Морфологический анализ рельефа при экологических изысканиях на объектах подземного хранения газа

УДК 551.4 924.8 C.B. Шарапов1

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЛЬЕФА

ПРИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ НА ОБЪЕКТАХ

ПОДЗЕМНОГО ХРАНЕНИЯ ГАЗА

В статье рассматривается опыт применения геоморфологических методов при проведении экологических работ на объекте «Вега», Волгоградском ПХГ и Щелковском ПХГ. Морфологический анализ эолового рельефа на объекте «Вега» использовался для оценки мощности зоны аэрации — важного фактора защищенности грунтовых вод. Морфомет-рический анализ водосборов позволил дифференцировать территорию Волгоградского ПХГ по интенсивности поверхностной миграции загрязняющих веществ. Для территории Щелковского ПХГ оказалось эффективным применение морфотектонических методов для выявления трещиноватых зон, служащих каналами миграции газа за пределы хранилища. Несмотря на эффективность геоморфологических методов, они полностью отсутствуют в составе экологических изысканий при строительстве.

Ключевые слова: морфологический анализ рельефа, подземные хранилища газа, бассейновый анализ, структурно-геоморфологический анализ.

Введение. В статье рассматривается эффективность применения геоморфологических методов при проведении инженерно-экологических изысканий на подземных хранилищах газа (ПХГ). ПХГ любого типа оказывают комплексное воздействие на среду. Оно затрагивает глубокие горизонты пород, подземные и грунтовые воды, почвы и подстилающие их породы, водные объекты, растительность, атмосферный воздух. Их близостью к крупным густонаселенным промышленным центрам обусловлена необходимость детального изучения степени экологического воздействия на компоненты окружающей среды. Всестороннее воздействие производственных объектов предполагает комплексный подход к его изучению [4, 5].

Существуют три типа подземных хранилищ газа: ПХГ в водоносных горизонтах, ПХГ в истощенных месторождениях углеводородов, ПХГ в отложениях каменной соли. Они существенно отличаются по характеру экологического риска. Для ПХГ в водоносных горизонтах и истощенных месторождениях углеводородов экологический риск связан главным образом с миграцией газа за пределы хранилища. Это приводит к загрязнению залегающих выше водоносных горизонтов, изменению почв, ухудшению качества атмосферного воздуха. Экологический риск ПХГ в солях, напротив, в основном связан не с миграцией газа, а с технологическими особенностями строительства и ликвидации подземных емкостей. Емкости для хранения газа в отложениях каменной соли создаются путем размыва соли водой. При этом на поверхность поступают сильноминерализованные растворы, аварийные про-

ливы которых на поверхность и создают основную угрозу. Подробно экологические риски на объектах ПХГ описаны в работах [5, 6].

Исследования проведены на трех объектах: территории Астраханского газоперерабатывающего завода (объект «Вега»), где существует 13 сферических подземных емкостей в соляном куполе; строящемся Волгоградском ПХГ с искусственными кавернами в пластовых отложениях каменной соли; Щелковском ПХГ, созданном в водоносной структуре и эксплуатируемом с 70-х гг. XX в. Важно, что объекты находятся в различных физико-географических условиях, что сказывается на методике геоморфологических работ. Различие производственных типов сказывается на характере экологического воздействия, что определяет цель изысканий и выбор геоморфологических методов.

Экологическое воздействие на объекте «Вега». Автор участвовал в проекте, разрабатываемом ООО «Подземгазпром», по экологическому обеспечению ликвидации глубинных емкостей в отложениях каменной соли на территории объекта «Вега». Работы предусматривали откачку сильноминерализованной воды из предполагавшихся хранилищ, ее перевозку и временное хранение на поверхности. При этом наибольший экологический риск был связан с возможным загрязнением грунтовых и подземных вод при аварийных проливах рассола на поверхность.

Для территории объекта «Вега» накоплен значительный материал по строению верхнехвалын-ского водоносного горизонта. Основное внимание уделялось вертикальной защищенности грунтовых

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геоморфологии и палеогеографии, аспирант, e-mail: tectonic17@yandex.ru

Рис. 1. Геоморфологическое районирование территории объекта «Вега»

вод от токсичной инфильтрации; защищенность зависит от мощности зоны аэрации и наличия глинистых прослоев в ее разрезе.

Установлена прямая зависимость между мощностью зоны аэрации и абсолютной высотой поверхности на объекте «Вега». Кроме того, отмечается приуроченность глинистых прослоев к грядам, что может быть связано с существованием здесь форм, схожих по литологическому строению с бэ-ровскими буграми [2, 8]. Поэтому при геоморфологическом районировании прежде всего учитывались высота и морфология холмисто-котловинного рельефа.

