А. Долгий, adolgij@lrt.lv
Ан. Долгий, aade@infonet.ee
В. Золотарев, radsys@radsys.lv
В. Маркуль, markulis@lrt.lv
Введение
В процессе транспортировки по магистральным трубопроводам (рис. 1) и хранения в резервуарах (рис. 2) нефти/нефтепродукта могут возникать по разным причинам их подповерхностные утечки. В результате утечек образуются поверхностные и подповерхностные зоны загрязнения грунтов, подземных вод, рек, водоемов, участков лесов и пахотных земель, которые могут находиться от места истечения на значительных расстояниях. Поэтому обычно возникает необходимость определять области подповерхностных загрязнений, оценивать и наблюдать степень загрязнения и находить подповерхностные пути миграции загрязнений для дальнейшего проведения природоохранных очистных мероприятий.
В настоящее время основным методом изучения зон загрязнения является, как правило, устройство и мониторинг наблюдательных скважин. Этот метод предусматривает их расположение по густой сетке линий на поверхности предполагаемой зоны загрязнения с учетом предварительных геофизических данных и поэтому он длителен и достаточно дорог. Кроме того, этот метод не «работает» особенно в тех случаях, когда, например, в наблюдательных скважинах отсутствует плавающий слой нефтепродукта и не проводится химический анализ состава грунтовых вод на его присутствие.
Среди известных геофизических методов GPR способ (a) Finkelstein et al. (1986) и (b) Finkelstein et al. (1990)) дает возможность существенно сократить затраты на обустройство минимально необходимого количества скважин и значительно повысить достоверность информации о зоне загрязнения. Идея его применения для изучения зон загрязнений грунтов нефтепродуктами основана на том факте, что на шкале электрофизических параметров абсолютного большинства природных сред жидкие нефтепродукты (диэлектрическая проницаемость 2) и вода (диэлектрическая проницаемость 81) занимают противоположные места. Это означает, что малейшее замещение воды жидкими нефтепродуктами должно приводить к существенному изменению параметров GPR сигнала. Прежде всего, это касается отраженного сигнала от уровня грунтовых вод или от границ раздела (“чистый“ грунт)/(загрязненный грунт).
В рассматриваемом случае технология GPR включает в себя известные процедуры радиолокационного профилирования (РП), снятия годографов по методике общей глубинной точки (common-midpoint - CMP) и процедуру обработки годографов с целью вычисления электрофизических параметров грунтов.
Известно несколько исследований, таких как (c) Benson (1998) и (d) Redman et al. (1994), в которых GPR данные использовались для определения местоположения областей загрязнений нефтяными продуктами. Анализ этих работ показывает, что во всех случаях идентификация зон загрязнений проводилась на основе использования качественных признаков. В одних случаях, (c) Benson (1998), фиксировалось изменение амплитуды отраженного сигнала от уровня загрязненных грунтовых вод, в других, и (d) Redman et al. (1994), - изменение времени распространения сигнала. Объединяющим недостатком упомянутых выше работ является отсутствие в них количественных оценок вариаций параметров отраженных радиолокационных сигналов, которые могут использоваться для обнаружения зон загрязнений, в особенности для оценки степени загрязнения грунта. Наиболее близкой к теме доклада является работа Джека Дидса и Джона Бредфорда, опубликованная в материалах международной конференции Ninth International Conf. on GPR, April 29-May 2, 2002, Santa Barbara, California, USA,vol.4758. Однако предлагаемая в ней методика из–за ее сложности и большой длительности процесса обработки GPR данных не может быть отнесена к разряду GPR экспресс- методов.
Новым в этой работе, на наш взгляд, является поиск количественной связи между диэлектрической проницаемостью (скоростью распространения радарного сигнала) загрязненных грунтов и концентрацией нефтепродукта в этих грунтах.
Опыт оценки степени загрязнения грунтов
Изучение участков загрязнений GPR методом начались в нашей компании летом 1998г. совместно с НПФ «Радарные ситемы». Применялся GPR Radar Systems Zond-12c.
Первоначально цель работ состояла в оценке возможностей использования GPR метода для уточнения положения подповерхностного участка загрязнения, обнаруженного на основе мониторинга наблюдательных скважин, и определения толщины слоев загрязнения.
Первая исследуемая область находилась вблизи резервуаров для хранения нефтепродукта и наливной железнодорожной эстакады (рис.
