4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
В современных условиях, когда человек все активнее вмешивается в природные процессы, глобальной и одной из актуальных задач является организация рационального природопользования и охрана окружающей среды.
Подземные воды - один из компонентов природной среды - являются всенародным достоянием и ценнейшим полезным ископаемым. Особенно велика роль пресных вод, значение которых, как источника питьевого водоснабжения населения, с каждым годом возрастает. В последнее время все сильнее ощущается дефицит воды.
Одной из основных причин возникновения водного дефицита и сокращения эксплуатационных ресурсов воды является загрязнение поверхностных и подземных вод. В процессе промышленного и сельскохозяйственного производства человек преобразовывает и изменяет химический состав исходных естественных веществ. Природная среда все время обогащается или, вернее, отравляется не только отходами производства, но и различными элементами, входящими в состав целесообразных продуктов деятельности людей. Природные экосистемы эволюционно не подготовлены к переработке и биохимическому разложению этих новых для них продуктов техногенного происхождения, к тому же поступающих в огромных количествах.
Загрязнение гидросферы нефтью, нефтепродуктами и отходами нефтяной промышленности относится к числу наиболее массовых и опасных. Нефть и ее производные попадают в водоемы и в грунтовые воды из-за недостаточной очистки сточных вод, в результате аварий на нефтедобывающих предприятиях, а также при хранении промышленных стоков и нефтяных рассолов в хранилищах, обычно устраиваемых в глинистых грунтах, считая их водонепроницаемыми.
5
Однако, как показала практика, за сравнительно короткое время через многометровые толщи глинистого грунта происходит загрязнение грунтовых вод нефтепродуктами через дно и откосы хранилищ. Природоохранная деятельность должна быть направлена на уменьшение их воздействия на качество подземных вод путем защиты от поступления в компоненты природной среды промышленных стоков.
Поэтому оценка защищенности подземных вод от загрязнения является весьма актуальной задачей. Для оценки и прогноза качественного состояния подземных вод необходимо выявление и изучение основных источников загрязнения.
Цель работы.
Дать оценку защищенности подземных вод от загрязнения в районах с высокоразвитой промышленностью, а именно для условий Южного Предуралья.
Задачи исследования.
Не претендуя на раскрытие в равной степени всех аспектов проблемы, диссертант сосредоточил основное внимание на следующих научных задачах:
- выявить и изучить основные источники загрязнения подземных вод Южного Предуралья;
- изучить критерии оценки защищенности подземных вод Южного Предуралья от промышленных стоков;
- исследовать влияние нефтяных рассолов на свойства глинистых пород, являющихся основным природным препятствием проникновению промышленных загрязнителей в водоносный слой.
Научная новизна заключается:
в систематизации источников загрязнения подземных вод применительно к Южному Предуралью;
- в выявлении оценки влияния загрязнителей, содержащих хлориды, нефтепродукты, соединения азота, фосфора, калия, серы, углеродов, тяжелых металлов и др., на качество подземных вод;
6
- в получении новых зависимостей физико-механических характеристик глинистых грунтов при замачивании их пресными водами и нефтяными рассолами.
Практическая значимость работы заключается в доказательстве того,
что глинистые породы зоны аэрации не всегда являются гарантированным
экраном загрязнению подземных вод. Физико-механические характеристики
замоченного нефтяным рассолом глинистого грунта могут быть использованы
при расчетах устойчивости основания и откосов хранилищ отходов
нефтедобычи. Результаты исследования проницаемости глинистых пород
могут быть использованы для выяснения процессов формирования подземных
вод, для решения практических задач, связанных с хранением жидких отходов.
Апробация работы. Результаты исследования и основные положения
диссертационной работы докладывались на научных конференциях в
Московском государственном университете природообустройства (Москва,
2000, 2001, 2004, 2005 г.г.), в Башкирском государственном аграрном
университете (Уфа, 2002-2005), на международной научно-технической
конференции в Московском государственном энергетическом университете
(Москва, 2002 г.), в Кемеровском государственном университете (Кемерово,
2004 г.) и опубликованы в трудах МГУП, БГАУ, МГЭУ, КГУ, а также в
журналах «Мелиорация и водное хозяйство», «Сельские узоры».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 120 страниц, в том числе 15 таблиц, 23 рисунков, список литературы из 132 наименований, 2 приложения.
Работа выполнена на кафедре «Основания и фундаменты» Московского государственного университета природообустройства.
