Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Антропогенное воздействие как фактор преобразования окружающей среды на всем протяжении своего существования 15
Глава 2 Объект и методы исследования 21
2.1 Характеристика района исследования 21
2.2 Характеристика загрязняющих веществ 34
2.3 Методика контроля качества объектов окружающей среды 41
Глава 3 Состояние воздушного бассейна Северного Прикаспия в условиях деятельности АГК 48
Глава 4 Снежный покров как индикатор загрязнения природно-техногенных ландшафтов 55
Глава 5 Особенности водных объектов низовья Волги в условиях техногенеза 104
5.1 Гидрохимический режим водотоков 104
5.2 Углеводородное загрязнение поверхностных вод 120
5.3 Тяжелые металлы в воде водотоков 123
5.4. Суточная динамика некоторых показателей качества воды в природных и модельных водоемов за счет осаждения поллютантов 129
Глава 6 Экологические аспекты качества поверхностных вод по состоянию гидробионтов 133
6.1 Динамика качественных и количественных показателей сапрофитных микроорганизмов 133
6.2 Состояние фитопланктона 142
6.3 Состояние зоопланктона 147
6.4 Оценка качества водных биотопов по индикаторным организмам планктона 152
6.5 Состояние зообентоса 155
6.5.1 Качественные и количественные характеристики донных сообществ в водотоках, прилегающих к АГК 159
6.6 Уровень сходства видов и родов моллюсков семейства Unionidae по белковым спектрам 169
Глава 7 Гидробионты как биоиндикаторы металлов в водных экосистемах низовья Волги 180
7.1 Содержание некоторых металлов в органах и тканях различных видов моллюсков 182
7.1.1 Сравнительный анализ средних значений концентрации металлов в органах и тканях моллюсков 188
7.1.2 Моллюски семейства Unionidae как индикаторы загрязнения водных экосистем поймы и дельты Волги 193
7.2 Биомониторинг поверхностных вод в районе техногенного воздействия АГК 196
7.2.1 Высшие водные растения - индикаторы накопления тяжёлых металлов 198
Глава 8 Оценка последствий поступления элементарной серы в компоненты водной экосистемы 205
8.1 Оценка и прогноз воздействия элементарной серы на качество водных объектов 208
8.2 Влияние элементарной серы на качество воды 212
8.3 Оценка качества воды района перевалки серы по состоянию гидробионтов 222
Глава 9 Состояние почв, растительности и животного мира 227
Глава 10 Оценка и прогноз изменения абиотических и биотических компонентов водных экосистем при увеличении техногенной нагрузки 246
10.1 Прогнозирование последствий влияния ацидификации водоемов на активность металлов 247
10.2 Влияние ацидификации водной среды на моллюсков 250
Глава 11 Мероприятия по оптимизации ландшафтов и экосистем 258
11.1 Отходы производства и потребления при разработке месторождений нефти и газа 258
11.2 Возвратные воды АГК, их значение в формировании техногенной территории и методы очистки 265
11.2.1 Биохимические методы контроля биологической очистки 279
Глава 12 Экологический мониторинг на территории АГК 281
Заключение 286
Список использованной литературы 290
Приложения:
Приложение 1 322
Приложение 2 326
Приложение 3 333
Приложение 4 338
Приложение 5 344
- Антропогенное воздействие как фактор преобразования окружающей среды на всем протяжении своего существования
- Гидрохимический режим водотоков
- Влияние элементарной серы на качество воды
- Экологический мониторинг на территории АГК
Введение к работе
Актуальность темы. В семидесятые годы XX столетия в Прикаспийском регионе открыто и введено в эксплуатацию гигантское Астраханское нефтега-зоконденсатное высокосернистое месторождение. Позже в этом регионе были открыты и другие месторождения, кроме того, ведется поиск углеводородного сырья в девонских отложениях и добыча на шельфе Каспия.
В результате освоения месторождений происходит загрязнение окружающей среды на локальном, региональном и глобальном уровнях. О масштабах антропогенного влияния на окружающую среду можно судить по выбросам оксидов серы, азота, углеводородов, парниковых газов. Все это приводит к нарушению и деградации биосферы и, в конечном счете, к формированию техногенных ландшафтов. Природные комплексы Северного Прикаспия и, в частности, низовья Волги испытывают все возрастающие техногенные нагрузки и уже не в состоянии им противостоять.
Техногенные воздействия, прежде всего, вызывают изменения в структуре и функциях биотических сообществ. Их изучение в природно-техногенных системах позволяет определить в теоретическом плане степень деградации экосистемы и всего ландшафта в целом и наметить возможные пути их восстановления. Незнание происходящих изменений может служить причиной экологического кризиса, и в будущем — полной деградации природных экосистем. В прикладном смысле актуальность решения существующей проблемы связана с обеспечением экологической безопасности освоения региона.
Особый интерес при этом представляет Астраханское газоконденсатное месторождение (АГКМ), расположенное на левобережье реки Волги в 60 км от г. Астрахани, где сформировался мощный природно-техногенный комплекс, включающий природные компоненты и поступающие в окружающую среду газовые выбросы, сточные воды и различимо отходи технологической перера-
ЧЬДО.
БИБЛИОТЕКА С Петер
ботки сырья на Астраханском газовом комплексе (АГК).В соответствии с геоэкологическим районированием территории России данный регион относится к Поволжскому экорегиону с очень высокой степенью экологической напряженности (Кочуров (2003).
Цель работы. Основной целью исследований явилась геоэкологическая оценка влияния деятельности Астраханского газохимического комплекса на наземные и водные природные геосистемы и экосистемы северной части Прикаспийской низменности и разработка подходов и методов их улучшения и восстановления.
