановлении состояния подземных вод и фунтов не приведет к недопустимому загрязнению других элементов природной среды (в первую очередь при извлечении и утилизации свободной фазы нефтепродуктов).

В диссертации разработаны подробные блок-схемы для оценки применимости различных технологий реабилитационных работ. Основным критерием при выборе технологий предложено считать возможность достижения установленных целевых показателей.

Порядок проведения работ определяется из условия первоочередности очистки участков, где загрязнение представляет максимальную угрозу сложившейся системе водопользования или уязвимым элементам природной среды.

В том случае, если в результате реализации выбранных технологий были достигнуты утвержденные целевые показатели, гарантирующие безопасное состояние подземных вод и фунтов, должны быть предоставлены данные опробований, на основании которых согласовывается прекращение восстановительных работ и продолжение мониторинга подземных вод.

В противоположном случае выполняется оценка остаточных рисков с целью корректировки нормативов и технологий очистки.

В третьей главе выполнена оценка масштабов и степени загрязнения нефтепродуктами подземных вод и грунтов на территории одной из воинских частей г. Энгельса и эффективности работ по извлечению свободных нефтепродуктов.

Участок исследований расположен северо- восточнее г. Энгельса Саратовской области на расстоянии 1.5 км от уреза Волгоградского водохранилища. В геоморфологическом отношении район относится ко второй надпойменной террасе р. Волга.

В геологическом разрезе изучаемого участка вскрыты песчано-глинистые породы от аптского до четвертичного возраста.

Основным объектом исследований являлся водоносный горизонт хвалын-ских аллювиальных отложений, подверженный нефтехимическому загрязнению. Безнапорный горизонт сложен глинистыми песками и суглинками с коэффициентами фильтрации 0.12 до 0.35 м/сут. Содержание песчаных фракций уменьшается по направлению к Волгоградскому водохранилищу, которое является основной областью разгрузки потока. Глубина залегания уровней подземных вод изменяется от 0.94 до 8.2 м. Уклон зеркала грунтовых вод направлен к Волгоградскому водохранилищу и варьирует в диапазоне 0.0017-0.04.

Питание грунтовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и поливных вод. Воды горизонта высокоминерализованные, жесткие, с высокой концентрацией сульфатов и хлоридов, загрязнены азотосодержащими компонентами.

Изысканиями Саратовской гидрогеологической экспедиции в 1993 г. были выявлены и оконтурены две линзы свободно плавающего керосина площадью 37.2 га (линза-1) и 28.1 га (линза-2), сформировавшиеся в результате утечек из резервуаров хранения авиационного керосина ТС-1 за период с 1953-55 г.г. по 1994 г.

Мощность слоя свободных нефтепродуктов в скважинах линзы-1 (склад ГСМ-1) достигала 2.7 м при средней мощности -1.07 м. На участке распространения линзы - 2 (склад ГСМ-2) мощность нефтепродуктов в скважинах мониторинга изменялась от 0.1 до 7.76 м, при средней мощности - 3.15 м. Объемы свободной фазы нефтепродуктов в пределах линзы -1 оценивались величиной 38757 м3, в пределах линзы-2 - величиной 100668 м3. Пространственное расположение линз нефтепродуктов представлено на рис. 1.

В 1994-1995 г.г. были начаты специальные работы по извлечению авиационного керосина.

Основным способом извлечения нефтепродуктов на участке линзы-1 являлся отбор из шурфов, количество которых, к моменту прекращения работ (октябрь 2002 г.) достигало 480 шт. Максимальный суточный отбор керосина в начальный период извлечения изменялся от 7 до 25 м3/сут, позднее снизился до 3 -6м3.

На участке линзы- 2 для отбора керосина использовались траншеи с шурфами внутри, шурфы с поверхности земли, скважины. В начальный период извлечения (1996 г.) суточный отбор керосина достигал 150-200 м3. За период извлечения выработками была покрыта практически вся территория линзы и к концу 2002 года количество выработок составило 780 шт. при суточном отборе керосина из единичной выработки 3 - 7 л.

Анализ данных мониторинга показал слабую эффективность использованной схемы очистки горизонта от свободных нефтепродуктов.

В качестве критериев эффективности очистки водоносных горизонтов от свободных нефтепродуктов были выбраны: уменьшение площади линз, снижение насыщенности грунтов нефтепродуктами, уменьшение загрязнения подземных вод и фунтов.

Обработка данных мониторинга показала, что к окончанию работ площадь распространения свободных нефтепродуктов составила 34.6 га и 29.3 га на участках линзы-1 и линзы-2 соответственно, т.е. практически не изменилась относительно первоначального распространения.

К основному негативному результату отбора свободных углеводородов можно отнести переход значительной части нефтепродуктов из свободной фазы в защемленное состояние ниже уровня грунтовых вод.

Специальные исследования показали, что основными механизмами поступления растворенных углеводородов на участках линз свободных нефтепродуктов являются диффузионный вертикальный перенос растворенных веществ от границы раздела вода - нефтепродукты и вынос растворимых веществ при горизонтальной фильтрации влаги через зону грунтов, насыщенных нефтепродуктами (J.R. Hunt, K.S.Udell).

При переходе части свободных нефтепродуктов в защемленное ниже уровня фунтовых вод состояние, мощность зоны грунтов, содержащих свободные нефтепродукты через которые идет фильтрация подземных вод увеличивается.

Это приводит к интенсификации поступления растворенных углеводородов в подземные воды, а, следовательно, интенсификации их углеводородного загрязнения.

Обработка данных мониторинга мощности нефтепродуктов позволила оценить перераспределение объемов керосина в пласте за период его извлечения. Общий объем нефтепродуктов в подземном пространстве был определен, как сумма объемов свободных нефтепродуктов нефтепродуктов, защемленных

ниже уровня грунтовых вод Vot и нефтепродуктов, защемленных в ненасыщен -ной зоне

Определение объемов свободных нефтепродуктов выполнялось на основе численного интегрирования выражения:

Фазовые насыщенности пород нефтепродуктами S0(z)и водой Sw(z)определялись из зависимостей (J.C. Parker):

5о(г> = |(1-5т)[1 + Мао/7ои,[г-2)])'']"" +Sm-Sw, z>D [l-Sw> гйО

Sw(z) = Ь"Sm)[l + {aP0WPo^Tz>0

1Л

Здесь:

г - соответственно горизонтальная и вертикальная координаты; Sm - остаточная насыщенность пор фунта водой;

»1 = 1- — , а и л - эмпирические параметры Ван Генухтена.

