Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы экологической реабилитации геологической среды от углеводородных загрязнений - 9
Выводы - 13
Глава 2. Характеристики объекта исследований - 15
2.1. История изучения объекта - 15
2.2. Особенности геоэкологических условий Щелковского района - 20
2.3 Геологическое строение - 28
2.4 гидрогеологические условия - 40
Глава 3. Комплексная методика выявления и картирования линз нефтепродуктов и загрязненных грунтов - 52
3.1. Обоснование критериев выявления и картирования грунтов, загрязненных нефтепродуктами - 52
3.1.1.Формирование положительных аномалий углеводородных газов (УВГ) - 52
3.1.2. Формирование аномалий концентраций углекислого газа и кислорода - 53
3.1.3. Рост концентраций сорбированных УВ в грунтах - 54
3.1.4. Формирование свободной фазы загрязнения (линза нефтепродуктов) - 54
3.2. Газовая съемка - 56
3.3. Грунтовая съемка - 72
3.4. Бурение скважин - 78
3.5. Геофизические исследования в скважинах - 80
Резистивиметрия - 80
3.6. Расчет параметров углеводородного загрязнения - 85
Выводы - 87
Глава 4. Методика реабилитации геологической среды от углеводородных загрязнений .. -88
4.1. Обоснование основных положений процесса ликвидации углеводородного загрязнения - 88
4.2. Моделирование процесса удаления жидких нефтепродуктов из техногенных линз шахтным лучевым дренажом - 90
4.2.1. Технологическая концепция - 90
4.2.2 Расчет технологических схем - 91
4.2.3 Водоотбор из нижнего яруса лучевых дренажных скважин - 92
4.2.5 Расчет параметров верхнего яруса лучевого дренажа - 95
4.3. Моделирование процесса удаления жидких нефтепродуктов из техногенных линз системой вертикальных скважин - 97
4.3.1. Расчет приемистости и количества вертикальной скважины для обратной закачки грунтовых вод - 100
4.4. Результаты и сравнительный анализ рекультивации геологической среды от нефтепродуктовых загрязнений шахтным лучевым дренажем и системой вертикальных скважин - 101
4.4.1 Шахтный лучевой дренаж - 101
4.4.1.1. Исходные данные - 107
4.4.1.2. Методика обработки данных - 108
4.4.1.3. Интерпретация результатов наблюдений - 110
4.4.2. Система вертикальных скважин - 125
Выводы - 133
Глава 5. Мониторинг процесса экологической реабилитации геологической среды от углеводородных загрязнений - 138
5.1 Технологический мониторинг - 138
5.1.1. Технологический мониторинг динамики слоя жидких нефтепродуктов...- 139
5.1.2. Технологический мониторинг динамики концентраций сорбированных нефтепродуктов в почвах и подстилающих породах -141
5.1.3. Технологический мониторинг динамики концентраций парогазовой фазы углеводородных газов в грунтах зоны аэрации - 145
5.2 Площадной мониторинг - 146
5.2.1.Мониторинг динамики слоя свободной фазы нефтепродуктов - 147
5.2.2.Мониторинг динамики контура линз жидких нефтепродуктов - 148
5.2.3. Мониторинг динамики концентраций нефтепродуктов в грунтовой воде.- 148
5.2.4. Мониторинг динамики концентраций сорбированных нефтепродуктов в загрязненных грунтах - 152
5.2.5. Мониторинг состава и скорости газовой эмиссии с поверхности в атмосферу за приделами границ зон обработки грунта - 152
5.2.6. Мониторинг динамики количественных и пространственньк характеристик приповерхностного поля концентраций метана, углекислого газа и кислорода по всей загрязненной площади - 152
Выводы - 153
Заключение - 154
Список использованной литературы
- Особенности геоэкологических условий Щелковского района
- Формирование аномалий концентраций углекислого газа и кислорода
- Моделирование процесса удаления жидких нефтепродуктов из техногенных линз шахтным лучевым дренажом
- Технологический мониторинг динамики концентраций парогазовой фазы углеводородных газов в грунтах зоны аэрации
Введение к работе
Актуальность работы Добыча углеводородного (УВ) сырья, которое является основным источником энергии на сегодняшний день, сопровождается огромным ущербом для биосферы. В настоящее время ни один из современных технологических циклов не относится к «безотходным» или экологически безопасным из-за несовершенства технологий добычи или ее нарушений, неудовлетворительного качества или недопустимого износа оборудования. При этом, чем интенсивнее изъятие нефти, тем активнее идет формирование техногенных потоков флюидов, поступающих в природную среду. Нефть и нефтепродукты (НП) широко используются в различных отраслях промышленности. В связи с этим неизбежны аварийные ситуации, приводящие к разливам нефти и НП, следствием чего является загрязнение окружающей среды: почв и грунтов, подземных и поверхностных вод, атмосферы.
Нефть и НП являются приоритетными загрязнителями природной среды. Уже сейчас отдельные нефтедобывающие территории по состоянию окружающей среды приближаются к районам экологического бедствия. Наибольшее загрязнение грунтов нефтью и НП, в условиях России, происходит при добыче, транспортировке и хранении.
По данным МПР РФ, потери нефтепродуктов, зависящие от состояния резервуарного парка, сроков его эксплуатации, могут составлять 0,5-2% от величины годового оборота.
В настоящее время большое внимание уделяется проблеме загрязнения геологической среды нефтепродуктами. В работах исследователей отмечаются факты мощного УВ загрязнения с формированием подземных «техногенных месторождений» жидких НП в грунтах зоны аэрации.
