Оценка загрязнения поверхностных вод

Наименее изучены вопросы рассредоточенного загрязнения нефтепродук­тами речных водосборов, поэтому экспериментальные данные и подходы к таким оценкам имеют большое методическое и практическое значение.

Нефть и нефтепродукты при их попадании в водотоки и водоемы, а также на заболоченные участки образуют стойкие пленочные формы, которые препятствуют аэрации, оказывая таким образом воздействие на гидробионтов. Однако при контактах с водой нефть перестает существовать в исходной форме, что определяется не только ее исходными физико-химическими свойства­ми (плотностью, вязкостью, содержанием асфальтенов и парафинов и др.), но и температурой, газонасыщенностью, степенью турбулентности, характером водной растительности и другими факторами водоема, влияющими на форму нефти. Вода является универсальным растворителем, который взаимодейству­ет практически со всеми компонентами и фракциями сырой нефти. В водной среде нефть может находиться в нескольких состояниях:

- в виде поверхностной пленки;

- растворенных форм;

- эмульсий "нефть в воде" и "вода в нефти";

- взвешенных форм (плавающие на поверхности и в толще воды мазутно-нефтяные агрегаты, сорбированные на взвесях нефтяные фракции);

- задержки эмульсий взвешенных форм водной растительностью;

- осажденных на дне форм твердых и вязких компонентов.

Считается, что только до 1-4 % (иногда до 15 %) сырой нефти растворяется в воде, а от 10 до 40% общего количества может испаряться. Однако эти данные весьма условны и как значение "констант распада" (выведения, деградации) нефтепродуктов принимаются по лабораторным опытам.

В реальных условиях концентрации нефтепродуктов в водных средах изменяются в достаточно широких пределах, как и агрегатные состояния перехода из одного в другое. На этом принципе и основаны представления о вторичном загрязнении, скорости деградации нефтепродуктов, расчет коэффициентов гид­родисперсии при моделировании и другие важные практические приемы изу­чения нефтяного загрязнения, а также методы реабилитации водоемов.

Наибольший ущерб водоемам и водотокам наносят аварийные разливы не­фти. Площади поражения нефтяным загрязнением зависят не только от объе­мов разлитой нефти, но и от ее вязкости, температуры среды, скорости течения и времени непринятия мер к локализации.

На основе расчетов установлено, что при аварийных ситуациях на речных переходах и смыве дождями с загрязненной поверхности водосбора в реку могут попасть десятки и даже сотни тонн (а иногда и тысячи тонн, например, Усинская авария) нефтепродуктов. Путем модельных расчетов также установлено, что при утечке нефти в объеме десятков или сотен тонн протяженность загряз­нения речных вод выше 100 ПДК может достигать нескольких километров; выше 10 ПДК - несколько десятков километров; выше 1 ПДК - нескольких сотен километров [80]. Это свидетельствует о том, что загрязнение нефтепро­дуктами в районах разработки нефтяных месторождений носит долговремен­ный и региональный характер.

И действительно, данные по загрязнениям нефтепродуктами Среднего Приобья имеют четко выраженные закономерности. Максимальное загрязнение отмечается на участках рек в непосредственной близости от эксплуатируемых месторождений и трубопроводов.

Нельзя не отметить факты естественной разгрузки нефти в водоемы и водотоки, которая наблюдается практически во всех нефтеносных провинциях. Од­нако масштабы такой разгрузки несопоставимы с нефтяным загрязнением в результате антропогенной деятельности.

Согласно водоохранным правилам при разработке месторождений нефти обычно не предусматривается прямых сбросов неочищенных сточных вод в поверхностные водотоки.

Отработанные буровые растворы (ОБР), как правило, используются повтор­но, а сточные воды закачиваются в поглощающие скважины либо проходят соответствующую очистку от ЗВ. В случае попадания ОБР, содержащего токсичные химические реагенты, в сточные воды буровых установок образуются весьма стойкие, не отстаивающиеся суспензии. Эти смеси при попадании в водоем образуют слаборазлагающиеся пленки, препятствующие аэрации во­доемов.

