Мероприятия по охране поверхностных и подземных вод

Размещено на http://allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Под загрязнением водоемов и подземных вод понимается снижение их биосферных функций, ухудшение качества и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ.

Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие отрасли промышленности - горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной воды - сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80% всей пресной воды.

Из анализа водопользования за 5-6 прошедших десятилетий вытекает, что ежегодный прирост безвозвратного водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4-5%. Перспективные расчеты показывают, что при сохранении таких темпов потребления и с учетом прироста населения и объемов производства к 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды.

Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно считавшиеся благополучными в этом отношении. В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20% городского и 75% сельского населения планеты.

Вмешательство человека в природные процессы затронуло даже крупные реки (такие, как Волга, Дон, Днепр), изменив в сторону уменьшения объемы переносимых водных масс (сток рек). Используемая в сельском хозяйстве вода по большей части расходуется на испарение и образование растительной биомассы и, следовательно, практически не возвращается в реки. Уже сейчас в наиболее обжитых районах страны сток рек сократился на 8% , а у таких рек, как Дон, Терек, Урал - на 11-20%. Весьма драматична судьба Аральского моря, по сути, прекратившего существование из-за чрезмерного забора вод рек Сырдарьи и Амударьи на орошение.

Как известно, основной причиной загрязнения территорий промышленных объектов нефтепродуктами наряду с аварийными ситуациями, являются хронические протечки. Наиболее эффективными средствами борьбы с такого рода загрязнениями могут служить превентивные меры, позволяющие предупредить попадание нефтепродуктов на почву и в ливневые стоки предприятий и объектов загрязнения окружающей среды.

Успешное решение данной проблемы требует концептуального подхода, который должен базироваться на новейших технических достижениях в области охраны окружающей среды, учитывать специфику источников загрязнения, а также финансовые возможности объектов загрязнения, в круг которых наряду с нефтедобывающими, транспортирующими и перерабатывающими комплексами, входит большое количество мелких предприятий автосервиса.

Отсутствие у нас в стране ассортимента превентивных средств и рынка ресурсосберегающих технологий не дает возможности поднять сервисное экологическое обеспечение промышленных объектов до уровня, соответствующего современным требованиям (доступность, мобильность, сравнительно низкая стоимость, комфортность в эксплуатации, безотходная технология сбора, регенерация и утилизация).

Концептуальный подход диктует необходимость внедрения единой системы экологического обслуживания предприятий -- потенциальных загрязнителей окружающей среда нефтепродуктами, на базе создания замкнутого безотходного технологического цикла. Основные составляющие единой системы экологического обслуживания объектов загрязнения, это:

· организация централизованного оснащения потенциально опасных объектов-загрязнителей превентивно-защитными средствами;

· обеспечение таких объектов технологиями быстрого реагирования, предупреждения и/или сбора разливов, проливов, протечек нефтепродуктов сорбционным способом;

· организация централизованного сбора и утилизации, отработанных превентивно-защитных средств.

· Создание централизованной службы оснащения предприятий превентивно-защитными средствами, а также техническими средствами для их утилизации и регенерации позволит значительно снизить стоимость экологических услуг и сделать их доступными и экономически целесообразными даже для небольших предприятий и автозаправочных комплексов.

С учетом того, что значительное количество нефтяных разливов и протечек происходит в процессе транспортировки и хранения нефти, и, по самым минимальным оценкам, ежегодные потери составляют около 4,5 млн. тонн, возврат даже части этих потерь в производство за счет предлагаемой в рамках концепции технологии сбора нефтепродуктов неткаными сорбентами экономически целесообразен.

В работе на примере объекта перевалки нефтепродуктов с железного на водный транспорт показаны все нюансы экологических аспектов проектирования и разработки программы дальнейшего мониторинга.

1. КОМПЛЕКС ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ПРИ ХРАНЕНИИ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ

1.1 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ВОДОЕМОВ И ВОДОТОКОВ

Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающее качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.

Загрязнение водных объектов возникает при сбросе вредных веществ в поверхностные водные объекты, который причиняет вред или создает угрозу причинения вреда здоровью населения, нормальному осуществлению хозяйственной и иной деятельности, состоянию окружающей природной среды, а также биологическому разнообразию. Меры предупреждения вредного воздействия на водные объекты определяются водным законодательством Российской Федерации.

На территории России практически все водоёмы подвержены антропогенному влиянию. Качество воды в большинстве из них не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод выявили тенденцию к росту их загрязнённости. Увеличивается количество случаев высокого уровня загрязнения воды (более 10 ПДК) и случаев экстремально высокого загрязнения водных объектов (более 100 ПДК).

Особенно тяжёлое положение с загрязнением поверхностных водоисточников сложилось в Астраханской, Кемеровской, Калининградской, Томской, Тюменской, Ярославской областях, Приморском крае. Возрастает загрязнение подземных вод, используемых для водоснабжения, в том числе нефтепродуктами, тяжёлыми металлами, пестицидами и другими вредными веществами, которые поступают в водоносные горизонты со сточными водами.

Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ.

Одним из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается количество кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие.

В загрязненной воде с повышением температуры начинают бурно размножаться болезнетворные микроорганизмы и вирусы. Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний.

В ряде регионов важным источником пресной воды являлись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непригодной для питья.

Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие отрасли промышленности - горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70% всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной воды - сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80% всей пресной воды.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:

- механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

- химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

- бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

- радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

- тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде. Нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. При этом изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается кол-во кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды.

Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Он содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий. При этом резко снижаются биологические процессы водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.

Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, которые попадают с полей вместе со струями дождевой и талой воды. В результате исследований, например, доказано, что инсектициды, содержащиеся в воде в виде суспензий, растворяются в нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озера.

Это взаимодействие приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных растений. Попадая в водоемы, пестициды накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом.

1.2 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенденцию дальнейшего ухудшения.

Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние хозяйственной деятельности человека. Подземные воды страдают от загрязнений нефтяных промыслов, предприятий горнодобывающей промышленности, полей фильтрации, шламонакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, не канализированных населенных пунктов. Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров.

Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Перечень веществ контролируемых в подземных водах не регламентирован, поэтому нельзя составить точную картину о загрязнении подземных вод.

1.3 ТЕХНОГЕНЕЗ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РАЙОНЕ НЕФТЕГАЗОВОЙ ДОБЫЧИ

Разработка нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений относится к числу экологоемких производств, требующих больших капиталовложений. Изменения природных гидрогеохимических условий водоносных пластов в процессе добычи жидких и газообразных углеводородов носят, как правило, региональный и глобальный характер. Общие тенденции этих изменений идентичны для всех континентов земного шара. Техногенные изменения гидрогеологических условий в пределах разрабатываемых месторождений практически полностью охватывают I и II подзоны, а в отдельных регионах мира III и IV подзоны техногенеза континентальной гидролитосферы.

В настоящее время в мире разведано и эксплуатируется более 35 тыс. месторождений нефти и 11тыс. месторождений газа и газоконденсата. В период 1900-1980 гг. было открыто около 300 крупных месторождений нефти и газа, начальные извлекаемые запасы углеводородов в которых составили более 60% от общей суммы. Это способствовало быстрому наращиванию темпов развития нефтегазодобывающей промышленности. Так, по статистическим сводкам ООН, в течение последних восьмидесяти лет добыча нефти возросла в 150, а газа и конденсата - в 180 раз.

В современных условиях 60% нефти, газа и конденсата добывается с глубин до 2км, 30 -35% с глубин 2 - 3,5км. Глубина добычи углеводородов на отдельных континентах, помимо уровня развития техники и технологии разработок, определяется распределением в разрезе осадочного чехла их геологических запасов. В настоящее время установлено, что основные геологические запасы нефти в пределах бассейнов платформенного типа сосредоточены на глубинах до 3км; в геосинклинальных областях и зонах их сочленения с платформами - до 4км.

В бассейнах с мощным мезозойско-кайнозойским и кайнозойским осадконакоплением отмечается нефтенакопление на глубинах 5 - 6км. В.И. Ермаков и В.А. Скоробогатов выделяют четыре основных типа нефтегазоносных бассейнов (подтипов) по глубинному распределению газа и газового конденсата.

Первый тип представлен регионами и отдельными бассейнами, основные запасы газа которых преимущественно находятся на глубинах до 0,5 - 1км (ряд впадин Японии). В регионах и бассейнах второго типа основная масса газообразных углеводородов сосредоточена на глубинах 0,5 - 1,5км, реже до 2км с постепенным затуханием газоносности (Западно-Сибирский бассейн). К третьему типу относятся бассейны, в которых запасы газа и конденсата равномерно распределены в интервале глубин 1-4км (Амударьинский, Азово-Кубанский и др.). Четвертый тип включает бассейны, где основные запасы газа и конденсата приурочены к глубинам более 4км (Пермский, Западный Внутренний, Аквитанский, Галф-Кост и др.).

I подзона. В настоящее время на разрабатываемых нефтегазовых месторождениях изъятие углеводородов в пределах I подзоны техногенеза практически несущественно. Изменения гидродинамических условий здесь происходят в результате отбора пресных подземных вод для питьевого, хозяйственного и промышленного водоснабжения, инфильтрации сточных вод нефтегазодобычи, нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических предприятий; вследствие изменений соотношений пьезометрических градиентов в процессе добычи нефти и газа во II подзоне в зависимости от вида создаваемого техногенного гидрогеодинамического режима.

Загрязнение водоносных горизонтов I подзоны является следствием:

1) питания загрязненными атмосферными осадками;

2) инфильтрации буровых растворов из их хранилищ на буровых скважинах;

3) утечек в процессе бурения скважин;

4) питания загрязненными поверхностными водами;

5) утечек сырых нефтей при фонтанировании нефтяных скважин, транспортировке и хранении;

6) питания нижележащих горизонтов загрязненными водами вышележащих горизонтов при эжекционном режиме;

7) питания загрязненными пластовыми водами II подзоны при инжекционном режиме через затрубное пространство скважин вследствие дефектного тампонажа и через трещины водоупоров, образующиеся в результате значительных изменений внутрипластового давления;

8) инфильтрации промысловых сточных вод, сточных вод нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических предприятий.

