Інститут геологічних наук НАН України
Національна академія наук України
Інститут геологічних наук
Шпак Олена Миколаївна
УДК 504.4.054:(556.388+628.11):665.7](477.72)
умови забруднення підземних вод нафтопродуктами
в зоні водозаборів
(на прикладі Херсонського вузла водозаборів)
спеціальність 04.00.06 – гідрогеологія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата геологічних наук
Київ – 2005
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті геологічних наук НАН України
Науковий керівник: доктор геол-мін. наук, професор
Огняник Микола Степанович
зав. відділом охорони підземних вод
Інституту геологічних наук НАН України
Офіційні опоненти: доктор геол-мін. наук, чл.-кор. НАН України
Лялько Вадим Іванович
директор Центру аерокосмічних досліджень Землі
(Інститут геологічних наук НАН України)
кандидат геол-мін. наук
Лютий Георгій Григорович
завідувач сектором запасів та ресурсів підземних вод
(Український державний геологорозвідувальний інститут)
Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Захист відбудеться 07.06. 2005 р. о 10-30 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.162.05
в Інституті геологічних наук НАН України
за адресою: 01054, м. Київ, вул. О. Гончара, 55-б.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України
Автореферат розісланий 05.05.2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат геол-мін. наук _____________________ В.М. Бублясь
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Забруднення геологічного середовища нафтопродуктами є глобальною екологічною проблемою, і особливу небезпеку становить для підземних вод зони активного водообміну, які складають біля 30% у забезпеченні питного водопостачання. Нафтопродукти – широко розповсюджені забруднювачі, для яких гранично допустимі концентрації (ГДК) на 1-2 порядки нижче їх розчинності. У зв’язку з цим потрапляння нафтопродуктів у водоносні горизонти робить непридатними для споживання великі об’єми питної води. Забруднення підземних вод нафтопродуктами відмічається у ряді міст України, зокрема, Херсоні, Луганську, Кременчуці, Луцьку, Узині та ін. Поблизу 128 великих водозаборів (сумарні експлуатаційні запаси – 3.8 млн. м3/добу) розташовані об’єкти нафтопродуктозабезпечення, які є діючими або потенційними джерелами забруднення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає напрямку наукової діяльності відділу охорони підземних вод ІГН НАНУ. Робота виконана в рамках бюджетної теми “Наукові основи вивчення міграції нафтопродуктів з метою прогнозування їх впливу на зміну стану підземних вод в межах типових водозаборів України” (1996-2001) та госпдоговірних тем: № 1/5-95 – “Розробка моделей міграції нафтопродуктів в підземних водах з метою охорони водозаборів від забруднення” (1997); № 95/95-042/21 – “Розробити програмно-методичний комплекс гідрогеологічного обгрунтування охорони підземних вод України від забруднення нафтопродуктами” (1997); №№ /13, 364/13 – “Здійснення контролю, оцінки і прогнозування ситуації з розвитку нафтохімічних забруднень підземних вод України” (1997-1998, 1999); № 108/13 – “Розробка методики оцінки забруднення зони аерації легкими вуглеводнями та визначення її захисних властивостей” (1997-1999). Автор дисертації приймала участь у виконанні робіт.
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є гідрогеологічний аналіз і прогнозування умов забруднення підземних вод нафтопродуктами в зоні водозаборів.
Для реалізації мети досліджень вирішувались наступні задачі:
1.
Розробка типізації умов забруднення водозаборів нафтопродуктами.
2.
Оцінка захищеності водозаборів від забруднення нафтопродуктами з використанням математичного моделювання.
3.
Аналіз геолого-гідрогеологічних умов території розміщення Херсонських водозаборів та забруднення геологічного середовища нафтопродуктами;
4.
Дослідження умов забруднення Херсонських водозаборів нафтопродуктами з використанням математичного моделювання.
Об’єктом досліджень в дисертаційній роботі є геологічне середовище в районах існуючого та потенційного забруднення нафтопродуктами.
Предмет досліджень – умови забруднення підземних вод нафтопродуктами в зоні впливу водозаборів.
Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач застосовані наступні методи досліджень: польові роботи (буріння свердловин, відбір зразків, натурне моделювання), лабораторні експерименти (фізичне моделювання), математичне моделювання геофільтрації та геоміграції.
Наукова новизна одержаних результатів:
1.
Вперше розроблена схема типізації умов забруднення водозаборів нафтопродуктами за показниками: фізико-хімічні властивості нафтопродуктів, умови надходження та форми міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі, геолого-гідрогеологічні умови розташування водозаборів, режим експлуатації та конструктивні особливості водозаборів.
2.
Автором вперше розроблена методика і отримані результати оцінки захищеності водозаборів від забруднення нафтопродуктами, яка базується на прогнозних розрахунках міграції нафтопродуктів до водозабірних свердловин з використанням математичного моделювання геофільтрації та геоміграції.
3.
Автором вперше встановлені особливості забруднення підземних вод нафтопродуктами в зоні впливу Херсонського вузла водозаборів.
Практичне значення одержаних результатів:
1.
Розроблена типізація та результати оцінки захищеності водозаборів від забруднення нафтопродуктами можуть бути використані для попереднього прогнозування розповсюдження забруднення підземних вод нафтопродуктами в зоні геофільтраційної дії водозаборів, розробки підходів до організації моніторингу в районах існуючого або потенційного забруднення, планування досліджень та проведення охоронних заходів.
2.
Створення регіональної фільтраційної моделі території долини Нижнього Дніпра (район м. Херсона) та локальних міграційних моделей дає можливість виконувати достовірні гідрогеологічні прогнози з питань управління режимом водовідбору та якості підземних вод на забрудненій нафтопродуктами території.
