Содержание к диссертации
Введение
1. Скважина как источник воздействия на окружающую среду 7
1.1. Виды воздействия на фитострому при строительстве скважины.. 7
1.2. Приоритетные фитотоксиканты, содержащиеся в выбросах буровой 9
1.3. Современное состояние нормативно-правовой базы в области экологических ограничений размещения скважин 12
2. Обзор изученности вопроса газоустойчивости растений 15
2.1. История исследований газоустойчивости растений 15
2.2. Характер действия и поражающие концентрации диоксидов серы и азота на растения 16
3. Характеристика Предуральского и Советского участков . 26
3.1. Физико-географическая характеристика 26
3.2. Характеристика фитостромы ... 30
3.3. Растения, нуждающиеся в охране 49
4. Методика расчета зоны воздействия скважины на фитострому 56
4.1 Выбор пороговых концентраций фитотоксикантов 56
4.2. Оценка размеров расчетных зон воздействия скважин, уже построенных в Предуралье 59
4.3. Алгоритм методики для нового строительства скважин в условиях Предуралья 63
5. Экологическая устойчивость почв 66
Выводы 74
Практические рекомендации 75
Список использованных источников 78
Приложения 96
- Приоритетные фитотоксиканты, содержащиеся в выбросах буровой
- Характер действия и поражающие концентрации диоксидов серы и азота на растения
- Характеристика фитостромы
- Алгоритм методики для нового строительства скважин в условиях Предуралья
Введение к работе
Актуальность темы. Оренбургская область располагает высокими прогнозными запасами газа и нефти; на перспективу планируется разведка и освоение новых площадей. Приоритетным направлением геологоразведочных работ является Предуральский краевой прогиб, часть Оренбургского Предуралья -территория с уникальным природным комплексом, поэтому вопросы сохранения ее биологического разнообразия приобретают особую актуальность.
Реализация традиционных природоохранных мероприятий, предусмотренных рабочим проектом на строительство скважин, во многих случаях является недостаточной. Несмотря на то, что технология строительства скважин постоянно совершенствуется, а требования к охране окружающей среды систематически ужесточаются, актуальность проблемы не снижается и задача состоит в оптимальном совмещении добычи углеводородов с жесткими экологическими требованиями по охране флоры и растительности (фитостромы) в зоне воздействия скважины.
Цель исследования — разработка методики оценки воздействия осаждающихся из атмосферы токсикантов на фитострому при строительстве скважины.
Задачи исследования. Для достижения поставленных целей были последовательно решены следующие задачи:
1. Составление систематических списков и проведение комплексного
анализа фитостромы Предуральского и Советского участков;
Выявление основных фитотоксикантов при строительстве скважин;
Обоснование выбора пороговых концентраций фитотоксикантов;
4. Определение зоны аэротехногенного воздействия на каждом этапе
строительства скважины;
Разработка методики оценки воздействия на фитострому;
Определение экологической устойчивости почв как основы фитоценозов и составление соответствующих карт;
Разработка рекомендаций по степени пригодности земель для организации производственной инфраструктуры в виде карт экологического районирования по наличию ограничений геологоразведочной деятельности.
Объекты исследования - территория Предуральского и Советского лицензионных участков ООО «Газпром добыча Оренбург» (в дальнейшем -Предуральский и Советский участки) (рис. 1).
Предметы исследования - флора и растительность - фитострома лицензионных участков.
Теоретическая и методологическая основа исследований базируется на идеях и трудах ведущих ученых в области промышленной ботаники, экологической токсикологии, геоэкологии, химии почв: B.C. Николаевского, З.Н. Рябининой, Ю.З. Кулагина, А.А. Кулагина, В.П. Тарабрина, Г.М. Илькуна, С.А. Сергейчика, Н.В. Гетко, Т.В. Николаевской, A.M. Русанова, А.С. Федорова, Д.С. Орлова, и др.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы геоботанических обследований, экспертных оценок, ранжирования, сравнительно-описательный, экологического картографирования и др.
