ОЧИСТКА  ЗЕМЕЛЬ,
ЗАГРЯЗНЕННЫХ  НЕТЕПРОДУКТАМИ

УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКОЕ  ПОСОБИЕ

Введение

Под загрязнением понимают природное или антропогенное увеличение содержания различных веществ в абиотических и биотических компонентах геосистем, обуславливающее негативные токсико-экологические последствия. Загрязнению подвержены все компоненты геосистем: воздушные массы, поверхностные и подземные воды, почвы, грунты и биота, главным образом, растительность.
Геосистемы становятся загрязненными, когда накопление в ее компонентах загрязняющих веществ, а также формы их нахождения приводят к:
-нарушению газовых, концентрационных, окислительно-восстановительных функций биоты, вызывающих утрату ее геохимического самоочищения;
-изменению биохимического состава продукции биоты, вызывающему нарушение жизненных функций цепей в геосистеме и за ее пределами при отчуждении биологической продукции;
-снижению биологической продуктивности геосистемы;
-уменьшению информативности геосистемы, т.е. разрушению генофонда.
Загрязнение геосистемы может приводить к качественному изменению геосистемы, а при критических уровнях техногенных воздействий и к ее разрушению.

3

  
Одним из наиболее распространенных является загрязнение нефтью и нефтепродуктами при добыче, переработке, транспортировке и хранении. В Приложении (таблица 1) приведены значения основных свойств нефти и нефтепродуктов. При мировой добыче нефти 2млрд. 500млн.т в год теряется около 50млн.т или примерно 2%. В данном курсовом проекте рассматривается проблема очистки территории, загрязненной нефтепродуктами в результате многолетнего функционирования районной базы топливно-смазочных материалов (ТСМ), обслуживающей 10 сельскохозяйственных предприятий: бывших совхозов и колхозов, преобразованных в последние годы в акционерные общества.
В Российской Федерации имеется около 36тыс. хозяйственных баз ТСМ и около 2500 районных баз, через которые ежегодно проходит примерно 10млн.т бензина и 20млн.т дизельного топлива. Из-за несовершенства оборудования этих баз, небрежного обращения с нефтепродуктами их потери на испарение, утечки и проливы по приближенным оценкам составляет около 0,4...2,3% от годового оборота. Иными словами, в год потери нефтепродуктов на хозяйственных базах составляют от 120тыс.т до 690тыс.т. В этих же пределах находятся и потери на районных базах. Несмотря на сравнительно небольшие потери, приходящиеся на одну базу, они представляют большую экологическую опасность, т.к. создают мелкоочаговое, но практически равномерное загрязнение почти всей страны. Поэтому очень важно принятие неотложных мер по всемерному сокращению потерь нефтепродуктов, а также осуществление работ по очистке загрязненных территорий.
Испаряющиеся нефтепродукты загрязняют воздух, особенно опасно образование канцерогенных соединений. Испарившиеся нефтепродукты переносятся в воздухе и, выпадая вместе с атмосферными осадками, расширяют ареал загрязнения. Значительная часть нефтепродуктов попадает в почву, вызывая неблагоприятные изменения ее микроэлементного состава, физико-химических свойств, водно-воздушного и окислительно-восстановительного режимов, нарушение нормального соотношения углерода и азота, приводя к дефициту кислорода, азота и фосфора. На территории баз ТСМ и на прилегающей площади почвенный покров деградирует и полностью разрушается.
Часть пролитых нефтепродуктов, особенно их легкие фракции улетучиваются из самого верхнего слоя почвы, но значительная их часть просачивается вниз, достигает поверхности грунтовых вод и образует зону загрязнения, в которой в разных пропорциях содержатся нефтепродукты и подземные воды. Эта зона распространяется по площади и смещается в сторону потока грунтовых вод. При сезонных колебаниях уровней грунтовых вод загрязнение распространяется вглубь, а за пределами очага проливов и утечек - также и выше среднегодовой глубины грунтовых вод. В отдельных случаях, как это наблюдалось вокруг крупных баз, нефтепродукты даже выклиниваются на поверхность.
Просочившиеся нефтепродукты создают очень большую экологическую угрозу водоносным горизонтам, а также водоемам и водотокам, так как даже незначительное содержание нефтепродуктов порядка 0,1мг/л делает воду непригодной для питья, а концентрация больше 0,05мг/л недопустима для рыбохозяйственных водоемов.
В курсовом проекте экологическая угроза устраняется путем создания инженерно-экологической системы. Инженерно-экологическая система - это постоянно или длительное время действующий комплекс сооружений и мероприятий, направленных на восстановление естественной самоочищаемости компонентов загрязненных геосистем, локализацию очага загрязнения, уменьшение поступления и активное удаление загрязняющих веществ, обеспечивающая экологически безопасное существование биоты, включая человека.