Как было показано выше, не исключается ситуация, когда строительство амбаров и отстойников проводится в поймах рек, а в периоды дождей и паводков происходят прорывы их стенок и ограждений. В результате отходы расте­каются по площадкам и понижениям рельефа, что приводит к загрязнению не только почв, но и поверхностных, грунтовых и подземных вод. Такие же ситу­ации могут возникнуть вследствие несвоевременной ликвидации шламовых амбаров и последующей рекультивации плодородного слоя почв на кустовых площадках.

Следуя отраслевому стандарту, ОБР должны быть очищены от взвесей, примесей нефти и разбавлены до допустимых норм (ПДК). Однако эти правила трудновыполнимы в связи с рядом объективных причин:

- очистка буровых сточных вод стоит дорого;

- для разбавления ряда ингредиентов растворов требуются необходимая кратность от 25 до 80 тыс. раз и, следовательно, большие объемы чистой воды;

- многократное использование буровых растворов неоправданно при больших расстояниях между кустами скважин.

Учитывая отсутствие режимных гидрологических наблюдений на многих водотоках в районах нефтяных месторождений, параметры стока можно определить на основе СНиП 2.01.14-83. Оценка влияния гидрологического фактора на интенсивность миграции нефтепродуктов проводится на основании расче­та следующих бассейновых характеристик:

- времени добегания, т.е. времени, за которое ЗВ достигнет замыкающего ство­ра (контура месторождения);

- длины пути миграции нефти по рекам зоны влияния месторождения от нефтепровода или других источников загрязнения.

Время добегания нефти по безрусловым склонам t_c зависит от их длины и уклона, расхода аварийного выброса и коэффициента гидравлической шероховатости склонов. На этапах предварительных оценок с учетом рельефа и гид­рографического строения речной сети этот параметр принимается для лесной зоны равным от 60 мин до нескольких суток. Расчет t_c проводится на основа­нии детальных топографических карт, а также эмпирических формул в зависи­мости от условий формирования стока (СНиП 2.01.14-83).

При попадании загрязненных вод с водосбора в реку или в случае аварии перехода через водоток русловое время добегания t_p (мин) для выбранных расчетных створов определяется по формуле

, (5.7)

где L_p - длина русловой системы до расчетного створа, км; I_р - уклон русла, %$ Q_p - расход аварийного выброса, достигший русловой системы, м³/с; а - скоростной коэффициент, принятый равным 9.

Данные по статистике аварий на трубопроводах для каждой группы месторождений имеют свои значения, что обусловлено рядом факторов: степенью изношенности систем, их суммарной длиной, технологическими особенностя­ми строительства, характером местности и др. Статистика на примере Чутырского месторождения (Удмуртия) свидетельствует о том, что в среднем в год происходит 160 аварий, из них около 150 - от коррозии. При этом величина удельной аварийности - 0,206 отказа на 1 км в год.

Расход аварийного выброса при этом составляет исходя из данных среднестатистических аварий с потерей нефти 0,153 т/сут. Для Вишерской группы месторождений (Предуралье) эта величина за один прорыв оценивается в 0,1 т. Однако в подобных ситуациях при экологических оценках принято исходить из худших условий.

Продолжительность бассейнового добегания t_б (мин) определялась путем сложения русловых и склоновых добеганий:

, (5.8)

где 4 - эмпирический коэффициент, учитывающий неравномерность притока воды к расчетному створу.

Ожидаемые концентрации нефтепродуктов в воде рек зоны влияния С (мг/дм³) в первом приближении можно оценить по формуле

, (5.9)

где Q_нефти - расход поступления нефти в реку, м³/с; Q_p - минимальный 30-дневный расход воды рассматриваемых рек обеспеченностью 75 % для лет­не-осеннего периода, м³/с; А - постоянная распада (выведения, деградации) нефтепродуктов; t₆ - время добегания вещества от места поступления до расчетно­го створа, с.