Оценить истинный объем потерь НП за весь период функционирования нефтеперерабатывающей промышленности РФ не представляется возможным из-за отсутствия должного учета и скрытия фактов крупных и мелких аварий. Несмотря на невозможность количественно оценить потери нефтепродуктов, неоспоримым остается факт резкого снижения экологического качества компонентов природной среды, загрязненных НП, на длительный срок.
Решение проблем экологической реабилитации нефтезагрязненных территорий осложняется из-за слабой изученности геохимических процессов, возникающих в трансформированных природных комплексах, несовершенством разработанных моделей постгехногенного развития ландшафтов и миграции НП в геологической среде, отсутствием знаний о механизмах преобразования природной среды.
Под постановкой задачи экологической реабилитации подразумевается не только задача поиска, картирования и параметризации НП, загрязнений геологической среды, но и разработка методик и технических решений для экологической реабилитации геологической среды, загрязненной НП, за
кратчайшие сроки с максимально возможным, в каждом конкретном случае, геоэкологическим эффектом. Также необходима разработка программ комплексного мониторинга процесса экологической реабилитации, на всех стадиях процесса очистки.
Основные подходы к проблеме поиска углеводородных загрязнений геологической среды изложены в работах Воробьева С.А., Марютиной ТА., Борисова АЛ., Гасанова К.С., Лебедева B.C., Солнцевой Н.П., Пиковского Ю.И., Иванова Д.В., Заири Н.М., Маршака Н.А., Фролова И.Ю., RJispinoza, R.Veronigue, R. Hennig и многих других отечественных и зарубежных исследователей. Проблеме экологической реабилитации геологической среды от НП загрязнений посвящены работы Королева В.А., Аренса А.П., Боревского Б.В., Ильиной ЕА., Максимовича Н.Г., Петровой М.С., Скалина А.В. и многих других. Основы мониторинга окружающей среды заложены в работах ЮА. Изразля, И.П. Герасимова, Б.В. Виноградова, В.М. Федорова, В.Д. Ковды, В.И. Гридина, В.И. Акорвецкого, В.Н. Экзарьяна и многих других.
Основной задачей исследований в этом направлении является обобщение результатов ранее проведенных исследований с выходом на систему комплексной экологической реабилитации геологической среды от НП загрязнений. Наиболее универсальной, представляется система, состоящая из трех блоков:
1) разработка оптимальной методики поиска и параметризации
углеводородного загрязнения,
подбор наиболее эффективных методов и технологий экологической реабилитации, в зависимости от параметров и степени загрязнения объекта,
осуществление постоянного контроля изменения реабилитируемых параметров, по средствам комплексного мониторинга.
Все вышеизложенное определило актуальность данной работы. Целью работы является разработка и апробация системы комплексной экологической реабилитации геологической среды от нефтепродуктовых загрязнений, на основе комплексирования геохимических и геофизических методов и оригинальных технических решений.
Согласно поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Оценка возможности комплексирования геохимических и геофизических методов для обнаружения и картирования массивов грунтов, загрязненных НП и линз жидких НП.
Аналитический обзор и обобщение материалов по современному состоянию методов выявления и картирования грунтов, загрязненных нефтепродуктами и технологий их экологической реабилитации.
Оптимизация процесса извлечения жидкой фазы нефтепродуктового загрязнения из геологической среды. Подбор наиболее эффективных режимов эксплуатации систем ликвидации загрязнений типа шахтный лучевой дренаж и система вертикальных скважин.
Разработка программы геоэкологического мониторинга территорий загрязненных нефтепродуктами и мониторинга параметров процесса экологической реабилитации геологической среды от нефтепродуктов на всех ее стадиях с последующей апробацией на объекте исследований.
Апробация разработанных методик поиска и реабилитация на конкретном объекте.
Научная повизна работы:
Предложено комплексирование геохимических (газовая и грунтовая съемки) и геофизических (резиствиметрия) методов для выявления грунтов, загрязненных НП и картирования линз жидких НП.
Применен шахтный лучевой дренаж для ликвидации жидкой фазы НП загрязнения и аэрации загрязненных грунтов, как альтернатива скважинному методу. Осуществлен подбор оптимальных режимов эксплуатации систем типа шахтный лучевой дренаж и вертикальных скважин, при ликвидации НП загрязнений геологической среды, на основе анализа зависимостей параметров, характеризующих работу систем.
Разработана программа комплексного мониторинга реабилитации геологической среды от НП загрязнений, которая использована при изучении и контроле изменения экологического состояния параметров загрязнения исследуемого объекта.
Практическая значимость работы: Работа нацелена на ликвидацию углеводородного загрязнения земель аэродрома и близлежащего поселка. В ходе работы, по состоянию на 2007г., предотвращена миграция жидких нефтепродуктов в геологическую среду поселка, что значительно улучшило экологические условия проживания населения. Локализован основной очаг жидкофазного загрязнения и в настоящее время ведется активное извлечение жидких НП из массива пород. Результаты исследований положены в основу диссертационной работы.
Исходный материал и методика исследования. Методическое обеспечение и контроль качества работы осуществлены кафедрой экологии и природопользования РГТРУ. В основу диссертации положены материалы, полученные в ходе полевых и лабораторных исследований, проводимых ЗАО «Фирма Геополис» на складе ГСМ аэродромного хозяйства и прилегающей территории, в период с 2004 по 2007г. при непосредственном участии автора. Данный объект на протяжении длительного времени подвергался интенсивному техногенному воздействию, выраженному в авариях на трубопроводах и технологических проливах, преимущественно авиационного керосина при его хранении и транспортировке.