Задание для курсового проекта

Необходимо запроектировать мероприятия по очистке почв, грунтов и подземных вод, загрязненных легкими нефтепродуктами в результате многолетнего функционирования районной базы топливно-смазочных материалов (ТСМ) в Тверской области, обслуживающей 10 сельскохозяйственных предприятий.
Общее количество автомобилей на предприятиях 290, тракторов 550.
Годовое потребление ТСМ одним автомобилем 17,2т, трактором 10,6т.
Продолжительность функционирования базы ТСМ 37 лет.
Ежегодные потери нефтепродуктов в результате протечек и проливов 1,6% годового потребления ТСМ.
Расположение базы ТСМ указано на плане.
База размещена вблизи ручья Быстрого, впадающего в реку Медведица. Водосборная площадь ручья 10км2, реки 5250км2.
Среднемноголетнее годовое количество атмосферных осадков равно 650мм, испарение 530мм, речной сток 120мм.
В месте расположения базы почвы подзолистые легкосуглинистые, толщина почвенного слоя равна 0,3м. Они подстилаются пылеватыми слабокарбонатными, а затем моренными суглинками общей мощностью 1,0м. Ниже залегают мелкозернистые пески мощностью 6м, подстилаемые глинами, представляющими местный водоупор. В песках расположен безнапорный водоносный горизонт, глубина грунтовых вод равна 3,40м, уклон грунтового потока равен i=0,002.
Коэффициент фильтрации воды в песчаном горизонте kв=1,8м/сут, максимальная высота капиллярного поднятия воды hв=1,40м, максимальный капиллярный скачек давления на границе вода-нефтепродукты hвн=0,33м.
Пористость песков m=0,38, насыщенность связанной водой составляет Sв*=0,15, насыщенность гидравлически неподвижными нефтепродуктами Sн*=0,10.
Верхняя граница зоны полного насыщения нефтепродуктами и водой залегает на глубине H=3,20м.
Глубина нижней границы загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами L=3,80м.
Плотность нефтепродуктов rн=0,80г/cм3; отношение динамических коэффициентов вязкости нефтепродуктов и воды mн/mв=2,0.
К заданию прилагается ситуационный план участка и гидрогеологический разрез.


Примерный текст пояснительной записки курсового проекта

1. Анализ природных и хозяйственных условий

Районная нефтебаза ТСМ находится в Тверской области вблизи поселка Карцево (рис. 1). Климат территории умеренно-континентальный, среднегодовое количество атмосферных осадков составляет 650мм, испарение 530мм, сток 120мм, в том числе подземный 60мм в год.
Территория базы расположена на элювиальной фации восточноевропейского бореально-суббореального (подтаежного) ландшафта на размытой опесчаненой морене московского оледенения, перекрытой пылеватыми слабокарбонатными суглинками. Мореные отложения в виде ожелезненных суглинков подстилаются мелкозернистыми песками с коэффициентом фильтрации воды kв=1,8м/cут и пористостью m=0,38, мощность песчаного слоя 6,0м. В нем расположен безнапорный водоносный горизонт, глубина грунтовых вод на территории базы равна 3,4м. Песчаные отложения подстилаются юрскими глинами большой мощности, являющимися местным водоупором.
К элювиальной фации примыкает супераквальная фация в виде пологого склона и заканчивается неширокой поймой ручья Быстрого, впадающего в реку Медведица, которая является левым притоком Волги и впадает в нее в верховье Угличского водохранилища. Поток грунтовых вод, проходящий под территорией базы, разгружается в упомянутый ручей и, в конечном счете, попадает в Волгу. Гидрогеологические условия приведены на разрезе по линии А - А (рис. 2).
На слабокарбонатных покровных суглинках сформировались типичные для данной зоны подзолистые почвы мощностью 0,3м (горизонты А и В), которые при хорошей культуре земледелия обладают  неплохим плодородием.
База ТСМ обслуживает 10 сельскохозяйственных предприятий, в которых имеется 290 автомобилей и 550 тракторов. При годовой потребности 17,2т бензина на один автомобиль и 10,6т дизельного топлива на один трактор годовой оборот нефтепродуктов базы составляет 290·17,2+550·10,6=10818т .
Ежегодные потери нефтепродуктов в результате протечек и проливов составляют 1,6% годового потребления ТСМ или 0,016·10818=173т/год, за 37 лет существования базы общие потери составляют 6400т или при средней плотности нефтепродуктов 0,8т/м3 - 8000м3.
Территория базы представляет собой квадрат в плане со стороной 150м, площадь, занимаемая базой, равна 2,25га. По данным изысканий под территорией базы и на прилегающей к ней ниже по склону площади сформировалось пятно загрязнения с высоким содержанием нефтепродуктов. Граница этого пятна сдвинута за границу базы примерно на 130м.
Это подтверждается следующими расчетами: при гидравлическом уклоне потока грунтовых вод i=0,002 и при коэффициенте фильтрации воды в песчаном горизонте kв=1,8м/cут фильтрационная скорость потока по формуле Дарси составляет:
V=kв·i=1,8·0,002=0,0036м/cут=1,314м/год.
Истинная скорость движения воды в порах грунта будет выше:
Vист=V/m=1,314/0,38=3,46м/год,
следовательно за 37 лет функционирования базы ТСМ пятно загрязнения сдвинулось по направлению потока грунтовых вод в сторону ручья на 3,46·37=128м.


К настоящему времени расстояние между границей загрязнения и поймой ручья составляет около 30м. Следовательно, нефтепродукты могут выйти на пойму и попасть в ручей примерно через 5...6 лет, т. к. вблизи поймы поток грунтовых вод ускоряется из-за уменьшения его мощности при том же расходе. Очевидно, что это создаст угрожающую экологическую ситуацию.
Примерные расчеты это подтверждают: при водосборной площади ручья 10км2 и среднегодовом слое стока 120мм среднегодовой сток по ручью равен 10000000·0,12=1200тыс.м3, среднегодовой расход воды в ручье при этом равен 1200000/365/86400=0,038м3/сек=38л/ceк. Среднегодовое поступление нефтепродуктов в грунтовые воды, следовательно, и в ручей будет равно 173т/год, т. е. среднегодовое содержание их в воде составит 173000/1200000=0,144кг/м3=144 мг/л при допустимом 0,1мг/л. При водосборной площади реки Медведицы равной 5250км2 с учетом разбавления и при условии, что рассматриваемая база ТСМ является единственным источником загрязнения реки нефтепродуктами, содержание нефтепродуктов в ней превысит допустимое: 144·10/5250=0,27мг/л.
Следовательно, анализ природных и хозяйственных условий показывает настоятельную необходимость принятия срочных мер. Для этого необходимо, во-первых, закрытие существующей базы, так как технология хранения из-за больших потерь создает экологическую угрозу значительной территории и важным водотокам, таким как реки Медведица и Волга. Во-вторых, необходимы специальные инженерные мероприятия по локализации очага загрязнения, очистке грунтов и грунтовых вод от нефтепродуктов и рекультивация почвенного покрова.