Нефть, попадая в воду, претерпевает физико-химические и биологические изменения. Например, нефти со значениями плотности от 0,816 до 0,839 г/см³, температурой застывания от +1 до -17,5 °С, со средним количеством светлых фракций до 65 объемных % претерпевают следующие преобразования. Летучие компоненты в реке вначале активно испаряются, затем эти процессы за­медляются, и требуется 12-15 ч, чтобы улетучилось 25 %. При температуре воды выше 15 °С почти все легкие нефтяные УВ испаряются за 10 дней. Испарение летучих фракций приводит к увеличению плотности тяжелых фракций. Этому также способствует высокое содержание парафиновых соединений (до 5,6 весовых %), сорбция нефти на твердые минеральные частицы и планктон, что приводит к выпадению нефтяных глобул на дно водоемов. Объемы их вы­падения зависят от многих факторов и могут быть оценены в среднем в 30% за время миграции нефти. Сюда же можно отнести задержку нефти прибрежной и донной растительностью. Опасность этой категории загрязнения рек состо­ит в том, что в лимитирующие периоды стока она является причиной вторич­ного загрязнения воды нефтепродуктами.

Учитывая, что постоянная распада к численно равна обратной величине времени жизни нефтяных УВ, для предварительной оценки их возможных концентраций в реках можно принять величину

(5.10)

Прогнозные характеристики возможного распространения нефти носят су­губо ориентировочный характер. Особенно сложными становятся расчеты поступления нефтепродуктов и других ЗВ при заболоченном характере речных водосборов, сложном строении русловых форм (пойменной многорукавности, наличии многочисленных стариц, заозеренности), залесенности и других факторах рельефа. Это связано с тем, что практически вся изливаемая нефть будет занимать пониженные части рельефа или продвигаться по поверхнос­ти водосбора очень медленно. Экспериментальные работы по количествен­ной оценке процесса смыва нефтепродуктов с замазученных водосборов были организованы в 1996-1998 гг. на территориях Мамонтовского, Южно-Балыкского и Средне-Балыкского месторождений производственного объединения "Юганск-нефтегаз" [30]. Основные морфометрические характеристики рек приведены в табл. 5.10.

Замазучивание земель связано с тремя основными источниками загрязнения.

1. Нефтепромысловыми кустами скважин, которые обычно располагаются на четырехугольной насыпи размером около 1 га. По периферии насыпи расположен вал высотой 1-2 м, который в случае аварии перекрывает пути поступления нефти на окружающую территорию. Однако практически на каждом кусте можно обнаружить его прорывы и следы потоков нефти вниз по течению до ближайшего тальвега. В период весеннего половодья и па­водков нефть сносится течением поверхностных вод, образуя полосы замазученности грунта шириной до нескольких сотен метров.

Внутрипромысловыми нефтепроводами, доставляющими нефть в коллектор, которые направлены от кустов скважин к коллектору. Они проходят обычно вдоль дорог, соединяющих кусты с основными транспортны­ми магистралями. 3. Магистральными трубопроводами, которые в случае прорывов образу­ют наиболее обширные поля загрязнений.

Таблица 5.10 - Морфометрические характеристики экспериментальных водосборов

На водосборах в зоне возможного воздействия вышеупомянутых источни­ков были оборудованы гидрометрические створы и водомерные посты. Выбор водосборов для наблюдений определялся различным характером расположения замазученных пятен по отношению к руслу. В качестве фонового объекта был принят один водосбор, на котором отсутствовало нефтяное загрязнение, не было скважин и кустов добычи нефти, трубопроводов. В выбранных ство­рах были проведены гидрологические и гидрохимические наблюдения. Пер­вый цикл наблюдений относился к периоду весеннего половодья (май), вто­рой - к летней межени (июль-август) и третий - к предзимнему периоду (октябрь).

В результате анализа полученной информации выявлены следующие закономерности поступления в водоток загрязняющих веществ (табл. 5.11).

Наиболее интенсивный смыв происходит в период весеннего половодья, когда сток формируется на всех геоморфологических уровнях - водораздельных плакорах, склонах, террасах, пойменных поверхностях. Летом, во время выпадения длительных и интенсивных дождей, сток может формироваться, как правило, только на переувлажненных поверхностях: болотах, днищах долин, балок, оврагов, поймах, что оказывает влияние на характер и интенсивность смыва нефти с поверхности водосбора. Повышенный склоновый сток способ­ствует увеличению смыва нефтепродуктов. С увеличением водности концент­рация нефтяных углеводородов в речной воде снижается. Однако процесс раз­бавления не может перекрыть рост концентрации за счет смыва. Наибольшая концентрация нефтепродуктов в речных водах изучаемых створов характерна именно в периоды повышенного стока (весеннее половодье и летне-осенние дожди).

