К ПРОБЛЕМЕ ОЦЕНКИ ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ КУСТОВОГО НЕФТЯНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ, ХМАО)

Бракоренко Н.Н.¹, Леонова А.В.², Никитенков А.Н.³, Крамаренко В.В.⁴, Пуртова Е.С.⁵, Мерзлякова М.В.⁶

¹ORCID: 0000-0003-4882-7026, Кандидат геолого-минералогических наук, Томский политехнический университет, ²Томский политехнический университет, ³ ORCID: 0000-0002-8539-1420, Кандидат геолого-минералогических наук, Томский политехнический университет, ⁴Кандидат геолого-минералогических наук, Томский политехнический университет, ⁵ООО «Фатум», г. Нижневартовск, ⁶Томский политехнический университет

К ПРОБЛЕМЕ ОЦЕНКИ ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ КУСТОВОГО  НЕФТЯНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ, ХМАО)

Аннотация

В статье рассматривается проблема загрязнения нефтепродуктами геологической среды и в первую очередь, подземных вод [1]. Приводятся оценка защищенности подземных вод с использованием балльной оценки защищенности (по В.М. Гольдбергу), и оценка времени, затрачиваемого на инфильтрацию нефти в грунтовые воды. Для пространственной оценки защищенности подземных и поверхностных вод дополнительно привлечены данные спутниковых снимков Landsat 8 (с расчетом вегетационного индекса NDVI). Результатом является методический подход к комплексной оценке защищенности подземных вод при реконструкции и проектировании магистральных трубопроводов.

Ключевые слова: защищенность, нефтепроводы, утечки, торф, инфильтрация, ландсат.

Brakorenko N.N.¹, Leonova A.V.², Nikitenkov A.N.³, Kramarenko V.V.⁴, Purtova E.S.⁵, Merzlyakova M.V.⁶

¹ORCID: 0000-0003-4882-7026, PhD in Geology and Mineralogy, Tomsk Polytechnic University, ² Tomsk Polytechnic University, ³ORCID: 0000-0002-8539-1420, PhD in Geology and Mineralogy, Tomsk Polytechnic University, ⁴PhD in Geology and Mineralogy, Tomsk Polytechnic University, ⁵“Fatum” LTD, Nizhnevartovsk, ⁶Tomsk Polytechnic University

THE PROBLEM OF ESTIMATION OF THE UNDERGROUND WATER PROTECTION AGAINST POLLUTION (ON THE EXAMPLE OF KUSTOVOE OIL FIELD, KHMAD)

Abstract

The paper deals with the problem of oil products contamination in the geological environment and, first of all, groundwater [1]. The assessment of the groundwater protection with the use of a numerical scope of protection (according to V.M. Goldberg), and the estimate of time, spent on infiltration of oil into groundwater are given. The satellite images of Landsat 8 (with the calculation of the vegetative index NDVI) were additionally used for the spatial assessment of the protection of underground and surface waters. The result is a methodical approach to a comprehensive assessment of groundwater protection during the reconstruction and design of trunk pipelines.

Keywords: security, oil pipelines, leaks, peat, infiltration, lundsat.

На территории России ведут свою деятельность множество предприятий, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и хранением нефти. Однако мониторинг состояния геологической среды в пределах территории их деятельности и, в частности, степень её загрязнения нефтью, в подавляющем большинстве случаев не ведётся. В связи с этим актуальной является оценка защищенности подземных вод от загрязнения, что необходимо для прогноза его масштабов и своевременного принятия адекватных мер при его появлении. Таким образом, целью данной работы является оценка защищенности подземных вод от загрязнения на примере Кустового нефтяного месторождения (ХМАО) (рис. 1).

В основу работы положены фактические материалы инженерно-геологических изысканий, проведенных ЗАО «Фатум» на территории ХМАО «Югра» [7]. Оценка проводится на основе данных по объектам трубопроводов общей протяженностью 25,9 км.

Рис. 1 – Схема расположения участка нефтепровода

 

Кустовое месторождение расположено в Северо-Восточной части Сургутского нефтегазоносного района. Поверхность территории заболочена и покрыта сетью озер. Трасса нефтепровода проходит в основном по заболоченной территории, частично по суходольной местности, а также по отсыпанным участкам (рис. 1).

По геоморфологическому районированию рассматриваемая территория относится к аккумулятивно-денудационной равнине. В геологическом строении, до изученной глубины 5-15 метров, встречаются грунты верхнечетвертичного возраста озерно-аллювиального происхождения, современные биогенные отложения – торф и техногенные образования – насыпной грунт.

Гидрогеологические условия исследуемой территории на период изысканий (июль 2016 года) характеризуются наличием подземных вод болотного типа и грунтовых вод. Уровень подземных вод на болотах близок к дневной поверхности (глубина 0,0-0,2м). Разгрузка вод болотных отложений происходит в поверхностные водотоки. Грунтовые воды залегают на глубине 0,2-1,8м и приурочены к пескам мелким водонасыщенным. Разгрузка грунтовых вод происходит в ближайшие водотоки и болота [7].