2. Расчет содержания нефтепродуктов в грунте и
площади загрязнения

При попадании нефтепродуктов в поры грунта, они вместе с водой образуют две несмешивающиеся жидкости, которые по-разному взаимодействуют с твердой фазой и между собой. Нефтепродукты слабей смачивают твердую фазу, чем вода, поэтому последняя занимает мелкие поры и создает пленку вокруг скелета. Нефтепродукты занимают более крупные поры. Между водой и нефтепродуктами из-за разных сил поверхностного натяжения образуется скачек капиллярного давления или напора, который зависит от искривленности поверхности раздела вода-нефтепродукт.
Количество воды и нефтепродуктов в грунте удобно выражать через насыщенность S, т. е. отношение объема жидкости к объему пор. Известно, что в загрязненном грунте ни вода ни нефтепродукты не могут занимать весь объем пор, так как при вытеснении воды нефтепродуктом в порах остается некоторый неподвижный объем воды Sв*, сильно удерживаемый сорбционными силами грунта. При вытеснении нефтепродукта водой, он также удаляется не весь, часть его образует изолированные объемы во внутриагрегатных и в тупиковых порах, относительный объем гидравлически неподвижнного нефтепродукта обозначается через Sн*.
При полном насыщении пор грунта жидкостями Sв+Sн=1, а выше зоны полного насыщения, т.е. в капиллярной кайме часть объема пор занята газом и поэтому Sв+Sн<1.
Для расчета содержания нефтепродуктов в зонах полного и неполного насыщения надо построить эпюры насыщенностей по глубине. Насыщенность водой изменяется с глубиной по следующей формуле:
16           (1)
Насыщенность нефтепродуктами в зоне полного насыщения равна:
2347.                (2)
В этих формулах: x - глубина от поверхности земли, м; L - глубина нижней границы загрязнения, м; hвн - максимальный капиллярный скачек напора на границе вода-нефтепродукт, м;
8;
rн, rв- плотность нефтепродукта и воды, соответственно, г/cм3 .
В зоне неполного насыщения, т. е. при 0 ? x ? H, где H - глубина верхней границы зоны полного насыщения водой и нефтепродуктами, насыщенность водой определяется по той же формуле (1), а насыщенность нефтепродуктами рассчитывается по формуле:
9;         (3)
где hв - максимальная высота капиллярного подъема воды в грунте, м.
По формулам (1), (2) и (3) рассчитаем насыщенность грунта водой и нефтепродуктами на разной глубине. Расчет сведем в таблицу 1.
По данным таблицы 1 строим эпюры насыщенности водой, нефтепродуктами и суммарную (рис. 3).
На рис. 3 видно, что содержание нефтепродуктов на нижней границе загрязнения равно гидравлически неподвижной насыщенности Sн*, это объясняется сезонными колебаниями уровня грунтовых вод.
Такое же содержание наблюдается и у поверхности земли. Наибольшее содержание нефтепродуктов имеет место не в зоне полного насыщения, а несколько выше - в нижней части капиллярной каймы.
Проинтегрировав выражения (1) и (3), можно получить зависимости для расчета средней насыщенности нефтепродуктами по всей зоне полного или неполного насыщения и запасы нефтепродуктов в м3/м2. Так, средняя насыщенность в зоне полного насыщения равна:
0;            (4)
а в зоне неполного насыщения:
55        (5)
В формулах (4) и (5) erf(x) - специальная функция, называемая интегралом вероятности:
9,
значения которой приведены в Приложении (таблица 2), при x>2,5 erf(x)»1.
Подсчитаем с помощью этих формул величины средних насыщенностей. В зоне полного насыщения:
42;
а в зоне неполного насыщения:
1.5
Запасы нефтепродуктов в зоне полного насыщения составят:
WН1=m(L-H)30,38·(3,8-3,0)·0,134=0,031м3/м2 ,
а в зоне неполного насыщения, т.е. в капиллярной кайме:
WН2=mH20,38·3,2·0,182=0,221м3/м2.
Общие запасы во всем загрязненном слое равны WН=0,252м3/м2.

Выше были определены потери нефтепродуктов, просочившиеся в грунт за все время функционирования базы ТСМ, которые равны 8000м3. Следовательно, площадь загрязнения составляет 8000/0,252=31746м2. Контур загрязнения можно принять в форме эллипса с соотношением осей 2a/2b=2, где a и b - полуоси. Эллипс вытянут по направлению потока грунтовых вод. Известно, что площадь эллипса равна F=p·a·b или в нашем случае F=p·a2/2. Зная площадь, найдем большую a=142м и малую полуось b=142/2=71м. Следовательно, размер пятна загрязнения по направлению потока грунтовых вод равен 284м, а поперек - 142м (рис. 4). Последний размер соответствует ширине участка, занимаемой базой, равной 150м, а длинная ось эллипса примерно равна длине участка и расстоянию, на которое сместилось пятно загрязнения, увлекаемое потоком грунтовых вод: 150+128=278м.
Таблица 1. Расчет насыщенности грунта водой и нефтепродуктами.


