Виды и методы мониторинга промышленных объектов

Кс = С/Сф.

Следующий параметр называют суммарным показателем за

грязнения (Zc). Суммарный показатель загрязнения равен сумме коэффицентов концентраций химических элементов:

c 0 Z K.

Формула расчета класса опасности вещества для почвы (J) имеет следующий вид:

J = lg (A·S)/(a.M.ПДК),

где A – атомный вес соответствующего элемента; M – молекулярный вес химического соединения, в который входит данный элемент; S – растворимость в воде химического соединения (мг/л); a – среднее арифметическое из шести ПДК химических веществ в разных пищевых продуктах (мясо, рыба, молоко, хлеб, овощи, фрукты); ПДК – предельно допустимая концентрация элемента в почве.

3.6. Мониторинг районов АЭС

Развитие атомной энергетики, увеличение мощностей АЭС и строительство многоблочных крупных энергетических комплексов приводят к изъятию под их строительство значительных территорий. В процессе эксплуатации АЭС используются большие объемы водных ресурсов, возникают дополнительные тепловые и радиационные воздействия на окружающую среду, активизируются некоторые опасные геодинамические процессы, что вызывает характерные изменения в различных звеньях природной системы. В силу этого в районах размещения АЭС формируются специфические природнотехногенные комплексы, отличающиеся определенными тенденциями изменений геологической среды, иногда приводящими к негативным экологоэкономическим последствиям. Затраты на восстановление естественного равновесия в таких комплексах обычно бывают чрезвычайно высоки. Поэтому организация мониторинга геологической среды районов АЭС – дело первостепенной важности. В задачи мониторинга геологической среды районов АЭС входят: 1) прогноз развития геологической среды и ее элементов; 2) разработка рекомендаций и управляющих решений по оптимизации работы всей природнотехнической системы (ПТС); 3) повышение надежности функционирования ПТС и экологической безопасности АЭС. Разносторонние многолетние наблюдения за работой АЭС как в России, так и за рубежом показывают, что объектам атомной энергетики присущ специфический комплекс техногенных воздействий на геологическую среду, который обязательно должен приниматься во внимание при организации мониторинга в районах АЭС. Эти воздействия можно объединить в несколько групп: 1) нарушение водного баланса; 2) изменение состояния и свойств пород в основании сооружений АЭС; 3) повышение активности тепломассопереноса; 4) загрязнение окружающей среды радиоактивностью. Техногенное нарушение водного баланса в зоне влияния АЭС вызвано, как правило, резким снижением испарения под влиянием застройки и асфальтирования, усилением инфильтрации поверхностного стока, утечками из водных коммуникационных систем и водохранилищ, подпором естественных потоков подземных вод и связано прежде всего с большими объемами технологического водопотребления на АЭС. Указанные нарушения естественного водного баланса бывают столь велики, что даже при активной естественной дренированности территории они значительно превышают влияние гидрологоклиматических факторов (в том числе периодов с повышенной водностью года). Интенсивное техногенное питание подземных вод способствует быстрому повышению уровней грунтовых вод на расстоянии 3–5 км и более от АЭС со скоростью 1,2–2,0 м в год. При расположении АЭС на водораздельных пространствах с глубинами до зеркала грунтовых вод около 10–15 м их площадки могут быть отнесены к практически подтопляемым территориям. Эти обстоятельства должны учитываться при организации наблюдательной сети мониторинга геологической среды, а постоянно действующая модель в системе мониторинга должна быть направлена на моделирование гидрогеологических условий территории. Активная роль воды при изменении водного баланса территории АЭС проявляется и в изменении состояния, состава и свойств грунтов в основании сооружений АЭС. При их дополнительном водонасыщении возможны процессы снижения прочности, набухания глинистых грунтов, фильтрационных деформаций, просадки лѐссовых грунтов и т.д. В зависимости от конкретных инженерногеологических условий территории АЭС интенсивность и специфика проявления этих изменений в грунтах оснований могут быть различными, что также должно учитываться в системе мониторинга геологической среды. Особое внимание должно уделяться слабым и структурно неустойчивым грунтам (глинам, лѐссам, заторфованным грунтам и т.п.). Следующий фактор влияния на геологическую среду территорий АЭС – техногенное тепловое воздействие, которое возникает вследствие конструктивных особенностей различных сооружений АЭС и систем охлаждения атомного реактора. В результате этого с изменением водного и теплового баланса верхней зоны пород происходит повышение активности тепломассопереноса и формируется контур геоэнергетического теплового взаимодействия системы объектов АЭС с геологической средой. Большинство объектов АЭС характеризуется значительным тепловыделением в окружающую среду преимущественно в виде стока в местную гидрографическую сеть (сброс горячих вод). Повышение температуры инфильтрующихся техногенных вод по сравнению с естественными подземными водами создает предпосылки для развития устойчивых процессов тепломассопереноса (тепловлагопереноса, теплопаропереноса, термоосмоса), также меняющих состояние и свойства грунтов оснований АЭС. В наблюдательную сеть мониторинга геологической среды территорий АЭС должны обязательно включаться температурные наблюдения и контроль за процессами тепломассопереноса. Основную долю в энерговыделении АЭС в окружающую среду составляет тепло (до 70%). На современных АЭС вода используется в качестве главного теплоотводящего элемента в системе (сети производственнотехнического водоснабжения, бассейныохладители, градирни). Вокруг АЭС формируется устойчивое техногенное тепловое поле – температурная аномалия, протяженность которой в плане определяется теплофизическими свойствами пород и гидрогеологическими условиями территории. Некоторые данные о влиянии тепловых источников АЭС на нагрев грунтовых вод представлены в табл. 2.4. Активному развитию процессов теплопереноса в районах АЭС способствуют следующие факторы: значительная заглубленность тепловыделяющих элементов энергетического комплекса в массивы горных пород; техногенное усиление инфильтрационного питания грунтовых вод, сопровождающееся подъемом их уровней и ростом скоростей фильтрации; повышенным водопотреблением АЭС по сравнению с другими объектами (в среднем около 2 м3/с против 1,1 м3/с на ТЭЦ при безвозвратных потерях 1 м3/с на каждые 1000 мВт).