7
ГЛАВА 1
ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ОЦЕНКЕ ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Проблеме предотвращения загрязнения в районах с крупной нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностью в последнее время уделяется большое внимание. В результате технологических процессов (разведка, бурение, эксплуатация нефтяных скважин, а также хранение, транспортировка и переработка нефти) нарушается почвенный слой земли. Происходит негативное воздействие на водоемы, почву, грунтовые и подземные воды промывочными жидкостями при переливах в процессе бурения, а также хлоридными рассолами и промышленными стоками при закачивании их в водные горизонты для поддержания пластового давления. Это и накопление всевозможных отходов бурения (шлама, буровых сточных вод, отработанного бурового раствора). В некоторых случаях загрязнения вызываются аварийными ситуациями, когда из-за изношенности оборудования и трубопроводов и несоблюдения технологий происходят разливы нефтепродуктов.
Под загрязнением подземных вод понимают изменения качества воды (физических, химических, биологических свойств) по сравнению с естественным состоянием и нормами качества воды по видам водопользования, вызванные хозяйственной деятельностью, которые делают эту воду частично или полностью непригодной для использования по целевому назначению [35, 42].
При характеристике понятия «загрязнение подземных вод» следует исходить из конкретных и количественно определенных показателей. Ими являются показатели качества воды в естественных условиях (фоновые показатели) и нормы качества воды, обуславливающие возможность использования подземных вод для тех или иных целей. Нормами качества воды
8
называются установленные значения показателей качества по видам водопользования.
Основным документом, регламентирующим качество подземных вод хозяйственно-питьевого водоснабжения и определяющим их пригодность к использованию, являются Санитарно - эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».
При оценке качества подземных вод, подвергшихся загрязнению, используют перечень предельно допустимых концентраций вредных веществ в водных объектах хозяйственно-питьевого использования. Число вредных веществ, нормируемых в этом перечне, непрерывно увеличивается вследствие усложнения химического состава стоков загрязняющих веществ. В список нормируемых веществ входит уже более 1500 наименований [38, 71, 74].
Международные нормы качества питьевой воды разрабатываются Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). ВОЗ приняты рекомендуемые величины содержания компонентов, которые обеспечивают качество воды, эстетически приемлемое и не представляющее значительной опасности для здоровья потребителя. Данные величины служат основой при разработке национальных стандартов, которые при правильном применении должны обеспечивать безопасность питьевого водоснабжения. Во всех странах разрабатываются стандарты качества воды, наиболее близкие к рекомендуемым величинам. Принятые в России нормы качества питьевой воды очень близки к международным.
По данным российского отделения «Гринпис» загрязнения почвы и грунтовых вод нефтью в местах, связанных с ее добычей, переработкой, транспортировкой и распределением, превышает фоновое в десятки раз и достигает 25 млн. тонн ежегодно. Предельно — допустимые концентрации для различных нефтей и нефтепродуктов для вод хозяйственно - питьевого назначения находится в интервале 0,01 - 0,3 мг/л.
9
Южное Предуралье в промышленно-экономическом отношении - это один из развитых регионов Урало-Поволжья, в пределах которого благодаря богатым природным ресурсам возник ряд крупных нефтегазодобывающих, нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических комплексов. В результате добычи и транспортировки нефти и газа, а также всех технологических процессов, связанных с нефтедобывающей промышленностью, происходит негативное воздействие, прежде всего, на компоненты природной среды [92, 93, 98, 99]. На карте (рис.1.1) изображены нефтяные месторождения в Башкортостане.
Пресные маломинерализованные подземные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, включающую целый комплекс неорганических и органических соединений, газов и микроорганизмов (живого вещества).
В зависимости от концентрации неорганических веществ в подземных водах выделяют макрокомпоненты (десятки и сотни мг/л) и микрокомпоненты (менее 1 мг/л). Макрокомпоненты определяют химический тип воды и, как следствие, ее основные потребительские свойства. В первую очередь, к ним следует отнести Са2+ , Mg2+ , Na+, К+, СГ , SO42' и НСО3'. К микрокомпонентам можно отнести все другие элементы. В настоящее время в воде их обнаружено более 80.
Содержание органических веществ в подземных водах изменяется в зависимости от глубины их залегания. Количественно определяют как индивидуальные органические соединения (различные кислоты - уксусная, муравьиная и пр.), так и группы соединений (битумы, смолы, гумусовые вещества и др.) [74].
