Геоэкологические особенности загрязнения окружающей среды нефтепродуктами от объектов железной дороги

ВЕСТНИК

5/2012

УДК 504.5

И.М. Сенющенкова, О.О. Новикова

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

от объектов железной дороги

Линейно-протяженные объекты железной дороги в течение длительного периода времени оказывают влияние на окружающую среду, загрязняя ее нефтепродуктами. Рассмотрены механизмы загрязнения и особенности его распространения в грунтах.

Ключевые слова: нефтепродукты, геоэкология, объекты железной дороги.

Проблема загрязнения почв и грунтов нефтепродуктами является актуальной. Строительному освоению подвергаются территории, на которых ранее располагались объекты, связанные с загрязнением подстилающей поверхности нефтепродуктами. Многие из таких объектов имеют пролонгированное отрицательное воздействие на окружающую среду в целом и на литосферу в частности.

Особенностью объектов железной дороги, загрязняющих литосферу, являются их «локальность» и высокая интенсивность воздействия на окружающую среду на протяжении десятилетий (рис. 1). Жизненный цикл таких объектов предполагает длительный этап эксплуатации и последующей рекультивации территорий.

Рис. 1. Взаимодействие линейно-протяженного объекта железной дороги с компонентами окружающей среды

На миграцию загрязняющих веществ в подземных водах влияют как свойства геологической среды, так и физические, физико-химические свойства загрязняющего вещества. Все эти факторы объединены в следующие группы (рис. 2):

1) механические: скорость подземных вод, плотность и вязкость загрязняющих веществ, расположение источников загрязнения, растворимость загрязняющих ве-

ВЕСТНИК

МГСУ

ществ, продолжительность контакта загрязняющих источников с водой, механическая фильтрация, способы откачки воды;

2) геологические, структурные и геофизические: геология пластов, напластование, литология, виды водоносных горизонтов, гидрология, климат и их изменчивость во времени и пространстве;

3) физико-химические, химические и биохимические: физико-химические и химические особенности среды и загрязняющих веществ, процессы самоочищения.

Факторы, влияю тис на миграцию нефтепродуктов в геологической среде

Природные

-^ Геологические

а-оморфологические условия -яитологкческие условия гидрогеологические условия -»• Клима! ическ не

атмосферные осадки

-температура атмосферного ноиу\а

глубина промерзания грунтов М и кроб hoj ю ги чес к не --видовой COL'IHB

условия жизнедеятельности

Антропогенные

- - Till': источники тагрятнення I по средам:

-воздушный

водный

-по ч веш ю-гру htobj.i и

1[ по времени действия:

-пери одически й

-непрерывный

талповыи

> Характеристика нефтепродукта вид недуге продукта '-свойства нефтепродукта

I-<1

химические фшичсскис

Рис. 2. Факторы, влияющие на миграцию нефтепродуктов в геологической среде

При проникновении нефти и нефтепродуктов в грунт происходит разделение компонентов указанных веществ. Нефтяные вещества сорбируются на грунтах преимущественно в виде жидкой фазы. Сорбция может оказывать значительное влияние на процессы распространения загрязнений в водоносном горизонте [1]. Под сорбцией твердой фазой растворенных, а иногда и нерастворенных ингредиентов в подземных водах обычно понимают три основных механизма элиминирования: физическую адсорбцию, химическую адсорбцию и ионный обмен. Способность к сорбции углеводородов понижается в ряду олефины — ароматические — циклопарафины — парафины. Способность связи нефтяных веществ с грунтами зависит от капиллярных сил. Количество задержанных нефтепродуктов в единице объема грунта зависит от общего свободного объема капилляров, что означает зависимость от гранулометрического состава грунта и его влажности. Грунты могут сорбировать меньшее количество нефтяных веществ, чем воды. Чем выше насыщенность грунтов водой, тем ниже их способность сорбировать нефтяные вещества [2]. В опытах было выявлено, что сорбированная в песках нефть может разлагаться под действием микроорганизмов, но данный процесс происходит очень медленно. При начальной концентрации нефти в воде 13,6 мг/л концентрация сорброанной нефти оставалась в течение 20 сут на уровне 4...5 мг/л (при температуре 4...5 °С) [1]. В табл. 1 приведены типы грунтов, классифицированные по их проницаемости к воде и способности связывать нефтепродукты [2].