плотность нефтепродуктов относительно воды; В приведенных зависимостях поверхность раздела вода/нефтепродукты принята в качестве нулевой отметки. Масштабные коэффициенты и Рю определяются соответственно из выражений: f}ow = —- и /?„ = —.

условные обозначения:

I1 скважины мониторинга — ».« — линии равных мощностей

РИС.1 .А. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛИНЗЫ-1 (МАЙ 1994 Г) РИС.1 .Б. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛИНЗЫ-2 (ОКТЯБРЬ 1995 Г )

Действительная мощность слоя свободных нефтепродуктов й определялась из зависимости:

п _ ^РаоРст_

РаоРст ~ Aw0 - Paw)

Мощность слоя нефтепродуктов в скважине определялась на основании данных мониторинга.

Параметры, принятые при оценке объемов свободных нефтепродуктов приведены в Таблице 1.

Расчетные параметры линза-1 мелкие лески, песчаные суглинки линза-2 ■ песчаные, глинистые суглинки

активная пористость пород (-) Ф 0.41 0.39

остаточная насыщенность по воде (-) $т 0.15 0.26

параметры Ван -Генухтена: а п 7.5 5.9

1.9 1.5

поверхностное натяжение (дин/м): чистой воды а„ на границе раздела углеводороды/воздух дд на границе раздела углеводороды/вода <у0¥Г 72

27

48

относительная плотность керосина (-) р0< 0.794

При изменении положения уровенной поверхности нефтепродуктов (za0) и границы раздела вода/нефтепродукты (zow) происходит перераспределение баланса нефтепродуктов, связанное с переходом свободных нефтепродуктов в защемленное состояние, и, наоборот - с высвобождением их из защемленного состояния в свободное.

Для учета объемов защемленных нефтепродуктов использовались зависимости (J.C. Parker и др.):

Данные специальных лабораторных исследований показывают, что для большинства фунтов максимальная величина остаточной насыщенности защем-

ленными углеводородами в насыщенной зоне изменяется в пределах а остаточная насыщенность в ненасыщенной зоне S0g — 0.04-5-0.08 (J.C. Parker и

др.). Минимум положения границы водо-нефтяного контакта zj^ (до начала извлечения нефтепродуктов) и положение раздела воздух/ нефтепродукты определялись на основании данных мониторинга.

Наибольшая часть нефтепродуктов переходит в защемленное состояние в результате подъема границы раздела вода/нефтепродукты. В этом случае вода, как более смачивающая, в сравнении с нефтепродуктами жидкость, проникает через тонкие поры и захватывает внутри себя включения нефтепродуктов.

Обработка результатов мониторинга показала, что в результате интенсивного отбора свободных нефтепродуктов их мощность существенно снизилась, что привело к подъему границы раздела вода/нефтепродукты, связанному с уменьшением давления на воду столба нефтепродуктов. Средний подъем водо-нефтяного контакта за период отбора нефтепродуктов на участке линзы-1 составил 0.8 м при максимальном подъеме 1.74 м. Повышение абсолютных отметок водонефтяного контакта на площади линзы - 2 за период 1996 - 2002 г.г. в среднем составило 2.6 м.

Подъем поверхности водонефтяного контакта вызвал существенное перераспределение баланса нефтепродуктов, переход значительной части керосина из свободного состояния в защемленное, уменьшение объемов извлекаемых нефтепродуктов. На рис. 2 показано рассчитанное изменение удельных (м3/м2) объемов нефтепродуктов в процессе их извлечения. Обработка данных мониторинга показала, что в пределах обеих линз к 1999 г. суммарный объем защемленных нефтепродуктов превысил объем нефтепродуктов в свободной фазе.

Балансовые расчеты показали, что за период разработки линзы № 1 было извлечено 25264 м3 керосина, что составляет 65 % от первоначальных запасов (38757 м3). Значительная часть нефтепродуктов -13339 м3, или 34.4 % перешло защемленное состояние.

Суммарная площадь распространения защемленных нефтепродуктов линзы - 1 достигла 29.3 га, что сопоставимо с первоначальной площадью распространения свободных нефтепродуктов.

ЛИНЗА-1

ЛИНЗА-2

Скважина № 2

Дата

Скважина № 203

А—

— --^ -г

г-. г*- 00 со

о> о> О) ОТ

»» (0 2 о О г Т> О

0.3

сч 2 0.2 !

Й

3

> 0.1 :

0 1

Скважина № 100

сР СР СГС? СГ С? СгСГО

Дата

Скважина № 206

г- г^ со со О) о>

£Л О! О! СП СТ СТ>

о Т* Я

' л 11 п Л А

О £ О 2 О Дата

-Обьем НП а свободной фазе —д—Извлекаемые объемы НП

• Защаил внные(ниже УГВ) - Защеыленные(выше а.о. НП)

РИС. 2. Перераспределение объемов нефтепродуктов

За период разработки линзы № 2 было извлечено 80208 м3 керосина, что составляет 79% от первоначальных запасов. Значительная часть нефтепродуктов -20000 мЗ, или 19.9% перешла в защемленное состояние.

Бессистемный отбор керосина привел к ухудшению общей экологической ситуации территории.

До начала извлечения керосина опробование фунтов не фиксировали существенного загрязнения почвенного покрова. Изыскания Саратовской гидрогеологической экспедиции в 1993 г. показали, что в районе склада ГСМ-1 концентрации нефтепродуктов в почве варьировали от 1 до 227 мг/кг, составляя в среднем 19.2 мг/кг грунта. В непосредственной близости от склада ГСМ-2 максимальный уровень загрязнения почв нефтепродуктами не превышал 103 мг/кг, при средних концентрациях по территории -13.6 мг/кг.

Изысканиями 1999г. установлено, что за период с 1993 г. загрязненность почв и фунтов территории значительно возросла, концентрации нефтепродуктов в грунтах достигали 2483 мг/кг фунта при средних значениях 128.1 мг/кг. Площадь загрязненных грунтов с концентрациями более 500 мг/кг составила 9.6 га.

Основными причинами роста зафязненности фунтов при отборе керосина, являлись: извлечение и складирование керосинонасыщенных фунтов без соответствующей изоляции почвенного покрова и слив на поверхность грунтов и в шурфы зафязненных вод после отделения керосина, засыпка шурфов зафязнеи-ными грунтами.

Активная бессистемная добыча керосина на территории, прилегающей к складам ГСМ, привела к ухудшению качества фунтовых вод. Данные мониторинга показывают, что с 1995 г. по 1999 г. максимальные концентрации растворенных углеводородов под линзами возросли от 3 - 7,2 мг/л до 60-80 мг/л.

