Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ПО РАЗРЕЗУ ГРУНТОВОГО МАССИВА

Красильников П.А. 1 Середин В.В. 1 Леонович М.Ф. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
При аварийных утечках нефти углеводороды оказывают негативное влияние не только на жизнедеятельность биоты, но и на свойства грунтов, являющихся основанием инженерных сооружений. Для выбора эффективных способов рекультивации почв, а также контроля изменения свойств грунтов необходимы знания по прогнозу глубины и степени загрязнения грунтов углеводородами. Данной проблеме посвящена эта работа. Скорость проникновения моторного масла в грунтовый массив контролируется номенклатурой грунтов. В глинистых грунтах наблюдается наименьшая скорость фильтрации углеводородов, в песках мелких она возрастает и в песках средней крупности достигает максимальных значений. Установлено, что скорость фильтрации масла машинного зависит от времени загрязнения. С увеличением времени нефтяного воздействия на грунт скорости фильтрации моторного масла закономерно уменьшаются, о чем свидетельствуют отрицательные значения коэффициентов парной корреляции между временем и скоростью проникновения углеводородов. Рассчитаны математические модели для прогноза скорости загрязнения в зависимости от времени техногенной нагрузки на грунт.
грунт
песок
глина
углеводородное загрязнение
инженерная геология
геоэкология
1. Галкин В.И., Середин В.В., Бачурин В.А. Применение вероятностно-статистических моделей при изучении распределения углеводородов в грунтах и выборе технологий их санации. – Пермь: РИО ПГТУ, 1999. – 140 с.
2. Каченов В.И., Середин В.В., Карманов С.В. К вопросу о влиянии нефтяных загрязнений на свойства грунтов // Геология и полезные ископаемые Западного Урала. – 2011. – № 11. – С. 164–165.
3. Круподеров И.В., Мосейскин В.В. Моделирование углеводородного загрязнения геологической среды на территории Воронежской нефтебазы ОАО «Воронежнефтепродукт» // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2012. – № 11. – С. 273–281.
4. Кузнецов Ф.М., Козлов А.П., Середин В.В., Пименова Е.В. Рекультивация нефтезагрязненных почв: учебное пособие. – Пермь, 2003. – 196 с.
5. Середин В.В. Математические методы в гидрогеологии и инженерной геологии: курс лекций; М-во образования и науки Российской Федерации, гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Пермский гос. ун-т», каф. инженерной геологии и охраны недр. – Пермь, 2011. – 122 с.
6. Середин В.В. Оценка геоэкологических условий санации территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. – Пермь: РИО ПГТУ, 1998. – 153 с.
7. Середин В.В. Исследование влияния вязкости поровой жидкости (углеводородов) на прочностные свойства песков // Инженерная геология. – 2014. – № 4. – С. 45–48.
8. Середин В.В. Исследование пространственного распределения углеводородов в почвогрунтах и водах на территориях, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. – Пермь: РИО ПГТУ, 1998. – 110 с.
9. Середин В.В. Исследование температуры пород в зоне трещины разрушения // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9–12. – С. 2713–2717.
10. Середин В.В. К вопросу о прочности засоленных глинистых грунтов // Инженерная геология. – 2014. – № 1. – С. 66–69.
11. Середин В.В., Ядзинская М.Р. Закономерности изменения прочностных свойств глинистых грунтов, загрязненных нефтепродуктами // Инженерная геология. – 2014. – № 2. – С. 26–32.
12. Середин В.В., Ядзинская М.Р. Исследование механизма агрегации частиц в глинистых грунтах при загрязнении их углеводородами // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 8 (Часть 6). – С. 1408–1412.
13. Середин В.В., Стародумова А.О., Пушкарева М.В., Лейбович Л.О. Экспериментальное изучение распространения углеводородного загрязнения в геологической среде // Нефтяное хозяйство. – 2014. – № 10. – С. 131–133.