В зоне транзитного движения, как правило, ограниченного в разрезах местным водоупором, отмечается относительная равномерность прогрева грунтовых вод. Наблюдают область устойчивого повышения температуры грунтовых вод от внешнего контура промплощадки и до зоны естественного движения грунтового потока (область конвективного переноса тепла). рослеживается тесная связь режима развития теплового поля с геофильтрационными параметрами подстилающих пород, проявляющаяся в сходном характере изменения градиентов уровней и температур. Четвертый важнейший фактор техногенного влияния АЭС на геологическую среду связан с изменением геохимической обстановки. Как известно, современные атомноэнергетические комплексы представляют собой разветвленную цепь специфических промышленных объектов, среди которых выделяются: предприятия начального и среднего этапов (по добыче и переработке руд, обогащению урана, производству топлива); сами атомные электростанции; предприятия по переработке отработанного топлива; объекты временного хранения и окончательного захоронения радиоактивных отходов. Все эти объекты должны находиться в сфере действия мониторинга геологической среды. В результате их деятельности образуются газообразные, жидкие и твердые радиоактивные и другие отходы, которые частично поступают в окружающую и геологическую среду. Они и вызывают различные изменения радиационной, гидрохимической и геохимической обстановки. В табл. 2.5 приведены основные загрязнители окружающей среды.