В процессе разработки нефтегазовых и газоконденсатных месторождений, переработки нефти и газа и нефтехимического синтеза в атмосферу поступают следующие соединения: углеводороды низкокипящих фракций сырых нефтей; газы, растворенные ранее в нефтях и попутных пластовых водах, сероводород, двуокись углерода, азот, метан, этан, пропан; газы перерабатывающих и нефтехимических производств - двуокись серы, окись углерода, окислы азота, отдельные алканы и ароматические углеводороды. Обогащение воздушной среды углеводородами происходит в результате их испарения при разливах нефти на земной поверхности, из резервуаров для хранения сырых нефтей и нефтепродуктов при атмосферном давлении; газовых выбросах скважин и отмеченных выше предприятий, испарения в градирнях (до 2500т/год); дегазации сточных вод в открытой канализации, накопителях и очистных сооружениях (нефтеловушки и т.д.) По данным Е.А. Миронова, в открытой канализации из 1м³ сточных вод выделяется 6 - 25л газов; в открытых очистных сооружениях количество выделяющихся газов составляет 6-100л/м³. В газовыбросах нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических предприятий присутствуют, помимо алканов, фенол, бензол, жирные кислоты, канцерогенные соединения: 3,4-бензпирен, 1,12-бензперилен, 1,2,5,6-дибензантрацен; 1,2,3,4-дибензантрацен и неканцерогенный антрацен. Часть углеводородов захватывается атмосферными осадками и поступает с ними в грунтовые воды. Таким образом, на больших площадях грунтовые воды подвергаются частичной техногенной метаморфизации.

Загрязнение подземных вод I подзоны компонентами буровых растворов отмечается на протяжении всего периода бурения скважин. Пик загрязнения наблюдается при завершении бурения, когда на поверхность сливается 250 - 300м³ бурового раствора возле каждой скважины глубиной 2500-3000м и его остатки из наземного хранилища.

Значительным источником загрязнения пресных подземных вод нефтегазовых и газоконденсатных месторождений являются поверхностные воды водоемов и водотоков, в которые сбрасывается часть промысловых сточных вод. В настоящее время в среднем на 1т добываемых нефти и газа приходится до 3м³ попутных вод. Их химический состав определяется: глубиной залегания отрабатываемых продуктивных пластов, технологией нефтегазодобычи и изменяется от сульфатных кальциевых до хлоридных натриевых, кальциевых с минерализацией от 5 до 300 г/л. Основными загрязняющими компонентами промысловых сточных вод являются хлориды (реже сульфаты), натрий, кальций и углеводороды сырых нефтей.

Загрязнение грунтовых вод нефтяными углеводородами довольно часто происходит в результате инфильтрации сырой нефти через зону аэрации при фонтанировании нефтяных скважин, аварийных прорывах нефтепроводов, утечек из ее хранилищ.

К числу мощных источников загрязнения подземных вод относятся накопители сточных вод нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических предприятий. Состав и количество сбрасываемых ими промстоков зависит от производственной мощности предприятия, его специализаций, применяемой технологии, состава сырых нефтей, газа и конденсата. Основная часть предприятий такого профиля имеет оборотное водоснабжение. Однако водоотведение еще составляет 4 - 10%. Нефтеперерабатывающие заводы сбрасывают пять видов сточных вод. К первому виду относятся нефтесодержащие стоки, в которых нефть присутствует в эмульгированном состоянии. Ко второму виду относятся минерализованные сточные воды установок по обессоливанию нефти, преимущественно хлоридного натриевого и кальциевого составов.

Третий вид сточных вод включает кислые стоки с рН 2-4 сульфатного типа, образующиеся при регенерации серной кислоты, которая применяется для кислотной очистки нефтепродуктов. В них содержится до 1 г/л свободной серной кислоты. Четвертый вид представлен сернисто-щелочными сточными водами, отводимыми после защелачивания светлых нефтепродуктов и сжиженных газов. Они содержат (в г/л): фенолы 6-12, нефтепродукты 8-14, сероводород и сульфиды 30-50 при рН 13-14. К пятому виду относятся сероводородные сточные воды с рН 5-6, образующиеся после барометрических конденсаторов смешения. В них отмечаются фенолы (4-5мг/л), нефтепродукты (10-15г/л), сероводород и сульфиды (300-500 мг/л).

Таким образом, что приоритетными загрязняющими компонентами пресных подземных вод I подзоны нефтегазовых и газоконденсатных месторождений являются нефтяные углеводороды, хлориды, натрий, кальций и сероводород.

Кроме того, как отмечалось выше, интенсивность загрязнения грунтовых вод, при прочих равных условиях, определяется мощностью зоны аэрации и литолого-петрографическим составом ее пород. Вполне очевидно, что чем меньше мощность зоны аэрации, тем интенсивнее нефтяное загрязнение. Специальные натурные эксперименты и наблюдения показывают, что в условиях преобладания в отложениях зоны аэрации песков и супесей, особенно с пониженной влажностью, формирования нефтяного загрязнения протекает быстрее. При наличии глинистых пропластков наблюдается горизонтальное перемещение нефтяных углеводородов по границе раздела тяжелых и легких литологических разностей пород. Такое перемещение нередко происходит в направлении, противоположном движению грунтовых вод.

Просачивание нефти сопровождается развитием сорбционных процессов. При этом породы зоны аэрации обогащаются органическими соединениями, относящимися к высококипящим фракциям (>300 °С). Таким образом, частично меняется фракционный состав просачивающейся нефти - уменьшается содержание серосодержащих соединений (меркаптанов, тиофенов, тиофанов).

