Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
ГАЛИНУРОВ ИЛЬДУС РАФИКОВИЧ
ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННЫХ ПОТОКОВ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПОЙМАХ РЕК В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ (на примере Республики Башкортостан)
Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ) и Государственном бюджетном учреждении Республики Башкортостан Управление государственного аналитического контроля (ГБУ РБ УГАК).
Научный руководитель кандидат технических наук Сафаров Айрат Муратович.
Официальные оппоненты:
Назаров Владимир Дмитриевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения;
Шайхиев Ильдар Гильманович доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технологический университет, заведующий кафедрой инженерной экологии.
Ведущая организация Государственное унитарное предприятие Научноисследовательский институт безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан.
Защита диссертации состоится 25 апреля 2012 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет по адресу: 450062, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Автореферат разослан 24 марта 2012 г.
Учный секретарь диссертационного совета Абдульминев К.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время одной из составных частей государственной политики России является стратегия устойчивого развития, в которую важнейшим элементом входит охрана окружающей среды (ОС) от негативных антропогенных воздействий. Особое внимание уделяется защите водных ресурсов, в формировании качества которых ключевое значение имеют реки. Они служат трансграничными коридорами для техногенных потоков загрязняющих веществ и депонируют значительные их объмы в донных отложениях.
Приоритетными поллютантами в Республике Башкортостан, в силу отраслевой специфики региона, являются нефтяные углеводороды (УВ). Воздействуя на биосферу на различных этапах жизненного цикла нефти, они способны существенно влиять на биологическое равновесие экосистем [Ягафарова Г.Г. и др., 2000].
Значительными источниками поступления нефтяных УВ в ОС являются предприятия нефтехимии и нефтепереработки. Как крупные водопотребители, они территориально привязаны к речной сети и представляют потенциальную опасность загрязнения гидросферы. Специфическим видом воздействия подобных предприятий на природу является формирование в грунтах промышленных площадок скоплений нефтяных УВ (линз) и их дальнейшая внутрипочвенная миграция на прилегающие территории - вторичные техногенные потоки [Солнцева Н.П., 1998]. Данные образования являются объектами экологического ущерба, накопленного вследствие многочисленных разливов сырья и готовой продукции (первичных техногенных потоков) на рельеф местности.
Подземные скопления нефтяных УВ оказывают влияние на качество грунтовых и поверхностных вод, поэтому исследование параметров ореола углеводородного загрязнения, времени, характера и мест выхода нефтепродуктов на поверхность (очага разгрузки) является актуальной задачей в регионах с развитой нефтеперерабатывающей и нефтехимической инфраструктурой.
Цель диссертационной работы состоит в разработке научнометодических подходов к оценке образования и миграции подземных скоплений нефтяных УВ, совершенствованию системы мониторинга природных сред пойм рек в зоне влияния нефтехимических предприятий и разработке мер защиты гидрографической сети от техногенных потоков УВ.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить миграцию и преобразование техногенных потоков нефтяных УВ в речных поймах в зоне влияния объектов нефтехимической промышленности;
оценить способность к самоочищению от нефти различных типов почв (аллювиальной (пойменной) почвы, чернозма выщелоченного, тмно-серой лесной почвы) и исследовать во времени изменение соотношения УВ (С8-С24);
усовершенствовать систему мониторинга природных сред пойм рек в зоне влияния нефтехимических предприятий;
разработать метод инженерной защиты гидрографической сети от техногенных потоков УВ.
Научная новизна работы 1. Предложен новый подход к оценке закономерностей миграции нефтяных УВ в поймах рек в зоне влияния нефтехимических предприятий, основанный на использовании территорий аварийных разливов нефти в качестве натурных моделей, позволяющий в многолетней динамике изучить преобразование первичного техногенного потока во вторичный.
2. Установлено, что нефтяные УВ, попадая в пойменную почву, образуют первичные техногенные потоки, для которых характерна и радиальная, и латеральная миграция.
Вторичные техногенные потоки нефтяных УВ распространяются преимущественно латерально и разгружаются в водные объекты. Установлены изменения соотношения УВ (С8-С24) в техногенном потоке при радиальной и латеральной внутрипочвенной миграции, позволяющие судить о степени старения углеводородного загрязнения.
3. Показано, что при радиальной миграции техногенных потоков в профиле пойменных почв наблюдается эффект хроматографического разделения УВ. Тяжлые УВ в большей степени сорбируются верхними органогенными горизонтами пойменной почвы. Установлено, что органоминеральные субстраты (почвы и донные отложения) при контакте с нефтяными УВ сорбируют изопренаны (пристан и фитан).
4. Установлено, что из трх типов почв - чернозм выщелоченный, тмно-серая лесная почва, аллювиальная (пойменная) почва - верхний органогенный горизонт последней обладает наименьшей способностью к самоочищению от загрязнения УВ.
5. Разработан метод инженерной защиты гидрографической сети от нефтяных УВ в потенциально опасных зонах возникновения и формирования их техногенных потоков посредством превентивного возведения специальных гидротехнических сооружений в русле малых водотоков.
Практическая ценность Предложенные методы по совершенствованию системного экологического мониторинга речных пойм в зоне влияния нефтехимических предприятий используются в работе ГБУ РБ Управление государственного аналитического контроля и Министерства природопользования и экологии Республики Башкортостан.
