Влияние нефтепродуктов на грунты и подземные воды территорий автозаправочных станций

Бракоренко, Наталья Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Влияние нефтепродуктов на грунты и подземные воды территорий автозаправочных станций
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Влияние нефтепродуктов на грунты и подземные воды территорий автозаправочных станций"

На іфавах^кописі^

Бракоренко Наталья Николаевна

ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ГРУНТЫ И ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ТЕРРИТОРИЙ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ (НА ПРИМЕРЕ Г.ТОМСКА)

25.00.36 - Геоэкология (науки о земле)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

г о¿013

005062236

Томск-2013

005062236

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Шварцев Степан Львович

Официальные оппоненты:

Парначёв Валерий Петрович, д.г.-м.н., профессор, Томский государственный университет, заведующий кафедрой динамической геологии

Жорняк Лина Владимировна, к.г.-м.н., Томский политехнический университет, доцент кафедры геоэкологии и геохимии

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество

«Томскгеомониторинг»

Защита диссертации состоится: «28» июня 2013 года в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.07 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 2а, строение 5,20 корпус, 504 аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО НИ ТПУ (634050, г. Томск, ул. Белинского, 55).

Автореферат разослан "27" мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.269.07, д.г.-м.н. Арбузов Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Нефтепродукты (НП) являются многокомпонентным, кумулятивным, глобальным, региональным и локальным загрязнителем окружающей среды.

Масштабы загрязнения по оценкам разных авторов различны. Исследования, проведенные И. Мазуром, 1991 г, показывают, что потери нефти в результате аварийных проливов составляют около 3% от годовой добычи нефти или около 9 млн. т., В.Ж. Арене, 1999 г, оценивает потери нефти в размере 25 млн. т/год.

Несмотря на систематические исследования нефтезагрязнения окружающей среды многими учеными (В.М. Гольдберг, 1997 г, В.А. Королев, 2001 и др.) изучение особенностей изменения физико-механических свойств грунтов под воздействием нефтепродуктов практически не проводилось, мало исследованы и особенности загрязнения нефтепродуктами грунтовых вод. На территории г.Томска функционирует 119 автозаправочных станций (АЗС) и автозаправочных комплекса (АЗК). Поэтому комплексное изучение нефтезагрязненных грунтов и грунтовых вод (на примере г.Томска) является весьма актуальным.

Объектом исследований являются грунты и подземные воды территорий АЗС г. Томска как основные компоненты геологической среды, которая рассматривается нами в определении Е.М. Сергеева.

Цель работы. Комплексная оценка экологического состояния компонентов геологической среды территорий АЗС и АЗК, включающая: выявление факторов, обуславливающих неравномерность загрязнения грунтов и подземных вод данных территорий, изучение влияния нефтепродуктов на химический состав подземных вод и физико-механические свойства грунтов, прогноз состояния.

Основные задачи: 1) оценка масштабов загрязнения грунтов и подземных вод территорий АЗС и АЗК нефтепродуктами; 2) выявление характера распределения НП в грунтах и грунтовых водах и факторов, его определяющих; 3) детальные исследования состава и физико- механических свойств грунтов до и после загрязнения их нефтепродуктами; 4) геохимические исследования нефтезагрязненных подземных вод; 5) выявление наиболее значимых критериев для оценки устойчивости геологической среды к нефтепродуктовому загрязнению, геоэкологическое районирование геологической среды по этим критериям; 6) разработка практических рекомендации для минимизации вредного воздействия при эксплуатации АЗК, АЗС и оптимизации их размещения.

того, проведены экспериментальные исследования по изучению воздействия нефтепродуктов на свойства грунтов и качество подземных вод (более 140 анализов). Для экспериментов использовался грунт в естественном состоянии, а также пропитанный бензином в количестве более 500 мг/кг. Также были использованы материалы ежегодных исследований ОАО

«Томскгеомониторинг», производственные материалы ОАО «ТомскТИСИЗ», ОАО «Томгипротранс» и данные, опубликованные в открытых источниках.

Лабораторные исследования по определению содержания нефтепродуктов в грунтах и подземных водах проводились в лабораториях ОАО

«Томскгеомониторинг» и в Томской лаборатории аналитического контроля ОГУ «Облкомприрода», по определению показателей состава и свойств грунтов проводились в лабораториях

«Грунтоведение и механика грунтов» Томского политехнического

университета, ОАО «ТомскТИСИЗ», ОАО «Томгипротранс», в соответствии с методиками, изложенными в ГОСТ 5180— 84, 12248-2010, 12536-79, 24143-80, 9.015-74. Химический состав подземных вод определялся в аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода» Томского политехнического университета. Обработка лабораторных данных проводилась с использованием программ «Statistica» и «Microsoft Excel». Графические материалы создавались с помощью программ «CorelDRAWX3», «Surfer 8», «AutoCAD» и др.

Научная новизна работы. Впервые для территории г.Томска выявлено три типа распределения НП в грунтах. Установлено, что главными факторами, обусловливающими неравномерность загрязнения, являются объемы оборота НП, геологическое строение территории, глубина залегания грунтовых вод, состав, состояние и свойства грунтов и рельеф местности. Проведена оценка степени загрязнения подземных вод на территории АЗС и АЗК: установлено превышение ПДК нефтепродуктов в водах, характерных для 95 % исследованных АЗС и АЗК. Наряду с увеличением содержания нефтепродуктов, наблюдается изменение макро-и микрокомпонентного состава подземных вод. Впервые количественно оценено и изучено воздействие НП на физико-механические свойства грунтов: установлено наибольшее негативное воздействие на их прочностные и деформационные свойства. Разработаны экологические критерии для оценки устойчивости геологической среды к загрязнению НП. Составлена карта устойчивости геологической среды г. Томска для оптимального размещения вновь строящихся АЗС и АЗК.

Рис. 1. Схема размещения исследуемых площадок АЗС, АЗК и складов ГСМ на территории г. Томска

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научных симпозиумах, конференциях, совещаниях: Международном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2002, 2003, 2004, 2006, 2007 гг.), Второй Международной научно-практическая конференции «Новые технологии в решении экологических проблем ТЭК» (Москва, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (Омск, 2006г.), Научно-технической конференции «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, 2004г.), Международной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2003г.), Международной научно-практической конференции «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии» (Санкт-Петербург, 2012 г.). Две работы опубликованы за рубежом и 2 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Отдельные разделы работы использовались при выполнении проекта по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (мероприятие 1.9), ГК № 11.519.11.6044.

Практическое применение и значимость работы. Результаты работы по содержанию НП в грунтах и подземных водах на площадках АЗС и АЗК могут быть использованы при экологическом контроле и мониторинге на территориях хранения нефти и нефтепродуктов. Полученные закономерности распределения НП в грунтах по разрезу необходимы для прогноза загрязнения геологической среды при строительстве новых АЗС. Созданная на основе полученных данных карта устойчивости позволяет рационально размещать АЗС на территории г. Томска, уменьшить риск загрязнения НП геологической среды. Кроме того, данная карта найдет свое применение при территориальном планировании освоения новых территорий, особенно в районе расположения Томского водозабора.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы составляет 143 страницы, включая 46 таблиц и 33 рисунка. Список литературы состоит из 120 источников, в том числе иностранных.

В главе 1 рассмотрено состояние изученности проблемы загрязнения геологической среды нефтепродуктами. Выполнен анализ проведенных исследований по изучению влияния НП на состав и физико-механические свойства грунтов и качество подземных вод, действующих нормативно-методических документов по размещению, строительству и эксплуатации АЗС.

В главе 2 приведена характеристика физико-географических, геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий территории г. Томска, формирующих характер геологической среды.

