3. Opis terenowego stanowiska pomiarowego do badania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń ropopochodnych w gruncie

Stanowisko pomiarowe przygotowano w Krakowie na wolnym powietrzu, na obszarze gruntów należących do Akademii Górniczo - Hutniczej. Badany ośrodek porowaty umiejscowiony jest bezpośrednio w naturalnym gruncie, który można podzielić w interesującym zakresie głębokości na kilka warstw, różniących się nieznacznie właściwościami filtracyjno-zbiornikowymi. Wykop wykonany był do głębokości około 1 m. Cały teren, na którym prowadzono badania posiada drenaż znajdujący się na głębokości około 1,5 m. Zabezpiecza on przed niekontrolowanym wyciekiem zanieczyszczeń ropopochodnych poza tern badawczy. Dodatkowym zabezpieczeniem jest umieszczenie foli odgradzającej grunt badawczy od gleby znajdującej się na dalszych głębokościach, umieszczonej poniżej 1 metra w głąb. Za pomocą omówionego wykopu, zainstalowano w strefie migracji produktów naftowych, system rurek perforowanych. Pozwala to na dokładne określenie stężenia węglowodorów na danej głębokości oraz analizy składu gazów gruntowych gromadzących się w poszczególnych rurkach pomiarowych. Pomiary tych stężeń wykonano za pomocą urządzenia MultiVarn II firmy Dräger.

glebę humusową naniesioną w procesie użyźniania (zalegającą od powierzchni około 40-45 cm głębokości) oraz warstwę ilastą (zalegającą poniżej humusu). Rurki pomiarowe PCV o średnicy zewnętrznej 11 mm i średnicy wewnętrznej 9 mm wprowadzono z powierzchni lub z bocznego wykopu o głębokości około 1 m. Cały teren, na którym prowadzono badania posiada drenaż. Dreny znajdują się na głębokości około 2 m. Stanowisko pomiarowe usytuowane zostało bezpośrednio nad jedną ze studni drenażowych. W trakcie wykonywania pomiarów będziemy monitorować skład wody w studni, będąc przygotowanym na jej odbiór w wypadku przedostania się zanieczyszczeń i groźby skażenia wód gruntowych. Układ rurek pomiarowych wyprowadzonych ponad powierzchnię gruntu pokazano na rys. 3.1.

Rys. 3.1. Schemat terenowego stanowiska pomiarowego

Okręgiem o środku w punkcie O zaznaczyliśmy strefę wprowadzania zanieczyszczeń, czyli obszar na powierzchni gruntu, na którym rozlano w sposób jednorodny zanieczyszczenie w postaci 5 litrów etyliny bezołowiowej 95 oktanowej. Strefa wprowadzania zanieczyszczeń posiadała promień równy 25 cm. Po lewej stronie strefy wprowadzania zanieczyszczeń wyprowadziliśmy sześć poziomych rurek pomiarowych oznaczonych symbolami R1-R6. Zostały one ułożone regularnie na łuku okręgu o środku w punkcie O i promieniu około 50 cm.

Przymiotnik poziome wynika z faktu, że rurki te faktycznie mają kształt litery L i strefa perforowana (właściwy odcinek pomiarowy) ułożona jest w gruncie poziomo. Schemat poziomej rurki pomiarowej przedstawiono na rys. 3.2.

Po prawej stronie strefy wprowadzania zanieczyszczeń wyprowadzono dwanaście pionowych rurek pomiarowych pogrupowanych w cztery serie (A, B, C i D) po trzy rurki w każdej serii (oznaczone cyframi 1-3). Rurki każdej serii ułożone są regularnie na różnych półprostych o początku w punkcie O. Odległości od punktu O pierwszych rurek poszczególnych serii (oznaczonych cyfrą 1: Al, Bl, Cl i Dl) są jednakowe (OA1=OB1=OC1=OD1). Podobnie dotyczy to drugiego (OA2=OB2=OC2=OD2) i trzeciego rzędu rurek (OA3=OB3=OC3=OD3). Określenie pionowe wiąże się z tym, że rurki te mają kształt litery L, czyli część perforowana (właściwy odcinek pomiarowy) ułożona jest pionowo wewnątrz ośrodka porowatego. Schemat pionowej rurki pomiarowej przedstawiono na rys. 3.3.