Из микроорганизмов наибольшее значение в пресных подземных водах имеют бактерии, также встречаются микроскопические водоросли, простейшие и вирусы. Различают аэробные и анаэробные бактерии. Первым для развития требуется кислород, вторые существуют при его отсутствии, восстанавливая
10
НЕФТЕКА
ТУЙМАЗЫ
°УЧАЛЫ
не
фтяные месторождения
1- Воядинское, 2 - Татышлинское, 3 - Метелинское, 4 - Югомашевское, 5 - Четырманское, 6 - Игровское, 7 - Орьебашское, 8 - Арланское, 9 - Кузбаевское, 10 - Бураевское, 11 -Саузбашевское, 12 - Менеузовское, 13 - Кушкульское, 14 - Манчаровское, 15 -Баймурзинское, 16 - Сергеевское, 17 — Туймазинское, 18 — Серафимовское, 19 — Давлекановское, 20 - Уршакское, 21 - Раевское, 22 - Знаменское, 23 - Шкаповское, 24 -Сатаевское, 25 - Демское, 26 - Ишимбайское, 27 - Введеновское, 28 - Старо-Казанковское, 29 - Саратовское, 30 - Исимовское, 31 - Беркутовское
Рис. 1.1 Нефтяные месторождения в республике Башкортостан
11
сульфаты, нитраты и другие кислородсодержащие вещества. Общее число бактерий может достигать миллиона на 1 мл воды, микроскопических водорослей - тысяч на один литр, простейших - сотен и тысяч на один литр. Число бактерий в воде зависит, главным образом, от наличия в ней питательных веществ. Содержащиеся в подземных водах бактерии выполняют большую геохимическую работу, видоизменяя химический и газовый состав вод. Важно подчеркнуть, что многие развивающиеся в подземных водах бактерии безвредны для здоровья человека и даже участвуют в бактериальной очистке вод от загрязнения [37, 60, 61, 74, 100, 121].
Недра Республики Башкортостан богаты различными типами минеральных вод. Они являются мощным лечебным фактором, оказывающим сильное воздействие на организм человека. Поэтому в условиях все возрастающего техногенного воздействия охрана гидроминеральных ресурсов является одной из первостепенной.
В последнее время для повышения нефтеотдачи пластов широко используется нагнетание в них попутных рассолов, промышленных стоков и пресной воды. Различия в физико-химических свойствах этих вод приводят к различиям в степени их влияния на процессы нефтевытеснения. Минерализованные воды обладают более высокой нефтевытесняющей способностью по сравнению с пресными водами. Так при вытеснении нефти пресной водой коэффициент вытеснения на 5-8% ниже по сравнению с минерализованными или сточными водами. В ГОСТ 17403-72 по степени минерализации воды можно разделить на пресные с плотным остатком до 1 г/л, солоноватые 1-25 г/л, соленые - 25-50 г/л и рассолы - более 50 г/л; по солевому составу - на жесткие (хлоркальциевые) и щелочные (гидрокарбонатно-натриевые).
Значительная часть пластовых и сточных вод при нефтедобыче закачивается в пласты с целью поддержания пластового давления. Остальная часть закачивается в специальные поглощающие скважины, пласты которых не имеют связи с подземными водами, или сбрасываются на поля испарения
12
(пруды-накопители, земляные амбары и т.д.). Особую опасность для почвенно-грунтовых вод представляют нефтепромысловые амбары и пруды-отстойники. Они имеют объем от 20-50 до 50000-100000 м3, и площадь засоления от них может составлять десятки квадратных метров.
Эти мероприятия позволили дополнительно извлечь из земных недр несколько десятков миллионов тонн. Но вместе с тем они ведут, с одной стороны - к истощению ресурсов пресных подземных и поверхностных вод, с другой, - к их загрязнению и, в целом, к изменению гидрогеологических условий в районах их применения.
Таким образом, нефтяная промышленность ведет к образованию значительного объема сточных вод. Вообще под сточными водами понимают воды, использованные для тех или иных производственных или коммунально-бытовых нужд и содержащие вещества, которые изменяют первоначальный химический состав и физические свойства вод [36, 37, 74, 116]. При чем эти воды содержат химические продукты, представляющие собой органические и неорганические соединения. Сточные воды содержат вредные и даже токсичные (хлориды, нитраты, нефтепродукты, соли тяжелых металлов и др.) вещества (рис.1.2, рис.1.3) [107]. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) и другие химические реагенты, применяемые в процессе эксплуатации нефтяных скважин, являются одними из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды. Это относится, прежде всего, к водным ресурсам, где среди химических загрязнителей ПАВ занимают одно из ведущих мест.