Глава 3 посвящена описанию состояния компонентов геологической среды в пределах площадок АЗС. Приводятся данные по содержанию НП в грунтах и подземных водах. Проанализировано их изменение по разрезу, в связи со сроками использования НП, геологическим строением территории, глубиной

залегания грунтовых вод, составом, состоянием и свойствами грунтов и рельефом местности.

В главе 4 приведена оценка влияния нефтепродуктов на физико-механические свойства грунтов и качество подземных вод. Детально охарактеризованы гранулометрический состав, физические, деформационные и прочностные свойства, набухание и электрическое сопротивление грунтов, до и после загрязнения их НП, приведена характеристика макро- и микрокомпонентного состава подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта, загрязненных НП.

В главе 5 обоснован выбор главных критериев оценки устойчивости геологической среды к загрязнению нефтепродуктами, дана их детальная характеристика, балльная оценка каждого критерия и суммарная балльность для выявления их роли в определении степени воздействия на геологическую среду нефтепродуктов. Приводится типизация геологической среды по степени воздействия нефтепродуктов и карта районирования территории г.Томска по степени устойчивости к загрязнению НП и характеристика таксонов.

Личный вклад соискателя в получение результатов, изложенных в диссертации, заключается в непосредственном участии в отборе проб грунтов и подземных вод, экспериментальном исследовании состава и физико-механических свойств грунтов, статистической обработке материала, в интерпретации полученных данных, сформулированных выводах, оценке степени загрязнения территорий АЗС, АЗК и построении карты устойчивости геологической среды к загрязнению НП.

Благодарности. За высокие требования к работе и бесценные советы автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору С.Л. Шварцеву и консультанту кандидату геолого-минералогических наук, доценту Т.Я. Емельяновой, влияние которых на формирование научного мировоззрения автора значительно.

Отдельную признательность за помощь, оказанную в сборе информации хочется выразить сотрудникам геологических предприятий: ОАО «ТомскТИСИЗ», в лице генерального директора О.В. Шмачкова, ОАО «Томгипротранс», в лице начальника отдела инженерной геологии A.B. Сайковского, ОАО «Томскгеомониторинг», в лице генерального директора, кандидата геолого-минералогических наук В.А. Льготина, кандидата геолого-минералогических наук Ю.В. Макушина, ОАО «Томскнефтепродукт ВНК», в лице главного инженера H.H. Шкарпетина.

За содействие в проведении исследований глубокую признательность автор выражает сотрудникам, кандидатам геолого-минерологических наук, проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода», в лице Ю.Г. Копыловой, A.A. Хващевской, Н.В. Гусевой и заведующей лаборатории «Грунтоведение и механика грунтов» кандидату геолого-минералогических наук, доценту Крамаренко В.В.

В процессе работы автор обращался за советами и консультациями к докторам геолого-минералогических наук Л.А. Строковой, Е.М. Дутовой, В.К. Попову, Л.П. Рихванову, С.И. Арбузову, доктору географических наук О.Г.

Савичеву, кандидатам геолого-минералогических наук О.Ф. Зятевой, К.И. Кузеванову, А.Д. Назарову, А.Н. Никитенкову, старшему преподавателю кафедры ГИГЭ A.B. Леоновой. Всем им автор приносит искреннюю благодарность.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕ 1. АЗС и АЗК на территории г.Томска являются источниками загрязнения грунтов и подземных вод. Содержание нефтепродуктов в грунтах этих территорий достигает 7250 мг/кг, при фоне -151 мг/кг. Характер их распределения в грунтах по глубине неравномерный, определяется объемами оборота НП, геологическим строением территории, глубиной залегания грунтовых вод, составом, состоянием и свойствами грунтов, рельефом местности. Уровень загрязнения подземных вод нефтепродуктами в пределах АЗС составляет 0,5-50 мг/дм3, максимальные значения превышают 5000 мг/дм3. Масштаб загрязнения подземных вод определяется степенью их защищенности от загрязнения НП с поверхности.

Особенностью района исследований является: 1) расположение города Томска на разных типах рельефа: водосборной поверхности с выраженными склонами, трех надпойменных и пойменной террасах с хорошо выраженными уступами; 2) преимущественно песчано-глинистый состав отложений верхней части геологического разреза; 3) неглубокое залегание уровня грунтовых вод четвертичного комплекса (6-30 метров). Все перечисленные условия, а также территориальное размещение АЗС и АЗК (приуроченность ко всем выше упомянутым типам отложений, типам рельефа), обусловливают неравномерное загрязнение грунтов и подземных вод.

Анализ данных по содержанию нефтепродуктов в грунтах показывает, что их значения изменяются в широких пределах: от десятков до нескольких тысяч мг/кг (табл.1). Загрязнение фиксируется до глубины 20 и более метров.

Такой разброс концентраций НП связан, в первую очередь, с возможной аварийностью при эксплуатации АЗС и АЗК. Так, в грунтах территории АЗК-З на 1995 год максимальное содержание НП составило 84 мг/кг, а в 1999 году -уже 977 мг/кг (табл.1).

Таблица 1

Содержание нефтепродуктов в грунтах __

Местоположение точки отбора проб Год начала эксплуатации АЗС Концентрация нефтепродуктов, мг/кг min - шах Число проб Фоновое значение, мг/кг

АЗК - 3 г. Томск, ул. Герцена,74а н.д. <50-84(1995 год) <50-977 (1999 год) 21 151

АЗС - 24 г. Томск, Иркутский тракт,75 1977 <50-818 22

ГСМ Речной порт н.д. <50 19

АЗС-5 г. Томск, ул. Парковая,32 1973 <50-1305 12

АЗК-4 г. Томск, ул. Смирнова,45 1971 <50^882 55

АЗС-21 г. Томск, Сенная Курья,5 1974 <50 9

Нефтебаза Пл.Южная 1933-2000 <50-1950 13

ГСМ Приборный завод 1970 2186,5-7257 6

АЗС - 104 г. Томск, п. Тимирязеве н.д <50-152 3

Примечание: Таблица составлена по данным автора, ОАО «ТомскТИСИз», ОАО «Томгипротранс», н.д. - нет данных, фоновое рассчитано в соответствии с РД 52.24.309-92.

Кроме того немаловажную роль играет геологическое строение территорий АЗС и АЗК, гидрогеологические условия, проницаемость отложений, глубина залегания грунтовых вод и рельеф и геоморфологические условия местности. Эти факторы в значительной мере определяют не только распределение нефтепродуктов по разрезу, но и места их концентрации.

Детальный анализ распределения нефтепродуктов по глубине показал, что в результате их фильтрации обычно формируется два максимума загрязнения грунтов: 1) вблизи поверхности; 2) в зоне колебаний уровня грунтовых вод (рис.2). Поскольку подавляющее большинство НП имеют плотность меньше плотности воды (плотность бензинов составляет 0,73-0,87 г/см3), они могут накапливаться на поверхности грунтовых вод, образуя «линзы».

Количество максимумов загрязнения может быть и больше в зависимости от литологического состава пород зоны аэрации, ее строения, и, как следствие, разной сорбционной способности и проницаемости грунтов, их пористости и содержания в них воды - влажности.

Так, если строение зоны аэрации характеризуется однородными хорошо проницаемыми отложениями (средне - крупнозернистые пески, гравий, галечники), НП фильтруются практически вертикально и быстро достигают уровня грунтовых вод, при этом сорбционная способность этих грунтов невелика, что приводит к сравнительно небольшой концентрации НП в них, достигая максимума в пределах залегания уровня грунтовых вод (рис.3).