С увеличением объемов и расширением масштабов добычи, транспортировки, переработки и использования нефти и нефтепродуктов возросла и проблема, связанная с загрязнением природной среды [3, 6, 13]. При аварийных утечках нефти углеводороды оказывают негативное влияние не только на жизнедеятельность биоты, но и на изменение свойств грунтов [2, 6, 8, 12, 13], являющихся основанием инженерных сооружений. Для выбора эффективных способов рекультивации почв [1, 4], а также контроля изменения свойств грунтов необходимы знания по прогнозу глубины и степени загрязнения грунтов углеводородами. Данной проблеме посвящен ряд работ по экспериментальному моделированию загрязнения геологической среды [1, 9] и изучению закономерностей распределения УВ [5, 11]. Полученная информация имеет ограниченное применение, так как грунты и почвы имеют сложный состав, различные состояния и свойства. Для повышения точности и надежности прогноза изменения их свойств требуется значительное расширение объема экспериментальных исследований. Поэтому целью настоящей работы является изучение особенностей распределения углеводородов по разрезу грунтовой толщи.

Материалы и методы исследований

В пластиковые прозрачные цилиндры диаметром 5 см с рабочей высотой около 55 см насыпан раздельно песок средней крупности, мелкий песок и монтмориллонитовая глина. Грунт находился в воздушно-сухом состоянии. Песок был предварительно просеян, промыт, высушен в печи при температуре 105 °С и снова просеян. В донной части цилиндров просверлены по 4 дренажных отверстия диаметром 3 мм и одному центральному отверстию диаметром 8,5 мм для штока (для выдавливания грунта из цилиндра по окончании эксперимента). На дно цилиндров уложены жесткая шайба (поршень), перфорированная дренажными отверстиями диаметром 1,5 мм, а сверху на нее помещена прокладка из фильтровальной бумаги.

Грунт был уплотнен путем постукивания по стенкам цилиндра снизу вверх по всему периметру под статической нагрузкой в 0,007 МПа до полной стабилизации процесса осадка песка. В качестве углеводородов использовано моторное масло ЛУКОЙЛ «Мото2Т». Цилиндры сверху были закрыты пленкой, перфорированной мелкими отверстиями. Параметры эксперимента приведены в табл. 1.

Измерения глубины проникновения масла в грунт проводились с помощью мерной линейки по масляному следу, оставляемому в грунте и на стенках цилиндров, с периодичностью от 1 до 10 раз в сутки с фиксацией времени наблюдений.

Анализ результатов показывает, что наиболее интенсивная фильтрация масла наблюдалась в первые сутки и особенно в первые часы эксперимента. Наибольшая скорость проникновения масла в грунт зафиксирована для песка средней крупности. Она составила 51 мм за первый час и снизилась до 17 мм/ч к пятому часу эксперимента, т.е. в три раза. Аналогичная картина наблюдалась и в цилиндре с мелким песком. Процесс проникновения масла в глинистый грунт протекал менее интенсивно, более спокойно и стабильно. Скорости фильтрации масла в глине и песке отличались друг от друга в первые сутки практически на порядок, на десятые сутки – в 2–3 раза, а через месяц – в 1,5–2 раза. Однако в абсолютном выражении разница в суточной скорости фильтрации масла в песке и глине на тридцатые сутки составила лишь 1–2 мм/ч.

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты измерений глубины проникновения масла в грунты во времени приведены на рис. 1.

Для установления скорости фильтрации от времени загрязнения грунтов маслом моторным проведен вероятностно-статистический анализ результатов экспериментов [10]. Следует отметить, что в расчетах исключены данные по скоростям фильтрации в первые сутки загрязнения грунтов углеводородами. Результаты корреляционного анализа приведены в табл. 2.

