Газогеохимические исследования на строительных объектах Московской области

Газогеохимические исследования на строительных объектах Московской области

Ю.Д. ШУСТРОВ, кандидат технических наук, главный инженер НПЦ «Экостройгеология»

Н.В. МОЖАРОВА, кандидат биологических наук, доцент факультетата почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова

С.А. КУЛАЧКОВА, кандидат биологических наук, научный сотрудник факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова

Наблюдающаяся в последние годы стремительная урбанизация Московской области наряду с действующими запретами на застройку рекреационных зон, служащих своеобразными «легкими» Москвы, породила острый дефицит площадей, которые могут быть выделены под новую застройку. В связи с этим гораздо чаще, чем прежде, возникает ситуация, когда застройщики вынуждены вовлекать в оборот территории, которые являются неблагополучными как в геологическом, так и в экологическом отношении. В свою очередь, это приводит к необходимости расширять и углублять состав инженерных изысканий на этих территориях и подвергать более строгой государственной экспертизе их результаты. Так, например, если строительство на насыпных грунтах, содержащих строительный мусор с включениями бытовых и производственных (в т.ч. органических) отходов, практиковалось и ранее, хотя и в меньших размерах, то широкое использование участков с торфяными почвами, заторфованными грунтами, иловыми осадками сточных вод полей фильтрации для Подмосковья является относительно новым явлением. К этому перечню следует добавить еще и жилую застройку площадей, на которых ранее располагались животноводческие комплексы с традиционно плохо организованной утилизацией отходов их жизнедеятельности.

Для всех перечисленных территорий характерно наличие органических компонентов, способных генерировать биогаз, который при достижении определенных концентраций способен спровоцировать либо техногенные аварии, либо нанести вред здоровью человека. В действующих строительных правилах рекомендовано проводить газогеохимические исследования в мощных насыпных грунтах, если в них обнаружены органические включения. Кроме этого, при возведении взрыво- и по жароопасных объектов, например на энергетических комплексах, проектировщики традиционно предусматривают газогеохимические исследования. В сложившейся ситуации, как экспертные организации, так и сами застройщики все чаще ставят вопрос о необходимости проведения газогеохимических исследований потенциально опасных участков.

В настоящее время авторами данной статьи на основе исследований, выполненных НПЦ «Экостройгеология» совместно со специалистами факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова на ряде строительных объектов Московской области накоплен интересный материал, позволяющий сделать определенные выводы и поставить научно-практические задачи на ближайшую перспективу. В выполненных работах отражены результаты изысканий на грунтах, содержащих органические компоненты как природного, так и техногенного происхождения.

Рассмотрим более подробно специфику газогеохимических исследований. Как указывалось выше, почвы и грунты, содержащие органическое вещество (растительные и животные остатки, отходы и др.) являются источниками главных парниковых газов - диоксида углерода и метана, содержание которых в атмосфере неуклонно растет. Главной особенностью таких почв и техногенных поверхностных почвоподобных образований является способность генерировать биогаз - смесь газов, образующихся при разложении органических остатков. Биогаз обычно содержит метан (55-65%), углекислый газ (35-45%), примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода. Наличие углеводородных газов в зоне строительства влияет на пожаро- взрывоопасность сооружаемых объектов. Содержание метана в атмосферных и приповерхностных ореолах газопроявлений в концентрациях более 5% является взрывоопасным, а более 15% - воспламеняющимся. При наличии углеводородных газов в концентрации около 0,001% выделяются газовые аномалии. В этой связи в своде правил по инженерно-экологическим изысканиям для строительства рекомендовано проведение газогеохимических исследований на участках преобладания названных выше грунтов. Вместе с тем, помимо пожароопасных свойств подобные грунты несут и экологическую опасность, особенно существенную при строительстве жилых домов и социальных объектов, и которую нужно учитывать при проведении работ и разработке новых нормативных документов по инженерно-экологическим изысканиям. Учет этих факторов необходим и при возведении производственных объектов с постоянным или длительным пребыванием персонала.