На протяжении этого периода автором проведена следующая практическая работа: приповерхностная газо-геохимическая съемка на интервале глубин 0,6 и
1,2м - 390 измерений, отбор проб грунта на интервале глубин 0-2м -160 проб. Проведение мониторинговых наблюдений (измерение мощности слоя жидких нефтепродуктов и уровней грунтовых вод): технологический мониторинг - 318 измерений по сети из 22 скважин, площадной мониторинг -116 измерений по сети из 38 скважин. Подбор оптимальных режимов извлечения жидких нефтепродуктов - при эксплуатации СВС и ШЛД в период с 2005 по 2007г.
В ходе работы автором самостоятельно проведены: анализ и интерпретация материалов приповерхностных геохимических исследований, обработка результатов мониторинговых наблюдений, построение карт изопахит слоя жидких нефтепродуктов в грунтах и карт гидроизогипс исследуемой территории.
Поиск и параметризация техногенных скоплений нефтепродуктов в геологической среде проводились путем отбора проб грунтовых газов и проб грунтов на разных интервалах глубин. Концентрации грунтовых газов в пробах определялись инфракрасным методом в полевых условиях, а содержание сорбированных нефтепродуктов в грунтах - флуоресцентным методом в лаборатории.
Для обработки числового материала геохимических исследований и производственной информации, полученной в ходе тестовых откачек жидких НП на ШЛД и СВС применялись методы математической статистики и математического моделирования.
Оценка экологического состояния исследуемой территории осуществлялась с использованием методов картографирования и районирования. Прогноз изменения состояния компонентов природной среды и параметров загрязнения проводился методами геоэкологического мониторинга.
Результаты выполненной работы представлены в виде следующих защищаемых положений:
Комплексирование газо-геохимических и геофизических методов позволяет достоверно картировать погребенные ореолы углеводородного загрязнения геологической среды.
Выполненная экологическая реабилитация очагов загрязнения грунтов жидкими нефтепродуктами шахтным лучевым дренажом обеспечивает полную санацию геологической среды в отличие от традиционного скважинного метода.
Комплекс разработанного эколого-технологического мониторинга контролирует систему рекультивации геологической среды от углеводородного загрязнения.
Публикации и личный вклад в решение проблемы. Диссертация основана на методических и экспериментальных исследованиях, реализованных на изучаемом объекте при непосредственном участии автора. В период с 2005 по 2008г автором проведена следующая практическая работа: приповерхностная газо-геохимическая съемка на интервале глубин 0,6 и 1,2м - 390 измерений, отбор
проб грунта на интервале глубин 0-2м - 160 проб. Проведение мониторинговых наблюдений (измерение мощности слоя жидких нефтепродуктов и уровней грунтовых вод): технологический мониторинг - 318 измерений по сети из 22 скважин, площадной мониторинг - 116 измерений по сети из 38 скважин. Подбор оптимальных режимов извлечения жидких нефтепродуктов - при эксплуатации СВС и ШЛД в период с 2005 по 2007г.
В ходе работы автором самостоятельно проведены: анализ и интерпретация материалов приповерхностных геохимических исследований, обработка результатов мониторинговых наблюдений, построение карт изопахит слоя жидких нефтепродуктов в грунтах и карт гидроизогипс исследуемой территории.
По результатам проведенных исследований опубликовано 7 печатных работ, две из которых в рецензируемых ВАК научных журналах.
Результаты работы докладывались на заседаниях кафедры экологии и природопользования ИГРУ, на конференции молодых ученых «Инженерные изыскания в строительстве» ПНИИИС 2005г и 2008г, на VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» РГГРУ 2007г., на международной выставке WaseTech «Крокус Экспо», Москва 2007г, на международной экологической студенческой конференции, Новосибирск 2007г.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы включающего 119 наименований, изложена на 168 стр. текста, содержит 50 рисунков, 31 таблицу и 10 фотографий.
Особенности геоэкологических условий Щелковского района
В работе R.Espinoza (2004г.) рассмотрена динамика УВ в загрязненных дизельным топливом почвах (экспериментальные исследования).
Методика математического моделирования многофазных потоков УВ в пористых средах рассмотрена в работе X.Qiang, L.Bing ( 2005г.).
Однако, в выше отмеченных работах, не рассмотрен механизм формирования и детальный состав газогеохимических аномалий в загрязненных НП грунтах. Не рассмотрено образование новых газовых компонентов в процессе преобразования НП, не дается научно-обоснованные критерии выбора исследуемых компонентов и, как правило, используются лишь УВ Ci-C3.
В работе Лебедева В.С, Балакина В.А., Иванова Д.А. (2005) экспериментально и в условиях реального объекта установлен факт повышенного и высокого содержания метана и углеводородов С4-С6 над залежью техногенных нефтепродуктов. Применительно к «старым» скоплениям нефтепродуктов также установлен факт роста концентраций метана со временем. Это объясняется преобразованием нефтепродуктов в жирные кислоты и летучие органические соединения, которые могут служить субстратом для развития микробиологических процессов с образованием метана и диоксида углерода. В процессах метаногенеза практически не образуются УВ тяжелее метана (Лебедев B.C. 2003).