Особистий внесок здобувача. Дисертація виконана в Інституті геологічних наук НАН України на основі науково-дослідної роботи автора у відділі охорони підземних вод. Автором проведений аналіз вітчизняної і зарубіжної літератури щодо міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі, розроблена схема типізації умов забруднення водозаборів нафтопродуктами. За розробленою методикою виконана оцінка захищеності водозаборів від забруднення нафтопродуктами з використанням математичного моделювання. Проведений аналіз фондових матеріалів геолого-гідрогеологічних умов території Херсонських водозаборів та забруднення геологічного середовища нафтопродуктами, відбір проб води, математичне моделювання фільтрації підземних вод і міграції нафтопродуктів. Результати досліджень, наведені автором у роботі, отримані самостійно.
У статтях, що написані в співавторстві й опубліковані у фахових виданнях, автором самостійно отримані наступні результати.
Шпак О.М. Кількісна оцінка вмісту легких нафтопродуктів у підземному середовищі // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. — К.: Знання. — 2001. — №2. — C. 16–20. (співавтори Огняник М.С., Парамонова Н.К.) дисертантом охарактеризовані форми надходження та міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі.
Шпак Е.Н. Problems of studying groundwater contamination with petroleum products // Збірка наукових праць Інституту геологічних наук НАН України/ — К.: Знання, 2001. — C. 219–229. (співавтори Огняник М.С., Парамонова Н.К.) дисертантом охарактеризовані особливості забруднення нафтопродуктами геологічного середовища.
Е.Н. Шпак. Оценка эколого-геологического состояния территории авиабазы в связи с загрязнением грунтов и подземных вод нефтепродуктами // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності — К.: Знання. — 2002. — №5-6. — C. 71-76. (співавтори Огняник М.С., Г.И. Голуб, Ю.А. Негода, О.И. Наседкина) автором виконаний прогноз міграції нафтопродуктів у підземних водах.
Е.Н. Шпак. Условия загрязнения водозаборов нефтепродуктами // Збірник наукових праць ІГН НАН України. — К., 2003. — C. 212–217. (співавтор А.Л. Брикс) автором виділені та охарактеризовані типові умови забруднення водозаборів нафтопродуктами, виявлені особливості забруднення нафтопродуктами Херсонського вузла водозаборів.
О.М. Шпак. Типізація водозаборів відносно умов забруднення нафтопродуктами // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. — К.: Знання. — 2003. — №4. — C. 68-75. (співавтор А.Л. Брикс) автором розроблена методика та виконане прогнозування забруднення нафтопродуктами водозаборів у типових гідрогеологічних умовах.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень та основні положення дисертації доповідались на міжнародній наук.-практ. конференції “Экологические аспекты загрязнения окружающей среды” (Київ, 1996), міжнародній наук.-техн. конференції “Основні напрями забезпечення безпеки населення та стійкості функціонування господарства України при загрозі виникнення природних та техногенних катастроф” (Київ, 1996), наук.-практ. конференції “Актуальні проблеми екогеології України” (Київ, 1997), міжнародній наук.-практ. конференції “Кризовий та передкризовий стан довкілля як результат техногенного впливу на геологічне середовище і геоморфосферу” (Львів, 1998), міжнародній наук.-практ. нараді “Екологія в нафтогазовій промисловості” (Київ, 1998), міжнародній науковій конференції “Европа – наш общий дом” (Минск, 1999), міжнародній конференції “Carpathian EuroEcology” (Мішкольц, 2000), міжнародній наук. конф. “Инженер-ная защита территорий и объектов в связи с развитием опасных геологических процессов” (Ялта, 2000), міжнародній наук.-практ. конференції “Техногенна безпека регіонів як умова сталого розвитку України”. (Яремче, 2000), наук.-практ. конференції “Оцінка впливу об’єктів будівництва на навколишнє середовище” (Ялта, 2001), науковій конференції “Геологія в XXI столітті: шляхи розвитку та перспективи“ (Київ, 2001), міжн. наук.-практ. конференції “Екологічна безпека техногенно перевантажених регіонів та раціональне використання надр” (Крим, 2001), міжнародній конференції “Interfaces against pollution” (Мішкольц, 2002), сесії Наукової ради РАН по проблемам геоекології, інж. геології та гідрогеології “Сергеевские чтения” (Москва, 2003), міжнародній наук.-практ. конференції “Водні ресурси на рубежі ХХІ ст. Проблеми раціонального використання, охорони та відтворення” (Київ, 2003), міжнародній конференції “Carpathian Euroregion Ecology” (Мішкольц, 2003), науковій конференції “Сучасні проблеми геологічної науки” (Київ, 2003), науковій конференції “Инженерная геология и охрана геологической среды. Современное состояние и перспективы развития” (Москва, 2004).
Основні положення, що захищаються:
1.
Схема типізації умов забруднення водозаборів нафтопродуктами за показниками: фізико-хімічні властивості нафтопродуктів, умови надходження та форми міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі, геолого-гідрогеологічні умови розташування водозаборів, режим експлуатації та конструктивні особливості водозаборів.
2.
Методика і результати оцінки захищеності водозаборів від забруднення нафтопродуктами, яка базується на прогнозних розрахунках міграції нафтопродуктів до водозабірних свердловин з використанням математичного моделювання геофільтрації та геоміграції.
3.
Особливості забруднення підземних вод нафтопродуктами в зоні впливу Херсонського вузла водозаборів.
Публікації. По темі диссертації опубліковано 30 робіт, в тому числі 10 статей (із них 7 у фахових виданнях), 20 тез та матеріалів конференцій.
Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та 5 додатків. Обсяг роботи 203 стор., у т.ч. 23 рисунка, 20 таблиць. Список використаних літературних джерел включає 200 найменувань.
Особливу подяку автор висловлює своєму науковому керівникові доктору геол-мін. наук, професору Огнянику М.С., ст. наук. співр., канд. геол-мін. наук Парамоновій Н.К. а також усім співробітникам відділу охорони підземних вод ІГН НАНУ за допомогу, отриману при написанні дисертації. Автор вдячний чл.-кор. НАНУ Лялько В.І., доктору геол-мін. наук, професору Ситнікову А.Б., доктору геол-мін. наук Сухореброму А.О., доктору техн. наук Яковлєву Є.О. за цінні поради та критичні зауваження.
ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
РОЗДІЛ 1. СТАН та ВИВЧЕНІСТЬ ПРОБЛЕМИ ЗАБРУДНЕННЯ
ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА НАФТОПРОДУКТАМИ
З кінця 60-х – початку 70-х років поширюються дослідження забруднення геологічного середовища нафтопродуктами. Найбільший обсяг досліджень, що включає лабораторні і польові роботи, аналітичні розрахунки, фізичне і математичне моделювання, проводиться в США, Франції, Чехії та інших країнах. Вивченням особливостей міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі займалися Bayer A.L., Faust C.R., Lenhard R.J., Johnson T.G., Parker J.C., Abriola L.M.,G.F. та ін. Дослідження базувалися на розробках, пов'язаних з вивченням і експлуатацією нафтових родовищ — роботах Leverett M.C., Lewis W.B., Miller R.D., Баснієва К.С., Кристеа Н., Чарного І.А., Шейдеггера А.Е. та ін. Дослідженням з проблеми забруднення геологічного середовища нафтопродуктами присвячені роботи російських вчених – Гольдберга В.М., Звєрєва В.П., Мироненко В.А., Лук’янчикова В.М. та ін.
В Україні дослідження з даної проблеми проводяться з початку 90-х років. Слід відзначити роботи Бабаєва М.В., Лялька В.І., Рудька Г.І., Ситнікова А.Б., Яковлєва Є.О. У відділі охорони підземних вод ІГН НАНУ під керівництвом проф. Огняника М.С. проводяться дослідження забруднення геологічного середовища нафтопродуктами, які включають теоретичні розробки, польові та лабораторні експерименти, математичне і фізичне моделювання. Результати досліджень висвітлені в роботах Огняника М.С., Парамонової Н.К., Брикса А.Л. та ін.
Особливо актуальним видається вивчення забруднення геологічного середовища нафтопродуктами у зв'язку з його впливом на підземні води зони активного водообміну, які використовують для питного водопостачання. З огляду на значне техногенне навантаження на території України, існує і вимагає розробки проблема прогнозування якості підземних вод на водозаборах. Специфіка забруднення водозаборів нафтопродуктами вивчена недостатньо. Кількість робіт, присвячених цьому питанню, обмежена. Вищевикладене визначило мету і задачі дисертаційної роботи.
РОЗДіл 2. ТИПІЗАЦІЯ УМОВ ЗАБРУДНЕННЯ ВОДОЗАБОРІВ
НАФТОПРОДУКТАМИ
З метою прогнозування якості підземних вод на водозаборах в дисертаційній роботі розроблена схема типізації умов забруднення водозаборів нафтопродуктами з виділенням основних показників:
1.
фізико-хімічні властивості нафтопродуктів,
2.
умови надходження і форми міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі,
3.
геолого-гідрогеологічні умови розміщення водозабору,
4.
режим експлуатації і конструктивні особливості водозабору.
Нафтопродукти відносяться до рідин, що не змішуються з водою. Особливості міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі визначаються їх фізико-хімічними властивостями, до яких відносять щільність, в'язкість, розчинність, леткість, сорбуємість.
За щільністю розрізняють легкі нафтопродукти, щільність яких менше щільності води, і важкі – зі щільністю більше води. Умови міграції легких і важких нафтопродуктів у геологічному середовищі мають принципові відмінності. У дисертаційній роботі розглядається забруднення водозаборів легкими нафтопродуктами – далі “нафтопродукти”.
В'язкість нафтопродуктів впливає на швидкість їх міграції в геологічному середовищі. Чим нижче в'язкість, тим вище міграційні властивості нафтопродуктів. Нафтопродукти з високою в'язкістю можуть не досягати ґрунтових вод, залишаючись нерухомими в зоні аерації.
Сильно леткі нафтопродукти здатні мігрувати в підземному повітрі зони аерації, що розширює область забруднення.
Окремі складові нафтопродуктів характеризуються високою розчинністю. Чим вище розчинність нафтопродукту – тим вищі його концентрації в підземних водах, і, відповідно, вони забрудненять більшу площу водоносного горизонту.
Здатність нафтопродуктів до сорбції уповільнює процес міграції.
Основні форми надходження нафтопродуктів у геологічне середовище:
—
у стані рідини в результаті експлуатаційних втрат чи аварійних розливів в процесі їх переробки, збереження, транспортування і споживання;
—
у розчиненому та емульгованому стані, наприклад, зі стічними водами.
Надходячи в геологічне середовище у розчиненому та емульгованому стані, нафтопродукти мігрують згідно законів фільтрації води.
Надходячи в геологічне середовище у рідкому стані, нафтопродукти мігрують як рідина, що не змішується з водою. Якщо надходження нафтопродукту не перевищує утримуючу здатність ґрунту, він залишається в зоні аерації і подальша його міграція можлива шляхом розчинення в інфільтраційній воді. Якщо надходження нафтопродукту перевищує утримуючу здатність ґрунту, він досягає ґрунтового водоносного горизонту, формуючи на водній поверхні лінзу. Окремі вуглеводні здатні звітрюватись, формуючи газову оболонку над лінзою і надалі з інфільтрацією потрапляти в ґрунтові води, інші розчинятись в підземних водах і переноситись водним потоком. Процеси сорбції і деструкції уповільнюють швидкість міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі, однак не можуть вважатись способом природного самоочищення підземних вод. Згідно прогнозів Baehr A.L.,M.Y. (1987), протягом 100 років тільки 4% від об’єму нафтопродуктів, що потрапляють у геологічне середовище, зазнають природної біодеструкції.
