Виды и методы мониторинга промышленных объектов

На втором этапе осуществляется выбор методов, позволяющих контролировать состояние системы намывной массив – геологическая среда в любой момент времени. На третьем этапе выполняется организация наблюдений, их систематическое проведение и обработка результатов. Четвертый этап заключается в установлении закономерностей изменения и прогнозе состояния системы. На пятом этапе используются результаты прогноза состояния системы для корректировки проектных решений по их формированию. По указанной схеме осуществляется мониторинг других природно-технических систем в районах горно-химического производства, территорий ТЭЦ и золоотвалов, рудников, карьеров и разрезов.

Нефтяная и газовая промышленность. Основными свойствами геологической среды нефтегазовых месторождений, которые надо учитывать при организации мониторинга, является присутствие в разрезе двух несмешивающихся жидкостей – нефти и подземных вод, а также существенное влияние на горные породы жидких и газовых углеводородных компонентов. Главная особенность в нефте- и газодобывающих комплексах состоит в техногенной нагрузке на геологическую среду, когда происходит взаимодействие процессов отбора из недр полезных компонентов. Одним из воздействий, оказываемых на геологическую среду в районах нефтяных и газовых месторождений, а также нефтеперерабатывающих предприятий, является химическое загрязнение следующих основных видов: углеводородное загрязнение; засоление пород и подземных вод минерализованными водами и рассолами, получаемыми попутно с нефтью и газом; загрязнение специфическими компонентами, в том числе сернистыми соединениями. Загрязнение пород, поверхностных и грунтовых вод часто сопровождается истощением естественных запасов подземных вод. В некоторых случаях истощению могут подвергаться и поверхностные воды, используемые для заводнения нефтяных пластов. В морских условиях возрастает масштаб угрозы загрязнения акваторий как искусственными (реагенты, применяемые при бурении и эксплуатации скважин), так и естественными загрязнителями (нефть, рассолы). Основная причина химического загрязнения на нефтяных месторождениях – низкая культура производства и несоблюдение технологий. Поэтому в наблюдательной сети мониторинга геологической среды районов нефтегазовых месторождений

одна из основных нагрузок падает на геохимические наблюдения, контроль загрязнений. При локальном загрязнении геологической среды нефтью и жидкими углеводородами от мелких источников загрязнения (нефтяных скважин, нефтехранилищ, складов горюче-смазочных материалов, АЗС, автобаз) образуется ареал нефтяного загрязнения. В процессе формирования ареала загрязнения углеводородами, кроме того, формируются абиотическая и биотическая зоны. В биотической зоне протекают основные биохимические процессы деструкции нефтяных углеводородов, которые находятся как в эмульгированном, так и в растворенном состоянии. В эмульгированном слое преобладают восстановительные условия, которые сменяются окислительными в зоне миграции растворенных углеводородов, где развиваются в основном микроорганизмы из числа анаэробов и факультативных анаэробов. В окислительных условиях биодеструкция углеводородов осуществляется аэробными микроорганизмами. При биодеструкции углеводородов выделяется в основном метан, углекислый газ и сероводород. Указанные особенности ареалов нефтяного загрязнения необходимо учитывать при организации наблюдательной сети мониторинга. Среди физических нарушений геологической среды в районах нефте- и газодобычи следует отметить проявления просадок, оседаний и провалов земной поверхности, а также подтоплений. Возможное развитие этих негативных инженерно-геологических процессов также должно являться предметом изучения в системе мониторинга геологической среды. Специфика изменений геологической среды на нефтегазовых месторождениях вызывает необходимость использования в наблюдательной сети мониторинга и специфических методов, позволяющих контролировать изменения и различные процессы, происходящие на больших глубинах. Вследствие этого среди методов наблюдений в сети мониторинга наибольший удельный вес составляют различные геофизические и дистанционные методы. Мониторинг районов горнодобывающей и перерабатывающей промышленности должен быть комплексным, учитывающим способы добычи полезных ископаемых и их переработки, а также особенности изменений геологической среды, и охватывать все системы объектов наблюдения, контроля и управления.

