Проблема загрязнения воды

 

Нефтепродукты, особенно сырая нефть, содержат некоторые количества полярных веществ, которые могут действовать как эмульгаторы. Роль эмульгаторов могут играть и некоторые органические 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, после того как нефтепродукт попадает на поверхность земли, под действием гравитационных сил, начинается его просачивание через зону аэрации, взаимодействуют с ней и испытывают влияние физико-химических процессов (растворении, испарения, сорбции и биодеградации), которые зависят от физико-химических свойств нефтепродуктов и грунтов зон аэрации.

На границе между водонасыщенной и ненасыщенной средами происходит распространение нефтепродукта в горизонтальном направлении (активная миграция). Кроме того, на поверхности грунтовых вод может происходить пассивная миграция, т.е. снос нефтепродуктов потоком подземных вод. Определенную роль в распределении просачивающихся нефтепродуктов играют колебания уровня грунтовых вод. При понижении уровня нефтепродукты следуют за водой до большей глубины. При повышении уровня, которое часто происходит быстрее, чем понижение, часть нефтяных веществ остается ниже уровня подземных вод.

По вертикали в зоне аэрации и горизонте грунтовых вод можно выделить пять зон, в которых нефтепродукты, проникшие с поверхности земли, содержатся в различных формах:

- зона I – находится над максимальным уровнем жидких нефтяных веществ, содержит только газообразные углеводороды;

- зона II – находится между максимальным уровнем нефтяных веществ и их уровнем в данный момент, содержит нефтепродукты, покрывающие поверхность зерен горной породы;

-зона III – находится  между уровнем нефтепродуктов в данный момент и их границей с водой, насыщена нефтепродуктами;

- зона IV – находится между  границей раздела воды и нефтепродуктов в данный момент и минимальным уровнем этой границы, образуется смесь капель нефтяных веществ с водой.

- зона V – находится под минимальным уровнем раздела «вода – нефтепродукты», в которой вода содержит растворенные или   эмульгированные нефтяные вещества.

Движение нефтяных веществ в каждой зоне носит различный характер, поэтому чисто теоретическое определение движения нефтепродуктов весьма затруднительно в однородной, и в неоднородной среде. В этой связи важное значение приобретает изучение конкретных случаев нефтяного загрязнения.

 

2.1 Газообразные углеводороды

 

Нефтяные продукты в газообразной фазе могут содержаться над уровнем грунтовых вод в зоне аэрации в том случае, если они поступили с поверхности земли и если в горизонте грунтовых вод имеется область нефтяного загрязнения. 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.

Изменение 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.

 

2.2 Движение жидких углеводородов

 

Нефтяные вещества в жидкой фазе проникают в горизонт грунтовых вод по порам и трещинам пород зоны аэрации, где преобладает движение в вертикальном направлении. Когда жидкие нефтепродукты встречают на своем пути менее проницаемый слой или достигают уровня грунтовых вод, происходит их накопление и растекание в горизонтальном направлении.

При рассмотрении движения жидких углеводородов в водонасыщенной пористой среде необходимо иметь в виду следующие обстоятельства:

1. Нефтяные вещества, просочившиеся с поверхности земли, продвигаются лишь в относительно тонком слое верхней части водоносного горизонта на отметках уровня грунтовых вод.

2. На движение нефтяных веществ большое влияние оказывает неоднородность проницаемого слоя. Часто бывает достаточно относительно тонкого слабопроницаемого пропластка для того, чтобы воспрепятствовать дальнейшему распространению или изменить направление распространения нефтепродуктов.

3. Важным фактором для  определения скорости распространения  нефтепродуктов является гидравлический градиент. Ввиду того, что у нефтяных веществ обычно не бывает постоянного потока, а происходит лишь растекание определенного количества нефтепродуктов, гидравлический градиент является переменным во времени. В основном слой нефтяных веществ на поверхности грунтовых вод перемещается прежде всего под действием потока грунтовых вод.