В результате подъема поверхности водонефтяного контакта при отборе керосина, значительный объем свободных нефтепродуктов перешел в защемленное (ниже отметок УГВ) состояние. Специальные опробования, выполненные НПФ «ГИДЭК», показали, что если до начала эксплуатации «ядро» линзы находилось между уровенной поверхностью керосина и воды, то к ноябрю 1999 года максимальная керосинонасыщенность фиксировалась, в среднем, на глубине 0,8-1 м ниже водонефтяного контакта. На участке максимального отбора керосина защемленные углеводороды обнаружены на 5 метров ниже уровня грунтовых вод. В результате водоносный горизонт оказался зафязненным защемленными,

эмульгированными и растворенными нефтепродуктами практически на всю мощность.

Кроме того, существенно нарушен поверхностный сток с территории, в результате чего открытые ямы - шурфы аккумулируют атмосферные осадки и поверхностные паводковые воды, которые, фильтруясь через загрязненные грунты, образуют площадной источник загрязнения подземных вод.

Можно отметить, что, несмотря на значительное содержание нефтепродуктов в подземных водах, за период с 1995 по 2002 г., не произошло заметного распространения растворенных нефтепродуктов за пределы контура сформировавшейся линзы. Уже на расстоянии 250-300 м от контура линзы вниз по потоку к Волгоградскому водохранилищу, концентрация нефтепродуктов в подземных водах не превышает концентрации 0.1 мг/л.

Работы по извлечению нефтепродуктов велись без предварительного обоснования их регламента, научного обоснования способов извлечения, разработки и согласования проектных решений, надлежащего контроля органами МПР.

Научное обоснование системы инженерной защиты и реабилитации подземных вод на территории воинской части г. Энгельса приводится в четвертой главе диссертационной работы.

Основными задачами при обосновании инженерных мероприятий по реабилитации природной среды на участке воинской части 06987 являлись:

• извлечение остаточных защемленных нефтепродуктов с целью ликвидации постоянного источника загрязнения подземных вод линзой-1 и линзой-2;

• рекультивация грунтов на участке общей площадью 22000 м2 с концентрациями нефтепродуктов более 500 мг/кг (Линза - 2);

• прогноз распространения растворенных углеводородов, оценка потенциальной угрозы их поступления в Волгоградское водохранилище.

Разработка оптимальной стратегии извлечения нефтепродуктов была выполнена на основе численного моделирования с использованием специализированного программного пакета "ОШет" (А В. Расторгуев, П Н. Куранов). Программный пакет предназначен для моделирования двухжидкостной фильтрации со свободной поверхностью и позволяет выполнить прогноз изменения объемов и мощности слоя свободных нефтепродуктов, положения водонефтяного контакта, изменения содержания защемленных нефтепродуктов при извлечении нефтепродуктов с помощью различных гравитационных дренажных систем

Калибровка модели и уточнение фильтрационных параметров, параметров Ван- Генухтена в пределах линз и на прилегающей территории, объемов нефтепродуктов, проводилась на основании сопоставления фактических и модельных уровней воды и мощности нефтепродуктов на момент окончания отбора нефтепродуктов.

Анализ существующего опыта реабилитации и условий территории позволил, в качестве альтернативных, выбрать следующие варианты извлечения нефтепродуктов - систему вертикальных вакуумируемых скважин и систему вертикальных скважин на участке линзы-1 в сочетании с лучевыми дренажами для отбора нефтепродуктов линзы-2.

Первый вариант предполагает устройство 48 откачивающих скважин (по 24 на каждом участке), расположенных приблизительно по квадратной сетке с минимальным шагом между ними 20 ми максимальным - 45 м. Скважины для извлечения нефтепродуктов предполагается оборудовать системой для поддержания в них вакуума эквивалентного 2.0 метрам водного столба.

Усредненные параметры скважин приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Параметры системы дренажных скважин Линза-1 Линза-2

Средние абсолютные отметки устья скважин, м 29.8 28.-31.0

Средняя глубина скважин, м 8.0 13

Средняя длина фильтровой части скважин для отбора нефтепродуктов, м 1.6 3.0

Средняя длина фильтровой части скважин для закачки дренажного стока, м 6.0 3.5

Интервал оборудования фильтровой части скважин, м 22.5- 24.0 195-21.5

Диаметр скважин для отбора нефтепродуктов, м 0.6 0.6

Диаметр скважин для закачки дренажного стока, м 1.0 1.0

Альтернативный способ заключается в замене 24 скважин на участке линзы-2 двумя шахтами лучевого дренажа, каждая из которых оборудована шестью лучевыми дренами длиной 60 м.

Глубина заложения лучевых дрен - 7.5-10.5 м от поверхности земли, диаметр дрен 0.15 м. В лучевых дренах поддерживается вакуум, эквивалентный одному метру водного столба относительно отметки их заложения, что соответствует поддержанию в них динамического уровня на абсолютных отметках 19.5 м.

Образовавшийся дренажный сток в объеме 300 м3/сут (линза-1) и 300 - 430 м3/сут.(линза-2) предусмотрено (после очистки от растворенных и эмульгированных нефтепродуктов) закачивать в хвалынский водоносный горизонт с целью промывки и очистки загрязненных фунтов. Для закачки дренажных вод после их

подготовки предусмотрено устройство 34 закачивающих скважин (18 скважин на участке линзы-1 и 16 - на участке линзы-2). Модельные исследования показали, что для закачки дренажного стока необходимо создание давления (напора) на устье скважин эквивалентного 2.5 м водного столба.

Прогнозные расчеты показали, что суточное извлечение керосина в установившемся режиме на участке линзы-1 составляет 7.6 м3/сут. Всего в процессе отбора прогнозируется извлечение 11793 м3 нефтепродуктов. Полное время, необходимое для извлечения объемов керосина на участке линзы № 1 при помощи вертикальных скважин составляет 1550 суток.

На участке линзы-2 прогнозный суточный отбор керосина в установившемся режиме составил 6.5 м3. Согласно прогнозу суммарный объем извлекаемых нефтепродуктов на участке линзы-2 составил 19600 м3. Полное время, необходимое для отбора извлекаемых объемов керосина на участке линзы № 2 при помощи вертикальных скважин составляет 3026 суток.

Анализ перераспределение объемов углеводородов в процессе откачки показывает, что в результате понижения границы раздела вода - нефтепродукты за первые 900 суток откачки на участке линзы -2 из защемленного состояния в свободную, извлекаемую фазу переходит 12926.5 мЗ керосина, что позволяет извлечь 6608 м3 нефтепродуктов, рис. 3. а.