Возведение разработанных защитных гидротехнических сооружений в руслах малых водотоков в потенциально опасных зонах возникновения техногенных потоков нефтяных УВ включено в план природоохранных мероприятий администрации Туймазинского района Республики Башкортостан.
Материалы диссертационной работы используются в курсах лекций по дисциплинам: Химия окружающей среды, Стандарты качества окружающей среды для бакалавров и инженеров по специальности Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и Экология для бакалавров и инженеров всех специальностей ФГБОУ ВПО УГНТУ.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты работы доложены и обсуждены на международных и российских научнотехнических и практических конференциях, в т.ч. VII Конгрессе нефтегазопромышленников России, посвящнном 75-летию башкирской нефти (г. Уфа, 2007 г.); Межрегиональной научно-практической конференции Вода для жизни - 2009 (г. Уфа, 20г.); Международной межотраслевой конференции, посвящнной 25-летию Чернобыльской катастрофы Современная эколого-антропологическая методология изучения и решения проблем здоровья населения (г. Казань, 2011 г.) и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 научных работы, в т.ч. 4 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ.
Структура и объм работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 282 наименования, содержит 169 страниц машинописного текста, 18 таблиц и 33 рисунка.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы загрязнения речных пойм в зоне влияния нефтехимических предприятий, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе представлен обзор литературы с описанием свойств нефтяных УВ, источников их поступления, поведения и миграции в ОС; контроля состояния природных сред при воздействии техногенных потоков нефтяных УВ и организации работ по их локализации и ликвидации негативных последствий.
Вторая глава посвящена объектам и методам исследования. Объекты исследования: образцы нефтяных УВ, почв, воды и донных отложений. Отбор проб проводился в соответствии с нормативными документами, допущенными для целей экоаналитического контроля, обеспечивающими представительность проб и сохранность определяемых ингредиентов. Анализ образцов нефтяных УВ и природных компонентов, подвергшихся техногенному воздействию, выполнен в аккредитованной лаборатории (аттестат РОСС.RU.0001.510312) с использованием современных высокоинформативных методов: ИК-спектроскопии, газожидкостной хроматографии (ГЖХ) и высокоэффективной жидкостной хроматографии.
В третьей главе представлены результаты многолетних натурных исследований, проведнных в зоне длительного влияния предприятий нефтехимической промышленности на пойму р. Белой и на территории аварийного разлива нефти в пойме малой р. Бишинды; результаты лабораторного эксперимента по изучению изменения соотношения нефтяных УВ в образцах верхних органогенных горизонтов различных почв.
В результате лабораторного эксперимента методом ГЖХ установлено, что при депонировании нефти в образцах почв (пойменной почве, чернозме выщелоченном, тмно-серой лесной почве) в течение 210 сут. изменилось соотношение УВ (С8-С24); увеличилось относительное содержание изопренанов - пристана и фитана.
Степень преобразования зависит от наличия аборигенных микроорганизмов и продолжительности эксперимента. Установлено, что из трх образцов пойменная почва обладает наименьшей способностью к самоочищению, следовательно, наиболее уязвима к углеводородному загрязнению.
Комплексное исследование техногенных потоков нефтяных УВ в натурных условиях проведено на территории левого берега р. Белой в районе городов Салават и Ишимбай, где на смоченном периметре участка береговой линии протяжнностью ~400 м периодически фиксируется поступление нефтепродуктов в водоток. Участок обследования характеризуется наличием производственных объектов, функционирующих более 40 лет и представляющих полный жизненный цикл нефти: добычу, переработку, транспортировку, хранение сырья и готовой продукции (рисунок 1).
Разгрузка нефтепродуктов в реку негативно сказывается на качестве воды р. Белой. При визуальном осмотре реки на поверхности воды фиксируются плночные УВ (таблица 1). Концентрация растворнных и эмульгированных нефтепродуктов в воде на участке разгрузки (точка 2, см. рисунок 1) варьировалась в диапазоне от 1 до 6 ПДКр.х, достигая в отдельных случаях 92 ПДКр.х..
Таблица 1 - Содержание нефтепродуктов в воде р. Белой в створе исследуемой территории Содержание нефтепродуктов Точка 1 (фон) Точка 2 Точка Год выше участка участок разгрузки ниже участка раств. + эмульг, плнка, раств. + эмульг, плнка, раств. + эмульг, плнка, мг/дм3 г/м2 * мг/дм3 г/м2 * мг/дм3 г/м2 * 1995 < 0,05 0 0,07-4,60 0,1-2,4 0,05-1,20 0,1-0,2000 < 0,05 0 < 0,05-0,06 0-0,1 < 0,05-0,10 0-0,2001 < 0,05 0 0,14-0,18 0,1-0,3 0,05-0,10 2003 < 0,05 0 0,19-0,31 0,2-0,4 0,10-0,35 0,1-0,2005 < 0,05 0 0,09-0,18 0,1-0,2 < 0,05-0,1 2007 < 0,05 0 0,07-0,15 0,1-0,2 < 0,05-0,1 2010 < 0,05 0 0,08-0,19 0,1-0,3 0,16-0,22 0,1-0,2011 < 0,05 0 0,07-0,116 0,1-0,2 0,06-0,09 0-0,Прим.: * - в соответствии с Приказом Минприроды РФ от 13.04.2009 № 87 Об утверждении Методики исчисления размера вреда, причиннного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства.