х, м

Sв+Sн

0

0,154

0,100

0,254

0,2

0,154

0,102

0,258

0,4

0,161

0,103

0,264

0,6

0,167

0,107

0,274

0,8

0,178

0,112

0,290

1,0

0,192

0,121

0,313

1,2

0,213

0,134

0,347

1,4

0,240

0,154

0,394

1,6

0,277

0,176

0,453

1,8

0,323

0,203

0,526

2,0

0,378

0,232

0,610

2,2

0,443

0,257

0,700

2,4

0,515

0,276

0,791

2,6

0,592

0,282

0,874

2,8

0,669

0,272

0,941

3,0

0,743

0,242

0,985

3,2

0,807

0,193

1,000

3,4

0,857

0,143

1,000

3,6

0,889

0,111

1,000

3,8

0,900

0,100

1,000

Периметр пятна загрязнения можно определить как периметр эллипса:
s
Зная запасы нефтепродуктов, можно заранее определить, какое его количество возможно удалить гидравлическим способом, т.е. вытеснением водой. С учетом гидравлически неподвижной  насыщенности максимально возможное удаляемое количество нефтепродуктов равно: Wуд=Wн-m·L·Sн*=0,252-0,38·3,8·0,1=0,108м3/м2 или 3429м3, что составляет 3429/8000·100=43% всех потерь. Оставшиеся 4571м3 или 3657т нефтепродуктов в принципе гидравлическими способами удалить нельзя, следовательно, после этого в грунте и в грунтовых водах сохранится на долгие годы очаг загрязнения. Действительно, растворимость нефтепродуктов в воде невелика и для дизельного топлива составляет около 20мг/л. Оценим примерное время вымывания нефтепродуктов за счет их растворения. Среднегодовой поток грунтовых вод, проходящий под территорией базы, равен:
Q=kв·i·T·B=1,8·0,002·3,9·150=2,1м3/cут=786м3/год,
где kв - коэффициент фильтрации воды в песке, м/cут;
       i - уклон потока;
      T - мощность потока, м;
      B - ширина потока, м.
Это количество воды растворит 786м3/год·20г/м3=15,7кг нефтепродуктов в год, а оставшееся после удаления количество нефтепродуктов равно 3657т, следовательно время вымывания измеряется столетиями.
Из этого следует очень важный вывод: удаление подвижных нефтепродуктов предотвращает залповое загрязнение водотоков, но не снимает угрозы длительного загрязнения подземных и поверхностных вод. Поэтому наряду с удалением нефтепродуктов необходимы специальные мероприятия, локализующие очаг загрязнения.

3. Технология удаления нефтепродуктов и локализация
очага загрязнения

Рассматриваемая база ТСМ из-за несовершенной технологии приемки, хранения и отпуска нефтепродуктов, а также из-за значительного износа оборудования представляет собой большую экологическую опасность и должна быть закрыта, а все оборудование - демонтировано. После этого можно проводить работы по очистке загрязненной территории.
В курсовом проекте применена технология удаления нефтепродуктов и локализации очага загрязнения, разработанная на кафедре мелиорации и рекультивации земель МГУП А.И.Головановым и А.А.Маматовым, технология защищена патентом Российской Федерации.
Область применения этой технологии имеет свои ограничения. Технология применима:

  • на незастроенной территории или на территории, где здания и сооружения демонтируются.
  • на участках с малым уклоном поверхности земли.
  • при глубине залегания области скопления нефтепродуктов до 10м.

Суть этой технологии заключается в том, что загрязненная территория прежде всего ограждается водонепроницаемой стеной в грунте во избежание длительного загрязнения подземных и поверхностных вод. После этого на огражденной территории бурятся скважины на всю мощность песчаного горизонта, а на предварительно спланированной поверхности с помощью земляных валиков устраивают чеки наподобие чеков рисовых оросительных систем.
В скважины нагнетается вода. Происходит вытеснение вверх грунтовых вод и нефтепродуктов до тех пор, пока зона полного насыщения достигнет поверхности земли. После этого подачу воды в скважины прекращают, а в чеках создают небольшой слой воды. Нефтепродукты всплывают на поверхность воды, а в почву и в подстилающий грунт впитывается такой же объем воды. Всплывшие нефтепродукты, переливаясь через валики, попадают в канал, а из него в сборную емкость в виде небольшого бассейна, вырытого в грунте внутри огражденной территории. Чеки подпитывают водой так, чтобы слой всплывших нефтепродуктов не касался поверхности почвы.
В сборном бассейне нефтепродукты расслаиваются с водой, их выкачивают в автоцистерны и транспортируют на ближайший нефтеперегонный завод для очистки и последующей утилизации. Естественно, что используемая для вытеснения вода будет загрязненной, ее также необходимо подвергнуть очистке перед сбросом в водоприемник, поэтому технология очистки должна быть такой, чтобы минимизировать объем загрязненных технологических вод.
После окончания этапа гидравлического вытеснения нефтепродуктов загрязнение почвенного горизонта остается еще очень высоким, загрязнен также грунт, из которого сделаны валики. Поэтому необходимы специальные мероприятия по доочистке территории другими способами и рекультивация разрушенного почвенного покрова.
Примененный в курсовом проекте способ очистки обладает значительными преимуществами по сравнению с обычно применяемой откачкой нефтепродуктов.
Во-первых, откачка с помощью вертикальных скважин или горизонтальных дрен позволяет отводить нефтепродукты только из зоны полного насыщения, хотя в капиллярной кайме их может быть больше.
Во-вторых, при откачке приходится отводить много подземных вод и из-за искривления линий тока происходит углубление зоны загрязнения вдали от дрен и скважин. Поэтому дренированием удается удалить гораздо меньше нефтепродуктов.
В-третьих, откачка не решает в полном объеме проблему предотвращения загрязнения подземных и поверхностных вод.