Растворимость связана с химическим составом нефтепродуктов. Для каждой группы углеводородов характерно уменьшение растворимости с увеличением числа углеродных атомов. Если рассматривать растворимость между группами, то наиболее растворимы в воде представители ароматических углеводородов, их растворимость в воде на 1.. .3 порядка выше, чем растворимость других групп; наименьшей растворимостью обладают алкены; циклоалкены занимают промежуточное положение между двумя этими группами (табл. 2).

ВЕСТНИК

5/2012

Табл. 1. Способность грунтов к сорбции нефтяных продуктов

Грунт Порядок проницаемости (для воды), м/сут Количество нефтепродукта, л/м3

Крупный гравий, валуны 102 —

Гравий — грубозернистый песок Ю^.Ю1 8

Песок: крупный-средний Ю^.Ю0 15

средний-мелкий 100.10-1 25

глинистый-глины 10-1.10-3 40

Табл. 2. Растворимость различных групп углеводородов в дистиллированной воде при температуре 25 °С

Группа Компонент Химическая формула Растворимость, мг/кг

Алканы Метан сн4 24,4

Этан с2н6 60,4

Пропан С3Н8 62,4

Н-Бутан С4Н10 61,4

Н-Пентан С5Н12 38,5

Н-Гексан С6Н14 9,5

Н-Гептан С7Н16 2,9

Н-Октан С8Н18 0,66

Н-Декан С10Н22 0,016

Н-Додекан С12Н26 0,0037

Н-Тетрадекан С14Н30 0,0022

Н-Гексадекан С16Н34 0,0009

Н-Октадекан С18Н38 0,0021

Н-Эйкозан С20Н42 0,0019

Н-Гексакозан С26Н54 0,0017

Циклоалкены Циклопентан С5Н10 156,0

Циклогексан С6Н12 55,0

Циклогептан С7Н14 7,9

Арены Бензол С6Н6 1780,0

Толуол С7Н8 515,0

Этилбензол С8Н10 152,0

Н-Пропилбензол С9Н12 9,0

Н-Бутилбензол С10Н14 5,0

Н-Амилбензол С11Н16 3,0

Н-Гексилбензол С12Н18 2,7

В ходе исследований вод нефтеносных месторождений выявлено, что преимущественно в данных водах растворены моноароматические углеводороды. Если рассматривать растворимость в общем для нефтепродукта, мг/л, то для нефти она находится в пределах 10.. .50, бензинов — 9.. .505, керосинов — 2.. .5, дизельного топлива 8.. .22. Помимо механизма молекулярного растворения переход нефтепродуктов в воду может осуществляться также за счет процессов эмульгирования. Эмульсия образуется при механическом перемешивании двух несмешивающихся жидкостей, а их устойчивость существенно зависит от снижения нормальных значений поверхностного натяжения на границе раздела фаз нефтепродукт — вода. Существенно влияет на снижение межфазового поверхностного натяжения присутствие эмульгаторов. Нефтепродукты, особенно сырая нефть, содержат некоторые количества полярных веществ, которые могут действовать как эмульгаторы. Роль эмульгаторов могут играть и некоторые ор-

ВЕСТНИК

МГСУ

ганические вещества почв и подземных вод, а также новообразования, возникающие в процессе деградации нефтепродуктов. Процессы перемещения эмульгированных нефтепродуктов в настоящее время не изучены.