В результате попадания сточных вод на рельеф при переливах и выбросах из скважин может произойти заражение токсичными веществами почвенного слоя. Дальнейшее поступление их в грунтовые воды приводит уже к отравлению всего пласта подземных вод. При этом ухудшаются их естественные свойства, изменяются физико-химические показатели. Процесс восстановления естественных условий может длиться в течение десятков и даже сотен лет. Воды становятся непригодными для использования в целях водоснабжения.
13
791,3
609,1 593,6 587,6
1990 1995 2000 2001 2002 2003
? Всего сброшено вод
й Загрязненных сточных вод
Рис. 1.2 Сброс сточных вод в поверхностные водные объекты в Республике
Башкортостан
750,00 700,00 650,00 600,00 550,00 500,00 450,00 i 400,00 Я 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00-100,00-50,00 0,00
754,30
541,(
83,00____87.70
ш
75,90
I
81
512,00
633,00
12,92 12,62 14,42 13.00 12,24
[Q1995
а 2ооо
02001 В 2002 ? 2003
азот аммонийный
сульфаты хлориды
Название вещества
нитраты
Рис. 1.3 Динамика сброса в поверхностные воды Башкортостана загрязняющих
веществ в составе сточных вод
14
По приведенным графикам очевидно, что достигнут существенный эффект в снижении нагрузки на водные ресурсы, объясняющийся как осуществлением водоохранных мероприятий, так и уменьшением объема производства.
В значительных размерах загрязнение и истощение ресурсов природных вод в регионе происходит и при других видах хозяйственной деятельности.
Загрязнение промышленными сильноминерализованными водами может произойти при разрывах водоводов, при попадании сточных вод в пресноводные горизонты при нарушении герметичности скважин и технологического оборудования, при попадании стоков в наземные воды в период дождей и таяния снегов, при сбросе неочищенных сточных вод в водоемы и водостоки на поля испарения. Почвы и пресные воды, загрязненные минерализованными водами, засоляются, происходит изменение их свойств.
Основными загрязнителями подземных вод являются промышленные, животноводческие и коммунально-бытовые стоки. К загрязнению подземных вод могут приводить различные строительные работы, используемые в сельском хозяйстве удобрения, в промышленности - ядохимикаты. Азотные сельскохозяйственные удобрения, отходы животноводческих комплексов, ферм, птицеферм, коммунально-бытовые стоки, стоки промышленных предприятий служат источниками соединений азота в подземных водах. Аммиачные и нитратные удобрения содержат 15-50% азота. При этом из вносимых на поля удобрений 30-60% азота не усваивается растениями, а уходит в подземные воды через зону аэрации [59, 74, 112]. Подземные воды во многих регионах мира превышают ПДК азота. В результате среди населения возникают различные заболевания, связанные с избыточным потреблением азотных соединений.
Очевидно, что дальнейшее развитие производств существенным образом определяется количественным и особенно качественным состоянием водных объектов. Первостепенное значение при этом играют ресурсы пресных подземных вод, сосредоточенных в верхней части осадочной толщи бассейна и
15
являющиеся основным источником питьевого водоснабжения. Кроме того, большую ценность представляют и залегающие в более глубоких слоях бассейна минеральные (лечебные и промышленные) воды, которые также подвержены качественному изменению под влиянием процессов техногенеза [4, 9].
Необходимо отметить, что основным способом хранения отходов производств в настоящее время является складирование их на свалках, полигонах, накопителях, хвостохранилищах и т.д. [109, ПО, 113]. В целях предотвращения стока загрязненных вод на прилегающую территорию площадь полигона, накопителя и т.д. обваловывается, а по внешнему контуру хранилища обычно устраивается кольцевой канал для перехвата с окружающей территории подземных и поверхностных вод.
Фильтрация промышленных вод из накопителей происходит через дно и частично откосы дамб хранилищ. Поэтому для защиты подземных грунтовых вод хранилища устраивают в местах, где на пути миграции загрязненные воды встречают природные препятствия, не пропускающие или затрудняющие проникновение их в водоносный горизонт как с поверхности земли (дна хранилища), так и из областей питания.