4. Расчет вытеснения нефтепродуктов водой

Для расчета вытеснения нефтепродуктов водой необходимо использовать уравнения движения двух несмешивающихся жидкостей в пористой среде, учитывающие разную их плотность, наличие скачка капиллярного напора на границе их раздела, разную смачиваемость и вязкость. Вертикальное движение описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка параболического типа:
для воды:
a;        (6)
для нефтепродуктов:
s;        (7)
В этих уравнениях:
m - пористость;
rн и rв - плотность нефтепродуктов и воды;
Cвн и Св - емкостные коэффициенты, связывающие изменение напоров жидкостей и насыщенностей;
Hн и Hв - напоры нефтепродуктов и воды;
kн и kв - коэффициенты фильтрации нефтепродуктов и воды при условии полного заполнения пор одной из жидкостей;
fн и fв - относительные фазовые проницаемости, т.е. коэффициенты, учитывающие снижение проницаемости из-за неполного насыщения пор той или другой жидкостью;

для нефтепродуктов принято:
d;       (8)
где f;
bн - эмпирический коэффициент, равный 4,0;
для воды использована формула С.Ф.Аверьянова:
g.             (9)
По формулам (8) и (9) на рис. 5 построены зависимости фазовых проницаемостей от насыщенности пор водой и нефтепродуктами. Видно, что при полном заполнении пор водой, т.е. при Sв=1, fв=1. Аналогично, при полном заполнении пор нефтепродуктами, т.е. при Sн=1; Sв=0, fн =1. При уменьшении насыщенности эти коэффициенты быстро уменьшаются, что говорит о снижении проницаемости, и при Sн?Sн*; Sв?1-Sн*, fн?0, а при Sв?Sв*, fв?0.

Коэффициент фильтрации нефтепродуктов при полном заполнении ими пор грунта зависит от их плотности и вязкости. Он связан с коэффициентом фильтрации воды следующим соотношением и равен:
a;
плотность воды rв принята равной 1,0г/cм3.
Как было указано выше, вытеснение нефтепродуктов начинается с нагнетания воды в скважины, что вызывает подъем уровня грунтовых вод и вместе с ними - нефтепродуктов. Предварительно оценим количество воды, необходимое для насыщения свободных пор грунта. Для этого рассчитаем запасы воды во всем расчетном слое L, т.е. от поверхности земли до нижней границы загрязнения. Проинтегрировав зависимость (1), получим среднюю для слоя L насыщенность грунта водой:
s.        (10)
Подставив известные величины, получаем:
d,
что дает запасы воды Wa=mLa=0,38·3,8·0,438=0,633м слоя. Следовательно, общее содержание жидкостей в расчетном слое L составит W=0,633+0,252=0,885м. Общий объем пор в этом слое равен 0,38·3,8=1,444м, а свободный объем пор Wсв=1,444-0,885=0,559м.
Продолжительность заполнения пор водой зависит от интенсивности нагнетания воды в скважины, которая не должна быть большой, иначе будет слишком неравномерный подъем уровня грунтовых вод вблизи и вдали от скважин, около скважин при большой подаче воды возможно даже ее фонтанирование. Малая скорость подъема уровня грунтовых вод способствует лучшему вытеснению нефтепродуктов вверх, поэтому она должна быть около 0,1м/сут. При глубине зоны полного насыщения H=3,2м желательна продолжительность подъема около 30сут. Если принять интенсивность нагнетания воды в скважины q=0,02м3/м2/сут, то продолжительность подъема нефтепродуктов к поверхности земли составит 0,559/0,02=28сут.
При площади очищаемого участка F=31746м2 и принятой интенсивности нагнетания требуемый расход воды составит Q=31746·0,02=635м3/сут=7,3л/cек, такое количество воды можно забрать из ручья Быстрого. Фильтры скважин должны быть ниже зоны загрязнения. Поэтому скважины бурим до водоупора глубиной 7.3м, фильтр длиной 1.0м располагаем внизу скважины.
Вторая фаза удаления нефтепродуктов наступает при подходе зоны полного насыщения к поверхности земли, в это время на поверхности чеков создают слой воды, которая впитывается в почву при всплывании нефтепродуктов. Простым расчетам этот процесс не поддается, для этого надо решать приведенную выше систему дифференциальных уравнений (6)-(7) при соответствующих начальных и граничных условиях. Аналитических решений эта система не имеет из-за ее сложности, поэтому применяют численные методы, заменяя ее конечно-разностным аналогом и используя быстродействующие ЭВМ. На кафедре мелиорации и рекультивации земель МГУП А.И.Головановым разработана программа решения этой системы уравнений.
Эта программа позволяет описать оба процесса вытеснения нефтепродуктов: при нагнетании воды и при последующем их всплывании.
Результаты расчета приведены в таблице 2, а также показаны на графике (рис. 6). На распечатке нарастающим итогом с шагом около 1,5сут выведены:
Vв - слой впитавшейся воды, м;
Dв - слой воды, поданной снизу при нагнетании, м;
Dв - приращение запасов воды, м слоя;
Vн; Dн - такие же показатели для нефтепродуктов (знак “-“ означает не впитывание, а всплытие нефтепродуктов и уменьшение их запасов);
Sв и Sн - средняя во всем расчетном слое насыщенность пор водой и нефтепродуктами;
Hg - глубина верхней границы зоны полного насыщения, м.
Результаты расчетов показывают, что процесс нагнетания действительно закончился на 30-тые сутки, объем воды на нагнетание составил 0,558м слоя воды, как это было и в предварительных расчетах. Скорость всплывания нефтепродуктов вначале была значительной, затем она уменьшалась и спустя 60...70 суток после начала нагнетания или спустя 30...40 суток после начала всплытия составила менее 1мм слоя нефтепродуктов в сутки, т.е. стала меньше скорости их испарения с поверхности залитых чеков. Во избежание большого загрязнения атмосферного воздуха целесообразно процесс всплывания нефтепродуктов прекратить на 60-тые сутки. К этому моменту всплывет 0,096м слоя нефтепродуктов, что составит 0,096/0,252·100=38% всего их содержания в грунте. Остальные нефтепродукты гидравлически неподвижны и удалены вытеснением водой не могут.
Всего всплывет 0,096·31746=3048м3 или 2438т нефтепродуктов, часть из них (самые легкие фракции) неизбежно будет потеряна на испарение, остальные надо собрать в бассейн и вывезти на переработку.
На рис. 7 показан процесс вытеснения нефтепродуктов в виде эпюр насыщенности порового пространства ими и водой. В верхнем метровом слое насыщенность нефтепродуктами несколько превышает 0,10 объема пор из-за прерванного процесса всплывания.