Нами виділені наступні типові гідрогеологічні схеми розміщення водозаборів за умовами забруднення нафтопродуктами:
1а) В ґрунтовому водоносному горизонті, складеному породами з високою проникністю (піски, галечники). Нафтопродукти за короткий час проходять зону аерації, досягають водоносного горизонту і формують лінзу на водній поверхні. Потужність і форма лінзи залежить від об’єму надходження нафтопродуктів і фільтраційних властивостей порід. Якщо водоносний горизонт складений високопроникними породами, при малому надходженні нафтопродукти поширюються по водній поверхні у вигляді плівки. Окремі вуглеводневі складові розчиняються в ґрунтових водах і з потоком переносяться до водозабору – швидкість міграції залежить від коефіцієнту фільтрації і пористості порід. Водоносний горизонт може експлуатуватись не тільки вертикальними, але й горизонтальними водозаборами, особливості конструкції останніх сприяють швидкому їх забрудненню.
1б) В ґрунтовому водоносному горизонті, що міститься в породах з відносно низькою проникністю (супіски, суглинки). Водоносні горизонти, складені такими породами, як правило, не використовують для централізованого водопостачання, але повсюди на Україні експлуатуються колодязями. Незважаючи на те, що швидкості руху нафтопродуктів у супісках, а тим більше, у суглинках значно нижчі, ніж у високопроникних породах (схема 1а), колодязь може розміщуватись близько від джерела забруднення, і в нього потрапляють нафтопродукти. У випадку, коли колодязь працює і стінками, і дном на поверхні води буде плавати шар нафтопродуктів (як це було виявлено польовими дослідженнями в мм. Узині та Луцьку). Якщо колодязь працює тільки дном, розташованим нижче лінзи нафтопродуктів, відбувається підтягування знизу забруднених розчиненими нафтопродуктами вод.
1в) В ґрунтовому водоносному горизонті, приуроченому до двошарової товщі порід (верхній шар складений супіщано-суглинистими відкладами, нижній – високопроникними породами). У верхньому шарі утворюється лінза нафтопродуктів, швидкість руху якої незначна. Відбувається процес розчинення окремих складових лінзи, і в результаті інтенсивного перетікання з верхнього шару в нижній розчинені нафтопродукти надходять у водоносний горизонт з високими фільтраційними властивостями, в якому зі значною швидкістю рухаються з потоком до водозабору.
2. В міжпластовому безнапірному водоносному горизонті. Для цієї схеми характерна наявність слабкопроникного (глинистого) шару в зоні аерації. Розглянуто два варіанти: а – надходження в геологічне середовище нафтопродуктів у рідинному стані, б – надходження розчинених та емульгованих нафтопродуктів. У першому випадку, надходячи в геологічне середовище, нафтопродукти рухаються вертикально і, досягнувши слабкопроникного шару, який при певних умовах може виявитись непроникним для нафтопродуктів, формують на ньому лінзу. В другому випадку відбувається фільтрація забруднених розчиненими нафтопродуктами вод через слабкопроникний шар, інтенсивність якої залежить від фільтраційних властивостей шару. Масоперенос нафтопродуктів уповільнюється сорбцією, більш вираженою в глинах у порівнянні з високопроникними породами.
3а) У напірному водоносному горизонті, перекритому витриманим слабкопроникним шаром. Джерело забруднення формується в першому від поверхні землі водоносному горизонті. Забруднення продуктивного водоносного горизонту можливо тільки за рахунок перетікання забруднених розчиненими нафтопродуктами вод з водоносного горизонту, який залягає вище. Інтенсивність перетікання буде залежати від фільтраційних властивостей і потужності слабкопроникного шару, а також різниці напорів продуктивного водоносного горизонту і того, що залягає вище.
3б) У напірному водоносному горизонті, перекритому невитриманим слабкопроникним шаром (при наявності гідрогеологічних “вікон”). Джерело забруднення формується у першому від поверхні землі водоносному горизонті. Через невитриманість слабкопроникного шару відбувається інтенсивне перетікання розчинених нафтопродуктів крізь гідрогеологічні вікна у водоносний горизонт, що експлуатується. Висока провідність і тріщинуватість вміщуючих порід сприяють швидкій міграції нафтопродуктів до водозабору.
В дисертаційній роботі розглянуті особливості забруднення водозаборів з різними конструктивними особливостями – вертикальних свердловин, колодязів, горизонтальних водозаборів, каптажів джерел. Режим експлуатації водозабору є чинником, що впливає на умови забруднення водозабору. При експлуатації потужних вертикальних водозаборів формуються значні депресійні воронки, що прискорює міграцію нафтопродуктів до водозабору.
РОЗДІЛ 3. ОЦІНКА ЗАХИЩЕНОСТІ ВОДОЗАБОРІВ
ВІД ЗАБРУДНЕННЯ НАФТОПРОДУКТАМИ
Для виділених типових гідрогеологічних схем вперше виконана оцінка захищеності водозаборів за розробленою методикою, яка базується на прогнозних розрахунках міграції нафтопродуктів із застосуванням математичного моделювання. Розглянуто дві основні форми міграції нафтопродуктів – рух лінзи нафтопродуктів і перенос розчинених та емульгованих нафтопродуктів.
Для виконання розрахунків використані:
—
програмна система TFDD – розробник ЗАТ “Геолинк” (Москва, 1995). Програма реалізує математичну модель нестаціонарної планової фільтрації двох рідин, що не змішуються (води і нафтопродукту) – для схем 1А, 1Б: |
де Hw і Ho — напір води та нафтопродукту; — пористість; і — потужність потоку води і потужність шару нафтопродуктів; і — коефіцієнти фільтрації води і нафтопродукту; і — інтенсивність надходження чи відбору води і нафтопродукту; , , і — щільності нафтопродукту і води.