По определению Н.В. Роговской [103], понятие защищенности подземных вод включает то, что в природе на пути миграции вод встречаются различные «препятствия», не пропускающие или затрудняющие проникновение загрязняющих веществ в водоносный горизонт как с поверхности земли, так и из областей питания. В числе природных особенностей, выполняющих роль естественных механических или физико-химических барьеров, она выделяет ряд факторов:
- зона аэрации (ее мощность, геолого-литологическое строение, водно-физические, сорбционные и прочие свойства пород);
- региональный водоупор, залегающий первым от поверхности, на котором формируются грунтовые воды (характер его распространения, мощность, литологический состав пород);
16
- гидродинамическая изолированность основного водоносного горизонта (условия питания, дренирования грунтовых и напорных вод);
- растительный покров;
- химический состав подземных вод защищаемого горизонта;
- водно-физические (фильтрационные) свойства пород водоносных горизонтов;
- локальные условия интенсивной фильтрации (физико-геологические процессы: карст, трещиноватость пород и др.)
В.М. Гольдберг все эти факторы объединяет в три группы: природные, техногенные и физико-химические [42,44].
К основным природным факторам относятся: наличие в разрезе слабопроницаемых отложений и их фильтрационные свойства, поглощающие сорбционные свойства пород, соотношение уровней водоносных горизонтов и пр.
К техногенным относятся условия нахождения загрязняющих веществ на поверхности земли (пруды-накопители, шламохранилища, поля фильтрации, орошаемые сточными водами и пр.) и определяемый этими условиями характер проникновения загрязняющих веществ в подземные воды.
Физико-химические факторы определяются специфическими свойствами загрязняющих веществ, их миграционными способностями, сорбируемостью, химической стойкостью (время распада загрязняющего вещества), взаимодействием загрязняющих веществ с породами и подземными водами.
Поступление загрязняющих веществ (нефтепромысловые, химические, промышленные, сельскохозяйственные и другие стоки) в горизонты пресных вод через зону аэрации может происходить или сплошным фильтрационным потоком из прудов-накопителей, емкостей, хранилищ стоков и пр. с постоянным уровнем длительное время, или оно носит кратковременный характер, не образуя слоя воды на поверхности (порывы водоводов, залповые выбросы промстоков, поля фильтрации, сброс рассолов при ремонте скважин и др.). В результате этого происходит свободная фильтрация сточных вод через
17
зону аэрации до уровня пресных вод. Движение их через глинистые осадки сопровождается молекулярной диффузией, фильтрационной дисперсией, поглощением отдельных компонентов (физическая и химическая сорбция), растворением твердой породы, теплообменом и пр. В связи с фильтрационной неоднородностью пород многие реакции между загрязненными и чистыми (пресными) подземными водами и породами протекают обычно с изменением объема растворов, значений водородного показателя рН и окислительно-восстановительного потенциала Eh [8, 10, 30, 58, 95, 101].
Все эти стоки представлены преимущественно хлоридными рассолами, а хлориды относятся к категории стойких загрязнителей. Они не поглощаются биологическим путем и не подвержены сорбции. Поэтому глинистые породы зоны аэрации не являются гарантированным экраном загрязнению. В зависимости от их коэффициента фильтрации и мощности загрязнители могут поступать в пресные воды или сразу же после проникновения в зону аэрации, или через какой-то промежуток времени.
Обобщая, можно сказать, что любой реагент, имеющий в своем составе даже невысокую концентрацию негативно воздействующих на биосреду химических элементов и соединений, вносит свой определенный вклад в общий процесс загрязнения окружающей среды и, как следствие, в нарушение экологического природного баланса.
Вопросами, посвященными проблеме предотвращения загрязнения подземных вод, истощения ресурсов природных вод, занимались многие ученые такие как Р.Ф. Абдрахманов, В.М. Гольдберг, Д.А. Манукьян, В.А. Всеволжский, СР. Крайнов, В.М. Швец и др. Анализ литературы показал, что проблема защиты открытых и подземных водоисточников от воздействия техногенных отходов различных отраслей промышленности является весьма актуальной.
Вопрос о проницаемости и гидрогеологической роли глинистых осадков изучен недостаточно. В целом процесс фильтрации в них характеризуется большой сложностью. Долгое время они считались абсолютно |
