Типизация грунтовых толщ по составу и проницаемости в связи с прогнозом загрязнения их нефтепродуктами (на примере г. Томска)

Н.Н. Бракоренко, Т.Я. Емельянова

ТИПИЗАЦИЯ ГРУНТОВЫХ ТОЛЩ ПО СОСТАВУ И ПРОНИЦАЕМОСТИ В СВЯЗИ С ПРОГНОЗОМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ИХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Представлены результаты типизации грунтовых толщ по составу и проницаемости в связи с прогнозом загрязнения их нефтепродуктами. Для данных типов грунтовой толщи выполнены расчеты скорости инфильтрации с целью сравнения их проницаемости и прогнозирования степени загрязнения грунтов и подземных вод. Даны рекомендации о предпочтительном размещении АЗС.

В настоящее время на территории городов активно строятся автозаправочные станции (АЗС). Несмотря на тщательные проработки регламентов экологической безопасности при строительстве, реконструкции и эксплуатации АЗС, происходят проливы нефтепродуктов (НП), при этом загрязняются воздушная среда, подземные и поверхностные воды и грунты. Об этом свидетельствуют данные инженерно-экологических изысканий.

Целесообразным методом охраны грунтов от нефтяного загрязнения с целью прогнозирования характера распределения нефтепродуктов в них по глубине и определения потенциальных участков наиболее высоких концентраций нефтепродуктов является составление карты типизации грунтовой толщи.

Методика прогнозирования изменения геологической среды с помощью инженерно-геологического картирования и типизации была предложена Г.А. Голод-ковской, Г.А. Сулакшиной, В.Т. Трофимовым и др.

За основные критерии для выполнения типизации грунтовой толщи мощностью до 20 м взяты петрографический состав пород и их проницаемость. Под грунтовой толщей, по В.Т. Трофимову [1], понимается толща горных пород, находящихся в зоне активного воздействия инженерного сооружения. Обоснованием для выбора критериев послужил наш анализ данных по содержанию нефтепродуктов в грунтах и водах, полученных при инженерно-экологических изысканиях на территории г. Томска.

Данный анализ показал, что величина содержания НП зависит от:

1) состава грунтов, слагающих геологический разрез участков, и увеличивается в цепочке глина - суглинок - супесь - песок при условии однородного разреза, представленного той или иной разновидностью. Данная зависимость обусловлена различными фильтрационными свойствами грунтов. Известно, что с увеличением содержания глинистых частиц проницаемость грунтов уменьшается [1]. Однако эта зависимость может быть нарушена при переслаивании данных разновидностей в разрезе по глубине;

2) удаленности грунтов от участков АЗС;

3) длительности эксплуатации АЗС. Примеры, подтверждающие это, приведены в работе [2].

Типизация и картографирование типов грунтовых толщ выполнены на основе анализа карт инженерногеологических условий масштабов 1:25 000 и 1:10 000 г. Томска, геологических разрезов по большому количеству скважин и результатам определений НП в грунтах.

По мнению В.В. Середина [3], для грунтового массива, сложенного различными дисперсными грунтами по глубине разреза (суглинком, супесью, глинами),

характерно уменьшение содержания НП с глубиной. Однако наш анализ фактического материала показывает, что для разреза, сложенного дисперсными грунтами, характерны три типа распределения НП: увеличение содержания НП с глубиной, уменьшение содержания НП с глубиной, незакономерное распределение НП по глубине.

Для территории г. Томска выделено 7 типов грунтовых толщ по составу и проницаемости грунтов (рис. 1). Анализ состава техногенных отложений мощностью до 3 м в характеристике типов не учитывался. Использована классификация грунтов на разновидности согласно ГОСТ 25100-95 Грунты. Классификация.

1-й тип - преимущественно глинисто-суглинистый разрез мощностью 17-18 м, подстилается песчаным грунтом. Данный тип занимает значительные площади на севере и юге территории г. Томска, приурочен к водораздельной поверхности и характеризуется высокой адсорбционной способностью (рис. 1).