Задачи исследований. В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
определение приоритетных источников техногенного воздействия на природные ландшафты и экосистемы и выявление основных поллютантов; изучение состояния атмосферного воздуха исследуемой территории в условиях техногенеза;
выявление особенностей распределения и трансформации основных загрязнителей в снежном покрове и определение ареалов загрязнения;
изучение ответной реакции почв на различное техногенное влияние (сухое и влажное осаждение кислых компонентов и тяжелых металлов, а также сточных вод);
выявление действия кислых компонентов на водные биотопы;
исследование действия выбросов АПК. с высоким содержанием H2S и элементарной серы на водные экосистемы и биотопы поймы и дельты Волги;
разработка прогноза влияния развития нефтегазового комплекса на ландшафты и экосистемы в Северном Прикаспии;
определение основных мероприятий по снижению негативного воздействия АГК на экосистемы и реабилитации деградированных территорий;
разработка и ведение экологического мониторинга техногенных ландшафтов АГКМ.
Объекты и методы исследований. В основу работы легли результаты двадцатилетних исследований (1983-2003 г.г.) комплексных геоэкологических исследований Северного Прикаспия, Волго-Ахтубинской поймы и дельты Волги. Территория исследований охватывает Астраханскую, Волгоградскую, Саратовскую области, Калмыкию и Казахстан. В качестве основных объектов изучения были выбраны природные и техногенные ландшафты, расположенные в зоне действия АГК и непосредственно сам комплекс.
Исследованиям подвергался химический состав атмосферного воздуха, снежного покрова, поверхностных и сточных вод, донных отложений, почв, гидробионтов, растений, различных отходов производства. Определялся видовой состав гидробионтов как показателя качества поверхностных вод. В процессе выполнения работы использовались различные существующие физико-химические и физиолого-биологические методы.
Наиболее существенные результаты, полученные лично автором. Проведен большой объем полевых и лабораторных исследований. Всего было выполнено более 8000 измерений воздуха и около 1500 анализов образцов воды и гидробионтов, проанализировано 3200 водных вытяжек почв, растений и отходов. По результатам многолетних исследований автором или при его активном участии подготовлено более 80 отчетов по НИР, экологических проектов и обоснований.
Научная новизна. В диссертации впервые дано комплексное исследование сложившейся геоэкологической ситуации на территории северного Прикаспия в связи с интенсивной разработкой и эксплуатацией Астраханского газоконденсатного месторождения с высоким содержанием сероводорода. Кроме того, научная новизна работы заключается в следующем:
определены параметры основных компонентов загрязняющих веществ, особенности их распределения и трансформации в исследуемом регионе;
дана оценка качества атмосферного воздуха с учетом особенностей метеорологических условий;
впервые исследовано пространственно-временное распределение поллютан-тов в снежном покрове в районах техногенных и урбанизированных территорий аридной зоны.
выявлены некоторые характеристики устойчивости почвенного покрова к техногенному воздействию и даны оценка и прогноз воздействия АГК на наземные экосистемы и ландшафты;
выявленные особенности пустынных и луговых фитоценозов в дельте и пойме р. Волга позволили установить, что растения пустынной зоны имеют повышенную газоустойчивость в связи с их приспособлением к жёстким аридным условиям;
оценено влияние деятельности АГК на качество поверхностных вод. Впервые дана всесторонняя оценка влияния элементарной серы на качество вод р. Волги;
дана оценка качественных и количественных характеристик микробиоты, фито- и зоопланктона, зообентоса в исследуемых водотоках в разные периоды деятельности АГК. Установлено, что структура рассматриваемых сообществ не претерпела существенных изменений;
впервые выявлены особенности распределения тяжелых металлов в органах и тканях моллюсков, обитающих в различных биотопах;
разработана технология глубокой доочистки сточных вод для предприятий нефтегазового комплекса. Показана возможность утилизации и трансформации многих поллютантов с помощью цианобактериальных сообществ;
впервые разработана и внедрена система комплексного экологического мониторинга, позволяющая контролировать состояние экосистем Северного Прикаспия.
Практическая значимость исследований и использование полученных результатов. На основании проведённых исследований предложены подходы и критерии, перспективные для выявления воздействия АГК и других предприятий на окружающую среду, по которым можно оценить состояние
природных ландшафтов, отдельных фитоценозов и водных биотопов. Даны на-
учные основы для дальнейшего экологического обоснования проектов хозяйственной разработки территории, прогноза состояния окружающей среды, а также оптимизации использования природных ресурсов с целью управления процессами.
Результаты исследований включены в ряд ведомственных и региональных программ по системе мониторинга и практических документов для разработки охранных мероприятий и стратегии мониторинга для территории Северного Прикаспия («Инструкция по охране окружающей среды при строительстве скважин на суше, на месторождениях углеводородов поликомпонентного состава, в том числе сероводородсодержащих РД 51-1-96»).
Оценка и прогноз последствий и допустимых количеств поступления элементарной серы в водные объекты и пойменные почвы реализованы в работе «Разработка нормативов поступления элементарной серы в гидросистему рук. Бузан и почвы территории в зоне влияния причала для тяжеловесных грузов Бузан-Пристань».
Наиболее полно результаты исследований вошли в ОВОС разработки АГК, в проект разработки АГКМ до 2019 года, проект «Генеральная схема развития АГК до 2020 года», в проекты строительства скважин полигона по закачке в пласт жидких отходов, комплекса по утилизации отходов бурения. Система мониторинга внедрена на территории АГКМ и на территории. «Тенгиз-шевройл» республики Казахстан.