3). Этот участок детально подвергался мониторингу толщины плавающего слоя нефтепродукта в наблюдательных скважинах, и на нем регулярно осуществлялись природоохранные очистные мероприятия.
На первом этапе работ (июнь, сентябрь 1999 г) проводилось GPR профилирование по маршрутам 1-4 (рис. 4, рис. 5), пересекающим участок загрязнения, для выявления аномальных подповерхностных зон и оценки их корреляции с результатами мониторинга скважин. На рисунках 6, 7, 8, 9 приведены GPR профили, записанные вдоль маршрутов 1-4. На профиле (рис. 9), записанном на маршруте 2, зафиксирована аномальная зона, четко связанная с областью загрязнения (метки 2-6 и скважины 72, 74, 98, 12,75 ). Для проверки полученных результатов, внутри и за пределами аномальной зоны были пробурены дополнительные наблюдательные скважины. Бурение показало, что за пределами аномальной зоны песчаный грунт перекрыт слоями супеси и суглинка. Однако внутри аномальной зоны песчаный грунт начинается непосредственно с поверхности. Наиболее вероятно, что область загрязнения совпадает с палеоруслом древней реки, обнаруженным GPR профилированием. Это выглядит вполне убедительно, так как жидкие нефтепродукты мигрируют в грунте так же, как и вода, по палеоруслам рек и ручьев до выхода в какой-либо современный водоем. Такая миграция наблюдалось ранее на исследуемом участке, и нефтепродукты загрязняли бассейн реки Илуксте (рис. 3). Таким образом, картирование палеорусел древних рек и ручьев по GPR методике помогает более достоверно определить возможные пути миграции жидких нефтепродуктов в грунте.
На этом же этапе работ оценивалась толщина слоев загрязнения и их диэлектрическая проницаемость. Для этого использовалась техника годографов (hodograph) путем применения CMP метода, как показано (e) Afanasyev et al. (1988). Годограф электромагнитных волн, в нашем случае, это зависимость времени запаздывания отраженного GPR сигнала от базы антенной системы (расстояние между приемной и передающей антеннами). Применение упомянутого метода позволяет определить глубины подповерхностных слоев и диэлектрические проницаемости каждого слоя. Величина диэлектрической проницаемости дает возможность судить о наличии загрязнения слоев, а глубина залегания подповерхностных слоев позволяет определить толщину слоя загрязнения. Оценка названных выше параметров выполнялась при помощи программного обеспечения обработки данных. Для этого на исследуемом участке получали экспериментальный годограф. Рабочая частота GPR системы была 75 МГц. Годографы были получены зондированием в дискретных точках. Расстояние между приемной и передающей антеннами менялось с 1 м до 20 м с шагом 0.2 м. Затем задавали расчетную модель годографа с априори известными приближенными начальными параметрами. Оцениваемые (послеопытные) параметры определялись в результате поиска минимума среднеквадратического отклонения названных выше годографов. При обработке данных предполагалось, что подповерхностная стратиграфия (stratigraphy) - гомогенная горизонтальная слоистая, принимая во внимание достаточно короткий CMP профиль накопления (максимальная длина 20 м). Примеры годографов и результаты их обработки показаны на рисунках 10, 11, 12.
Результаты обработки годографов, например, в районе наблюдательных скважины 74, 98 и 101, показали, что выше уровня грунтовых вод (глубина 4.5 м) слой песка имеет две зоны, электрофизические параметры которых сильно отличаются. С поверхности земли до глубины 2.3 м (толщина слоя 2.3 м) песок имеет свои обычные характеристики (скорость 8,1 см/нс, проницаемость 13.8). Эти значения соответствуют мелкозернистому песку и этот факт подтверждают многочисленные результаты бурения и геологический разрез для скважины 101 (рис. 13). Однако с глубины 2,3 м вниз до уровня грунтовых вод ( 5.5м) эти характеристики выходят за рамки типовых значений (скорость 14.1 см/нс, проницаемость 4.58). Но данные бурения показывают здесь сплошной мелкозернистый песок. По нашему мнению, это связано только с подповерхностным слоем загрязненного грунта с толщиной 2,2 м и он находится выше уровня грунтовых вод. Необходимо отметить, что значения толщины слоя, вычисленные из CMP данных, находятся в близком соответствии с данными бурения скважин. Этот факт подтверждает правильность подобранного алгоритма обработки и выбранных кривых годографов или наклонов (slopes) на CMP профилях.