В пределах территории по морфологическим и морфометрическим признакам выделяются 4 типа рельефа (рис. 1): рельеф с распространением котловин, днища которых относятся к гипсометрическому уровню (—20^19) м; рельеф с распространением котловин, днища которых относятся к гипсометрическому уровню -(19^-18) м; рельеф с распространением котловин, днища которых относятся к гипсометрическому уровню —(19^17) м, и положительных форм различных гипсометрических уровней; рельеф с распространением положительных форм рельефа и разделяющих их котловин небольшой площади (несколько сотен квадратных метров) высоких гипсометрических уровней (до —(8^10) м).

Экологическое воздействие на Волгоградском ПХГ. Волгоградское ПХГ расположено в 10 км северо-западнее Волгограда, на территории Городищенско-го района. Для территории ВПХГ наибольший экологический риск связан с возможностью загрязнения поверхностных вод и засоления почв в результате проливов высокоминерализованных рассолов. Распространение здесь лёссовидных суглинков и глубокое залегание уровня грунтовых вод

резко снижают риск экологического воздействия на грунтовые и подземные воды, поэтому основную задачу геоморфологического районирования территории составляет определение характера влияния современного рельефа территории на закономерности формирования поверхностного стока. Районирование проводилось по морфометрическому принципу.

Перераспределение вещества на поверхности контролируется водосборами малых эрозионных форм нескольких порядков. Водосборы дифференцируются по площади, уклону, плановой форме и другим параметрам. Параметры оценены по пятибалльной шкале в соответствии с методикой бассейнового анализа Ю.Г. Симонова [10]. В выбранной шкале с увеличением коэффициента увеличивается балл. Для комплексного учета изученных факторов использовался интегральный индекс структуры бассейнов, суть которого изложена ниже.

участки преимущественного распространения котловин, днища которых относятся к гипсометрическому уровню -(20-И 9) м

участки распространения котловин, днища которых относятся к гипсометрическому уровню -(19-И8) м

скважины

- горизонтали = дороги

участки распространения котловин, I днища которых относятся к гипсометрическому уровню-(19-И7) м, и положительных форм различных гипсометрических уровней

участки распространения положительных форм рельефа и разделяющих их котловин, относящиеся к высоким гипсометрическим уровням

Площадь водосбора определяет расход поверхностного стока, грунтовых вод и собственно грунта, перемещающихся вниз по уклону, это главный фактор дифференциации водосборов. Площадь водосборов измеряется от 13 000 до 1 800 000 м2.

Средние значения уклонов тальвега и склонов водосборов определяют скорость перемещения вещества. Уклоны тальвегов изменяется от 0,002 до 0,03, причем наибольшее распространение имеют тальвеги со средними уклонами. Такие водосборы распространены преимущественно в центральной части территории и образуют единую область. Крутизна склонов поверхности водосборов изменяется в тех же пределах (рис. 2).

Вклад длины тальвега в общую длину водосбора определяется как отношение длины тальвега к длине водосбора. Чем меньше значение коэффициента, тем больше длина (площадь) водосбора выше вершины тальвега (на участке, где концентрация

Рис. 2. Площадка Волгоградского ПХГ в системе водосборов 1-го порядка

стока еще не выработала тальвег), где сток имеет преимущественно неустойчивый ручейковый характер. Ниже вершины тальвега на склонах также происходит делювиальный смыв, а по линии тальвега формируется русловой сток. Максимальное значение коэффициента может достигать 0,4.

Форма водосбора определяется как отношение средней ширины водосбора к его длине. Она определяет характер перемещения вещества внутри водосбора. Теоретически, когда положение тальвега близко к осевой части водосбора, коэффициент формы является оценкой времени перемещения вещества до тальвега. В естественных условиях искажения происходят из-за нарушения осевой симметрии положения тальвега. Коэффициент формы водосборов изменяется от 0,06 до 1,0, т.е. форма водосборов изменяется от сильно вытянутой до изометричной [9, 10]. В пределах территории наиболее распространены удлиненные водосборы.

Редкие изометричные и чаще встречающиеся слабо удлиненные водосборы расположены вблизи водораздела.