—
програмний комплекс PMWIN, що включає програмну систему MODFLOW (розробник – U.S. Geological Survey, 1996) для рішення фільтраційних задач і програмну систему MT3D (розробник – U.S. Geological Survey, 1990) для моделювання масопереносу забруднювачів у водоносному горизонті. Рівняння переносу розчинених нафтопродуктів у водоносному горизонті – для схем 1А-В, 3А-Б має вигляд:
де — концентрація нафтопродукту, розчиненого у підземних водах; — кое-ф-іцієнт гідро-динамічної дисперсії; — дійсна швидкість фільтрації; — об’ємні витрати джерел/стоків; — концентрація джерел/стоків; — пористість; — фактор затримки (сорбція, розклад).
—
програмна система VS2DT (розроблювач – U.S. Geological Survey, 1990). Реалізується математична модель переносу розчинених нафтопродуктів в зоні аерації, використана для схеми 2:
де – вологість грунту.
Розглядається міграція нафтопродуктів, які найбільш широко використовують у господарстві – бензину та авіаційного гасу. Для кожної типової гідрогеологічної схеми розв’язувалась серія профільних задач. Джерело забруднення вважалось постійної дії, розташоване вверх по потоку від водозабору. Водовідбір задавався як зниження рівня в блоці (ГУ 1 роду, Н=const).
Для кожної схеми прогнозні розрахунки виконані при різних значеннях параметрів водоносних горизонтів і слабкопроникних шарів (потужність, коефіцієнт фільтрації, активна пористість) – див. додаток 1. Значення параметрів узяті з літературних джерел [Керкис Е.Е. (1975), Разумов Г.А. (1988)].
При моделюванні руху лінзи нафтопродуктів надходження нафтопродукту у водоносний горизонт задавалось у вигляді інфільтраційного живлення, інтенсивністю 0.03 м/доб, що відповідає інтенсивності витоків нафтопродуктів за даними рішення обернених задач.
При моделюванні масопереносу нафтопродуктів у блоці, де розташоване джерело забруднення, задавалась ГУ 1 роду, C=const – постійна концентрація нафтопродукту в блоці, яка для бензину відповідала його розчинності (505 мг/л). Для авіаційного гасу проведеними лабораторними і польовими дослідженнями встановлено, що його концентрації в підземних водах перевищують розчинність, досягаючи 50 і більше мг/л. На цій підставі початкова концентрація гасу у водоносному горизонті приймалась 50 мг/л. Водоносний горизонт вважається незабрудненим, коли концентрація нафтопродукту в блоці менше його ГДК (для питної води). Сорбція нафтопродуктів враховувалася на моделі як фактор затримки [Мироненко В.А., Петров Н.С. (1995)].
Розрахунки виконані на різні часові інтервали. На кожному часовому інтервалі методом підбору визначали відстань до джерела забруднення, при якій нафтопродукти досягнуть водозабору. Результати розрахунків представлені в таблиці (додаток 1). Використовуючи таблицю можна зробити висновок про можливість забруднення водозабору нафтопродуктами, оцінити час і відстань від джерела забруднення, при яких водозабір виявиться забрудненим, в залежності від виду нафтопродукту, форми його надходження і міграції, геолого-гідрогеологічних умов території, параметрів водоносних горизонтів і слабкопроникних шарів. Розраховано безпечну відстань від джерела забруднення до водозабору, при якій нафтопродукти не досягнуть водозабору протягом строку, на який підраховані експлуатаційні запаси (104 діб). Відповідно, якщо водозабір не буде забруднений протягом терміну експлуатації, його можна вважати захищеним.
Розроблена схема типізації з виконаною оцінкою захищеності водозаборів можуть бути використані для попереднього прогнозу поширення забруднення підземних вод нафтопродуктами в межах впливу водозаборів, вибору типу моделі при необхідності детальних прогнозів, розробки підходів до організації моніторингу в районах існуючого чи потенційного забруднення, планування гідрогеологічних досліджень і проведення охоронних заходів.
РОЗДіл 4. ФОРМУВАННЯ еколого-гідрогеологічної
СИТУАЦІЇ в РАЙОНІ ХЕРСОНСЬКОГО ВУЗЛА ВОДОЗАБОРІВ.
Як типовий приклад розглянуті умови формування еколого-гідрогеологічної ситуації в районі одного з найбільших на півдні України – Херсонського вузла водозаборів (експлуатаційні запаси 198.7 тис. м3/доб), де протягом десятиліть джерелом забруднення геологічного середовища нафтопродуктами є Херсонський нафтопереробний завод (ХНПЗ). Згідно виконаної типізації, водозабір не захищений від забруднення нафтопродуктами (схема 3б) і виникає необхідність проведення додаткових досліджень із застосуванням математичного моделювання.
Геолого-гідрогеологічні умови району досліджень. Зона аерації представлена четвертинними лесовидними суглинками, потужність яких складає в середньому 20-35 м і різко зменшується на схилах балок і в долинах рік. Суглинисті відклади підстилаються пліоцен-четвертинними глинами, потужністю 15-25 м, які виклинюються в напрямку б. Вірьовчиної, рр. Дніпро і Кошова. Далі у вертикальному розрізі залягають понтичні вапняки, потужністю 10-20 м, відділені прошарком меотичних глин незначної потужності (1-7 м) від сарматських вапняків (Додаток 2).
Зона активного водообміну підземних вод включає ґрунтовий водоносний горизонт у лесовидних суглинках, який має техногенне походження і розповсюджений переважно на території ХНПЗ; водоносний горизонт у понтичних вапняках, який на більшій частині території є першим від поверхні міжпластовим безнапірним водоносним горизонтом; напірний водоносний горизонт у сарматських вапняках.