Очевидно, что электрофизические свойства грунта напрямую связаны со степенью его загрязнения. Для определения этой связи были сняты годографы в местах расположения скважин 14, 72, 74, 98, 12, 75. Обработка годографов позволяет построить график (рис. 14) распределения значений диэлектрических проницаемостей слоев грунта, прилегающих к уровню грунтовых вод, вдоль маршрута 2. Минимальные значения диэлектрической проницаемости соответствуют скважинам 74 и 98, где толщина плавающего слоя нефтепродукта максимальна. Согласно нашим оценкам значения диэлектрической проницаемости меньше 5 свидетельствуют о сильной степени загрязнения грунта нефтепродуктами. Эта наибольшая степень загрязненности находится в области расположения скважин 74 и 98 и диэлектрическая проницаемость загрязненного слоя 4.58 и 4.76 соответственно. На наш взгляд, удобнее оперировать не со значениями диэлектрических проницаемостей, а с отношениями в процентах разницы диэлектрических проницаемостей нижнего и верхнего слоев к проницаемости верхнего. Это отношение предлагаем принять за оценку степени загрязнения Соответствующий график распределения относительной разности диэлектрической проницаемости слоев грунта и толщины плавающего слоя по маршруту 2 приведен на рис. 15. Видно, что максимальная степень загрязнения приходится на скважины 74, 101 и 98, в которых толщина плавающего слоя также наибольшая.
На втором (июль 2000г., маршруты 1, 2, 5, 6, рис. 16), третьем (июнь 2001 г, маршруты 2, 6, 5, рис. 17) и четвертом (октябрь 2003 г, маршрут 2, рис. 18) этапах работы процедуры снятия годографов и их обработка повторялись (рис. 19, рис. 20, рис. 21). Цель этой работы - оценка корреляции степени загрязнения слоев грунта и толщины плавающего слоя, а также определение чувствительности GPR данных к природоохранным мероприятиям. Для отражения в наглядной форме результатов этой работы были построены так называемые карты загрязнения (рис. 22) исследуемого участка. В верхней части рисунка по маршруту 2 на план участка нанесены относительные разности диэлектрических проницаемостей слоев грунта, зафиксированные в 1999-2001 и 2003 г.г. Внизу рисунка на том же плане участка приведены толщины плавающего слоя нефтепродукта, полученные в ходе их мониторинга в указанное выше время. Мы можем утверждать, что имеется достаточная для практики корреляции во времени (1999-2001 и 2003 г.г.) GPR данных и толщины слоя плавающего нефтепродукта в наблюдательных скважинах, а также высокая чувствительность GPR данных к природоохранным мероприятиям. Кроме того, выявлены более широкие возможности GPR оценки степени загрязнения по сравнению с упомянутой методикой. Они проявляются особенно в тех случаях, когда в наблюдательных скважинах отсутствует плавающий слой нефтепродукта, например скважины 14 и 75, а по результатам GPR оценки степень загрязнения грунта в их области достаточно высокая. В результате зона загрязнения, например по маршруту 2, имеет большие размеры по сравнению с данными мониторинга плавающего слоя.
Второй изучаемый участок расположен непосредственно в месте утечки нефтепродуктов в зоне расположения двух магистральных трубопроводов (рис. 23). Данные бурения скважин показывают однородность подповерхностной структуры изучаемого участка, размерами 15 м на 40 м. Подоверхностная стратиграфия этого маленького участка имеет слоистую горизонтальную природу и состоит из среднезернистого песка и суглинистой морены (moraine loamy soil), как показано на геологическом разрезе для скважины 1 (рис. 24). Один из трубопроводов на этом участке был разгерметизирован и это вызвало утечку нефтепродуктов. Место разгерметизации трубопровода обозначено крестом на трубопроводе.