Как показывает опыт работы отечественных АЭС, их эксплуатационный режим оказывает незначительное радиохимическое воздействие на окружающую среду, не превышающее 2% от суммы космического и почвенного облучения. Сбросы в открытые водоемы невелики и составляют менее 37 ГБк долгоживущих нуклидов в год на 1000 мВт установленной мощности. Наибольший вклад в эту активность вносят изотопы цезия134 и 137, а также некоторые радионуклиды – продукты коррозии. Наибольшую опасность представляют аварийные выбросы радионуклидов в окружающую среду, которые могут многократно перекрыть все фоновые нормативы. Радиоактивные вещества включаются геохимический круговорот в биосфере и оказывают негативное воздействие на все живые организмы в период всего времени жизни. Например, стронций90 и цезий137 с периодами полураспада около 30 воздействует на несколько поколений человека. В случае попадания радиоактивных веществ в объекты геологической среды мониторинг позволяет найти оптимальные способы локализации загрязнений и их ликвидации. Разрабатывая в системе мониторинга геологической среды наблюдательную сеть, следует иметь в виду, что миграция радионуклидов в зоне гипергенеза осуществляется атмосферным, водным, биологическим и механическим (техногенным) путем. Сами элементы мигрируют в форме ионов, комплексных соединений, коллоидов, растворенных и свободных газов. На геохимических барьерах радиоактивные элементы теряют свою подвижность, как, например, цезий в глинистых почвах и торфяниках. В зоне гипергенеза наиболее распространенным является карбонатный геохимический барьер, который контролирует концентрацию щелочноземельных и многих других элементов. Он проявляется как в окислительной, так и в восстановительной обстановке. В системе мониторинга наличие природных геохимических барьеров должно учитываться в первую очередь. Основное внимание следует уделять также радионуклидам, которые переносятся водой в ионной, молекулярной или комплексной форме. Именно эти формы усваиваются биотой, а значит, создают пути биологической миграции в организм человека – так называемые пищевые цепи. В случае попадания радионуклидов в воду они усваиваются аналогично стабильным элементам. При этом практическое значение имеют в первую очередь только долгоживущие радионуклиды, например цезий137, стронций90, плутоний239. По степени поступления в растения из почвы радионуклиды можно расположить в следующий ряд: Sr89>Sr90>I131>Ba140>Cs137>Ru106>Ce144>Y90> >Y91>Pm147>>Zn95>Nb95>Po210 Миграция радионуклидов зависит также от типа почвы, которая определяет ее поглотительную способность: наименьший переход радионуклидов отмечается из черноземных высокогумусных почв, наибольший – из торфяноболотистых почв. В случае рядовых аварий атомных реакторов (без расплавления активной зоны и выбросов ядерного горючего во внешнюю среду) происходит выделение радионуклидов в атомарном или молекулярном состоянии. Их форма нахождения в природных образованиях, в том числе подземных водах, та же самая, что и продуктов глобальных выпадений после ядерных испытаний в атмосфере. Долгоживущие радионуклиды включаются в геохимические циклы и попадают в пищевые цепи, не говоря уже о загрязнениях атмосферы мелкодисперсными частицами. Трансурановые элементы, являясь излучателями альфачастиц, чрезвычайно токсичны при респираторном поступлении в легкие человека. С пылью они попадают в поверхностные и подземные воды. Интенсивная пространственно-временнáя изменчивость поля распределения техногенных радионуклидов обусловливает применение в системе мониторинга трендового анализа в качестве основного метода оценки и прогноза гидрогеохимической (эколого-геологической) обстановки. Результаты наблюдений за миграцией радионуклидов должны обрабатываться в единой автоматизированной информационной системе (АИС) мониторинга геологической среды регионального или национального уровня. В целом, гидрогеохимический мониторинг территорий АЭС должен базироваться на использовании основных методических положений геохимического картирования территорий, включающего принципы обоснования состава исследований, размеров сети опробования основных элементов геологической среды.