Согласно современным представлениям о формировании нефтяного загрязнения нефтепродукт проникает внутрь почвенного слоя и зоны аэрации сначала по вертикали под действием силы тяжести, достигая капиллярной каймы грунтовых вод, и располагается в ее зоне, заняв горизонтальное положение. По результатам определения количества нефтепродуктов в кернах горных пород, проводимого в рамках мероприятий по локализации и ликвидации очага нефтяного загрязнения Житного острова (ограниченного р. Дунай) в 1972—1979 гг. были установлены пять различных зон состояния нефтепродуктов.

Первая зона расположена над максимальным уровнем жидких нефтепродуктов, содержит лишь газообразные углеводороды [3]. Движение газообразных углеводородов в зоне аэрации в основном обусловлено двумя факторами: диффузией газа из места с большей концентрацией в место с меньшей и колебанием уровня грунтовых вод. Движению газообразных углеводородов в зоне аэрации до сих пор уделялось мало внимания, и конкретные данные имеются только по результатам анализов почвенного воздуха. Изменения концентрации газообразных углеводородов происходят также вследствие колебаний уровня подземных вод. При его понижении увеличивается объем пор, занимаемых почвенным воздухом, и понижается концентрация углеводородов вследствие засасывания атмосферного воздуха. Наоборот, при повышении уровня подземных вод атмосферный воздух вытесняется из пор и концентрация газообразных углеводородов повышается.

Изучен механизм образования газовой оболочки в зоне аэрации над поверхностью жидких углеводородов. В процессе его формирования можно выделить две основные стадии: первая — это выход наиболее легких углеводородных молекул из жидкого состояния в воздушную оболочку зоны аэрации с соответствующим повышением их концентрации и давления над источником образования; вторая — перемещение углеводородных молекул внутри воздушной оболочки зоны аэрации в сторону уменьшения концентрации и давления испарившихся углеводородных молекул. В этом случае перемещение происходит вверх к поверхности земли, а также в боковые стороны внутри зоны аэрации [4]. Вторая зона, находящаяся между максимальным уровнем нефтепродуктов и их уровнем в данный момент, содержит нефтеуглеводо-роды, обволакивающие поверхность зерен горной породы. В результате проведения анализов было выявлено, что дунайский гравий задерживает на своей поверхности 0,1.10 г нефтепродуктов на 1 кг породы [3]. Третья зона — между максимальным уровнем нефтепродуктов и границей с водой — насыщена нефтепродуктами. В четвертой зоне, находящейся между максимальным и минимальным уровнем границы вода — нефтепродукт, остается определенное количество нефтепродуктов под уровнем воды, в результате чего образуется смесь капель нефтепродуктов с водой.

Ниже минимального уровня границы вода — нефтепродукты находится зона, в которой находится вода с растворенными или эмульгированными нефтепродуктами. При маломощном горизонте грунтовых вод водорастворимые компоненты ряда углеводородных групп достигают его литологического водоупора. Именно с этим связано фронтальное расширение в плане области техногенного углеводородного загрязнения грунтовых вод. Водно-эмульгированные компоненты загрязнения в некоторых случаях могут отсутствовать, тогда как водорастворимые углеводороды в области нефтепродуктового загрязнения присутствуют всегда.

Для характеристики интенсивности загрязнения подземных вод используют понятие относительной концентрации углеводородов в воде. Ее можно определить двумя способами: как отношение установленной в воде концентрации углеводородов к предельно допустимой концентрации или к граничному значению концентрации на внеш-

ВЕСТНИК 5/2012

нем контуре области загрязнения и как абсолютную концентрацию углеводородов в воде. Средняя интенсивность загрязнения в области определяется как среднеарифметическая величина отдельных значений концентраций по скважинам внутри области загрязнений.