Наряду с выявлением и оконтуриванием НП загрязнений геологической среды не менее остро стоит вопрос об ее экологической реабилитации. Сам процесс реабилитации осложняется, с одной стороны, техническими ограничениями для каждого конкретного объекта, с другой - физико-химическими параметрами, как геологической среды, так и самого загрязнения. В зависимости от степени антропогенного воздействия источника загрязнения на геологическую среду в последней формируются различные по агрегатному состоянию загрязнения. В ряде случаев с формированием жидкофазной, сорбированной и парогазовой составляющей.
В силу различных сценариев загрязнения геологической среды НП, исследователями в этом направлении предлагаются различные подходы и технологии реабилитации. Однако необходимо отметить тот факт, что в большинстве работ обоснование технологий реабилитации строится только на уровне математического моделирования предполагаемого процесса, а результаты, подтверждающие теоретические предположения отсутствуют.
По принципу воздействия все методы и технологии реабилитации делятся на две категории - in situ (непосредственно на месте загрязнения) и ex situ (вне места загрязнения). Королев В.А. (2007г.).
Различные подходы к экологической реабилитации грунтов от углеводородных загрязнений отмечены в работах таких исследователей как: Арене В.Ж., Королев В.А., Яковлев А.П., Боревский Б.В., Ильина Е.А., Максимович Н.Г., Петрова М.С., Голубев А.А. и многие другие. Ниже рассмотрим различные предложения этих исследователей.
В работах Королева В.А. предложены различные по физическим свойствам методы экологической реабилитации грунтов от НП загрязнений. Для ликвидации жидкофазного НП загрязнения предлагается использовать вертикальные скважины, оборудованные двумя насосами — водопонижающим и для откачки нефтепродуктов, причем увеличение объемов извлекаемого НП можно достичь за счет отсыпки околоскважинного пространства щебнем (Королев В.А. 2001г.). Для ликвидации сорбированных углеводородных загрязнений глинистых грунтов предложено использование электрического тока, воздействие которого задает направление движения загрязнителя в направлении силовых линий тока, тем самым, позволяя концентрировать и удалять загрязнение в заданном месте (Королев В.А.Некрасова В.А. 1997г.). В работе Probstein R.F, Yicks R.E. (1993г.) так же отмечен факт движения загрязнителей вдоль силовых линий электрического тока.
В работе Ильиной Е.А. (2003 г.) предложена фильтровая установка «скиммер» для очистки грунтов от жидких НП, которая, по мнению автора, может быть весьма эффективной при определенных модернизациях. В той же работе предложен метод «биоремедиация», основанный на внесении определенных штаммов микроорганизмов способных потреблять НП в виде единственного источника углерода. Также, автором вышеупомянутой работы, предложена идея создания внутригрунтового реактора, представляющего собой несколько уровней перфорированных труб, заглубленных в загрязненном массиве, в которые компрессором закачивается воздух для удаления парогазовой фазы загрязнения и активизации деятельности микроорганизмов. Подобные методы биологической деградации загрязнения широко применяются в Германии и Нидерландах (Marks R.E. 1994г.).
Яковлевым А.П. (2006г.) предложена установка МКО 1000 для очистки грунтов и резервуаров, загрязненных нефтепродуктами. Принцип работы установки основан на промывке грунта в технологической емкости установки с применением специальных технических моющих растворов.
Скалин А.В. (1995г.) описывает метод удаления жидких нефтепродуктов при помощи траншей и водопонижающих скважин. Метод заключается в том, что в зоне формирования воронки депрессии сооружают дренажные траншеи, которые локализуют собранные нефтепродукты, а откачку последних осуществляют из дренажных траншей, при этом нижний уровень воронки депрессии поддерживают при водозаборе не выше уровня подошвы дренажных траншей.
Справедливо отметить, что применительно к различным объектам и геологическим условиям при экологической реабилитации геологической среды от НП загрязнений, разные исследователи подходят различными путями и различными инженерными решениями. Все методы основаны на подходах рассмотренных выше. В работе невозможно отметить всех ученых, работающих в этой области, но это не умаляет их вклад в решение данной проблемы.
В настоящее время экологическая реабилитация грунтов от НП загрязнений носит довольно распространенный характер. Сегодня на рынке различными фирмами предлагается расширенный комплекс услуг по экологической реабилитации почв и подстилающих пород от НП загрязнений. К ним относятся: такие как «Чистый мир», ЗАО «Фирма Геополис», ОАО «СвердНиихиммаш» и многие другие, основными объектами которых являются территории топливозаправочных комплексов, нефтебаз, складов ГСМ военной и гражданской авиации.
Неотъемлемой частью процесса экологической реабилитации геологической среды от нефтепродуктовых загрязнений является производственный контроль и мониторинг процесса очистки.
Основные проблемы мониторинга окружающей среды рассмотрены в исследованиях Ю.А. Израэля, И.П. Герасимова, Б.В. Виноградова, В.М. Федорова, В.Д. Ковды, В.И. Гридина, В.И. Акорвецкого, К.Я. Кондратьева, Н.З. Малашенко, Л.И. Кулешова, Ш.И. Литвака, Б.И. Кочурова, В.Н. Родионова, П.Р. Поповича, Г.Н. Василенко, Ю.Н. Зборищука, В.А. Королева, Экзарьяна В.Н., Мазаева А.В. и др. О возможностях практического подхода к решению задач многоцелевого мониторинга свидетельствуют исследования В.Н. Жердева, С.Д. Дегтярева, П.С. Русинова (мониторинг земель), В.Л. Бочарова, В.М. Смольянинова (геоэкология), В.Н. Золоторева, А.В. Назаренко, Т.Н. Задорожной (синоптическая метеорология и аэроэкология) и др.