Таблица 2. Результаты расчета программы “Вытеснение ”.


                                          T,сут    Vв         Dв         Dв           Vн           Dн         Sв          Sн          Hg
1.4      0.000    -0.009     0.009      0.000       0.000       0.445     0.175      3.141
2.8      0.000    -0.037     0.037      0.000       0.000       0.464     0.175      3.030
4.2      0.000    -0.065     0.065      0.000       0.000       0.483     0.175      2.928
5.6      0.000    -0.093     0.093      0.000       0.000       0.503     0.175      2.823
8.5      0.000    -0.150     0.150      0.000       0.000       0.542     0.175      2.626
9.9      0.000    -0.178     0.178      0.000       0.000       0.561     0.175      2.522
11.3     0.000    -0.206     0.206      0.000       0.000       0.581     0.175      2.424
12.7     0.000    -0.234     0.234      0.000       0.000       0.601     0.175      2.325
15.5     0.000    -0.291     0.291      0.000       0.000       0.640     0.175      2.114
17.0     0.000    -0.319     0.319      0.000       0.000       0.659     0.175      2.007
19.8     0.000    -0.376     0.376      0.000       0.000       0.699     0.175      1.776
22.6     0.000    -0.432     0.432      0.000       0.000       0.738     0.175      1.520
24.0     0.000    -0.461     0.461      0.000       0.000       0.757     0.175      1.373
25.4     0.000    -0.489     0.489      0.000       0.000       0.777     0.175      1.203
26.8     0.000    -0.517     0.517      0.000       0.000       0.796     0.175      0.991
29.7     0.043    -0.558     0.601     -0.040     -0.042       0.855     0.145      0.000
31.1     0.063    -0.558     0.622     -0.061     -0.063       0.869     0.131      0.000
32.5     0.073    -0.558     0.631     -0.070     -0.072       0.875     0.125      0.000
33.9     0.078    -0.558     0.637     -0.076     -0.078       0.879     0.121      0.000
36.7     0.085    -0.558     0.643     -0.083     -0.084       0.884     0.116      0.000
38.2     0.087    -0.558     0.645     -0.085     -0.086       0.885     0.115      0.000
39.6     0.089    -0.558     0.647     -0.086     -0.088       0.886     0.114      0.000
41.0     0.090    -0.558     0.648     -0.088     -0.090       0.887     0.113      0.000
43.8     0.092    -0.558     0.650     -0.090     -0.092       0.889     0.111      0.000
45.2     0.093    -0.558     0.651     -0.091     -0.092       0.889     0.111      0.000
46.6     0.094    -0.558     0.652     -0.091     -0.093       0.890     0.110      0.000
48.0     0.094    -0.558     0.653     -0.092     -0.094       0.890     0.110      0.000
50.9     0.096    -0.558     0.654     -0.093     -0.095       0.891     0.109      0.000
52.3     0.096    -0.558     0.654     -0.094     -0.095       0.891     0.109      0.000
53.7     0.096    -0.558     0.655     -0.094     -0.096       0.892     0.108      0.000
55.1     0.097    -0.558     0.655     -0.094     -0.096       0.892     0.108      0.000
57.9     0.098    -0.558     0.656     -0.095     -0.097       0.892     0.108      0.000
59.4     0.098    -0.558     0.656     -0.095     -0.097       0.893     0.107      0.000
60.8     0.098    -0.558     0.656     -0.096     -0.098       0.893     0.107      0.000
62.2     0.098    -0.558     0.657     -0.096     -0.098       0.893     0.107      0.000
65.0     0.099    -0.558     0.657     -0.097     -0.098       0.893     0.107      0.000
66.4     0.099    -0.558     0.657     -0.097     -0.099       0.894     0.106      0.000
67.8     0.099    -0.558     0.658     -0.097     -0.099       0.894     0.106      0.000
69.2     0.100    -0.558     0.658     -0.097     -0.099       0.894     0.106      0.000
70.0     0.100    -0.558     0.658     -0.097     -0.099       0.894     0.106      0.000

5. Расчет нагнетательных скважин

                При нагнетании воды в скважины уровень воды в них должен быть выше поверхности полного насыщения, вместе с тем этот уровень не должен намного превышать поверхность земли во избежание прорыва воды на поверхности у скважин.
Для расчета случая нагнетания воды в систему скважин воспользуемся формулой Дюпюи;

s,         (11)
где Q - подача в скважину, м3/сут;
Rc - радиус влияния, м;
kв - коэффициент фильтрации воды в песчаном горизонте, м/сут;
Т - мощность водоносного горизонта, м (рис. 8);
h - напор в скважине над поверхностью зоны полного насыщения, м;
r - радиус скважины с учетом фильтра, принимаем равным 0,15м;

