Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 2, стр. 48-52

ВВЕДЕНИЕ

К негативным факторам функционирования промышленных объектов, промплощадок, городских поселений относятся подтопление их территорий, а также загрязнение грунтовых вод. Подтопление обычно вызвано усилением питания или ухудшением условий разгрузки грунтовых вод. Оно ведет к неблагоприятным изменениям санитарно-эпидемиологической обстановки, снижению несущих свойств грунтов и т.д. [1, 2]. Выявление причин подтопления, характера и интенсивности загрязнения природных вод представляет собой весьма актуальную задачу.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования была выбрана одна из промплощадок строящегося современного предприятия нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Начало строительства относится к 2005 г. Первая готовая продукция была получена в 2011 г. В настоящее время на предприятии перерабатывается более 8 млн т нефти в год, а его проектная мощность – 14 млн т/год. Застроенная и функционирующая часть промышленной площадки (~2 км²) испытывает подтопление.

Промплощадка располагается в осевой части довольно крупного и пологого первично залесенного водораздела. В ненарушенных природных условиях уклон земной поверхности составлял 0.018. Верхняя часть геологического разреза сложена комплексом карбонатно-терригенных пермских платформенных отложений, которые перекрываются комплексом покровных элювиально-делювиальных четвертичных суглинков. Мощность покровных суглинков увеличивается до 15–20 м в направлении уклона земной поверхности. Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта (в дальнейшем изложении – грунтовые воды) были локализованы в пермских глинисто-песчаных породах и четвертичных суглинках. Они имели субнапорный характер. Их уровенная поверхность повторяла рельеф, глубина ее залегания в меженные периоды варьировала в пределах (1.5–2.0)–(7.0–7.5) м, при преобладающих значениях – 3–6 м. Напорный градиент составлял 0.017. Питание грунтовых вод в естественных условиях было исключительно атмосферным (инфильтрационое и конденсационное питание). Разгрузка происходила плановой фильтрацией, эвапотранспирацией и нисходящим перетеканием.

Возведению промышленных объектов предшествовали вырубка леса и планировка территории. В настоящее время рельеф промплощадки представляет собой ряд субгоризонтальных поверхностей, разделенных ступенями (уступами) высотой 2–3 м. С поверхности практически повсеместно развиты слабопроницаемые насыпные грунты, основой которых являются первичные элювиально-делювиальные суглинки. Их мощность – 0.5–12 м, преобладающие значения – 2–6 м. На 2017 г. глубины залегания уровня грунтовых (УГВ) вод варьировали в пределах 0.5–9.5 м, преобладающие их значения – 1.5–3.5 м. В целом площадь участков с глубиной УГВ до 3 м составляла не менее 65–70% территории, с глубиной менее 2 м – 15–20%, а с глубиной более 4 м – около 10–12%. Последние фиксировались, в основном, по периферии промплощадки, где либо вблизи поверхности залегают мощные пачки пермских песчаников, либо существенна дренирующая роль близрасположенных оврагов (овражных ручьев). Разгрузка грунтового водоносного горизонта, как и в естественных условиях, происходит путем плановой фильтрации, испарения и нисходящего перетекания.

Емкостные и фильтрационные параметры верхней части разреза по данным наливов в шурфы и скважины (ОФО), а также откачек из скважин приведены в табл. 1.

В пределах промплощадки действует система поверхностного дренажа. Она представлена забетонированными канавами и различными лотками. Дренажные воды отводятся на очистные сооружения, расположенные прямо на промплощадке. К сожалению, поверхностный дренаж характеризуется малым радиусом влияния, находится в неудовлетворительном техническом состоянии, а также он расположен не повсеместно. На предприятии имеется сеть режимных скважин, оборудованных на грунтовый водоносный горизонт и расположенных по периферии его функционирующей части промплощадки. Наблюдения за УГВ и х составом вод ведутся с периодичностью 4 раза в год. На предприятии внедрена система оборотного водоснабжения, очистные сооружения расположены непосредственно на промплощадке. Утечки производственных вод из водоводов фиксируются, но точный их учет представляет значительные сложности.

Для оценки величины инфильтрационного питания грунтовых вод обработаны данные по режимным скважинам за временной период 2012–2016 гг., а также проведены балансовые расчеты по двум изолированным локальным площадкам в центральной части рассматриваемого объекта. Инфильтрационное питание (W) по наблюдательным скважинам оценивалось по формуле:

где ∆H – амплитуда подъема УГВ за время ∆t (м/сут); µ – недостаток гравитационного водонасыщения.