3.7. Мониторинг территорий нефте-газопроводов и транспортных систем

Природно-технические линейные системы нефте- и газопроводов имеют свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при организации мониторинга геологической среды территорий, на которых располагаются нефте и газопроводы. Основными из них являются: 1) значительная протяженность трасс газопроводов, проходящих через разные климатические и природные зоны с разнообразными инженерно-геологическими условиями; 2) тенденции увеличения технологических нагрузок на трубопроводы, связанные с возрастанием объемов перекачиваемых продуктов; 3) чрезвычайно серьезные экологические последствия для окружающей среды, возникающие в случае аварий трубопроводов, особенно нефтепроводов, из чего следует необходимость обеспечения достаточно высокой надежности работы этих сооружений; 4) увязка различных сооружений газо и нефтепроводов с инженерными комплексами осваиваемых месторождений. Как правило, крупнейшие нефте- и газопроводы (конденсатопроводы) должны включаться в систему мониторинга вместе со всей инженерной структурой освоения месторождения. Например, освоение крупнейших газовых месторождений на территории Западной Сибири и на северовостоке европейской части России в настоящее время ведется путем сооружения отдельных газовых промыслов, состоящих из установок комплексной подготовки газа и дожимных компрессорных станций. Промыслы размещаются по осевой линии месторождения в пределах коридора основных коммуникаций, где сооружаются по 23 нитки газопровода-коллектора диаметром труб 1200–1400 мм, а также 12 нитки водоводов, линии электропередачи и автомобильная дорога с покрытием бетонными плитами. Большинство газопроводов-коллекторов и магистральных газопроводов прокладывается подземным или полуподземным способом (полузаглубленным) с обваловкой или в насыпи. В процессе освоения крупных нефтяных и газовых месторождений в связи с необходимостью добычи, очистки и транспортировки полезного ископаемого создается сложно построенная региональная природно-техническая система, захватывающая огромную территорию, отличающаяся большой протяженностью, а в условиях России к тому же часто расположенная или частично проходящая в криолитозоне. Опыт борьбы с многочисленными деформациями различных сооружений вдоль трасс нефте и газопроводов показал, что эксплуатационная надежность газо- или нефтедобывающих комплексов и трубопроводов в сложных инженерно-геологических условиях не может быть обеспечена проведением отдельных ремонтных работ и мероприятий по инженерной защите данной системы. Если пространственно-временнáя структура мониторинга геологической среды определяется целью управления, режимом эксплуатации, а также инженерно-геологическими условиями, определяющими характер и интенсивность взаимодействия между различными типами сооружений и геологической средой, то при создании мониторинга территорий трасс трубопроводов оценивают инженерно-геологические условия территории и анализируют техногенную нагрузку вдоль трассы. На основе сопоставления карт и другой информации составляется прогноз взаимодействия геологической среды и инженерных сооружений вдоль всей трассы и разбивается наблюдательная сеть мониторинга. Рассмотренная выше общая методика организации системы мониторинга остается в силе и для территорий газо и нефтепроводов. Исходными материалами для составления прогнозов изменения инженерно-геологических условий служат следующие данные: опережающие инженерно-геологические съемки среднего масштаба; детальные данные предпостроечных изысканий; результаты режимных наблюдений за изменением тех или иных компонентов геологической среды при их взаимодействии с инженерными сооружениями; повторные обследования промплощадок и трасс трубопроводов и повторных площадных съемок; многозональные космические и аэрофотосъемки предпостроечной ситуации и последующих залетов, а также тепловая съемка. Прогноз изменения инженерно-геологических условий по трассам газо- и нефтепроводов может осуществляться в три этапа: 1) региональный прогноз изменений инженерно-геологических условий на основе анализа структуры полей геологических параметров, характеризующих состояние геологической среды до и после освоения территории; 2) прогнозное инженерно-геологическое районирование территории по характеру взаимодействия различных типов сооружений с геологической средой; 3) локальный количественный прогноз геологических параметров, определяющих устойчивость ПТС. Общая структура мониторинга геологической среды вдоль трассы трубопровода включает в себя подсистемы регионального, локального и детального уровней. Состояние подземных газопроводов по сравнению с проектным может оцениваться по такому показателю, как, например, «стабильность» (S), предложенному в 1988 г. В.В. Пендиным с сотрудниками. Показатель стабильности варьирует в пределах от 1 до 0, причем значение S = 1 соответствует полному отсутствию деформаций сооружения, превышающих предусмотренные проектом, а при S = 0 сооружение выходит из строя в результате развития инженерно-геологических процессов.

