CC BY
66
УДК 553.982.2:504.54(571.16)
ВЛИЯНИЕ ШЛАМОВЫХ АМБАРОВ НА ГЕОХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМ В БАССЕЙНЕ РЕКИ ВАСЮГАН
В.А. Базанов*, О.Г. Савичев**, Д.В. Волостнов***, Б.А. Егоров****, А.О. Крутовский ****, Е.Г. Язиков**
*НИИ биологии и биофизики при Томском государственном университете **Томский политехнический университет. E-mail: [email protected] ***ОГУ "Облкомприрода". E-mail: [email protected] ****ГУП ТЦ "Томскгеомониторинг"
Изложены результаты геохимических исследований болотных экосистем в пределах Двуреченского и Западно-Моисеевского нефтяных месторождений, расположенных в бассейне р. Васюгана. Получена обобщенная гидрохимическая характеристика водных объектов, находящихся в разной степени антропогенного влияния. Установлено изменение микроэлементного состава торфов по вертикальному разрезу торфяной залежи. Показано, что вблизи техногенных объектов минерализация болотных вод может достигать 1,5 г/дм3 и более. Но уже в нескольких десятках метров от источника загрязнения минерализация, а также концентрация ионов хлора, натрия и других компонентов, уменьшаются почти на порядок и достигают фоновых значений. В разрезе торфяной залежи распространение загрязняющих веществ ограничивается деятельным горизонтом.
Введение
Бассейн Средней Оби, включая участки разработки нефтяных и газовых месторождений, характеризуется очень высокой заболоченностью, являющейся мощным фактором формирования химического состава природных вод данного региона. Этот фактор во многом определяет специфику водно-экологической и геохимической обстановки в районе. Так, с заболоченностью водосборов связывается повышенное содержание в природных водах целого ряда веществ, многократно превышающее допустимые нормативы качества. Антропогенное влияние, включая воздействие объектов нефтедобычи в бассейне крупного притока р. Оби -р. Васюгана, может приводить к дополнительному увеличению концентраций ряда веществ, причем не только из-за химического загрязнения объектов природной среды, но и в результате изменения их водного режима [1, 2]. С учетом этого обстоятельства, авторами в течение 1996-2003 гг. были проведены геохимические исследования болотных экосистем в бассейнах р.р. Васюгана, Парабели и Чаи, результаты которых, касающиеся общей гидрогеохимической характеристики природных вод и техногенных объектов, а также их сравнительного анализа, частично изложены в ряде работ [1-4]. В данной статье приведены материалы исследований по проблеме оценки влияния шламовых амбаров на геохимическое состояние природных вод и торфяных залежей болот в бассейне р. Васюгана. Актуальность этой проблемы обусловлена следующими обстоятельствами.
Шламовые амбары (ША) используются для сбора и хранения отходов бурения и представляют собой специально подготовленные котлованы, вместимость которых определяется из расчета около 700 м3 на одну буровую скважину. В соответствии с действующим в АООТ "Томскнефть" стандартом, амбар должен иметь надежную гидроизоляцию, что на практике в полной мере выполняется не всегда. Очевидно, что подобный объект представляет собой потенциальную угрозу для компонентов окружающей среды вследствие воз-
можного выноса веществ из ША и их распространения в болотных экосистемах.
Объекты и методика исследований
В качестве объектов исследований были выбраны четыре участка болотных экосистем, расположенных в западной части водосбора р. Васюгана на территории Западно-Моисеевского и Двуреченского нефтяных месторождений. В пределах каждого из этих участков проводили изучение природных сред, характеризующихся разной степенью преобладания естественных и техногенных компонентов, - от эксплуатируемых ША до болотных вод на большом удалении от каких-либо техногенных объектов, включая источники атмосферного загрязнения.
Методика исследований включала в себя отбор проб болотных, речных и снеговых вод, проб торфа, последующее определение их химического состава, обобщение и анализ полученных материалов и данных других организаций и исследователей. Отбор проб болотных и речных вод осуществлялся в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000 из слоя 10...30 см от поверхности.