Известно, что природные углеводородные газы, при высоких концентрациях, вызывают патологические состояния организма человека, обусловленные гипоксией. В больших городах симптомы гипоксии развиваются у людей при содержании кислорода 10-12%. Смертельная доза газообразных углеводородов в закрытых помещениях, подземных полостях составляет при полном замещении кислорода около 20%. Длительное вдыхание углекислого газа при концентрации выше 1,5% вызывает головную боль, головокружение, тошноту, а при концентрации выше 6% (так называемый критический уровень) теряется работоспособность, появляется сонливость, ослабление дыхания и сердечной деятельности (Снакин, 2000).

Высокая потенциальная опасность для человека, которую представляет накопление биогаза в замкнутых объемах, требует тщательного изучения всех факторов, связанных с причинами его появления. Особое внимание у проектировщиков и строителей традиционно вызывает метан, повышенная концентрация которого в подвальных этажах зданий грозит наиболее тяжелыми последствиями.

В основе микробиологического процесса образования метана, его транспорта, окисления и образования диоксида углерода, лежит цепочка процессов, получившая в науках о природе название цикла Зенгена (Заварзин, 1997). Микробиологическое образование метана - широко распространенный в природе процесс, протекающий в восстановительных условиях при повышенной влажности и содержании органического вещества. Образовавшийся метан диффундирует в аэробную зону. Почвы и грунты адсорбируют газы с помощью про цессов молекулярной сорбции, депонируют в поровом пространстве, используя механизмы диффузионной проницаемости. Интенсивность названных процессов зависит от влажности, пористости аэрации, общей пористости и дисперсности почв и грунтов. Метан слабо растворяется в почвенной и грунтовой влаге, величина растворимости зависит от температурных параметров.

В аэробных условиях метан окисляется специфической группой микроорганизмов, представляющей собой бактериальный фильтр. Его функционирование значительно снижает концентрацию метана в почво-грунтах, препятствуя эмиссии в атмосферу. В случае неполного окисления метана микроорганизмами при повышении температуры почв и грунтов метан эмитирует в атмосферу. Окисление метана сопровождается интенсивным выделением диоксида углерода.

Газогеохимические исследования были проведены на участках строительства в Москве и в Московской области.

Исследование включало комплекс предполевых, полевых и камеральных работ:

- предполевой анализ природных условий района исследований; материалов по состоянию геологической толщи в слое 20 м;

- полевую газогеохимическую съемку, включающую определение эмиссии и концентраций метана, диоксида углерода на глубине 80 см с помощью полевых приборов в заданными масштабом и площадью; отбором газовых и почвенных проб для поверочных измерений;

- камеральное определение газов в аттестованной лаборатории на газовом хроматографе;

- камеральное определение активности микробиологического окисления метана в аттестованной лаборатории на газовом хроматографе;

- камеральное определение активности абиотического поглощения метана в аттестованной лаборатории на газовом хроматографе;

- формирование рабочей гипотезы, составление оценочных, прогнозных карт и окончательных выводов по газогеохимическому состоянию предполагаемых объектов строительства.

Объекты исследования, демонстрируемые в данной статье, представлены:

- насыпными грунтами (рис. 1а, б, в), почвами и грунтами содержащими органические прослои разной мощности;

- природными почвами и техногенными почвоподобными образованиями, загрязненными органическими отходами животноводческих ферм (рис. 1г, д, е);

- техногенными почвоподобными образованиями, подстилаемыми болотными отложениями ( рис. 2а, б, в).

Рис. 1 Картосхемы газогеохимического и микробиологического состояния почво-грунтов на строительных объектах

Рис. 2 Картосхема содержания диоксида углерода в почвенно-грунтовом воздухе в зависимости от сезона (Масштаб 1: 1000)

На примере нескольких рисунков рассмотрим особенности газогеохимического состояния в зависимости от специфики почв и грунтов. Приведенные на рис. 1 картосхемы свидетельствуют о положительных корреляциях содержания, эмиссии метана и углекислого газа в атмосферном, почвенно-грунтовом воздухе с содержанием органического вещества в насыпных грунтах и почвах. Над областями распространения природных автоморфных почв концентрация метана в почвах минимальна (на приведенном на рис. 1, а примере - до 0,5 рр m ) и эмиссия в атмосферу практически не выражена (рис. 1, б). Активность бактериального окисления метана находится на фоновом уровне - до 5 нг/г в час ( рис. 1, в). При переходе к насыпным грунтам, содержащим органические слои, концентрация метана в почвах, эмиссия метана в атмосферу, активность бактериального окисления метана увеличиваются. При этом в районах наличия насыпных грунтов с мощными слоями органических веществ газогеохимические показатели достигают максимальных величин.