Особенностью мониторинга процесса экологической реабилитации геологической среды от НП загрязнений является стадийность в наблюдениях за параметрами загрязнения, так как они напрямую зависят от степени загрязненности геологической среды и выбранного метода реабилитации. В работах упомянутых выше исследователей затронуты достаточно глобальные вопросы, мониторинг климата Израэль Ю.А., мониторинг крупных акваторий И.П. Герасимов, В.Д. Федоров и другие. Таким образом, опираясь на фундаментальные основы принципов геоэкологического мониторинга, представляется весьма перспективной разработка программы экологического
Формирование аномалий концентраций углекислого газа и кислорода
В географическом отношении Щелковский район МО приурочен к сочленению Смоленско-Московской возвышенности и западной окраины Мещерской низины. С северо-запада и севера район окаймлен юго-восточным склоном Клинско-Дмитровской гряды, расчлененной на цепь холмов, абсолютные отметки вершин которых достигают 200-230м. На юго-западе гряда переходит через Учинскую низину в Клязьминско-Москварецкий водораздел. Почти полностью район приурочен к северной части пологоволнистой равнины Подмосковья, слабо расчлененной, с хорошо разработанными речными долинами.
В административном отношении территория исследований расположена в Московской области, к северо-востоку от города Москвы. Наиболее крупными населенными пунктами являются города: Мытищи, Калининград, Ногинск, Щелково, Пушкино, Ивантеевка, Фрязино, Лосино-Петрвский, Красноармейск.
В экономическом отношении район является промышленно-сельскохозяйственным. Высокая концентрация промышленности обусловила большой прирост населения и к настоящему времени в полосе 5-10 км по обе стороны от р.Клязьмы сосредоточено население в количестве более 1млн. человек.
Район покрыт развитой сетью автомобильных и железных дорог федерального, республиканского и местного значения. Грунтовые дороги, ведущие к небольшим деревням, в основном хорошего качества, к большинству населенных пунктов - с асфальтовым покрытием.
Западная части района приурочена к долинам рек Серебрянка и Вязь, расположены вблизи зоны санитарной охраны второго пояса питьевого Учинского водохранилища. Протяженность участка «Серебрянка» - 4км, участка «Вязь» -5км. Участок «Воря» приурочен к первой и второй надпойменным террасам р.Воря, южной своей частью расположен на территории Щелковского района, северной частью — в Пушкинском районе, имеет общую протяженность 5км. Участок «Черноголовка» расположен в северной части Ногинского района и состоит из действующего водозабора пос.Черноголовка и опытного куста «Стромынь» в 5и км к востоку от него.
Клима играет важную роль в процессе естественной трансформации нефтепродуктов. Влажность и температурный режим являются важными параметрами, от которых напрямую зависит деятельность микрофлоры, потребляющей нефтепродукты в качестве питательного субстрата.
Климат района умеренно-континентальный, с довольно продолжительной холодной зимой и умеренно теплым влажным летом. Данные многолетних наблюдений приводятся по материалам Справочника Подмосковного вводно-балансового стационара ВСЕГИНГЕО.
Среднегодовая температура воздуха +4С, самый теплый месяц — июль, его температура +17,7С; самый холодный - январь, его температура -11,6С. Среднегодовая сумма осадков составляет 610мм. Многолетняя среднесуммарная сумма испарения с поверхности почвы за период с июня по сентябрь - 246мм, с поверхности воды - 321мм.
Продолжительность безморозного периода в среднем 117 дней. Максимальная высота снежного покрова колеблется от 25 до 79 см, в среднем — 49см. Продолжительность снежного покрова составляла от 103 суток до 185 суток, в среднем 131 сутки. Наибольшая величина максимального промерзания почвы составляет 150 см, наименьшая - 15см, средняя 80см. Продолжительность периода промерзания почвы колеблется от 24 до 138 суток, составляя в среднем 88 суток.
Среднемноголетнее питание грунтовых вод за весенний период по данным наблюдений за режимом грунтовых вод составило 157мм, за осенний период 27мм. Ледоход и весенний паводок начинаются чаще всего с середины апреля, причем паводок на р.Клязьме почти незаметен, поскольку она зарегулирована на всем протяжении по району. Среднегодовая абсолютная влажность воздуха — 7,7мб, дефицит влажности - 3,3мб. Среднегодовая величина атмосферного давления 997,2мб. Такое соотношение климатических параметров является достаточно благоприятным, для процесса естественного самоочищения территории от нефтепродуктовых загрязнений.
Растительность и почвенный покров
Исследуемая территория расположена в зоне смешанных лесов. Лесные массивы занимают 90% площади. Обширные флювиогляциальные равнины и древнеаллювиальные террасы покрыты преимущественно сосновыми лесами, образующими иногда чистые боры. В пониженных и переувлажненных участках главную роль играют мелколиственные породы: береза, осина, ольха с примесью ели. Широколиственные породы: дубы, липы - встречаются реже. Для зоны смешанных лесов наиболее характерны подзолистые почвы. Наиболее распространены дерновые и слабоподзолистые почвы, развитые на древнеаллювиальных и флювиогляциальных песках, на обширных заболоченных междуречных пространствах - торфяно-подзолистые и торфяно-болотистые почвы. В северо-западной и юго-западной части, в области развития моренных и покровных суглинков, подзолисто-глинистые и подзолистые почвы, богатые перегноем и иловатыми наносами. Эти почвы являются наиболее ценными для сельского хозяйства.