Rys. 3.2. Schemat poziomej rurki pomiarowej

W poziomej rurce pomiarowej przedstawionej na rys. 3.2 można wyróżnić następujące odcinki:

Sl - część rurki wystająca ponad powierzchnię gruntu, mająca zapewnić łatwość w wykonaniu pomiaru i zabezpieczyć przed przedostawaniem się zanieczyszczeń i wody do środka rurki, które mogłyby uszkodzić aparaturę pomiarową. Długość tego odcinka nie ma większego wpływu na uzyskiwane wyniki, przyjęto AB = 10 cm.

S2a - prostoliniowa biegnąca pionowo część rurki pomiarowej pozwalająca na połączenie z właściwym odcinkiem pomiarowym ułożonym na określonej głębokości. Długość tego odcinka zmienia się od około 10 centymetrów dla rurki Rl do ponad 80 centymetrów dla rurki R6 (różna dla każdej rurki tej grupy).

S2b - giętkie kolanko PCV, przy pomocy którego połączono pionowy i poziomy odcinek rurki pomiarowej pod kątem prostym. Kolanko to wsuwalismy do wnętrza rurki, a następnie zaklejaliśmy samoprzylepną taśmą plastikową połączenie, co miało zapewnić jego szczelność i zabezpieczenie przed przypadkowym rozłączeniem odcinków.

S2c - prostoliniowa ułożona poziomo część rurki pomiarowej bez perforacji mająca na celu umożliwienie wprowadzenia poziomego odcinka rurki pomiarowej z bocznego wykopu odsuniętego stosunkowo daleko od właściwego odcinka pomiarowego i strefy wprowadzania zanieczyszczeń. Wzruszony grunt w wykopie i elementy plastikowe mogłyby zaburzać procesy filtracji i dyfuzji zanieczyszczeń w głąb ziemi. Długość tego odcinka wynosiła dokładnie DE = 20 cm.

S3 - właściwy odcinek pomiarowy rurki z nawierconymi otworami perforacyjnymi wzdłuż kierunków pokazanych na rysunku. Na obwodzie rurki wykonano cztery otwory o średnicy 6 mm, przy średniej odległości pomiędzy osiami otworów wynoszącej 1 cm mierzonej wzdłuż rurki. Długość tego odcinka była dokładnie równa EF = 40 cm. Można stąd wyliczyć, że każda pozioma rurka pomiarowa posiadała 164 otwory perforacyjne.
Długość odcinka perforowanego była o 10 cm mniejsza od średnicy strefy wprowadzania zanieczyszczeń. Podczas wprowadzania rurek pomiarowych część perforowaną umieszczono bezpośrednio pod powierzchnią, na której rozlano etylinę.

S4 - zakończenie rurki pomiarowej o kształcie pokazanym na rysunku. Ten koniec rurki zgrzewano termicznie uzyskując po wystygnięciu sztywne i ostre zakończenie gwarantujące szczelność (na wypadek zapychania ziemią przy wprowadzaniu) i pozwalające na stosunkowo łatwe wbijanie do gruntu w żądanym miejscu, na wymaganą głębokość. Długość tego odcinka wynosiła FG=5 cm.

Jako głębokość usytuowania punktu pomiarowego rurek poziomych przedstawionych na rys. 3.2. przyjęto odległość osi poziomego odcinka (z perforacją) od powierzchni gruntu. Oznaczono ją na rysunku symbolem h. Do tej głębokości punktowej będą odnoszone wszystkie późniejsze rozważania, chociaż rurka pomiarowa ma skończoną i stosunkowo dużą grubość (11 mm) w odniesieniu rozpatrywanej skali zjawiska.