Определение химического состава природных вод и торфа проводили в аккредитованных лабораториях государственного унитарного предприятия (ГУП) территориального центра (ТЦ) "Томскгеомо-ниторинг" и областного государственного учреждения (ОГУ) "Облкомприрода" по аттестованным методикам. Кроме того, использовались опубликованные материалы о химическом составе болотных вод на территории Томской области, полученные ранее в ГУП ТЦ "Томскгеомониторинг", Томского политехнического университета (ТПУ), научно-исследовательского института биологии и биофизики при Томском государственном университете (НИИ ББ при ТГУ), ОГУ "Облкомприрода", а также в других организациях, и обобщенные в работах [1, 2, 5].
Для объяснения полученных данных и выявления механизма трансформации химического состава природно-техногенных вод проводили термоди-
намические расчеты с помощью программного комплекса Solution+, разработанного О.Г. Савиче-вым и др. [6] в вычислительной среде MS Excel на основе метода констант.
Геохимическая характеристика шламовых амбаров
и загрязненных участков торфяной залежи
С геохимической точки зрения при анализе влияния ША на окружающую среду можно выделить четыре основных источника техногенных загрязнений, различающихся по генезису и химическому составу: 1) буровой раствор; 2) шлам пород; 3) нефтепродукты; 4) пластовые минерализованные воды. Буровые растворы представляют собой сложную полидисперсную систему, состоящую из жидкой и твердой фаз. В ее состав могут входить химические реагенты: утяжелители, понизители водоотдачи, пептизаторы, структурообразователи и коагуляторы. Обработку забоя скважины проводят с помощью кислот, а для предотвращения гид-ратообразования применяют метанол. Вместе с промывочной жидкостью из скважины выносится на поверхность буровой шлам. В его состав входят выбуренная порода (60...80 %), органические вещества (8 %), водорастворимые соли (до 6 %), утяжелитель, глина, иногда нефть. Выбуренная порода представляет собой тонко измельченную смесь суглинков, песчаников и аргиллитов. Химический состав бурового шлама представлен: 55.60 % SiO2, 12.16 % Al2O3, 3,2.4,3 % СаО, а гранулометрический характеризуется различными фракциями песка (1.0,05 мм - до 40 %, < 0,05 мм - 36.41 %) и глины - до 30 %. Средняя влажность бурового шлама 40,6 %, плотность составляет 1550 кг/м3. Объем выбуренного шлама может достигнуть 0,4 м3 с одного погонного метра проходки эксплуатационной скважины. Осредненный химический состав пластового песка представлен SiO2 - 96,4 %; Al2O3 -1,8 %; CaO - 0,42 %; MgO - 0,35 %; суммой FeO +FeA - 0,25 % и K2O + Na2O - 0,44 %. Пластовые попутные воды имеют минерализацию в пределах от 1 до 300 г/л, а также содержат нефть и элементы разного класса опасности (B, Li, Br, Sr).
Таблица 1. Химический состав торфа на загрязненных участках торфяной залежи на территории Двуреченс-кого нефтяного месторождения, мг/кг
Компоненты Интервал опробования от поверхности, см
0...15 15.20 20.25 25.50
Ca 4359 14279 11573 1503
Si <0,5 148 <0,5 14,6
Mn 94 106 71 13
Al 1,02 8,91 4,19 6,08
Ba 13,4 36 16 7,2
Sr 15,2 150 50 8,7
As 0,88 1,96 <0,01 <0,01
Cr 1 <0,5 <0,5 <0,5
Cl 286 190 126 128
Нефтепродукты 837 1584 982 1159
Для оценки влияния отходов бурения на химический состав торфов на загрязненном участке был заложен шурф размером 60x60 см и глубиной 50 см. Из шурфа отобраны пробы торфа в горизонтах торфяной залежи 0.15, 15.20, 20.25 и 25.50 см от поверхности. Анализ состава этих проб показал, что в изменении концентраций Са, Si, Мп, Ва, Sr, Аз, А1 и зольности торфа по профилю максимумы приурочены к слою 15.20 см от поверхности, а для РЬ, Сг и С1 - к верхнему слою 0.15 см (табл. 1). Также следует отметить, что для концентраций значительной части изученных элементов характерно наличие второго, меньшего по величине максимума в слое 25.50 см от поверхности.