Индекс структуры водосборов первого порядка определяется как совокупность всех «одиночных» баллов, записанных в строчку в порядке уменьшения их значимости: балл площади — балл уклона тальвега — балл вклада длины тальвега — балл формы. В первую очередь водосборы сравниваются по площади, а внутри выделенных групп — по остальным параметрам. Предполагается, что максимальная интенсивность перемещения вещества характерна для водосборов с сочетанием последних трех цифр в индексе структуры водосбора, близким к 551 (для каждой группы по площади), т.е. для водосборов удлиненной формы, со значительными уклонами тальвегов и склонов, с эрозионным врезом, достигающим вершины

водосбора. Именно для них характерны максимальный риск загрязнения обширных территорий и интенсивная миграция загрязнителя.

Для водосборов второго и третьего порядков также важна степень близости их структуры к древовидной, определяемая по общему числу водотоков более низкого порядка, входящих в систему рассматриваемого водосбора. Этот коэффициент Ю.Г. Симонов называет коэффициентом бифуркации [10].

Экологическое воздействие на Щелковском ПХГ. Щелковское подземное хранилище газа, введенное в эксплуатацию в 60-х гг. прошлого века, — одно из старейших в стране. Оно создавалось повышенными темпами и эксплуатировалось в очень интенсивном пиковом режиме с большими объемами «перекачек» и «перегрузок» по производительности (как во время закачки, так и во время отбора газа). Многие проблемы создания и длительной эксплуатации газохранилищ в водоносных пластах малоамплитудных антиклинальных структур впервые были выявлены на этом ПХГ [3].

Исследованиями сотрудников ВНИИГАЗа установлено, что Щелковскую площадь с северо-запада на юго-восток и с запада на восток пересекают разломы в докембрийском фундаменте с амплитудой вертикального перемещения по сместителям до 370 м. Величина проседания структурных блоков, которую можно оценить по амплитуде Щел-ковско-Ивантеевской антиклинали в отложениях девона, составляет 75—80 м. В результате дробления и вертикальных неотектонических подвижек образовались разуплотненные протяженные полосы сгущения трещиноватости. Они могут служить зонами повышенной проницаемости — каналами для вертикальной и горизонтальной миграции газа из хранилища по пласту-коллектору [3].

По данным производственных закачек газа особо активное распространение газа происходит в северо-западном, восточном и северо-восточном направлениях. Помимо относительно пологого падения покрышки распространению газа в этих направлениях может способствовать система зон трещино-ватости высоких порядков, причем в восточном и северо-западном направлениях газ мигрирует и за пределы структурной ловушки. В северо-восточном направлении миграция газа может способствовать его накоплению в пределах соседней Ивантеевской антиклинали.

Морфологический анализ на Щелковском ПХГ. Строение современного рельефа унаследовано от более ранних этапов развития территории. Значительное влияние оказал тектонический фактор, что проявляется в гипсометрии, — на месте Щелков-ско-Ивантеевской структуры отмечается прямая положительная морфоструктура. Унаследованность развития проявляется и в заложении основных речных долин на месте палеодолин предледникового

и допозднеюрского времени. Положение многих речных долин различного порядка отвечает флексурам в осадочных отложениях.

Поскольку основные черты современного рельефа сформировались при ведущей роли структурного фактора, постольку современный рельеф можно использовать для детальной морфотектониче-ской реконструкции. В качестве ведущего метода морфотектонических реконструкций, направленных на решение инженерно-экологических проблем ПХГ, был выбран анализ линеаментов. Для изучаемой территории построены морфометрические схемы вершинной поверхности и ее уклонов, базисной поверхности современного рельефа и ее уклонов, относительных высот, градиентов превышений. Методика построений изложена в [7] и в известной монографии Л.Б. Аристарховой [1].

Высоты вершинной поверхности изменяются от 140 (на юго-востоке территории) до 180 м (на междуречье рек Клязьмы и Вори). Высота базисной поверхности изменяется от 130 до 160 м. В строении этих поверхностей хорошо прослеживаются основные черты современного рельефа. С северо-запада на юго-восток просматривается основная ложбина, приуроченная к современной долине р. Клязьмы (рис. 3). Субширотный отрезок этой ложбины приурочен к тектонической границе Щелковской и Ивантеевской структур. Междуречье Клязьмы и Вори с северо-запада на юго-восток пересекает ложбина, приуроченная к современным долинам рек Серебрянки и Любасеевки. Она соответствует тектонической депрессионной зоне Ивантеевской структуры. Серия менее выраженных ложбин приурочена также к современном долинам 1-го и 2-го порядка. Линеаменты, выделенные по ложбинам вершинной поверхности, образуют наиболее распространенную систему с азимутом простирания 140 и 50°.