Научная новизна. Впервые
- для оценки воздействия скважин на фитострому предложена методика, использующая расчетную базу проектов оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС);
ІІрелуральскіїіі краевом прогиб Г) -ІІрс/іурхіьскіїіі участок W -Сонеккии учасюк
Рисунок 1. Объекты исследования - Предуральский и Советский участки
- для Предуральского и Советского участков составлены систематические
списки и проведена оценка фитостромы;
- получены новые результаты по экологической устойчивости почв
Предуральского и Советского участков.
Личный вклад: обоснование цели и задач исследований; разработка методологии их решения; участие в исследованиях, по совокупности результатов которых подготовлена диссертация; установление, успешное развитие и координация деловых контактов с организациями и учреждениями, работающими в сфере экологии и природопользования; анализ и обобщение результатов, составление картографических материалов (макетов) для последующего компьютерного исполнения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, рекомендаций и 7 приложений. Объем текста - 156 стр., количество рисунков - 21 таблицы - 15, библиографический список содержит 178 наименований.
Приоритетные фитотоксиканты, содержащиеся в выбросах буровой
При строительстве скважины в атмосферный воздух поступают до двадцати загрязняющих веществ с различным агрегатным состоянием, токсичностью и способностью к рассеиванию в атмосфере. По практическим данным, наибольший вклад в уровень загрязнения атмосферы вносят 10-12 веществ (ВолгоУралНИПИгаз, 2004-2009), перечисленных ниже. По агрегатному состоянию они представляют собой: 1) пыли: сажа, взвешенные вещества, мазутная зола; 2) газы: азота оксид (NO), азота диоксид (NO2), серы диоксид (SO2), сероводород (H2S), углерода оксид (СО), углерода диоксид (С02), формальдегид, керосин, углеводороды (алканы) С1-С19; 3) аэрозоли серной и азотной кислот, образующиеся в результате контакта диоксида серы и оксидов азота в водяными парами, содержащимися в атмосферном воздухе. По токсикологическим признакам большинство загрязняющих веществ относятся к малотоксичным и умеренно токсичным веществам. По отношению к растениям- токсичность компонентов выбросов буровой колеблется от незначительной до сильной (Чуваев, Кулагин, Гетко 1973; Buiculescu, 1978; Staszewski, 1998), в зависимости от физико-химических свойств и концентраций фитотоксикантов в атмосферном воздухе. Рассмотрим перечень загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух (ВолгоУралНИПИгаз, 2007, 2009), и их возможное воздействие на фитострому по этапам строительства скважины. 1. Этап подготовки к бурению. При планировке промплощадки буровой и проведении строительно-монтажных работ выбросы в атмосферный воздух представлены выхлопными газами автотранспорта и спецтехники — оксидами азота и углерода, сажей, диоксидом серы и керосином. Учитывая кратковременность этапа (порядка 72 часов), малое количество задействованной техники и высоту источника выбросов (до 2 м), сопоставимую с высотой защитной обваловки площадки (2,5 м), осаждение из атмосферы происходит практически полностью в пределах обваловки. 2.
При обустройстве фундаментов и монтаже оборудования в границах площадки наблюдаются кратковременные превышения предельно-допустимых концентраций, максимальные для группы биологической суммации NO2+SO2. В результате осаждения пылей и сварочных аэрозолей, содержащих железа оксид, марганец и его соединения, фториды газообразные, фториды неорганические, формальдегид, керосин, пыль неорганическую. 3. Этап бурения наиболее продолжительный, в течение которого в атмосферный воздух поступает наибольшее количество и ассортимент загрязняющих веществ. Основную массу выбросов составляют летучие неорганические газы,- - оксиды- азота, серы, углерода. Помимо них из вентиляционной системы буровой выделяются углеводороды, сероводород, формальдегид, в составе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания имеется сажа и бенз/а/пирен, при приготовлении растворов при пересыпке реагентов происходит образование пылей. Наибольшей летучестью в атмосфере обладают неорганические газы, поэтому они образуют наибольшую по размеру зону воздействия скважины. Выделение в атмосферный воздух пыли при растаривании сыпучих материалов незначительно, кратковременно и ограничено промплощадкой. 4. На этапе освоения скважины производится сжигание на прискважинном амбаре некондиционной пластовой углеводородной смеси с выделением азота диоксида, азота оксида, углерода (сажи), серы диоксида, сероводорода, углерода оксида, метана, бенз/а/пирена, формальдегида, керосина, мазутной золы. Длительность освоения - от нескольких часов до 1,5 суток; т.е. этот этап является кратковременным. Малая ширина зоны освоения - до 750 м, позволяет регулировать ее направление (например, в сторону, противоположную облесенной территории), тем самым снижая до минимума воздействие на фитострому района строительства. Из всего перечня загрязняющих веществ, наиболее представительными по количеству, мобильными в атмосфере (Робинсон, 1988) и фитотоксичными (Сергейчик, 1985; Ситникова, 1990) являются диоксид серы и диоксид азота (рисунок 2).
