CC BY
153
УДК 504.5
МИГРАЦИЯ НЕФТЯНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ПРОФИЛЕ ПРИРУСЛОВЫХ ПОЙМЕННЫХ ПОЧВ
© И. Р. Галинуров1*, А. М. Сафаров2, Ф. Х. Кудашева3,
Р. М. Хатмуллина1, Т. П. Смирнова1
1 Управление государственного аналитического контроля Министерства природопользования и экологии РБ Россия, Республика Башкортостан, 450104 г. Уфа, ул. Российская, 21.
Тел./факс: +7 (347) 233 01 75.
2Уфимский государственный нефтяной технический университет Россия, Республика Башкортостан, 450062 г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
3Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. З. Валиди, 32.
Тел./факс: +7 (34 7) 273 6 7 78.
E-mail: [email protected]
В исследованы отдаленные последствия аварийного разлива нефти в пойме малой равнинной реки. Описаны миграция нефтяных углеводородов в профиле прирусловых пойменных почв, их скопление в почвенном теле на границе водоносного горизонта и «разгрузка»в природный водоток. Установлено перераспределение нефтяных углеводородов в почвенном профиле при радиальной миграции (хроматографический эффект) и их латеральный сток на верхней границе обводненных горизонтов от ядра ареола загрязнения к его периферии.
Ключевые слова: разлив нефти, нефтяные углеводороды, миграция, пойменные почвы, геохимический барьер.
счет латеральной и радиальной миграции в почвенном профиле. Характер миграции нефти в почвенном профиле зависит от множества факторов, определяющих состояние почвенного покрова, в т.ч. от гранулометрического состава [14]. Так, в легких почвах глубина просачивания НУВ может достигать 7-9 м [15-16]. В ходе их миграции от дневной поверхности к зеркалу грунтовых вод за счет сорбции и капиллярного впитывания они могут удерживаться в почвенном теле. По мнению Н. П. Солнцевой, почвы являются «основной формой защиты почвенногрунтовых вод от загрязнения» [17].
Залповые выбросы нефти особенно опасны в условиях супераквальных ландшафтов, где интенсивное негативное воздействие на почвенный покров усугубляется близостью залегания почвенногрунтовых вод, питающих водоток. Для техногенного потока НУВ пойменные почвы выполняют функцию геохимического барьера. Необходимо отметить, что снижая скорость техногенного потока на первоначальном этапе, они «растягивают его во времени». При этом в почвенном теле происходит образование скоплений жидкофазных НУВ -химических бомб замедленного действия («chemical time bomb») - источника длительного отсроченного воздействия на водоем [2, 18] и другие сопредельные среды.
Объекты и методы исследования В качестве объекта исследования выбран участок прирусловых пойменных почв, техногенно нарушенных вследствие залпового выброса товарной нефти при разгерметизации нефтепровода вблизи малого равнинного водотока. Отбор проб почвы проводился в соответствии с нормативными документами [19-20]. Содержание нефтепродуктов
Введение
Устойчивое экономическое развитие мирового сообщества и повышение качества жизни растущего населения невозможны без решения экологических проблем. Одной из глобальных проблем современности стал рост техногенной нагрузки на природные системы различных этапов «жизненного цикла нефти». Роль нефти и ее производных в загрязнении окружающей среды растет год от года [1].
В России нефтяные углеводороды (НУВ) относятся к приоритетным поллютантам [2], т.к. отечественный топливно-энергетический комплекс, в частности трубопроводный транспорт, является крупнейшим источником негативного воздействия на окружающую среду. Наиболее опасны аварийные разливы нефти, которые характеризуются залповыми нагрузками на биоценозы [3] и их длительной дестабилизацией [4-6]. При этом оценка негативных последствий затрудняется тем, что необходимо комплексно учитывать целый ряд факторов: 1) состав нефти; 2) сложность, гетерогенность состава и структуры экосистемы; 3) многообразие и изменчивость внешних факторов (температуры, влажности и т.п.) [7].
Почва, как неотъемлемая часть наземных экосистем, играет ключевую роль в поддержании устойчивости биосферы [8]. В районах добычи, транспортировки и переработки нефти антропогенная деградация почв связана с загрязнением нефтепродуктами, которые оказывают масштабное воздействие на свойства почвы, определяющие ее плодородие и экологические функции [9]. НУВ способны вызывать вторичное загрязнение на площади, значительно превышающей территорию первоначального техногенного воздействия [2, 10-13], за
* автор, ответственный за переписку
в почве определялось по аттестованной методике [21]. Идентификация углеводородного состава образцов проведена с использованием современных высокоинформативных методов, в частности газожидкостной хроматографии.