На основі аналізу геолого-гідрогеологічних умов території зроблений висновок, що на території ХНПЗ підземні води зони активного водообміну і, зокрема, продуктивний водоносний горизонт сарматських вапняків не захищені від проникнення нафтопродуктів. Встановлено наявність вікон у пліоцен-четвертинних глинах на території заводу, що обумовило формування лінз нафтопродуктів у понтичному водоносному горизонті. Шар меотичних глин не витриманий і має незначну потужність (в середньому 1-2 м), у зв'язку з чим, не може служити надійним бар'єром від перетікання нафтопродуктів з понтичних вапняків у сарматські. У б. Вірьовчиній як пліоцен-четвертинні, так і меотичні глини розмиті і, таким чином, сформувалась зона вільного водообміну трьох водоносних горизонтів, що призводить до потрапляння нафтопродуктів безпосередньо у водоносний горизонт сарматських вапняків. Сарматський водоносний горизонт інтенсивно експлуатується для питних потреб м. Херсона, що призвело до формування значної депресійної воронки в його п’єзометричній поверхні. Розміщення ХНПЗ вверх по потоку підземних вод від міських водозаборів, тріщинуватість і висока проникність понтичних і сарматських вапняків сприяють швидкій міграції нафтопродуктів у напрямку водозабірних свердловин.
Забруднення ґрунтів і підземних вод нафтопродуктами. Проведеними інженерно-геологічними вишукуваннями (ВНИИПКнефтехим (1981-1982), інститут “Укрводпроект” (1991-1992), GESCO (1994-1996)) встановлено, що на території заводу грунти зони аерації забруднені нафтопродуктами (переважно бензином і дизельним паливом). У четвертинному водоносному горизонті зафіксований шар мобільних нафтопродуктів, потужністю до декількох метрів. На поверхні міжпластових вод у понтичних вапняках також виявлена лінза нафтопродуктів, потужністю в середньому 10-25 см. Підземні води понтичного і сарматського водоносних горизонтів забруднені емульгованими і розчиненими нафтопродуктами, концентрації яких на 2-3 порядки перевищували ГДК. Фронт забруднення вийшов за територію заводу і просунувся у напрямку рр. Дніпро, Кошова і міських водозаборів, при цьому частина експлуатаційних свердловин потрапила в зону забруднення. У ситуації, що склалася, було поставлено під загрозу господарсько-питне водопостачання м. Херсона і виникла необхідність прогнозування забруднення підземних вод нафтопродуктами і забезпечення м. Херсона водою необхідної якості.
Незважаючи на проведення відновлювальних робіт на території ХНПЗ GESCO (1994-1996 р.) і Південно-Українською ГГП (2000-2002 р.), значний обсяг нафтопродуктів залишається в зоні аерації та підземних водах.
Дослідження міграції нафтопродуктів із застосуванням математичного моделювання. З метою виявлення особливостей забруднення Херсонських водозаборів нафтопродуктами і розробки заходів щодо поліпшення ситуації з водопостачанням м. Херсона виконане математичне моделювання фільтрації підземних вод і міграції нафтопродуктів.
Створено регіональну гідрогеологічну модель, яка по площі охоплює право- і лівобережжя нижньої течії р. Дніпро від межиріччя Дніпро-Інгулець до Дніпровського лиману. Фільтраційна схема включає на правобережній частині території безнапірний водоносний горизонт у лесовидних суглинках, напірно-безнапірний водоносний горизонт у понтичних вапняках і напірний водоносний горизонт у сарматських вапняках. Водоносні горизонті розділяються слабкопроникними шарами пліоцен-четвертинних і меотичних глин. Регіональним водоупором служать нижньосарматські глини. На лівобережжі території та у прирусловій частині долини Дніпра першим від поверхні є водоносний горизонт піщаних відкладів. Через відсутність меотичних глин тут формується єдиний понт-меотис-сарматський водоносний комплекс.
Для створення моделі використана програмна система GWFS – розробник ЗАТ “Геолинк” (Москва, 1994). Математичний опис фільтрації підземних вод включає систему диференціальних рівнянь і відповідних крайових умов:
,
де Hk — абсолютна відмітка рівня (напору) у k-му водоносному горизонті, м; K1, m1 — відповідно коефіцієнт фільтрації та потужність водоносного гори-зонту четвертинних відкладів, м/доб, м; — коефіцієнт гравітаційної (для першого від поверхні землі горизонту) або пружної водовіддачі k-го водоносного горизонту; Tk — водопровідність k-го горизонту, м2/доб; Ak - (k - 1) — коефіцієнт перетікання слабкопроникного шару, що розділяє k-й та (k1)-й водоносні горизонти, доб-1; q — водовідбір, зведений до одного м2 площі, м/доб; W — інтенсивність ін-фільтраційного живлення, м/доб.
Постановка обчислювальних експериментів мала наступний вигляд: на першому етапі розв’язувалась епігнозна задача, на другому – прогнозна. Кожен етап поділявся на дві частини – спочатку розв’язувалась фільтраційна задача на регіональній моделі, потім міграційна на локальних моделях. Особливість методики рішення міграційної задачі полягала в моделюванні переміщення лінзи нафтопродуктів у понтичному водоносному горизонті і переносу розчинених нафтопродуктів у сарматському водоносному горизонті.
Метою епігнозного моделювання було відображення на моделі умов формування еколого-гідрогеологічної ситуації в зоні впливу Херсонських водозаборів.
На локальній моделі простежене поширення лінзи нафтопродуктів у понтичному водоносному горизонті. Моделювання виконане з використанням програмної системи TFDD. Результати моделювання підтверджують припущення про витоки нафтопродуктів у понтичний горизонт через “вікна” у слабкопроникному шарі червоно-бурих глин на території заводу.
Моделювання переносу розчинених нафтопродуктів у сарматському водоносному горизонті виконано з використанням програмного комплексу PMWIN. Серією обчислювальних експериментів встановлені особливості забруднення нафтопродуктами сарматського водоносного горизонту. За даними моделювання, крім нисхідного перетока нафтопродуктів на території ХНПЗ, надходження розчинених нафтопродуктів у сарматський водоносний гори-зонт відбувається через б. Вірьовчину. При продовженні початкового кон-туру забруднення уздовж зовнішньої границі ХНПЗ на південь по б. Вірьовчина до місця її впадіння в р. Кошова, отриманий на моделі ореол поширення забруднення нафтопродуктами відповідає фактичним даним (рис. 1). Таким чином, у забрудненні Херсонських водозаборів суттєву роль відіграє геоморфологічний фактор – поверхневий стік у б. Вірьовчина є джерелом забруднення сарматського водоносного горизонту розчиненими нафто-продуктами.