Углеводороды легких фракций не токсичны для окружающей среды. Фитотоксичность оксида азота в 2-5 раз ниже фитотоксичности диоксида азота (Кузнецов, 2004), кроме того, высокая активность его фотохимической трансформации способствует снижению его концентрации до ничтожного уровня 0,1 ПДК (Обустройство Среднекаменноугольной газонефтяной залежи..., ВолгоУралНИПИгаз, 2009) за пределами площадки скважины и позволяет исключить оксид азота из числа приоритетных фитотоксикантов. Низкие концентрации сероводорода исключают его воздействие на растения (Сытник, 1995, Gos,1996). Из всего перечня загрязняющих веществ диоксид серы и оксиды азота обладают максимальными количествами (160 и 190 т/период строительства соответственно), высокой способностью к рассеиванию (оба вещества относятся к легким неорганическим газам) и выраженной фитотоксичностыо (Робинсон, 1988).В дальнейшем они рассматриваются в качестве приоритетных фитотоксикантов. Их распространение наблюдается в пределах санитарно-защитной зоны скважины радиусом до 1 км и убывает по мере удаления от площадки скважины.
Характер действия и поражающие концентрации диоксидов серы и азота на растения
Устойчивость растений к токсичным газам различна в пределах рода, вида, и даже популяции, у одного и того же растения на разных этапах развития. Многие современные исследования связанны с изучением и выявлением признаков газоустойчивости растений, в частности, физиолого-биохимических, анатомо-морфологических, генетических. Характеристика пигментных систем и интенсивность фотосинтеза. Поступление газообразных диоксидов серы и азота в листовую ткань сопровождается снижением буферной емкости (Nieboer et al., 1984 — по Мэннингу 1985). Накопление токсических газов ведет к деструкции и распаду пигментов. Изменения в содержании пигментов, в частности, хлорофиллов, часто используется в качестве индикаторной реакции повреждения, происходящего под действием загрязняющих воздух веществ, в основном S02 (Николаевский, 1979; Харчистова, 1980; Сидорович, Гетко, 1989; Воск, 1994; Gratani, 2000). Ряд исследователей отмечают, что в зависимости от условий (вид, состояние, экзогенные факторы растительного организма, токсикант, его концентрация, время действия и др.) наблюдается отличная друг от друга ответная реакция (Рябинин, 1965; Николаевский, 1979; Shan, Totsuka 1993). Эксперименты показывают, что процесс фотосинтеза может восстанавливаться за время отсутствия загрязнителя. При особо высоких концентрациях и длительном периоде воздействия нарушения приобретают необратимый характер (Гудериан, 1979). Общей неспецифической реакцией действия токсичных газов является процесс ускоренного старения отдельных систем организма, прежде всего энергетических, а потом и целого растения (Хальбваш, 1988; Szepesi, 1997). Повреждение клеток мезофилла, например, искусственным кислотным дождем, начинается прежде, чем станут очевидными визуальные повреждения дерева (Пастернак и др., 1985; Cudlin, 1996; Рожков, 2003). Повреждение клеток мезофилла заключается в их разрушении, уменьшении их содержимого, увеличении проницаемости мембран. (Сазонова и др., 1999).