Задавшись числом скважин n=10шт., находим площадь влияния одной скважины Fc=31746/10=3174.6м2 и радиус Rc=a=31.8м.
Подача в одну скважину при расчетной интенсивности нагнетания 0,02м/сут составит Qс=3174.6?0.02=63.49м3/сут.
Из формулы (11) находим требуемый напор
s
Этот напор вначале нагнетания превышает поверхность земли на 5-3,2=1,8м, что нежелательно. Поэтому увеличиваем число скважин до 15шт. и повторяя расчет, получаем требуемый напор в начале нагнетания h=3,2м, что приемлемо, т.к. уровень воды в скважине совпадает с поверхностью земли. В конце нагнетания уровень воды в скважине (напор) превысит поверхность земли на 3,2м. При этом подача в одну скважину составит Qс=42,3м3/сут=0,49л/сек.

6. Технология строительства стены в грунте

Для долговременной локализации очага загрязнения предусматриваем строительство непроницаемой для воды и нефтепродуктов завесы в виде стены в грунте. Она представляет собой траншею, заглубленную на 0,5м в водоупорный глинистый горизонт, заполненную непроницаемым материалом (рис. 2). В качестве последнего, как показали исследования, нужно применить песчано-цементно-глинистую смесь (10% цемента, 60% песка и 30% глины по массе). Эта смесь при затвердевании создает жесткое пористое тело, заполненное глиной, и становится практически непроницаемой и для воды и для нефтепродуктов.
Технология строительства заключается в разработке траншеи с вертикальными стенками специальным землеройным механизмом. Для предотвращения обрушения откосов, особенно под уровнем грунтовых вод, траншея в процессе рытья заполняется тяжелым глинистым раствором с плотностью около 1,1г/cм3. Ширина траншеи зависит от размеров землеройного органа. Для траншеекопателя марки ЭГТ-570, применимого для мягких грунтов, она составляет 0,6м, предельная глубина копания для этой машины равна 12,5м.
Отрытая до проектной отметки траншея заполняется предварительно подготовленной смесью по технологии подводного бетонирования.
Для приготовления смеси воздушно-сухую глину размалывают до пылеобразного состояния и смешивают в сухом виде с песком и цементом, затем перемешивают с водой, доводя до консистенции, позволяющей ее перекачку растворонасосами. Вытесняемый глинистый раствор, укрепляющий стенки траншеи, откачивают, очищают от крупных примесей и используют повторно.
В рассматриваемом случае, судя по гидрогеологическому разрезу, глубина стены в грунте равна 7,8м, длина равна периметру пятна загрязнения, т.е. 688м, площадь боковой поверхности стены 688·7,8=5366м2, объем стены 5366·0,6=3220м3.


7. Строительство чеков и оборудование участка

На огражденной стеной в грунте территории предварительно снимают и удаляют за границу загрязнения чистый слой почвы, т.е. гумусово-аккумулятивный горизонт толщиной около 0,2м. Объем снимаемой почвы с площади за пределами территории базы равен (31746-150·150)·0,2=1850м3. Работы производят с помощью скрепера.
Оголенный грунт для лучшего всплывания нефтепродуктов рыхлят на глубину около 30...40cм, чтобы разрушить плотный ожелезненый слой моренных суглинков. Затем осуществляют планировку под плоскость с уклоном, равным среднему уклону поверхности земли, в данном случае равном 0,0015. Планировку осуществляют планировщиками или грейдерами, точность планировки ±5cм. Площадь рыхления и планировки равна площади пятна загрязнения.
На спланированном участке устраивают чеки путем отсыпки земляных валиков (рис. 4). Высота валиков и ширина чеков должны быть такими, чтобы обеспечить сравнительно равномерный слой затопления водой. Минимальный слой затопления должен на 5cм превышать максимальный слой всплывших нефтепродуктов, в данном случае около 10cм, максимальный не должен быть более 60...70cм во избежание прорыва валиков.
На данном участке в форме эллипса с длинной осью, расположенной по направлению уклона местности и равной 284м, можно устроить два чека шириной 140м каждый. Тогда при превышении отметок поверхности земли равном 0,0015·140=0,21м максимальная глубина воды составит 0,10+0,05+0,21=0,36м. Высота валиков будет равна 0,5м. Средняя глубина затопления чеков равна (0,15+0,36)/2=0,26м. Объем воды для затопления чеков равен 0,26·31746=8254м3.
Подача воды для нагнетания в 15 скважин равняется 632м3/сут, продолжительность заполнения чеков насосом с такой производительностью составит 13сут. Такой перерыв нежелателен, поэтому нужно применить насос с производительностью около 40л/cек, который обеспечит заполнение чеков примерно за двое суток.
Всплывшие нефтепродукты необходимо собрать в бассейн. Для этого в поперечных валиках надо устроить переливы в виде лотков, закрепленных полиэтиленовой пленкой. После окончания всплывания нефтепродуктов надо подливать воду в чеки так, чтобы нефтепродукты сливались тонким слоем. Поток нефтепродуктов с нижнего чека надо направить в небольшой канал, выстланный пленкой, а из него - в сборный бассейн.
В данном случае при небольшом объеме всплывших нефтепродуктов, их количество, попадающее в бассейн, можно регулировать, согласовывая с возможной скоростью их перевозки на переработку. Поэтому размеры бассейна назначаем конструктивно, так чтобы в нем разместить 10м3 нефтепродуктов. При глубине порядка 1,5м его площадь поверху будет равной около 8м2. Ложе бассейна также надо сделать непроницаемым.
Для контроля за процессом нагнетания на участке перед заполнением чеков надо пробурить 5...7 скважин глубиной около 1 метра.
Подачу воды в скважины и в чеки осуществляем из ручья Быстрого, для чего в его русле создаем временную запруду высотой около одного метра, в тело запруды укладываем переливную трубу. Для подачи воды применяем небольшую передвижную дизельную насосную станцию марки СНП-25/60А с подачей до 40л/cек и напором при такой подаче около 40м. Эта станция обеспечивает заполнение чеков в требуемое время, в период нагнетания подачу воды регулируют задвижкой.
Напорный трубопровод сооружаем из стальных труб, уложенных на поверхности земли, к нему присоединяем разводящие трубы, подающие воду к каждой скважине. В месте присоединения трубопровода устанавливаем задвижку и манометр для регулирования и контроля за напором в скважине для обеспечения равномерного нагнетания воды по площади участка. Диаметр магистрального трубопровода принимаем равным 148мм, скорость течения воды в нем при заполнении чеков составит допустимую величину u=Q/w=0,040/0,017=2,4м/cек, а удельные потери соответствовать 0,0136. Потери напора при длине 380м будут 0,0136·380=5,2м. Разводящие трубопроводы устраиваем из труб диаметром 69мм, потери напора в каждом из них не превысят одного метра. Для заполнения чеков в разводящих трубопроводах устраиваем водовыпуски с задвижками.
При геодезической разности отметок самой высокой точки поверхности земли и уровня воды в ручье равной 6м, напоре в скважине 3,2м и при потерях напора 5,2м требуемый напор насоса равен 14,4м, что меньше паспортных данных.