Отведенные под жилую застройку территории бывших свиноферм часто являются существенным источником двуокиси углерода в атмосферу ( рис. 1, г-е). В почвах свиноферм скапливается большое количество органического вещества, разложение которого приводит к генерации метана. Как правило, диффундирующий метан, скопившийся в аэробной зоне, интенсивно окисляется метанокисляющими бактериями, поэтому содержание этого газа в таких почвах оказывается невысоким - до 0,3 рр m. При этом активность бактериального окисления метана в некоторых местах оказывается чрезвычайно высокой, способствующей снижению концентрации метана на 3000-4000 рр m. Следствием интенсивного бактериального окисления метана является весьма активное продуцирование диоксида углерода, достигающего в почвах 7-8%, а в приземных слоях атмосферы 5-6%. По существующим нормативам ( ГН 2.2.5.2100-06) полученные материалы свидетельствуют о превышении разовых предельно допустимых концентраций диоксида углерода в атмосфере в 5 раз, среднесуточных в 15, а исследованные грунты следует относить к опасным ( СП 11-102-97). Это обстоятельство необходимо учитывать при проведении газогеохимических работ и разработке нормативных документов при градостроительстве. С этих позиций мы рекомендуем помимо учета пожароопасной составляющей развивать экологическую компоненту в содержании газогеохимических исследований. При этом необходимо изучать и разрабатывать экологические нормативы не только для атмосферных и свободных газов, находящихся непосредственно в почвенно-грунтовом воздухе, но и для эмиссионных и утилизированных - окисленных биологическим путем - как характеристики количества газов, потенциально способных накопиться в данных грунтах при изменении условий (например, при запечатывании поверхности под асфальтовыми покрытиями, нарушающими газообмен с атмосферой и способствующими восстановительным процессам). Перечень нововведений в свод правил по инженерно-экологическим геохимическим изысканиям был бы неполным без разработки количественных показателей активности бактериального окисления метана, дополняющего преставления об общем содержании метана в газогенерирующем теле.

Другим важным недостатком существующих методических разработок следует считать недоучет сезонных изменений газовых характеристик. Между тем, показатели содержания метана и диоксида углерода существенно меняются в зависимости от сезонных флуктуации. Например, показатели эмиссии метана в атмосферу могут меняться при переходе от зимнего к весеннему периоду в несколько раз. Данные, полученные при проведении работ в поздне-осенний и зимний период, всегда характеризуются заниженными газогеохимическими параметрами. Так, например, в весенний период может наблюдаться расширение газовых аномалий по площади и увеличение интенсивности их проявления ( рис. 2). Исследование газогеохимических характеристик в зимний период позволило выделить газовые аномалии по диоксиду углерода на трети площади, тогда как по результатам прогноза на весенний период грунты на той же площади станут потенциально опасными, а на остальной территории, где раньше были фоновые концентрации, будут выделяться аномалии. Очевидно, что весенний период является наиболее благоприятным для получения достоверной картины о предельных значениях содержания биогаза в почво-грунтах и его эмиссии в атмосферу. Однако технология проектирования и строительства редко привязывает сроки выполнения инженерных изысканий к климатическим факторам. Поэтому, необходима разработка таких методик газогеохимичесих исследований, которая давала бы достоверный результат при проведении полевых работ в любое время года. Разработка таких методик является предметом инициативных научных исследований, проводимых нашими специалистами. Пока же, для проектировщиков и застройщиков мы в настоящее время рекомендуем осуществлять дополнительные контрольные замеры в благоприятный климатический период в тех случаях, если в неблагоприятный для исследований период исследования выявили потенциальную опасность появления повышенных концентраций метана и углекислого газа.