Нарушение водного обмена. Исследованиями установлено, что загрязнение фитотоксикантами вызывает нарушение водного обмена того же плана, что и засуха, оба эти фактора усугубляют действие каждого (Кулагин, 1974, Рязанцева, 1980; Тарабрин, 1980). Некоторое повышение интенсивности транспирации вначале, затем газации, по мере возрастающего водного дефицита постепенно снижается (Рябинин, 1965). В целом, реакция растений на присутствие в воздухе токсичных газов проявляется в снижении общей оводненности и водоудерживающих сил (Кулагин, 1974; Сидорович, Гетко, 1979). При этом наблюдается возрастание содержания упорядоченных форм внутриклеточной воды (Мэннинг, 1985). Гибельное нарушение водного режима происходит не только в течение вегетационного периода, но и в зимнее время (Алексеев, 1986; Григорьев, 2001). Тенденция увеличения транспирации имеет место по мере старения листа и усиливается в условиях загрязнения воздуха (Васфилов, 1997). Нитогенетические нарушения. Физиологический и геномный стрессы -это две реакции, которые, осуществляясь на разных уровнях и имея в своей основе разные механизмы, действуют в одном направлении и ведут к увеличению генетической изменчивости (Магулаев, 1997; Пахомова, 1999). Геномный стресс способствует ее появлению, а физиологический -проявлению. Увеличение генетической изменчивости в условиях стресса может иметь большое эволюционное значение, так как создает дополнительные возможности для отбора и, следовательно, для формирования в сжатые сроки новых адаптивных механизмов реагирования.
Учеными отмечено, что вблизи промышленных предприятий наблюдаются отклонения в числе хромосом у ряда видов покрытосеменных растений (Магулаев, 1997). Исследования авторов показали, что Pinus sylvestis L., длительное время произрастающая в условиях сильного промышленного загрязнения, по структуре кариотипа (прежде всего, по числу нуклеолярных районов хромосом) близка к Pinus sylvestis L. из экстремальных природных условий произрастания (высокогорий, болот). Изменения ритмов роста и развития. Наряду с ухудшением состояния Pinus sylvestis L. в условиях промышленного загрязнения, установлено сокращение периодов вегетационного развития побегов (Ямбург, 1999; Manninen, Huttunen 2000). Экземпляры Pinus sylvestis L. 20-30-летнего возраста из загрязненных районов г. Красноярска позже уходят в состояние покоя и раньше выходят из него весной при меньшей глубине покоя, что приводит к их ослаблению и усыханию (Степень и др., 1996). Изменение продуктивности. Техногенное загрязнение оказывает влияние на весь биометрический комплекс. Снижение продуктивности хвойных пород - часто отмечаемый признак (Майснер, 1981; Смит, 1985; Староверова, 1998; Мальхотра, 1989). В качестве базисных параметров для построения интегральных индексов- рекомендуется использовать девять биогеоценотических характеристик: древесный ярус - запас древесины, масса листьев, число видов; травяно-кустарничковый ярус - наземная фитомасса, проективное покрытие, число видов; подстилка - мощность, запас органического вещества, опадно-подстилочный коэффициент (Мартынюк и др., 1998). Под воздействием атмосферного загрязнения наблюдается не только общая депрессия роста, но и изменяются соотношения между приростом: прирост в высоту снижается более интенсивно, чем прирост по диаметру, а радиальный прирост в кроновой части ствола снижается быстрее,
Характеристика фитостромы