Rys. 3.3. Schemat pionowej rurki pomiarowej

W pionowej rurce pomiarowej przedstawionej na rys. 3.3 można wyróżnić następujące odcinki:

Sl - część rurki wystająca ponad powierzchnię gruntu, mająca zapewnić łatwość w wykonaniu pomiaru i zabezpieczyć przed przedostawaniem do środka rurki zanieczyszczeń i wody, które mogłyby uszkodzić aparaturę pomiarową. Długość tego odcinka nie ma większego wpływu na uzyskiwane wyniki, przyjęto AB=10 cm.

S2 - prostoliniowa część bez perforacji ułożona pionowo pod powierzchnią. Długość tego odcinka zmienia się od prawie 20 centymetrów dla rurek serii A do prawie 80 centymetrów dla rurek serii D i zależy od założonej głębokości położenia części perforowanej. Każdej serii pionowych rurek pomiarowych odpowiada inna długość odcinka BE, natomiast w obrębie danej serii jest ona jednakowa.

S3 - właściwy odcinek pomiarowy rurki z nawierconymi otworami perforacyjnymi wzdłuż kierunków pokazanych na rysunku. Na obwodzie rurki wykonano osiem otworów o średnicy 2,5 mm, przy średniej odległości pomiędzy osiami otworów wynoszącej 0,5 cm, mierzonej wzdłuż rurki. Długość tego odcinka była dokładnie równa EF=5 cm. Można stąd wyliczyć, że każda pionowa rurka pomiarowa posiadała 88 otworów perforacyjnych.

S4 - zakończenie rurki pomiarowej o kształcie pokazanym na rysunku. Ten koniec rurki zgrzewano termicznie uzyskując po wystygnięciu sztywne i ostre zakończenie gwarantujące szczelność (na wypadek zapychania ziemią przy wprowadzaniu) i pozwalające na stosunkowo łatwe wbijanie do gruntu na zadaną głębokość. Długość tego odcinka wynosiła FG=5 cm.

Jako głębokość usytuowania punktu pomiarowego rurek pionowych przedstawionych na rys. 3.3. przyjęto odległość środka odcinka z perforacją od powierzchni gruntu. Oznaczono ją na rysunku symbolem h. Do tej głębokości punktowej będą odnoszone wszystkie późniejsze rozważania, chociaż perforowany fragment ma skończoną i stosunkowo dużą długość (5 cm) w odniesieniu rozpatrywanej skali zjawiska.

Na rys. 3.4 i 3.5 przedstawiono schemat ułożenia rurek pomiarowych wewnątrz modelu ośrodka porowatego odpowiednio w rzucie na płaszczyznę poziomą i pionową. Rzuty części perforowanej poziomych rurek pomiarowych R1-R6 (rys. 3.4) biegną wzdłuż prostych przechodzących przez rzut środka O strefy wprowadzania zanieczyszczeń. Wykonane perforacje mieszczą się wewnątrz zaznaczonego okręgu. Rozmieszczenie w pionie rurek pomiarowych pokazano na rys. 3.5. W tabelach 3.1 i 3.2 podano konkretne wartości liczbowe charakteryzujące stanowisko pomiarowe.

Rys. 3.4. Rzut rurek pomiarowych na płaszczyznę poziomą

Rys. 3.5. Rzut rurek pomiarowych na płaszczyznę pionową

Na rys. 3.6 przedstawiono zdjęcie omawianego układu pomiarowego z bocznym wykopem i wprowadzonymi poziomymi rurkami pomiarowymi. Dół ten zrobiono około 20 cm od granicy strefy wprowadzania zanieczyszczeń. Poziome odcinki rurek wbijano młotkiem na głębokość około 60 cm a następnie łączono za pośrednictwem kolanka z odcinkiem pionowym. Po osadzeniu rurek pomiarowych wykop zasypano, zagęszczając ziemię przez polewanie wodą i ugniatanie. Teren na tym obszarze wykazuje lekkie nachylenie, dlatego wykop zrealizowano nieco powyżej strefy pomiarowej, by ograniczyć do minimum filtrację przez wzruszony grunt.