2-й тип - разрез представляет собой переслаивание суглинков, супесей, песков. Данный тип приурочен к водораздельной поверхности, располагается в центральной части г. Томска и характеризуется незакономерным распределением НП (рис. 2).

3-й тип - двухслойная толща: суглинки мощностью 5-10 м, подстилаются песчаным грунтом мощностью более 10 м. Приурочен к 3-й надпойменной террасе р. Томи (рис. 1). В данном типе разреза обнаружено увеличение содержания НП с глубиной (рис. 3).

Значительное накопление НП происходит в песчаных водонасыщенных грунтах за счет того, что подавляющее большинство нефтепродуктов легче воды, они накапливаются на поверхности грунтовых вод, образуя скопления («линзы») нефтепродуктов различного размера и конфигурации, плавающие на поверхности воды, которые впоследствии за счет капиллярного поднятия проникают в суглинки. Структурно-текстурные особенности грунтов значительно влияют на высоту капиллярного поднятия жидкостей. Это влияние проявляется прежде всего через дисперсность: с увеличением дисперсности грунта величина капиллярного поднятия возрастает, как это следует из формулы Жюрена. Например, в среднезернистых песках оно составляет 0,15-0,35 м, а в мелкозернистых - 0,35-1,0 м. В супесях возрастает до

1,5 м, в суглинках - до 3-4 м, а в глинах до 6-8 м [4].

4-й тип - представлен суглинками и песками, также как и 3-й тип, но мощность суглинков меньше. Приурочен ко второй надпойменной террасе (рис. 1).

Анализируя 3-й и 4-й типы, можно сказать, что для 3-го типа характерно более медленное проникновение НП вниз по разрезу, чем для 4-го, вследствие наиболь-

шей мощности суглинка в верхней части разреза. Это подтвердили результаты расчетов, представленные в таблице.

5-й тип - разрез представлен техногенными грунтами мощностью 3-7 м, залегающими на суглинках, супесях с линзами торфа и гравийно-галечниковом грунте, переслаивающихся в разрезе.

Данный тип характеризуется высокой проницаемостью.

6-й тип - супесчано-песчаный разрез. Характеризуется постепенным накоплением НП с глубиной. Приурочен ко второй надпойменной террасе и пойме в северной части города (рис. 4).

7-й тип - суглинок до 5 м залегает на скальных грунтах. Приурочен к выходам скальных грунтов (рис. 1).

Условные обозначения:

1) граница первых от поверхности стратиграфо-генетических комплексов пород; 2) граница типов грунтовых толщ; 3) граница города; 4) современные аллювиальные отложения поймы рр. Томи, Киргизки, Ушайки; 5) верхнечетвертичные аллювиальные отложения первой надпойменной террасы рр. Томи, Киргизки, Ушайки; 6) верхнечетвертичные аллювиальные отложения второй надпойменной террасы рр. Томи, Киргизки, Ушайки; 7) верхнечетвертичные аллювиальные отложения третьей надпойменной террасы рр. Томи, Киргизки, Ушайки; 8) среднечетвертичные озерно-аллювиальные отложения Тайги нской свиты; 9) верхненеогеновые плиоценовые аллювиальные отложения Кочковской свиты; 10) верхнепалеогеновые олигоценовые отложения Новомихайловской и Лагернотомской свит; 11) глинисто-суглинистый разрез; 12) переслаивание супесей, суглинков, песков; 13) двуслойная толщина: суглинки 5-10 м залегают на песках; 1 4) двуслойная толща: суглинки 3-5 м залегают на песках; 15) техногенные грунты суглинки, супеси песком, линзы торфа; 16) супесчано-песчаный разрез; 17) суглинки до 5 м залегают на скальных грунтах; 18) номер типов грунтовых толщ

Рис. 1. Карта-схема типизации грунтовой толщи по проницаемости и составу территории г. Томска

Рис. 2. График распределения содержания НП в грунтах по глубине и строение разреза: 1 - супесь; 2 - суглинок; 3 - песчаный грунт

Рис. 3. График распределения содержания НП в грунтах по глубине и строение разреза: 1 - суглинок; 2 - супесь

Рис. 4. График распределения содержания НП в грунтах по глубине и строение разреза: 1- техногенный грунт; 2 - супесь

С целью сравнения проницаемости грунтов некоторых типов грунтовой толщи и прогнозирования степени загрязнения грунтов и подземных вод нами были выполнены расчеты скорости инфильтрации по формулам, предложенным В.А. Мироненко, В.Г. Ру-мыниным [5]. Для условного расчета предположен случай аварии в результате деформации емкости в 10 м3 с бензином.