3.4. Мониторинг районов гидротехнических сооружений

Гидротехнические сооружения вносят существенные изменения в окружающую природную и геологическую среду. Поэтому организация систем мониторинга на территориях, прилегающих к гидротехническим сооружениям, является актуальной задачей. В России выполняемые наблюдения за процессами взаимодействия строящихся и построенных гидротехнических сооружений с геологической средой не носят системного характера, а использование их результатов для установления закономерностей развития такого взаимодействия и совершенствования научного прогнозирования неудовлетворительно. При организации мониторинга геологической среды в районах крупных гидротехнических сооружений в первую очередь необходимо учитывать их конструктивные особенности и размещение. Гидротехнические сооружения (гидроузлы) состоят, как правило, из комплекса сооружений: энергетических (ГЭС), транспортных (каналы, водоводы, шлюзы). При комплексном использовании рек в состав гидроузлов входят также и различные вспомогательные сооружения (перемычки, дороги, ЛЭП, жилищные поселки). Особенности изменений геологической среды районов гидротехнических сооружений определяются инженерно-геологическими условиями территорий и типом гидротехнического сооружения. Строительство ГЭС с водонапорными или водоудерживающими плотинами всегда связано с созданием водохранилищ. Местоположение створа плотины выбирают с учетом многих условий, среди которых одно из первостепенных состоит в том, чтобы при равных положениях нормального подпорного уровня воды у плотины ограничить до минимума площадь затопления и подтопления прилегающих к водохранилищу территорий, населенных пунктов. Зона влияния водохранилища пропорциональна размеру площади его зеркала воды. Наиболее крупные водохранилища образуются при строительстве ГЭС на равнинных реках. Так, площадь Рыбинского водохранилища на Волге составляет 4,6 тыс.км2, Куйбышевского – 5,6 тыс.км2, Волгоградского – 3,5 тыс. км2. Для различных крупных гидротехнических сооружений область техногенного воздействия на геологическую среду начинает формироваться уже на начальных этапах строительства. Область взаимодействия построенной плотины и массива горных пород охватывает больший объем пород, чем в период строительства гидротехнического сооружения. При этом нельзя рассматривать воздействие только одной плотины на массив пород, не учитывая одновременно воздействия на него и водохранилища. Воздействие на массив горных пород оказывают совместно плотина, масса воды в водохранилище, фильтрационный поток в обход примыканий и в основании плотины, подтопление склонов долины, взвешивающее воздействие воды. Общая зона воздействия будет определяться наложением, или взаимодействием, зон разуплотнения-уплотнения пород, областью колебания естественных и искусственных уровней подземных вод, зоной возможных фильтрационных деформаций, зоной ослабления устойчивости склона. При организации мониторинга в районах крупных гидротехнических сооружений основными общими задачами исследований являются определение границ области влияния сооружений на геологическую среду; выявление участков, активно реагирующих на техногенное воздействие гидротехнических сооружений; установление основных причин, изменяющих свойства и состояние пород в области их взаимодействия с сооружением. Изучают также влияние различных факторов на природу  сооружений или условий производства строительных работ, вырабатывают критерии безопасности работы, проводят контроль природных и техногенных процессов, прогноз и предупреждение опасных геодинамических процессов. В зоне влияния водохранилищ возникает комплекс неблагоприятных инженерно-геологических процессов и явлений, которые должны быть в центре внимания наблюдательной сети мониторинга. Среди них необходимо выделить следующие процессы: затопление территорий городов, населенных пунктов, дорог, сельскохозяйственных площадей; продолжительное затопление территорий в периоды половодий и паводков, подтопление территорий и расположенных на них сооружений в результате развития подпора уровня подземных вод; заболачивание территорий, а в районах недостаточного увлажнения – засоление почв и грунтов в результате подпора подземных вод; переливы через низкие водоразделы, вызывающие периодические затопления, заболачивание низких территорий; подмыв, разрушение берегов и их переработка под действием ветровых волн; повышение сейсмической активности территорий в связи с искусственным обводнением горных пород в верхних горизонтах земной коры (особенно в горноскладчатых областях). При организации мониторинга геологической среды необходимо учитывать изменения, которые происходят в массиве горных пород, прежде всего в основании плотины и гидротехнических