Таблица 1

Параметры эксперимента

Параметры

Песок средней крупности

Песок мелкий

Глина монтмориллонитовая

Вес цилиндра, г

399,7

398,4

394,9

Вес грунта, г

1660

1530

1341

Объем грунта, мл (г)

1000

1000

1000

Плотность грунта, г/см3 – насыпная

1,46

1,39

0,99

Плотность грунта, г/см3 – после уплотнения

1,66

1,53

1,34

Влажность грунта, %

0,3

0,5

5,6

Высота грунта в цилиндре, мм

540

540

540

Высота слоя масла моторного на грунте, см

5

5

5

Вес масла моторного, г

89

89

89

Температура окружающей среды, °С

+17...(+22)

+17...(+22)

+ 17...(+22)

pic_41.tif

Рис. 1. Изменение глубины проникновения масла в песок средней крупности во времени

Из табл. 2 видно, что с увеличением времени нефтяного воздействия на грунт скорости фильтрации моторного масла закономерно уменьшаются, о чем свидетельствуют отрицательные значения коэффициентов парной корреляции между временем и скоростью проникновения УВ.

Анализ коэффициентов корреляции (табл. 2) показывает, что численные значения r выше, чем критические rк = 0,50 при уровне значимости α = 0,05 и числе степеней свободы к = 14. Это свидетельствует о том, что между исследуемыми признаками существуют статистические связи.

Далее использован регрессионный анализ [10], который позволил рассчитать математические модели для прогноза скорости (V) загрязнения в зависимости от времени техногенной нагрузки на грунт.

Для песка средней крупности уравнение имеет вид

Vп.с.с = 24,0391–0,7733∙t,

где Vп.с.с – скорость фильтрации масла в песках сухих средней крупности, мм/сут; t – время фильтрации, сут.

Для песка мелкого уравнение имеет вид

Vп.м.с = 16,5558 – 0,5321∙t,

где Vп.м.с – скорость фильтрации масла в песках мелких, мм/сут; t – время фильтрации, сут.

Для глины уравнение имеет вид

Vг.с = 8,101 – 0,2309∙t,

где Vг.с – скорость фильтрации масла в глинах, мм/сут; t – время фильтрации, сут.

На 65-е сутки эксперимент был прекращен. С помощью штока и шайбы-поршня грунт был порционно вытеснен из цилиндров, отобран и передан для химического анализа с целью определения содержания масла в грунте по разрезу.

Результаты измерений содержания масла в грунте по разрезу приведены на рис. 2. Анализ их показывает, что в песке средней крупности концентрация масла до глубины 140–150 мм остается постоянной, незначительно возрастает до глубины 480–490 мм, а затем наблюдается резкий рост концентрации (на дне цилиндра).

Этот вид распределения УВ можно объяснить следующим образом. В верхней части цилиндра процесс фильтрации масла завершился. Концентрация масла в грунте определяется величиной его поверхностной энергии, зависящей от удельной поверхности грунта.

Таблица 2

Результаты расчетов коэффициентов корреляции в грунтах, подверженных нефтяному загрязнению

 

Время, сут.

Скорость фильтрации

песок средней крупности

песок мелкий

глина

Время, сут

1

     

Скорость фильтрации в песке средней крупности, мм/сут

–0,82

1

   

Скорость фильтрации в песке мелком, мм/сут

–0,85

0,99

1

 

Скорость фильтрации в глинах, мм/сут

–0,92

0,96

0,97

1

Повышенная концентрация масла в грунте на участке ниже глубины 140 мм связана с незавершенностью процесса фильтрации, а в районе дна цилиндра – с проявлением капиллярных свойств.

Дополнительные исследования показали, что капиллярная маслоемкость песка средней крупности составляет 19–19,5 %. В нашем эксперименте в нижнем слое грунта зафиксировано содержание масла на уровне 10 %. Это свидетельствует о том, что вышеописанная зона является переходной к зоне капиллярной маслоемкости.

Аналогичная картина распределения содержания масла наблюдается и в мелком песке. Процесс фильтрации масла здесь завершился на отрезке до глубины 70–75 мм. Дальнейшее повышение концентрации масла в песке с увеличением глубины объясняется также незавершенностью процесса фильтрации, который в мелком песке протекает значительно медленней, чем в песке средней крупности.