II и III подзоны. Изменение гидрогеохимических условий водоносных горизонтов и комплексов II и III подзон техногенеза континентальной гидролитосферы происходит под влиянием добычи жидких и газообразный углеводородов и закачки в непродуктивные пласты производственных сточных вод с целью их захоронения. Основное количество нефти и газа в настоящее время добывается из продуктивных пластов II и III подзон (до 3000м). Изменения природных гидродинамических и гидрогеохимических обстановок здесь полностью определяются технологией и темпами добычи углеводородов, осуществляемых с учетом конкретных геолого-гидрогеологических условий, а также периодом эксплуатации месторождений.

В пределах II и III подзон техногенеза наблюдаются следующие явления регионального характера:

1)образование обширных воронок депрессии и истощение отдельных водоносных горизонтов при инжекционном гидрогеодинамическом режиме месторождения;

2) формирование пьезометрических куполов при инжекционном режиме;

3) перераспределение областей питания и разгрузки водоносных горизонтов и комплексов;

4) смещение водогазонефтяного контакта залежи;

5) изменение термобарических условий;

6) изменение водопроводящих свойств пород;

7) уменьшение ресурсов пластовых вод, ценных в промышленном и бальнеологическом отношениях;

8) загрязнение пластовых вод.

9) отжатие седиментационных вод из глинистых водоупоров в продуктивные коллектора;

10) дегазация пластовых вод;

11) образование линз техногенных вод на отдельных участках терригенных коллекторов в результате потерь бурового раствора в период разведки и эксплуатации месторождения;

12) формирование техногенных микробиоценозов;

13) активизация биохимических и физико-химических процессов в пластовых водах;

14) генерация техногенных газов;

15) поступление газов атмосферного генезиса.

Обширные зоны депрессии образуются при длительной эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений на истощение. Падение внутрипластового давления сопровождается существенной дегазацией пластовых вод.

Падение давления в продуктивном пласте постепенно приводит к внедрению пластовых вод из приконтурной части залежи. В условиях, когда гидростатическое давление напорных вод выше и ниже залегающих водоносных горизонтов и комплексов, существенно превышает давление в продуктивном пласте, происходит их внедрение в последний. Наиболее часто это наблюдается при малых мощностях глинистых водоупоров, отделяющих продуктивные пласты от водоносных горизонтов и комплексов.

Внедрение пластовых вод в терригенные коллектора газовых и газоконденсатных месторождений может сопровождаться их смешением с техногенными водами, образовавшимися в виде отдельных линз в проницаемых пропластках пород, вследствие утечек бурового раствора. Состав внедряющихся вод с течением времени изменяется в результате взаимодействия с породами, с технологическими растворами, применявшимися для повышения производительности скважин, и продуктами гетерогенных реакций. Из пород нефтяных месторождений в пластовые воды переходят углеводороды. В зависимости от химического состава пластовых вод терригенные породы обогащаются натрием или кальцием. Значительные изменения химического состава пластовых вод в продуктивных коллекторах происходят в условиях применения химических методов повышения производительности нефтегазовых скважин. В указанных целях призабойная зона скважин в карбонатных коллекторах обрабатывается растворами 15-20%-ной соляной и 4-5%-ной уксусной кислот. Среднее количество кислотного раствора в расчете на 1м толщины продуктивного пласта составляет 0,4-1м³. Взаимодействие кислотных растворов с карбонатными породами приводит к образованию водорастворимых соединений кальция и магния, которыми обогащаются внедрившиеся пластовые воды.

В процессе эксплуатации нефтегазовых месторождений происходит обогащение пластовых вод отдельными нефтяными компонентами и постепенная их дегазация. Изменение содержания в водах отдельных видов органических соединений нефтей и растворенных газов связано с техногенным изменением термобарических и гидрогеохимических условий, с формированием техногенных биоценозов. По сравнению с пластовыми водами I подзоны во II и III подзонах пластовые воды более обогащены нефтяными углеводородами, что в первую очередь обусловлено более высокими температурами.

2. ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД

2.1 МАССОПЕРЕНОС В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ

Массоперенос представляет собой процесс перемещения компонентов подземных вод и является гидрогеодинамической частью процессов гидрогеохимической миграции (геомиграции), которые обусловливают изменения качественного (вещественного) состава подземных вод.

Процессы геомиграции кроме массопереноса включают в себя обмен химических и биологических компонентов состава водного раствора (мигрантов) между жидкой и твердой фазами, а также гидрохимические пре вращения в водном растворе.

Исследования гидрогеохимической миграции в значительной мере определялись практическими потребностями в количественном обосновании условий загрязнения подземных вод, включая управление их развитием, особенно в зоне влияния водозаборов, при складировании и захоронении промышленных отходов. Массоперенос является важнейшей частью геомиграционных процессов, что связано с высокой подвижностью водных растворов в литосфере. Вместе с тем во многих случаях массоперенос необходимо рассматривать в тесной связи с процессами физико-химического обмена, происходящими в системе «вода -- порода».

2.2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ «ВОДА-ПОРОДА»

Основными формами физико-химических процессов обмена в системе «вода -- порода» является сорбция растворенных в воде солей (ионов) на частицах породы, а также растворение (выщелачивание) компонентов породы водным раствором. При изучении миграции загрязнений в подземных водах сорбция проявляется во всех основных формах: физической, химической и ионного обмена (последняя форма бывает наиболее распространенной). Теоретические модели сорбции в системе «вода -- порода» разработаны главным образом применительно к однокомпонентному раствору, когда считается возможным рассматривать сорбцию каждого компонента (мигранта), изолированного от всех остальных (без учета гидрохимических превращений). Тогда содержание рассматриваемого компонента в жидкой фазе характеризуется его концентрацией С, а в твердой фазе -- сорбционной емкостью N, представляющей собой содержание сорбированного мигранта в единице объема породы; размерность N такая же, как и у концентрации С.