Данная формула корректна в случае постоянства транзитного стока (q_{притока} ≈ q_оттока) [3, 6].

Балансовые расчеты проведены на основе методики ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева ¹¹. Основными рассчитываемыми параметрами были величины поверхностного стока и испарения (табл. 2).

Изменение состава грунтовых вод в пределах промплощадки определено по анализу гидрогеохимических особенностей во временном диапазоне 1979 г. (проведение гидрогеологической съемки масштаба 1:200000) – 2005–2008 гг. (вырубка леса и начало строительства различных объектов) – 2017 г. (период проведения авторами гидрогеологических исследований).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Основная причина подъема УГВ (в среднем на 1–3 м относительно природных условий) и их преобладающее залегание на глубинах до 3 м является следствием усиления инфильтрационного питания и наличием слабопроницаемых грунтов в разрезе. Усиление питания на первых этапах функционирования промплощадки было связано с вырубкой леса (уменьшение эвапотранспирации), планировкой территории (ликвидация поверхностного стока) и длительным существованием отдельных строительных котлованов и канав. Впоследствии за счет подъема уровня усилилось испарение, которое вероятно компенсировало былую эвапотранспирацию, но нормально функционирующий поверхностный сток до сих пор не организован. Величина поверхностного стока в природных условиях, подобных условиям залесенного пологого водораздела, существовавшего на месте промплощадки должна составлять 10–15% от годовой нормы осадков. Большая часть этого поверхностного стока на промплощадке переведена в подземный сток (инфильтрационное питание).

Величина инфильтрационного питания грунтовых вод на одном из близрасположенных к промплощадке объектов, в сходных природных условиях составляла 12.2% от годовой нормы осадков в 554.6 мм/год. При этом общее количество эффективных осадков оценивалось в 14.3% (2.1% от нормы осадков в приводораздельной части склонов шло на питание второго от поверхности водоносного горизонта (комплекса)) [4, 5]. Добавление к этой величине еще 5–15% от нормы осадков (первичного поверхностного стока) как раз и должно вызвать наблюдаемые изменения в положении уровней подземных вод. Кроме этого, дополнительным питанием являются и утечки сточных вод. Доказательством таких утечек служит трансформация гидрогеохимического поля, но точную величину таких утечек выявить пока очень сложно. Величина современного инфильтрационного питания грунтовых вод на промплощадке составляет 22–35% от нормы осадков (табл. 2, 3).

Средние величины инфильтрационного питания грунтовых вод, локализованных в пермских породах, по данным режимных наблюдений (в % от нормы осадков) – 30.5, а в покровных четвертичных суглинках – 27.8.

Грунтовые воды промплощадки претерпели некоторые изменения своего состава (табл. 4). Увеличение минерализации связано с концентрированием почти всех макро- и мезокомпонентов, а также Fe и Mn. Так содержания некоторых компонентов могут достигать (мг/л): ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ – 879; Cl^– – 267; ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ – 126; ${\text{NO}}_{3}^{ - }$ – 141; Br^– – 0.81; Fe – 4.16; Mn – 3.0. Подобная картина обусловлена локально проявленными утечками из многочисленных водоводов, аэрогенным загрязнением территории, а также более интенсивным выщелачиванием минерального матрикса подземными водами, которые приобрели большую углекислотную агрессивность за счет хемо- и биодеструкции органического вещества.

ВЫВОДЫ

Основной причиной подтопления промплощадки является усиление инфильтрационного питания грунтовых вод. Даже не совсем хорошо функционирующий поверхностный дренаж перехватывает 5.5% от нормы осадков. Наиболее эффективный способ понижения уровня грунтовых вод – реконструкция существующей системы поверхностного дренажа с дополнительной планировкой территории для увеличения его эффективности и создания новых дренажных линий (система поверхностного дренажа играет роль природного поверхностного стока), так как практически все виды подземного дренажа в условиях слабопроницаемых грунтов малоэффективны. Реализация этих мероприятий, при несущественном объеме утечек производственных вод, позволит снизить уровень грунтовых вод до значений, фиксировавшихся в природных ненарушенных условиях. Грунтовые воды в пределах промплощадки будут всегда иметь повышенную минерализацию, даже при гипотетической ликвидации всех возможных утечек из водоводов. Это связано с аэрогенным загрязнением поверхности, в котором принимает участие и органическое вещество, деструкция которого сопровождается выделением углекислого газа, что будет обусловливать повышенную углекислотную агрессивность вод зоны аэрации и грунтовых вод.