О воздействии техногенных потоков нефтяных УВ на реку свидетельствует наличие нефтепродуктов и полициклических ароматических УВ (ПАУ) в донных отложениях (таблица 2).
Таблица 2 - Содержание загрязняющих веществ в донных отложениях р. Белой в створе исследуемой территории (местоположение точек отбора см. на рисунке 1) Содержание загрязняющих веществ, мг/кг Определяемые Точка 1 (фон) Точка 2 Точка показатели выше участка участок разгрузки ниже участка Нефтепродукты 660165 119002975 10302 ПАУ (15 соединений), 0,0448 1,7881 0,19в т.ч. бенз(а)пирен 0,00170,0009 0,09420,0433 0,02380,01 Условные обозначения:
створы наблюдения воды и дон ных отложений реки;
наблюдательные скважины;
створ наблюдательных скважин;
точки отбора образцов нефтяных A УВ: A - место разгрузки нефте продуктов в реку (углеводородная плнка на поверхности воды); B, C и D - слой УВ над грунтовыми водами на дне почвенных разрезов (шурфов); при закладке разрезов были отобраны образцы почвы;
гидроизогипсы;
промышленные объекты:
1) промплощадка ОАО Газпром нефтехим Салават; 2) очистные сооружения; 3) битумные ямы; 4) промывочно-пропарочная станция Аллагуват Башкирского отделения Куйбышевской железной дороги ОАО РЖД; 5) ООО Ишимбайский специализированный химический завод катализаторов (ранее Ишимбайский нефтеперерабатывающий завод); 6) ОАО Подземнефтегаз; 7) ГЗУ № 466 ИЦДНГ-1 НГДУ Ишимбайнефть ООО Башнефть - Добыча.
Рисунок 1 - Схема территории обследования на левобережье р. Белой В точке 2 концентрации нефтепродуктов и суммы ПАУ в донных отложениях превышают фоновое значение в 18 и 40 раз соответственно, в т.ч. по бенз(а)пирену - в 55 раз. Ниже участка разгрузки повышенное содержание нефтепродуктов и ПАУ сохраняется.
Для оценки состояния питающих реку грунтовых вод использовалась существующая сеть из 18 наблюдательных скважин (рисунок 1). По результатам замеров уровня грунтовых вод установлено их устойчивое движение в направлении от промплощадок предприятий к р. Белой. За период наблюдения (2000-2011г.г.) содержание растворнных нефтепродуктов в подземных водах изменялось в диапазоне от значений ниже предела обнаружения (<0,05) до 6,80 мг/дм3. Наибольшие концентрации обнаружены в скважинах 1 (0,41-6,80 мг/дм3), 4 (0,45-3,00 мг/дм3) и 7 (<0,05-1,92 мг/дм3), близко расположенных к промышленному объекту 1.
Послойное изучение почвенного профиля на примере трх разрезов, заложенных на разном удалении от реки в центре исследуемой территории (рисунок 1 точки B, C и D), показало, что верхние суглинистые слои почвы, в отличие от нижних более гких грунтов, содержат нефтепродукты в значительно меньших концентрациях (1,4 и 187,г/кг соответственно). На глубине >4 м вскрыты скопления жидких нефтяных УВ на границе залегания грунтовых вод, которые мигрируют вместе с ними в направлении реки.
В качестве критерия для оценки преобразования УВ в компонентах природной среды было использовано соотношение индивидуальных соединений: н-алканов (С8С24) и изопренанов (пристана и фитана), рассчитанное по хроматограммам отобранных образцов путм определения доли (%) i-го УВ в общей массе. Изменение соотношения УВ при внутрипочвенной латеральной миграции техногенного потока и последующей разгрузке в р. Белую описывается кривыми на рисунке 2.
35 % на сумму Рисунок 2 - Распределение опалканов A ределяемых алканов в образцах B нефтяных УВ, отобранных: A - C на поверхности воды в реке на участке разгрузки (плнка); B, D C и D - из технологических шурфов (схема расположения точек приведена на рисунке 1).
алканы Примечание: здесь и далее за 100% принято суммарное содержание н-алканов (С8-С24), пристана и фитана н н а а CCт т C C C C C C C C C C C C C C C с и и ф р п По мере удаления от реки в образцах нефтяных УВ, отобранных в шурфах (рисунок 2 кривые B, C и D), наблюдается существенное повышение суммарной доли н-алканов и снижение относительного содержания пристана и фитана. Максимум изопренанов отмечается в образце углеводородной плнки, отобранном с поверхности воды р. Белой после подрусловой разгрузки техногенного потока (кривая A рисунок 2). Средами-проводниками вторичного техногенного потока (рисунок 3а) и естественными барьерами-концентраторами, сорбирующими пристан и фитан, являются грунты с гким гранулометрическим составом на границе водоносного горизонта и донные осадки (рисунок 3б).
