CC BY
147
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 г. Выпуск 3 (30). С. 25-29
УДК 504.054(571.1)
ВЛИЯНИЕ ЛАНДШАФТНЫХ И СЕЗОННЫХ ФАКТОРОВ НА РАЗЛИВЫ НЕФТИ
А. В. Захарченко, А. Г. Карташев, Е. В. Нуянзина
Аварийные разливы нефти в Западной Сибири, возникающие при нарушении герметичности хранилищ и труб нефтепроводов, являются основным источником нефтезагрязнений природных сред [1]. По официальным данным виновники поступления нефти в природу -нефтедобывающие компании [2]. Происходит это в результате разрывов промысловых нефтепроводов. Их общая длина превышает 300000 км. Половина из них построена 30-35 лет назад, что превышает срок эксплуатации 1,5-2 раза. При такой ситуации разрыв труб оказывается неизбежным. В качестве основных причин аварий называется износ труб из-за внутренней коррозии внутрипромысловых нефтепроводов (42 % труб служат менее 5 лет из-за внутренней коррозии) и деятельности третьих лиц. В целом вероятность аварий на внутрипромысловых трубопроводах в 150-200 раз выше, чем на магистральных.
Отдельные нефтедобывающие территории приближаются к состоянию экологического бедствия [3]. Происходят глубокие преобразования естественных природных сред: почв и структуры почвенного покрова, поверхностных и грунтовых вод, растительного и животного мира. Применение современных технологий и мощных технологических установок, увеличение количества, длины и диаметра труб нефтепроводов существенно увеличивает экологическую опасность нефтяной отрасли. Н. П. Солнцева [3] отмечает, что в различных ландшафтах техногенные вещества ведут себя неодинаково: в одних условиях они инертны в других подвергаются изменениям. Это же относится и к технологическим объектам в одних ландшафтных условиях они устойчивы в других риск аварии существенно выше. В этой связи приобретает актуальность изучение взаимодействия природных систем и технологических объектов.
Показано [3], что в фоновых условиях содержание нефти в почвах не превышает доли грамма на 1 кг почвы, но в некоторых случаях может достигать 2 г/кг. Это явление характерно для болотных почв. В условиях нефтезагрязнения концентрации достигают 400-600 г/кг.
Глубина проникновения нефти зависит от типа ландшафта [3]. Наиболее глубокое проникновение нефти свойственно трещиноватым почвам легкого гранулометрического состава, а также гравилистым отложениям. Радиальная миграция нефти зависит от насыщенности почв влагой. Так как нефть гидрофобная, то её радиальное движение ограничено в болотных почвах и на переувлажненных участках.
Существенное значение в поведении нефти разлива имеет сезон, так как вязкость нефти и коэффициент фильтрации зависят от температуры воздуха, почвы и увлажненности грунтов. В промерзшие грунты нефть не впитывается и растекается по поверхности. Наиболее активные процессы миграции нефти наблюдаются в летний период. Ограничение миграции нефти также определяется существованием потенциальных внутрипочвенных геохимических барьеров, где происходит аккумуляция нефтезагрязнений при движении флюида [3]. Можно предположить, что различные ландшафты различаются по способности аккумулировать разлитую нефть в разные сезоны года.
Показано [4], что удельное количество нефти существенно зависит от типов биотопов и их абсорбционной способности.
Целью данной работы является выявление относительной опасности нефтяных разливов для характерных ландшафтов Томской области разные сезоны года.
Объекты и методы
В качестве объектов исследований рассматривались разливы нефти в наиболее типичных ландшафтных условиях Томской области: лесные суходольные участки, верховые и пере-
25
А. В. Захарченко, А. Г. Карташев, Е. В. Нуянзина
ходные болота, заболоченные лесные участки и болота с грядово-мочажинным комплексом. Закономерности миграции нефти разлива определяются уровнями нефтеемкости и нефтеотдачи почв, которые изменяются в различных ландшафтных условиях и по природным сезонам.