Балльная оценка защищенности грунтовых вод детально разработана В.М. Гольдбергом [2,4]. Сумма баллов, зависящая от условий залегания грунтовых вод, мощностей слабопроницаемых отложений и их литологического состава, определяет степень защищенности грунтовых вод.

В результате оценки степени защищенности по методике Гольдберга установлено, что условия участка нефтепровода (данные по 63 скважинам) соответствуют 1-ой категории (менее 5 баллов) – наименьшая защищенность (вследствие близкого залегания уровня грунтовых вод, отсутствия в зоне аэрации слабопроницаемых грунтов, таких как суглинков, глин и т.д.).

При расчете времени инфильтрации [3] загрязнения использованы фактические данные, представленные в таблицах 1 и 2. Как видно из таблиц, для песчаных грунтов разброс значений естественной влажности и пористости незначителен, а для торфов характерен значительный разброс значений естественной влажности, пористости, и, как следствие, недостатка насыщения (табл. 1).

 

Таблица 1 – Значения естественной влажности, пористости и недостатка насыщения для разных типов грунтов

Значения коэффициента фильтрации торфов изменяются в широких пределах (табл. 2). Основными факторами, влияющими на результаты, являются пористость, ботанический состав, влажность в начале опыта, водоудерживающая способность торфов, а главное – изменение фильтрации во времени [5]. Не все изыскательские организации определяют коэффициент фильтрации в практике изыскательских работ при линейном строительстве, ввиду отсутствия требований со стороны нормативных документов. Однако для оценки защищенности подземных вод (и, как следствие, экологического благополучия) полевое определение коэффициента фильтрации грунтов в основании нефтепроводов является необходимым.

 

Таблица 2 – Коэффициенты фильтрации осушенных и неосушенных торфяных залежей [5]

Примечание: 1* - по материалам изысканий "Томскгипроводхоза" [5]; 2* - по полевым опытам [5]; 3* - по лабораторным опытам [5].

 

В таблице 3 приведены данные и непосредственно расчеты времени инфильтрации загрязнения (для примера взята толща мощностью 2 метра). Время инфильтрации загрязнения различно и составляет от 0,114 до 3,69 суток, что обусловлено, в первую очередь, разбросом значений коэффициента фильтрации (k_ф).

Также авторами была предпринята попытка разработки методических подходов для площадной оценки защищенности подземных вод на основе анализа нормализованного дифференциального вегетационного индекса (NDVI). Индекс NDVI широко используется в практике изучения экосистем болотных массивов, в частности, для районирования территорий месторождений нефти и газа и выявления загрязнений в их пределах [8]. Для расчёта NDVI были использованы спутниковые снимки Landsat-8 за август 2016 года. Изучение снимков, а также создание картографического материала осуществлялись с использованием средств ГИС ArcGIS 9.3.

Таблица 3 – Время инфильтрации загрязнения

Примечание: 1* - по материалам изысканий "Томскгипроводхоза" [5]; 2* - по полевым опытам [5]; 3* - по лабораторным опытам [5].

 

Предварительный анализ космоснимков показал, что непосредственно в зоне скважин на снимках наблюдаются линейные объекты (нефтепроводы месторождения), характеризующиеся значениями индекса NDVI порядка 0,07-0,1. Для оценки характеристик естественной растительности в близи от скважин было решено воспользоваться инструментом фокальная статистика с окном 5х5 ячеек, в пределах которого осуществлялся поиск максимальных значений индекса NDVI. В результате сопоставления NDVI и расчётного времени инфильтрации загрязнения (по полевым исследованиям) по массиву из 60 скважин установлена значимая корреляционная взаимосвязь между характеристиками (r = 0,46 при уровне значимости 0,05). Результаты анализа индекса NDVI территории в сочетании с данными по времени инфильтрации загрязнения в подземные воды представлены на рис. 2.

Из анализа полученных результатов следует, что для всех рассмотренных скважин показатели защищенности подземных вод определяются во многом их местоположением и лишь частично зависят от характеристик растительности.

Для территорий, характеризующихся индексом NDVI в интервале 0,2-0,26 характерно максимальное время инфильтрации загрязнения в подземные воды порядка 0,1-0,3 дня, в интервале 0,26-0,32 - до 2,6 дней и для интервала >0,32 - до 3,6 дней.

 

Рис. 2 – Индекс NDVI территории исследований и расчётное время инфильтрации загрязнения в воды скважин

 

Таким образом, использование данных спутниковой съемки для оценки защищенности подземных вод, представляется достаточно перспективным. Вместе с тем, для более качественного прогноза и районирования территории необходимы дополнительные данные, в частности по фактической растительности территории и коэффициентам фильтрации торфов.

Выводы. Таким образом, оценка защищенности подземных вод от загрязнения при проектировании и строительстве нефтепроводов является необходимой мерой обеспечения экологической безопасности. Кроме того, проведенные исследования показывают важность определения коэффициента фильтрации (для оценки защищенности) именно в полевых условиях, что значительно влияет на результат расчета времени инфильтрации загрязнения.