Результаты и их обсуждение
Рассматриваемый в данной работе разлив нефти произошел при температуре атмосферного воздуха минус 5-10 °С в первой декаде марта в паводково-пойменном комплексе (ППК) малого природного водотока на западе Республики Башкортостан. Объем излившейся нефти по официальным данным составил более 5.8 тыс. м3. Непосредственное воздействие залпового выброса нефти на поверхностные воды было относительно кратковременно [22]. Почва, как депонирующая система, испытывает более продолжительное негативное воздействие, что характеризуется высокими концентрациями нефтепродуктов в течение всего периода наблюдения.
Обширность ареола загрязнения была обусловлена давлением истекания нефти из трубы на первоначальном этапе; аэрогенным рассеиванием и растеканием по поверхности фонтанировавшей нефти; высокой скоростью радиальной и латеральной внутрипочвенной миграции НУВ. Каналом ускоренной миграции НУВ в нижележащие элементы рельефа послужили отличающиеся повышенной нефтепроницаемостью нарушенные грунты технического коридора.
По завершении технического этапа ликвидационных работ с целью оценки глубины и уровня загрязнения почвенного покрова техногенно нарушенная территория в пределах визуально определяемых границ была условно разделена на шесть
секторов, на которых природно-климатические условия в момент события и требования техники безопасности позволили провести обследование (рис. 1). Поскольку содержание нефтепродуктов в почве не нормируется, в качестве эталона для сравнения был использован соответствующий тип фоновых почв на прилегающей к техногенно нарушенному участку территории, выше по рельефу.
Глубина обследования зависела от уровня залегания грунтовых вод или глубины выхода нефти. Объединенные пробы почвы отбирались послойно: 0-20 см, 20-50 см, 50-100 см и глубже. Выбор в пользу послойного обследования был сделан в связи с тем, что в трансформированных почвах система генетических горизонтов (в их традиционном понимании, как непременная форма их структурной организации) необязательна [2]. В данном случае исходный почвенный профиль сохранился лишь на отдельных участках. Верхние горизонты, по большей части, были механически нарушены (перемешаны, смещены, дополнены чужеродным материалом или вовсе отсутствовали). Определить площадки с ненарушенным исходным почвенным профилем на момент первоначального обследования не представлялось возможным. Результаты анализа приведены в табл.
Очень высокий уровень загрязнения нефтепродуктами (> 5.0 г/кг) на глубине до 100 см отмечался в почвенном профиле вдоль технического коридора (секторы 2-6). На поверхности почвенно-грунтовых вод в разрезах наблюдалась нефтяная пленка различной интенсивности. По мере удаления от ядра ареола загрязнения концентрация нефтепродуктов в почве варьировала в широком диапазоне.
\
Условные обозначения:
- малый природный водоток;
- нефтепровод;
- ядро ареола распространения НУВ (место разгерметизации нефтепровода);
- латеральный перенос НУВ;
- техногенно нарушенный участок (по состоянию на момент разлива нефти);
- секторы;
- обследованный сектор;
- заболоченная территория.
Рис. 1. Схема техногенно нарушенного участка в ППК малого равнинного водотока.
Таблица
Результаты обследования техногенно нарушенного участка непосредственно после аварийного разлива нефти
Г лубина отбора, см Секторы
1 2 3 4 5 6 фон.
Содержание нефтепродуктов, г/кг
0-20 0.2 29.8 27.0 57.5 73.3 50.1 <0.05
20-50 0.1 74.0 19.2 84.4 57.7 18.4 <0.05
50-100 0.4 29.6 30.0 56.0 44.4 6.6 <0.05
> 100 1.0 0.1 9.9 выход нефти 55.5 0.2 <0.05
Загрязнение почвенного покрова в секторе 1, на периферии ареола распространения НУВ, соответствовало допустимому уровню (< 1.0 г/кг) [23]. Результаты последующих обследований сектора 1, представленные на рис. 2, позволяют утверждать о наличии в почвенном профиле исследуемой площадки процессов латерального стока НУВ (по каналам миграции) от ядра ареола к периферии ниже по рельефу на глубине более 100 см. Подобные процессы происходят вследствие экранирующих свойств сильнообводненных горизонтов, когда поступающий к их верхним границам техногенный поток НУВ трансформируется в латеральный сток в соответствии с уклоном местности.
На рис. 2 видно, что за время обследования отмечена тенденция к снижению содержания нефтепродуктов в почвенном профиле всего участка на
глубине 0-20 см. Необходимо отметить, что на процессах миграции и аккумуляции НУВ в верхних горизонтах мог сказаться комплекс ликвидационных и реабилитационных мероприятий.
Со временем происходит миграция НУВ из верхних органогенных в нижележащие минеральные горизонты (рис. 2г) и загрязнение более глубоких слоев почвы. На некоторых участках концентрация НУВ в нижележащих слоях превысила их концентрацию в поверхностных. В верхних гуму-сированных горизонтах аккумулируются высокомолекулярные соединения. Легкие углеводороды проникают в нижележащие горизонты, где могут находиться в неизменном виде длительное время. В результате миграции в почве может наблюдаться послойное фракционирование нефти - «хроматографический эффект» [3, 9].
