ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 1, с. 82-89
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 556.5.01
ГИДРОДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОДВИЖЕНИЯ
УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЛИНЗЫ В ГРУНТОВЫХ ВОДАХ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ПОСТУПЛЕНИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
© 2007 г. А. П. Фролов, А. П. Дудукалов
Институт водных проблем РАН Поступила в редакцию 21.12.2004 г. После исправления 19.09.2005 г.
Сформулированы основные положения динамики распространения легкого нефтепродуктового загрязнителя по поверхности грунтовых вод в режиме совместного движения двух несмешивающихся жидкостей. Для условий плоской симметрии потоков сформулирована замкнутая краевая задача, разработаны алгоритмы и программы решения проблем формирования и движения углеводородной линзы при наличии градиента потока подземных вод и при непрерывном поступлении загрязнителя с поверхности.
Проблема нефтяного и нефтепродуктового (НП) загрязнения подземных вод в последнее время приобретает все более приоритетное значение в природоохранных мероприятиях, особенно в районах, где подземные воды служат основным или существенным дополнительным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения. Загрязнения такого рода наиболее распространены, длительны, а их последствия - трудно устранимы. При этом для большинства углеводородов (УВ) установлены очень низкие значения ПДК, и содержание в воде даже небольшого количества растворенных углеводородных соединений (способностью растворяться в воде обладают наиболее опасные, токсичные группы УВ) достаточно, чтобы вывести из разряда кондиционных значительный объем подземных вод. Так, 1 л бензина при полном растворении способен загрязнить до недопустимых концентраций 2 млн. л подземных вод [3]. При неглубоком залегании загрязненных грунтовых вод серьезную угрозу для здоровья и даже жизни людей представляют пары НП. Будучи токсичными, они оказывают отравляющее действие на организм человека. Кроме того, высокое содержание в воздухе паров НП может привести к возникновению пожаро- и взрывоопасной обстановки. Информация о закономерностях движения таких загрязняющих веществ в грунтах зоны аэрации и подземных водах и их пространственно-временном распределении необходима для оценки степени загрязнения, а также для разработки специальных защитных мер по охране и очистке подземных вод [4].
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Углеводородное загрязнение подземных вод в различной степени присутствует везде, где расположены объекты нефтедобычи и нефтепродук-тообеспечения. Наиболее распространено загрязнение подземных вод, вызванное системными поступлениями НП в окружающую среду. Это различные по объемам, интенсивности, срокам возникновения и продолжительности эксплуатационные систематические и аварийные утечки и проливы [1]. Аварийные ситуации, как правило, сопровождаются потерями больших количеств НП, значительная часть которых при последующей инфильтрации через зону аэрации может достигать уровня грунтовых вод. При небольших по объемам утечках или проливах масштабы загрязнения зависят от количества источников поступления НП в пределах рассматриваемой территории, продолжительности действия каждой отдельной утечки (пролива), а также периодичности, с которой они возникают. Если такого рода потери происходят постоянно в течение длительного периода времени, последствия загрязнения могут быть сопоставимы с катастрофическими. В качестве примеров подобных ситуаций можно назвать территории некоторых промышленных объектов, где на протяжении ряда лет происходили систематические утечки жидких НП (прежде всего топлива различных видов). В настоящее время в ряде регионов России в связи с наличием огромных скоплений НП в подземных водах сложилась особенно неблагоприятная экологическая обстановка. Так, в районе г. Ейск в результате постоянных утечек авиационного топлива на глубине 20 м сформировалась техногенная линза, запасы керосина в которой достигают
200-250 тыс. т. В линзе керосина в районе г. Энгельс запасы оцениваются в 240 тыс. т., при этом полная площадь линзы составляет более 120 га. Объем НП в плавающей линзе на участке Курской нефтебазы составляет 36-40 тыс. м3, а ее площадь в контуре однометровой мощности -около 12 га [1]. По данным МПР РФ, в Москве наличие крупных топливных линз в водоносных горизонтах установлено в районе АЗЛК и на нефтеперегонном заводе в Капотне. Подобные примеры крупных скоплений НП в подземных водах весьма многочисленны и разнообразны.
На характер миграции, формы нахождения и концентрирование НП в подземных водах в виде тех или иных форм техногенных скоплений определяющее влияние оказывают в сочетании друг с другом ряд факторов [1, 2]:
- физические и физико-химические свойства нефтей и НП (в первую очередь свойства, отражающие их фильтрационные особенности -плотность, вязкость, растворимость в воде, сор-бируемость породами);
- геолого-гидрогеологические условия территории в районе объекта-загрязнителя (литологи-ческий состав пород, строение и, как следствие, проницаемость водовмещающих пород; глубина залегания, уклон, а также сезонные и многолетние колебания УГВ);
- объемы и продолжительность поступлений НП в геологическую среду.