Рис. 1. Забруднення сарматського водоносного горизонту розчиненими нафтопродуктами за даними моделювання (епігнозна задача): 1 – п’єзоізогіпси сарматського водоносного горизонту, 2 – ізолінії концентрацій нафтопродуктів.
Швидке розповсюдження забруднення у сарматському водоносному горизонті (концентрації нафтопродуктів перевищують ГДК у центрі депресійної воронки через 2-2.5 роки) обумовлено високою проникністю вапняків, що підтверджує результати попереднього прогнозу, отриманого при оцінці захищеності водозабору в типових гідрогеологічних умовах – схема 3б.
Прогнозним моделюванням простежено стан забруднення сарматського водоносного горизонту нафтопродуктами після проведення відновлювальних робіт на території ХНПЗ. Встановлено, що у разі припинення дії джерела забруднення зниження концентрацій нафтопродуктів у сарматському водоносномуо горизонті нижче ГДК відбудеться приблизно через 35 років.
Наступний варіант прогнозних розрахунків полягав в імітації роботи водозабору, продуктивністю 100 тис. м3/доб, розміщеного на лівому березі р. Дніпро. Необхідно було встановити можливість підтягування забруднених вод у депресійну воронку, яка повинна сформуватися при роботі нового водозабору. За даними моделювання, дія водозабору протягом 15 років приведе до зниження напорів у сарматському водоносному горизонті: безпосередньо на водозабірній ділянці - на 12-14 м, на відстані 5 км на північ від водозабору - на 0.6 м, на південь - на 3.5 м. Ця різниця в значеннях напорів обумовлена компенсуючим впливом перетікання з Дніпра, що відбувається на північ від водозабору. В результаті перетікання з Дніпра в п’єзометричній поверхні водоносного горизонту утворюється локальний вододіл, який перешкоджає просуванню забруднених вод у напрямку водозабору (рис. 2).
Рис. 2. Розповсюдження розчинених нафтопродуктів в сарматському водоносному горизонті за даними прогнозного моделювання:
1 – п’єзоізогіпси сарматського водоносного горизонту, 2 – ізолінії концентрацій нафтопродуктів; 3 – проектний водозабір.
Висновки
1.
Розроблено схему типізації умов забруднення водозаборів нафтопродуктами з урахуванням основних показників:
—
фізико-хімічні властивості нафтопродуктів (щільність, в'язкість, розчинність, леткість, сорбуємість);
—
умови надходження і форми міграції нафтопродуктів у геологічному середовищі (надходження у рідинному стані – мігрують як рідина, що не змішується з водою, супроводжуючись процесами розчинення, випаровування, сорбції, деструкції; надходження в розчиненому та емульгованому стані – мігрують, згідно законів фільтрації води).
—
геолого-гідрогеологічні умови розміщення водозабору:
1а) У ґрунтовому водоносному горизонті в породах з високою проникністю,
1б) У ґрунтовому водоносному горизонті в породах з відносно низькою проникністю,
1в) У ґрунтовому водоносному горизонті в двошаровій товщі порід,
2) В міжпластовому безнапірному водоносному горизонті,
3а) У напірному водоносному горизонті, перекритому витриманим слабкопроникним шаром порід,
3б) У напірному водоносному горизонті, перекритому невитриманим слабкопроникним шаром (при наявності “гідрогеологічних вікон”).
—
режим експлуатації та конструктивні особливості водозабору (вертикальні свердловини, колодязі, горизонтальні водозабори, каптажі джерел).
2.
Для виділених типових гідрогеологічних схем за розробленою методикою вперше виконана оцінка захищеності водозаборів від забруднення нафтопродуктами, яка базується на прогнозних розрахунках міграції нафтопродуктів із застосуванням математичного моделювання.
Розглянуто дві основні форми міграції нафтопродуктів – рух лінзи мобільних нафтопродуктів і перенос розчинених та емульгованих нафтопродуктів. Виконано розрахунки міграції бензину і авіаційного гасу до водозаборів.
Результати виконаних обчислювальних експериментів дозволяють оцінити можливість забруднення водозабору нафтопродуктами, час та відстань від джерела забруднення при яких водозабір виявиться забрудненим в залежності від виду нафтопродукту, форми його надходження і міграції, геолого-гідрогеологічних умов території, параметрів водоносних горизонтів та слабкопроникних шарів. Розраховано безпечну відстань від джерела забруднення до водозабору, при якій водозабір не буде забруднений протягом терміну забезпеченості експлуатаційних запасів.
3.
Як типовий приклад розглянуті умови формування еколого-гідрогеологічної ситуації в районі Херсонського вузла водозаборів.
На основі аналізу геолого-гідрогеологічних умов території та даних про забруднення геологічного середовища нафтопродуктами встановлено, що на території ХНПЗ підземні води зони активного водообміну, і, зокрема, сарматський водоносний горизонт, не захищені від забруднення. Виявлені фактори, які сприяли розповсюдженню процесу забруднення:
—
наявність вікон у пліоцен-четвертинних глинах на площадці ХНПЗ;
—
невитриманість та незначна потужність шару меотичних глин;
—
формування зони вільного водообміну трьох водоносних горизонтів – четвертинного, понтичного і сарматського у б. Вірьовчиній і, як наслідок, потрапляння нафтопродуктів у сарматський водоносний горизонт;
—
тріщинуватість і висока проникність понтичних і сарматських вапняків;
—
розташування ХНПЗ вверх по потоку від міських водозаборів та наявність значної депресійної воронки у сарматському водоносному горизонті внаслідок водовідбору.