сооружений при их строительстве и эксплуатации. Геологические процессы в горных породах связаны с изменением напряженного состояния пород основания температурным режимом пород; с фильтрационными деформациями зданий и сооружений ГЭС вследствие возможной активизации карстовых процессов, эрозии. Развитие карста с образованием крупных провальных форм отмечалось для каскада ГЭС в районе Ангары на расстоянии 0,5 – 1 км от берега водохранилищ, а в редких случаях – на расстоянии до 8 км от берега. Общая площадь пораженности карстовыми процессами в районе Братского водохранилища превышает 460 км2. По данным долгосрочных наблюдений за изменением свойств пород скального основания арочной плотины Ингурской ГЭС, установлено, что в период строительства плотины существенное уплотнение пород происходило до глубин 50–80 м. После наполнения водохранилища уплотнение пород зафиксировано до 500–800 м, а для плотины до 250 м. Лучше изучены глубина зоны сжатия и ее конфигурация в основании плотин, построенных на глинистых грунтах. О степени сжатия пород можно, как известно, судить по осадкам поверхности земли. Так, на участке плотины Волжской ГЭС, возведенной на глинах, воронка осадки распространилась на 0,6–0,7 км в стороны от сооружения. Работы по оценке глубины зоны сжатия пород в основании плотины показали, что за 16 лет эксплуатации породы ниже глубины 30–37 м не претерпели изменений плотности или влажности. Наблюдения на Саратовской ГЭС свидетельствуют о том, что глубина зоны влияния распространяется на 50 м. Детальные геофизические наблюдения показывают, что фактические перемещения поверхности под нагрузкой от водохранилищ, как правило, незначительны: поперечник воронки оседания обычно менее 10 км, а максимальная осадка менее 10 см. Важнейшая особенность формирования указанных изменений геологической среды, которая должна учитываться при организации мониторинга, – их длительность. Например, на большинстве волжских водохранилищ установившийся режим подземных вод в зоне их влияния сформировался только через 5–10 лет, а подпор грунтовых вод распространился на расстояния до 10–15 км (за исключением зоны влияния Каховского водохранилища). Ежегодные сезонные колебания уровня воды в водохранилище на 2–3 м сказываются на режиме уровней грунтовых вод на расстоянии до 300–700 м для песчаных и супесчаных грунтов, на расстоянии до 150–250 м – для суглинистых пород. Оценка подтопляемости территорий при организации сети мониторинга проводится в соответствии с действующими нормативными и методическими документами. Влияние подтопления на территории характеризуется глубиной залегания грунтовых вод. Выделяют следующие подзоны: 1) подзона сильного подтопления или заболачивания (глубина залегания грунтовых вод от 0 до 0,3–0,7 м; содержание воды в почвах и грунтах 70–100% полной влагоемкости); 2) подзона умеренного подтопления (глубина залегания грунтовых вод от 0,3–0,7 до 1,2–2,0 м); 3) подзона слабого подтопления (грунтовые воды залегают на глубине от 1,2–2,0 до 2–3 м в гумидных условиях и до 5 м – в аридных). Зона влияния измененного гидрологического режима в нижних бьефах гидроузлов сезонного и многолетнего регулирования распространяется на несколько сотен километров вниз по течению реки, при суточном регулировании – на 80–100 км. Для крупных гидротехнических сооружений, построенных как в равнинных, так и в горных областях, зона изменения свойств горных пород распространяется в среднем на глубины до 50–100 м, а в плане прослеживается на расстояния до 1 км от сооружения. Для ликвидации перечисленных опасных и неблагоприятных процессов в зонах водохранилищ проводят защитные мероприятия: создают системы инженерной защиты территорий, главным образом от процессов подтопления. С этой целью возводят дамбы обвалования, проводится подсыпка или намыв территорий, возводятся берегоукрепительные сооружения, строится система дренажей, дополнительных каналов. Все эти объекты обязательно должны включаться в наблюдательную сеть мониторинга геологической среды, так как они располагаются на участках наибольшего техногенного влияния гидроузла на геологическую среду. Во многих районах на таких объектах, как и на самих ГЭС, организованы режимные наблюдения. Они также должны включаться в систему мониторинга. Таким образом, основными факторами, которые необходимо учитывать при создании систем мониторинга геологической среды районов гидротехнических сооружений, являются: учет типа сооружений и особенностей инженерно-геологических условий территорий; организация мониторинга на весь каскад взаимосвязанных гидроузлов; учет особенностей различных зон техногенного влияния гидроузла при организации наблюдательной сети; учет и включение в структуру мониторинга системы инженерной защиты и режимной сети.

