Загрязнение водных участков

Нефть издавна транспортируется в большом количестве по внутренним водным путям. Загрязнение рек и водоемов нефтью представляло серьезную проблему еще в прошлом веке. В 1725 году Петром 1 был создан указ о правилах торговых перевозок нефти по Волге.

Источники загрязнения водоемов многочисленны и весьма разнообразны. В подземные и поверхностные воды нефть попадает с нефтесодержащими сточными водами, при вымывании их с дневной поверхности земли, в результате аварий и эксплуатации нефтетранспортных средств. Значительный вред водной фауне и флоре наносят залповые загрязнения. Сейчас сотни ниток нефтепроводов пересекают водные пути акваторий России. Участки трубопроводов подвержены серьезным механическим повреждениям. Кроме материального ущерба, наносится значительный вред окружающей среде от испарения нефти и проникновения ее в воду. Поэтому, водным объектам, независимо от их назначения, без соблюдения соответствующих требований может быть нанесен непоправимый ущерб.

Загрязнения воды нефтью затрудняет все виды водопользования. Влияние нефти и нефтепродуктов проявляется в ухудшении физических свойств воды (замутнения, изменение цвета, вкуса, запаха), отравлении воды токсическими веществами, образовании поверхностной пленки нефти и осадка на дне водоема, понижающего содержание кислорода. Характерный запах и привкус наблюдаются при концентрации нефти и нефтепродуктов 0,5 мл/л. Исследования показали, что 1 г нефтепродуктов портит 100 л воды.

Наиболее угрожают чистоте водоемов нефтяные масла. Эти очень стойкие загрязняющие вещества могут распространяться на расстояние более 300 км от источника, образуют пленку, изолирующую и затрудняющую газообмен. При толщине нефтяной пленки 4,1 мм и концентрации нефти в воде 17 мг/л количество растворенного кислорода за 20¸25 суток снижается на 40%. уменьшается проникновение света, необходимого для фотосинтеза, а также снижается скорость переноса кислорода и углекислого газа через пленку. Нефть или нефтепродукт массой 1 кг может загрязнить поверхность воды площадью 1 км². Пленка нефти обладает большой подвижностью, стойка к окислению. Средние фракции нефти образуют взвешенную водную эмульсию, а тяжелые (например, мазут) оседают на дно водоемов, вызывая токсическое поражение придонной фауны.

Нефть в воде теряет первоначальные качества и превращается в комплекс углеводородов, которые воздействуют на живой мир водоемов не так, как нефть. Наличие в воде даже небольшого количества нефти приводит к тому, что одни водные организмы перестают жить в традиционном районе обитания, другие приспосабливаются к новым условиям, а третьи начинают развиваться более интенсивно. Иными словами, меняется видовой состав обитателей водоема, происходит разрушение экологического равновесия организмов, которые приспособились друг к другу и зависят один от другого. При длительном пребывании в воде с содержанием нефтепродуктов 0,1 мг/л и потреблении загрязненного корма рыбы приобретают нефтяной привкус.

Река и водоем считаются загрязненными, если состав или свойства воды изменились под влиянием производственной деятельности, в результате чего они стали не пригодными для водопользования. Различают следующие виды водопользования: хозяйственно-питьевые, культурно-бытовые и рыбохозяйственные. В соответствии с ними нормируются состав и свойства воды и предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества.

Здесь имеются в виду только те показатели, которые изменяются под воздействием нефти, нефтепродуктов газов, транспортируемых по магистральным трубопроводам. Приведенные показатели качества воды показывают, что любая авария нефтепровода, особенно подводного, может привести к утрате водоема как объекта одного или нескольких видов водопользования. Возможные последствия загрязнения усугубляются высокой стойкостью нефти и токсичностью ее фракций.

Вследствие гидрофобности нефть, растекаясь на поверхности, образует тонкую пленку, которая перемещается со скоростью, значительно большей, чем скорость течения воды. При соприкосновении с берегом и прибрежной растительностью нефтяная пленка оседает на них. При распространении по поверхности воды легкие фракции нефти частично испаряются, а тяжелые опускаются на дно, образуя донное загрязнение. Распределение нефти между толщей воды, пленкой, донными отклонениями, берегами и прибрежной растительностью затрудняет установление прямой связи объема утечки с последствиями загрязнения. Из-за многообразия последствий оценка даже прямого ущерба затруднительна. Важное значение для его определения имеет классификация нефтяного загрязнения.