Фильтрация масла в сухом грунте сопровождается расходованием его на взаимодействие с частицами грунта. При этом объем свободного несвязанного масла постоянно уменьшается. Интенсивность его расходования (расход масла на 1 см3 грунта) будет зависеть от суммарной площади поверхности всех частиц грунта в единице объема. Как известно, наибольшими значениями суммарной площади поверхности частиц обладают мелкодисперсные грунты. В нашем случае это – глина. Высокое содержание масла в верхнем слое глины и резкое снижение его на глубине указывают, прежде всего, на недостаточность объема масла и времени проведения данного эксперимента.

pic_42.tif

Рис. 2. Изменение содержания масла в грунтах по разрезу: 1 – песок средней крупности; 2 – мелкий песок; 3 – глина монтмориллонитовая

Для получения завершенной картины фильтрации масла в сухой глине и оценки «устоявшихся» граничных значений концентрации в ней масла следует повторить данный эксперимент при увеличении объема масла до 200–300 мл и продолжительности наблюдений до полугода. Так как на момент завершения эксперимента еще наблюдалась некоторая фильтрация масла в грунте, наиболее реальными граничными значениями содержания масла (для данной вязкости масла ЛУКОЙЛ «Мото 2Т», температуры воздуха и прочих условий эксперимента) следует считать содержание его в верхних слоях грунта по разрезу: для песка средней крупности – 27000–30000 мг/кг (2,7–3,0 %), для мелкого песка – 42000–45000 мг/кг (4,2–4,5 %).

При этом ожидаемое распределение содержания масла по глубине в песке мелкой и средней крупности при полном завершении процесса фильтрации будет предположительно иметь вид, представленный на рис. 2. Аналогичного распределения, вероятно, следует ожидать и для глины монтмориллонитового состава при граничном значении содержания масла на уровне 17000–20000 мг/кг (17–20 %).

Выводы

Скорость проникновения моторного масла в грунтовый массив контролируется номенклатурой грунтов. В глинистых грунтах наблюдается наименьшая скорость фильтрации углеводородов, в песках мелких она возрастает и в песках средней крупности достигает максимальных значений. Установлено, что скорость фильтрации масла машинного зависит от времени загрязнения. С увеличением времени нефтяного воздействия на грунт скорости фильтрации моторного масла закономерно уменьшаются, о чем свидетельствуют отрицательные значения коэффициентов парной корреляции между временем и скоростью проникновения УВ.

Анализ коэффициентов корреляции (табл. 2) показывает, что численные значения r выше, чем критические rк = 0,50 при уровне значимости α = 0,05 и числе степеней свободы к = 14. Это свидетельствует о том, что между исследуемыми признаками существуют статистические связи.

Рассчитаны математические модели для прогноза скорости (V) загрязнения в зависимости от времени техногенной нагрузки на грунт.

Установлены взаимосвязи между концентрацией масла в грунте и глубиной отбора проб. В песке средней крупности концентрация масла до глубины 140–150 мм остается постоянной, незначительно возрастает до глубины 480–490 мм, а затем наблюдается рост концентрации (на дне цилиндра).

Данный вид распределения УВ можно объяснить следующим образом. В верхней части цилиндра процесс фильтрации масла завершился. Концентрация масла в грунте определяется величиной его поверхностной энергии, зависящей от удельной поверхности грунта.

На участке ниже глубины 140 мм повышенная концентрация масла в грунте связана с незавершенностью процесса фильтрации, а в районе дна цилиндра – с проявлением капиллярных свойств грунта.

Рецензенты:

Наумов В.А., д.г.-м.н., профессор кафедры поисков и разведки полезных ископаемых, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;

Наумова О.Б., д.г.-м.н., зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 10.04.2015.


Библиографическая ссылка

Красильников П.А., Середин В.В., Леонович М.Ф. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ПО РАЗРЕЗУ ГРУНТОВОГО МАССИВА // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-14. – С. 3100-3104;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37699 (дата обращения: 01.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074