Результаты также используются в учебном процессе АГТУ, вошли в разработанные автором учебные программы по курсам «Водный кадастр и мониторинг» и «Экология».
Предмет защиты. Выявление характера и уровня техногенного воздействия на состояние ландшафтов и экосистем Северного Прикаспия и возможности их восстановления (на примере АГКМ).
Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие положения:
-
Приоритетные источники воздействия Астраханского газового комплекса на окружающую среду и основные поллютанты в природных ландшафтах и экосистемах Северного Прикаспия.
-
Состояние воздушного бассейна в зоне воздействия Астраханского газового комплекса в условиях возрастающего техногенеза.
-
Особенности распределения и трансформации основных загрязнителей в снежном покрове и определение ареалов их распространения.
-
Поведение кислых компонентов в почвах и водах.
-
Прогноз влияния развития нефтегазового комплекса в Северном При-каспии на природные ландшафты и мероприятия по снижению его негативного воздействия на геосистемы и экосистемы региона.
-
Разработка и ведение экологического мониторинга техногенных ландшафтов Астраханского газоконденсатного месторождения.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены или докладывались на съездах, конгрессах, конференциях, совещаниях, семинарах международного, российского и регионального уровня:
1. Международные конференции: «Каспий — настоящее и будущее» (Аст
рахань, 1995 г.); «Экосистемы Прикаспия - XXI веку» (Элиста-Астрахань, 1999
г.); «Международные и отечественные технологии освоения природных мине
ральных ресурсов и глобальной энергии» (Астрахань, 2003 г.); «Образование.
Экология. Экономика. Информатика» серии «Нелинейный мир» (Астрахань,
2003 г.).
2. Всероссийские научно-практические конференции: «Экологический
мониторинг: проблемы создания и развития единой государственной системы
экологического мониторинга (ЕГСМ)» (Москва, 1996); «Проблемы экологиче
ской безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией
нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода» (Саратов,
1996, 1998г.; Астрахань 1997, 1998, 2000 г.); «Эколого-биологические пробле-
мы Волжского региона и Северного Прикаспия» (Астрахань 1996, 1998 г.); «Химия, технология и экология переработки природного газа (Москва, 1996); «Экология, здоровье и природопользование» (Саратов, 1997 г.); «Астраханский край: история и современность» (Астрахань, 1997 г.); «Эколого-гидроло-гические и гидрологические исследования природно-техногенных систем в районах газовых и газоконденсатных месторождений» (Астрахань, 1998 г.); «Состояние, изучение и сохранение природных комплексов Астраханского биосферного заповедника « (Астрахань, 1999 г.); «Научные аспекты экологических проблем России» (Москва, 2001 г.); «Оценка воздействия на окружающую среду предприятий нефтегазового комплекса» (Туапсе, 2001 г.);
3. Съезды: VII съезд гидробиологического общества РАН (Казань, 1996 г.); III Всероссийский съезд по охране окружающей среды (Москва, 2003 г.); Второй и третий международный конгресс «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК (Москва, 1996, 1998 г.); Первый международный симпозиум «Наука и технология углеводородных дисперсных систем» (Москва, 1997 г.); Материалы научно-технического Совета ОАО «Газпром» «Основные направления создания системы производственного экологического мониторинга» (Саратов, 1998 г.); «Экология и охрана окружающей среды» (Москва, 2002 г.), а также на заседаниях Ученого Совета института «АстраханьНИПИгаз».
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 52 печатных работах, включающих 2 монографии, инструкцию и изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 12 глав, заключения, списка литературы и приложений (5); содержит 346 страниц текста, 71 рисунок, 70 таблиц. Список литературы включает 327 источников, в т. ч. зарубежных.
Антропогенное воздействие как фактор преобразования окружающей среды на всем протяжении своего существования
На протяжении своего существования человечество оказывает воздействие на природу, изменяя её. Это естественный процесс, так как любой организм существует только за счет использования материально-энергетических возможностей окружающей среды. При этом антропогенный фактор приобрёл решающее воздействие на все компоненты биосферы (Дёмина, 1996).
Причины глобальных, региональных и локальных изменений биосферы заключаются в том, что природные ландшафты, являясь открытыми системами, постоянно взаимодействуют с частными средами биосферы, и на них накладывается мощный техногенный пресс. Это вносит в геосистемы новые потоки вещества и энергии и трансформирует естественный массоэнергообмен.
Постоянно увеличивающаяся добыча, переработка и потребление полезных ископаемых в мире приводит к изменению состава и свойств как геологического субстрата, так и всех компонентов природной среды (Петров, 1998; Фелленберг, 1997; Андрианов, 1995).
Используя земную кору в своих целях, человек не только ее загрязняет, но и понижает ее энергозапас и упрощает ее структуру, что соответственно приводит к повышению термодинамической энтропии и к понижению информационной энтропии среды обитания (Павлов, 1996). Создавая товар, человек изменяет окружающую среду, через определенное время товар также разрушается. Таким образом, вся деятельность человека направлена на формирование техногенных территорий.
При изучении антропогенно-трансформированных территорий в первую очередь необходимо комплексно оценивать степень техногенного воздействия для принятия управленческих решений различного назначения (Юдина и др., 1996).