Химический состав природных вод в районе расположения шламовых амбаров и буровых скважин
Анализ результатов гидрохимических исследований показал, что на загрязненных отходами бурения участках болот наблюдаются высокие значения минерализации болотных вод (до 1,5 г/дм3 и более), концентрации ионов натрия и хлора (табл. 2). Однако уже на удалении в несколько десятков или первых сотен метров от источника загрязнения происходит существенное уменьшение концентраций макрокомпонентов (в 80.100 и более раз), свидетельствующее о значительной способности болот к самоочищению.
Техногенные воды загрязненных болотных участков и шламовых амбаров в основном солоноватые и по составу хлоридно-натриевые, тогда как незагрязненные природные воды - пресные, с очень малой (снег, болотные воды верхового болота), малой (водотоки и незначительно загрязненные воды верховых болот) и средней (болотные воды низинного болота) минерализацией с преобладанием в ионном составе Са2+ и НСО- (табл. 2), что хорошо согласуется с классификацией О.А. Алеки-на [7]. Наряду с этим так же отмечено, что в болотных водах сильно загрязненных участков вблизи амбаров наблюдается более высокая концентрация в %-экв. хлор-иона, чем непосредственно в амбарных водах. Возможно, это объясняется достаточно интенсивным удалением из раствора соединений кальция и гидрокарбонат-иона, тогда как более подвижные ионы С1-, не образующие в болотной среде малорастворимых соединений, сперва накапливаются в болотных водах вблизи амбаров, а затем выносятся с фильтрационными потоками болотных вод, формирующимися в деятельном горизонте торфяной залежи.
Механизм же удаления ионов кальция и гидрокарбонат-иона, а следовательно и уменьшения минерализации природно-техногенных вод, предположительно, может быть связан с образованием малорастворимых соединений гуминовых кислот (ГК) и кальция [6]. В подтверждение данного предположения можно привести результаты термодинамических расчетов, выполненных на основе результатов
Таблица 2. Обобщенные сведения о химическом составе вод на территории Двуреченского и Западно-Моисеевского нефтяных месторождений, мг/дм3
Показатель Амбар Загрязненный участок торфяной залежи Переувлажненный участок торфяной залежи Водотоки Загрязненные болотные воды Низинное болото Верховое болото Снег
рн 7,52 6,70 4,85 5,03 5,27 6,90 3,70 -
Макрокомпоненты
Са2+ 60,8 138,3 16,0 21,6 22,0 70,1 6,0 4,2
Мд2+ 19,1 15,8 7,9 7,9 6,9 18,2 2,4 0,7
464,1 226,8 3,9 3,0 32,9 14,2 <0,1 0,5
К+ 25,9 5,6 1,5 0,5 2,1 1,2 <0,1 0,8
Ре 1 собш. 14,740 1,670 6,475 3,054 0,737 - 0,780 0,080
НС03- 567,3 280,6 27,5 71,0 66,1 384,3 6,1 13,7
¡0" <2 10,2 <2 1,7 <2 <2 <2 <2
С1- 531,8 483,8 5,8 4,1 36,4 5,0 2,5 0,8
1670,0 1161,0 63,5 109,8 167,3 494,0 18,0 21,7
Биогенные вещества
N0; 3,723 3,250 3,350 3,254 4,567 3,800 1,400 -
N0; <0,01 <0,01 0,040 0,027 <0,01 <0,01 0,037 -
NH/ 1,457 0,970 1,155 1,091 1,317 1,300 0,550 -
Р0/- 0,800 0,060 0,755 0,433 0,077 0,120 <0,05 0,353
Микроэлементы
РЬ <0,00 3 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 <0,003 -
7п 0,0391 0,0007 0,0402 0,0078 0,0042 0,0596 0,0120 -
Си 0,008 9 0,0011 0,0127 0,0033 0,0024 0,0059 0,0036 -
Химическое потребление кислорода (ХПК) и не яепродукты
ХПК 207,8 152,2 258,7 122,8 251,7 114,3 195,5 -
Нефтепродукты 0,493 0,310 0,585 0,120 0,210 0,090 0,160 0,025
Количество проб 3 2 2 7 3 1 1 3
гидрохимического опробования (табл. 3, 4). Несмотря на их приближенность, обусловленную в том числе и отсутствием надежных сведений о термодинамических константах образования органомине-ральных комплексов, они достаточно хорошо объясняют наблюдаемое значительное снижение минерализации воды по мере удаления от источника загрязнения - положительное значение индекса насыщенности Ь для реакций (Са2+ + ГК = Са (ГК)) и (М§2+ + ГК = М§ (ГК)) указывает на потенциально возможное образование и последующее выведение из раствора соединений гуминовой кислоты (ГК), кальция и магния. Последние два элемента являются компонентами карбонатной системы, а изменение их содержаний совместно с прочими процессами приводит к снижению концентраций гидрокарбонат-иона, а следовательно и минерализации.