Гидрография Жидкофазное НП загрязнение представляет серьезную угрозу не только геологической среде и почвам, но и водным объектам. В пределах изучаемого района рассоложено несколько водозаборов питьевого водоснабжения, сложившаяся экологическая ситуация увеличивает риск загрязнения питьевых источников нефтепродуктами
Район характеризуется разветвленной гидрографической сетью, которая в основном принадлежит к бассейну р.Клязьма. Рассматриваемый участок р.Клязьмы приурочен к ее верхнему течению. Основными притокам являются р. Уча, Воря и по восточной границе района - Шерна.
Река Клязьма - наиболее крупный приток Оки, берущий начало на Клинско-Дмитровской гряде вблизи оз.Сенежское. Площадь водосбора до г.Ногинска составляет 2920 км2. Протекает она в широтном направлении. Ниже села Ивакино, от отметки 162м русло реки представлено Клязьменским и Пироговским водохранилищами, площадь зеркала которых составляет 15,2км и полный объем 86,5 млн.м . Отметки русла изменяются от 147м у Пироговской плотины до 134м в г.Щелково и 122м восточнее г.Ногинска.
Долина реки преимущественно корытообразное или ящикообразное, местами неясно выраженное. Преобладающая ширина - от 1,0 до 2-3 км. Склоны долины ниже от Пирогово умеренно крутые, слаборассеченные, высотой от 2 до 15-17м, сложены суглинками. В среднем течении они имеют высоту 5-15м, умеренно крутые, местами пологие или обрывистые, сложены суглинками и супесями. Русло реки умеренно извилистое, преобладающая ширина 20-40м, глубина 1,0 - 2,5м, скорости течения -0,3-0,6м/с. Дно песчаное, местами илистое или галечниковое. Берега крутые, высотой 2,0-4,5м, местами сливаются со склонами долины, где они достигают высоты 20м.
Река Уча до создания водохранилищ имела длину 62км и площадь водосбора 605км2. В настоящее время Уча - нижняя, исток которой принято считать от Акуловской плотины, имеет площадь водосбора 202 км . Река Уча впадает в р.Клязьму у г.Щелково, имеет собственные притоки; наиболее крупеные из которых - реки Вязь и Серебрянка. Устье р.Вязь и среднее течение р.Учи затоплены, при этом образовались Пяловское, Пестовское и наиболее крупное питьевое Учинское водохранилище. Площадь зеркала этих водохранилищ — 37,2 км2, полный объем - 218,4 млн.мЗ. Полностью затоплена первая и большей частью вторая надпойменные террасы. На реке имеется плотина - в г.Ивантеевка. Абсолютные отметки ее русла изменяются от 144,5м у Акуловской плотины до 136м - при впадении в р.Клязьму. Плотина имеется также на р.Серебрянка в г.Пушкино, образовавшая довольно большой пруд с отметкой уреза воды 148м, отметка устья реки - 140,5м.
Моделирование процесса удаления жидких нефтепродуктов из техногенных линз шахтным лучевым дренажом
Водоносный горизонт имеет почти повсеместное распространение, отсутствует лишь в юго-западной части и небольшими участками на крайнем северо-западе и в центре южной части в пределах Щелковского поднятия.
Мощность горизонта закономерно увеличивается в северо-восточном направлении, по мере погружения пород осадочного чехла московской синеклизы и достигает 75м на территории района, хотя полная мощность горизонта составляет 110-120м к северо-востоку от него, где в кровле залегают татарские глины верхней перьми.
Водовмещающие породы представлены в основном доломитами, реже известняками, в различной степени трещиноватыми и закарстованными приуроченными к турабьевской и кутузовским толщам и ногинскому горизонту гжельского яруса. Кутузовско-ногинский водоносный подгоризонт (Cakt-ng) Водоносный подгоризонт распространен в северо-восточной и восточной половине территории. Его мощность изменяется от 18 до 50м, в западной и юго-западной частях территории его распространения подгоризонт часто имеет мощность менее 10м. Отложения подгоризонта представлены преимущественно доломитами светло-желтыми с прослоями светло-серых известняков. Условия питания подгоризонта весьма различны. Практически на всей территории получает питание сверху: на поднятом крыле Кудиновской флексуры за счет инфильтрации атмосферных осадков и разгрузки грунтового безнапорного горизонта по контуру распространения слабопроницаемых отложений, на остальной площади за счет перетока через верхнеюрские глины и гидрогеологические «окна» в них.
Взаимосвязь со смежными горизонтами осуществляется через слабопроницаемые верхнеюрскую и малинниковскую толщи а также через гидрогеологические «окна» с четвертичными водоносными горизонтами различного возраста. Особенно интенсивное питание горизонт получает через узкие долины размыва верхнеюрских глин в пойме р.Клязьмы в районе д.Жуковка.
Турабьевский водоносный подгоризонт (Сз гЬ) Водоносный подгоризонт (C3trb) распространен почти на всей территории. Полная его мощность изменяется от 22-25 в зон появления малинниковских глин и увеличивается до 26-29м в северо-восточном и восточном направлениях.