При сравнительно небольшой концентрации мигранта с можно считать справедливым закон действующих масс, когда сорбционная емкость пропорциональна концентрации:

N=KdC, (2.1)

где Kd -- коэффициент распределения, который в данной физико-химической обстановке есть величина постоянная; в общем случае величина Кd зависит от N и с согласно экспериментальной изотерме сорбции.

Особенно существенны проявления сорбции на глинистых породах мигрантов в катионной форме при комплексообразовании, когда значения Kd имеют порядок десятков и более.

Конвективный перенос. Конвективный перенос происходит гидравлическим путем вместе с фильтрующейся водой, его основной характеристикой является действительная скорость фильтрации u₀, связанная со скоростью фильтрации v соотношением

u_o=v/n_o,



где n_o -- активная пористость породы. При расчетах конвективного переноса используется схема поршневого вытеснения, в которой принимается, что все частицы воды двигаются с одинаковой скоростью.

Микродисперсия в пористой среде.

Микродисперсия представляет собой процессы рассеивания мигранта на молекулярном и внутрипоровом уровнях.

На молекулярном уровне микродисперсия обусловливается процессом молекулярной диффузии, которая создает поток мигранта, описываемый законом Фика

Vd=~DMgrade, (2.2)

где Vd -- плотность диффузионного потока (количество вещества, диффундирующего через единичную площадь потока в единицу времени); Dm -- коэффициент молекулярной диффузии; с --концентрация мигранта.

В глинистых породах диффузионный поток осложняется торможением диффузии в пристенныях слоях жидкости за счет уменьшения подвижности ионов в двойном электрическом слое и большей вязкости структурированных жидкостей пристенных слоев.

Закон Фика в форме справедлив для изотермических процессов и при независимой диффузии: последнее допущение строго обосновывается для смесей, состоящих из двух веществ или содержащих избыток одного из компонентов, а также при одинаковых коэффициентах диффузии всех компонентов смеси. При невыполнении этих условий возникают более сложные явления неизотермической многокомпонентной диффузии.

Поскольку любая форма движения способна и вынуждена превращаться, прямо или косвенно в любую другую форму, потоки мигранта создаются так же всеми физическими полями. Однако их практическое влияние имеет обычно весьма ограниченный характер.

В приповерхностной (почвенной и подпочвенной) зоне при значительных колебаниях температуры может проявляться термодиффузия.

На больших глубинах может проявляться эффект бародиффузии, заключающийся в разделении более и менее тяжелых компонентов водного раствора под действием градиента давления.

На диффузию микроорганизмов может так же накладываться хемотаксический перенос, который представляет собой собственное движение микроорганизмов в направлении участков с более высокой концентрацией необходимых им питательных веществ.

Рядом исследований утверждается наличие в слабо проницаемых грунтах «фильтрационного эффекта», или «просеивания солей», что проявляется в полупроводимости грунтов или растворов. При наличии фильтрационного эффекта грунты будут пропускать через себя не все молекулы раствора, а только некоторую их часть, уменьшая тем самым концентрацию фильтрующегося раствора. Пока еще нет достаточно обстоятельного экспериментального материала, который позволил бы судить о значимости этого интересного явления при фильтрации в различных грунтах, однако можно считать, по-видимому, что оно проявляется только в ультрадисперсных грунтах, поры которых соизмеримы с размером молекул раствора.

При вытеснении взаимонерастворимых жидкостей формируется специфическая «пальцевидная» структура границы раздела.

2.3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНВЕКТИВНО-ДИСПЕРСНОГО МАССОПЕРЕНОСА

В гомогенной среде общая модель переноса включает в себя конвективный перенос и микродисперсию.

Вместе с тем диффузионный перенос может играть значительную роль в ходе длительно протекающих геологических процессов. Для иллюстрации этого положения рассмотрим задачу диффузионного выноса солей из глубокого водоносного горизонта (зоны затрудненного водообмена) мощностью m, перекрытого относительно водоупорным пластом мощностью m_р, над которым располагаются пресные воды зоны активного водообмена. Примем, что фильтрация (конвективный перенос) в этой системе практически отсутствует, а вынос солей из глубокого горизонта, уменьшающий со временем концентрацию его воды, происходит через водоупорный пласт путем диффузионного переноса. Имея в виду длительный характер процесса, будем считать диффузионный поток в водоупорном пласте стационарным (точнее, квазистационарным).

Можно сделать вывод, что находящиеся на глубине нескольких сотен метров подземные воды высокой минерализации либо должны быть связаны с наличием солей в водовмещающих породах, либо не могут быть древнее неогена--палеогена, поскольку в противном случае они должны были подвергнуться диффузионно-осмотическому опреснению. Вывод, впервые сделанный на основании подобных расчетов С. И. Смирновым, справедлив только при условии, что коэффициенты диффузии глинистых разделяющих слоев соответствует принятому значению D_M

Гетерогенно-блоковая среда

Для горных пород характерна гетерогенность различных масштабов -- от кристаллической решетки до массива. Для описания процессов переноса наиболее значимой является гетерогенность порядка десятков сантиметров, обусловленная литолого-фациальной изменчивостью и трещиноватостью горных пород. Для ее учета при построении теоретической модели переноса используется расчетная схема (модель) гетерогенно-блоковой среды, или среды с двойной емкостью представляющей собой квазиоднородную систему слабопроницаемых блоков, равномерно прорезаемых проводящими каналами.