8. Завершающие работы и доочистка территории

После удаления нефтепродуктов необходимо, прежде всего, понизить уровень грунтовых вод на огражденном стеной в грунте участке, так как он лишен естественного дренирования. Для этого можно использовать нагнетательные скважины в качестве вертикального дренажа, откачку воды можно производить, создавая в них вакуум. С этой целью к началу напорного трубопровода надо подсоединить всасывающий патрубок насоса. Так как фильтр скважин расположен глубже загрязненной зоны, то откачиваемая вода должна быть чистой. Глубина понижения уровня грунтовых вод должна быть равной 1,5...2,0м, обеспечивающей проведение последующих работ.
Необходимо разровнять валики, засыпать подводящий канал и сборный бассейн, после этого нужно провести глубокую вспашку для того, чтобы загрязненный грунт проветрился и частично освободился от нефтепродуктов. Затем необходимо возвратить снятый слой почвы, слегка его уплотнить, внести органические (навоз) и минеральные удобрения и посеять злаково-бобовую травосмесь. Опыты показывают, что даже на загрязненной почве получаются неплохие всходы, на второй год можно подсеять травы, если их всхожесть будет недостаточной. При сильном загрязнении почвы можно в нее вносить специфические микроорганизмы, разлагающие нефтепродукты. Эти микроорганизмы обеспечивают полную минерализацию углеводородов до СО2 и H2O. Например, бактериальный препарат “Бациспецин”, полученный на основе природного почвенного штамма Bacillus sp. 739, за два месяца разлагает более 50% загрязнителя по отношению к необработанной нефтезагрязненной почве. Также для очистки почв существуют и другие бактериальные препараты, например, на основе Ps. putida-36, Ps. pseudoalcaligenes КВ-4.
Для биологической доочистки почвы необходимо создавать требуемый водный режим, в данном случае - поддерживать влажность почвы в пределах 0,7...0,9 от предельной полевой влагоемкости. Для этого во влажные периоды, т.е. весной и после сильных дождей надо поддерживать уровни грунтовых вод на глубине около одного метра, используя для этого имеющиеся скважины. Летом в засушливые периоды нужно проводить поливы, для чего можно использовать имеющуюся сеть трубопроводов, насосную станцию и имеющуюся в хозяйстве дождевальную технику.

38                                                                                                                                                              39

  
Так как площадь участка примерно равна 3,2га, то можно применить стационарные дальнеструйные дождевальные аппараты ДД-30, обслуживающие площадь 0,6га каждый, всего понадобится 5 аппаратов. Расход каждого аппарата 30л/cек, напор 60м, подачу воды в них можно обеспечить тем же насосом.


9. Объемы основных работ

Расчет сведем в таблицу 3.
Таблица 3


Виды работ, требуемое оборудование и
единицы измерения

Количество
единиц

Стена в грунте, м3

3220

Наблюдательные скважины, шт.

6

Нагнетательные скважины, шт.

15

Снятие почвенного слоя, м3

1850

Рыхление и планировка поверхности, м2

31746

Нарезка валиков, м3

420

Нагнетание воды и заполнение чеков, м3

26170

Разравнивание валиков, м3

420

Вспашка, м2

31746

Восстановление почвенного слоя, м3

1850

Внесение удобрений и посев трав, м2

31746

Стальные трубопроводы d=148мм, м

380

Стальные трубопроводы d=69мм, м

660

Насосная станция, шт.

1

Установка дождевальных агрегатов ДД-30

5


Литература

    • Орлов Д.С. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. - М.: Издательство МГУ, 1994.
    • Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти и почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988.
    • Чарный И.А. Подземная гидромеханика. - М.: Гостехиздат, 1948.
    • Климентов П.П., Пыхачев Г.Б. Динамика подземных вод. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1961.