По данным водной группы ЦНИЛа ООО «Сургутнефтегаз» (см. табл. 8.46 – 8.48) в последнее время наблюдается тенденция к росту содержания нефтепродуктов в воде водоемов Сургутского района. Во многих случаях среднее загрязнение выбросами нефтей значительно превышает ПДК, а на Сургутском рыбокомбинате приходилось неоднократно закрывать инкубационный цех, по той причине, что в воде, используемой для целей этого цеха, содержание нефтепродуктов в несколько раз превышало ПДК.

Таблица 8.46

Загрязнение сибирских рек

Таблица 8.47

Среднегодовое содержание нефтепродуктов в воде малых рек

по месторождениям, мг/л

Только с 1990 по 1995 годы в акватории рек Тюменской области ежегодно попадало около 400 тонн нефтепродуктов (официальные данные Сургутской гидрохимлаборатории, отчеты формы 2ТП-Водхоза).

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами носит постоянный характер и многие водоемы уже не могут переработать такое количество загрязняющих веществ.

Таблица 8.48

Характеристика загрязнения рек Тюменской области

Очищение воды от нефти и нефтепродуктов происходит в результате их химического окисления, испарения легких фракций и биологического разрушения микроорганизмами, обитающими в водной среде. Химическое окисление нефти затрудняется высоким содержанием в ней предельных углеводородов. Сокращение нефти в пленке в первые дни после ее образования происходит, преимущественно, за счет испарения. При температуре воды 20÷25°С потери нефти в результате испарения в первые три дня достигают 30%, а при 25°С – 15%. Так как окисляются и испаряются в основном легкие фракции средней плотности, происходит накопление в воде тяжелых трудноокисляемых фракций нефти, образующих донное загрязнение.

Нефтяные отложения на дне водоема в анаэробных условиях (при дефиците кислорода) сохраняются длительное время и являются источником вторичного загрязнения. Полное окисление нефти в аэробных условиях продолжается не менее 100÷150 дней, а в анаэробных длится еще дольше, что приводит к загрязнению значительных участков реки или водоема.

Загрязнение вод рек и озер Севера более опасно, чем загрязнение водных объектов средней полосы. Летом открытый водный поток соприкасается с воздухом и в результате самоочищается. За длинную зиму качество воды снижается из-за расхода кислорода: реакция среды становится кислой – pH ниже 6,5, что ведет к гибели рыбы. Если в средней полосе вода в реке может самоочищаться на расстоянии менее 300 км, на Севере, в условиях длительного периода с отрицательными температурами, на это требуется 1500¸2000 км и более.

Исходя из всего этого можно определить причины, усугубляющие последствия загрязнения водоемов нефтью и нефтепродуктами: возможность нарушения кислородного баланса в результате биохимического окисления нефти, что, в свою очередь, может привести к гибели обитателей водоема; низкая скорость биохимического окисления при низких температурах увеличивает продолжительность отрицательного химического, физического, токсического воздействия нефтяного загрязнения; рыбные запасы, сосредоточенные зимой на небольших неперемерзших участках реки в условиях острого недостатка кислорода.

Принцип платности природопользования не встречает возражений, однако, до настоящего времени остается дискуссионным вопрос о выборе методического подхода к определению платы за воду и ее загрязнение. Введение платежей за использование и загрязнение вод будет материально заинтересовывать предприятия отраслей в выполнении планов охраны природы и осуществлять в хозяйственном механизме природопользования следующие функции:

· исключать влияние на оценку работы предприятий факторов, связанных со спецификой природоохранной деятельности;

· способствовать перенесению на предприятия – источники загрязнения природных вод, возникающие при нанесении ущерба среде;

· уменьшать часть прибыли, на которой образуются фонды экономического стимулирования, и тем самым, непосредственно затрагивать интересы предприятий, отрицательно действующих на окружающую среду;

· делать выгодной очистку отходов производства до экономически и экологически оправданного предела по сравнению со сбросом их в окружающую среду;

· учитывать индивидуальные условия производства, вскрывать резервы и этим способствовать снижению существующего загрязнения.

Взаимодействие нефти и воды характеризуется сложными физико-химическими процессами, протекающими с различной интенсивностью на разных стадиях формирования нефтяного загрязнения. Основные из них – растекание, испарение, диспергирование, эмульгирование, окисление, биодеградация и седиментация.

Растеканиенефти по поверхности воды обуславливается действием сил гравитации и поверхностного натяжения и является доминирующим процессом начального периода (примерно 6÷10 часов) формирования нефтяного загрязнения. Испарение легких фракций приводит к уменьшению объема нефти в пленке, снижению воспламеняемости и токсичности, но увеличивает вязкость и плотность остатка. Растворение нефти в воде, главным образом легких фракций, протекает с незначительной скоростью, зависящей от состава и физико-химических свойств нефти, толщины пленки, температуры воды и состояния водоема.