Среди линеаментов базисной поверхности выделяется система с простиранием 90 и 170° (рис. 3). Наиболее высокоградиентные зоны базисной поверхности приурочены к бортам глубоко врезанных современных долин (в пределах междуречья Клязьмы и Вори), а также к юго-восточному склону междуречья Клязьмы и Вори. По уклонам базисной поверхности линеаменты четко выделяются лишь на левом борту долины р. Клязьмы. Высокоградиентные зоны базисной поверхности приурочены не только к бортам современных долин, но и к относительно крутым уступам в пределах водораздельных поверхностей. Так, четко выделяется кольцевая зона в юго-западной части междуречья Клязьмы и Вори, которая, вероятно, отвечает наиболее активно поднимающейся части Ивантеевской структуры. Линеаменты, выделенные по градиентным зонам базисной поверхности, образуют систему с азимутом простирания 50 и 310—320° (рис. 3). Линеаменты, подчеркнутые градиентными зонами

Блоко разделы |уУУУу1 1-го порядка I "1 2-го порядка

| 3 3-го порядка

стратоизогипсы по кровле отложений среднего карбона

щ Щелковское ПХГ

вершинной поверхности, имеют сходное простирание. Наиболее распространенная система образована линеаментами с азимутом простирания 30—40 и 300°. Менее развита система с азимутом простирания 140 и 100°.

Распределение градиентов разности высот вершинной и базисной поверхностей схоже с распределением уклонов вершинной поверхности — как и для вершинной поверхности, высокоградиентные зоны приурочены не только к бортам современных долин, но и к относительно крутым уступам в пределах водораздельных поверхностей. Также четко выделяется кольцевая зона в юго-западной части междуречья Клязьмы и Вори. Линеа-менты образуют систему с азимутом простирания 30—40 и 110°. Не менее четко проявлена система с азимутом простирания линеаментов 160 и 80—90° (рис. 3).

В качестве основной была принята тектоническая модель блокового строения осадочного чехла и кристаллического фундамента преимущественно с субвертикальными блокоразделами. Блокораз-делы фундамента — зоны разломов; блокоразделы осадочного чехла обычно выражены флексурами. Каркасом морфотектонической схемы является система блокоразделов трех порядков (проводимых по линеаментам). Наиболее крупные блокоразделы (1-го порядка) представляют собой зоны сгущения трещиноватости северо-западного и северо-восточного простирания, а блокоразделы 2-го порядка — такую же зону северного и восточного простирания. Блокоразделы 3-го порядка — слабо прояв-

Рис. 3. Морфотектоническое строение территории Щелковского ПХГ

ленные в рельефе зоны трещиноватости, выделяемые по отдельным линеаментам различных простираний.

Щелковско-Ивантеевская структура сформирована под влиянием тектонических зон северо-западного простирания, что, вероятно, определяет ее вытянутость в том же направлении. Вся структура разделяется зоной субширотного простирания на два отдельных поднятия — Щелковское и Ивантеевское. Сама зона непосредственно в пределах г. Щелково сдвинута в южном направлении, что отражается как в морфологии Щелковской и Ивантеевской структур, так и в формировании изгиба р. Клязьмы в районе г. Щелково. По геологическим данным известно, что этот блокораздел в осадочном чехле выражен антиклинальной складкой — сводом Щелковской структуры. Здесь в русле р. Клязьмы выходят известняки амеревской толщи верхнего карбона. В стенках карьера на левом борту долины р. Клязьмы отмечено северное и восточное падение известняков под углом 1—2°.

Ивантеевская структура пересекается в северовосточном направлении блокоразделом первого порядка. По геологическим данным его северо-западное крыло приподнято по отношению к юго-восточному. Это подтверждается и «кольцевой» зоной трещиноватости, выявленной в пределах северо-западного крыла и интерпретируемой как наиболее активно поднимающаяся зона Ивантеевской структуры. В центральной части последней в близ-широтном направлении прослеживается блокораз-дел второго порядка. В тектоническом отношении

ему соответствует небольшая депрессия осадочных отложений, в геоморфологическом — зона лине-аментов, осваиваемая эрозией современной реки Любасеевки.

Заключение. По результатам проведенных работ выявлено, что большую часть территории объекта «Вега» занимают дефляционные котловины различного гипсометрического уровня (от —20 до -17 м) и площади (от 100 до 10 000—15 000 м2). Положительные формы рельефа (бугры) развиты в меньшей степени. Им соответствуют повышенные значения мощности зоны аэрации (до 7—10 м); отрицательным — пониженные значения (1—2 м). Особенности типов рельефа (рис. 1) определяют характер изменения мощности зоны аэрации и ее литологическое строение, что прямо указывает на степень вертикальной защищенности грунтовых вод.