При оценке разлива нефти учитываются такие показатели как размеры площади нефтезагрязнений и количество разлившейся нефти. Отношение массы разлитой нефти к площади разлива характеризует нефтеемкость территории. Нефтеемкость территории зависит от рельефа поверхности, типа, общефизических, фильтрационных свойств почвы (нефтеемкости и нефтеотдачи почв), а также присутствия геохимических барьеров, препятствующих радиальной миграции [Солнцева Н. П., 1998], а, следовательно, определяются свойствами ландшафта. Так как рассматриваются различные типы ландшафта, то в контексте данной темы, можно говорить о нефтеемкости ландшафта, как его фундаментальном свойстве. Нефтеемкость ландшафта (кг/м2) определяется микрорельефом, растительностью, химическими, физическими и физико-химическими свойствами почв, поверхностных отложений. Она также зависит от свойств разлитой нефти, которые изменяются по сезонам года.
В качестве среднестатистических показателей использовались: площади нефтезагрязнений (м2) и нефтеемкость ландшафта (кг/м2). Тип ландшафта так же взят из официальных источников, характеризующих разлив нефти: лесной суходол, заболоченные леса, верховые и переходные болота, болота со сфагново-кустарничковым микроландшафтом. Болота, обозначенные как «со сфагново-кустарничковым микроландшафтом» интерпретировались, как болота с грядово-мочажинным комплексом (ГМК). Усреднение по ландшафтам проведено за период в 3 года по всем документально зафиксированным разливам нефти.
Результаты исследований и обсуждения
Тип ландшафта и сезон года влияют на устойчивость нефтепроводов, что отражается в площадях разлива нефти (табл. 1).
Таблица 1. Сезонная динамика среднестатистических показателей площади загрязнения (м2) и нефтеемкость ландшафта (кг/м2) в различных ландшафтах Томской области: лесной суходол, заболоченные леса, верховые и переходные болота, грядово-мочажинный комплекс (ГМК)
Ме- сяцы Площадь загряз- нения (м2) Нефтеем- кость (кг/м2) Площадь загряз- нения (м2) Нефтеем- кость (кг/м2) Площадь загрязнения, (м2) Нетеем- кость (кг/м2) Площадь загряз- нения (м2) Нетеем- кость (кг/м2)
Лесной суходол Заболоченные леса Верховые и переходные болота ГМК
I 0 0 345,3±29 1,6±1 0 0 0 0
II 0 0 649,3±112 1,0±0 0 0 0 0
III 0 0 730,3±7 1,0±0 2,0±2 2,0±2 100±5 7±1
IV 2,6±2 0,6±0,5 741±2 2,0±0 3,0±0 3,0±0,4 143,3±75 7±1
V 4,0±0,3 1,0±0 750±5 2,3±1 67,6±56 3,0±0,4 243,3±11 7,6±1
VI 34±4 3±0,5 827±58 4±0,3 101,0 3,0±0,4 250±19 9±3
VII 70±8 3±0,5 919±20 4±0,5 102,3±2 3,3±1 250,6±1 9±2
VIII 70±6 2,3±1 960,3±9 4±0,3 105,6±1 4±0,6 252±21 9±2
IX 170±15 2±0,1 948±67 4±0,3 107,6±1 4±0,5 252±21 9±2
X 170±9 2±0,2 696,6±2 4±0,3 108 4±0,6 254,6±2 9±3
XI 170±16 2±0,1 1017,6±14 4±0,5 186,3±46 4±0,6 260±3 9±3
XII 170±3 2±0,1 1039,6±4 4±0,2 227±7 6±2 262±25 9±2
Сезонные динамики среднестатистических показателей общей площади и нефтеемкости ландшафта по всем ландшафтам позволяют заметить отсутствие пропорциональной зависимости между площадью нефтезагрязнений и нефтеемкостью ландшафта.