Начиная говорить о техническом воздействии на природную среду, следует учесть, что до настоящего времени не существует общепринятого определения техногенеза. Наиболее точное определение дано Ю.А. Израэлем, который рассматривает техногенез, как комплекс антропогенных факторов, влияющих на состояние биосферы, на здоровье населения, подчеркивая его исключительное разнообразие. Сюда входит и загрязнение природных сред различными веществами, физическое воздействие, нарушение естественного функционирования ландшафтов, изъятие возобновляемых и невозобновляемых ресурсов и другие виды воздействия (Израэль, 1984).
Антропогенное воздействие на природную среду представляет собой совокупность факторов хозяйственной деятельности, вызывающих трансформацию состояния компонентов и изменение естественного хода сукцессии природных экосистем. Всё многообразие факторов техногенеза можно разделить на две группы: использование природных ресурсов; поступление отходов в природную среду (Газпром и современная экополитика, 1999).
Для природных экосистем характерными свойствами являются резистентность и упругость, что даёт им возможность переносить случайные нарушающие воздействия. Примерами таких воздействий могут быть: пожары, вырубки, бобровые плотины и тому подобные явления. Антропогенные же влияния на природные экосистемы, по мнению СМ. Разумовского (1981), не вносят качественно новых воздействий, а состоят в принудительном изменении чистоты внешних нарушений и их масштабов. По Ю. Одуму (1986), антропогенный стресс экосистем можно представить в виде двух условных групп. Первая представляет собой острый стресс, для которого характерно внезапное начало, быстрый подъём интенсивности и небольшая продолжительность нарушений. Вторая - хронический стресс, при котором нарушения невысокой интенсивности долго продолжаются и часто повторяются. Хронические нарушения приводят к выраженным и устойчивым последствиям, что ведет к образованию техногенных водных, почвенных и воздушных экосистем. Такие системы характеризуются как гетеротрофные и отличаются от природных более интенсивным метаболизмом на единицу площади, большими потребностями в поступлении веществ извне и огромным потоком различных ядовитых отходов. Главным ис 17 точником энергии в таких системах является не Солнце, а топливо, и поэтому в них нарушены процессы самоочищения. Именно в природных системах, источником энергии для которых является солнце, происходит очистка почвы, воды и воздуха, возвращается в оборот чистая вода, формируется климат, обеспечиваются необходимые для жизнеобеспечения человека условия (Одум, 1986).
Исходя из вышеописанной концепции, восстанавливаются техногенные территории до уровня природных только в процессе изменения соотношения гетеротрофов и автотрофов в сторону превалирования последних.
Это происходит в результате сукцессионных процессов. Под экологической сукцессией понимается изменение во времени видовой структуры и био-ценотических процессов. При отсутствии внешних нарушающих факторов сукцессия представляет собой направленный и предсказуемый процесс. Такие сук-цессионные изменения определяются преимущественно внутренними взаимодействиями и представляют собой аутогенную сукцессию. Если же на изменения регулярно воздействуют внешние силы среды, то такая сукцессия называется аллогенной (Одум, 1986). Г.Т. Одум и Р.К. Пинкертон (Odum, Pinkerton, 1955) указали на то, что сукцессия связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Эту концепцию о биоэнергетических основах сукцессии подтвердил и расширил Р. Маргалеф (Margalef, 1968).
Экосистемы постоянно подвергаются воздействиям природных и антропогенных стрессов разной силы с нерегулярными промежутками времени и имеют разные стадии сукцессии, что способствует увеличению видового разнообразия.
Экосистемы с регулярно повторяющимися возмущениями адаптированы благодаря тому, что они располагают видами и процессами, способными к быстрому восстановлению (Vogl, 1980). Для того, чтобы предсказать восстановление экосистемы и управлять ими после таких нарушений, как например, открытые разработки ископаемых, необходимо в деталях знать структуру сукцес-сионного процесса и восстановительный потенциал конкретной экосистемы, иначе условия по ее восстановлению могут мешать, а не способствовать естественному восстановлению (Mcintosh, 1980).
В отечественной и мировой практике накоплены значительные данные наблюдений процесса естественного зарастания (аутогенной сукцессии) отвалов и карьеров. В.Н. Шанда с соавторами (1990) этот процесс представляют как естественный адаптивный фитомелиоративный процесс. При этом образуются, по мнению Albrecht Christian (1992), ценные вторичные биотопы. Анализ данных по видовому составу образующихся биоценозов показывает, что спонтанная флора техногенных экотопов Донбасса (Шабанов, 1992), отвалов горных разработок, описанных Punger Wolfram (1990), почвенно-экологический комплекс и растительность отвалов Альминского месторождения Крыма (Пышкин и др., 1993) и Чехии (Pysek Antonin, Pysek Petr, 1989) по своему составу и структуре близки к аборигенной. В то же время в районе Чукотки при зарастании карьеров для добычи щебня О.И. Сулина (1991) показала резкое видовое различие естественной и антропогенной растительности.
При аллогенной сукцессии на территории газовых месторождений в Западной Сибири, техногенных солончаках, образовавшихся в результате попадания в почву нефтепромысловых сточных вод на Урале, этот процесс начинают цианобактерии (Ельшина, 1981; Баринов и др., 1992).
Жизнедеятельность в экстремальных экологических условиях возможна для цианобактерии вследствие их способности многократно переходить из состояния покоя к активной вегетации и наоборот, в субстратной и энергетической относительной независимости от неустойчивого содержания органических компонентов в среде, так как они способны синтезировать их саімостоя-тельно из неорганического вещества. Поэтому цианобактерии являются «пионерами» на безжизненных субстратах (вулканах, территориях после ядерных взрывов), начинают сукцессию и образование почвенного слоя. Такое направление аллогенной сукцессии идет по пути автотрофикации техногенной территории, что предполагает возможность ее постоянного восстановления (Дзержинская, 1987).