В отличии от первого участка здесь сопоставлялись величины диэлектрической проницаемости загрязненных слоев грунта с величинами концентраций нефтепродукта в пробах грунта. При этом необходимо было выяснить наличие изменений со временем диэлектрической проницаемости загрязненных слоев грунта, а также определить, как влияют природоохранные очистные мероприятия на диэлектрическую проницаемость загрязненных слоев. Для решения этих задач в мае 2000 г., августе 2000 г. и августе 2001 г. использовались две последовательные процедуры: GPR профилирование для определения аномальных подповерхностных участков, а также и снятие годографов (CMP метод) с их дальнейшей обработкой для оценки диэлектрической проницаемости слоев грунта. План расположения профилей и места фиксации годографов показано на
рис. 23. Рабочая частота GPR системы была 75 МГц. Годографы были получены зондированием в дискретных точках с разделением приемной и передающей антенн с 1 м до 20 м с шагом 0,2 м. Эти измерения проводились через каждые 10 м на параллельных профилях, отстоящих на 5 м друг от друга. В результате на исследуемом участке каждый раз фиксировался 21 годограф. Примеры продольных и поперечного профилей Prodol1_150, Prodo2_150, Prodol3_150, Pop5_150, годографов Prof1_god2-3, God2-3_prof2_2000, PROF4_GOD4-5_2001, а также результаты их обработки приведены на
рисунках 25, 26,
27, 28, 29,
30, 31 . Полученные значения диэлектрических проницаемостей слоев грунта для каждого CMP профиля позволили рассчитать значения в процентах отношения разности диэлектрической проницаемости нижнего слоя (ε2) и верхнего слоя (ε1) к диэлектрической проницаемости верхнего слоя
(ε1), т.е, отношение (ε2 - ε1)/ε1. Если это значение отрицательное, то есть, диэлектрическая проницаемость нижнего слоя меньше чем верхнего, то считалось, что эта область была загрязнена. Это вывод основывался на факте геологической однородности участка. Величину этого отношения мы связываем со степенью загрязнения грунтов. Затем были составлены карты (рисунки
32, 33, 34) загрязнения грунтов в виде линий одинаковых значений относительной разности изменения диэлектрической проницаемости, которые соответствуют трем периодам исследований: май 2000 г., август 2000 г. и август 2001 г.
В период с мая 2000 г. по ноябрь 2000 г. одновременно с применением GPR методики проводилась оценка степени загрязнения с использованием так называемого заверяющего метода анализа проб грунта. Эта методика позволила определить величины концентраций нефтепродукта в пробах грунта, взятых на глубине 1 м и 1.64 м. На основе этих данных построены области распределения концентраций нефтепродукта в грунтах по состоянию на май 2000 г. и ноябрь 2000 г. (рис.
35). Здесь же для отражения в наглядной форме в верхней части
рисунка приведены карты загрязнения грунтов. Сопоставление упомянутых карт загрязнения подповерхностных слоев грунта, полученных с использованием GPR технологии и концентрации нефтепродукта в этих же грунтах, измеренной по традиционной методике, позволяет сделать вывод, что подтверждается корреляция электрофизических свойств грунта со степенью его загрязнения. Например, максимальная концентрация нефтепродукта 3930 мг/кг соответствовала минимальной диэлектрической проницаемости, равной
7.8.
Выводы
Таким образом, мы утверждаем следующее:
Рассматриваемый количественный параметр в виде значений относительной разности диэлектрической проницаемости адекватно отражает степень загрязнения слоев грунта в гомогенных структурах. Показано, что имеется достаточная для практики корреляции GPR данных, толщины слоя плавающего в наблюдательных скважинах и концентрации нефтепродукта в слоях грунта.
Показаны более широкие возможности GPR оценки степени загрязнения по сравнению с традиционными методиками. Они проявляются особенно в тех случаях, когда в наблюдательных скважинах, например, отсутствует плавающий слой нефтепродукта и не проводится химический анализ состава грунтовых вод на его присутствие.
Анализ GPR данных, полученных для различных периодов времени показывает достаточную для практического применения доверительность и чувствительность значений относительной разности диэлектрической проницаемости к природоохранным мероприятиям. Поэтому на базе использования этого параметра возможен GPR мониторинг концентрации загрязнения для выполнения ряда природоохранных мероприятий.
Представленный нами опыт не использует все получаемые в процессе зондирования GPR данные. Несомненно, использование амплитудного и пространственного анализа GPR сигналов, а также применение временных срезов (time slices), может давать более точную оценку степени загрязнения. Однако применение этих методик удлиняет, усложняет и удорожает этот процесс.
Мы уверены, что в ряде случаев предлагаемая нами последовательность операций может быть использована как GPR экспресс-метод уточнения контуров загрязненных участков окружающей среды и оценки степени загрязнения слоев грунта с похожей на рассмотренную подповерхностной структурой.