26
Влияние ландшафтных и сезонных факторов на разливы нефти
Залесенные суходолы имеют наименьшую нефтеемкость по сравнению с другими ландшафтами (0,6 кг/м2 - 3 кг/м2). В районах нефтедобычи Томской области распространены тяжелосуглинистые дерново-подзолистые почвы, в средней и южной частях региона - лессовидные суглинки. Высокая плотность препятствует проникновению нефти вглубь, что предопределяет в среднем невысокую нефтеемкость. Площадь нефтяных разливов увеличивается по сезонам года от отсутствия в январе-марте до 170 м2 в сентябре - декабре, которые следует рассматривать, как наиболее опасные с точки зрения некатегорийных отказов и разливов в условиях суходола. Наибольшая нефтеемкость ландшафта наблюдается в наиболее теплый период с июня по август. Это вызвано тем, что нефть наименее вязкая и наиболее высокий коэффициент впитывания нефти в почву. В этот разливы нефти имеют среднюю площадь 34-70 м2.
Совершенно другая ситуация складывается в заболоченных лесах, где наблюдается самая высокая площадь загрязнения. Следует отметить, что переувлажненные и заболоченные леса имеют широкое распространение в районе нефтедобычи, что увеличивает вероятность разлива именно в этих лесах. Они находятся в пониженных элементах рельефа и трансак-вальной позиции ландшафта. Нефть, разлитая в трансэлювиальной позиции, узким потоком стекает, а в трансаквальной позиции растекается радиально, занимая существенные площади (от 345 м2 до 1039 м2). Наименее аварийный месяц - январь. По сезонам постепенно площадь разливов возрастает от минимума в январе, достигая максимума в декабре. Нефтеемкость наименьшая в период с января по март (1 кг/м2 - 1,6 кг/м2). Затем, увеличивается в апреле -мае до 2 кг/м2 - 2,3 кг/м2. С июня по декабрь нефтеемкость фактически не меняется (4 кг/м2). Характерная особенности заболоченных лесов - это оторфотанная подстилка или торфяная залежь менее 33 см. Эти материалы сорбируют на своей поверхности нефть в большей степени (в 2 раза), чем суходольные леса. Зимой лесные мхи и торфяная залежь находится в замерзшем состоянии и нефтеемкость минимальна. В апреле - мае происходит оттаивание мхов и нефтеемкость возрастает. Кочковатый микрорельеф заболоченных лесов также способствует задержанию и аккумуляции нефти в этих ландшафтах. С июня по декабрь нефтеемкость неизменно высока, а значит и впитывающая способность торфа сохраняется. В ноябре - декабре из-за низких температур вязкость нефти возрастает, что способствует её аккумуляции.
Ландшафты верховых и переходных болот занимают также обширные территории, но площадь нефтяных разливов существенно меньше и близки к характеристикам суходола. Нефтяные разливы начинаются с марта и их площади резко возрастают в мае-июне и далее держатся в узком интервале 101 м2 - 108 м2 все лето до октября. В ноябре - декабре площадь существенно увеличивается, достигая 227 м2. Нефтеемкость ландшафта изменяется от минимума в марте (2 кг/м2) до 3 кг/м2 - 3,3 кг/м2 в апреле - июле. Затем, она увеличивается до 4 кг/м2 и держится этот уровень вплоть до ноября, возрастая в декабре до 6 кг/м2. Такое декабрьское увеличение нефтеемкости можно объяснить резким увеличением вязкости нефти и образовании снеговых преград для её движения на верховых и переходных болотах.
По площади разливов нефти болота с грядово-мочажинным комплексов занимают промежуточное положение между верховыми, переходными болотами и заболоченными лесами. Этот вид ландшафта выделяется среди других высоким уровнем нефтеемкости территории, который в марте - апреле имеет значение 7 кг/м2, а уже в июне достигает 9 кг/м2, что держится до декабря. Высокий уровень аккумуляции нефти в ландшафте определяется наличием высоких гряд, перекрывающих движение нефти по поверхности болота. Рыхлый торф вмещает много жидкости, которая аккумулируется в гиалодерме, имеющей гиалиновые клетки на листьях. Большое количество влаги в торфе делают нефть малоподвижной в условиях грядово-мочажинного комплекса верхового болота.