По геоботаническому районированию (Рябинина, 2003) Предуральский и Советский участки расположены в различных ботанико-географических зонах: Предуральский участок - на границе двух ботанических подзон: южной лесостепи и разнотравно-дерновиннозлаковой степи; Советский участок — в степной зоне. Географическое положение участков и природно-климатические условия обусловили различия в составе и структуре фитостромы. Флористические списки Предуральского и Советского участков приведены в Приложении 3 и 4 соответственно. Предуральский участок В рельефе территории чередуются лесные, горно-лесные, лесо-луговые, луговые, степные сообщества, агроценозы, сообщества болотистых лугов и прирусловой зоны рек. Лесистость района одна из самых высоких по области и составляет в настоящее время 17,8%, увеличившись за последние два года на 1,1% за счет искусственных посадок березы, дуба и сосны. Общая площадь лесного фонда на территории Предуральского участка по данным 2008 года составляет 32517 га, при практически полном облесении этих земель: площадь, покрытая лесом - 29235 га (90 %); Наиболее крупные лесные массивы находятся в северо-восточной и восточной частях участка и приурочены к горному хребту Малый Накас. Часть из них никогда не вырубалась и представляет собой эталонные участки коренных лесов Урала. Возраст пород зачастую превышает 100-150 лет, средний класс бонитета по данным 2008 года не ниже 3,5 для твердолиственных пород; для дубняков - не ниже 3,7 (Отчет...2008). Основу древостоя составляют:
Ouercus robur L. (преимущественно низкоствольный), Acer platanoides L., Acer tataricum L. Хвойные породы - Picea abies (I.) Karst и Larix sibirica Ledeb., встречаются редко. Из мягко лиственных, пород-наиболее широко распространена Tilia cor data Mill, затем, в порядке убывания - Populus tremula L., Betula pendula Roth, Alnus glutinosa (L.) Gaerth, Populus alba L., Populus nigra L., Salix spp. Из прочих древесных пород наибольшей ценностью обладают Padus avium Mill, Viburnum opulus L., Crataegus sanguinea Pall., Berberis vulgaris L. Прочие леса, не входящие в систему Малого Накаса, широколиственные, главным образом дубовые {Quercus robur L.), также с примесью Tilia cordata Mill, Acer platanoides L., Acer tataricum L, Populus tremulaL., Betula pendula Roth. Большую роль в дубовых лесах играет Tilia cordata Mill, а также Acer platanoides L. и ильм Ulmus scabra Mill. В подлеске встречаются Padus avium Mill, Sorbus aucuparia L., Caragana arborescens Lam. В травянистом ярусе нередки Galium odoratum (L.) Scop., Anemone ranunculoides (L.) Holub., Pulmonaria mollis Wulf. ex Hornem., Polygonatum multiflorum (L.) All, Lathyrus vermis (L.) Bernh. и др. Березовые и осиновые леса приурочены к западинам и ложбинам и нередко являются временниками. Ярус подлеска характеризуется обилием видов и разнообразием, включающим в себя ценные в хозяйственном отношении, редкие и охраняемые виды. По характеру подлеска выделены 12 основных типов ассоциаций дубняков, 3 - кленовников, 3 - липняков (Отчет..., 2008). Характеристика дубняков Малого Накаса I. Класс ассоциаций — прямоствольные дубняки А
Подкласс ассоциаций - дубняки без развитого подлеска: а) Группа ассоциаций: низинные дубняки. Ассоциации: 1) дубняк разнотравно-снытевый, 2) дубняк крупнопапоротниковый. б) Группа ассоциаций: дубняки пологих и покатых склонов. Ассоциации 3) дубняк тростниковидновейниково-высокотравный; в) Группа ассоциаций: сыртовые дубняки. Ассоциации: 4) дубняк коротконожко-снытево-тростниковидновейниковый, 5) дубняк клубнично коротконожко-тростниковидновейниковый; г) Группа ассоциаций: каменистые дубняки. Ассоциации: 6) дубняк болыдехвостоосоковый, 7) дубняк наперстянково-коротконожково тростниковидно-вейниковый, 8) дубняк костянично-коротконожковый.