4. При движении нефтяных  веществ в водонасыщенной среде часть нефтепродуктов остается связанной с породой вследствие влияния сорбции и поверхностных сил, что существенно замедляет течение нефтяных веществ.

5. Нефть с водой образует  двухфазную систему. Проницаемость  породы для такой двухфазной  системы зависит от насыщенности  ее той или другой фазой. Вместе могут протекать обе жидкости в пределах насыщения примерно 15—20 и 80— 85%. Если насыщенность породы, например, нефтью превысит 80—85 %, а следовательно, насыщенность воды будет меньше 15— 20%, то порода практически будет проницаема для нефти и непроницаема для воды, и наоборот. С движением двухфазной системы в пористой среде связано понятие фазовых проницаемостей.

Таким образом, движение нефтепродуктов в подземных водах представляет очень сложный процесс, изучение которого должно базироваться на лабораторных и натурных экспериментах.

Лабораторные эксперименты. Лабораторные испытания течения нефтяных веществ на физических моделях позволяют изучать влияние одних факторов при исключении других.

Важным видом лабораторных исследований является определение поглощающей способности пород по отношению к нефтяным веществам, так как это свойство имеет принципиальное значение для диагноза распространения нефтяных веществ. Нефтяные вещества, проникающие в горные породы, в основном разделяются на три части. Одна часть поглощается на поверхности отдельных зерен, другая — задерживается в горной породе воздействием капиллярных сил и, наконец, третья — может продвигаться под действием сил тяжести. Способность задерживать нефтяные вещества зависит от внутренней поверхности породы. Процент задержанных в породе нефтяных веществ увеличивается по мере повышения их вязкости и уменьшается по мере роста содержания воды. Порода, насыщенная водой, практически уже не может поглощать никакие нефтяные вещества. Эти данные имеют важное значение для практики. Задержанные в зоне аэрации нефтяные вещества благодаря доступу кислорода могут относительно легко разлагаться биологическими процессами. Поэтому слой проницаемых водоненасыщенных горных пород над уровнем подземных вод является своеобразным защитным экраном.

Ценные данные о закономерностях движения нефтяных продуктов в породах были получены с помощью песочных моделей. Эти модели, хотя и не соответствуют действительным условиям, все же позволяют изучить основные закономерности движения нефтяных веществ в однородной и неоднородной средах. Различают одно-, двух- и трехмерные модели. Одномерные модели позволяют изучать явления, связанные с капиллярностью и вертикальным колебанием уровня. На двухмерных моделях можно исследовать течение воды и нефтяных веществ, процессы на границе раздела воды и нефти и явление неоднородности среды. Наконец, трехмерные модели были использованы для изучения точечных утечек из трубопроводов и распространения этих утечек в пространстве.

Натурные эксперименты. Следующим путем к познанию закономерностей движения нефтяных веществ являются полевые опыты. В пригодном для этих целей месте было создано загрязнение и изучались его распространение и возможности ликвидации. Преимущество натурных опытов в сравнении с лабораторными заключается в том, что они происходят в естественных условиях, аналогичных действительным случаям загрязнения. Недостаток их состоит в том, что при них нельзя создать однозначные условия хода опыта и надо считаться с неожиданными природными явлениями. Наиболее целесообразно проводить как лабораторные, так и полевые опыты и затем сопоставлять полученные результаты.

Модельные и полевые опыты показали, что нефтяные вещества в виде однофазной жидкости в случае одноразового загрязнения распространяются по поверхности грунтовых вод на сравнительно небольшие расстояния. Обычно образуется ядро загрязнения диаметром до нескольких десятков метров, которое в относительно короткое время стабилизирует свою форму и в последующем мало изменяется. Если загрязнение повторяется, то порода постепенно теряет способность задерживать нефтяные вещества и они могут распространяться на большие расстояния.