а) б) 1) грунт (слой 300-350 см, из шурфа B в 110 м до уреза воды);
2) почва на берегу реки (поверхностный слой 0-20 см);
3) донные отложения в зоне прилегания загрязннного участка.
Рисунок 3 - Соотношения алканов в экстрактах, выделенных из образцов сред - проводников техногенного потока - почвы и донных отложений р. Белой Исследования, проведнные на левобережье р. Белой, свидетельствуют о наличии вторичных техногенных потоков нефтяных УВ, которые ведут к трудно прогнозируемому во времени и пространстве загрязнению гидросферы. Аналогичные явления наблюдаются в г. Уфе в районе расположения крупных нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий. В связи с этим предотвращение их образования является важной задачей, поэтому необходимо изучить закономерности возникновения и миграции подземных скоплений нефтепродуктов.
Для изучения формирования вторичных техногенных потоков в качестве натурных моделей были рассмотрены разливы нефти вследствие аварий на тру бопроводном транспорте, когда известны время образования и местоположение первоначального ядра ореола загрязнения.
Образование подземных скоплений нефтяных УВ и формирование вторичного техногенного потока в пойме реки было изучено на примере поймы р. Бишинды, где в результате аварийной ситуации на магистральном нефтепроводе произошло залповое поступление большого объма нефти (~ 6 тыс. м3) и растекание е на местности (~ 8,0 га). Схема загрязннного участка в пойме р. Бишинды приведена на рисунке 4а.
а) б) Рисунок 4 - Схема техногенно нарушенного участка в пойме и расположения наблюдательных створов на р. Бишинды Многолетняя динамика содержания нефтепродуктов в почвенном профиле участка представлена на рисунке 5. Высокое содержание нефтепродуктов в грунтах всех обследованных участков, за исключением сектора 1, сохранялось в течение всего периода наблюдений. На периферии ореола распространения нефти (сектор 1) загрязнение почвенного покрова соответствовало допустимому уровню. Однако, постепенное увеличение содержания нефтепродуктов в почве этого сектора на глубине > 1,0 м (до 3,0 г/кг) свидетельствует о латеральной миграции УВ и формировании вторичного техногенного потока в виде оторванного ореола загрязнения.
а) глубина 0-20 см б) глубина 20-50 см в) глубина 50-100 см г) глубина > 100 см (до 200 см) секторы секторы год обследования - Рисунок 5 - Содержание нефтепродуктов в почвенном профиле техногенно нарушенного участка по секторам (местоположение секторов приведено на рисунке 4а) Соотношение УВ (С8-С24) в углеводородном слое на границе залегания грунтовых вод и плнки с поверхности воды в реке через 4 года после аварии, существенно отличается от их соотношения в исходной нефти, отобранной в момент разлива (рисунок 6).
Рисунок 6 - Соотношение алканов в образцах нефтяных УВ, отобранных в пойме р. Бишинды 1) нефть на момент разлива (первичный техногенный поток, 2006 г.);
2) углеводородный слой на границе залегания грунтовых вод на техногенно нарушенном участке (через 4 года после аварии);
3) плнка на поверхности воды р. Бишинды в зоне прилегания загрязннного участка (через года после аварии).
При просачивании нефти сквозь почвенный профиль уменьшается доля гких компонентов. Максимальное снижение происходит при переходе техногенного потока из водной среды с ламинарными условиями (грунтовых вод) в турбулентную среду реки. В отличие от техногенных потоков в пойме р. Белой, сформировавшихся в течение длительного времени (см. рисунок 2), на кривых и 3 (рисунок 6), построенных при обработке хроматограмм образцов нефтяных УВ, отобранных на р. Бишинды, отсутствуют чтко выраженные пики пристана и фитана. Следовательно, по отношению н-алканов и изопренанов (пристана и фитана) в техногенном потоке можно судить о степени его старения, что является важным фактором при установлении источников загрязнения.
На примере разреза, заложенного в секторе 3 (см. рисунок 4а) через 4 года после разлива, методом ГЖХ проведено исследование перераспределения нефтяных УВ в почвенном профиле (рисунок 7). Профиль пойменной почвы способствует расслоению потока нефтяных УВ, задерживая более тяжлые компоненты по принципу хроматографической колонки.
% на сумму Рисунок 7 - Соотношение алкаалканов нов в экстрактах, выделенных из образцов почвы и донных 4 отложений в пойме р. Бишинды (через 4 года после аварии) 1) почва (слой 0-100 см);
2) почва (слой 100-200 см);
3) почва (слой 200-300 см);
4) донные отложения в зоне прилегания загрязннного участка.
алканы Радиальное просачивание нефтяных УВ в слое почвы 100-200 см, который характеризуется наиболее тяжлым гранулометрическим составом (глина тяжлая), происходило в т.ч. по корневым ходам растений. При этом загрязнение прикорневого пространства в 2,4-4,2 раза выше, чем в среднем по слою. Слой на глубине 200-300 см обводнн и отличается максимальным содержанием нефтепродуктов (156,0 г/кг) с повышенным относительным содержанием более гких УВ. Следовательно, не успевшие улетучиться гкие компоненты нефти, достигают водоносного горизонта и сохраняются в этих условиях длительное время. При сезонном изменении уровня грунтовых вод происходит подрусловая разгрузка скопившихся УВ в реку. В верхних органогенных горизонтах (0-100 см) и в донных отложениях происходит активное накопление пристана и фитана (рисунок 7 кривые 1 и 4). Таким образом, эти среды служат естественными барьерами-концентраторами для УВ этого ряда с начала формирования вторичного техногенного потока.