3.5. Мониторинг и оценка загрязненности почвы

Для решения задач сохранения почвы, осуществления гигиенических и природоохранных мероприятий проводят мониторинг и ранжирование почв по степени опасности их загрязнения химическими веществами. На основании мониторинга и ранжирования осуществляют комплексные мероприятия по охране почв и рекультивации земель, при разработке схем районной планировки, гигиенической оценке почв в районах урбанизации.

Результаты гигиенических исследований почв, загрязненных тяжелыми металлами, нефтепродуктами и другими веществами позволили разработать методику оценки загрязнения почвы вредными веществами по уровню возможного воздействия на системы «почва – растение», «почва – микроорганизмы, биологическая активность», «почва – грунтовые воды», «почва – атмосферный воздух» и опосредованно на здоровье человека.

С гигиенических позиций опасность загрязнения почвы химическими веществами определяется уровнем отрицательного влияния на контактирующие среды (вода, воздух), пищевые продукты и опосредованно на человека, а также на биологическую активность почвы и процессы ее самоочищения. Основным критерием гигиенической оценки опасности загрязнения почвы вредными веществами является предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в почве – комплексный показатель безвредного для человека содержания химических веществ в почве. ПДК отражают все возможные пути опосредованного воздействия загрязнителя на контактирующие среды, биологическую активность почвы и процессы ее самоочищения. Каждый из путей воздействия оценивается количественно с обоснованием допустимого уровня содержания веществ по каждому показателю вредности. Оценку опасности загрязнения почв проводят с учетом специфики источников загрязнения, приоритетности загрязнителей в соответствии со списком ПДК химических веществ в почве классом опасности, характером землепользования. При отсутствии возможности учета всего комплекса химических веществ, загрязняющих почву, оценку осуществляют по токсичным веществам, относящимся к более высокому классу опасности.

В случае отсутствия в приведенных документах класса опасности химических веществ, приоритетных для почв обследуемого района, их класс опасности может быть определен по индексу опасности. Отбор проб почвы, их хранение, транспортировка и подготовка к анализу осуществляется в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02–84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб почвы для химического, бактериологического и гельминтологического анализа». При оценке опасности загрязнения почв химическими веществами следует учитывать, что опасность загрязнения тем больше, чем больше фактические уровни содержания контролируемых веществ в почве (С) превышают ПДК. Опасность загрязнения почвы тем выше, чем больше значение коэффициента опасности (К0) превышает 1: K0= C/ПДК. Оценка опасности загрязнения должна проводиться с учетом буферной способности почвы, влияющей на подвижность химических элементов. Буферная способность почвы определяет воздействие вредных веществ на микроорганизмы, растения, животных, человека. Чем меньшими буферными свойствами обладает почва, тем большую опасность представляет ее загрязнение химическими веществами. Следовательно, при одной и той же величине К0 опасность загрязнения будет больше для почв с кислым значением рН, меньшим содержанием гумуса и более легким механическим составом. Например, если К0 вещества оказались равными в дерновоподзолистой супесчаной почве, в дерновоподзолистой суглинистой почве и черноземе, то в порядке возрастания опасности загрязнения почвы могут быть расположены в следующий ряд: чернозем < суглинистая дерновоподзолистая почва < супесчаная дерновоподзолистая почва.

Под «буферностью почвы» понимается совокупность свойств почвы сохранять ее параметры на одном уровне, определяющих ее барьерную функцию.

Предлагаются различные оценки опасности загрязнения почв населенных пунктов и почв, используемых для выращивания сельскохозяйственных растений. Основой оценки опасности загрязнения почв, используемых для выращивания сельскохозяйственных растений, является транслокационный показатель вредности, являющийся важнейшим показателем при обосновании ПДК химических веществ в почве. Это обусловлено тем, что с продуктами питания растительного происхождения в организм человека поступает около 70 % вредных химических веществ. Уровень транслокации определяет уровень накопления вредных веществ в продуктах питания, влияет на их качество. Существующая разница допустимых уровней содержания химических веществ по различным показателям вредности и основные положения дифференциальной оценки степени опасности загрязненных почв позволяют также дать рекомендации по практическому использованию загрязненных территорий.