В карбонатных породах такие каналы представлены наиболее крупными трещинами а блоки -- весьма слабопроницаемым карбонатным материалом с пористостью 10-15%. Такая гетерогенно-блоковая среда называется также порово-трещинной. В глинистых породах проводящие каналы -- это зоны, повышенная проницаемость которых объясняется наличием более грубого материала, а также повышенной трещиноватостью, причем проницаемости каналов и блоков не имеют резкого различия. Такая гетерогенно-блоковая среда может быть названа также мозаичной.

В модели порово-трещинной среды перенос в трещинах (каналах) осуществляется конвективным путем, а в блоках - диффузионным.

Рассматривая перенос в блоке, выделим начальный период, когда на поток переноса не влияет размер блока, который в этом случае можно считать неограниченным, и квазистационарный период, когда диффузионный перенос в пределах блока можно рассчитывать по схеме сосредоточенной емкости, усредняя процесс переноса внутри блока, т. е. считая емкость блока как бы сосредоточенной в его центре.

Наиболее полное и ясное физическое представление о гетерогенной среде с сосредоточенной емкостью дает рассмотрение квазиоднородной мозаично-блоковой среды, состоящей из системы блоков, равномерно прорезаемых проницаемыми каналами, причем конвективный поток в извилистых проницаемых каналах равномерно обтекает слабопроницаемые блоки и частично протекает через них. Таким образом, в этой модели предполагается, что продольный перенос в проводящих каналах осуществляется только конвективным путем, а обмен между каналами и блоками - диффузионным и кондуктивным по схеме сосредоточенной емкости блока.

Анализ показывает, что при реальных размерах элементов неоднородности «диффузионная модель» макродисперсии имеет ограниченное применение лишь для описания весьма длительных процессов. Например, в работе на основании представления макродисперсии как результата проявления случайного распределения поля скоростей утверждается, что расчетная величина коэффициента дисперсии должна быть функцией времени, причем обработка данных полевых опытов показала, что эта функция оказывается неповторимой во всех точках наблюдений. Сомнительна также целесообразность использования диффузионной модели для описания макродисперсии в гетерогенных породах неупорядоченного строения. Численные эксперименты по массопереносу в среде с непроницаемыми включениями показали, что даже в этом идеализированном случае возникают значительные неясности в описании процесса моделью гидродисперсии, поскольку перенос мигрантов существенно зависит от расположения и масштаба включений.

Применение диффузионной модели для описания продольной дисперсии, по-видимому, рационально лишь для песчано-глинистых пластов с неупорядоченной неоднородностью с заданием параметра дисперсии исходя из нормального распределения величины Кⁿ при 0<n<1, параметры которого принимаются по косвенным данным (геофизическим, механического состава).

Вместе с тем для описания поперечной макродисперсии модель диффузионного типа является единственно реальной. Однако при этом целесообразно особо обосновать структуру коэффициента поперечной макродисперсии и его зависимость от скорости фильтрации, не пользуясь только непосредственной аналогией с поперечной гидродисперсией.

2.4 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА МАССОПЕРЕНОСА

При расчетах переноса загрязнения в водоносных пластах, представленных дисперсными породами, определяющее значение обычно имеет конвективный перенос загрязняющих мигрантов с фильтрационным потоком, а различные формы дисперсии играют подчиненную роль. Поэтому расчеты переноса загрязнения производятся прежде всего на основе представления поля скоростей потока, причем для определения направления потока здесь требуется внимательное построение линий тока и траекторий движения мигранта. Учитывая медленность процессов переноса, обычно допустимо для их расчета рассматривать геофильтрационный поток как стационарный (квазистационарный), имея в виду, что при этом траектории будут совпадать с линиями тока.

Для расчетов скоростей (времени) переноса мигранта используется схема «поршневого вытеснения», согласно которой в процессе взаимовытеснения жидкостей в фильтрационном потоке предполагается полное их замещение в пределах каждого элемента порового пространства, так что граница раздела жидкостей различного состава не подвергается дисперсии («размыванию») и движется со скоростью конвективного переноса, определяемой кинематическим уравнением.

Значительное влияние на процессы переноса загрязнения может оказывать профильная фильтрационная неоднородность потока по проницаемости, которая обусловливается в осадочных породах их слоистостью, а в коренных породах - изменениями трещиноватости и выветрелости по глубине.

Существуют два принципиально различных метода учета такой неоднородности: непосредственной реализации профиля проницаемости при расчетах распределения скоростей переноса по мощности потока или опосредованного учета профильной неоднородности в модели конвективно-дисперсионного переноса, при котором определяются средние по глубине потока содержания мигрантов, а расчетные значения коэффициента дисперсии находятся по данным натурных наблюдений в аналогичных условиях. Первый путь (непосредственной реализации) представляется, как правило, предпочтительным, поскольку позволяет дать более конкретную оценку влияния профильной неоднородности на распространение загрязняющих мигрантов по глубине потока, что особенно важно при изучении миграции загрязнения в потоках большой мощности. Второй путь, нередко рассматриваемый как основной, целесообразно использовать лишь при расчетах переноса загрязнения в потоках небольшой мощности с неупорядоченной неоднородностью, которая не может схематизироваться как горизонтально-слоистая.