н н а а CCт т C C С С С С С С С С С С С С С с и и ф р п Донные отложения нарушенного участка реки загрязнены нефтепродуктами и ПАУ. Максимальные их концентрации установлены в месте разгрузки нефти в реку (створ 2 рисунок 4б), где содержание суммы ПАУ в 59 раз превышает фоновое значение (таблица 3).
Таблица 3 - Содержание загрязняющих веществ в донных отложениях р. Бишинды Содержание загрязняющих веществ, мг/кг Определяемые 1створ 2 створ 3 створ 4 створ 5 створ показатели на участке 160 м 2000 м 3900 м фон разгрузки ниже ниже ниже Нефтепродукты <50 2160540 10025 17043 140 ПАУ (15 соединений), 0,0059 0,3499 0,0114 0,0180 0,01 в т.ч. бенз(а)пирен <0,0005 0,00270,0015 <0,0005 0,00160,0009 0,00060,00Загрязнение донных отложений отразилось на видовом разнообразии макрозообентосных сообществ р. Бишинды. При обследовании донных отложений зарегистрировано 19 видов беспозвоночных 5-ти классов животного мира. Доминируют представители класса насекомых (14 видов), среди них преобладают личинки хирономид (подсемейства Chironominae и Tanipodinae), устойчивые к химическому загрязнению и дефициту кислорода. Оксифильные формы хирономид (подсемейства Orthocladiinae и Diamesinae) не выявлены. На фоне перехода доминирования к полисапробным личинкам Chironomus gr. Plumosus отмечено резкое снижение числа видов (особенно в створе 2), а также деградация трофической структуры бентоценозов за счт снижения численности хищников и фитофагов и увеличения доли детритофагов и видов, питающихся недифференцированно (рисунки 8 и 9).
Кол-во Кол-во -мезосапробы видов видов зоофаги 10 9 8 -мезосапробы фитофаги 7 6 полисапробы 5 эврифаги 4 3 виды, не имеющие 2 индикаторной детритофаги значимости Наблюдательные 1 2 3 4 5 1 2 3 4 створы Рисунок 8 - Распределение видов-индика- Рисунок 9 - Трофический спектр торов в составе макрозообентоса р. Бишинды макрозообентоса р. Бишинды Примечание: расположение наблюдательных створов приведено на рисунке 4б.
В соответствии с расчтными индексами Кольквитца-Марссона, Пантле-Букка и Вудивисса, приведнными в таблице 4, вода на нарушенном участке р. Бишинды (створы 1 и 3) классифицируется как умеренно загрязннная, в других створах - как грязная.
Таблица 4 - Оценка состояния р. Бишинды различными методами Наблюдательные створы Параметры 1 2 3 4 Количество видов 10 6 9 6 Индекс Кольквитца-Марссона 2,5 3,1 2,5 3,0 3,Индекс Пантле-Букка Индекс Вудивисса 6 4 6 4 Полученные результаты показывают, что залповый разлив большого объма нефти в пойме реки оказывает не только прямое негативное воздействие на поверхностные воды и прирусловые пойменные почвы, но при неправильных ликвидационных мероприятиях ведт к образованию подземных скоплений нефтяных УВ. Скопившиеся УВ мигрируют с грунтовыми водами в реку, вызывая деградацию макрозообентоценозов.
Установлено, что в процессе радиальной миграции исходной нефти сквозь почвенный профиль в пойменных условиях происходит существенное изменение соотношения нефтяных УВ в техногенном потоке. Это необходимо учитывать при поиске первичных источников поступления нефтяных УВ в пойму реки. Кроме того, процессы миграции в почвенном профиле приводят к обогащению нижних горизонтов более токсичными соединениями, что подтверждается данными биотестирования с использованием стандартных тест-объектов Daphnia magna Straus и Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb - типичных представителей гидробионтов.
Четвртая глава. Формирование подземных скоплений и миграция нефтяных УВ в условиях речных пойм представляют угрозу загрязнения гидросферы.
Стандартный подход к оценке качества грунтовых и поверхностных вод в зоне влияния нефтехимических предприятий не позволяет оценить масштабы и экологическую опасность техногенных потоков нефтяных УВ. В связи с этим актуальной задачей является совершенствование системы мониторинга подобных территорий, в т.ч. с накопленным экологическим ущербом.
На рисунке 10 представлена блок-схема системы мониторинга природнотехногенного комплекса, включающего нефтехимическое предприятие и сформировавшиеся на его промплощадке техногенные потоки нефтяных УВ в качестве источника загрязнения, а также компоненты природной среды в зоне его влияния.
Для оценки параметров вторичного техногенного потока (координат, качественного состава УВ, токсичности и т.п.) рекомендуется использовать визуальные, химические и биологические методы. На основании полученных результатов разрабатывается программа мониторинга, предусматривающая определение приоритетных показателей загрязнения сопредельных природных сред. Для оценки путей миграции нефтяных УВ и образования подземных скоплений используется метод площадного мониторинга (закладка шурфов и наблюдательных скважин с учтом гидрогеологической обстановки). При этом скважины должны быть оборудованы щелевым фильтром на всю глубину, с целью оценки качества не только подземных вод, но и углеводородного слоя над ними.