В качестве другой меры предосторожности, проектировщикам можно рекомендовать заранее закладывать в проектные решения применение более эффективных средств изоляции подвальных помещений и более производительных методов и средств их вентиляции.

При освоении загрязненных, а, следовательно, экологически неблагополучных территорий, часто возникает еще одна проблема, характерная для тех случаев, когда под застройку отводятся достаточно обширные территории. Естественное стремление застройщиков эффективно осваивать предназначенные для строительства средства сделало целесообразным последовательное поэтапное освоение земельных участков с частичным совмещением различных технологических фаз проектирования и строительства. Если на экологически чистых участках подобная технология позволяет экономить время и средства, то на загрязненных территориях подобный подход может привести к нежелательным результатам. Например, соседство рекультивированных участков территории с сильно загрязненными участками может привести к повторному загрязнению уже очищенных площадок. Причиной повторного загрязнения могут быть как природные факторы, например, сильные осадки или паводковые воды, так и техногенные. К техногенным факторам можно отнести работу на сопредельных участках тяжелой строительной техники и транспорта. Эта проблема касается, практически, всех видов загрязнений. Повторные замеры с высокой степенью вероятности покажут повторное загрязнение либо солями тяжелых металлов, либо нефтепродуктами, либо микробиологическими компонентами. Для газогеохимических исследований соседство с загрязненными участками может привести к искаженной картине при замере поверхностной концентрации биогаза в тех случаях когда, исследуемый участок расположен в непосредственной близости от участка с разлагающимися органическими отходами.

Учитывая перечисленные обстоятельства, государственные экспертные организации обоснованно требуют от застройщиков предварительной разработки и согласования с экологами проектов рекультивации осваиваемых территорий. Программа предстоящих инженерно-экологических изысканий должна строиться с учетом положений утвержденного экспертной организацией проекта рекультивации. Однако, традиционное пренебрежение строителей к экологическим требованиям, часто приводит к отступлению от действующих правил. В конечном итоге, это приводит застройщиков как к дополнительным финансовым потерям, так и к срыву сроков строительства.

Предвидя опасность повторного загрязнения участков строительства, изыскатели вынуждено вносят в свои технические отчеты пункты с требованием провести дополнительные исследования после окончания строительства, а решение государственной экологической экспертизы придает этим требованиям законную силу. Помимо затрат на повторную экспертизу участка строительства, застройщик может понести гораздо большие убытки, если возникнет необходимость очистить от загрязнений уже освоенную территорию.

ВЫВОДЫ

Научная работа по совершенствованию методических и нормативных документов, регламентирующих газогеохимические исследования, является особенно важной в условиях освоения под строительство экологически неблагополучных территорий.

Актуальной является задача исследования газогеохимических аномалий не только с целью определения их потенциальной пожаро- и взрывоопасности из-за эмиссии метана, но и с целью определения возможного влияния повышенных концентраций углекислого газа на здоровье человека.

До окончания работ по совершенствованию методик газогеохимических исследований, для получения наиболее точных результатов изысканий целесообразно на потенциально неблагополучных участках проводить контрольные замеры уровня эмиссии биогаза в наиболее показательный для Подмосковья период, т.е. в мае месяце.

На обширных экологически неблагополучных участках, идущих под комплексную застройку крупными микрорайонами, целесообразно программу предстоящих инженерно-экологических изысканий составлять с учетом утвержденного органами экологической экспертизы проекта рекультивации осваиваемых территорий.

Заварзин Г.А. Эмиссия метана с территории России // Микробиология, т.66, № 5, 1997 г., с. 669 - 673.

Снакин В.В. Экология и охрана природы, словарь-справочник. М .: Academia, 2000. 384 с .

Журнал «Информационный вестник Мособлгосэкспертизы». Выпуск № 2 2008 г.

Еще бесплатно скачать

    Рейтинг:
    • Итоги рейтинга 2.00/5
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    2.0/5 (1 голос)

    Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

    Ваше имя:
    Ваша почта:

    RSS
    Комментарий:
    Введите символы: *
    captcha
    Обновить