Алгоритм методики для нового строительства скважин в условиях Предуралья
Условные обозначения к рис. 11: ПК - пороговые концентрации фитотоксикантов, доли ПДК; R - ориентировочный размер зоны воздействия, м, принят по максимальному значению предыдущих расчетов и округлен до десятков. Ориентировочный размер зоны нужен для того, чтобы сравнить значения, Далее из полученных значений зон воздействия индивидуальных фитотоксикантов выбирается максимальное значение (например, для лиственных пород — 320 м), которое принимается за размер расчетной зоны воздействия. Полученная расчетная зона воздействия на фитострому наносится на карту экологической устойчивости почв (рис. 13,14) и сопоставляется с ней. Определяется общая устойчивость почвенно-растительного покрова к выбросам буровой как: «низкая», «средняя», «выше средней (высокая»). В зависимости от уровня устойчивости составляется комплекс мероприятий, обеспечивающий сохранение качества фитостромы при строительстве скважины (рис. 15,16). В том числе пересматривается режим работы источников (например, ограничивается количество одновременно работающей техники), рекомендуется замена основного привода буровой установки с дизельного на электрический, исключается приготовление некоторых растворов и/или реагентов, и т.п. При попадании координат скважины на участок с недопустимостью проектной деятельности, площадка скважины по согласованию с геологами выносится за его границы и проводится повторный расчет, определяющий размер зоны воздействия скважины на новом месте. Участки с недопустимостью строительства скважин исключаются исполнителем работ из планов на бурение в соответствии с решением научно-технического совета ООО «Газпром добыча
Оренбург», принимающего разработанную ООО «ВолгоУралНИПИгаз» проектно-сметную документацию на освоение недр. «Проблема устойчивости почв относительно новая, понятию устойчивости близок термин, введенный в 1929 году У. Кенноном -гомеостаз. Современные исследователи по-разному относятся к определению устойчивости почв. Согласно определению М.А. Глазовской (1992, 1994, 1997), устойчивость - это буферность почв как способность нейтрализации минеральных кислот; И.О. Алябина (1995) трактует ее как «свойство сохранять естественное состояние и функционирование с учетом непрерывно идущего эволюционного процесса, несмотря на внешние воздействия». По Н.Б. Хитрову (2002), понятие устойчивости почв включает в себя совокупность взаимно" дополняющих частных понятий: инертность и стойкость отдельных компонентов, горизонтов и почвы в целом; относительная стабильность твердых компонентов почв; постоянство (инвариант) комплекса качественных признаков почвы, определяющих ее генетический облик; буферность; надежность функционирование почвы как геосистемы; устойчивость функционирования при флуктуациях биоклиматических условий; инерционность изменения; способность к восстановлению состава, структуры и функционирования после возмущения исходного состояния» (по Федорову, 2008). В основу методики А.С. Федорова (2008) положено представление о влиянии на устойчивость почв внешних и внутренних факторов. Внутренние факторы характеризуются показателями, связанными с почвообразовательными процессами, составом и свойствами почв. Те из них, которые определяются наиболее стабильными параметрами, отнесены к генетическим; показатели, характеризующие динамичность почвы как системы, отнесены к функциональным факторам (рисунок 12). Генетические параметры создают основу потенциальной буферности исходных почв, проявление которой отмечается в способности к сохранению нормального функционирования почвы как биокосной системы. Функциональные параметры более динамичны во времени и пространстве, их непостоянство определяет динамическую устойчивость почв. Число предлагаемых параметров устойчивости почв может изменяться в зависимости от конкретных природных или иных условий». Оценка параметров в баллах по матрице почв (Федоров, 2008) дает возможность сделать вывод об уровне устойчивости почв и, при появлении нового вида воздействия на почвы — техногенного (в том числе строительства скважин), прогнозировать его уровень по изменению факторов устойчивости почв.
Кроме того, низкий уровень устойчивости почв при высоком вкладе функциональных параметров (например, лесные почвы) способствует формированию невысокой газоустойчивости фитостромы этих участков. Лесостепные почвы Предуральского участка характеризуются частичным или полным промывным режимом, для почв Советского участка характерен непромывной водный режим. Возрастающий к югу недостаток почвенной влаги увеличивает долю пористости аэрации, способствуя интенсификации окислительных элементарных почвенных процессов, в то время как на северо-востоке Предуральского участка -:%в почвах протекают и восстановительные элементарные процессы, наиболее сильно выраженные в торфяниках. Протекание элементарных почвенных процессов восстановительного характера снижает экологическую устойчивость почв, так как способствует подвижности загрязняющих веществ техногенной природы. Высокая пористость аэрации почв Советского участка способствует их экологической устойчивости за счет окислительной трансформации загрязняющих веществ. Почвы участков различаются по содержанию, типу и зрелости гумуса. В низкогорьях Малого Накаса Предуральского участка присутствуют