Рисунок 10 - Пути распространения техногенных потоков нефтяных УВ и организация системного экологического мониторинга в зоне влияния нефтехимических предприятий Предлагаемая схема системного мониторинга отличается от традиционной тем, что включает контроль донных отложений на проблемных участках поверхностных водных объектов, как по степени загрязннности УВ, так и по состоянию макрозообентоса.
Далее представлены результаты исследований, проведнных с целью обоснования выбора инженерных мер защиты территорий от техногенных потоков нефтяных УВ. Поставарийные мероприятия по ликвидации последствий нефтяного загрязнения в поймах рек требуют значительных материальных затрат и времени. В связи с этим необходима разработка превентивных мер по минимизации негативного воздействия техногенных потоков нефтяных УВ на поймы рек.
На основании сравнительного анализа разливов нефтяных УВ, официально зарегистрированных на территории Башкортостана в период с 1995 по 2011 г.г., было выявлено, что из 33 случаев 70% произошли в непосредственной близости от водных объектов или оказали значительное негативное воздействие на пойменные участки рек. При ранжировании разливов нефтяных УВ в качестве натурных моделей были выбраны три, вследствие которых произошло негативное воздействие на малые природные водотоки с близкими гидрологическими характеристиками (р. Бишинды, водосборный ручей р. Улуир и р. Нурлинка).
Для удобства сравнения в таблице 5 схематично представлены параметры выбранных аварийных разливов и их экологические последствия, характеристики водотоков, характер загрязнения поймы, русла и т.д. Основными факторами, влияющими на распространение первичного техногенного потока и образование подземных скоплений нефтяных УВ, являлись: продолжительность контакта нефтяного потока с почвой (модели 1 и 2); время, необходимое на возведение защитных сооружений для перехвата техногенного потока (модель 2); наличие в русле водотока гидротехнических сооружений (например, каскада прудов) и их близость к ядру ореола загрязнения, наличие воды в гидросооружениях в объмах, достаточных для создания гидрозатвора (модель 3). Установлено, что при незначительной продолжительности контакта нефтяных УВ с пойменной почвой и наличии гидротехнических сооружений ниже места аварии степень воздействия на речную экосистему может быть сведена к минимуму (модель 3).
Комплексная оценка трх натурных моделей позволила предложить меры инженерной защиты гидрографической сети в потенциально опасных зонах залповых разливов нефтяных УВ и формирования их подземных скоплений посредством превентивного возведения постоянных защитных гидротехнических сооружений (ЗГТС) в русле малых водотоков с целью перехвата техногенных потоков и обеспечения необходимого запаса времени для развертывания сил оперативного реагирования. Принципиальная схема ЗГТС представлена на рисунке 11.
Таблица 5 - Натурные модели разливов нефтяных УВ в поймах малых природных водотоков Параметры 1) р. Бишинды 2) водосборный ручей на р. Улуир 3) р. Нурлинка р. Улуир - р. Ай - р. Уфа - р. Белая - р. Сикиязка - р. Кармасан - Водоток следующего порядка р. Усень - р. Ик - р. Кама р. Кама р. Белая - р. Кама План-схема разлива нефтяных УВ:
Необходимые характеристики для расчта экологического ущерба Длина нарушенного участка русла, м 2000 2000 5Загрязнение водотоков следующего порядка + + - Площадь загрязнения земель, м2 79600 14061 - Экологический ущерб за загрязнение водных 272,0/14750,0 -/2092,0 не предъявлен объектов / за загрязнение земель, тыс. руб.
Характеристики места аварии и оценка е масштабности Характер поступления нефтяных УВ в водоток поверхностный сток, аэрогенное поступление, инфильтрация из почвен- поверхностный сток ного профиля Продолжительность санационных 4 + 2 + мероприятий, лет (л+ - продолжаются) Приоритетные формы миграции нефти водонефтяная эмульсия, плнка, растворнные нефтепродукты Форма присутствия основной массы нефти слой вязкой нефти на поверхности воды Дальность распространения нефтяных УВ, м 6000 2000 5загрязнение воды; полное нару- загрязнение воды; полное нарушение загрязнение воды на участке шение русла протяженностью 6 русла протяженностью 2 км при про- реки протяженностью 557 м км при проведении ликвидацион- ведении ликвидационных мероприя- (первый от места утечки пруд) Степень поражения экосистем ных мероприятий; загрязнение тий, загрязнение почвы на глубину до в период проведения ликвидапочвы на глубину до уровня зале- 1,0 м ционных мероприятий, загрязгания грунтовых вод (до 3,0 м) нение почвы незначительно Рисунок 11 - Принципиальная схема устройства ЗГТС Условные обозначения: 1) плотина; 2) водопропускная труба; 3) вантуз-клапан; 4) входной патрубок 5) плафонный решетчатый фильтр; 6) рештка; 7) траншея; 8) гидроизоляционный материал; 9) водопримный противоэрозионный лоток; 10) вода; 11) водонефтяная эмульсия; 12) плнка нефтяных УВ после расслаивания С целью минимизации возможного влияния сооружений на водные экосистемы усовершенствовано водопропускное устройство, которое позволяет обеспечить свободную миграцию рыбы. Устройство представляет собой одну или несколько Г-образных водопропускных труб (2), снабженных вантузом-клапаном (3) и расположенных в теле плотины. Один конец трубы, находящийся выше по течению реки, оборудован патрубком (4) и плафонным решетчатым фильтром (5), загнут под определнным углом (согласно параметрам поперечного профиля плотины) и направлен ко дну, другой конец - располагается наклонно, упираясь в специальный водопримный противоэрозионный лоток (9) в русле ниже по течению от плотины. Водопримный лоток оборудован небольшим возвышением (трамплином) с целью гашения скорости потока и исключения размыва русла реки.