Гидрохимический режим водотоков
Технологическая схема деятельности АГК исключает прямое воздействие на водотоки поймы и дельты в связи с отсутствием сброса сточных вод непосредственно в них. Стоки, пройдя систему очистки, утилизируются на земледельческих полях орошения.
Очень медленное движение подземного стока, а также трансформация поллютантов в зоне аэрации, предотвращают загрязнение речных вод. Поэтому на поверхностные водотоки оказывают влияние, в основном, атмосферные выбросы, при этом общая плотность осаждения сульфат-иона в пусковой период составляла 50-130 кг/га в год, азотных соединений 3-12 кг/га в год (Заключение экспертной комиссии, 1996; Кутлусурина, 2001).
Прямое воздействие на гидрологический режим водоёмов оказывают строительные и дноуглубительные работы (строительство трубопроводов, мостов, причалов).
Исследования влияния выбросов на гидрохимический режим водотоков, расположенных в районе техногенной территории, проводились с целью выявить их загрязнение и возможности закислення и, вследствие этого, ухудшения условий обитания гидробионтов.
Проблема загрязнения под воздействием соединений серы и азота является в настоящее время одной из серьезных экологических проблем. В России за-кисление природной среды происходит на Кольском полуострове и Карелии (Абакумов и др., 1987), за рубежом, особенно в Северной Европе (Abelson, 1987; Sanden et al., 1987; Моисеенко, 1991, 1995, 1997; Хорват, 1990) . Важно отметить, что кислотное загрязнение изучалось в гумидных районах, а в южной аридной зоне эта проблема практически не исследована. Исключительность данного района исследования состоит ещё и в том, что здесь происходит значительный выброс кислых компонентов и возможно усиленное антропогенное загрязнение.
Общими последствиями изменения химического состава вод суши под воздействием кислотных осаждений являются колебания и снижение рН, уменьшение щелочности воды, увеличение концентраций сульфатов, увеличение или уменьшение значений кальция и магния, увеличение концентраций со 106 единений азота, а также увеличение содержания тяжелых металлов (Андрианов и др., 1988; Diamond, 1989).
Водородный показатель воды рН. Одним из показателей закислення или защелачивания воды может быть сдвиг значений рН. Район водотоков, окаймляющих АГК, в естественном состоянии относится к зоне слабощелочных вод. Диапазон значений рН в период, предшествующий пуску комплекса (1972 -1985 гг.), в водотоках Ахтуба, Берекет, Кигач составлял 7,20 - 8,40. В период работы комплекса (с 1987 г.) в летнюю межень зарегистрированы случаи снижения рН до 6,3 в рук. Ахтуба. Однако анализ результатов режимных наблюдений гидрометеопостов показывает, что для участков Нижней Волги это не единичный случай. Так, до пуска комплекса в 1984 г., было зарегистрировано значение рН = 6,2 также в летний период. В конце зимнего периода значение рН превышало верхнюю границу ПДК = 8,5 и достигало 9,08 единиц. В период максимальных выбросов кислых компонентов на АГК отмечено незначительное увеличение общего диапазона колебаний рН в пределах 7,4-8,8.
Верхний диапазон рН постоянно превышен, особенно в зимне-весенний период. Эта тенденция сохранилась и в последующие годы, таблица 5.1.
В период половодья и летне-осенней межени значение рН во всех водотоках стабилизировалось и не выходило за рамки ПДК.
Можно предположить, что увеличение рН в конце зимы связано с таянием льда, покрытого карбонатной пылью, что согласуется с выводами В.М. Ива-ники др. (1992).
Так как экологическое значение рН характеризует наличие в воде солей и органических веществ, особенно растительного происхождения, а также сточных вод, наиболее вероятной причиной повышения рН является эвтрофикация водотоков нижней Волги. Так, за период 1980 - 1995 гг. значение рН в Волгоградском водохранилище увеличилось на 0.7. Эта тенденция продолжает сохраняться (Полянинов, 1997).
Следует отметить, что после выхода завода на сокращенный режим работы рН воды во всех исследуемых водотоках не выходил за пределы ранее зафиксированных интервалов.
Сульфаты. Основным показателем загрязнения водотоков суши под влиянием серосодержащих выбросов является изменение концентрации сульфатов. В период, предшествующий пуску АГК, концентрация их в воде поймы была зафиксирована в пределах 27-93 мг/дм3. В районе г. Волгограда максимум этого показателя достигал уровня 100 - 102 мг/дм3.
Внутригодовой режим концентраций сульфатов характеризовался высо-ким уровнем в зимнюю межень (60 - 75 мг/дм ) и низким (27 - 50 мг/дм ) в период летне-осенней межени.
В первые годы эксплуатации комплекса (1987 - 1989 гг.) наметилась тен-денция увеличения сульфатов в этом районе с 50 до 110 мг/дм , таблица 5.2.
Их содержание в малопроточных водотоках было выше, чем в проточных, и составляло 80 - 90 мг/дм . Частота превышения ПДК (100 мг/дм ) в малопроточных водотоках составила 50 %. Причём, высокое содержание сульфатов в районе исследования фиксировалось в период весеннего половодья. Напротив, в период межени превышение ПДК практически не наблюдалось.
Следует отметить, что концентрация сульфатов в Ахтубе на фоновом участке (выше АГК на 150 км) в этот период составляла 62 - 104 мг/дм3. Косвенным подтверждением увеличения количества сульфатов в воде водотоков, окаймляющих АГК, является сухое осаждение диоксида серы и азота. (Заклю 108 чение экспертизы, 1996).