Установлено, что использование дешифрированных спутниковых снимков Landsat-8 даёт возможность для прогнозирования защищенности подземных вод территории через индекс NDVI, как один из дополнительных факторов её оценки.

Полученные результаты могут служить основой для разработки более детальных методик, позволяющих производить анализ и оценку защищенности подземных вод в пределах заболоченных территорий и найти своё применение в нормативах по инженерно-геологическим изысканиям для строительства линейных объектов.

Список литературы / References

1. Бракоренко Н.Н. Влияние нефтепродуктов на грунты и подземные воды территорий автозаправочных станций (на примере г.Томска): дисс. … канд. геол.-мин. наук: 25.00.36 : защищена 28.06.13 : утв. 07.08.13 / Бракоренко Наталья Николаевна. – Томск, 2013. – 143 с.
2. Бондарик Г. К. Инженерно-геологические изыскания: учебник / Г. К. Бондарик, Л. А. Ярг. – М.: КДУ, 2007. – 424 с.
3. Водоснабжение и инженерные мелиорации. Ч.1 Гидрогеоэкологические исследования при решении практических задач: Учеб, пособие для студентов геологических и строительных специальностей/ Под общ. Ред. А.Я. Гаева; Перм. Ун-т. – Пермь, 2005. – 367 с.
4. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. – М.: Недра, 1984. – 262 с.
5. Крамаренко В.В. Формирование состава и физико-механических свойств торфов Томской области: дисс. … канд. геол.-мин. наук: 25.00.08 : защищена 29.12.04 : утв. 08.04.05 / Крамаренко Виолетта Валентиновна – Томск, 2004. – 230 с.
6. Солонин Б.Н. Краткий справочник по проектированию и бурению скважин на воду. – 2-е изд., перераб. И доп, – М.: Недра, 1983. – 107 с.
7. Технический отчет по результатам инженерно-геологических изысканий для подготовки проектной документации – Нижневартовск, 2016.
8. Оценка состояния окружающей среды нефтедобывающих территорий на основе данных дистанционного зондирования с применением геоинформационных технологий / М. Н. Алексеева, И. Г. Ященко, Т. О. Перемитина // Безопасность жизнедеятельности. – М., 2013. - № 1. - С. 30-35.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Brakorenko N.N. Vliyanie nefteproduktov na grunty i podzemnye vody territorij avtozapravochnyh stancij (na primere g.Tomska) [Influence of oil products on soils and underground waters of petrol stations (on example of Tomsk city)]: dis. … of PhD in Geology and Mineralogy: 25.00.36 : defense of the thesis 28.06.13 : approved 07.08.13 / Brakorenko Natalya Nikolaevna. — Tomsk, 2013. - 143 p. [in Russian].
2. Bondarik G. K. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya: uchebnik [Engineering-geological survey: a textbook] / G. K. Bondarik, L. A. Yarg. — M.: KDU, 2007. – 424 p. [in Russian].
3. Vodosnabzhenie i inzhenernye melioracii. Ch.1 Gidrogeoehkologicheskie issledovaniya pri reshenii prakticheskih zadach: Ucheb, posobie dlya studentov geologicheskih i stroitel'nyh special'nostej [Water supply and engineering melioration. P.1. Hydrogeoecological research in solving practical problems: Textbook, manual for students of geological and building specialties]/ edited by A.Ya. Gaev; Perm University. – Perm, 2005. – 367 p. [in Russian].
4. Gol'dberg V.M., Gazda S. Gidrogeologicheskie osnovy ohrany podzemnyh vod ot zagryazneniya [Hydrogeological basis for protection of groundwater from pollution]. – M.: Nedra, 1984. – 262 p. [in Russian].
5. Kramarenko V.V. Formirovanie sostava i fiziko-mekhanicheskih svojstv torfov Tomskoj oblasti [Formation of the composition and physico-mechanical properties of peat in the Tomsk region] dis. … of PhD in Geology and Mineralogy: 25.00.08 : defense of the thesis 29.12.04 : approved 08.04.05 / Kramarenko Violetta Valentinovna. – Tomsk, 2004. - 230 p. [in Russian].
6. Solonin B.N. Kratkij spravochnik po proektirovaniyu i bureniyu skvazhin na vodu [A brief guide to designing and drilling water wells]. – M.: Nedra, 1983, 107 s. [in Russian].
7. Tekhnicheskij otchet po rezul'tatam inzhenerno-geologicheskih izyskanij dlya podgotovki proektnoj dokumentacii [Technical report on the results of engineering and geological surveys for the preparation of project documentation] – Nizhnevartovsk, 2016. [in Russian].
8. Ocenka sostoyaniya okruzhayushchej sredy neftedobyvayushchih territorij na osnove dannyh distancionnogo zondirovaniya s primeneniem geoinformacionnyh tekhnologij [Assessment of the state of the environment of oil producing territories on the basis of remote sensing data with the use of geoinformation technologies] / M. N. Alekseeva, I. G. Yashchenko, T. O. Peremitina // Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti [Safety]. - M., 2013. - № 1. - P. 30-35. [in Russian].