Экономическая эффективность использования подобных сооружений рассчитана на примере р. Бишинды, подвергшейся негативному воздействию залпового разлива нефтяных УВ. Параметры водотока: поперечное сечение русла - 0,м2, скорость течения - 0,3 м/с и расход воды 0,23 м3/с на момент разлива нефти.
Исходя из продольных и поперечных профилей русла, получены следующие параметры ЗГТС: основание плотины - 23,6 м, длина плотины - 35 м, высота плотины - 4,1 м и ширина гребня плотины - 3,3 м. Длина котлована ЗГТС, которая гарантировано обеспечит расслоение водонефтяной эмульсии, составляет 300 м.
Сметная стоимость возведения ЗГТС на р. Бишинды, рассчитанная на про граммном комплексе Гранд-Смета, составляет ~1,5 млн. руб. в ценах 2011 г.
Ущерб, причиннный ОС при разливе нефтяных УВ, составил ~15 млн. руб., а официальные затраты на проведение технического этапа реабилитации загрязннного участка ~17 млн. руб. Представленные цифры подтверждают целесообразность использования предлагаемых ЗГТС в качестве превентивных мер инженерной защиты водных объектов.
Предлагаемые меры позволят снизить риск экстремальных загрязнений гидрографической сети, повысить экологическую устойчивость территории и сохранить благоприятную ОС для населения региона.
ВЫВОДЫ 1. Установлены особенности миграции нефтяных загрязнений (первичных и вторичных техногенных потоков) в поймах рек в зоне влияния объектов нефтехимической промышленности. На примере натурных моделей показано, что первичный техногенный поток нефтяных УВ распространяется радиально и латерально.
Глубина радиальной миграции первичного техногенного потока в профиле пойменных почв ограничивается уровнем залегания грунтовых вод (более 3,0 м). В многолетней динамике показано формирование в профиле пойменных почв вторичного техногенного потока нефтяных УВ в виде оторванного ореола загрязнения. Миграция вторичных техногенных потоков имеет преимущественно латеральный характер.
2. Показано, что при радиальной миграции техногенного потока в профиле пойменных почв наблюдается эффект хроматографического разделения УВ. Более тяжлые УВ, в т.ч. изопренаны - пристан и фитан, сорбируются органоминеральными субстратами.
3. Экспериментально установлено, что из трх типов почв - чернозм выщелоченный, тмно-серая лесная почва, аллювиальная (пойменная) почва - верхний органогенный горизонт последней обладает наименьшей способностью к самоочищению от загрязнения нефтяными УВ.
4. Изучен видовой состав макрозообентоса р. Бишинды в зоне подземных скоплений нефтяных УВ. Показано снижение видового состава и деградация трофической структуры макрозообентосных сообществ реки на участке, подверженном негативному воздействию вторичного техногенного потока УВ.
5. Предложена схема организации системы мониторинга природных сред в поймах рек в зоне влияния нефтехимических предприятий, включающая площадный мониторинг (закладку шурфов и наблюдательных скважин, оборудованных щелевым фильтром от шейки, что обеспечит возможность оценки не только качества грунтовых вод, но и углеводородного слоя над ними). Предложено дополнить традиционный перечень контролируемых показателей техногенными ПАУ (бенз(а)пирен и др.); использовать хроматографический метод для оценки экологического состояния компонентов природной среды в условиях пойм (вода, донные отложения, пойменные почвы) и проводить оценку устойчивости речных экосистем по состоянию макрозообентосных сообществ.
6. Разработан метод инженерной защиты гидрографической сети от техногенных потоков нефтяных УВ посредством превентивного возведения защитных гидротехнических сооружений в потенциально опасных зонах в руслах малых водотоков. Предложено усовершенствованное водопропускное устройство, позволяющее обеспечить свободную миграцию рыбы.
Список работ, опубликованных по материалам диссертации 1. Галинуров И.Р. Оценка отдалнных последствий нефтяного загрязнения паводково-пойменных комплексов малых рек / И.Р. Галинуров, А.М. Сафаров, Ю.В. Островская, Т.П. Смирнова, Р.М. Хатмуллина, В.И. Сафарова // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. - 2011. - №2. - С. 152-166.
URL: Galinurov_1.pdf.
2. Галинуров И.Р. Миграция нефтяных углеводородов в профиле прирусловых пойменных почв / И.Р. Галинуров, А.М. Сафаров, Ф.Х. Кудашева, Р.М. Хатмуллина, Т.П. Смирнова // Вестник Башкирского государственного университета.