Диспергирование заключается в образовании мелких капель нефти вследствие механического перемешивания пленки волнами. Поэтому, скорость диспергирования зависит от состояния водоема и свойства нефти.

Эмульгирование сопровождается увеличением первоначального объема в несколько раз. Углеводороды относятся к достаточно устойчивым к окислению соединениям. Однако в контакте с водой в присутствии света процессы окисления заметно активизируются. Биодеградацияобусловливается использованием нефти отдельными микроорганизмами в качестве источника энергии. Скорость биодеградации зависит от свойств нефти, температуры воды и т.п. Седиментацияпроисходит вследствие увеличения плотности нефти минеральными частицами, содержащимися в воде.

Масштаб загрязнения определяется, при прочих условиях, процессами растекания и испарения. На различных стадиях растеканию противодействуют силы инерции и вязкого трения, причем инерционная составляющая преобладает в начальный период растекания. В соответствии с этим процесс растекания условно можно разделить на три последовательные фазы, определяемые взаимодействием сил: первая – гравитации и инерции; вторая – гравитации и вязкого трения; третья – поверхностного натяжения и вязкого трения.

Гравитационная составляющая пропорциональна разности плотностей воды и нефти, толщине слоя нефти и градиенту толщины. Силы инерции зависят также от плотности воды, толщины пленки и ускорения частиц нефти при растекании. Поверхностное натяжение представляет собой результирующую сил поверхностного натяжения на границе вода-нефть, нефть-воздух и вода-воздух. Трение обусловливается вязкостью нефти и зависит от ее кинематической вязкости и скорости движения.

Блокер дал математическое объяснение процесса растекания нефти, а затем Берридж и его сотрудники вычислили теоретическую толщину слика для промежутка времени продолжительностью 27 часов после растекания. Некоторые данные расчетов сведены в табл. 8.49.

Таблица 8.49

Характеристики нефтей и расчетные данные по их растеканию

Впоследствии те же авторы провели экспериментальные исследования по растечению различных нефтей в опытном бассейне. Данные экспериментов представлены на рис. 8.5.

Рис.8.5. Распространение нефтей по поверхности воды при VН= 2272 * 10-6м3. Кривые 1, 2, 3, 4, 5 – для нефтей Брега, Кувейт, Тиа-Хуана, Киркук, Герсаран (по данным Нельсон-Смитта), соответственно.

После растекания нефти до критической толщины 8 мм определяющим фактором становится поверхностное натяжение. В дальнейшем растекание существенно замедляется и в большей степени начинают проявляться силы вязкости. Фей вычислил, что в опытах с малыми разливами такое состояние достигается через 60 с, а 10000 т нефти через то же время на спокойной поверхности образует слик диаметром 0,6 км с высотой разлива h=3 см, а в течение недели высота взлива должна уменьшиться в 2 раза.

Растекание нефти по поверхности, как утверждают ряд исследователей, можно определить по скорости ветра. Так, скорость распространения нефти составляет 2,5÷4,0% от скорости ветра.

Высокая скорость распространения нефти в значительной степени затрудняет локализацию загрязнения. Выбор схемы локализации загрязнения и бонового заграждения зависит от аварийной ситуации. Следует отметить, что наиболее эффективно применение боновых заграждений с надводной частью 10÷18 см.

Судьбу нефти, попавшей в воду, невозможно описать во всехподробностях. Во-первых, минеральные масла, попадающие в воду, имеют разный состав и разные свойства; во-вторых, на них действуют разные факторы: ветер различной силы и направлений, волны, температура воздуха и воды. Испарение нефти с водной поверхности вследствие небольшой высоты разлива происходит особенно интенсивно. компоненты с низкой температурой кипения испарялись очень быстро, увлекая за собой более высококипящие фракции, в результате до 8 атомов уносились в атмосферу, причем фракции с температурой кипения 200÷230°С. Бензин полностью испаряется с поверхности воды за 10÷15 часов. За сутки испаряется не менее 10% сырой нефти, а примерно за 20 дней – 50%. Но более тяжелые нефтепродукты почти не испаряются, эмульгируются и диспергируются, разбиваясь на мелкие частицы, создавая эмульсии типа «нефть в воде» и «вода в нефти». При этом сплошной ковер нефти разрывают капельки, плавающие, частично растворяющиеся и оседающие на дно. Нефть, исчезнувшая благодаря этим явлениям с поверхности воды, подвергается медленным процессам, ведущим к ее разложению, – биологическому, химическому и механическому. Немалую роль играет биологическое разложение. Известно более ста видов бактерий, водорослей и губок, способных превращать углеводороды в двуокись углерода и воду. В благоприятных условиях вследствие деятельности этих организмов на квадратном метре за сутки при температуре 20¸30 град. разлагается от 0,02 до 2 г нефти. Легкие фракции распадаются за несколько месяцев, но комки битума исчезают лишь через несколько лет. Под действием солнечного света углеводороды нефти окисляются кислородом воздуха, образуя безвредные, растворимые в воде вещества.