Содержания прочих химических элементов и их соединений в техногенных и природных вод не столь различимы, как концентрации макрокомпонентов (табл. 2), что объясняется особенностями их химического состава и тем обстоятельством, что болотные воды сами по себе содержат значительное или даже очень большое количество соединений азота и органических веществ, в составе которых преобладают гуминовые и фульвокислоты. При этом следует отметить, что если ГК образуют с рядом металлов, как уже указывалось выше, малорастворимые соединения, выпадающие из раствора, то фульвокислоты, напротив, входят в состав подвижных органоминеральных комплексов, накапливающихся в болотных водах. Возможно этот меха-
низм, а не наличие тех или иных источников антропогенного загрязнения, и оказывает основное влияние на уровень содержания соединений тяжелых металлов в болотных водах района исследований.
Таблица 3. Реакции растворения-осаждения в водном растворе
Номер реакции Реакция
1 Са2++С032- = СаС03
2 Са2++Мд2++2С032- = СаМд(С03)2
3 Са2++ГК = Са(ГК)
4 Мд2++ГК = Мд(ГК)
5 Са2++2НС03- = СаС03+С02+Н20
6 Мд2++2НС03- = МдС03+С02+Н20
7 А1Д07.2Н20+Са2++2НОТ3- = СаА1Д08+3Н20+2С02
8 А1Д07.2Н20+Са2+ = СаА!Д08+2НЧН20
Более очевидно влияние амбаров и рассредоточенных разливов буровых растворов и нефти на содержание в водах нефтепродуктов (табл. 2). Однако и в этом случае нет оснований утверждать, что именно амбары является главным фактором формирования содержаний этих веществ в болотных водах в количествах 0,09--0,28 мг/дм3. Возможно, что источником углеводородов в болотных водах может быть загрязненный атмосферный воздух [8], однако этот вопрос в настоящее время изучен недостаточно полно.
По средним значениям индексов насыщенности Ь природных и техногенных вод на территории Двуреченского и Западно-Моисеевского нефтяных месторождений следует отметить, что отрицательное значе-
Таблица 4. Средние значения индексов насыщенности L природных и техногенных вод на территории Двуреченского и Запад-но-Моисеевского нефтяных месторождений в 2003 г.
Объект опробования Номер реакции согласно табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8
Амбар -5,92 -11,30 0,82 1,06 0,11 -3,28 -257,51 -22,04
Загрязненный участок -4,83 -9,55 1,24 1,05 -0,61 -4,45 -258,71 -24,43
Переувлажненный участок -9,13 -17,53 0,48 0,89 -4,29 -7,51 -263,06 -33,14
Водоток -7,29 -13,98 0,39 0,69 -4,08 -7,42 -262,81 -32,64
Загрязненные болотные воды -7,45 -14,28 0,48 0,80 -3,72 -7,04 -262,25 -31,51
Низинное болото -0,43 -0,42 1,07 1,21 -0,35 -3,84 -258,42 -23,85
Верховое болото -6,30 -11,97 0,10 0,42 -6,27 -9,58 -265,74 -38,49
Озеро -6,43 -12,35 -0,05 0,14 -6,40 -9,85 -265,88 -38,77
Снег -4,81 -9,48 -0,05 -0,22 -4,79 -8,60 -263,27 -33,56
ние индекса насыщенности свидетельствует о потенциально возможном растворении минералов, а положительное значение, напротив, указывает на возможность образования подобных минералов (табл. 4).