- 2011. - Т. 16. - № 1. - С. 47-52.
3. Галинуров И.Р. Биотестирование как метод определения токсичности нефтезагрязннных отходов / А.Б. Магид, И.Х. Рахимов, А.И. Мухамадеева, И.Р. Галинуров // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2011. - № 9. - С. 41-43.
4. Галинуров И.Р. Подземные скопления нефтяных углеводородов в пойме р.
Белой Республики Башкортостан / И.Р. Галинуров, А.М. Сафаров, Г.Ф. Шайдулина, А.Т. Магасумова, Р.М. Хатмуллина, Т.П. Смирнова // Башкирский химический журнал. - 2011. - Т. 18. - № 4. - С. 95-98.
5. Галинуров И.Р. Организация мониторинга природных сред во время крупной аварии на магистральном нефтепроводе / В.И. Сафарова, Г.Ф. Шайдулина, А.А. Фаухутдинов, А.М. Сафаров, А.Т. Магасумова, И.Р. Галинуров // Материалы 3 международной научно-технической конференции Наука - Образование - Производство в решении экологических проблем. - Уфа: типография НИИ БЖД РБ, 2006. - Т. 1. - С. 126 -128.
6. Галинуров И.Р. Способы и средства пробоотбора при организации экологического мониторинга водных объектов в период ликвидации аварий на подводных переходах нефтепроводов / А.М. Сафаров, Н.С. Миннигазимов, В.И. Сафарова, А.А.
Колчина, А.Т. Магасумова, Г.Ф. Шайдулина, И.Р. Галинуров // Материалы докладов II Всероссийской конференции Аналитика России с международным участием. - Краснодар: типография БИОТЕХ-ЮГ, 2007. - С. 390.
7. Галинуров И.Р. Исследование процессов деградации нефти в почве / И.Р.
Галинуров, А.М. Сафаров, В.И. Сафарова, Р.М. Хатмуллина, Л.А. Валиева // Материалы 8 Всероссийской научно-технической конференции Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 2010 - С. 262-263.
8. Галинуров И.Р. Экстракция минеральных компонентов из малообводннной нефти / А.Р. Мухаматдинова, А.Т. Магасумова, И.Р. Галинуров, А.М. Сафаров // Каталог докладов 4 Международной конференции Экстракция органических соединений. - Воронеж: ВГТА, 2010. - С. 395.
9. Галинуров И.Р. Анализ последствий экстремальных эмиссий нефти в паводково-пойменных комплексах / И.Р. Галинуров, А.М. Сафаров, В.И. Сафарова, Г.Ф. Шайдулина // Материалы международной научно-технической конференции Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук. Уфа:
Изд-во УГНТУ, 2010. - вып. 5. - С. 10-12.
10. Галинуров И.Р. Совершенствование системы экологического мониторинга окружающей среды в районах расположения нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий / В.И. Сафарова, Г.Ф. Шайдулина, И.Р. Галинуров, А.М.
Сафаров, Е.В. Фатьянова // Материалы 4 научно-практической конференции Промышленная безопасность на взрывоопасных и химически опасных производственных объектах. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 26-32.
11. Галинуров И.Р. Оценка последствий разливов нефти при авариях на нефтепроводах в паводково-пойменных комплексах малых природных водотоков / И.Р. Галинуров, А.М. Сафаров, В.И. Сафарова, Г.Ф. Шайдулина, Т.П. Смирнова // Сборник материалов I Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы охраны природы, окружающей природной среды и рационального природопользования. - Чебоксары: Новое время, 2010. - С. 134-137.
12. Галинуров И.Р. Загрязнение нефтепродуктами водотоков в зоне влияния предприятий нефтяной отрасли / И.Р. Галинуров, А.Т. Магасумова, В.И. Сафарова // Сборник трудов научной конференции Экологические проблемы нефтедобычи. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. - С. 129-130.
13. Галинуров И.Р. Залповые выбросы нефти в паводково-пойменных комплексах малых рек и совершенствование мер по локализации их негативных последствий / И.Р.
Галинуров, А.М. Сафаров, Р.М. Хатмуллина, Т.П. Смирнова // Сборник докладов международной межотраслевой конференции, посвящнной 25-летию чернобыльской катастрофы Современная эколого-антропологическая методология изучения и решения проблем здоровья населения. - Казань: Издательство Бриг, 2011. - С. 96-97.
14. Галинуров И.Р. Исследование самоочищающейся способности почв / И.Р.
Галинуров, А.М. Сафаров, Р.М. Хатмуллина, В.И. Сафарова, Р.Р. Бадамшина // Материалы международного экологического форума Уралэкология. Промбезопасность - 2011. - Уфа, 2011. - С. 99.
15. Галинуров И.Р. Негативное воздействие предприятий нефтехимической промышленности на окружающую среду Республики Башкортостан / И.Р. Галинуров, В.И. Сафарова, А.М. Сафаров, Р.М. Хатмуллина, А.Р. Мухаматдинова // Сборник научных статей 8-й Международной научно-технической конференции Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2011). Том 1. - Уфа: УГАТУ, 2011. - С. 181-185.