Условные о&оэнаиения

Насыпной грунт Саг/инок Сапесь

" ' ' Песок с прослоями сапеси

I с* о I Гровияно-галечниковыя ** ° "1 грант

I-----4 Уровень грунтовых вод

Рис. 2. Распределение концентраций НП в разрезе отложений на территории АЗК-З

Рис. 3. Распределение концентраций НП в разрезе отложений на территории АЗС-104

В случае, если зона аэрации сложена однородными слабопроницаемыми породами (суглинки, супеси, глины), наблюдается постепенное уменьшение концентрации НП по глубине. В этом случае доля НП, участвующих в сорбции, увеличивается, и соответственно растет их концентрация в грунтах, а в подземных водах уменьшается. Переслаивание грунтов разного состава

приводит к неравномерному распределению НП по разрезу и развитию загрязнения в латеральном направлении (рис. 4).

Соде ржание НП, мг/нг

3 5 10 15 ДО 25 33 35

^ супесь \/ суглинок .'. . ■ песок

а) б)

Рис. 4. Распределение содержания НП в грунтах по глубине (а) и характер литологического разреза (б)

В целом, для территории г. Томска можно выделить 3 типа распределения нефтепродуктов в грунтах: 1) незакономерное распределение НП по разрезу, 2) уменьшение концентрации НП с глубиной в грунтах, 3) характеризующееся увеличением содержания НП с глубиной.

Другим важнейшим фактором, определяющим распределение НП является рельеф, вследствие чего ореол загрязнения может значительно превышать площадь самой АЗС (рис.5). Например, площадь ореола распространения загрязнения на АЗС-24, расположенной на бровке склона водораздела (на 1997 год) составила 32 488 м2, при площади самой АЗС - не более 100 м2.

Концентрация НП,

Условные ОБОЗНачеНИЯ!

Тип грунта'

насыпной

Рис. 5. Ореол распространения НП в суглинках (АЗС-24)

Также необходимо отметить роль приуроченности АЗС и АЗК к геоморфологическим элементам. Так для грунтов и подземных вод территорий

АЗС-21 по ул. Сенная курья и ГСМ в районе речного порта (расположенных в пойме реки Томи), характерно незначительное накопление НП в песчано-гравийных грунтах (не более 50 мг/кг) (табл. 1) и подземных водах ( до 5 мг/дм3), за счет их более быстрой миграции относительно террас и водораздела.

В пределах территорий АЗС и АЗК подземные воды четвертичных отложений характеризуются пестротой химического состава, что связано со значительной степенью техногенного воздействия от АЗС и АЗК, вследствие близкого их залегания относительно дневной поверхности. Тип воды, загрязненной НП, изменяется от типичного гидрокарбонатного кальциевого до хлоридного натриевого, минерализация колеблется от 0,1 до 1,1 г/л.

На рисунке 6 приведены графики изменения концентраций нефтепродуктов в подземных водах в наблюдательных скважинах АЗС и АЗК за 2006-2012 годы. Из приведенных данных видно, что подземные воды 95 % исследованных АЗС и АЗК содержат нефтепродукты выше ПДК (в среднем значения изменяются в пределах 0,05-50 мг/дм при ПДК 0,1 мг/дм3).

Максимальные концентрации НП (500 - более 7000 мг/дм3) характерны для подземных вод АЗС-24, АЗК-З, АЗС-28, срок службы которых более 30 лет (рис. 6).

-о- АЗС-96

АЗС-100 •о- АЗС-101 -л • АЗС-ЮЗ ■ АЗС-104 -а- АЗС-105 -»- АЗС-1 06 АЗС-1 09 -,-■ АЗК4 -V • АЗС-6 -о- АЗК-21 -о- АЗК-52 -:,!- АЗС-32 -о- АЗС-5 .-о- АЗС-37 - АЗК-50 -л- АЗС-95 ■ о- АЗС-60 •••:,<•• АЗК-З

АЗС-28 -о ■ АЗС-24

Рис. 6. Содержание нефтепродуктов в подземных водах территорий АЗС и АЗК

Кроме того, выявлено влияние на концентрацию НП литологического состава грунтов, слагающих разрез зоны аэрации, глубины залегания уровня грунтовых вод, что выражается в степени их защищенности. Согласно методике, разработанной В.М.Гольдбергом, защищенность подземных вод территорий АЗС и АЗК соответствует I—III категориям (от наименьшей до средней, табл. 2).

Анализ временной динамики загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами показал отсутствие явной зависимости между временем эксплуатации АЗС, АЗК

5000,000

500,000

5,000

0,500

200». 2007г. 2008г. 2009г. 2011г. 2012г.

и количеством НП в грунтовых водах, что обусловлено поступлением нефтепродуктов в подземные воды преимущественно за счет аварийных утечек (рис.6).

Таблица 2

Оценка защищенности подземных вод территорий АЗС и АЗК г. Томска _( по методике В.М. Гольдберга)__

Объект Литологическое описании— мощность, м .Цитологическая группа Балл Глубина залегания уровня rtlVHTilRklT Rill Балл Суммарный балл Категория защищенности подземных во

A3C-35 Суглинок - 11,5 Песок - 2,5 а b 9 2 14 2 13 Ш категория

АЗС-4 Переслаивание супесей и песков-10,0 а 5 10,7 2 7 II категория

АЗС-6 Кора выветривания-13,0 с 10,0 8,7 1 11 III категория

АЗС-104 Пески- 3,0 Суглинки, супеси -5,0 а 4 8 1 5 1 категория

АЗС-95 Суглинки,супеси-12 а 6 11,8 2 8 II категория

АЗС-З Насыпной грунт - 2,8 Супесь, суглинок - 6,0 а 4 8,0 1 5 I категория

АЗС-106 Суглинок - 5 Глина - 15 b 15 18 2 17 IV категория

АЗС-100 Суглинок - 5 Глина - 5 b 7 8 1 8 II категория

АЗС-101 Суглинок с прослоями песка—7 а 3 5 1 4 I категория

АЗС-109 Суглинок, глина - 20 b 15 20 2 17 IV категория

АЗС-21 Суглинок - 6,5 Гравийно-галечниковый грунт-3,5 а 5 10,2 2 7 II категория

АЗС-5 Суглинок-3.0 Глина-5,5 Суглинок-3.0 b 9 11,6 2 И III категория

Выполненный нами анализ, включающий: 1) срок эксплуатации АЗС и АЗК; 2) расстояние до наиболее уязвимых объектов окружающей среды; 3) глубину до уровня фунтовых вод территорий АЗС и АЗК, в соответствии с методическими рекомендациями по выявлению, обследованию, паспортизации и оценке экологической опасности очагов загрязнения геологической среды нефтепродуктами (утв. МПР РФ), показал, что 70 % исследованных АЗС и АЗК относятся к потенциально опасным объектам.

Кроме того, АЗС-104 (п. Тимирязево) находится в третьем поясе зоны санитарной охраны Томского водозабора. По данным ОАО «Томскгеомониторинг» в наблюдательной скважине 29 р, находящейся вблизи данной АЗС, установлено загрязнение грунтовых вод четвертичного комплекса нефтепродуктами (на 1994 г концентрация НП составляла 0 мг/л, а в 2012 г -0,097 мг/л). Также установлено снижение уровня грунтовых вод четвертичного комплекса (на 2,95 м с 1962 по 2013 годы). Снижение уровня подземных вод палеогеновых отложений практически не зарегистрировано. Приведенный пример свидетельствует о наличии перетока подземных вод в палеогеновый комплекс из водоносного комплекса четвертичных отложений через гидрогеологические окна. Таким образом, возможно загрязнение подземных вод используемых для питьевого водоснабжения г. Томска нефтепродуктами.