Таким образом, концентрация сульфатов в воде поверхностных водотоков может зависеть от количества диоксида серы при выбросах более 300 тыс. т/год.
С 1990 г. с уменьшением их количества отмечено снижение содержания сульфатов в воде водотоков в 1,2-1,5 раза. Кроме этого, установлено, что колебание концентраций сульфатов по годам зависит от объёма годового стока реки, рисунок 5.1. Это связано с тем, что в маловодные года идет разгрузка подземных вод в русло реки, где сульфаты имеют значительную концентрацию (Никаноров, 1989).
Карбонатная щелочность воды. Одной из наиболее важных характеристик речной воды, подверженной влиянию кислотных осадков, является щелочность. В пресных водах общая щёлочность определяется гидрокарбонатами. Данный ион, также, как SO4 \ Са , относится к главным ионам, содержащимся в природных водах и определяет химический тип воды. Вместе с гидрокарбонатны-ми ионами, которые являются производными угольной КИСЛОТЫ, ИОНЫ, SO4 , Са2+ находятся с ними в динамическом равновесии и имеют большое значение для химического равновесия в природных водах. Концентрация последних определяет способность речной воды противостоять кислотному загрязнению. Изменение её во времени может служить показателем закислення, противостояния закисленню или защелачиванию речной воды.
Чувствительными к закисленню являются воды с концентрацией гидро-карбонатов менее 12 мг/дм (Webb et. al., 1989). В действительности не НСОз", СОз", Н2СОз зависят от рН, а наоборот, именно соотношение форм данных ионов определяют, в основном, в природных водах значение рН (Никаноров, 1989). По присутствию карбонатных ионов можно судить о рН воды данного водотока или водоема. Исследуемые водотоки обладают значительной щелочностью, рисунки 5.2, 5.3. При этом концентрация НСОз" практически повторила отмеченные интервалы во всех водотоках от нижнего бьефа Волгоградского водохранилища до дельты. В период 1969 - 1974 гг. данный показатель был на уровне 94,6 - 158,7 мг/дм .
За время работы комплекса (1990-1994 г.г.) этот интервал расширялся и составил 109-232 мг/дм . В последние годы концентрация НСОз уменьшилась и изменилась в диапазоне 100,1-207 (1996 г.) и 134,4-184,5 мг/дм3 (1997 г.) и 122,0-189,2 (1998 г.). Начиная 1999 г. показатель НСОз вырос и составил 127,7-195,3 мг/дм3; в 2000 году происходило дальнейшее увеличение концентраций до 147,5-231,9 мг/дм3. В 2001 г. величины НСОз" снизились до минимальных значений за весь период наблюдений - 141,6-165,4 мг/дм3.
В период, предшествующий пуску газового комплекса, донный показатель был на уровне 130 - 160 мг/дм3.
Влияние элементарной серы на качество воды
Выводы, сделанные на основе методов химической термодинамики и прямых расчетов возможных концентраций элементарной серы в воде рук. Бу-зан, могут быть оценены с помощью независимых объективных критериев, которыми, прежде всего, являются результаты полевых и экспериментальных исследований.
Результаты проведенной работы представлены в таблице 8.1. Её анализ позволяет сделать следующие выводы: предполагаемого закислення воды в створе, расположенном ниже места погрузки серы, нами не отмечено. Так, если в фоновом створе величина рН (среднее её значение) составила 7,96 за весь период наблюдений при размахе колебаний 7,45-8,65, то непосредственно в месте погрузки серы и ниже - соответственно 8,18 (7,80-8,85) и 8,12 (7,60-8,60), т.е. произошло некоторое защелачивание.
Наиболее приоритетным показателем загрязнения поверхностных вод в конкретном рассматриваемом случае являются сульфаты. Их величины, как в ковше терминала (место погрузки серы) - 60,9 мг/дм3, так выше и ниже погрузки серы - 56,7 и 59,3 мг/дм3 соответственно, почти идентичны.
То же самое можно сказать относительно величин БГЖ5, фосфатов, аммиака и нефтепродуктов.
Загрязнение по ХПК несколько возросло относительно фонового створа (52,8 мг/дм =1,8 ПДК) и составило непосредственно в ковше терминала и ниже по течению 67,1 (2,2 ПДК) и 65,0 мг/дм3 (2,1 ПДК) соответственно, т.е. было близко между собой.
Также относительно фонового створа вдвое возросло загрязнение нитри-тами (NO ) - с 0,016 мг/дм до 0,031 мг/дм (1,4 ПДК) в ковше терминала с дальнейшим понижением значений до фоновых вниз по течению - 0,013 мг/дм3.
Ненамного увеличилась концентрация нитратов (NO ") - с 0,286 мг/дм на входном створе до 0,359 мг/дм в ковше и до 0,416 мг/дм на замыкающем створе.
Содержание углекислого газа в ковше терминала составило 3,17 мг/дм , тогда как в фоновом и замыкающем створах соответственно составило 2,51 и 2,86 мг/дм , т.е. было на одном уровне.
В пробах донных отложений определялось содержание общей серы по методу Лйдиняна. В фоновой точке зафиксирована концентрация 19 мг/кг сухого вещества, а в ковше терминала у левого борта 6300 мг/кг, по середине -4320 и у правой стенки ковша 3350. Средняя концентрация составила 4656 мг/кг сухого вещества. Эта характеристика распределения общей серы в донных отложениях в месте её погрузки составлена по разовому отбору, осуществленному 26 ноября 1997 г., причём, необходимо отметить, что эта полевая работа была проведена до «операции» по очистке донного осадка в ковше и мы не имеем информации об её эффективности.