Существует специфика мониторинга геологической среды и на территориях, по которым проходят различные линейные транспортные геотехнические системы. Среди них первостепенное значение имеют железные дороги и автомобильные трассы. Главными особенностями этих ПТС, которые необходимо учитывать при организации мониторинга геологической среды, являются: 1) большая протяженность транспортных линейных магистралей и вследствие этого большое разнообразие вдоль трасс инженерно-геологических условий; 2) возрастающая год от года нагрузка на транспортные магистрали, обусловленная общей тенденцией увеличения грузоперевозок, внедрением перевозок сдвоенными тяжеловесными составами и т.п.; 3) усиливающиеся тенденции активизации техногенных изменений геологической среды вдоль транспортных магистралей. Воздействия транспорта на геологическую среду не локальны, так как сеть железных и автомобильных дорог разного класса, воздушных трасс, судоходных рек, ЛЭП охватывает все регионы страны. Продукты неполного сгорания транспорта попадают в атмосферу и разносятся ветром, но они накапливаются в течение времени во всех компонентах окружающей, и в том числе геологической среды. Наибольшему загрязнению, естественно, подвергаются придорожные зоны. Исследования показывают, что в полосе магистральных автомобильных дорог первого класса шириной 30–50 м в почвах, грунтовых водах и растительности накапливаются нефтепродукты, свинец, цинк и другие тяжелые металлы в концентрациях, значительно превышающих ПДК. Трасса длиной 100 км загрязняет геологическую среду сверх ПДК на площади 500 га. В районах аэродромов образуются устойчивые зоны загрязнения почв и грунтовых вод керосином и некоторыми тяжелыми металлами, при этом очаги загрязнения выходят за территорию взлетно-посадочных полос. На инженерно-геологические условия территории воздействует как строительство, так и эксплуатация транспортных систем. Они способны активизировать природные или вызвать к жизни техногенные экзогенные геологические процессы: оползни, обвалы, плывуны, суффозию, карст, эрозию, заболачивание и т.д. Вибрационное воздействие от тяжелогруженых автомашин и поездов интенсифицирует оползни, обвалы, осыпи, лавины и другие гравитационные явления. В настоящее время компании автомобильных или железных дорог страны не имеют не только собственных сил для обеспечения надежности инженерной защиты эксплуатирующихся сооружений, но и достаточно обоснованной картины современного состояния транспортных геотехнических систем с точки зрения наличия опасных участков. Компании также не могут в полной мере прогнозировать изменения геологической среды. В связи с этим организация систем мониторинга по основным трассам автомобильных и железных дорог является государственной задачей. На трассах автомобильных и железных дорог существует геотехнический контроль, призванный обеспечивать надежное, безаварийное функционирование трасс, сохранность и обслуживание системы инженерной защиты магистралей. Геотехнический контроль призван обеспечивать и режимные наблюдения по трассам при организации мониторинга геологической среды. На железных дорогах России геотехнический контроль осуществляется в соответствии со сложившейся организационной структурой управления, которая включает в себя следующие подразделения: управление дороги, отделение дороги, дистанция пути, околоток. Поэтому уровневая система мониторинга геологической среды железнодорожных трасс должна строиться с учетом этой структуры. Мониторинг геологической среды дистанции пути соответствует локальному уровню, основной задачей которого является оценка состояния инженерной защиты дистанции с разработкой рекомендаций по комплексу защитных мероприятий и укрупненным определением их стоимости. На этом уровне проводится оценка динамики развития различных неблагоприятных геологических и инженерно-геологических процессов за периоды строительства и эксплуатации дороги, разрабатываются управляющие решения и рекомендации по функционированию системы защитных мероприятий. Исследования и наблюдения ведутся с помощью аэрофотосъемки, анализа материалов обычных аэрофотосъемок залетов разных лет, а также наземных инженерно-геологических обследований. Карта прогноза состояния геологической среды вдоль дистанции пути по степени устойчивости ее элементов к техногенным воздействиям строится в масштабе 1:10 000 или 1:25 000.

4. Методы мониторинга промышленных объектов.

6.2.           Наблюдательные сети и программы наблюдений

Основу системы сбора информации о природно-технических системах в ходе мониторинга составляют так называемые наблюдательные сети. Наблюдательные сети мониторинга природно-технических систем призваны обеспечить всесторонний сбор достоверной информации о среде в целом и ее отдельных элементах.

К наблюдениям в системе мониторинга предъявляются достаточно высокие требования, а их проведение должно основываться на тщательных методических проработках и научном обосновании. В зависимости от на­значения в мониторинге геологической среды используют четыре основные группы наблюдений: инвентаризационные, ретроспективные, режимные и методические.

Инвентаризационные наблюдения проводятся достаточно редко, через длительный срок, для того чтобы либо оценить начальное состояние геологической среды, либо оценить ее многолетние изменения. Они включают в себя набор трудоемких или дорогостоящих методов наблюдений за объектами геологической среды, которые не могут часто использоваться или входить в состав режимных наблюдений. Эти наблюдения носят характер инвентаризации на определенный период и могут проводиться с очередностью одного раза в год, либо раз в 2-3 года и более. В состав инвентаризационных наблюдений априори включаются наиболее консервативные элементы геологической среды, для которых заведомо можно предположить низкую скорость изменения, в том числе и техногенного.

Ретроспективные наблюдения направлены на выявление тенденций развития геологической среды или ее компонентов и установление закономерностей их изменений. Они составляют основу для решения прогнозных задач в мониторинге геологической среды и проводятся по особой программе, составленной с учетом установленных для данного компонента геологической среды тенденций развития или изменения. Главное условие при постановке ретроспективных наблюдений – обеспечение надежной информации, достаточной и необходимой для составления того или иного прогноза.

По срокам и периодичности проведения ретроспективные наблюдения могут быть различными в зависимости от того, насколько велика скорость изменения того или иного элемента геологической среды.

Режимными стационарными наблюдениями называются наблюдения за динамикой процессов и явлений на наблюдательных    стационарах – наблюдательных участках, точках, пунктах – в целях выявления их

закономерностей и обусловленности. Они отражают определенные временные (ежегодные, сезонные, ежемесячные, суточные и др.) колебания в системе наблюдаемых объектов и процессов. Режимные наблюдения в общей методике инженерно-геологических исследований составляют определенный, самостоятельный и важный вид геологических работ, который входит как часть наблюдений и в мониторинг геологической среды.