Нефтеемкость нарастает весенне-летний период, что присутствует практически во всех ландшафтах (рис. 1). С июня нефтеемкость стабилизируется до конца сезона в заболоченных лесах и разных типах болот. Наиболее сложная динамика нефтеемкости территории характерна для суходольных лесов. В весенне-летний период происходит возрастание характери-
27
А. В. Захарченко, А. Г. Карташев, Е. В. Нуянзина
стики, в июле стабилизация, затем наблюдается снижение вплоть до сентября и стабилизация на среднем уровне значения.
Рисунок 1 - Сезонная динамика нефтеемкости (кг/м2) в различных ландшафтах: ряд 1 - суходол, ряд 2 - заболоченные леса, ряд 3 - верховые и переходные болота, ряд 4 - грядово-мочажинный комплекс
Исходя из анализа данных, наименее опасными относительно нефтяных разливов являются зимние месяцы с января по март. Определяется это тем, что предприятия осенью готовятся к зиме, проводя профилактический ремонт оборудования. С другой стороны температурный режим ниже нуля снижает коррозию металла, способствуя меньшим отказам в работе оборудования. Количество разлитой нефти возрастает в теплый период, достигая наибольших значений в осенне-зимний период. Выделяются периоды межсезонья, для которых характерно существенное увеличение площадей нефтяных разливов, когда возрастают температурные градиенты в грунтах и увеличивается нагрузка на технологическое оборудование в связи с понижением температуры воздуха. Наиболее резкий скачек площадей разлива нефти наблюдается в декабре-январе. Для лесных суходолов резкое увеличение площадей разлива происходит в августе-сентябре, в заболоченных лесах, верховых и переходных болотах -октябрь-ноябрь, а для болот с грядово-мочажинным комплексом различия межсезонье не выделяется. Нефтеемкость существенно изменяемся в межсезонье, для этих периодов характерно возрастание дисперсии, что отражается увеличение интервальных оценок средних значений.
Учитывая, что ответственность за большую часть разливов ложится на аварийность внутри промысловых нефтепроводов, то наиболее устойчивая их эксплуатация осуществляется в ландшафтах суходольных лесов в зимний и весенний периоды.
Выводы
Таким образом, на основании проведённых исследований установлено, что удельное количество нефти зависит от типа ландшафта, его нефтеемкости и времени года.
1. Выявлены ряды по площади разлива: суходольный лес < верховое и переходное болото < грядово-мочажинный комплекс < заболоченные леса. Нефтеемкость ландшафта изменяется в ряду: суходольный лес < заболоченный лес < верховые и переходные болота < грядо-во-мочажинный комплекс.
28
Влияние ландшафтных и сезонных факторов на разливы нефти
2. Показано, что по площади разлива нефти наименее опасны месяцы с января по март, а наибольшие площади разливов нефти характерны для межсезонья: весна-лето, лето-осень, достигая максимума в осенне-зимний сезон.
3. Нефтеемкость ландшафта меняется по сезонам от минимальных зимой и весной до максимальных летом и осенью.
4. Установлено, что наибольшему риску нефтяного загрязнения подвергаются ландшафты заболоченных лесов в периоды с июля по сентябрь и с ноября по декабрь, а наиболее устойчивая эксплуатация нефтепроводов осуществляется в условиях ландшафтов суходольных лесов в зимний и весенний периоды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев, Ю. Л. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов [Текст] / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов. - М. : Инюктаво, 2005. - 368 с.
2. Солнцева, Н. П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов [Текст] / Н. П. Солнцева. - М. : Изд-во МГУ, 1998. - 376 с.
3. Хаустов, А. П. Трансформация нефтепродуктов как источник токсичных загрязнений природных сред [Текст] / А. П. Хаустов, М. М. Редина // Экология и промышленность России. - 2012. - № 12. - С. 38-44.
4. Карташев, А. Г. Сезонная динамика нефтезагрязнений в различных биотопах Западной Сибири [Текст] / А. Г. Карташев, Е. В. Нуянзина // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. - 2013. - № 1(22). - С. 58-61.
29