90 ^ 80 70 §60 £ 50 140 30 20 10 0
глубина а) 0-20 см
'1 1 Г'
І.ІІ
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
глубина б) 20-50 см
01
12 3 4
56
23456
90
и
70
60
50
К §
*
Й 40
о
О
30
20
10
0
Рис.
в) 50-100 см
1
23
секторы
4
5
6
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
г) > 100 см (до 200 см)
1
2
3
4
5
6
секторы
1~1 через 1 год □ через 2 года □ через 4 года
год обследования - Н после разлива 2. Содержание нефтепродуктов в почвенном профиле нефтезагрязненного участка в ППК малого равнинного водотока.
1
•— — 1; 0-20 см
о ■■ 2; 20-50 см
▼ - 3; 50-100 см
А- _ - 4; 100-200 см
■ - 5; 200-300 см
□ - 6; нефть на момент разлива
о
Рис. 3. Соотношение н-алканов, пристана и фитана в нефти на момент разлива и экстрактах, выделенных из образцов почвы, отобранных через 4 года (сектор 3)
(Прим.: за 100% принято суммарное содержание н-алканов С8-С24 + пристан и фитан)
На примере разреза, заложенного через 4 года после аварии в секторе 3, проведено исследование перераспределения НУВ (н-алканов С8-С24; пристана и фитана) в почвенном профиле нефтезагряз-ненного участка (рис. 3).
На рис. 3 показано соотношение углеводородов легкой и тяжелой фракций в верхних горизонтах почвы (кривые 1-3). При просачивании нефти сквозь органогенные горизонты происходит активное депонирование изопреноидных углеводородов -пристана С19Н40 и фитана С20Н42, свидетельствующее о деградации нефти. Таким образом, можно предположить, что эти горизонты служат почвенными геохимическими барьерами-концентраторами для углеводородов этого ряда [2].
Слой на глубине 200-300 см (кривая 5, рис. 3) характеризуется более высоким суммарным содержанием нефтепродуктов и повышенным относительным содержанием легких углеводородов. Это свидетельствует об особенностях радиальной миграции НУВ вглубь почвенного профиля, их скоплении в геохимических барьерах-аккумуляторах, характеризующихся легким гранулометрическим
составом (на границе водоносного горизонта), и контакте с почвенно-грунтовыми водами, питающими поверхностный водоток.
При натурном обследовании через 4 года после аварии установлено наличие скоплений жидкофазных НУВ в профиле почвы, которые при определенных гидрологических условиях «разгружаются» в поверхностный водоток на смоченном периметре путем инфильтрации из грунта загрязненного участка. В результате хроматографического анализа образцов пленки на поверхности почвенногрунтовых вод загрязненного участка и маслянистой черной пленки на поверхности воды в реке в зоне прилегания нарушенной территории установлено, что при миграции НУВ из почвенной толщи в поверхностный водоток происходит трансформация техногенного потока за счет снижения доли метановых углеводородов легкой фракции. Их потеря, вероятно, происходит при переходе из водной среды с ламинарными условиями (почвенногрунтовых вод) в турбулентный поток (поверхностные воды) за счет интенсивного перемешивания течением (рис. 4).
Рис. 4. Концентрационные профили НУВ образцов пленки на поверхности почвенно-грунтовых вод (1) и пленки на поверхности воды в реке в зоне прилегания загрязненного участка (2)
Выводы
В результате обследования нефтезагрязненно-го участка в паводково-пойменном комплексе малого равнинного водотока установлено:
■ длительное негативное воздействие НУВ на почву, характеризующееся очень высоким остаточным уровнем загрязнения (> 5.0 г/кг);
■ наличие радиальной миграции НУВ в почвенном профиле (из верхних органогенных в нижележащие минеральные горизонты);
■ внутрипочвенное перераспределение НУВ («хроматографический эффект»);
■ в почвенном профиле на глубине более 100 см на верхней границе обводненных горизонтов происходит процесс латерального стока НУВ от ядра ареола загрязнения к его периферии;
■ НУВ, просачиваясь сквозь почвенный профиль, контактируют с почвенно-грунтовыми водами и образуют «техногенную залежь» на верхней границе водоносного горизонта;
■ скопления НУВ в почвенном профиле являются источником долговременного негативного воздействия на гидрографическую сеть.
Таким образом, скопление нефти в профиле прирусловых пойменных почв может существенно сказаться на качестве поверхностных вод и состоянии водных биоценозов. Так как мероприятия по контролю миграции НУВ в подобных условиях и предотвращению их негативного влияния продолжительны по времени и связаны со значительными
материальными затратами, то требуется комплексная программа по совершенствованию технологий защиты паводково-пойменных комплексов от залповых выбросов нефти.