Рассматривая задачи переноса загрязнения, будем исходить из возможности учета процессов физико-химического обмена в системе «вода-порода» введением в качестве расчетной пористости n величины n_э, определяемой имея ввиду, что при необходимости учета изменений гидрохимического состава и взаимодействия мигрирующих компонентов при миграции загрязнения требуется совместное рассмотрение моделей переноса, обмена и превращений, для которых рассматриваемые модели переноса составляют гидродинамическую основу.

Рассмотрим с таких позиций расчеты переноса загрязнения (загрязняющих мигрантов) для двух типичных классов задач: в потоке грунтовых вод, куда оно поступает из поверхностных источников, и при закачке токсичных промстоков в напорные горизонты подземных вод.

2.5 ПОВЕРХНОСТНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД

Загрязнение грунтовых вод происходит обычно путем инфильтрации растворов загрязняющих компонентов с поверхности земли или из бассейнов.

Выделяют площадное поступление загрязнения (агро- и ядохимикаты с сельскохозяйственных земель, токсичные соли на орошаемых землях, «кислые» дожди, загрязненный снеговой покров) и очаговое загрязнение (хранилища промстоков, нефтепродуктов, свалки коммунальных отходов, хвостохранилища, скотоводческие фермы).

Исходным для расчетов переноса таких загрязнений являются величины интенсивности инфильтрации (площадного питания) w и концентрации загрязняющих мигрантов с на входе в поток -- после прохождения почвенных горизонтов или донных отложений хранилищ. Величины w и сО могут быть установлены только по данным специальных наблюдений, а также материалам по объектам-аналогам.

На формирование исходного поступления загрязнения значительное, а подчас и определяющее влияние оказывают его пространственно-временная неравномерность площадная неравномерность поступления загрязнения из бассейнов промстоков и хвостохранилищ обусловливается фильтрационной неоднородностью их ложа и неравномерностью поступления загрязняющих мигрантов на сельскохозяйственных территориях, особенно на орошаемых землях, где загрязнение агро- и ядохимикатами имеет к тому же ярко выраженный сезонный характер. Сугубо локальный и переменный во времени характер имеет, конечно, поступление загрязнения за счет утечек из технологических и канализационных коммуникаций.

Обоснование особенностей очагово-изменчивого распределения техногенного загрязнения требует обстоятельного анализа, опирающегося на данные специальных представительных натурных наблюдений. Прежде чем поступить на поверхность потока грунтовых вод, поверхностное загрязнение проходит через зону аэрации. Для оценки этого процесса рассматривается задача массопереноса в ненасыщенной зоне. Такая задача, очень сложная с формально-математической точки зрения, тем не менее недостаточно адекватно отражает особенности переноса в зоне аэрации, поскольку, во-первых, не учитывает неоднородности строения зоны аэрации, а во-вторых, нереальным является обоснование необходимых для таких расчетов параметров массо- и влаго-переноса.

Построение плана потока для существующих условий по данным замеренных уровней грунтовых вод лучше всего может быть проведено путем прогнозного моделирования, позволяющего получить значения напоров по заданной сетке, а затем построить линии тока, пользуясь стандартной программой. Следует отметить особый характер решаемой при этом обратной задачи, достоверность которой определяется правильностью получаемого плана течения с позиций прогноза практической опасности переноса загрязнения. Если данных для прогнозного моделирования не хватает, то можно попытаться аппроксимировать данные наблюденных напоров (уровней) потока полиномом (сплайном) и построить линии тока (траектории).

При построении плана потока для прогнозируемых условий обычно используется принцип суперпозиции, согласно которому прогнозируемые изменения напоров накладываются на уровни существующего (исходного) потока, причем поле существующего потока получается, как это описано выше, а изменения напоров получаются прямым моделированием. Получив суммарные изменения напоров по заданной сетке, можно далее построить линий тока по стандартной программе.

Наряду с переносом в плане происходит распространение загрязнения по глубине потока, причем вертикальный конвективный перенос возникает здесь при наличии вертикальных скоростей фильтрации, обусловливаемых особенностями структуры потока.



3. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НЕФТЯНЫМИ ЗАГРЯЗНЕНИЯМИ

3.1 ТРАНСФОРМАЦИЯ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Попавшая в водную среду нефть довольно быстро растекается по поверхности, образуя тонкую пленку. Так, в условиях штиля при разливе одной тонны сырой нефти в течение 10минут она растекается пятном площадью 2000 - 7000м² при средней толщине слоя около 100мкм и максимальной толщине до 10мм. Впоследствии одна тонна нефти покрывает акваторию площадью от 30кмІ, при этом толщина нефтяной пленки не превышает 1мм.

В случае аварийного разлива нефти на водной поверхности начинают протекать процессы трансформации нефтяного загрязнения. Это: испарение и растворение в воде легких фракций, образование эмульсий, оседание тяжелых фракций на дно, биодеградация, изменение физических характеристик. Этот процесс называется «выветриванием нефти». Вначале испаряются наиболее летучие компоненты нефти и небольшая часть нефти превращается в воду. Для очень легкой сырой нефти и легких очищенных нефтепродуктов этот процесс может привести к потере основной части загрязняющего вещества.

