Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

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

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

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.

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.