ЛИТЕРАТУРА
1.
10.
11.
Геохимические барьеры в зоне гипергенеза / под ред Н. С. Касимова, А. Е. Воробьева- М.: изд-во Моск. ун-та, 2002. 395 с. Солнцева Н. П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: изд-во МГУ, 1998. 376 с.
Мерициди И. А., Ивановский В. Н., Прохоров А. Н. Техника и технология локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов / Под ред. И. А. Мери-циди. СПб.: Профессионал, 2008. 824 с.
Абросимов А. А. Экология переработки углеводородных систем. М.: Химия, 2002. 608 с.
Забела К. А., Красков В. А., Москвич В. М., Сощенко А. Е. Безопасность пересечений трубопроводами водных преград. М.: Недра-Бизнесцентр, 2001. 192 с.
Ягафарова Г. Г., Ильина Е. Г., Сафаров А. Х., Барахнина В. Б., Гатауллина Э. М. Биорекультиация нефтезагрязненной почвы // Мат-лы 2-го Международного симпозиума «Наука и технология углеводородных дисперсных систем». Уфа, 2000. Т. 2. С. 247-248.
Ягафарова Г. Г., Насырова Л. А., Шахова Ф. А., Балакирева С. В., Барахнина В. Б., Сафаров А. Х. Инженерная экология в нефтегазовом комплексе: учеб. пособие. Уфа: изд-во УГНТУ, 2007. 334 с.
Шахова Ф. А., Г. Ф. Шайдулина, Ягафарова Г. Г., Сафарова В. И. Основы экологического мониторинга: учебник. М.: Химия, 2009. 336 с.
Габбасова И. М. Деградация и рекультивация почв Башкортостана. Уфа: Гилем, 2004. 284 с.
Бреус И. П., Смирнова-Евстифеева Е. В., Неклюдов С. А., Бреус В. А. Транспорт жидких углеводородов в выщелоченном черноземе // Почвоведение. 2005. №6. С. 672-684. Мироненко В. А., Петров Н. С. Загрязнение подземных вод углеводородами // Геоэкология. 1995. №1. С. 3-27.
2
3
4
5
6
7
9
12. Пиковский И. Ю. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. М.: изд-во МГУ, 1993. 208 с.
13. Солнцева Н. П., Садов А. П. Закономерности миграции нефти и нефтепродуктов в почвах лесотундровых ландшафтов Западной Сибири // Почвоведение. 1998. №8. С. 996-1008.
14. Хазиев Ф. Х., Фатхиев Ф. Ф. Изменение биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активизация разложения нефти // Агрохимия. 1981. №10. С. 102-111.
15. Benka-Coker M. O., Ekudayo J. A. Effects of an oil spill on soil physico-chemical properties of a spill site in the Niger delta area of Nigeria // Environ. Monit. And Asses. 1995. V. 36. №2. P. 93-104.
16. Ekundyo E. O., Obuekwe C. O. Effects of an oil spill on soil phisico-chemical properties of a spill site in a Typic Paleudult of midwestern Nigeria // Environ. Monit. And Asses. 1997. V. 45. №2. P. 209-221.
17. Солнцева Н. П. Структурно-функциональная организация геохимических барьеров и их роль в устойчивости природных систем // Тез. докл. Международного симпозиума «Геохимические барьеры в зоне гипергенеза». М.: Геофак МГУ, 1999. С. 43-51.
18. Мячина К. В., Чибилев А. А. Геоэкологическое районирование нефтегазоносной территории Оренбургской области // Поволжский экологический журнал. 2005. №2. С. 147-157.
19. ГОСТ 17.4.3.01-83 Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М.: издательство стандартов, 1984. 10 с.
20. ГОСТ 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа М.: издательство стандартов, 1986. 16 с.
21. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. М.: ФГУ ФЦАО, 2005. 18 с.
22. Галинуров И. Р., Сафарова В. И., Сафаров А М., Смирнова Т. П. О необходимости совершенствования подходов снижения негативных последствий аварийных разливов нефти при отказах нефтепроводов в паводково-пойменных комплексах природных водотоков // Мат-лы научно-практической конференции «Актуальные вопросы разработки нефтегазовых месторождений на поздних стадиях. Технологии. Оборудование. Безопасность. Экология». Уфа: изд-во УГНТУ, 2010. С. 219-223.
23. О порядке определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами: письма Минприроды РФ от 27 декабря 1993 г. № 04-25 и Роскомзема от 27 декабря 1993 г. № 61-5678. Документ опубликован не был. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант-Плюс».
Поступила в редакцию 25.02.2011 г.
