Н.А.Ермашова, М.П.Огнетова (ТПУ),
С.В.Лушников, В.М.Волков (ООО "НТО Приборсервис")

В конце ХХ и начале ХХI столетий одной из важнейших экологических проблем России, как и всего мира стало загрязнение окружающей среды органическими веществами, основными из которых являются нефтепродукты (НП), негативно воздействующие на почвенный слой, поверхностные воды и геологическую среду, в том числе подземные воды.
Источников поступления НП в геологическую среду достаточно много, при этом значительная роль принадлежит нефтехранилищам и АЗС. Утечки и систематические разливы НП на таких объектах приводят к тому, что даже после прекращения их эксплуатации они на долгие годы остаются источниками загрязнений.
Проблема рекультивации таких земель и водных объектов этих территорий затруднена чрезвычайно высоким уровнем их загрязнения, препятствующим деятельности углеродоокисляющих бактерий и естественному самоочищению. В связи с этим в каждой конкретной ситуации требуется исследовать масштабы и характер распределения загрязнения с тем, чтобы выработать оптимальную технологию рекультивации горных пород и заключенных в них подземных вод.
Объектом для исследования была выбрана площадка хранения ГСМ в южной части Кемеровской области. Ее эксплуатация в этом качестве прекращена более 10 лет назад, но накопившиеся в горных породах НП создали в настоящее время аварийную экологическую ситуацию в первую очередь для близлежащего садоводческого товарищества, действующего технологического участка, а также протекающей вблизи речки, являющейся источником водоснабжения и зоной рекреации. Кроме того, образующиеся газы могут вызвать пожары и взрывы.
Площадка размером 80x60м, расположенная в антропогенно нагруженной зоне между угольным разрезом и одним из его технологических участков. На самой площадке, как видно на
фото 1,

Работы выполнялись в два временных этапа 2002 и 2003 годы, главным образом в теплые периоды. Этапность работ диктовалась природными условиями и уровнем загрязнения площадки, установленным визуально.
В геологическом отношении площадка сложена суглинками и глинами мощностью от 5 до 16м, в естественном состоянии необводненными. Рельеф площадки ровный, практически без западин и возвышений с явно выраженным уклоном в сторону речки. Все это обеспечивает активный поверхностный сток в направлении к мичуринским участкам и ближайшей речке, расположенной на расстоянии около 500м, и предполагает неглубокое проникновение НП. Большинство литературных данных указывают на значительную глубину проникновения НП в случае, если разрез представлен менее дисперсными породами, особенно отложениями речных долин [1]. Это также предполагало незначительное загрязнение суглинисто-глинистой толщи. В связи с этим первоначальный этап исследований охватывал глубины до 2 м. Полученные результаты, а также опыт подобных исследований в Западно-Сибирском регионе, в частности в г.Томске, указывали на возможность проникновения НП на значительную глубину - до 20м [2]. Глубина исследований определялась полной мощностью рыхлой толщи, слагающей площадку, с заглублением в коренные породы и составила от 5 до 20 м.

Скважины бурили роторно-колонковым методом с максимально возможным выходом керна. Несколько скважин пройдены как гидрогеологические для изучения условий, характера обводнения суглинков и уровня загрязнения нефтепродуктами подземных вод в пространстве и во времени. Для сохранения устойчивости стенок они закреплялись перфорированными трубами, что резко снижало степень их заиливания, продлевало срок функционирования и позволяло использовать их как режимные, а в дальнейшем как технологические. Всего было пробурено 15 скважин, из которых отобрано 130 проб грунтов, 32 пробы подземных вод и 25 проб поверхностных вод для определения НП. Аналитические исследования выполнялись в Институте Химии Нефти СОРАН на установке Specord М80 по методикам ПНДФ 14.1: 25-95 и ПНДФ 16.1: 22.22-98. При этом определялось суммарное содержание НП без разделения на фракции.
Уровень загрязнения компонентов геологической среды в пределах площадки оценивался по отношению к контрольному участку, который располагался вблизи речки на расстоянии 300-500м от исследуемой площадки и представляет собой залесенную территорию, изученную с помощью двух скважин. Результаты исследований этих скважин показали, что район в целом в высокой степени загрязнен нефтепродуктами, поэтому в данном случае речь могла идти лишь о техногенном фоне. По обеим скважинам концентрация НП на всю исследованную глубину (до 13м) оставалась постоянной - 0,047г/кг, т.е. 47мг НП на 1кг грунта. В условиях г.Томска эта величина составляла 2,23мг/кг [2]. По мнению авторов, этот фон сформировался под влиянием автотранспорта, в то время как на исследуемую площадку воздействует комплекс техногенных факторов.