Выводы
Проведенные исследования показали, что значительное химическое загрязнение болотных вод, в результате которого произошло заметное изменение химического состава поверхностных вод на территории Двуреченского и Западно-Моисеевского нефтяных месторождений ограничено локальными участками, расположенными в нескольких десятках метров от ША. Минерализация болотных вод на этих участках увеличилась примерно с 0,1 до 1,9 ПДК, содержание хлоридов - с 0,01 до 2 ПДК, содержание нефтепродуктов - с 0,5 до 2,0 ПДК и более. Одним из наиболее характерных показателей антропогенных изменений является повышенное содержание хлор-иона (обычно более 15...20 мг/л). В процессе строительства дорог и иных инженерных объектов в пределах верховых болот могут меняться гидрогеохимические условия, приближаясь в некоторых случаях по ряду показателей к условиям низинных болот. В результате этого происходит увеличение содержаний растворенных солей, не связанное с химическим загрязнением болот.
Наиболее важные, с точки зрения формирования химического состава речных вод заболоченных терри-
торий, гидрогеохимические процессы протекают на окраинах болотных массивов, где накапливаются водные массы и формируются их направленные потоки [2]. В связи с этим, в дальнейшем сравнение химического состава загрязненных и незагрязненных вод нужно проводить дифференцированно для центральных и периферийных частей болот. В изученных природных водах практически повсеместно, независимо от степени и характера антропогенного воздействия, в повышенных концентрациях присутствуют Fe, КН4+ и органические вещества (превышение ПДК в несколько или даже десятки раз для хозяйственно-питьевых и рыбохозяйственных вод). Что касается непосредственно торфов, то вертикальное распространение элементов в торфах верховых болот в зонах влияния ША и буровых скважин в основном ограничивается мощностью деятельного горизонта (0,4.0,5 м). Горизонтальное же распространение химических веществ в подобных условиях слабо прослеживается уже в 100.150 м от мест складирования отходов бурения.
Таким образом, при правильной эксплуатации ША их влияние на болотные экосистемы ограничивается, как правило, несколькими десятками - максимум 150.200 м и в отсутствие аварийных ситуаций на буровых скважинах и нефтепроводах не наносит ощутимого вреда водным экосистемам р. Васюгана, являющегося приемником водного и гидрохимического стока с территорий нефтяных месторождений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Базанов В.А., Савичев О.Г., Егоров Б.А., Крутовский А.О. Антропогенные изменения макрокомпонентного состава болотных вод на территории Томской области // Болота и биосфера: Матер. II научн. шк. — Томск: Изд-во Томск. гос. пед. ун-та, 2003. —С. 94—101.
2. Савичев О.Г., Базанов В.А., Здвижков М.А. Химический состав природных вод болотных ландшафтов с разной степенью антропогенной нагрузки // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири: Труды Всеросс. научн. конф. — Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2003. — С. 274—276.
3. Березин А.Е., Базанов В.А., Волостнов Д.В., Шинкаренко В.П. Влияние старых шламовых амбаров на экологическую ситуацию вмещающих территорий // Охрана природы: Сб. статей под ред. А.Е. Березина. — Томск: Изд-во НТЛ, 2001. — Вып. 2. — С. 21—43.
4. Рассказов Н.М., Удодов П.А., Назаров А.Д., Емельянова Т.Я. Болотные воды Томской области // Известия Томского политехнического института. — 1975. — Т. 297. — С. 102—117.
5. Состояние поверхностных водных объектов водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области в 2001 году // Информационный бюллетень. — Томск: Территориальный центр "Томскгеомониторинг", 2002. — Вып. 4. — 82 с.
6. Савичев О.Г., Колоколова О.В., Жуковская Е.А. Состав и равновесие донных отложений р. Томь с речными водами // Геоэкология. — 2003. — № 2. — С. 108—119.
7. Справочник по гидрохимии / Под редакцией А.М. Никаноро-ва. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989. —391 с.
8. Савичев О.Г. Антропогенное поступление железа и органических веществ в речные воды бассейна Средней Оби в пределах Томской области // Известия Томского политехнического университета. — 2002. — Т. 305. — № 6. — С. 405—413.
