Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Подходы к изучению загрязнения морей. Состояние изученности вопросов экологической безопасности Азовского моря 11
1.1. Обзор международного опыта разработок в области борьбы с загрязнением морей 11
1.2. Состояние изученности техногенного загрязнения акватории Азовского моря 20
1.3. Постановка задачи и характеристика методики исследований по теме диссертации 22
Глава 2. Геологическая характеристика шельфа и нефтегазовой инфраструктуры Азовского моря как источника загрязнения 26
2.1. Геологическая характеристика Азовского шельфа 26
2.1.1. Северо-Азовский прогиб 26
2.1.2. Азовский вал 28
2.1.3. Индоло-Кубанский прогиб 30
2.1.4. Перспективы нефтегазоносности Азовского моря 31
2.2. Анализ загрязняющих веществ при освоении ресурсов континентального шельфа 37
2.2.1. Буровые растворы 37
2.2.2. Шлам 43
2.2.3. Пластовые воды 44
2.3. Химические и физико-химические трансформации нефти в воде, токсичное воздействие нефтепродуктов 48
2.3.1. Химический состав нефти 48
2.3.2. Поведение нефти в водной среде 49
2.3.3. Токсичное воздействие нефтяных углеводородов в водной среде акваторий 57
2.4. Анализ деятельности и технологии бурения в бассейне 62
Азовского моря 62
2.5. Анализ экологических катастроф в бассейне Азовского моря 67
Глава 3. Математическое моделирование процесса загрязнения и деструкции в Азовском море 74
3.1. Основные особенности нефтяного загрязнения Азовского моря 74
3.2. Формулировка математической модели 77
3.3. Алгоритм численного решения краевой задачи 87
3.3.1 Переход к безразмерному виду 87
3.3.2 Оценка величин безразмерных параметров 92
3.3.3. Переход к разностным уравнениям и их решение 92
3.4. Общий алгоритм численного анализа 94
3.5 Описание программы 95
3.6 Основные закономерности динамики нефтяного загрязнения Азовского моря 95
Глава 4. Обоснование методов ликвидации углеводородного загрязнения береговой линии Азовского моря 99
4.1. Особенности современного подхода к обеспечению защиты береговых линий от загрязнений 99
4.2 Характеристика рельефа, геоморфологии и вещественного состава комплекса пляжевых отложений Азовского моря 105
4.3 Районирование побережья Азовского моря по степени чувствительности к нефтяному загрязнению 117
4.4 Технология ликвидации углеводородного загрязнения береговой линии Азовского моря 122
Основные результаты и выводы 126
Список литературы 129
- Обзор международного опыта разработок в области борьбы с загрязнением морей
- Поведение нефти в водной среде
- Особенности современного подхода к обеспечению защиты береговых линий от загрязнений
- Технология ликвидации углеводородного загрязнения береговой линии Азовского моря
Введение к работе
Актуальность проблемы. Континентальный шельф представляет собой уникальную кладовую ресурсов, высокая концентрация которых обуславливает возникновение различных конфликтов при их освоении. Одним из наиболее ярких конфликтов является техногенное загрязнение этих районов. В последнем десятилетии началось активное освоение ресурсов Азовского шельфа. В начале 2006 года в нефтегазоносной зоне на участке «Чумаковская–1» в Темрюкском районе компания «Приазовнефть» начала разведывательное бурение трех скважин. Еще через год компания приступила к бурению поисково-оценочных скважин на Азовском шельфе на структуре «Новая–1». Разведочное бурение будет вестись на восьми площадках, расположенных на шельфе Азовского моря, и на шести площадках, расположенных на побережье. Больше всего скважин планируется разместить на побережье и в прибрежной акватории Темрюкского района, на участке между поселками Пересыпь и Приазовский — 4 наземных и 5 морских скважин. Еще 3 морские скважины намечено заложить вблизи впадения реки Кубань в Азовское море, рядом с водно-болотными угодьями международного значения «Дельта Кубани», охраняемыми согласно Рамсарской конвенции. Две сухопутные скважины запланировано пробурить на территории водно-болотных угодий в районе мыса Ачуевский. Техногенная деятельность в районе Азовского шельфа привела к возрастанию экологической напряжённости в регионе. Так, 11 ноября 2007 г. в Керченском проливе произошла крупнейшая в регионе экологическая катастрофа: в результате разлома нефтеналивного танкера «Волгонефть-139» произошел разлив более 1500 т мазута из 2-х танков танкера.