Микроэлементный состав. Регулярные наблюдения за уровнем загрязнения тяжелыми металлами (ТМ - подвижной формы) поверхностных вод на участке рук. Бузан от его истока до пересечения с железнодорожным мостом ведутся с 1992 г. Фиксирование уровня содержания ТМ в районе терминала погрузки серы начато в 1996 г. Пробы воды отбирались только с поверхностного горизонта (0,5 м) с одной станции на каждом разрезе, причем, станция отбора не была фиксированной на линии разреза, а зависела от средства отбора: если предоставлялся катер, то проба воды бралась по фарватеру реки, если же судна не было, то водный образец зачерпывался у левого берега. Неадекватные условия отбора вносили свои коррективы на результаты анализа, накладывали отпечаток на сложные гидрохимические процессы, происходящие в исследуемом водоеме и создавали дополнительные трудности в интерпретацию получаемой информации. В настоящее время разработана схема проведения натурных исследований в данном районе, исключающая указанные недостатки: вода отбирается с трех точек на разрезе - левый, правый берега и фарватер реки, на котором берется не только поверхностный, но и придонный горизонты. Особое внимание уделено качеству вод в ковше терминала, где была предпринята попытка выявить характер распределения загрязняющих веществ не только по вертикали, но и в горизонтальной плоскости.
Распределение ТМ по вертикали в каждой точке отбора в ковше терминала, в основном, не подчиняется какой-то закономерности, только Cd в верхнем горизонте, как правило, имеет большие концентрации, чем в придонном горизонте. Очень четкую последовательность демонстрирует медь. В придонном слое воды ее величины всегда выше, чем в поверхностном горизонте. Остальные металлы распределены по вертикали хаотично. Причина этого видится в том, что отбор осуществлялся на мощном катере-буксире, имеющем большое водоизмещение и при маневрах в стесненных условиях ковша терминала за счет вытеснения и гидравлического перемешивания вод (при работе гребного винта) произошло изменение фактической картины распределения загрязняющих веществ по вертикали.
Картина распределения ТМ по площади терминала имеет очень простой вид: максимальные концентрации зафиксированы у левого борта ковша, минимальные у правого и средние по середине, что хорошо согласуется со схемой погрузки серы, осуществляемой с левой стороны терминала.
Данные среднегодовых величин содержания ТМ представлены в таблице 8.2.
Многолетние наблюдения в фоновом и замыкающем створах (1992-1998 г.г.) , а также в контрольном створе - место погрузки серы в суда (ковш терминала, 1996-1998 г.г.) позволяют рассмотреть характер построения рядов тяжелых металлов. Так, ряд по убыванию величин концентраций ТМ в фоновом створе (I) выглядит следующим образом, мкг/дм3
Незначительное, едва уловимое загрязнение поверхностных вод в месте погрузки серы фиксируется только по свинцу и меди, уровень содержания остальных элементов либо почти неотличим, либо ниже фонового.
На рисунке 8.2 хорошо просматривается выявленная общая тенденция снижения степени загрязнения микрокомпонентами, происшедшая за последний период времени по сравнению с 1992 г., но в последние годы при незначительном росте величин содержания ТМ произошла стабилизация уровня загрязнения поверхностных вод металлами.
След мути глинистых взвесей прослеживается даже ниже замыкающего створа, а на уровне загрязнения вод металлами этот факт сказывается в виде повышения концентраций по цинку и железу в поверхностном горизонте фонового створа (выше места погрузки серы), у левого берега и по стрежню реки на замыкающем створе (ниже погрузки серы).
Информация, представленная в таблице 8.3 описывает уровень загрязнения тяжелыми металлами донных отложений в районе погрузки серы на рук. Бузан. Пробы донных отложений проанализированы в двух повторностях. В одной определено валовое содержание ТМ, в другой выявлены величины концентраций подвижных форм металлов. Эти формы характеризуют степень загрязнения донных осадков микроэлементами, которые легко могут переходить в поверхностные воды и вовлекаться в русловой перенос, ухудшая при этом качество вод за счет увеличения ее токсичности.
Экологический мониторинг на территории АГК
В настоящее время употребляют два основных термина, касающихся оценки качества окружающей среды. Это мониторинг и контроль.
Под мониторингом понимают систему наблюдения, оценки и прогноза изхменений состояния окружающей среды. При этом, мониторинг не включает в себя задачи управления, а контроль включает не только наблюдение, но и получение информации по управлению состоянием среды (Лозановская и др., 1998 г.). Это касается, в основном, системы производственного контроля (мониторинга). На исследуемой территории различается три типа мониторинга: региональный, базовый, импактный.
В данной работе наибольшее значение имеет базовый и импактный мониторинг. Базовый мониторинг осуществляется на базе Астраханского биосферо-ного заповедника. Он позволяет охарактеризовать состояние природы в условно-чистом виде, хотя здесь существует вклад как глобального, так и локального загрязнения.
Импактный мониторинг осуществляется в особо опасных местах, непосредственно примыкающих к источникам загрязнения. Таким объектом является АГК.
На сегодняшний день существует программа ОАО «ГАЗПРОМ» и ряд документов по созданию системы производственного экологического контроля (Дедиков, 1998г.).
Мониторинг, хотя правильнее называть его контролем, так как его результаты непосредственно используются в управлении производством, является ведомственным. В дальнейшем мы будем, в основном, использовать термин мониторинг.