Оценка работы лучевых дренажей показала, что ее эффективность выше рассмотренной ранее системы вертикальных скважин. В установившемся режиме среднесуточный отбор системы лучевых дренажей составляет 9.5 м3. Полное время, необходимое для извлечения объемов керосина на участке линзы - 2 при помощи вертикальных скважин составляет 2100 суток.

За первые 900 суток из защемленного состояния в свободную фазу переходит 14855 м3 керосина, что позволяет извлечь 9400 м3 нефтепродуктов, рис. 3. б.

Системы первичной очистки территорий, предусматривающие отбор свободных нефтепродуктов, извлекают не весь их объем, что требует разработки мероприятий по очистке загрязненных грунтов. Для выбора эффективного варианта в диссертационной работе был выполнен обзор существующих методов очистки грунтов с анализом их эффективности, степени достигаемой очистки и условий применимости.

Время сткеч« сулои

О 200 400 вОО 800 1000

Время опачм супи

Условные обозначения• 1-суммарный объем 2- защемленные ниже УГВ 3 - свободная фаза, 4- извлеченные нефтепродукты, 5 - защемленные выше УГВ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ РАБОТЕ ДРЕНАЖНЫХ СООРУЖЕНИИ

При разработке системы реабилитации территории учитывалось, что часть защемленных нефтепродуктов может остаться в пласте и, при переходе в растворенную фазу с последующей миграцией, представлять потенциальную угрозу для' Волгоградского водохранилища.

Оценка переноса нефтепродуктов в растворенной фазе был выполнен методом численного моделирования нл основе решения задач конвективно-дисперсионного массопереноса с учетом процессов равновесной линейной сорбции и деструкции вещества, описываемого кинетикой первого порядка.

При моделировании учитывалось, что нефтепродукты представляют собой сложную смесь углеводородов, значения мобильности которых могут отличаться друг от друга на несколько порядков.

Обобщение статистических данных относительно состава различных видов топлива показало, что в составе авиационных керосинов до 97,6 % от веществ, переходящих в водный раствор, относится к ароматическим соединениям, таким, как ксилол, бутилбензол, тетралин, метилнафталин, бензол, 1,2,4,5-метилбензол, что определяется их высокой эффективной растворимостью. В процентном отношении вещества, входящие в состав нефтепродуктов распределены в растворе следующим образом: ксилол- 13.18%, бутилбензол- 6.97%, метилнафталин -64.11 %, бензол- 0.82 %, 1,2,4,5-метилбензол - 6.32 %. Помимо ароматических компонентов значимую долю в растворе - до 2% имеет циклогептан (эффективная растворимость в составе авиационного топлива -1.64 мг/л).

Для нефтепродуктов коэффициент распределения вещества в системе по-ровый раствор - скелет фунта Кл определялся из пропорционально коэффициенту распределения между растворенными в воде нефтепродуктами и 100% органическим углеродом и относительным содержанием в грунтах органического углерода foc :

K-t - Кос foc

Содержание органического углерода /ос было принято равным 0.002, что соответствует минимальному значению диапазона значений для мелких песков и песчанистых суглинков.

В таблице 3 приведены значения коэффициента распределения между жидкой и твердой фазой Kd, фактора задержки R и констант деструкции X для компонентов, входящих в состав авиационного топлива.

Таблица 3

Компоненты К,ДМ3/Г X, 1/сут Скорость распространения, м/сут

Алканы

СЮ 63 2 380 2 - 0 0763

С12 632 3793 - 0 0076

С14 10000 60001 - 0 0005

С16 10000 60001 - 0 0005

изооктан С8

С8 302 71 1817 3 I 0 016

Циклоалканы

С7 16 256 98 536 - 0 2943

С8 59 024 355 14 - 0 0817

ароматические соединения

ксилол 2 516 16 096 0 00193 1 8017

бутилбензол 06 46 0 0248 6 3043

метилнафталин 14 826 89 956 0 0027 0 3224

бензол 0166 1 996 0 00096 14 529

1,2 4,5метилбензол 134 0 0319 0 0488 0 5946

Анализ рассчитанных действительных скоростей миграции показывает, что из всех компонентов, составляющих авиационное топливо, к миграции на расстояние, сопоставимое с расстоянием от участка до уреза Волгоградского водохранилища, способны бензол и бутилбензол, для которых был выполнен детальный прогноз переноса с учетом механизмов адвекции, диффузии, сорбции и биодеструкции

В качестве граничного условия на контуре линз задавались условия постоянных концентраций веществ в течение всего прогнозного времени (100 лет)

Анализ результатов гидрохимического моделирования показал, что за весьма значительный интервал времени (100 лет), распространение загрязнения в сторону Волгоградского водохранилища в концентрациях выше ПДК для питьевого водоснабжения (0.1 мг/л) не превышает 300-350 м от контура линз.

Выполненные прогнозы позволяют оценить разработанную комплексную систему очистки участка нефтехимического загрязнения и защиты Волгоградского водохранилища, как эффективную

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В настоящее время одним из приоритетных направлений мировой водоохранной политики является защита подземных вод от загрязнения нефтепродуктами, что связано как с масштабами распространения этого вида загрязнения, так и с высокой токсичностью нефтепродуктов и продуктов их распада. Рассмотрение мирового и отечественного опыта позволило разработать научно обоснованный регламент реабилитации участков нефтехимического загрязнения подземных вод.

2. В составе работ по реабилитации подземных вод на участках нефтехимического загрязнения требуется научное обоснование оценки масштабов и степени загрязнения подземных вод, потенциального воздействия загрязнения на природную среду, допустимых нормативов очистки территории и выбора технологий проведения реабилитационных работ.

3. Для обоснования допустимых нормативов очистки территории от нефтепродуктов предложен следующий принцип - «содержание загрязняющих веществ 8 фунтах и подземных водах должно быть снижено до пределов, исключающих угрозу ухудшения условий водопользования территории, распространения нефтепродуктов в свободной фазе, угрозу здоровью населения при контакте с загрязняющими веществами, создания взрывопожароопасной ситуации».

4. Предложено оценивать степень загрязнения подземных вод на основе анализа концентраций углеводородных компонентов, входящих в состав суммарных нефтепродуктов в силу того, что их токсичность может варьировать в значительных пределах.

5. На основе обработки многолетних данных мониторинга выполнена оценка эффективности извлечения свободных нефтепродуктов и разработан регламент проведения реабилитационных работ, реализованный для территории воинской части г. Энгельса Показано, что научно не обоснованное извлечение свободной фазы нефтепродуктов интенсифицирует процессы загрязнения подземных вод и грунтов.