Для более тяжелой сырой нефти «выветренный нефтепродукт» достигает стадии эмульсии, которая может представлять собой вводно-нефтяную смесь, содержащую до 75% воды. Это в четыре раза увеличивает размер нефтяного загрязнения и, поскольку такая смесь может иметь вязкость арахисового масла, проблема сбора нефти и очистки водной поверхности увеличивается. В конце концов, выветренная нефть распадается фракции, которые, как правило, плавучие и держатся на поверхности воды.

3.2 МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТ НЕФТЯНОЙ ПЛЕНКИ

Пролитую сырую нефть в принципе можно сжечь, однако при образовании тонкой нефтяной пленки на водной поверхности, горение прекращается из-за теплоотвода в толщу воды. Кроме того, разлитая нефть быстро теряет легкие, наиболее горючие фракции. Поэтому, как правило, удается сжечь только ту часть нефти, которая еще не успела вытечь из нефтеналивных емкостей терпящего бедствие танкера.

На сегодняшний день существует целый ряд методов и средств ликвидации аварийных разливов нефти на поверхности воды. Однако, как правило, эффективность и целесообразность их применения сильно зависит от интервала времени, прошедшего с момента первого контакта нефти с водой. Основное требование к методу удаления нефтяной пленки с поверхности водоема - это мобильность и быстрота применения.

Существующие методы ликвидации разливов нефти на поверхности водных сред можно подразделить: механические, химические и биологические.

3.3 МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛИКВИДАЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Для ликвидации нефтяного загрязнения воды наибольшее распространение получили механические методы. В результате их применения достигается сбор 80-90% разлитых нефтепродуктов. Кроме того, следует отметить, что если механические методы частично решают проблему сбора основного количества нефти при масштабных авариях для ее повторного использования, то в природоохранном аспекте их роль не столь значительна. Они малоэффективны в ликвидации нефти, растекшейся тонкой (радужной) пленкой по водной поверхности или перешедшей в эмульгированное состояние.

Независимо от характера разлива нефтепродуктов первые меры по его ликвидации должны быть направлены на локализацию пятен.

Локализация осуществляется с помощью оперативной установки плавающих боновых ограждений согласно схеме, намеченной при осмотре места загрязнения. Установка боновых заграждений при локализации разливов нефти должна производиться в соответствии с инструкцией, разрабатываемой изготовителем для данного типа боновых заграждений. Оперативные боновые заграждения должны крепиться к специальным буям, установленных на якорях.

При необходимости боновые заграждения могут использоваться для траления нефтяного пятна катерами или вручную. Траление производится к приёмной установке нефтемусоросборщика или к месту производства работ.

Плавающие боновые заграждения устанавливаются:

· непосредственно у источника нефтезагрязнения

· при локализации имеющегося пятна нефти

· у потенциального источника загрязнения

· для защиты объекта, которому может угрожать нефтяное загрязнение

При наличии крупных пятен нефти толщиной более 0,1мм ( с локальными утолщениями) следует задействовать боновые заграждения в двух следующих вариантах:

· удержание нефти с последующим сбором с помощью нефтесборного устройства, заводимого в зону наибольшей концентрации нефти с борта вспомогательного судна, либо сбор внутри заграждения небольшим нефтесборщиком или вспомогательным судном с навесной системой

· траление нефти с помощью двух ветвей бонов с последующим периодическим выпуском сконцентрированного слоя и подхватом его следующим за бонами нефтесборщиком.

Основным методом сбора нефти при ликвидации разливов следует считать механический сбор.

Механический сбор плавающей на воде нефти осуществляют нефтесборщики (скиммеры), нефтемусоросборщики, различные нефтесборные устройства и приспособления, доставленные на место разлива.

К месту разлива также должны быть подведены средства. которые могут принимать с нефтемусоросборщика собранную нефтесодержащую смесь - танкеры, нефтеналивные баржи.

Для сбора нефтепродуктов могут быть использованы траловые боны и скиммеры -пороговый для сбора вязкого и замусоренного нефтепродукта или дисковый для сбора нефтепродукта средней и малой вязкости.

При ликвидации разлива вязкой нефти в холодное время года необходимо предусмотреть не менее двух источников пара для подогрева собранной нефтесодержащей смеси при сдаче её из приёмных ванн нефтесборщиков

В период замерзания или таяния при небольшой сплочённости колотого льда (25-30%) можно применять те же методы, что и при открытой воде, но с рядом ограничений. Эффективный сбор нефти возможен только скиммерами порогового и сорбционного типа щёточными, тросовыми, дисковыми.

Если лёд покрывает более 30% поверхности воды, боны практически бесполезны.

В этом случае одним из самых эффективных методом ликвидации разливов нефтепродуктов является использование лёгкого сорбента СТРГ, а затем смывание его с поверхности льдин струями холодной или подогретой воды с последующим отсасыванием вакуумными нефтесборными системами.

Для сбора нефти в полыньях можно использовать также олеофильные щёточные и тросовые скриммеры.

Для защиты береговой полосы при аварийных разливах нефтепродуктов и при локализации и ликвидации аварийных разливов на мелководье, а также для установки под ледовым покрытием используются сорбирующие боновые заграждения, которые позволяют функционально объединить локализацию или ограничение пятна нефтепродуктов и сорбцию нефтепродукта (защитить береговую полосу от попадания нефтепродуктов).

Перечень оборудования и технических средств для реализации технологии по механическому сбору нефти при аварийных разливах.

1. Боны постоянной плавучести

2. Аварийные надувные боны

3. Сорбирующие боны

4. Скиммеры пороговые

5. Скиммеры дисковые олеофильные

...