ПОЛОЖЕНИЕ 2. Влияние АЗС и АЗК проявляется в изменении свойств грунтов и состава подземных вод. При загрязнении нефтепродуктами глинистых грунтов наблюдается изменение их механических свойств, что выражается в увеличении значений показателей сжимаемости, снижении сцепления и угла внутреннего трения. Для подземных вод, загрязненных НП характерно превышение фоновых концентраций ряда макро- и микрокомпонентов таких как: нефтепродуктов, хлора, сульфатов, свободной углекислоты и свинца и др.

Механические свойства грунтов являются наиболее важными параметрами их инженерно-геологической оценки. В этой связи, в работе наибольшее внимание уделено влиянию НП на такие показатели свойств грунтов как: модуль деформации при нагрузке 0,25-0,3 МПа, модуль осадки под нагрузкой от 0,05 до 0,3 МПа, сцепление и угол внутреннего трения. Кроме того, исследованы набухаемость и электрическое сопротивление грунтов до и после загрязнения их НП. Образцы грунтов для анализа, представленные суглинком и супесью, были отобраны с площадок по ул. Московский тракт, п. Просторный, пл. Южной г. Томска.

Как показывают данные таблицы 3, для грунтов загрязненных НП, наблюдается снижение значений удельного сцепления (на 12,5% для суглинка и более чем на 30 % для супеси) и угла внутреннего трения (на 10% для суглинка и более 20 % для супеси). Данное изменение связано с рядом факторов: 1) изменением физического состояния загрязненных грунтов (консистенции), так как при загрязнении происходит дополнительное увлажнение; 2) адсорбцией НП на минеральной поверхности частиц, и как следствие - своеобразной «смазкой» частиц грунта НП.

При изучении влияния НП на компрессионные свойства суглинка установлена следующая закономерность:

•грунт (суглинок мягкопластичный) с влажностью 22% в естественном состоянии сжимается в два раза меньше (модуль осадки изменяется от 38 мм/м незагрязненного грунта до 59 мм/м под воздействием НП, при нагрузке 0,3 МПа), чем этот же грунт после воздействия на него нефтепродуктов (табл. 4),

•грунт (суглинок мягкопластичный) с влажностью 25,4% при небольших нагрузках сжимается менее, чем естественный грунт, а сжимаемость начинает увеличиваться при нагрузках от 0,2 МПа (табл. 4),

•сжимаемость грунта с влажностью 37% (суглинок текучепластичный) до конечной нагрузки 0,4 МПа после воздействия бензина в течение 2 недель значительно меньше (модуль осадки 56,4 мм/м, при нагрузке 0,3 МПа), чем сжимаемость этого же грунта в естественном состоянии (модуль осадки 80,4 мм/м, при нагрузке 0,3 МПа) (табл. 4).

Таким образом, сжимаемость загрязненных грунтов зависит от количества НП, которая в свою очередь определяется влажностью. В целом, для загрязненных НП грунтов характерно уменьшение значений модуля деформации (увеличении сжимаемости).

Таблица 3

Изменение прочностных свойств грунтов под воздействием НП_

Наименование Удельное Удельное Угол Угол Содержание

грунта по ГОСТ сцепление грунта сцепление внутреннего внутреннего НП, мг/кг

25100-2011 в естественном грунта, трения грунта в трения грунта,

состоянии, Кпа, загрязненного естественном загрязненного

шш-тах НП, Кпа состоянии, НП, градус

среднее тт-тах градус тт-тах

среднее тт-тах среднее

среднее

Суглинок 23,0-31.7 22.0 - 25.0 17,0-26.0 17,0-24.0 500

тугопластичныи 27,2 23,8 22,6 20,1

(8)

Суглинок 14,0-20.0 10,0-15,0 23.0-31.0 22,0 -26.0 400 - 1700

твердый (6) 18,0 13,0 29,5 23,5

Супесь твердая 14-20 8-16 23 - 33 22-26 500

(15) 17,6 11,86 29,8 23,8

Примечание: данные по изучению грунтов, полученные Томскилш геологическими предприятиями, при изысканиях под реконструкцию автозаправочных станций, сопоставленные с результатами изучения таких же грунтов на участках с отсутствием объектов НП; в скобках приведено количество определений.

Таблица 4

Модуль осадки грунтов с разной начальной влажностью_

Вертикальное давление, Мпа Модуль осадки грунта в естественном состоянии, мм/м Модуль осадки грунта загрязненного НП, мм/м

Влажность, 22% Влажность, 25,4% Влажность, 37% Влажность, 22% Влажность, 25,4% Влажность, 37%

0,05 16 31,6 18,4 23,2 19,2 20,4

0,10 21,6 43,2 34,4 29,2 38,8 33,2

0,15 26,8 50,8 43,2 38,8 50 37,6

0,20 30 56 51,6 42 61,6 42

0,30 34 65,6 68,4 48,4 76 48,8

0,40 38 71,6 80,4 59,2 91,6 56,4

Набухание грунта в воде значительно превышает набухание грунта в бензине (рис. 7), в связи с тем, что пленки НП могут покрывать частицы и агрегаты глинистых частиц грунта, вызывая их гидрофобизацию.

Как известно, природные воды, находящиеся в порах грунтов, представляют собой природный электролит различного состава. Для него характерна ионная электропроводность. Удельное сопротивление природных вод в зависимости от их химического состава и концентрации изменяется в широких пределах (от 10"2 до 10 Ом«м и более) и уменьшается с увеличением степени минерализации природных вод и влажности. Для грунтов, загрязненных нефтепродуктами выявлено снижение удельного электрического сопротивления (рис. 8), что, по всей видимости, связано с изменением солености поровых вод вследствие загрязнения их НП.

Рис. 7. Свободное набухание грунта Рис. 8. Удельное электрическое сопротивление

грунта

Значения концентраций основных элементов в загрязненных подземных водах приведены в таблицах 5 и 6. По результатам проведенных исследований в водах четвертичного горизонта были выявлены превышения ПДК для всех анализируемых проб по нефтепродуктам, в некоторых пробах наблюдается превышение ПДК по свинцу и натрию (табл. 6). Для АЗС и АЗК введенных в эксплуатацию после 2000 года (н-р: АЗК-50 работает с 2002 года) характерно содержание свинца меньше ПДК, что можно объяснить тем, что с 1 июля 2003 года, согласно закону, принятому Госдумой РФ, в России запрещаются производство и оборот этилированного бензина.

Полученные результаты значительно отличаются от фоновых значений, характерных для подземных вод поймы и надпойменных террас и водораздела (вне территорий АЗС) (таблица 5). Для вод, загрязненных нефтепродуктами, характерно снижение значений рН относительно фона, что говорит об увеличении их кислотности. Значительные превышение фона наблюдается для следующих компонентов загрязненных подземных вод: хлор, сульфаты, свободная углекислота.