При наличии рядом с областью загрязнения водозаборных сооружений необходимо производить оценку времени подтягивания загрязненных вод от области нефте-продуктового загрязнения к водозаборным скважинам. Данные прогнозные оценки выполняются по отношению к подземным водам, загрязненным в основном растворимыми углеводородами. Подтягивание загрязненных вод к водозаборному сооружению возможно лишь при условии, что область питания водозаборной скважины захватывает область загрязненных вод. Так, если по результатам расчетов получается, что время подтягивания загрязненных вод свыше 20.30 лет, то можно говорить об отсутствии непосредственной угрозы для водозабора.

Наиболее распространенным является скопление нефтепродуктов на поверхности грунтовых вод с образованием плавающей линзы нефтепродуктов. Ряд источников указывает на то, что данная форма загрязнения является наиболее опасной и во многом определяет дальнейшее развитие других форм скоплений нефтепродуктов в геологической среде [4]. Если рассматривать плавающую линзу жидких нефтепродуктов как техногенное «месторождение», то она представляет интерес в связи с извлечением и использованием нефтепродуктов в производственной сфере. для характеристики линзы нефтепродуктов определяют ее форму, мощность нефтепродуктов, а также запасы нефтепродуктов в ней.

Форму линзы используют для оценки величины площади и запасов нефтепродуктов в ней. Оконтуривание линзы необходимо производить по линии мощности нефтепродуктов, которая выбирается в зависимости от размеров и мощности линзы. Площади линзы могут иметь самые различные размеры: так, на территории нефтебазы г. Курска площадь линзы составила 12 га, а в районе г. Энгельса — более 120 га. В следствие этого В.М. Гольдберг приводит 7 градаций площадей линз, га: I — F < 1; II — 1 < F < 5; III — 5 < F < 10; IV — 10 < F < 20; V — 20 < F < 50; VI — 50 < F < 100; VII — 100 < F < 200.

мощность слоя нефтепродуктов определяется:

тн(1) + тн(2) + ... + тнш) тн =——-—-—,

н N

где тН(1), тН(2), ... т^ — мощности нефтепродуктов в отдельных точках; N — количество определений мощности нефтепродуктов на площади линзы.

= ^1тн

тН Ъ + ^ + ... + '

где , — количество участков с разными средними мощностями нефтепродуктов тн(,) на этих участках; Ъ. — площадь отдельного участка.

Для характеристики мощностей используются категории: I — тн < 0,5;

II — 0,5 < т„ < 1; III — 1 < т„ < 2; IV — 2 < т„ < 3; V — 3 < т„ < 4; VI — т„ > 4 м.

н н н н н

Для целесообразности использования линзы нефтепродуктов в качестве источника сырья необходимо определить запасы нефтепродуктов в ней. Объемные (общие) запасы, согласно в.м. гольдбергу, можно определить по формуле

Ж0 = Ътн п,

где Ъ — площадь линзы; тн — средняя мощность нефтепродуктов в линзе; п — пористость грунтов, насыщенных нефтепродуктами.

Для градации запасов также используется шкала: I — Ж < 5; II — 5 < Ж < 10;

III — 10 < Ж < 25; IV — 25 < Ж < 50; V — 50 < Ж < 100; "VI — Ж > 200 гас. м3.

о 7 о 7 о 7 о

Практический интерес для вторичного использования представляют линзы с категориями запасов от IV и выше.

ВЕсТниК

МГСУ

Библиографический список

1. Бочевер Ф.М., Лапшин Н.Н., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от загрязнения. М. : Недра, 1979. 122 с.

2. ГольдбергВ.М., Газда С.В. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М. : Недра, 1984. 262 с.

3. ГольдбергВ.М., Язвин Л.С. Методические указания по оценке эксплуатационных запасов термальных вод. М. : ВСЕГИНГЕО, 1966. 114 с.

4. Техногенное загрязнение природных вод углеводородами и его экологические последствия / В.М. Гольдберг, В.П. Зверев, А.И. Арбузов, С.М. Казеннов, Ю.В. Ковалевский, B.C. Путилина. М. : Наука, 2001. 125 с.