Подгоризонт сложен в основном светло-серыми доломитами и известняками, преимущественно сильно трещиноватыми и закарстованными. Закономерности изменения трещиноватости и закарстованности прямо связаны с фильтрационными характеристиками. Глубина залегания уровней подгоризонта изменяется от первых метров, в районе Щелковского поднятия и западных участков Пяловского и Пироговского водохранилища, до 40-50м - по долинам малых рек в северно-восточной части района. На большей части территории он составляет 15-25м, по долинам больших и средних рек, соответственно увеличиваясь с увеличением отметок поверхности земли.
В районе Щелковского поднятия долина р.Клязьма почти полностью прорезает турабьевский подгоризонт, на крутых склонах доломиты толщи залегают до высоты 4,5м выше уреза воды. В долине р.Клязьмы здесь уровни подгоризонта одинаковы с поверхностными водами и колеблются синхронно.
Область питания турабьевского подводоносного горизонта можно разбить на два типа: 1) области питания, которые были ими в естественных условиях; 2) области питания, ставшие таковыми в результате интенсивной эксплуатации.
К первому типу питания относятся области на всем водораздельном пространстве через гидрогеологические «окна» и разделяющие слабопроницаемые толщи сверху, а в долинах средних и крупных рек — снизу.
Ко второму типу относятся области питания за счет создания водохранилищ, инверсии разгрузки в долинах рек, привлечении поверхностного стока, то есть техногенные факторы.
Разгрузка подземных вод подгоризонта в естественных условиях происходила на водоразделах в нижезалегающие горизонты через разделяющие слабопроницаемые толщи, в долинах рек в вышезалегающие горизонты и непосредственно в р.Клязьму на Щелковском поднятии.
Взаимосвязь турабьевского подгоризонта с нижезалегающим касимовским горизонтом повсеместно осуществляется через Щелковскую разделяющую толщу. Касимовский водоносный горизонт (C3ksm) Водоносный горизонт имеет повсеместное распространение, его мощность изменяется от 32м в районе Щелковского поднятия, до 43м периферии района. В составе водоносного горизонта выделяют карбонатные толщи - русафкинскую, измайловскую, перхуровскую и ратмировскую; терригенные толщи — трошковскую, мещеринскую (с прослоям известняка) и неверовскую. Почти все толщи имеют выдержанную по всей площади мощность, за исключением трошковской, которая бывает размыта и русавкинской, мощность которой изменяется от 2 до 12м.
Питание водоносного горизонта происходит главным образом по границе горизонта к югу и западу района, а так же за счет перетекания через щелковскую слабопроницаемую толщу и искусственным путем по совмещенным скважинам с турабьевским подгоризонтом. Разгрузка осуществляется за счет перетока через кривякинскую разделяющую толщу в подольско-мячковский водоносный горизонт, но весьма ограничено. Основная разгрузка водоносного горизонта происходит при его эксплуатации действующими водозаборами.
Подольско-мячковский водоносный горизонт (C2pd-mc) Водоносный горизонт имеет повсеместное распространение и довольно выдержанную мощность — от 55 до 65м. Водовмещающими породами служат известняки с незначительными прослоями доломитов, глин, мергелей и кремней. Подстилается горизонт ростиславскими глинами и мергелями, мощностью от 4 до 7м. Трещиноватость известняков довольно слабая, часто трещины залечены кальцитом или гипсом. Глубина залегания кровли водоносного горизонта изменяется от 88м на Щелковском поднятии до 235м северо-восточнее п.Фряново, что соответствует абсолютным отметкам от 56 до 68м.
Глубина залегания уровней колеблется от 63 до 80м в средней широтной полосе территории, от Тишково и Пушкино до Черноголовки, увеличиваясь до 93-106м к югу и юго-западу в центрах депрессивных воронок.
Питание горизонта в основном происходит далеко за пределами района и весьма незначительно через кревякинскую разделяющую толщу. Разгружается он также в основном за пределами территории района и действующими водозаборами.
Технологический мониторинг динамики концентраций парогазовой фазы углеводородных газов в грунтах зоны аэрации
Сопоставление расчетного аэрируемого грунта с общим объемом загрязненных (268 686 м ), показывает, что обработке будет подвергнуто только около 30% всего массива, сосредоточенные в пространстве депрессионной воронки и пограничных с ней участков. Принимая во внимание интенсивный приток НП в данную часть разреза жидких НП, можно утверждать, что уровень загрязнения сорбированными УВ будет здесь максимальным. Поэтому очистка данного блока пород является приоритетной задачей.
Остальная часть грунтового массива, характеризующаяся низким уровнем загрязнения, будет вовлечена в процесс природного самоочищения. Удаление слоя жидких нефтепродуктов из загрязненной зоны, будет стимулировать приток к загрязненным грунтам атмосферного воздуха и развитие процессов микробиологического окисления НП.
Таким образом, в целом разработанная технологическая схема позволяет обеспечить ликвидацию углеводородного загрязнения геологической среды.
В данной главе приводятся результаты эксплуатации систем ликвидации углеводородных загрязнений типа шахтный лучевой дренаж и система вертикальных скважин. Оба объекта расположены на территории склада авиационного топлива аэродромного хозяйства. Данные системы рассматриваются как альтернативные друг другу, проводится детальный анализ их эксплуатации с целью определения наиболее эффективной в одинаковых геологических и гидрогеологических условиях объекта. Сравниваются результаты одного периода эксплуатации каждой из систем. Ниже подробно рассмотрены и проанализированы основные показатели эффективности очистки обеих систем. Даны рекомендации по оптимизации работы систем в различные периоды времени года и проведена сравнительная оценка их эффективности.