Таблица 5

Сравнительная характеристика химического состава нефтезагрязненных подземных вод

Компоненты Содержание (минимальное - максимальное)

Пойма и надпойменные террассы Водораздел

фоновое загр. НП фоновое загр. НП

pH мг/дм'( 7,2 (1262) 6,68-6,76 7,64 (488) 5,91-6,15

Na* МГ/ДМ'1 7,6(1249) 4,15-46 8,5 (483) 5,27-40

к* м г/дм1 1,11 (137) 2,23-5,43 0,94(87) 2,22-5,1

Са2+ мг/дм 28,6(1264) 60-148 44,9 (487) 18-24,2

Mg" мг/дм 7,3 (1240) 9,76-80,52 13,3 (483) 1,22-3,54

NH„* мг/дм"* 0,65 (1151) 1,58-5,69 0,7 (473) 0,53-2,44

er мг/дм 5,3(1263) 19,5-101,2 3,5 (482) 19,52-62,5

so42 мг/дм" 4,51 (513) <2-27,6 2,69 (92) <2-2,04

NO, мг/дм 0,3(170) 0,01-0,025 0,2 (91) 0,025-0,112

NO, мг/дм' 2,0 (269) 0,51-2,46 1,0 (57) 0,32-0,37

НСОз мг/дм' 158,6 (1265) 180-810 274.6 (487) 42,7-98

CO, св мг/дм 17,1 (40) 132-176 19,6' 35,2-61,6

Общая жесткость мг-экв/дм1 3,0(1256) 3,8-14 4,4 (486) 1,0-1,5

Минерализация мг/дм1 97,5(1256) 303-1191 224(461) 91-233

Примечание: в качестве фонового взяты средние значения компонентов выборки данных ОАО «Томскгеомониторинг», Дутовой Е.М.. Кузеванова К.И., Покровского Д. С.. Наливайко Н.Г., Безруковой O.A.. Федоровой В.П.. 'по данным ОАО « ТомскТИСИз»; в скобках количество проб

Таблица 6

Химический состав подземных вод, загрязненных НП

Компонент АЗС-28 мг/ дм3 АЗС-37 мг/ дм3 скв.Н-1 АЗК-4 скв.9 АЗК-4 СКБ.6 АЗК-4 скв.З АЗК-4 СКВ. АЗС-60 СКВ. АЗК-З скв. АЗК-50 СКВ. АЗК^4 ПДК по СанПиН 2.1.4.1074-01

Индекс водоносного горизонта 'Чш Чиїй ОІУ (№ 0Екс ■'Ош

рН, ед. рН 6,68 6,27 6,48 7.57 7,59 7,81 6,76 5,91 6,15 8,67 в пределах 6-9

Удельная электрическая проводимость, шЭ/см 0,42 0,128 0,338 0,244 1,292 0,301 0,1

Гидрокарбонат - ион, мг/ дм3 180 61 165 166 315 335 810 98 42,7 480

Карбонат-ион, мг/ дм* <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 36

Углекислота св. , мг/ дм' 176 35,2 48,4 3,52 132 61,6 37,84 <3

Аммоний-ион, мг/ ли*' 5.69 0,1 0,33 0,066 0,57 0,04 1,58 2,44 0,53 0,41

Нитрит-ион, мг/ дм3 <0,01 0,037 <0.01 0,25 0,19 2,43 0,025 0,025 0,112 0,09 3,0

Нитрат-ион, мг/дм3 2,46 0,25 0,14 0,59 9,2 4,04 0.51 0,37 0,32 1,41

Сульфат-ион, мг/ дм3 27,6 2,23 <2 <2 90 27,6 <2 <2 2,04 <2

Хлорид-ион, мг/ дм"* 19,5 19,5 64 23,1 510 49 101,2 62,5 19,52 254

Фосфат-ион, мг/ дм* 0,03 <0,01 <0.01 0,01 0,003 0,005 0,014 <0,01 <0,01 0,01

Обшая жесткость,"Ж, мг-экв/йм1 3,8 1,1 3,7 1,4 6,6 2,44 14 1,5 1.0 8,3 7,0

Кальций, мг/ дм1 60 20 44 24 95 39 148 24,2 18 80

Магний, мг/ дм3 9,76 1,22 18,3 2,44 22,73 7,83 80,52 3,54 1,22 52,46

Натрий , мг/ дм3 4,15 10,3 17.1 40 330 111 46 40 5,27 197 200

Калий, мг/дм3 2,23 1,33 2,5 9 19 7.34 5,43 5,1 2,22 4,1

Минерализация но сумме солей, мг/ дм* 303 116 311 264 1382 574 1191 233 91 1104 1000

Нефтепродукты, эмульсия, мг/дм3 2250 1,75 0,54 0,298 (1,601 0,915 0.833 7,41 4,8 27,5 0,1

Нефтепродукты, объёмн % 7,98 8,42

Литий, мг/дм3 0,003 0,002 0,007 0,001 0,0012 0,0009 0,005 0,03

Цинк, мг/ дм3 0,22 0,055 0,5 0,22 0,11 0,58 0,36 0,089 0,068 0,26 5,0

Кадмий, мг/ дм3 <0,0002 <0,0002 0,00021 <0,0002 <0,0002 0,00022 0,00056 <0,0002 <0,0002' 0,0009 0,001

Свинец, мг/ дм3 0,21 0,018 0,05 0,038 0,0045 0,029 0.076 0,0045 0,0059 0,0092 0,03

Медь, мг/дм3 0,52 0,029 0,11 0,06 0,022 0,19 0,056 0.2 0,024 0,57 1,0

Примечание: красным цветом выделены значения превышающие ПДК

ПОЛОЖЕНИЕ 3 Экологическая устойчивость геологической среды к углеводородному загрязнению в условиях г. Томска определяется: составом и проницаемостью грунтов, их сорбционной емкостью, изменением состояния и свойств грунтов при взаимодействии с нефтепродуктами; рельефом местности и глубиной залегания уровня грунтовых вод. На основе анализа данных факторов в пределах территории г. Томска выделено 3 типа геологической среды с высокой, средней и низкой степенью устойчивости. Наиболее низкая степень устойчивости характерна для пойм и надпойменных террас, наиболее высокая степень устойчивости - для выровненных водораздельных поверхностей.

Оценка устойчивости геологической среды в условиях техногенеза является фундаментальной в проблеме обеспечения экологической безопасности размещения АЗС и АЗК на территории городов. Интерпретация термина «устойчивость» приводится в работах Г.А. Голодковской, М.А. Глазовской, Г.К. Бондарика, В.Т. Трофимова, Ю.Г. Липец, Ю.Г. Пузаченко, А.Д. Арманда и др. Смысловая нагрузка этого термина - различна, фактически сводится к трем направлениям: 1) способность сохранять определенные параметры; 2) способность изменяться в пределах определенных допустимых норм; 3) способность компенсировать возмущение и возвращаться в исходное состояние.

Вслед за Г.А. Голодковской, 1989 г, под устойчивостью геологической среды нами предлагается понимать способность массивов горных пород и подземных вод сопротивляться внешним воздействиям без перехода в новое качество (в пределах определенных допустимых норм).

В основу оценки устойчивости геологической среды территории г.Томска положен алгоритм, предложенный Г.А. Голодковской, 1989 г, Т.Г. Рященко, 2010 г, который базируется на учете типов строения геологической среды, а затем выявлении, оценке и прогнозе антропогенных изменений в этой конкретной системе. В соответствии с предложенной методикой, нами была выполнена типизация грунтовых толщ территории г. Томска, которая впоследствии явилась основой для районирования территории по степени устойчивости геологической среды к углеводородному загрязнению.

В качестве основных критериев для типизации грунтовой толщи глубиной до 20 м, взяты петрографический состав грунтов и их проницаемость. Картографирование типов грунтовых толщ выполнено нами на основе анализа карт инженерно-геологических условий масштабов 1:25000 и 1:10000 г. Томска, геологических разрезов по большому количеству скважин. Анализ состава техногенных отложений мощностью до 3 метров в характеристике типов не учитывался. Использована классификация грунтов согласно ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация.

Для территории г. Томска выделено 7 типов грунтовых толщ по составу и проницаемости грунтов (рис 9).

К 1-му типу отнесены преимущественно глинисто-

суглинистые грунты, мощностью 17-18 м подстилаемые песчаным грунтом. Данный тип занимает значительные площади на севере и юге территории г. Томска, приурочен к водораздельным поверхностям.