Одной из задач исследований было изучение геологического разреза на всю мощность рыхлой толщи и выявление взаимосвязи литологического состава пород с уровнем их загрязнения и характером распределения НП. Поверхность площадки почти повсеместно покрыта насыпным грунтом мощностью до 2,7м, представленным щебнем или смесью щебня и суглинка. Он использовался, главным образом, для засыпки пятен НП, систематически появляющихся на дневной поверхности. По границам площадки и за ее пределами сохранился естественный почвенно-растительный слой. Под ним и насыпным грунтом повсеместно находятся глины и суглинки с незакономерной сменой цветов, оттенков и консистенции, более невыдержанными на площадке. Здесь в 5 из 10 пробуренных скважин верхняя часть мощностью до 3,5м состоит из темно-серых мягкопластичных глин. Под ними, а в четырех скважинах - непосредственно под насыпным грунтом находятся коричневые глины такой же консистенции.

За пределами площадки во всех пяти скважинах под почвенно-растительным слоем залегают глины и суглинки коричневые разных оттенков, от мягко- до тугопластичных, на всю вскрытую мощность, а в приречной зоне под ними находятся суглинки серые. Фильтрационные свойства суглинисто-глинистых пород в пределах площадки, оцениваемые по коэффициенту фильтрации, изменяются на три порядка - от 0,27·10^-2 до 0,39·10^-5 м/сут. Это обеспечило плановую и вертикальную неоднородность фильтрации и миграции НП, увлажнения и обводнения пород и распределения НП в них, что привело к изменению природного палевого цвета лессовидных суглинков. Следовательно, уже по внешнему облику пород в процессе бурения можно довольно уверенно определить глубину проникновения значительных количеств НП. Рыхлые образования подстилаются песчаниками верхнедевонского возраста, которые вскрыты на глубине от 4 до 16м, уменьшающейся в соответствии с уклоном рельефа. Они являются основным горизонтом, содержащим подземные воды практического использования.
Результаты изучения геологического разреза показали, что, несмотря на незначительные размеры исследуемой площадки, ее геологическое строение довольно неоднородно и явилось одним из основных факторов, определивших степень и характер загрязнения геологической среды, и подходы к выработке методики и технологии рекультивации.

Анализ результатов исследований грунтов в пределах бывшего склада ГСМ, отобранных на первом этапе исследований, показал чрезвычайно высокий уровень загрязнения приповерхностной зоны в непосредственной близости от емкостей, расположенных в пониженной части рельефа вдоль линии железной дороги, разделяющей площадку на два участка. Это понижение служит накопителем НП от близлежащих емкостей, в том числе из-за линии железной дороги. Оно постоянно заполнено смесью воды и НП и из него осуществляется непрерывная фильтрация вниз по рельефу в соответствии с уклоном площадки в западном направлении и вниз по разрезу. Концентрация НП здесь достигает 55г/кг на глубине 0,5м и снижается до 39г/кг на глубине 1 и 2м, сохраняясь такой же вблизи северной границы площадки. Вниз по рельефу в пределах этих глубин содержание НП в грунтах резко снижается и на границе мичуринских участков не превышает 3,6г/кг на глубине 1м.