6. Основным негативным следствием бессистемного отбора свободных нефтепродуктов явился перевод основной части нефтепродуктов из свободного состояния на поверхности грунтовых вод в защемленное состояние в пределах

значительной части разреза ниже уровня фунтовых вод. Задачей реабилитационных работ является разработка технологий позволяющих перевести защемленные нефтепродукты в свободную фазу с последующим их извлечением.

7. Разработана математическая модель миграции нефтепродуктов одного из участков нефтехимического загрязнения подземных вод - линз свободных нефтепродуктов, сформировавшихся на территории воинской части г. Энгельса.

8. Выполнены многовариантные расчеты локализации и ликвидации техногенной залежи нефтепродуктов на основе оценки эффективности работы специальных гидротехнических сооружений - дренажей лучевого и вертикального типов. Предложен наиболее оптимальный (рациональный) вариант размещения этих сооружений и регламента эксплуатации всей системы.

9. Разработаны научные рекомендации для проектирования системы реабилитации подземных вод и инженерной защиты Волгоградского водохранилища от загрязнения нефтепродуктами на территории воинской части г. Энгельса.

Направление дальнейших исследований автор видит в развитии методов интенсификации очистки грунтов и подземных вод от остаточных нефтепродуктов, которые не удаляются гидравлическими методами извлечения.

Результаты научных исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих пяти работах:

1.Ворсунов ПА, Кузьмин В.В., Чуносов Д.В. Разработка систем эффективного извлечения нефтепродуктов территории аэродрома г. Энгельс. // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения. Саратов: Научная книга, 2005 г. Выпуск 8. С.57-68.

2. Ворсунов ПА, Кузьмин В.В., Тесленко В.В. Оценка эффективности извлечения нефтепродуктов при экологической реабилитации территории аэродрома г. Энгельс. // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения. Саратов: Научная книга, 2005 г. Выпуск 8. С.46-57.

3. Ворсунов П.А., Кузьмин В.В., Куранов П.Н., Расторгуев А.В. Оценка эффективности извлечения свободных нефтепродуктов системой лучевых дренажей. //

проблемы инженерной геоэкологии. Сб. трудов. Москва, ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 2005, вып.5.

4. Ворсунов П.А., Кузьмин В.В. Обоснование регламента проведения работ по реабилитации участков нефтехимического загрязнения подземных вод. // проблемы инженерной геоэкологии. Сб. трудов. Москва, ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 2005, вып.5.

5. Кузьмин В В., Худошин А.Г., Ворсунов П.А. Моделирование миграции растворенных нефтепродуктов. // проблемы инженерной геоэкологии. Сб. трудов. Москва, ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 2005, вып 5.

Выражение признательности:

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Кузьмину В В. за постоянную научную и методическую помощь в проведении исследования, сотрудникам Саратовского филиала ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» за содействие в сборе материалов натурных наблюдений и П.Н. Куранову и А.В. Расторгуеву за помощь при разработке численной модели исследуемой территории.

Подписано в печать ¿0,01/, 200года. Заказ № . ФорматБ0х90/16. Усл. печ.л. (г4 .Тираж /ОО экз. Отпечатано на ризографе в отделе оперативной печати и информации Химического факультета МГУ.

- 1263

/ ; к ^

i \ , lb Л ,

I í Г í ,

V í ¿

19::^2CD5

введение.

1. масштабы проблемы нефтехимического загрязнения подземных вод и состав работ по их реабилитации.

1.1. масштабы проблемы нефтехимического загрязнения и основные задачи исследований.

1.2 состав работ по защите подземных вод от загрязнения нефтепродуктами

2. регламент проведения работ на участках нефтехимического загрязнения подземных вод.

2.1. оценка масштабов и степени загрязнения подземных вод.

2.1.1. определение области распространения свободных нефтепродуктов

2.1.2. определение степени насыщенности и объемов нефтепродуктов.

2.1.3. определение области загрязнения подземных вод растворенными нефтепродуктами.

2.2. оценка потенциального воздействия загрязнения на подземные воды.

2.2.1 оценка мобильности свободных нефтепродуктов.

2.2.2 оценка интенсивности загрязнения подземных вод.

2.2.3 прогнозы распространения растворенных нефтепродуктов.

2.3. определение нормативов очистки.!.

2.4. выбор технологий проведения рекультивационных работ.

3. оценка степени нефтехимического загрязнения подземных вод на участке линз нефтепродуктов г.энгельса.

3.1. краткая характеристика участка нефтехимического загрязнения и природных условий.

3.2. объемы и основные результаты мониторинговых наблюдений на участке загрязнения.

3.3. загрязнение геологической среды нефтепродуктами в свободной фазе (территория склада гсм-1).

3.4. загрязнение геологической среды нефтепродуктами в свободной фазе (территория склада гсм-2).

3.5. нефтехимическое загрязнение подземных вод и грунтов.

4. система гидротехнических сооружений для комплексной геоэкологической реабилитации территории.

4.1. разработка систем по извлечению свободных нефтепродуктов.

4.1.1. методы извлечения свободных нефтепродуктов.

4.1.2. методика оценки эффективности вариантов отбора свободных нефтепродуктов.

4.1.3 оценка эффективности систем отбора свободных нефтепродуктов. 132 4.2 рекомендации по очистке почв и грунтов территории от загрязнения нефтепродуктами.

4.3. прогноз распространения растворенных нефтепродуктов.

Актуальность работы

В настоящее время одним из наиболее приоритетных направлений мировой водоохранной политики является защита подземных вод от загрязнения нефтепродуктами, что связано как с масштабами распространения этого вида загрязнения, так и с высокой токсичностью нефтепродуктов и продуктов их распада.

Основными источниками поступления нефтехимического загрязнения подземных вод являются:

• систематические проливы нефти на участках эксплуатации нефтяных месторождений;

• аварийные разливы нефти и нефтепродуктов при их транспортировке;

• систематические потери нефти и нефтепродуктов на участках переработки;

• систематические потери нефти и нефтепродуктов на участках их хранения и отгрузки.

Учитывая остроту проблемы в последние десятилетия, как в России, так и за рубежом проведено значительное количество исследований, связанных с изучением углеводородного загрязнения подземных вод, научным обоснованием систем инженерной защиты подземных вод от нефтехимического загрязнения, реабилитации нефтезагрязненных территорий.

Изучение и обобщение отечественного опыта убеждает в необходимости разработки научно обоснованного регламента проведения работ по защите подземных вод на участках нефтехимического загрязнения.