Наблюдается тенденция нивелирования содержания нефтепродуктов в реч­ной воде в многоводные периоды и возрастания изменчивости - в маловодные. Указанные тенденции подтверждаются графическими зависимостями модуля смыва нефти (мг/скм²) от площади замазученности водосбора. Модуль смыва получается путем умножения концентрации нефтепродуктов в реке на модуль стока. В маловодные периоды перегиб кривой наступает при площадях замазученности 3,5-4,0 км².

В то же время при обильном поступлении воды в речную сеть (октябрь 1996 г., апрель 1997 г.) перегиб кривой связи начинается при 0,5-1,0 км² замазученной площади и ее дальнейшее увеличение оказывает уже слабое влияние на величину смыва нефтепродуктов. Такое положение, по-видимому, связано с тем, что в период низкого стока вынос нефти происходит только с замазучен­ных частей водосбора, прилегающих к руслу. В многоводный период смыв фоновых концентраций идет со всей территории водосбора. Сюда также попа­дают неучтенные площади замазученности, расположенные вдали от русла реки. В этом случае зарегистрированные территории, покрытые нефтепродуктами, как бы теряют свою индикационную роль.

Таблица 5.11 - Данные наблюдений в контрольных створах

Наличие высоких фоновых концентраций нефтепродуктов в водах в райо­нах промыслов отмечается многими исследователями. Удовлетворительного объяснения этому нет. Возможно, перенос нефти из района утечек по всему району промыслов связан с транспортированием ее паров ветром и последующим вымыванием из атмосферы осадками. Могут быть и другие источники поступления углеводородов.

Выявленные закономерности выноса нефтепродуктов с замазученных территорий в речную сеть позволили построить расчетную зависимость модуля смыва нефти от площади замазученности.

В результате проведенных исследований получена весьма ценная информа­ция, позволяющая установить закономерности поступления нефтепродуктов с водосбора в зависимости от гидрологических особенностей формирования речного стока на малых водосборах. Именно малые водосборы из-за их низкой самоочищающей способности подвержены интенсивному загрязнению.

При строительстве нефтепроводов и переходов через водные объекты создаются условия для загрязнения водоемов и водотоков, связанные с наруше­нием целостности поверхностного водосбора, приводящим к увеличению про­цессов эрозии и, как следствие, мутности рек. Наиболее деформированные участки возникают при наземной прокладке внутрипромысловых нефтепрово­дов и межпромысловых коллекторов. Диаметр последних для газовых место­рождений может достигать 1420 мм, что приводит к ширине нарушений по­чвенного покрова до 20-30 м и более.

В условиях развития многолетнемерзлых грунтов формируются деформа­ции, связанные с оттаиванием грунтов вследствие некачественной изоляции. Они представляют собой ореолы оттаивания и термокарстовые просадки, ко­торые вызывают нарушение обваловки на участках наземной прокладки. Осо­бенно быстро такие процессы развиваются на пониженных участках рельефа (тальвеги, хасыреи и др.), что приводит к изгибам трубопроводов с амплитудой от 0,5-1,5 до 5-10 м.

Деформации внутрипромысловых трубопроводов и межпромысловых коллекторов создают серьезную опасность возникновения аварийных ситуаций, так как превышена предельная прочность металлов вследствие недопустимых изгибов.

При прокладке трубопроводов через реки происходит взмучивание осадков в результате проведения дноуглубительных работ, отсыпки площадок на дне и операций дампинга грунта. Это приводит к росту концентраций в воде (иногда в десятки и сотни раз по отношению к фоновым) взвешенных веществ. Не­смотря на относительно короткий характер таких взмучиваний, концентрации взвесей могут достигать опасных для гидробионтов пределов.