В целом за пределами площадки в направлении к естественной дрене концентрация НП до 14 раз ниже, чем на основной площадке, но в вертикальном разрезе их распределение неоднозначно. В 55% из изученных 13 профилей на глубине 2м содержание НП возрастает по сравнению с глубиной 1м, а в 45% - снижается, однако площадь с высоким загрязнением (более 5г/кг) на глубине 2м значительно меньше, чем на глубине 1м. Пространственное растекание НП наиболее ярко выражено в сторону искусственной дрены (на глубине 1м), на глубине 2м проявляется влияние и естественной дрены. Неоднозначный характер распределения НП, очевидно, связан с увеличением фильтрационных свойств пород под влиянием НП. Подтверждением этому служит тот факт, что максимальные коэффициенты фильтрации определены для пород с минимальным содержанием песчаной фракции (5,11-8,68%), а минимальные – для пород с содержанием песчаной фракции, близкой к максимуму для исследованных пород (37,57%). Кроме того, второй случай - это участок вблизи основных источников загрязнения, а первый - за пределами площадки. Очевидно, что в направлении улучшения фильтрационных параметров мигрируют значительные количества НП, и здесь следует ожидать максимального загрязнения подземных вод.
Чрезвычайно высокий уровень загрязнения пород приповерхностной зоны предопределил необходимость дальнейшего выявления характера распределения НП в вертикальном разрезе, что и было установлено на втором этапе работ.
Прежде всего, выявлено, что фоновый уровень во всех изученных разрезах фиксируется на разной глубине. В непосредственной близости от северной границы площадки фоновые концентрации установлены на глубине 4 м, а на восточной границе – на глубине от 4 до 2м, но в крайней юго-восточной части, на участке сбора поверхностного стока, даже на глубине 10м концентрация НП в 1,5 раза выше фона. Следовательно, восточная часть площадки, где находится действующий технологический участок, является самой загрязненной по глубине проникновения НП. По южной границе, где расположена одна из искусственных дрен (закрытая), фон фиксируется уже на глубине 2м, т.е. ниже глубины влияния дрены. Дренирующий эффект сопровождается постоянным аэрированием грунтов, что резко снижает содержание НП в них. Эти участки первыми осваиваются травянистой, а затем кустарниковой растительностью. По западной границе площадки, которой является открытая дрена (фото 2) и автодорога, фоновые концентрации обнаруживаются на глубинах 2м и глубже, т.е. прослеживается аналогия с влиянием закрытой дрены. В пределах площадки наблюдаются не только максимальные концентрации, но и максимальная глубина проникновения НП. Вблизи резервуаров на глубине 3м содержание нефтепродуктов составляет до 15г/кг и даже на глубине 8м в 2 раза превышает фон. Высокое содержание обнаружено и на пересечении открытой и закрытой дрен в юго-западной части площадки - здесь на глубине 2м содержание НП достигает 18г/кг, но ниже по рельефу за пределами площадки оно снижается до 3,7г/кг. Очевидно, длительное функционирование накопителей НП, каковыми являются дрены, привело к максимальному концентрированию именно в зоне их пересечения. При этом вертикальная миграция оказалась более интенсивной, нежели плановая. Следовательно, на всех трех участках, являющихся основными накопителями НП, характер их вертикального распределения весьма близок. В контрольных разрезах, исследованных до глубин 5 и 8м, характер изменения концентрации и распределения НП одинаковы: наблюдается возрастание с глубиной, приводящее к увеличению общего фонового значения. Это объясняется тем, что искусственные дрены эффективно перехватывают наиболее загрязненный поверхностный и подземный поток на глубину 2-3м и защищают нижележащую территорию, а на большей глубине горные породы сорбируют НП из загрязненных подземных вод, двигающихся к естественной дрене.

Исследования показали, что практически в каждой скважине наблюдается индивидуальное распределение НП по вертикали. Тем не менее в целом все изученные геологические разрезы можно разделить на два типа - незагрязненные участки с фоновыми концентрациями или близкими к ним и загрязненные территории и разрезы (рис.1).

скважина 14

скважина 4

скважина 5

скважина 8

Рис. 1. Распределение НП в вертикальных разрезах (скв. 14,5,8,4)

Более общее представление о характере распределения НП в геологической среде, в том числе в плане, дают геологические разрезы (рисунок 6). Концентрации свыше 10 г/кг наблюдаются на значительных глубинах только в непосредственной близости от резервуаров, причем на уровне 50-55 г/кг загрязнен лишь приповерхностный слой. В пространстве уровни загрязнения дифференцируются следующим образом:
  - концентрации 10–50г/кг свойственны глубине 1-1,5м в той части площадки, которая находится на центре движения подземных вод к дрене (район скважины 7); глубины 2м - в районе скважины 2 (расположения основных емкостей); глубине 3м – на продолжении движения данного потока (скважины 3 и 21); следовательно, вниз по рельефу основной площадки глубина проникновения НП высоких концентраций возрастает, но не глубже 3м;
  - концентрации 5-10г/кг наблюдаются до глубин 3,5м в районе скважин 3 и 2, а далее совпадают с зоной 10-50г/кг;
  - концентрации 1-5г/кг прослеживаются на глубине более 3-3,5м в зонах более высокого уровня загрязнения, причем на северном и южном флангах – на глубине 2-3м, в районе скважины 7 – до 4,5м, а в районе скважины 2 – до глубины 7-7,5м, т.е. глубина проникновения НП этих концентраций возрастает по мере приближения к основным источникам загрязнения.