В декабре 2005 года на складе авиационного топлива был введен в штатную эксплуатацию шахтный лучевой дренаж (ШЛД). С этого времени откачка воды и жидких нефтеотходов (НО) проводилась непрерывно с редкими, кратковременными остановками, вызванными техническими причинами. К середине сентября 2006 года общий объем добычи жидких НО составил 108 м , откачки воды - 10578 м3 . В течение всего указанного временного интервала фиксировались основные технологические параметры процесса.
В этом разделе главы представлены методика и результаты анализа накопленного массива данных. Рассмотрены и обоснованы основные отличия реальной работы системы от ее модели, рассчитанной в предыдущей главе. Конечная цель работы состоит в оптимизации функционирования ШЛД, увеличении скорости извлечения жидких НО из геологической среды и сокращении сроков ликвидации НП загрязнения. Для достижения указанной цели, в течение десяти месяцев проводилась тестовая эксплуатация ШЛД и осуществлялся мониторинг компонентов природной среды, подвергавшихся интенсивному воздействию. Опытным путем определяются наиболее эффективные режимы откачек для каждого сезона года, соответствующие им, необходимые водоприемные мощности. Окончательный выбор режима и рекомендации к эксплуатации осуществляется с учетом ресурсных ограничений.
Перед началом работ по реабилитации территории склада ГСМ, линза жидких нефтепродуктов была сконцентрирована на глубине 2,5-3 м и имела среднюю мощность 1,2 м (рис. 4.6) в месте расположения ШЛД (рис 4.5). В целом по объекту средняя мощность линзы составляла 0,4 м и залегала на глубинах от 1,2м до Зм, глубина залегания увеличивалась с востока на запад, по направлению потока грунтовых вод. В течение всего 2005 года, проводился мониторинг динамики линзы жидких нефтепродуктов, оценка запасов жидких нефтепродуктов в поровом пространстве грунта, фиксировались основные тенденции в динамике перераспределения объемов по площади. Наблюдения велись по сети скважин. 12.10. 2005г. ситуация по данным мониторинга Разрез по линии скважин 8,117,118,116 м Скв8 Скв118 Скв116 40 30 20 10 0м Параметры ШЛД точно соответствуют параметрам модели (рис 4.7, фото 4.1 - 4.3). Основная технологическая концепция ориентирована на извлечение жидких нефтеотходов из геологического пространства в максимально возможные сроки и до максимально возможного уровня. Все описанные в главе 4 положения приняты за базовые и процесс извлечения производился по принципу и подобию модели. В процессе тестовой эксплуатации было обнаружено некоторое несоответствие модели и реального объекта. Основные несоответствия перечислены ниже:
Первое несоответствие заключается в том, что ни при каком режиме эксплуатации объекта не удается извлекать чистый нефтепродукт, без примеси грунтовой воды. Извлечению подвергается эмульсия воды и нефтепродукта, в зависимости от режима эксплуатации. Концентрация нефтепродукта в ней варьирует в довольно широких пределах. Скорее всего, это связано с тем, что геометрия сконцентрированной линзы нефтепродуктов имеет эффективный радиус местами меньше чем радиус верхних дрен ШЛД, и они частично дренируют линзу, а частично разгружают водоносный горизонт. Таким образом, технология извлечения жидких нефтепродуктов сводится к скачиванию эмульсии их и воды в тело ШЛД, где происходит предварительное гравитационное разделение и далее отстоявшийся продукт перекачивается в емкости временного хранения, где происходит окончательное отделение его от воды. Такая операция не предусматривалась в модели.
Второе принципиальное отличие заключается в переоценке дренирующей способности ШЛД, предварительные расчеты, проведенные в главе 4, позволили оценить возможный дебит ШЛД в 200 и более м /сут. В реальных условиях дебит ШЛД, при постоянной эксплуатации, равномерно падает от 160 до 75м /сут. в течение 10 недель работы ШЛД в режиме всех открытых дрен. На 7 неделе работы ШЛД резко падает дебит верхних дрен, это обусловлено увеличением глубины воронки депрессии и опускании ее ниже верхнего яруса. В этот момент концентрация нефтепродуктов в эмульсии максимальна, так как дренируется кровля линзы. Далее, при работе в том же режиме, дебит ШЛД не опускается ниже 75м /сут. колебания составляют не более 7 м /сут., что в свою очередь обусловлено режимом дискретных откачек. С уменьшением дебита ШЛД падает и дебит жидких нефтепродуктов. Уменьшение пропускной способности фильтров дрен также имеет место, это хорошо заметно с 35 недели эксплуатации, когда подъем УГВ не привел к значительному увеличению дебита ШЛД - фильтры верхнего яруса расположены в толще мелкозернистых песков, забивающих фильтр. Возможно, имеет место образование железистых минералов на стенках фильтров.
Третье отличие модели от реального объекта выражено в переоценке приемистости скважин, предназначенных для отведения подтоварных вод. Приемистость скважин резко падает уже через 4 недели эксплуатации системы от 4 до 0,5 м /час, таким образом, три водоприемные скважины могут принимать порядка 5-7 м3/ час. Переоценка приемистости скважин, после месяца работы, составила более чем в 20 раз. Это обусловлено быстрым обводнением разреза, представленного мелкозернистыми песками и забиванием фильтров скважин железистыми хлопьями, образующихся в подтоварной воде. Фото 4.4
