Загрязнения почвенно-растительного слоя земли

Рациональное использование почв – одна из важнейших проблем современности. Почвенно-растительный комплекс подвергается таким воздействиям как механическое и тепловое разрушение рельефа. Источниками загрязнения являются технические средства, технология строительства и эксплуатация трубопровода; утечки нефти и нефтепродуктов. Последствия – активизация криогенных процессов; развитие эрозии, оползней, оврагов, изменение рельефа; заболачивание территории; снижение биологической продуктивности почвенного растительного комплекса; уничтожение культурных посевов; развитие безлесных ландшафтов.

Загрязнение нефтью приводит к значительным изменениям физико-химических свойств почв. Снижается водонепроницаемость почвы. За счет углерода нефти в загрязненных почвах резко возрастает соотношение между углеродом и азотом, что приводит к ухудшению азотного режима почв и нарушению корневого режима растений.

ЦНИЛОМ объединения «Сургутнефтегаз» проведены экспериментальные работы по определению влияния различных концентраций нефти на лесные растительные сообщества, а также по определению скорости, глубины проникновения нефти и процессов ее разложения. Результаты анализов почв, отобранных на участках с различной концентрацией нефти (0,98÷15,5) л/м², позволили подтвердить выводы о нарушении соотношения азота, фосфора с углеродом на всех экспериментальных участках при всех испытанных концентрациях. При слабом загрязнении (до 1л/м²) выживаемость растений колеблется от 75 до 97% в первый год и уменьшается до 52% на второй год. При средней загрязненности площадки от 2 до 5 л/м выживаемость растений в первый год ниже, чем при слабой, на 25¸81%, ко времени второго учета снижается до 8÷25%. При сильном загрязнении (9,8 л/м²) отчет не получится однозначным. В вариантах опыта процентное колебание выживаемости растений от 81 до 20% в первый год и остается на уровне 20% ко времени второго учета.

Количественное содержание растений на опытных площадках уменьшалось по мере проникновения нефти вглубь. Разложение нефти в почвах северных районов идет медленно, в основном, путем переработки ее микроорганизмами.

Косвенное влияние нефти на почвенно-растительный комплекс обусловливается отсутствием методов сбора и удаления нефти на болотистых участках трассы. В связи с этим нередко нефть, разлившуюся по дневной поверхности, сжигают, что приводит к выжиганию леса. На участках многолетнемерзлых грунтов такие пожары могут привести к развитию криогенных процессов.

В отличие от районов с относительно умеренным климатом загрязнение нефтью и нефтепродуктами на Крайнем Севере имеет гораздо больше последствий. Низкие температуры воздуха и грунтовой среды, сильные ветры, небольшая продолжительность теплового периода, во время которого активизируются биологические процессы, обусловливают чрезвычайно строгий режим функционирования наземного растительного покрова. Поэтому, всякое нарушение режима может привести к необратимым последствиям.

В Сургутском районе на 01.01.94 г. эксплуатируемые месторождения занимают 568 тыс. га земли, что составляет 5,4% общей площади района. По данным ООО «Сургутнефтегаз» площадь загрязненных нефтью земель составляет около 0,048% площади месторождений и 0,026% от размеров региона 10500 га. Проблема рекультивации земель, загрязненных нефтью, для нефтегазодобывающих районов Среднего Приобья актуальна, сложна и еще полностью не решена. Тем более, что аварийная ситуация на нефтепроводе характеризуется не только величиной утечки, но и площадью нефтяного пятна и глубиной проникновения нефти в грунт. Установлено, что площадь распространения пролитой нефти зависит от проницаемости слагающих грунт пород, свойств нефти, периода года, водонасыщености грунта и т.д. Известную формулу для расчета площади нефтяного пятна:

S = 53,5×Q^0,89,

где Q – величина утечки, м³, нельзя признать удачной. Во-первых, она не учитывает рельеф местности. Во-вторых, свойства нефти и грунта также могут существенным образом влиять на динамику распространения пятна. Во многих публикациях рекомендуется оценка площади загрязнения по данным аэрофотосъемки и приборного обследования, при экспресс-анализе может быть использован также метод экспертных оценок.

Разлитые продукты распространяются как горизонтально, так и вертикально, и «султан» загрязнения образует по форме перевернутый конус, достигающий подземных вод. Считается, что среднее проникновение нефти в грунт достигает 25÷40 см, а в трещинно-карстовых структурах она профильтровывается на глубину 10÷12 м, может попадать в водоносный горизонт.