Анализ общей выборки по пробам, отобранным с глубины более 2м, показал, что концентрации 10г/кг и более (до 18г/кг, т.е. до 1,8% от массы грунта) свойственны лишь 6% проб. Содержания 1-4г/кг обнаруживаются в 12% проб, а в 83% проб они не превышают 0,1% массы грунта (до 96мг/кг). Это свидетельствует о существенном загрязнении только локальных участков, на которых и требуются основные рекультивационные работы. В соответствии с рекомендациями В.М.Гольдберга [1] восстановительные мероприятия необходимы при концентрациях НП в грунтах более 5г/кг. Как видно из рисунка, эта наиболее неблагоприятная в экологическом отношении зона имеет ограниченную площадь и глубину до 4м и совпадает с площадью расположения основных емкостей вдоль железной дороги, имея некоторую вытянутость вдоль потока подземных вод. Горное пространство, подвергшееся интенсивному загрязнению нефтепродуктами, имеет вид чаши, дно которой с фоновым содержанием нефтепродуктов вблизи источников загрязнения находится на глубине 7,5-10м, а борта – на глубине 2-4м. Это также подтверждает тот факт, что в суглинисто-глинистых породах вертикальная миграция НП преобладает над плановой, но и последняя имеет место. Это, в свою очередь, указывает на высокую вероятность загрязнения НП подземных вод, которые также нуждаются в исследованиях.

Исходя из выявленных закономерностей распределения НП в почвах и горных породах, рекомендации по экологической реабилитации территории сводятся к следующему:
  1. Изоляция открытой дреной действующего технологического участка со сбором поверхностного и подземного стока и его очисткой от НП;
  2. Расчистка и углубление действующей открытой дрены по западной границе площадки для сбора поверхностного и подземного стока с самой площадки; при этом необходимы мероприятия по предупреждению ее заиливания в процессе эксплуатации;
  3. Откачка нефтепродуктов, накопившихся на уровне грунтовых вод в юго-восточной части площадки и, возможно, в восточной части мичуринских участков;
  4. Участок вдоль линии расположения основных емкостей с содержанием НП до 55г/кг требует экскавации грунта на глубине до 2м полосой около 5-10м;
  5. Дальнейшая очистка территории должна происходить за счет аборигенной микрофлоры с внесением питательных веществ и аэрированием через существующие и дополнительно пробуренные скважины; данную процедуру необходимо производить неоднократно при наличии аналитического контроля состояния твердой и жидкой фаз геологической среды.

На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:
  1. Распределение НП по площади и разрезу крайне неравномерно, что необходимо учитывать при разработке плана рекультивационных работ;
  2. Распределение НП характеризуется комплексом естественных и антропогенных факторов, основными из которых являются геологическое строение и фильтрационные свойства пород и их способность улучшать эти свойства под влиянием НП, а также уклон рельефа и наличие понижений в нем, являющихся участками постоянной вертикальной фильтрации НП;
  3. Среди техногенных факторов основная роль принадлежит расположению резервуаров с НП, наличию, расположению и глубине дренажных сооружений, которые, в свою очередь, являются постоянно действующими источниками загрязнения геологической среды;
  4. Совокупность природных и антропогенных факторов обеспечивает формирование техногенного водоносного горизонта, который осуществляет плановую и вертикальную миграцию НП на значительное расстояние и глубину и служит источником вторичного загрязнения горных пород;
  5. Характер распределения НП неустойчив в пространстве и времени; максимальные концентрации наблюдаются на локальных участках, что значительно ускоряет и удешевляет восстановление территории в первую очередь за счет снижения самых дорогостоящих экскавационных работ;
  6. Выявление концентраций НП и характера их пространственно-временного распределения возможно только на основании детальных исследований, индивидуальных не только для каждой природно-климатической зоны, но и для каждого природно-техногенного объекта; следовательно, любые работы по экологической реабилитации участков дневной поверхности, почвенного слоя и геологической среды следует начинать с исследовательского этапа.

Литература