2-ой тип - разрез представляет собой переслаивание суглинков, супесей, песков. Данный тип, также как и первый приурочен к водораздельным поверхностям, располагается в центральной части г.Томска.

3-ий тип — двухслойная толща: суглинки мощностью 5-10м, подстилаются песчаным

грунтом мощностью более 10 м. Приурочен к 3 надпойменной террасе р. Томи. В данном типе разреза обнаружено увеличение содержания НП с глубиной.

4-ый тип - представлен суглинками и песками, также как и тип 3, но мощность суглинков меньше. Приурочен ко второй надпойменной террасе.

Анализируя 3-ий и 4-ый тип можно сказать, что для 3-его типа характерно более медленное время инфильтрации НП вниз по разрезу, чем для 4-ого типа, вследствие наибольшей мощности суглинка в верхней части разреза.

К 5-му типу отнесены техногенные грунты мощностью 3-7 метров, залегающие на суглинках, супесях с линзами торфа и гравийно-галечниковом грунте, переслаивающихся в разрезе.

6-ой тип - супесчано-песчаный разрез. Приурочен ко второй надпойменной террасе и пойме в северной части города.

7-ой тип - суглинок, глины с лигнитами. Приурочен к выходам палеогеновых отложений.

Следуя рекомендациям Г.К. Бондарика, 2007 г и В.Т Трофимова, 2007 г., с некоторой конкретизацией их, для оценки устойчивости геологической среды к техногенному загрязнению нами был использован подход, основанный на суммарном учете частных оценок следующих факторов: проницаемость грунтов в отношении НП, сорбционная способность грунтов, масштаб изменения состояния и свойств грунтов при взаимодействии с нефтепродуктами, гидрогеологические и геоморфологические условия.

Проницаемость грунтов оценена по расчетам времени затрачиваемого на фильтрацию нефтепродуктов. Эти расчеты проводились для реальных разрезов зоны аэрации по данным пробуренных скважин.

по строению разреза и составу пород территории г. Томска

Расчетная формула (по В.М. Гольдбергу, 1997 г, В.А. Мироненко, В.Г. Румынину, 1998 г) имеет следующий вид:

где ня - высота столба загрязнителя, м; т - мощность зоны аэрации, м; к -коэффициент фильтрации пород зоны аэрации (м/сут); ¡і - дефицит насыщения.

В таблице 7 приведены свойства изученных грунтов и непосредственно расчеты времени инфильтрации нефтепродуктов.

Таблица 7

Сравнительная характеристика типов грунтовых толщ по времени инфильтрации _нефтепродуктов_

Номер Наименовани Влажность Порис- Недостаток Коэф- Мощ- Время

типа е грунта W„ д.е тость насыщения фициент ность инфиль-

толши п, д.е Ц, д.е фильтрации т, м трации

к, м/сут 1, сут

1 тип суглинки 0.16 0,34 0.18 0,005 20 324,5

0,33 0,50 0,17 306,5

2 тип суглинки 0,28 0,40 0,12 0,005 19 200,5

супесь 0,21 0,38 0,17 0,1 1 0,7

3 тип суглинки 0.18 0,37 0,19 0,005 10 116.6

0,34 0,48 0,14 85,9

супесь 0,13 0.40 0.27 0,1 10 5Л

0,25 0,43 0,18 5,5

4 тип суглинки 0,20 0,41 0,21 0,005 5 39,7

0,27 0,47 0,20 37.8

супесь 0,19 0,40 0,21 0,1 10 6*4

0,24 0,43 0,19 5,8

песок 0.09 0.42 0.33 1 5 йз

0,15 0,36 0,21 0,2

6 тип супесь 0.19 0,40 0,21 0,1 10 6,4

0,24 0,43 0,19 5,8

песок 0,09 0,42 0.33 1 10 10

0,15 0,36 0,21 0,6

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

С учетом полученных результатов по расчету времени инфильтрации, нами данный фактор оценен в три балла (максимальные 3 балла присвоены типу

грунтовых толщ, время инфильтрации НП в которых более 200 сут) (табл. 8).

Таблица 8

__Ранжирование по каждому фактору_

По времени инфильтрации НП в грунтах По сорбционной способности пород По степени изменения состава и свойств грунтов под воздействием НП По гидрогеологическим и геоморфологическим условиям грунтов

Время инфильтрации, сут Балл Объем сорбированных НП, л/м3 Балл Тип грунта Балл Геоморфологический элемент Глубина залегания уровня подземных вод, м Балл

менее 100 1 8 4 глинистые 1 пойма 6,1-10 1

100-200 2 15 3 песчаные 2 2-я и 3-я надпойменные террасы 8-12 2

более 200 3 25 2 междуречье 25-30 3

40 I выходы скальных грунтов 4

Сорбционная способность. Количество сорбированных нефтянных углеводородов в единице объема грунта зависит от общего свободного объема капилляров, т.е. от гранулометрического состава и влажности. Данный фактор нами оценен максимально в четыре балла (табл.8).

Эксперименты показали, что наибольшему воздействию на состав, состояние и свойства подвергаются глинистые грунты, чем песчаные разновидности (табл. 8). Также в таблице 8 приведена балльная оценка гидрогеологических и геоморфологических условий.

Для территории г. Томска на основе анализа ведущих факторов оценки устойчивости геологической среды и ее балльной оценки выделены три типа геологической среды с высокой (более 10 баллов), средней (8-10) и низкой (менее 8) степенью устойчивости к углеводородному загрязнению (табл. 9).

Таблица 9

Типы грунтовых толщ Факторы оценки устойчивости грунтовых толщ к углеводородному загрязнению Сумма баллов Степень устойчивости

Время инфильтрации, сут Количество сорбированных НП, л/м3 Степень изменения состава и свойств j-рунтов под воздействие нефтепродуктов Г Геоморфологический элемент Глубина залегания уровня подземных вод, м

3 тип 2 2 1 2 7 низкая

4 тип 1 3 I 2 7

6 тип 1 3 2 2 7

1 тип 3 1 1 3 8 средняя

2 тип 3 1 1 3 8

5 тип 1 4 2 1 8

7 тип 3 1 2 4 10 высокая

На основе разработанной классификации составлена карта (рис. 10). Содержание этой карты отражает распределение типов природно-технических систем с различной степенью устойчивости к углеводородному загрязнению. Все типы таких систем делятся на три категории: I тип — территории с высокой степенью устойчивости, II тип — со средней степенью устойчивости, III тип - с низкой степенью устойчивости.

с низкой степенью устойчивости приурочены к первой, второй, третьей надпойменных террас Разрез представлен суглинками небольшой мощности (5-10 метров), супесью, песком, с высокой скоростью инфильтрации НП (менее 100 м/сут), средней сорбционной способностью (8-25 л/м3), с неглубоким залеганием уровня грунтовых вод (6-12 метров).

Территории со средней степенью устойчивости приурочены к водоразделу. Преимущественно представлены глинисто-суглинистым разрезом, с высокой сорбционной способностью, более глубоким, в сравнении с территориями низкой степени устойчивости, залеганием уровня грунтовых вод (25-30 м), высокой степенью изменения свойств грунтов.

Таким образом, территории современным отложениям пойм рек Томь, Киргизка, Ушайка.

устойчивости!

Территории с высокой степенью устойчивости представлены суглинком, глинами с лигнитами. Приурочены к выходам палеогеновых отложений.

Рис. 10. Карта - схема прогноза устойчивости грунтовых толщ г. Томска к углеводородному загрязнению.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и разработать рекомендации.