Поступила в редакцию в апреле 2012 г.

Об авторах: Сенющенкова Ирина Михайловна — кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, irina-sen811@yandex.ru;

Новикова Ольга Олеговна — аспирант кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26.

Для цитирования: СенющенковаИ.М., Новикова О.О. Геоэкологические особенности загрязнения окружающей среды нефтепродуктами объектов железной дороги // Вестник МГСУ. 2012. № 5. С. 156—162.

I.M. Senyushchenkova, O.O. Novikova

GEO-ECOLOGICAL PECULIARITIES OF ENVIRONMENTAL POLLUTION WITH OIL PRODUCTS EMITTED BY RAILROAD FACILITIES

Linear railroad facilities have been producing an adverse impact on the environment by polluting it with oil products for an extensive period of time. The authors of the article consider several mechanisms of contamination and the pattern of its spread into soils.

Currently, areas that used to be unsuitable for development as urban lands for geological or environmental reasons are now being intensively developed. The study is exemplified by a city outstretched onto the complex terrain. Complex topography contemplates geological, tectonics-related, hydrological conditions, exogenous processes and anthropogenic factors. In this connection, the main purpose of the study is to analyze the geo-ecological factors that impact urban lands in complex geo-morphological conditions with a view to their functional use against minimal environmental risks to assure the most favorable conditions for humans.

Towards this end, the authors have applied the following theoretical and practical methods of research, including a pilot study, namely (1) the geomorphological analysis of urban lands, (2) the monitoring and analysis of the anthropogenic impact produced onto various constituents of the environment, and (3) development of methods of functional use of urban lands in complex geomor-phological conditions.

The authors have monitored contaminated lands to develop their recommendations for their development in complex geomorphological conditions, namely:

1. Urban development planning should be performed with consideration for the geomorpho-logical elements taken as a whole, as they are closely connected to one another.

2. Selection of methods of rehabilitation of urban lands must be preceded by the zoning of the territory based on its geological and environmental properties.

Key words: oil products, geo-ecology, railroad facilities.

References

1. Bochever F.M., Lapshin N.N., Oradovskaya A.E. Zashchita podzemnykh vod ot zagryazneniya [Protection of the Groundwater from Contamination]. Moscow, Nedra Publ., 1979, 122 p.

2. Gol'dberg V.M., Gazda S.V. Gidrogeologicheskie osnovy okhrany podzemnykh vod ot zagryazneniya [Hydrogeological Basics of Protection of the Groundwater from Contamination]. Moscow, Nedra Publ., 1984, 262 p.

BECTHMK 5/2Q12

3. Gol'dberg V.M., Yazvin L.S. Metodicheskie ukazaniya po otsenke ekspluatatsionnykh zapasov termal'nykh vod [Workbook on Assessment of Thermal Water Resources]. Moscow, VSEGINGEO Publ., 1966, 114 p.

4. Gol'dberg V.M., Zverev V.P., Arbuzov A.I., Kazennov S.M., Kovalevskiy Yu.V., Putilina V.S. Tehnogennoe zagryaznenie prirodnykh vod uglevodorodami i ego ekologicheskie posledstviya [Anthropogenic Pollution of Natural Waters with Hydrocarbons and Its Ecological Consequences]. Moscow, Nauka Publ., 2001, 125 p.

About the authors: Senyushchenkova Irina Mikhaylovna — Associated Professor, Candidate of Technical Sciences, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; irina-sen811@yandex.ru;

Novikova Ol'ga Olegovna — postgraduate student, Department of Engineering Geology and Geoecology, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation.

For citation: Senyushchenkova I.M., Novikova O.O. Geoekologicheskie osobennosti zagryazneni-ya okruzhayushchey sredy nefteproduktami ob"ektov zheleznoy dorogi [Geo-ecological Peculiarities of Environmental Pollution with Oil Products Emitted by Railroad Facilities]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 156—162.