Пример. Почвы территории загрязнены никелем, содержание подвижных форм которого составляет в первой 20 мг/кг (1) и во второй – 5 мг/кг (2). Почва (1) должна быть отнесена к категории «чрезвычайно высокого» загрязнения, так как уровень содержания никеля превышает допустимые уровни содержания этого элемента по всем показателям вредности: транслокационному, миграционному водному и общесанитарному. Такая почва может быть использована только под технические культуры или полностью исключена из сельскохозяйственного использования.

Почва (2) может быть отнесена к категории «умеренно загрязненной», так как содержание никеля (5 мг/кг) превышает его ПДК

(4 мг/кг), но не превышает допустимого уровня по транслокационному показателю вредности (6,7 мг/кг). В этом случае почва может быть использована под любые сельскохозяйственные культуры при одновременном осуществлении мероприятий по снижению уровня содержания никеля. Принципиальная схема оценки почв сельскохозяйственного использования, загрязненных химическими веществами, основана на категории загрязненности почв.

1. Допустимая категория.

Содержание химических веществ в почве превышает фоновое, но не выше ПДК. Почва используется под любые культуры.

2. Умеренно опасная категория.

Содержание химических веществ в почве превышает ПДК по лимитирующему, общесанитарному, миграционному водному и воздушному показателяю вредности, но ниже допустимого уровня по транслокационному показателю. Такую почву используют под любые культуры при условии контроля качества сельскохозяйственных растений.

3. Высоко опасная категория.

Содержание химических веществ в почве превышает ПДК по лимитирующему транслокационному показателю вредности. Почву используют под технические культуры. Использование под сельскохозяйственные культуры ограничено с учетом растенийконцентраторов.

4. Чрезвычайно опасная категория.

Содержание химических веществ превышает ПДК по всем показателям вредности. Возможно использование под технические культуры. Почву следует полностью исключить из сельскохозяйственного использования. Рекомендуется создание защитных полос. Оценка опасности загрязнения почвы населенных пунктов определяется эпидемиологической значимостью загрязненной химическими веществами почвы, ролью загрязненной почвы как источника вторичного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха, значимостью степени загрязнения почвы в качестве индикатора загрязнения атмосферного воздуха. Необходимость учета безопасности почвы населенных пунктов обусловливается тем, что с увеличением химической нагрузки возрастает эпидемическая опасность почвы. В загрязненной почве на фоне уменьшения представителей почвенных микробиоценозов (антагонистов патогенной кишечной микрофлоры) и снижения ее биологической активности отмечается увеличение патогенных энтеробактерий и геогельминтов, которые были более устойчивы к химическому загрязнению почвы, чем представители естественных почвенных микробоценозов. Оценка неблагоприятных последствий загрязнения почв при воздействии на человека важна при играх детей на загрязненных почвах. Такая оценка разработана по наиболее распространенному в населенных пунктах загрязняющему веществу – свинцу, содержание которого в почве, как правило, сопровождается увеличением содержания других элементов. Содержание свинца в почве игровых площадок на уровне 500 мг/кг способствует изменению психоневрологического статуса детей. По данным изучения распределения в почве некоторых металлов – наиболее распространенных индикаторов загрязнения городов, может быть дана ориентировочная оценка опасности загрязнения атмосферного воздуха. Так, при содержании свинца в почве, начиная с 250 мг/кг, в районе действующих источников загрязнения наблюдается превышение его ПДК в атмосферном воздухе (0,3 мкг/м3), при содержании меди в почве, начиная с 1500 мг/кг, наблюдается превышение ее ПДК в атмосферном воздухе (2,0 мкг/м3). Оценку уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводят по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и геогигиенических исследованиях окружающей среды городов. Такими показателями являются: коэффициент концентрации химического вещества (Кс), который определяется отношением его реального содержания в почве (С) к фоновому значению (Сф):