В зимний период распространение нефтяных загрязнений существенно замедляется из-за повышения вязкости нефтяных веществ, формирования снежного покрова и промерзания почвы. Однако, при этом нельзя не учитывать метаморфоз снежного покрова, возможности оттепелей и различия в водонепроницаемости мерзлой почвы. В период снеготаяния на впитывание талой воды в почву значительное влияние оказывает влажность почвы перед переходом температуры воздуха через 0°С, содержание жидкой влаги (незамерзающей при отрицательных температурах), глубина промерзания почвы. Интенсивность инфильтрации нефти в талую и мерзлую почву, сорбция нефтяных веществ в почвогрунтах, их биологическое разложение во многом зависят от химического состава нефти и физико-химических особенностей земли. Поэтому, для детального описания процессов миграции нефтяных веществ в почвогрунтах и их горизонтального переноса водными потоками, необходимы натурные и лабораторные наблюдения, позволяющие задать значение многочисленных физико-химических констант, которые характеризуют взаимодействие вытекшей нефти с окружающей средой. Решение этих задач возможно лишь при тесном взаимодействии специалистов в области моделирования гидро-экологических процессов и широкого круга специалистов в области проектирования, строительства и эксплуатации магистральных нефтепроводов.

компьютерные модели распространения нефтяных загрязнений должны включать:

· оценку объемов инфильтрации нефтяных веществ в мерзлые и талые почвогрунты, их распределение по глубине и возможное поступление на поверхность грунтовых вод;

· описание переноса растворенных и эмульгированных нефтяных веществ талыми и дождевыми водами по поверхности водосброса и выноса нефтяных веществ поверхностными водами;

· описание водной эрозии поверхностного слоя почвы с содержащимися в ней загрязненными нефтью частицами;

· описание движения растворенных, эмульгированных и адсорбированных нефтяных веществ в русловой сети.

Точность и надежность таких моделей в значительной степени связана с наличием информации о свойствах природной среды (коэффициенте фильтрации и ряде других констант почвогрунтов, данных о рельефе, геометрических и гидравлических характеристиках водотоков), данных гидрометеорологических наблюдений. Часть необходимых констант может быть получена на основе литературных данных, другая часть может быть найдена путем калибровки моделей на основе имеющихся измерений, однако, во многих случаях потребуются и дополнительные натурные исследования.

Все увеличивающиеся требования к экологической безопасности создают необходимость предвидения возможных масштабов экологических последствий таких аварий и разработки мероприятий по уменьшению возможного ущерба в результате распространения нефтяных загрязнений при различных физико-географических и гидрометеорологических условиях.

При определении потерь нефти от инфильтрации в грунт с дневной поверхности и из аварийного земляного амбара целесообразно пользоваться лабораторным методом, который заключается в определении шурфованием глубины протирки грунта нефтью, с последующим определением объема нефтенасыщенного грунта. Данный метод достаточно прост, однако, для получения адекватной информации необходимо предъявлять высокие требования к отбору кернов. Действительно, шурфование должно быть проведено равномерно по всей площади, залитой нефтью, что весьма трудоемко, а при больших площадях загрязнения практически не осуществимо.

В таких случаях целесообразно провести разбиение общей площади загрязнения S_Д на равновеликие площади (удельные площади) DS. При этом число шурфов для каждой площадки должно оставаться постоянным.

Удельную площадь нужно подбирать из условий практически возможного числа номера шурфов и требуемой точности расчетов, то есть

DS = S_Д/N, (8.1)

где N = 10¸20.

Площадь DS можно определить по радиусам окружности, ограничивающим эту площадку (см. рис. 8.7).

В общем случае

где i - номер удельной площадки (i = 1,2...N).

Из (8.1) с использованием (8.2) имеем

или

Рис. 8.7. Схема расчета места шурфования

Расстояние от центра площади S_Д до места шурфования можно определить по следующей формуле:

, (8.5)

или с учетом (8.4):

. (8.6)

Например, при i = 1; r_i-1 = r₀ = 0, тогда

.

В случае, когда площадь загрязнения велика (S_Д ³ 5000 м²), величина DS все же не должна превышать 500 м². Количество шурфований, которые необходимо осуществить в одном направлении от центра S_Д, определяются по формуле

N=S_Д / 500. (8.7)

Например, для случая, когда площадь нефтяного пятна S_Д ³ 5000 м², удельная площадь DS = 500 м², то расстояния до точек шурфования от центра разлива принимают следующие значения:

l₁ = 6,3 м; l₂ = 15,2 м l₃ = 21,1 м; l₄ = 24,6 м;

l₅ = 27,7 м; l₆ = 30,4 м; l₇ = 32,9 м; l₈ = 36,4 м;

l₉ = 38,5 м; l₁₀ = 40,5 м.

Среднюю глубину пропитки грунта по всей площади S_Д можно определить по формуле

, (8.8)

где h_iСР – средняя глубина пропитки на i-той площадке DS; n – число направлений, по которым проводится шурфование.

Практически достаточно принять n = 2÷4.

После определения средней глубины пропитки по (8.8)

(8.9)

представляется возможным определить величину потерь от инфильтрации в грунт:

M_фД = h_СР S_Д G_Н . (8.10)

Нефтенасыщенность определяют в лабораторных условиях и с помощью прибора Закса ЛП-4. Цилиндр с предварительно взвешенным образцом исследуемой породы устанавливают над горловиной колбы с растворителем, в качестве которого применяют толуол с температурой кипения 110°С. При подогреве колбы электропечью до кипения толуола происходит одновременное испарение воды из образца. Пары воды и растворителя охлаждаются холодильником, и, конденсируясь, стекают в ловушку. Вода, будучи тяжелее растворителя, стекает в колбу. При этом растворяет нефть, содержащуюся в образце, и через пористое дно цилиндра попадает в колбу. Процесс экстрагирования продолжается до установления постоянного уровня воды в ловушке и достижения прозрачности растворителя (прекращения окрашивания растворителя нефтью). Образец породы затем высушивают в сушильном шкафу при температуре 102¸105°С и взвешивают.