В настоящее время такие рекомендации отсутствуют. Проводимые в данной работе исследования имеет целью устранить указанный пробел.

Они проведены на основе обобщения опыта геоэкологических работ на участке наиболее крупного загрязнения подземных вод Саратовской области - на территории, прилегающей к воинской части 06987 г. Энгельса.

Целью диссертационной работы является разработка системы комплексной оценки состояния подземных вод, научного обоснования целевых показателей (нормативов очистки) и регламента проведения работ по защите подземных вод с использованием специальных типов дренажных сооружений.

Основные задачи диссертационной работы включают:

• обобщение мирового опыта и отечественного опыта организации проведения работ по реабилитации загрязнения подземных вод нефтепродуктами;

• разработка методов комплексной оценки состояния подземных вод;

• разработка научно обоснованного регламента проведения работ по защите подземных вод от нефтехимического загрязнения;

• научное обоснование требуемой степени очистки подземных вод при проведении работ по их реабилитации;

• систематизация методов оценки степени загрязнения подземных вод, прогнозирования миграции углеводородов и обоснования систем инженерной защиты;

• обобщение существующих методов реабилитации подземных вод и грунтов от нефтехимического загрязнения;

• анализ распространения нефтепродуктов в загрязненных горизонтах на основе изучения данных мониторинга в районе линз нефтепродуктов г. Энгельса;

• разработка рекомендаций по проектированию систем инженерной защиты по локализации и ликвидации углеводородных загрязнений в районе г. Энгельса.

Методика исследований состояла и включала в себя:

• сбор, анализ и обобщение литературных относительно опыта проведения реабилитационных работ на территориях нефтехимического загрязнения подземных вод и грунтов;

• изучение существующих способов количественной оценки миграции углеводородного загрязнения в пористых средах и обоснования систем инженерной защиты подземных вод;

• обобщение фактических данных инженерно-геологических и экологических изысканий на территориях, подверженных углеводородному загрязнению;

• оценку комплексного состояния подземных вод на основе компьютерной обработки данных геоэкологического мониторинга загрязненных подземных вод в районе линз нефтепродуктов г. Энгельса;

• математическое моделирование вариантов систем инженерной защиты подземных вод от загрязнения.

Научная новизна и основные результаты работы:

• разработана система комплексной оценки состояния подземных вод на основе определения содержания и мобильности нефтепродуктов в различных фазовых состояниях на участках нефтехимического загрязнения;

• разработаны критерии научного обоснования требуемой степени очистки подземных вод при проведении работ по их реабилитации на участках нефтехимического загрязнения на основе методологии оценки риска;

• сформулированы принципы обоснования регламента проведения работ по защите подземных вод от нефтехимического загрязнения с использованием специальных гидротехнических сооружений (дренажей);

• разработана математическая модель миграции нефтепродуктов одного из крупнейших в России участков нефтехимического загрязнения подземных вод;

• разработана система инженерной защиты Волгоградского водохранилища и подземных вод от загрязнения нефтепродуктами (г. Энгельса, Саратовская область).

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные методы оценки состояния подземных вод, обоснования нормативов очистки и регламента проведения работ по защите подземных вод с использованием специальных типов дренажных сооружений могут быть использованы для широкого круга практических задач реабилитации территорий, загрязненных нефтепродуктами, что подтверждается выполненными исследованиями на загрязненной территории вблизи г. Энгельса, Саратовской области.

На защиту выносятся:

• система комплексной оценки состояния подземных вод на участках нефтехимического загрязнения;

• критерии научного обоснования требуемой степени очистки подземных вод при проведении работ по их реабилитации на участках нефтехимического загрязнения;

• принципы обоснования регламента проведения работ по защите подземных вод от нефтехимического загрязнения;

• система инженерной защиты Волгоградского водохранилища и подземных вод от загрязнения нефтепродуктами и локализации техногенных залежей нефтепродуктов в районе г. Энгельс, Саратовская область.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по реабилитации загрязненных углеводородами территорий в г. Новокуйбышевск (ноябрь 2002 г.), на региональных совещаниях в администрации Саратовской области (июль 2002 г., сентябрь 2003 г.), на семинаре «Гидротехника, инженерная гидрогеология и гидравлика» во ФГУП НИИ ВОДГЕО (ноябрь 2004 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано пять статей.

Структура и объем работы. Работа состоит из четырех глав, введения и основных выводов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В настоящее время одним из наиболее приоритетных направлений мировой водоохранной политики является защита подземных вод от загрязнения нефтепродуктами, что связано как с масштабами распространения этого вида загрязнения, так и с высокой токсичностью нефтепродуктов и продуктов их распада. Обобщение имеющегося мирового опыта, опирающееся на изучение поведение углеводородов в подземной гидросфере, позволило разработать научно обоснованный регламент работ по обеспечению безопасного состояния подземных вод на участках их нефтехимического загрязнения.

2. Цикл работ по реабилитации участков загрязнения должен включать в себя работы, связанные с оценкой масштабов и степени загрязнения нефтепродуктами в такой мере, чтобы не только обоснованно подойти к ресурсному обеспечению проведения работ, но и оценить потенциальное воздействие загрязнения, степень риска для окружающей среды, наметить целевые показатели реабилитационных работ. В этом случае становится возможен научно обоснованный выбор технологий по предотвращению негативного влияния воздействия на окружающую среду.

3. В рамках разработанного регламента реабилитационных работ изложена общая методология обоснования требуемой степени очистки подземных вод, в основу которой положен следующий принцип - «содержание загрязняющих веществ в грунтах и подземных-водах должно быть снижено до пределов, исключающих угрозу ухудшения условий водопользования территории, распространения нефтепродуктов в свободной фазе, угрозу здоровью населения при контакте с загрязняющими веществами, создания взрывопожароопасной ситуации».

4. Предложено оценивать степень загрязнения подземных вод на основе анализа концентраций токсичных веществ, входящих в состав суммарных нефтепродуктов, поскольку они представляют собой многокомпонентную смесь углеводородов и сопутствующих им веществ, значения токсичности которых могут варьировать в значительных пределах.

5. На основе обработки многолетних данных мониторинга выполнена оценка эффективности извлечения свободных нефтепродуктов и разработан регламент проведения реабилитационных работ реализован на территории на территории воинской части 06987 г. Энгельса. Показано, что бессистемное проведение работ по извлечению свободной фазы нефтепродуктов интенсифицирует процессы загрязнения всех основных элементов природной среды.