Сложные взаимодействия этих факторов еще не изучены во всей полноте. Поэтому, определению потерь нефтей при ее разливах по водный поверхности должно уделяться особое внимание, тем более что за счет солнечной радиации ежедневно может быть окислено всего лишь 2 т на 1км². Нефть на чистой поверхности воды способна к обширному растеканию до молекулярного слоя. На практике такое значение достигается довольно редко, хотя типичный радужный отблеск поверхности воды свидетельствует об образовании очень тонких пленок. Для оценки степени загрязнения используют флуоресцентные исследования и инфракрасную спектроскопию (табл. 8.50 – 8.52).

Таблица 8.50

Характеристика нефтяных пленок на воде по данным АНИ

Таблица 8.51

Оценки массы нефтяной пленки (по С.М. Драчеву)

Своевременное установление нефтяного загрязнения в значительной мере предопределяет правильность выбора метода и средств локализации и удаления загрязнителей с поверхности воды. Наиболее простой – визуальный способ оценки нефтяного загрязнения основан на наблюдении за внешними признаками, сопровождающими процесс распространения нефти по поверхности воды. Руководствуясь этими признаками, можно ориентировочно определить степень загрязненности водоема.

Более точно оценивают содержание нефти в воде лабораторным анализом пробы воды с помощью специальных приборов.

Оперативную ориентировочную оценку нефтяного загрязнения вдоль течения можно выполнять по методике, предложенной Институтомприкладной геофизики Госкомгидромета. В основу ее положены гидрологические закономерности движения воды в реке и распределения нефтепродуктов на водной поверхности. При этом используются следующие предпосылки. В качестве типовой принята равнинная река, подчиняющаяся степенным зависимостям среднего многолетнего расхода воды:

Q_тип = 0,0039 * 2,83^N-1 ,

где N – параметр, для крупных рек равный 12÷14, и длины реки от истока

L_тип = 0,8 * 1,83^N-1

Таблица 8.52

Классификация нефтяного загрязнения водоемов (по ВНИИОЭНГ)

На основе приведенных зависимостей можно построить график изменения расхода воды по длине реки (рис. 8.6, а).

Концентрация нефтепродуктов в конкретной реке на основе типовых условий может быть вычислена по формуле:

где a₁ – коэффициент, учитывающий отличие ожидаемого расхода воды Q(x) в растворе х рассматриваемой реки от типового расхода воды на том же удалении от начального места загрязнения х₀ [a₁ = Q_тип (τ) / Q(x)]; a₂ – коэффициент, учитывающий изменение во времени доли нефтепродуктов в речной воде (рис. 8.6, б); a₃ – коэффициент, учитывающий отличие фактического попадания нефтепродуктов Р₀ от типового (a₃ = Р₀/100); С_Н (Q₀, x₀ - x) – концентрация, соответствующая сбросу 100 т нефтепродуктов в типовую реку в створе с расходом Q₀ (определяется по данным, приведенным на рис. 8.6, в).

Для получения С_н(Q₀ , x₀ - x) (см. рис. 8.6, в) использованы следующие зависимости:

если 10 ≤ Q₀ ≤100;

lgСн (Q₀ , x₀ - x) = (y₁ - y₂) (100 - Q₀)/90 + y₂,

если 100 ≤ Q₀ ≤ 1000;

lgС_н (Q₀ , x₀ - x) = (y₂ - y₃) (1000 - Q₀ )/900 + y_3,

где у₁, у₂ , у₃ – точки пересечения кривых 1, 2, 3 с прямой, параллельной оси ординат и отстоящей от нее на расстоянии, равном удалению рассматриваемого створа х от створа х₀.

Предложенный метод можно использовать при незначительном изменении расходов воды в условиях, близких к стационарным условиям течения в меженный период[Забелла].

Поскольку распределение нефтепродуктов в речных потоках крайне неравномерно и зависит от многих факторов, точно прогнозировать распределение загрязнения невозможно. Для ориентировочных расчетов площади загрязнения в единицу времени можно использовать формулу

w = 0, 077 [ 0,085u_t/ ln (b/H)]^0,269 ,

где u_t – скорость течения; b, H – ширина и глубина водоема.

для изменения во времени доли нефтепродуктов в речной воде – формулу

М (τ)=a₂(τ)M₀ ,

где М₀ – масса разлитого нефтепродукта.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время имеются не только предпосылки, но и опыт в решении задач охраны природных ресурсов на межотраслевом уровне.