Математичним моделюванням фільтрації підземних вод і міграції нафтопродуктів виявлені особливості забруднення підземних вод нафтопродуктами в зоні Херсонських водозаборів. Виявлено роль геоморфологічного фактору у забрудненні Херсонських водозаборів – поверхневий стік забруднених нафтопродуктами вод у б. Вірьовчина є джерелом забруднення сарматського водоносного горизонту розчиненими нафтопродуктами. Виконаним моделюванням підтверджені результати попереднього прогнозу, отриманого при оцінці захищеності водозабору у типових гідрогеологічних умовах (схема 3б). Прогнозними розрахунками встановлено, що після проведення відновлючальних робіт на території ХНПЗ, зниження концентрацій нафтопродуктів у сарматському водоносномуо горизонті нижче ГДК відбудеться приблизно через 35 років. Розглянутий варіант вирішення проблеми водозабезпечення м. Херсона – закладення водозабору на лівобережжі Дніпра. Результати прогнозного моделювання свідчать, що перетікання з р. Дніпро формує у сарматському водоносному горизонті гідравлічний бар'єр, який забезпечить захист водозабору від надходження забруднених вод з правобережжя.
Список друкованих праць по темі дисертації:
1.
Огняник М.С., Парамонова Н.К., Шпак О.М. Кількісна оцінка вмісту легких нафтопродуктів у підземному середовищі // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. — К.: Знання. — 2001. — №2. — C. 16–20.
2.
Огняник Н.С., Парамонова Н.К., Шпак Е.Н. Problems of studying groundcontamination with petroleum products // Збірка наукових праць Інсти-туту геологічних наук НАН України/ — К.: Знання, 2001. — C. 219–229.
3.
Шпак О.М. Проблема забруднення підземного середовища нафтопродуктами в Україні // Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка. Сер. Геологія. — 2002. — вип. 21-22. — C. .
4.
Н.С. Огняник, Е.Н. Шпак, Г.И. Голуб, Ю.А. Негода, О.И. Наседкина. Оценка эколого-геологического состояния территории авиабазы в связи с загрязнением грунтов и подземных вод нефтепродуктами // Екологія довкіл-ля та безпека життєдіяльності — К.: Знання. — 2002. — №5-6. — C. 71-76.
5.
О.М. Шпак, А.Л. Брикс. Типізація водозаборів відносно умов забруднення нафтопродуктами // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. — К.: Знання. — 2003. — №4. — C. 68-75.
6.
Е.Н. Шпак, А.Л. Брикс. Условия загрязнения водозаборов нефтепро-дукта-ми // Збірник наукових праць ІГН НАН України. — К., 2003. — C. 212–217.
7.
Ю.О. Негода, Г.І. Голуб, О.М. Шпак, А.П. Швець. Оцінка впливу військового аеродрому на геологічне середовище // Збірник наукових праць ІГН НАН України. — К., 2003. — C. 205–208.
8.
Забруднення підземного середовища легкими нафтопродуктами та визначення захисних властивостей зони аерації / М.С. Огняник, Н.К. Па-ра-монова, А.Л. Брикс, О.М. Шпак, І.М. Запольський, І.С. Гамшеєва. — К.: Знання, 2000. — 68 C.: іл. — Висновки парал. укр., анг. — Бібліогр.: 66 c.
9.
Огняник М.С., Парамонова Н.К., Шпак О.М. Забруднення геологічного середовища нафтопродуктами – загроза якості підземних вод України // Вода і водоочисні технології. — 2003. — №3. — C. 63-67.
10.
N.S.N.K.E.N. Shpak. Problems of studying groundwater contamination with petroleum products // Role of Interfaces in Environmental Protection (ed. S. Barany). — Kluwer Academic Publishers. — 2003. — P. 471-479.
Тези:
11.
Огняник Н.С., Гавловский С.А., Шпак Е.Н. Оценка условий загрязнения неф-те-продуктами крупных водозаборов Украины. // Тезисы докладов меж-ду-на-родной науч.-практ. конференции “Экологические аспекты загрязнения окружающей среды”, Київ. — 1996. — C. 25-26.
12.
Огняник Н.С., Шпак Е.Н. Влияние нефтяного загрязнения на подземную гидросферу в районе г. Херсона. // Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции “Основні напрями забезпечення безпеки населення та стійкості функціонування господарства України при загрозі виникнення природних та техногенних катастроф”, Київ. — 1996. — C. 47-48.
13.
Огняник М.С., Гавловський С.А., Негода Ю.О., Шпак О.М. Оцінка умов за-бруд-нення наф-то-продуктами значних водозаборів України. // Тези доповідей кон-фе-ренції “Актуальні проблеми екогеології України”, Київ. — 1997. — C. 13-14.
14.
А.Л.Брикс, Ю.А.Негода, Е.Н.Шпак. Загрязнение подземной среды нефте-про-дук-тами в зоне действия Херсонского нефтеперерабатывающего заво-да. // Тезисы докладов международной науч.-практ. конференции “Кризо-вий та пе-ред-кризо-вий стан довкілля як результат техногенного впливу на геоло-гічне середо-ви-ще і геоморфосферу”, Львів. — 1998. — C. 52-53.
15.
Брикс А.Л., Шпак О.М. Прогноз розповсюдження забруднення підземних вод нафтопродуктами в долині Нижнього Дніпра (район м. Херсон). // Вісник УБЕНТЗ. Матеріали міжн. наук.-техн. наради “Екологія в нафтогазовій промисловості”, Київ. — 1998. — C. 15-16.
16.
Огняник Н.С., Парамонова Н.К., Шпак Е.Н. Проблемы изучения загрязнения подземной среды нефтепродуктами в связи с охраной подземных вод на Украине // Тезисы докладов междуна-родной научной конференции “Европа – наш общий дом”, Минск. — 1999. — C. 248.
17.
Шпак О., Негода Ю. Дослідження процесів забруднення нафтопродуктами підземних вод у районі військового аеродрому (м. Луцьк) за допомогою математичного моделювання // Матеріали наукової конференції