Изучением экологической ситуации при освоении морских месторождений занимаются уже длительное время российские и международные институты и коммерческие компании. В США эту проблему изучают Институт экологических исследований и Американский институт нефти, в Европе – Международный институт исследований в области окружающей среды, в России - Институт океанологии РАН, Мурманский Морской Биологический Институт, Российский научный центр экологии моря и др. Исследованиями Азовского моря занимаются Южный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии, Институт биологии южных морей АН УССР, Азовский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и др. Однако, несмотря на очевидные успехи в решении ряда задач обеспечения экологической безопасности региона, чрезвычайные ситуации последних лет выявили серьезные недостатки в системе предупреждения и ликвидации техногенных загрязнений в районе Азовского шельфа. Несмотря на проводимые исследования, остаются актуальными задачи по обеспечению экологической безопасности региона, такие как поиск высокоинформативных, экспрессных методов оценки наиболее опасного углеводородного загрязнения акваторий и прибрежных зон и обоснование стратегии берегозащитных мероприятий зоны Азовского шельфа. Указанные задачи требуют дальнейшей комплексной проработки.
Объектом диссертационного исследования явились процессы техногенного загрязнения акватории при бурении нефтегазовых скважин и транспортировке углеводородного сырья на шельфе Азовского моря.
Предметом исследования явилось изучение воздействия различных химических веществ, сопутствующих техногенной деятельности в Азовском море, на экосферу акватории.
Целью работы является оценка техногенного загрязнения различными химическими веществами, а именно высокотоксичными мутагенными и канцерогенными полиароматическими углеводородами, органическими кислотами, тяжёлыми металлами и нафтенами и путей его ликвидации на акватории и в прибрежной зоне Азовского моря. Достижение этой цели будет способствовать обеспечению экологической безопасности акватории и морского побережья при чрезвычайных ситуациях техногенных выбросов различных веществ, связанных с бурением скважин и освоением нефтегазовых месторождений на шельфе и транспортировкой углеводородного сырья.
Основные задачи исследований.
1. Анализ состояния изученности техногенного загрязнения района Азовского моря, выбор объектов и направлений исследования по теме диссертации.
2. Изучение токсичного и канцерогенного воздействия различных химических веществ, а именно сопутствующих техногенной деятельности в Азовском море полиароматических углеводородов, органических кислот, тяжёлых металлов и нафтенов.
3. Построение математической модели динамики перемещения нефтяных загрязнений в Азовском море с учётом его природных особенностей и установление основных закономерностей изменения концентрации нефти и нефтеокисляющих микроорганизмов, используемых для микробиологического разложения нефтяных разливов.
4. Оценка эколого-геологических особенностей береговой линии Азовского моря при техногенном загрязнении.
5. Обоснование технологии ликвидации техногенного загрязнения береговой линии, учитывающей особенности рельефа и геоморфологии Азовского моря для различных составов загрязнителей.
Научная новизна.
1. Оценены токсикологические эффекты техногенных работ на Азовском шельфе с точки зрения совместного влияния комплекса химических веществ, сопутствующих освоению ресурсов шельфа, а именно полиароматических углеводородов, органических кислот, тяжёлых металлов и нафтенов, присутствующих в шламах, буровых растворах, пластовых водах и сырой нефти.
2. Впервые установлены основные закономерности динамики техногенного загрязнения в Азовском море с учётом его особенностей. Показательно, что концентрация нефти, как на поверхности, так и на глубине водной среды уменьшается, а количество выпадающей в осадок нефти увеличивается и постепенно стабилизуется. Одновременно, концентрация нефтеокисляющих микроорганизмов сначала растет по экспоненциальному закону, затем стабилизируется, и далее убывает по линейному закону.
3. Построена новая математическая модель динамики перемещения поверхностного нефтяного загрязнения в Азовском море, учитывающая совместно процессы конвективного переноса, диффузии, испарения, растворения, эмульгирования, диспергирования, агрегирования, микробиологического разложения и седиментации. В отличие от существующих моделей конвективно-диффузионного переноса нефтяного загрязнения с учётом процессов деструкции, разработанных различными исследователями (Панина О.В., Шарпан М.В., Оби Э.О., Ларионов А.В. и др.), в предложенной модели применён новый метод перехода от трёхмерной модели к двухмерной, что позволило исследовать процесс в совместном действии перечисленных факторов и значительно снизить затраты вычислительных мощностей.
4. Проведено районирование береговой зоны Азовского моря по степени экологической чувствительности к углеводородному загрязнению с учётом особенностей рельефа, геоморфологии, вещественного состава комплекса пляжевых осадков и условий их формирования. Составлена матрица рекомендаций по ликвидации загрязнений береговой линии Азовского моря с использованием механических, физических и химико-биологических методов.
Защищаемые положения.