Учитывая высокую токсичность и агрессивность сырья (25 % сероводорода, 14-16 % углекислого газа, наличие азота, меркаптанов и других сернистых соединений), своеобразие естественно климатических и географических условий региона, соседство уникальной Волго-Ахтубинской поймы и населенных мест при проектировании Астраханского газового комплекса, особое внимание уделялось вопросам экологической безопасности производства, в том числе экологическому контролю.
Уже на стадии проекта были предусмотрены: организация лаборатории охраны окружающей среды, установка газоанализаторов определения диоксида серы, три системы автоматического контроля загрязнения атмосферного воздуха.
Система - 1 для непрерывного контроля за наличием сероводорода по ПДК рабочей зоны (3 мг/м3 в смеси с углеводородами) на площади эксплуатационных скважин (по два датчика), установок предварительной подготовки газа УГШГ, крановых узлов газоконденсатопроводов, по периметру территории промысла в сторону населенных пунктов.
Система - 2 для контроля наличия сероводорода по ПДК рабочей зоны и до взрывных концентраций углеводородов на территории газоперерабатывающего завода.
Система - 3 для контроля загрязнения атмосферы в приземном слое воздуха населенных мест (28 пунктов контроля загрязнения и метеостанции).
Пять станций были рассчитаны на определение H2S, SO2, УВ, NO2, СО, остальные - на три первых ингредиента.
Таким образом, отдельные звенья системы производственного экологического мониторинга АГК были заложены еще в 80-х годах при проектировании комплекса.
Однако, жизнь вскоре внесла свои коррективы. Как известно, пусковой и начальный период эксплуатации первой очереди АГК (1987-1991гг.) сопровождался, в силу различных причин, рядом негативных явлений (аварийных ситуаций) и совпал с периодом гласности, «зеленых» движений и выборных компаний в различных ветвях власти. В этих условиях все беды и болячки Астраханской области, будь-то гибель урожая или овец, ухудшение здоровья людей и т.д., приписывались только газовому комплексу и даже принимались решения о его закрытии.
В целях снижения негативного воздействия на природную среду было принято решение ограничить производительность завода, одновременно принимая меры по повышению степени его экологической безопасности (энергоснабжение, запорная аппаратура большего диаметра) и, конечно же, разворачивая исследования и наблюдения за состоянием объектов окружающей среды как собственными силами, так и с привлечением научных учреждений области и других городов страны для объективной оценки влияния АГК и аргументированной защиты в конфликтных ситуациях.
Таким образом, был организован комплексный экологический мониторинг, позволивший отслеживать изменения концентраций поллютантов в воздушном бассейне, водной среде, почве, биоте (Андрианов и др. 1996; Андрианов 1997, 1998; Спирин и др., 1998).
В результате, к настоящему времени на предприятии сложилась следующая организационная структура производственного экологического мониторинга:
1 центральная заводская лаборатория — контроль за отходящими газами установок получения серы и сжигания производственных отходов, воздухом рабочей зоны на территории завода, качеством производственно-дождевых сточных вод, подаваемых на очистные сооружения, а также промстоков, состоящих, в основном, из попутной пластовой воды и подлежащих подземному захоронению;
2 лаборатория водоснабжения и канализации — контроль за качеством воды на водозаборе (рук. Бузан) и на входе водоочистных сооружений, качеством сточных вод по ступеням очистки на установке предварительной очистки, КОС-2, в емкости сезонного регулирования, при подаче на ЗПО и полив зеленых насаждений.
Система - 3 морально и физически устарела и практически выведена из эксплуатации. Из 24 станций контроля в работе осталось семь. Для гарантированного ввода 2-ой очереди АГК по проекту в части расширения системы — 3 были разработаны, изготовлены, смонтированы и введены в эксплуатацию аэрологический пост для вертикальной температурной стратификации атмосферы, центр экологического мониторинга и четыре станции контроля.
Лаборатории предприятия ведут контроль за состоянием атмосферного воздуха населенных мест, подфакельные (подшлейфовые) наблюдения на расстоянии 3-5-8 км от основного источника загрязнения - ГПЗ, арбитражный контроль за качеством производственно-дождевых сточных вод по ступеням очистки и промстоков на захоронение в недра, мониторинг рассолов, сбрасываемых после размыва подземных емкостей в соленые озера Айдык и Карасор, наблюдения за состоянием поверхностных вод в районе дюкеров магистральных газопроводов и продуктопроводов, причала по отгрузке серы водным транспортом, контроль за состоянием почв, анализ проб подземных вод.
Утилизация стоков производится на рельефе местности - ведется мониторинг подземных вод с помощью 250 наблюдательных скважин, в том числе, за состоянием полигона по закачке промстоков в пласт, куполов подтопления из смеси грунтовых и техногенных вод и их динамикой.
Особо необходимо отметить радиационный мониторинг в связи с проблемой объекта «Вега», включающего 15 подземных емкостей, созданных с помощью ядерно-взрывной технологии.
Таким образом, на АГК и в районе его размещения система производственного мониторинга создана и существует практически по всем направлениям природопользования и постоянно расширяется по мере появления новых проблем. Однако, она весьма трудоемка, затратна и инерционна. Для ее оптимизации необходимо внедрение автоматизированных средств контроля.
Учитывая, что основная опасность от объектов АГК для людей и окружающей среды связана с выбросами загрязняющих веществ (сероводорода, диоксида серы, углеводородов, оксидов азота) в атмосферный воздух, а также в связи с моральным и физическим износом существующей автоматизированной системы контроля загрязнения атмосферы в приземном слое воздуха населенных мест, разрабатывается проект реконструкции существующей системы контроля.