Эта методика, следовательно и расчет, не учитывает такие процессы, как адсорбция, возможность горизонтального перемещения жидкости (не учитывает уклонов территории и падения слоев пород), процессов ис-

парения. В целом определены только характер и время инфильтрации.

Для расчетов использованы результаты изучения физико-механических свойств грунтов на разных участках г. Томска, выполненных производственными организациями, и работы [6].

Анализируя полученные результаты (таблица), можно сказать, что наибольшее время инфильтрации характерно для 1-го типа грунтовой толщи - 236250 сут. Время инфильтрации в 3-м типе - 181-184 сут, в 4-м - 67-167 сут. Время инфильтрации через супесчано-песчаный разрез 6-го типа - 180-250 сут.

Номер типа толщи Наименование грунта Влажность , д.е Пористость п, д.е Недостаток насыщения М, д.е Коэффициент фильтрации к, м/сут Мощность т, м Время инфильтрации і, сут

1-й суглинки 0,33 0,16 0,50 0,34 0,17 0,18 0,01 20 236,12 250,01

3-й суглинки 0,18 0,34 0,37 0,48 0,19 0,14 0,01 10 106,41 103,62

супесь 0,16 0,30 0,34 0,43 0,18 0,13 0,5 10 78,41 78,84

4-й суглинки 0,18 0,34 0,37 0,48 0,19 0,14 0,01 5 39,09 97,40

супесь 0,16 0,30 0,34 0,43 0,18 0,13 0,5 15 28,80 70,34

5-й супесь 0,16 0,30 0,34 0,43 0,18 0,34 0,01 20 250,01 180,56

Примечание. В дроби: в числителе - минимальные значения влажности и пористости, в знаменателе - максимальные.

Активное строительство АЗС на территории городов привело к необходимости разработки рекомендаций по оптимальному их размещению и организации мониторинга за загрязнением в пределах АЗС. По нашему мнению, разработка данных рекомендаций возможна посредством составления карты типизации грунтовой толщи по характеру распределения НП в грунтах, который в свою очередь определяется составом и проницаемостью грунтов, слагающих геологический разрез. Новизна данной работы заключается в том, что предложенная типизация геологического разреза по составу и проницаемости учитывает характер

распределения НП по глубине. Данная карта позволяет быстрее выявить потенциальные участки с высоким загрязнением и качественнее проводить очистку грунта в случае аварий.

Выполненную нами типизацию можно рассматривать как основание для дальнейшей разработки научнометодических основ производства комплексных изысканий для строительства и реконструкции площадок АЗС, обосновывающих выполнение прогнозов, оценки риска загрязнения геологической среды и принятие проектных решений предупредительных, защитных мероприятий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Грунтоведение / Под ред. В.Т. Трофимова. М.: Изд-во МГУ, 2005. 1023 с.

2. Емельянова Т.Я., Солоницкая Л.М., Шмачков О.В. Загрязнение геологической среды нефтепродуктами (на примере г. Томска) // Горно-геологическое

образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства: Матер. Междунар. науч.-техн. конф. Томск, 2001. С. 24-26.

3. Середин В.В. Санация территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами // Геоэкология. 2000. №2 6. С. 525-540.

4. Грунтоведение / Под ред. Е.М. Сергеева. М.: Изд-во МГУ, 1983. 392 с.

5. Мироненко В.А., Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэкологии: В 3 т. М.: Изд-во МГУ, 2002. 732 с.

6. Кузеванов К.И. Исследование техногенных изменений гидрогеологических условий г. Томска: Дис. ... канд. геол.-минер. наук. Томск, 1998. 208 с. Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 10 июня 2007 г.