Na rys. 3.7 przedstawiono zdjęcie stanowiska pomiarowego w czasie badań. W części centralnej znajduje się strefa wprowadzania zanieczyszczeń, wyróżniająca się brakiem roślinności, która obumarła po wylaniu etyliny (wytyczona krótkimi listewkami wbitymi na obwodzie i dłuższą listewką umieszczoną w środku - punkt O). Skromna roślinność w dalszej odległości od skażonego obszaru nie była wywołana przez zanieczyszczenia. Przed rozpoczęciem konstruowania stanowiska pomiarowego wyplewiono z chwastów teren w bezpośrednim jego sąsiedztwie. Poza strefą, na bliższym planie wychodzą poziome rurki pomiarowe (R1-R6), natomiast na planie dalszym widać cztery serie pionowych rurek pomiarowych (razem dwanaście sztuk), które wbito z powierzchni przy pomocy młotka. Wszystkie rurki pomiarowe zabezpieczone są gumowymi kapturkami, które zdejmowano jedynie na moment wykonania pomiarów stężenia gazów.

Po lewej stronie strefy wprowadzania zanieczyszczeń stoi na ziemi ;urka z lejkiem, którym stanowiły prosty przyrząd do pomiaru opadów ;zu (wykonywanych równolegle). Po prawej stronie widoczny jest lent betonowej studni drenażowej, w której monitorowano na bieżąco czyszczenie wód gruntowych. Cztery, niezbyt okazałe, tyczki widoczne kowo na zdjęciu służyły do zapinania plastikowej siatki ogrodzeniowej, pieczającej stanowisko pomiarowe przed zwierzętami.

Po lewej stronie strefy wprowadzania zanieczyszczeń stoi na ziemi menzurka z lejkiem, które stanowiły prosty przyrząd do pomiaru opadów deszczu (wykonywanych równolegle). Po prawej stronie widoczny jest fragment betonowej studni drenażowej, w której monitorowano na bieżąco zanieczyszczenie wód gruntowych. Cztery, niezbyt okazałe, tyczki widoczne dodatkowo na zdjęciu służyły do zapinania plastikowej siatki ogrodzeniowej, zabezpieczającej stanowisko pomiarowe przed zwierzętami.

4. Metoda pomiaru rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń ropopochodnych

Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń ropopochodnych w gruncie po wylaniu ich na powierzchni badano metodą rurek Draegera. Analizowano skład gazów gruntowych gromadzących się w poszczególnych rurkach pomiarowych (18 rurek PCV) zainstalowanych na stanowisku modelowym. Opis stanowiska pomiarowego i sposobu ułożenia rurek zamieszczono w rozdziale trzecim. Lokalizacja rurek przedstawiona została na rys. 3.4 i 3.5, natomiast charakterystykę ilościową (głębokość ułożenia i odległość od strefy wylania zanieczyszczeń na powierzchni) zamieszczono w tabelach 3.1 i 3.2. Skład gazów gruntowych badano przy pomocy przyrządu o nazwie Multivarn II produkcji niemieckiej firmy Draeger (rys. 4.1).

Multiwarn II jest urządzeniem wszechstronnym, służącym do pomiaru par i gazów kilkudziesięciu różnych substancji, w zależności od zainstalowanych sensorów. Urządzenie w posiadanej wersji ma pięć kanałów pomiarowych, z których jeden jest zawsze zajęty przez czujnik podczerwieni, natomiast w pozostałych można montować sensory katalityczne lub elektrochemiczne, wybierane dowolnie (w zależności od potrzeb) z długiej listy czujników oferowanych przez firmę Draeger. Wykorzystywany przyrząd Multiwarn II posiadał następujący zestaw sensorów:

• 3 czujniki katalityczne do kontroli zawartości gazów:

CO2 w zakresie 0-100 %obj.,

O2 w zakresie 0-100 % obj.,

H2S w zakresie 0-500 ppm,

• 1 czujnik elektrochemiczny do wykrywania zawartości gazów
i par wybuchowych, w szczególności:

> CH4 w zakresie 0-100 % obj.,

1 czujnik podczerwieni do wykrywania węglowodorów wyższych, przeliczanych na ekwiwalentną zawartość propanu w zakresie 0-100 %obj.

---