6. Основной проблемой бессистемного отбора свободных нефтепродуктов явился перевод основной части нефтепродуктов из свободного состояния на поверхности грунтовых вод в защемленное состояние в пределах значительной части разреза ниже уровня грунтовых вод. Основной задачей научно обоснованных реабилитационных работ является разработка технологий, минимизирующих перевод нефтепродуктов в защемленное состояние и позволяющих перевести ранее защемленные нефтепродукты в свободную, извлекаемую фазу.

7. Разработана математическая модель миграции нефтепродуктов одного из крупнейших в России участков нефтехимического загрязнения подземных вод -линз свободных нефтепродуктов, сформировавшихся на территории воинской части 06987 г. Энгельса.

8. Выполнены многовариантные расчеты локализации и ликвидации техногенной залежи нефтепродуктов на основе оценки эффективности работы специльных гидротехнических сооружений - дренажей лучевого и вертикального типов. Предложен наиболее оптимальный (рациональный) вариант размещения этих сооружений и регламента эксплуатации всей системы.

9. Разработаны рекомендации по проектированию системы инженерной защиты для защиты Волгоградского водохранилища и подземных вод от загрязнения нефтепродуктами, а также рекомендации для разработки технико-экономического обоснования очистки территории аэродрома «Энгельс. Проектная документация «Очистка территории аэродрома «Энгельс» разработана ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» и согласована с природоохранными службами Саратовской области.

Направление дальнейших исследований автор видит в развитии методов интенсификации очистки грунтов и подземных вод от остаточных нефтепродуктов, которые не удаляются гидравлическими методами извлечения.

1. Двуреченский В.А. Нефть и приоритеты энергетической политики // Минеральные ресурсы России. М.: Геоинформмарк, 1994. Т.З. С. 4-10.

2. Путилов А.Е. Российская нефтяная промышленность вчера, сегодня и завтра // Нефтяное хозяйство, 1994. Т.4. С. 4-5.

3. Халимов Э.М. Кризис в восполнении запасов нефти может быть преодолен с помощью Федеральной системы экономического стимулирования геологоразведочных работ// Геология нефти и газа, 1999, № 1-2. С. 16-20.

4. Динков В.А., Иванцов О.М. Высоконадежный трубопроводный транспорт // Строительство трубопроводов. М.:ТОТ, 1994. С. 5-9.

5. Власов А.В. Борьба с потерями нефтепродуктов при транспортировании и хранении (анализ и оценки потерь). М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1994. 50 с.

6. Гольдберг В.М., Зверев В.П., Арбузов А.И. и др. Техногенное загрязнение природных вод углеводородами и его экологические последствия. М.:Наука, 2001.

7. Mercer, J.W., and R.M. Cohen, 1990. A review of immiscible fluids in the subsurface: Properties, models, characterization, and remediation, J. Contam. Hydro!., 6: 107-163.

8. Parker, J.C., Lenhard, R.J., and Kuppusamy, Т., 1987. A parametric model for constitutive properties governing multiphase fluid flow in porous media. Water Resour. Res., 23(4): 618-624.

9. Lenhard, R.J. and Parker, J.C., 1988. Experimental validation of the theory of extending two-phase saturation-pressure relations to three-fluid phase systems for monotonic drainage paths. Water Resour. Res. 24(3): 373-380.

10. Lenhard, R.J. and Parker, J.C., 1990. Estimation of free hydrocarbon volume from fluid levels in monitoring wells. Ground Water, 28(1): 57-67.

11. Huling, S.G., and J.W. Weaver, 1991. Dense nonaqueous phase liquids, Ground Water Issue, EPA/540/4-91-002, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 21 pp.

12. Newell C.J., Acree S.D., Ross R.R., and S.G. Huling, 1995. Light Nonaqueous Phase Liquids. Ground Water Issue, EPA/540/S-95/500, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 28 pp.

13. U.S.ЕРА, 1994. Manual: Alternative methods for fluid delivery and recovery, EPA/625/R-94/003, U.S.EPA, Risk Red. Eng. Lab., Cincinnati, OH, 87 pp.

14. U.S. EPA, 1999. Monitored Natural Attenuation of Petroleum Hydrocarbons. REMEDIAL TECHNOLOGY FACT SHEET, EPA/600/F-98/021, National Risk Manag. Res. Lab., Ada, OK, 3pp.

15. Гольдберг B.M., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М.: Недра, 1984, 265 с.

16. Расторгуев А.В., Куранов П.Н. Оценка запасов техногенных свободных углеводородов, залегающих на поверхности водоносных горизонтов, по данным наблюдательных скважин. Геологический вестник центральных районов России. №4, 2000.

17. Jokuty, P.,S. Whiticar, Z. Wang, M. Fingas, B. Fieldhouse, P. lamber, and J. Mullin, Properties of Crude Oils and Oil Products, Internet Version October 2000, accessed via http://www.etcentre.org/spills.

18. Kaluarachchi, J.J., J.C. Parker, and R.J. Lenhard, 1990. A numerical model for areal migration of water and light hydrocarbon in unconfined aquifers, Adv. in Water Re-sour., 13: 29-40.

19. Унифицированные методы анализа вод. Под ред. Ю.Ю. Лурье. М.: Химия, 1973, 376 с.

20. Griest, W. Н., Е. Е. Higgens, and М. R. Guerin, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN Conf. 851027-5, 1985.

21. Speight, J.K., 2nd edition, Marcel Dekker, Inc, NYC, NY, 1991.

22. Harper,C.C., O.Faroon and M.A.Melman, Hydrocarbon Contaminated Soils, vol.Ill, E.Calabrese and P.Kostecki, eds., pp 215-241, 1993

23. Smith, J.H. et. al., Department of the Air Force, Final Report 54; pp. 1-50; National Technical Information Services, Springfield.VA, A115949/LP, 1981

24. Johnson, P. С., M. W. Kemblowski, and J. D. Colthart, 1990a. "Quantitative Analysis of Cleanup of Hydrocarbon-Contaminated Soils by In-Situ Soil Venting," Ground Water, Vol. 28, No. 3, May June, 1990, pp. 413-429.

25. Johnson, P. С., С. C. Stanley, M. W. Kemblowski, D. L. Byers, and J. D. Colthart, 1990b. "A Practical Approach to the Design, Operation, and Monitoring of In Site Soil-Venting Systems," Ground Water Monitoring and Remediation, Spring 1990, pp. 159-178.

26. US EPA, 1989b. Determining Soil Response Action Levels Based on Potential Contaminant Migration to Ground Water: A Compendium of Examples. Office of Emergency and Remedial Response. EPA/540/2-89/057.

27. Methods for Determining Inputs to Environmental Petroleum Hydrocarbon Mobility and Recovery Models. Regulatory and Scientific Affairs. API Publication Number 4711, JULY 2001.