• Выделено три типа распределения нефтепродуктов в грунтах, в зависимости от объемов оборота НП, геологического строения территории, глубины залегания грунтовых вод, состава, состояния и свойств грунтов и рельефа местности. Полученные данные рекомендуется применять при разработке прогноза загрязнения геологической среды при строительстве новых АЗС и АЗК.

• В грунтовых водах территорий АЗС и АЗК выявлено превышение ПДК нефтепродуктов, свинца, натрия.

• Установлено для грунтов, загрязненных НП, снижение значений прочности, увеличение сжимаемости. Рекомендуется учитывать этот факт при оценке несущей способности грунта.

• Выявлены и научно обоснованы факторы, для оценки устойчивости геологической среды к углеводородному загрязнению. Рекомендуется использовать данные результаты при территориальном планировании при освоении левобережья и в связи с защитой Томского водозабора.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Центральные издания, входящие в перечень ВАК

1. Бракорснко H.H., Емельянова Т.Я. Типизация грунтовых толщ по составу и проницаемости в связи с прогнозом загрязнения их нефтепродуктами (на примере г.Томска) //Вестник Томского государственного университета, 2007, — № 302. — с. 215-219.

2. Бракоренко Н. Н., Емельянова Т. Я. Влияние нефтепродуктов на петрографический состав и физико-механические свойства песчано-глинистых грунтов (на примере г. Томска)// Вестник Томского государственного университета, 2011, - Na. 342 - с. 197— 201.

Издания за рубежом

3. Бракоренко H.H., Емельянова Т.Я. Особенности техногенного воздействия автозаправочных станций на состав и свойства грунтов (на примере г. Томска) //Проблемы прогнозирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций природного, природно-техногенного и техногенного происхождения: Научно-практическая конференция -Одесса, 5-9 окт. 2009. - Крым, Ялта: Экология, наука, техника, 2009. - с. 89—91.

4. Бракоренко Н. Н. , Емельянова Т. Я. Экологическая опасность подтопления территории г.Томска водами, загрязнёнными нефтепродуктами //Подтопление - 2010. Методы, мероприятия, опыт защиты территорий, городов, поселков, объектов от подтопления: материалы 6-ой Международной научно-практической конференции, Киев, 15-16 Декабря 2010. - Киев: Экология, наука, техника, 2010 - с. 26-28.

Всероссийские конференции и совещания

5. Бракоренко H.H. Типизация грунтовых толщ территории г. Томска в связи с прогнозом загрязнения их нефтепродуктами //Проблемы геологии и освоения недр: Сборник научных трудов XI международного симпозиума им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» - Томск, ТПУ, 9-14 апр. 2007. -Томск: Изд. ТПУ, 2007.-с. 138-140.

6. Бракоренко H.H., Емельянова Т.Я. Прогноз загрязнения геологической среды нефтепродуктами на примере г. Томска //Новые технологии в решении экологических проблем ТЭК: Вторая Международная научно-практическая конференция - Москва, РГУ нефти и газа им И.М.Губкина, 7-8 февр. 2007. - Москва: РГУ, 2007. - с. 12-14.

7. Бракоренко H.H., Емельянова Т.Я. Экологические аспекты воздействия нефтепродуктов на геологическую среду //Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона: Труды международной научно-практической конференции - Омск, ОмГПУ, - Омск: ОмГПУ, 2006. - с. 29-32.

8. Бракоренко H.H. Зависимость распространения нефтепродуктов в грунтах от их состава (на примере г. Томска) //Проблемы геологии и освоения недр: Труды X международного симпозиума им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» - Томск, ТПУ, 3-7 апр. 2006. - Томск: Изд. ТПУ, 2006. - с. 130-132.

9. Краснощекова H.H. (Бракоренко H.H.). Влияние нефтепродуктов на физико-механические свойства грунтов //Труды VII Международного научного симпозиума им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» - г. Томск, 2003. - с. 174—176.

10. Краснощекова H.H. (Бракоренко H.H.). Воздействие нефтепродуктов на грунты //Труды научно-технической конференции «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» - г. Иркутск, 2004.-С.53-55.

11. Краснощекова H.H. (Бракоренко H.H.). Загрязнение природной среды нефтепродуктами //Труды VII Международной школы-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» - г. Абакан, 2003-с.22-23.

12. Краснощекова H.H. (Бракоренко H.H.). Характер воздействия нефтепродуктов на компоненты геологической среды на участке АЗС //Труды VI Международного научного симпозиума им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» -г.Томск, 2002,- с. 146-147.

13. Краснощекова Н.Н (Бракоренко Н.Н.).Типизация геологического разреза г.Томска, с целью выявления характера распределения нефтепродуктов в грунтах //Труды VIII Международного научного симпозиума им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» - г. Томск, 2004- с. 154-156.

Подписано к печати 23.05.2013. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,16.

_Заказ 561-13. Тираж 120 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗДАТЕЛЬСТВО*' ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Бракоренко, Наталья Николаевна, Томск

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

На правах рукописи

0420135^975

Бракоренко Наталья Николаевна

ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ГРУНТЫ И ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ТЕРРИТОРИЙ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ (НА ПРИМЕРЕ

Г.ТОМСКА)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (науки о земле)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель - профессор Шварцев С.Л.

Томск - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3

1.СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............9

1.1 Современное состояние проблемы загрязнения компонентов геологической среды нефтепродуктами............................................................9

1.2 Методика исследований..............................................................................21

2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ, ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГИДРОГЕОЛОГИЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ Г.ТОМСКА......................29

2.1 .Физико-химические параметры нефтепродуктов....................................30

2.2. Физико-географические условия..............................................................32

2.2.1 Климат........................................................................................................32

2.2.2 Рельеф........................................................................................................35

2.2.3. Гидрография.............................................................................................37

2.3 Геологическое строение..............................................................................38

2.3.1 Стратиграфия.........................................................................................38

2.4. Геоморфология...........................................................................................49

2.5 Тектоника......................................................................................................54

2.6 Гидрогеологические условия......................................................................54

2.7. Современные геологические процессы и явления..................................63

2.8. Состав и физико-механические свойства грунтов..................................64

3.СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ТЕРРИТОРИЙ АЗС И АЗК Г.ТОМСКА.............................................................67

3.1 Анализ содержания нефтепродуктов в грунтах на площадках АЗС......71

3.2 Характеристика загрязнения подземных вод нефтепродуктами..........101

4. ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА СОСТАВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ И КАЧЕСТВО ПОДЗЕМНЫХ ВОД.......................................................................................................................109

4.1 Влияние нефтепродуктов на состав и физико-механические свойства грунтов..............................................................................................................109

4.2 Влияние нефтепродуктов на химический состав подземных вод........117

5. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ К

УГЛЕВОДОРОДНОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЕРРИТОРИИ Г.ТОМСКА.......122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................133

Список литературы.............................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Масштабы загрязнения по оценкам разных авторов различны. Исследования, проведенные И. Мазуром [60], показывают, что потери нефти в результате аварийных проливов составляют около 3% от годовой добычи нефти или около 9 млн. т., В.Ж. Арене [6] оценивает потери нефти в размере 25 млн. т/год.

Несмотря на систематические исследования нефтезагрязнения окружающей среды многими учеными (В.М. Гольдберг [23, 24], В.А. Королев [45, 46] и др.) изучение особенностей изменения физико-механических свойств грунтов под воздействием нефтепродуктов практически не проводилось, мало исследованы и особенности загрязнения нефтепродуктами грунтовых вод. На территории г. Томска функционирует 119 автозаправочных станций (АЗС) и автозаправочных комплекса (АЗК). Поэтому комплексное изучение нефтезагрязненных грунтов и грунтовых вод (на примере г. Томска) является весьма актуальным.