Нефть и большинство НП имеют плотность меньше плотности воды (за исключением мазутов и некоторых смазочных масел) и большую по сравнению с водой вязкость. При этом наибольшей подвижностью и способностью формировать линзы на поверхности зеркала грунтовых вод обладают наименее вязкие и низкоплотные товарные виды НП. В первую очередь это относится к бензинам, которые в сочетании с низкой плотностью имеют пониженную по отношению к воде вязкость, что обусловливает их наивысшие по сравнению с другими видами жидких НП и с собственно водой миграционные способности в компонентах геологической среды. Вязкие и тяжелые НП за счет своей малоподвижности образуют локальные очаги загрязнения. Растворимость нефтей и НП в воде связана прежде всего с их химическим составом, хотя в целом НП плохо растворяются в воде. При попадании НП на поверхность земли на первом этапе имеет место гравитационное просачивание жидких легкоподвижных НП через поровое пространство ненасыщенной зоны вниз к уровню грунтовых вод, по достижении которого происходит их накопление и боковое растекание. Дальнейшее распространение НП в подземных водах обусловлено главным образом действием гидравлического градиента, определяемого
уклоном потока грунтовых вод. В водонасыщен-ной среде жидкие УВ мигрируют как не смешивающиеся с водой жидкости, образуя двухфазную систему. Мигрируя с потоком грунтовых вод, нефтепродукты могут распространяться на большие расстояния, оставаясь при этом скрытым, долговременным, легкоподвижным источником загрязнения как поверхностных вод, так и глубоких водоносных горизонтов и, как следствие, водозаборных сооружений.
Разнообразные проблемы миграции УВ нашли отражение в работах В.А. Мироненко, В.М. Гольдберга, И.С. Пашковского, А.В. Расторгуева, П.Н. Куранова, Parker J.C., Abrióla L.M., Bear J. В работе [1] выделены следующие основные формы скопления НП, непосредственно связанные с горизонтом грунтовых вод: плавающая линза НП (или альтернативная ей зона пленочного растекания НП по поверхности грунтовых вод), зона растворенных и эмульгированных НП и зона тяжелых НП в грунтовых водах. В данной работе основное внимание будет уделено исследованию закономерностей формирования и движения наиболее значимой формы скопления НП в подземных водах - плавающей на поверхности грунтовых вод линзе НП.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ
В последнее время в практике гидрогеологических исследований нашли применение математические модели различной степени сложности для описания транспорта в подземных водах не-смешивающихся с водой загрязнителей [6, 9-12]. Управляющие уравнения, использованные в таких моделях, нелинейны и составляют взаимосвязанную систему дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих движение воды и нефти на основе физических представлений, изложенных, в частности, в работе [8] о преимущественно горизонтальном характере движения линзы НП. При этом вертикальные компоненты скорости и градиента напора малы по сравнению с горизонтальными (давление соответственно распределено по гидростатическому закону, капиллярным давлением на границе НП -вода пренебрегается). Эти предположения позволяют рассчитывать запасы каждой фазы в пласте и изменения границ раздела фаз. В работе [6] предложено численное решение для задач плановой безнапорной фильтрации воды и нефтепродуктов (в двумерной постановке). Особенность предложенной в данной работе модели движения двух несмешивающихся жидкостей в пористой среде (вода и легкий УВ) - возможность ее использования для случая непрерывного поступления загрязнения с поверхности как на стадии фор-
Я, м
г
_±_±_
зона аэрации
подвижная линза нефтепродуктов
направление потока грунтовых вод
УГП
зона полного насыщения
0 X А В Ь, м
Рис. 1. Схема вертикального разреза линзы НП, расположенной на поверхности грунтовых вод.
мирования линзы, так и в процессе ее продвижения по зеркалу грунтовых вод.
Предполагая несжимаемость НП, воды и скелета пористой среды насыщенной зоны и проводя интегрирование по вертикали уравнений трехмерной фильтрации [5], можно получить в нестационарном одномерном (плоская симметрия) случае следующую систему нелинейных взаимосвязанных уравнений в частных производных второго порядка параболического типа
д Э Ух _ д
п 0 д т ^ д т д X
д у2-(72-Г1 ЬдТ
ЭГ _ к А
п д т к:д X
- д (у Р о + Р : - Р о у \
1 щУ2 р:+-р-у 11
Я о,
+ Я: ,
где п:, п0 - эффективная пористость водоносных пород и пород в зоне полного НП насыщения соответственно (принимаются постоянными); к:, к0 -коэффициенты фильтрации водоносных пород и пород в зоне полного НП насыщения соответственно (принимаются постоянными); р:, р0 -плотность воды и НП соответственно, У1, У2 - расстояния от водонепроницаемой подошвы водоносного пласта до нижней и верхней границ линзы соответственно, т - время, Я:, Я0 - соответственно интенсивность инфильтрации воды и поступления НП с поверхности, зависящие от времени и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.