28. Brost, E., and Beckett, G.D., 2000. A multiphase screening method to determine fuel immobility in the unsaturated zone. AEHS Conference workshop, San Diego, California.

29. Куранов П.Н., Бухарин К.Л., Расторгуев A.B., Аналитические методы прогнозирования распространения в подземной гидросфере. // проблемы инженерной геоэкологии. Сб. трудов. Москва, ЗАО «ДАР/ВОДГЕО» 2005, вып.2.

30. Parker J.С., Islam, М., 2000. Inverse modeling to estimate LNAPL plume release timing. Journal of Contaminant Hydrology, 45 303-327.

31. Johnson, R. L., and Pankow, J. F., 1992, Dissolution of dense chlorinated solvents in groundwater. 2. Source functions for pools of solvent: Environ. Sci. Technol., v. 26, n. 5, p. 896-901.

32. Hunt, J.R., Sitar, N. And Udell, K.S., 1988a. Nonaqueous phase liquid transport and cleanup, 1. Analysis of mechanisms. Water Resour. Res., Vol. 24, No. 8, pp. 12471258.

33. Hunt, J.R., Sitar, N. And Udell, K.S., 1988b. Nonaqueous phase liquid transport and cleanup, 2. Experimental studies. Water Resour. Res., Vol. 24, No. 8, pp. 12591269.

34. Evaluating Hydrocarbon Removal from Source Zones and its Effect on Dissolved Plume Longevity and Magnitude. Regulatory Analysis and Scientific Affairs Department. Publication Number 4715, September 2002.

35. Domenico, P.A., 1987, An Analytical Model for Multidimensional Transport of a Decaying Contaminant Species, J. Hydrol., 91: 49-58.

36. Howard, Handbook of Environmental Degradation Rates, Levis Publication, Chelsea, Ml, 1989.

37. Guidance Manual for Risk Assesment, Texas Natural Resource Concervation Commission, May 1994, RG-91.

38. Prommer H. PHT3D—A Reactive Multicomponent Transport Model for Saturated Porous Media. Users Manual Version 1.0. Technical report, Contaminated Land Assessment and Remediation Research Centre, The University of Edinburgh, Edinburgh UK, 2001.

39. Scheafer D, Scheafer W, Kinzelbach W. Simulation of processes related to biodegradation of aquifers—1. Structure of the 3D transport model. J Contam. Hydrol. 1998; 31(1-2): 167-86.

40. Salvage KM, Yeh GT. Development and application of a numerical model of kinetic and equilibrium microbiological and geochemical reactions BIOKEMOD. J Hydrol 1998; 209(1—4):27—52.

41. Методика определения ущерба окружающей среде при авариях на магистральных нефтепроводах. Утв. Минтопэнерго РФ 01.11.1995 г., согласована с департаментом экологического контроля Минприроды РФ. М.: Транспресс, 1996. 68 с.

42. Порядок определения размеров ущербов от загрязнения земель химическими веществами. М.: Роскомзем, 1993.

43. Abdul, A.S., 1992. A new pumping strategy for petroleum product recovery from contaminated hydrogeologic systems: Laboratory and field evaluations, Ground Water Monit. Rev., 12(1): 105-114.

44. Testa, S.M., and M.T. Paczkowski, 1989. Volume determination and recoverability of free hydrocarbon, Ground Water Monit. Rev., 9(1): 120-128.

45. API (American Petroleum Institute), 1989. A guide to the assessment and remediation of underground petroleum releases, Publ. 1628, API, Washington, DC, 81 pp.

46. Blake, S.B., and R.W. Lewis, 1983. Underground oil recovery, Ground Water Monit. Rev., 3(2): 40-46.

47. Newell C.J., Acree S.D., Ross R.R., and S.G. Huling, 1995. Light Nonaqueous Phase Liquids. Ground Water Issue, EPA/540/S-95/500, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 28 pp.

48. Davis, E.L., and В.К. Lien, 1993. Laboratory study on the use of hot water to recover light oily wastes from sands, ЕРА/600/ R-93/021, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 59 pp.

49. Hunt, J.R., N. Sitar, and K.S. Udell, 1988a. Nonaqueous phase liquid transport and cleanup. Water Resour. Res., 24(8): 1247-1258.

50. Sims, R.C., 1990. Soil remediation techniques at uncontrolled hazardous waste sites, J. Air Waste Manage. Assoc., 40(5): 704-730.

51. Udell, K.S., 1992. Thermally enhanced removal of the oily phase, in Proc. Subsurface Restoration Conf., Dallas, TX, Rice Univ., Dept. of Environ. Sci. & Eng., Houston, TX, 51-53.

52. U.S. EPA, 1992c. Proceedings of the symposium on soil venting, April 29 May 1, 1991, Houston, Texas, EPA/600/R- 92/174, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 334 pp.

53. Fountain, J.C., 1992. Removal of non-aqueous phase liquids using surfactants, in Proc. Subsurface Restoration Conf., Dallas, TX, Rice Univ., Dept. of Environ. Sci. & Eng., Houston, TX, 36-37.

54. Rao, P.S.C., L.S. Lee, and A.L. Wood, 1991. Solubility, sorption, and transport of hydrophobic organic chemicals in complex mixtures, Environmental Research Brief, EPA/600/M- 91/009, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 14 pp.

55. Johnson, P.C., M.W. Kemblowski, and J.D. Colthart, 1990a. Quantitative analysis for the cleanup of hydrocarbon contaminated soils by in-situ soil venting, Ground Water, 28(3): 413-429.

56. Lyman, W.J., and D.C. Noonan, 1990. Assessing UST corrective action technologies: Site assessment and selection of unsaturated zone treatment technologies, EPA/600/2-90/011, U.S.EPA, Risk Red. Eng. Lab., Cincinnati, OH, 107 pp.

57. Pedersen, T.A., and J.T. Curtis, 1991. Soil vapor extraction technology, Reference Handbook, EPA/540/2-91/003, U.S.EPA, Risk Red. Eng. Lab., Cincinnati, OH, 316 PP

58. DePaoli, D.W., and N.J. Hutzler, 1992. Field test of enhancement of soil venting by heating, in Proc. Symp. On Soil Venting, EPA/600/R-92/174, U.S.EPA, R.S. Kerr Environ. Res. Lab., Ada, OK, 173-192.

59. Newell C.J., Gonzales J., and McLeod R.K., 1996. BIOSCREEN Natural Attenuation Decision Support System., EPA/600/R-96/087. U.S. EPA, Center for Subsurface Modeling Support, Ada, OK.