Объём нефти в образце:

,

где G и G’ – масса образца, соответственно, до экстрагирования и после его высушивания; u_в – объём воды, накопившейся в ловушке; g_н, g_в – объёмный вес, соответственно, нефти и воды.

Отсюда нефтенасыщенность породы , где u_п – объём пор в образце.

Существуют чисто расчётные методы, позволяющие с различной точностью определять площадь загрязнения, исходя из объёмного расхода поступления нефти, свойств грунта и времени процесса. Применяются эти методы, в основном, для предварительной оценки, а также для контроля данных о загрязнениях, представляемых заинтересованной стороной.

Для приблизительных, но оперативных расчетов, можно пользоваться экспериментальными данными С.И. Челомбитко (ТюмГНГУ), согласно которым нефтеемкость грунтов определяется их типом и расположением на глубине (почвенный слой принят равным до 30 см от поверхности). Данные приведены в табл. 8.53.

Таблица 8.53

Максимальная нефтеемкость грунтов (кг нефти / кг грунта)

Нефтенасыщенность грунта G_Н целесообразно определять на основании более простого лабораторного анализа. Для этого отобранную пробу грунта помещают в стеклянную колбу с плотно притертой пробкой и заливают четыреххлористым углеродом (1/1 по объему). Содержимое встряхивают в течение 5 минут и отстаивают. Эту операцию повторяют 3÷4 раза. После последнего отстаивания экстракт нефти переносят в другую колбу. Пробу грунта заливают свежей порцией CCl₄ (1/1 по объему) и извлечение углеводородов повторяют аналогичным образом. Экстракт фильтруют через бумажный фильтр, а осадок снова промывают четыреххлористым углеродом. Объединенные экстракты подвергаются анализу на содержание нефти.

Для этой цели используют также метод колоночной хроматографии с ИК-спектрометрическим окончанием методом газовой хроматографии либо метод тонкослойной хроматографии с ИК-, УФ-спектроскопическим и люминесцентным окончанием. Почвенные образцы рекомендуется определять также в соответствии с РД-39-0141098-015-90 «Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтепрома».

Нефтенасыщенность пробы грунта определяют по формуле

G_{Н i} = G/V_ГР , (8.11)

где G – количество в экстракте, кг; V_ГР – объем пробы грунта, м³.

Ориентировочно нефтенасыщенность грунта можно определить также с учетом возможной нефтеемкости К_НГ (см. табл. 8.54), используя следующее соотношение:

G_Нi = К_НГ V_ГР ρ_Н.

Таблица 8.54

Значение нефтеемкости грунтов, К_НГ

Тогда средняя по всей поверхности S_Д нефтенасыщенность грунта может быть рассчитана:

(8.12)

Величину потерь нефтепродукта от фильтрации в грунт в земляном амбаре М_фа можно определить также по формуле (8.12), только объем насыщенного грунта определяют на основании равномерного шурфования поверхности земляного амбара.

Обычно процесс загрязнения талой грунтовой среды при утечках нефти на дневной поверхности разделяют на три последовательные во времени стадии. Первая, начальная, стадия характеризуется преимущественно образованием поверхностного ареола загрязнения и незначительной инфильтрации нефти в грунтовую среду. На второй стадии происходит главным образом вертикальная инфильтрация нефти. И, наконец, третья стадия характеризуется боковой миграцией нефти в грунтовой среде.

Скорость загрязнения определяется проницаемостью грунта, его составом и положением зеркала грунтовых вод и временем. При высокой проницаемости боковая фильтрация происходит лишь вблизи зеркала грунтовых вод. В менее проницаемой среде боковая фильтрация значительна и у дневной поверхности. В неоднородной грунтовой среде, состоящей из различных по проницаемости слоёв, фронт загрязнения определяется расположением этих слоёв. При наличии градиента грунтовых вод, т.е. уклон зеркала воды не равен нулю, наблюдается смещение нижней части фронта загрязнения в сторону движения грунтовых вод. Изучение процесса фильтрации показало, что тяжёлые фракции нефти проникают на незначительную глубину и задерживаются верхними слоями грунта. Более лёгкие фракции, обладающие меньшей вязкостью, проникают в нижележащие слои. Следовательно, загрязнение грунтовых вод может происходить главным образом лёгкими фракциями нефти, что необходимо учитывать при разработке мероприятий по охране грунтовых вод вблизи трасс магистральных нефте- и продуктопроводов.

Границы и глубины проникновения нефти и нефтепродуктов в грунт устанавливают с помощью шурфов, закладываемых вблизи источника утечки по контуру поверхностного ареала загрязнения. Для оценки степени загрязнения используют коэффициент нефтенасыщенности извлечённых керноотборником пород.