Кроме того, повышенная мутность рек снижает производительность инфильтрационных водозаборов и лимитирует прямое использование вод (без предва­рительной очистки и коагуляции) в технических целях: для обессоливания не­фти, закачки в систему ППД и др.

При строительстве переходов через реки, как правило, кроме основой нит­ки предусматривается резервная и проводятся подводно-технические работы при соблюдении следующих условий:

- минимальная глубина заложения до верха забалластированного трубопровода принимается на 0,5 м ниже прогнозируемого предельного профиля раз­мыва русла реки в течение 25 лет после окончания строительства перехода, но не менее 1 м от естественных отметок дна реки;

- нефтепровод укладывается под естественным упругим изгибом;

- балластировка нефтепровода проводится чугунными грузами с шагом 15 м;

- берегоукрепительные работы ведутся каменной наброской с толщиной не менее 25 см.

При строительстве ДНС и очистных устройств неизбежно формируются определенные объемы сточных вод, подлежащих количественному учету. К этой категории следует отнести дождевые стоки и бытовые сточные воды. После­дние можно подразделить на постоянные объемы, образующиеся при работе обслуживающего персонала, и временные, образующиеся при строительстве ДНС и других сооружений.

Расходы дождевых стоков (м³/сут., м³/ч) при отсутствии наблюдений определяются по формуле

, (5.11)

, (5.12)

где i - расчетный слой осадков 0,06 м/сут; F - площадь водосбора, м²; у - коэффициент стока, равный 0,95 для асфальтобетонных покрытий, 0,2 для грунто­вых спланированных покрытий; q₂₀ - интенсивность дождя, 75 л/с на 1 га.

Расходы сточных вод для одной из производственных площадок месторождения нефти приведены в табл. 5.12. Основной состав загрязнений дождевых стоков: нефтепродукты - до 500 мг/л; мехпримеси - до 200 мг/л; рН - 6,5-8,5.

Дождевые стоки от объектов ДНС по самотечным сетям сбрасываются в подземную канализационную емкость объемом до 20 м³, оборудованную насосом, и перекачиваются на прием насосов внешнего транспорта нефти (если ДНС не оборудована очистными сооружениями).

Таблица 5.12 Объем дождевых сточных вод с промышленных площадок

Далее стоки совместно с нефтью транспортируются по системе нефтепроводов на ЦПС, где после отделения от нефти и очистки на очистных сооруже­ниях пластовой воды закачиваются в продуктивные пласты или подвергаются дополнительной очистке для сброса в водоемы или на рельеф.

Сброс остатков нефти после запуска и приема очистных устройств также предусмотрен в подземную дренажную емкость, с периодической откачкой, автовывозом и закачкой в нефтепровод.

Дождевые стоки с площадки камер приема очистных устройств по самотеч­ным сетям поступают в подземную канализационную емкость, по мере накоп­ления вывозятся на ДНС или сливаются в систему дождевой канализации.

Как правило, на площадках ДНС предусматривается строительство следующих сооружений и сетей: подземной канализационной емкости; самотечных и напорных сетей дождевой канализации из стальных и асбестоцементных труб; на площадке приема очистных устройств: подземной канализационной емкос­ти; самотечных сетей дождевой канализации.

В целях защиты от почвенной коррозии предусматривается покрытие емко­стей и стальных труб битумно-полимерной изоляцией усиленного типа.

Сточные бытовые воды, образующиеся в период строительства нефтепро­вода, в объеме до 1 м³/сут. собираются во временную канализационную ем­кость объемом 3 м³ и по мере ее заполнения откачиваются ассенизационной машиной и вывозятся на близлежащие очистные сооружения. Постоянные объемы водоотведения по бытовым стокам, как правило, равны объемам хозпитьевого водопотребления.

Для промывки и гидравлического испытания нефтепровода также используется вода рек. После очистки с заполнением 10-15 % объема полости очища­емого нефтепровода и последующим гидравлическим испытанием сброс воды чаще производится в котлованы размером 6 х 6 х 4 м, расположенные по трас­се нефтепровода. После отстоя вода сбрасывается на рельеф.