Для территории Волгоградского ПХГ установлено, что наземный комплекс производственных объектов расположен в пределах шести водосборов

1-го порядка, пяти водосборов 2-го порядка и двух водосборов 3-го порядка. Водосборы 1-го порядка характеризуются следующими индексами структуры водосбора: 1343, 2212, 2411, 3211, 3341, 4412. Можно предположить, что в таком порядке относительная интенсивность поверхностного стока (внутри одной группы по площади) возрастает. Индексы ветвления изменяются от 2—4 (для водосборов

2-го порядка) до 24—27 (для водосборов 3-го порядка). Увеличение коэффициента ветвления косвенно указывает на возрастание интенсивности поверхностного стока.

Для территории размещения Щелковского ПХГ характерно прямое соотношение современного рельефа и структурно-тектонического строения, что проявляется в рисунке речной сети. Следуя этой закономерности, можно скорректировать более детальные геологические и геофизические изыскания с целью определения экологического риска загрязнения подземных вод и поверхностных экосистем, связанного с миграцией газа за пределы ловушки по зонам повышенной трещиноватости.

Рассмотренные примеры демонстрируют эффективность применения геоморфологических методов при проведении экологических работ на объектах ПХГ. Морфометрические и морфологические построения оказываются универсальными как для различных физико-географических условий размещения изучаемых объектов, так и для разных производственно-экологических задач, связанных с типом ПХГ. Можно предположить, что подобные работы будут эффективны и для других объектов комплексного воздействия на окружающуюсреду.

В связи с оценочным характером морфологических (морфометрических) методов и необходимостью их последующего заверения более детальными исследованиями наибольшую эффективность они имеют на предпроектной стадии инженерных изысканий. Однако отсутствие геоморфологических работ в нормативных документах по инженерным изысканиям сказывается на частоте их применения, а также на качестве получаемых без их участия результатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аристархова Л.Б. Морфоструктурный анализ аэрокосмических снимков и топографических карт. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. 64 с.

2. Бадюкова E.H. Еще раз о генезисе бэровских бугров // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1999. № 4. С. 52-61.

3. Бузинов С.Н., Михайловский А.А, Соловьев А.Н., Парфенов В.И. Щелковское подземное хранилище газа: проблемы, решения и перспективы. Обз. информ. Сер. Транспорт и подземное хранение газа. М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003. С. 59.

4. Бухгалтер Э.Б., Дедиков Е.В, Бухгалтер Л.Б. и др. Экология подземного хранения газа. М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002.

5. Ильичев Б.А, Вакуленко М.В., Жариков С.Н. и др. Комплексный мониторинг зоны техногенного влияния ПХ углеводородов в пластах каменной соли // Газовая промышленность. 2002. № 1. С. 43—47.

6. Ильичёв Б.А, Жариков С.Н, Ильичёв Р.Б. Эко-системные аспекты экологического мониторинга подземных хранилищ углеводородов в пластах каменной соли // Наука и техника в газовой промышленности.

2002. № 4. С. 21—27.

7. Применение геоморфологических методов в структурно-геологических исследованиях. М.: Недра, 1970.

8. Свиточ А.А, Клювиткина Т.С. Бэровские бугры Нижнего Поволжья. Ст. 1 Морфология, распространение и строение // Геоморфология. 2007. № 3. С. 92—105.

9. Симонов Ю.Т. Объяснительная морфометрия рельефа. М.: ГЕОС, 1999. 262 с.

10. Симонов Ю.Т. Речной бассейн и бассейновая организация географической оболочки // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 14. М.: Изд-во Моск. ун-та,

2003. С. 7—32.

Поступила в редакцию 15.05.2008

S.V. Sharapov

MORPHOLOGICAL ANALYSIS OF RELIEF AS A PART

OF ECOLOGICAL INVESTIGATIONS AT THE UNDERGROUND

GAS STORAGE FACILITIES

Experience in application of géomorphologie methods during ecological investigations at the Vega facility, Volgograd UGS and Shchelkovo UGS is discussed. Morphological analysis of aeolian relief at the Vega facility was applied to estimate the depth of aeration zone, which is a principal factor of ground water safety. Morphometric analysis of watersheds made it possible to identify areas of different intensity of surface migration of pollutants within the Volgograd UGS territory. Application of morphotectonic methods for the Shchelkovo UGS territory proved to be productive for the identification of fracture zones which serve as channels for gas migration outside the storage facility. Although the geomorphologic methods are very useful, they are not applied at all for the ecological investigations in the process of construction.

Key words: morphological analysis, relief, underground gas storage facility, basin and structural geomorphologic analysis.