 

2.3 Движение растворенных  и эмульгированных нефтяных веществ в подземной воде

 

С точки зрения загрязнения подземных вод распространение растворенных и взвешенных (эмульгированных) нефтяных веществ для подземных вод более опасно, чем распространение нефтяных веществ по поверхности в виде однофазной жидкости, так как оно охватывает более обширную территорию. На распространение растворенных и взвешенных веществ нефти в подземной воде оказывают влияния много прямых и косвенных факторов. Прежде всего это форма нефтяных веществ в воде. Распространение растворенных веществ подчиняется иным законам, чем распространение взвешенных веществ. К сожалению, в настоящее время практически не имеется метода, по которому можно было бы различать, в какой форме находятся нефтяные вещества в воде. Эта форма, разумеется, оказывает влияние также на качество отбираемых проб и результаты анализов. Растворы, в основном, являются гомогенными, тогда как эмульсии могут быть негомогенными, и две пробы, взятые при одинаковых условиях, могут дать разные результаты. Ввиду трудностей, связанных с обеспечением большого числа анализов, степень загрязнения растворенными и взвешенными веществами чаще всего определяется по органолептическим признакам воды.

 

 

Рисунок 2 – Размеры области загрязнения подземных вод нефтепродуктами, установленные оргаиолептическим способом через: 4 сут (а), 9 сут (б), 1 мес (в), 4 мес (г), 1 год (д), 2,5 года (е) — после загрязнения. 1 - канава с мазутом; 2 - область с мазутом на поверхности грунтовых вод; 3-5 - область с мазутом в подземных водах (разбавление: 3 - до 1:10; 4 - от 1 : 10 до 1 : 100, 5 - свыше 1 : 100)

 

На распространение нефтяных веществ в воде оказывает влияние, прежде всего, движение подземной воды, которая уносит растворенные и взвешенные нефтяные вещества. Если проследим за распространением загрязнения от места его возникновения (рисунок 2), то обнаружим, что наибольшее распространение его происходит в направлении течения подземной воды. Скорость диффузии загрязняющих веществ в направлении движения подземной воды слагается со скоростью течения подземной воды, тогда как в направлении против течения подземной воды она вычитается из скорости течения последней. Это доказывает и измерение при полевых опытах, при которых было установлено, что загрязнение по потоку распространяется быстрее, чем скорость течения подземной воды.

По мере увеличения расстояния от источника загрязнения происходит разбавление загрязнения и уменьшение его концентрации в подземных водах. Последнему способствует также поглощение нефтяных веществ частицами породы и биологическое разложение нефтяных веществ. Оба процесса протекают в природе и, таким образом, препятствуют неограниченному распространению загрязнения.

 

3 Мониторинг состояния недр на объектах нефтепродуктового загрязнения

 

Нефтепродуктовое загрязнение геологической среды является одним из самых распространенных и опасных видов загрязнения. Последнее усугубляется тем обстоятельством, что загрязнение нефтепродуктами в течение многих лет остается малозаметным, и проявляется зачастую лишь тогда, когда оно уже достигло катастрофического уровня.

Основной причиной такой ситуации является откровенная слабость правовой базы, регламентирующей вопросы охраны окружающей среды и отсутствие развитой системы мониторинга различных загрязнений углеводородного происхождения. Этим определяется необходимость организации и ведения мониторинга состояния недр (геологической среды) на всех объектах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой, хранением и распределением нефти и нефтепродуктов.

Основной целью мониторинга на объектах, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и  хранением углеводородного сырья является получение информации о масштабах и интенсивности загрязнения геологической среды нефтепродуктами и тенденциях его изменения во времени и пространстве, позволяющих оценить его экологическую опасность, дать прогноз его изменения и принять своевременные меры для нейтрализации опасных процессов.

На объектах загрязнения геологической среды нефтепродуктами должны быть решены следующие задачи:

     - установлены  качественные и количественные  показатели состояния и свойств  геологической среды (подземных  вод и горных пород), определены  масштабы и интенсивность их  загрязнения нефтепродуктами;