выявление наиболее значимых критериев для оценки устойчивости геологической среды к углеводородному загрязнению, геоэкологическое районирование геологической среды по этим критериям; 6) разработка практических рекомендации для минимизации вредного воздействия при эксплуатации АЗК, АЗС и оптимизации их размещения.

Фактический материал и методы исследований. Диссертационная работа основана на результатах теоретических, экспериментальных и полевых исследований, выполненных автором на территории 24 АЗС, АЗК и складов ГСМ г. Томска (рис. 1.1). Определение и анализ загрязнения грунтов нефтепродуктами в работе приводится по 9 площадкам АЗС и АЗК (полученных в составе работ по инженерно-экологическим изысканиям под их реконструкцию), включающие опробование грунтов на содержание НП с интервалом в 1 метр по 38 скважинам глубиной до 20 метров (всего 147 проб). Подземные воды опробованы в пределах территорий 21-ой АЗС и АЗК. Кроме того, проведены экспериментальные исследования по изучению воздействия нефтепродуктов на свойства грунтов и качество подземных вод (более 140 анализов). Для экспериментов использовался грунт в естественном состоянии, а также пропитанный бензином в количестве более 500 мг/кг. Также были использованы материалы ежегодных исследований ОАО «Томскгеомониторинг», производственные материалы ОАО «ТомскТИСИЗ», ОАО «Томгипротранс» и данные, опубликованные в открытых источниках.

Лабораторные исследования по определению содержания нефтепродуктов в грунтах и подземных водах проводились в лабораториях ОАО «Томскгеомониторинг» и в Томской лаборатории аналитического контроля ОГУ «Облкомприрода», по определению показателей состава и свойств грунтов проводились в лабораториях «Грунтоведение и механика грунтов» Томского политехнического университета, ОАО «ТомскТИСИЗ», ОАО «Томгипротранс», в соответствии с методиками, изложенными в ГОСТ 5180-84, 12248-2010, 12536-79, 24143-80, 9.015-74. Химический состав подземных вод определялся в аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода» Томского политехнического университета.

Рис. 1.1 Схема размещения исследуемых площадок АЗС, АЗК и складов ГСМ на территории г.Томска

Обработка лабораторных данных проводилась с использованием программ «Statistica» и «Microsoft Excel». Графические материалы создавались с помощью программ «CorelDRAWX3», «Surfer 8», «AutoCAD» и др.

Научная новизна работы. Впервые для территории г.Томска выявлено три типа распределения НП в грунтах. Установлено, что главными факторами, обусловливающими

неравномерность загрязнения, являются объемы оборота НП, геологическое строение территории, глубина залегания грунтовых вод, состав, состояние и свойства грунтов и рельеф местности. Проведена оценка степени загрязнения подземных вод на территории АЗС и АЗК: установлено превышение ПДК нефтепродуктов в водах характерное для 95 % исследованных АЗС и АЗК. Наряду с увеличением содержания нефтепродуктов, наблюдается изменение макро- и микрокомпонентного состава подземных вод. Впервые количественно оценено и изучено воздействие НП на физико-механические свойства грунтов: установлено наибольшее негативное воздействие на их прочностные и деформационные свойства. Разработаны экологические критерии для оценки устойчивости геологической среды к загрязнению НП. Составлена карта устойчивости геологической среды г. Томска для оптимального размещения вновь строящихся АЗС и АЗК.

решении экологических проблем ТЭК» (Москва, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (Омск, 2006г.), Научно-технической конференции «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, 2004г.), Международной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2003г.), Международной научно-практической конференции «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии» (Санкт-Петербург, 2012 г.). Две работы опубликованы за рубежом и 2 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

В главе 1 рассмотрено состояние изученности, проблемы загрязнения геологической среды нефтепродуктами. Выполнен анализ проведенных исследований по изучению влияния НП на состав и физико-механические

свойства грунтов и качество подземных вод, действующих нормативно-методических документов по размещению, строительству и эксплуатации АЗС.

деформационные и прочностные свойства, набухание и электрическое сопротивление грунтов, до и после загрязнения их НП, приведена характеристика макро- и микрокомпонентного состава подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта, загрязненных НП.

выводах, оценке степени загрязнения территорий АЗС, АЗК и построении карты устойчивости геологической среды к загрязнению НП.

Защищаемые положения: ПОЛОЖЕНИЕ 1. АЗС и АЗК на территории г.Томска являются источниками загрязнения грунтов и подземных вод. Содержание нефтепродуктов в грунтах этих территорий достигает 7250 мг/кг, при фоне -151 мг/кг. Характер их распределения в грунтах по глубине -неравномерный, определяется объемами оборота НП, геологическим строением территории, глубиной залегания грунтовых вод, составом, состоянием и свойствами грунтов, рельефом местности. Уровень загрязнения подземных вод нефтепродуктами в пределах АЗС составляет 0,5-50 мг/дм ,

■у

максимальные значения превышают 5000 мг/дм . Масштаб загрязнения подземных вод определяется степенью их защищенности от загрязнения НП с поверхности.

ПОЛОЖЕНИЕ 3. Экологическая устойчивость геологической среды к углеводородному загрязнению в условиях г. Томска определяется: составом и проницаемостью грунтов, их сорбционной емкостью, изменением состояния и свойств грунтов при взаимодействии с нефтепродуктами; рельефом местности и глубиной залегания уровня грунтовых вод. На основе анализа данных факторов в пределах территории г. Томска выделено 3 типа геологической среды с высокой, средней и низкой степенью устойчивости. Наиболее низкая степень устойчивости характерна для пойм и надпойменных террас, наиболее высокая степень устойчивости - для выровненных водораздельных поверхностей.

1.СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современное состояние проблемы загрязнения компонентов геологической среды нефтепродуктами

Интенсивное строительство АЗС, АЗК, нефтезаводов, нефтебаз на территории городов привело к появлению одной из серьезных экологических проблем - загрязнению геологической среды нефтепродуктами (НП).

Причинами внесения НП в геологическую среду являются аварийные утечки и проливы как в результате длительного обычного заправочного процесса, так и в результате технических неисправностей и негерметичности резервуаров хранения НП, чему отчасти способствуют процессы коррозии металлических конструкций. По данным [44] средний срок работы основного оборудования объектов нефтепродуктообеспечения (НПО) без его замены до возникновения крупных утечек (в частности, подземных резервуаров) составляет 18 лет.

По данным В.В. Тетельмана и В.А. Язева [18] удельные потери предприятий нефтепереработки составляют в среднем 4,5 кг на тонну переработанной нефти.

Согласно [117] нормы естественной убыли НП при хранении более 1 месяца достигают 0,3 кг на 1 тонну хранимого НП (варьирует в зависимости от времени года, типа резервуаров, группы нефтепродуктов и т.д.).

Наибольшие загрязнения НП грунтов и грунтовых вод в пределах

урбанизированных территорий наблюдаются на нефтебазах, складах ГСМ, у

АЗС, вблизи дорог и др.мест. Например: по данным В.Е. Закруткина, Ю.И.

Холодкова, А.Д. Подольского [38] в грунтах территории Семикаракорской

нефтебазы содержатся нефтепродукты в количестве более 1 г/кг. Линзы

нефтепродуктов мощностью до 1-3 м на поверхности грунтовых вод и

площадью до 0,35 кв. км выявлены на отдельных территориях предприятий в

Иркутской области, в Красноярском крае, и др. [61]. В Республике Хакасия в

подземных водах четвертичных отложений концентрация НП достигает 174 мг/л [86].

За многие годы работы предприятия ООО «РН-Туапсенефтепродукт» в результате неконтролируемых утечек сф�

Информация о работе