1. Закономерности пространственного распространения и деструкции техногенных загрязнений акватории при бурении скважин на шельфе, учитывающие технологию бурения нефтегазовых скважин, гидрологические и метеорологические условия акватории и геолого-геоморфологические особенности побережья.
2. Математическая модель динамики перемещения нефтяных загрязнений в Азовском море, учитывающая совместно процессы конвективного переноса, диффузии, испарения, растворения, эмульгирования, диспергирования, агрегирования, микробиологического разложения и седиментации, в которой применён новый метод перехода от трёхмерной модели к двухмерной, позволяющий исследовать процессы загрязнения в совместном действии перечисленных факторов.
3. Оценка скорости изменения концентрации углеводородных загрязнений на поверхности акватории, в водной толще и на морском дне, а также изменений в водной среде концентрации нефтеокисляющих бактерий, осуществляющих естественную деструкцию таких загрязнений.
4. Районирование береговой зоны Азовского моря по степени экологической опасности углеводородного загрязнения с учётом особенностей рельефа, геоморфологии и вещественного состава комплекса пляжевых осадков побережья и матрица рекомендаций по ликвидации углеводородных загрязнений береговой линии Азовского моря.
Практическая значимость и реализация результатов.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научных исследованиях широкого спектра задач экологии. Оценка воздействия техногенных работ на Азовском шельфе с точки зрения совместного влияния комплекса химических веществ при освоении ресурсов шельфа может быть использована для уточнения экологического ущерба. Разработанную математическую модель можно использовать для прогнозирования поведения нефти в море при решении задач по предупреждению и ликвидации реальных аварийных разливов нефтепродуктов в Азовском море при проведении буровых работ, транспортировке углеводородов, оценке текущего и остаточного техногенного загрязнения акваторий.
Районирование береговой линии по степени чувствительности к нефтяному загрязнению с учётом особенностей рельефа, геоморфологии, вещественного состава комплекса пляжевых осадков Азовского моря и условий их формирования найдёт своё применение при построении интерактивных карт чувствительности побережья на базе геоинформационных систем. Предложенная матрица рекомендаций по ликвидации загрязнений может быть использована при решении оперативных задач по борьбе с загрязнением, а также при разработке федеральными и региональными органами и заинтересованными организациями планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов углеводородов.
Фактический материал. В основу работы положены результаты исследований автора за период с 2003 по 2006 гг. в Кубанском государственном технологическом университете и за период с 2006 по 2009 гг. в Кубанском государственном университете. В работе использованы данные полевых наблюдений, проведённых автором на побережье Азовского моря в 2009 году. Проанализированы и обобщены геолого-экологические материалы фондов КубГУ, ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», АЗНИИРХ, ООО «Лукойл НИПИморнефть», в том числе особенности гидрологической и экобиологической характеристики, рельефа, геоморфологии, вещественного состава отложений береговой зоны акватории Азовского моря. Проработаны также данные из научных источников, указанных в библиографии диссертации.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на конференциях и научно-технических советах: VI Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (г. Анапа, 2009 г.); IX объединённой научной конференции студентов и аспирантов факультета компьютерных технологий и прикладной математики КубГУ «Прикладная математика XXI века» (2009 г.); XXXI и XXXII студенческих научных конференциях в КубГТУ (2004, 2005 гг.); научно-технических советах ООО «Кубаньгазпром» (2006 – 2008 гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований изложены в 10 печатных работах.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения общим объёмом 144 листа, включая 6 таблиц, 20 рисунков и список литературы из 141 наименований.
Автор выражает глубокую признательность за научное руководство и помощь на всех этапах выполнения работы д.т.н. профессору Дембицкому С.И., д.ф.-м.н. Уртенову М.Х., к.т.н. Корневу Г. А., а также благодарит за поддержку специалистов ООО «Кубаньгазпром» Браташ И.В. и Шишкина Е.В.
Обзор международного опыта разработок в области борьбы с загрязнением морей
Проблемой изучения загрязнения водной среды при освоении морских месторождений занимались многие международные и российские компании, институты и учёные.
За границей фундаментальными исследованиями загрязнения морей и океанов занимается ряд крупных институтов. В США наиболее глубокие исследования проводят Океанографическое отделение Техасского университета, Институт экологических исследований (Institute of Environmental Sciences), Американский институт нефти (American Petroleum mstitute) и др. В Канаде - Институт по проблемам пресной воды (Fresh Water Institute). В Европе — Международный институт исследований в области окружающей среды (International Institute for Environmental Studies), Международный институт по окружающей среде и развитию (International Institute for Environment and Development) и др.
В России - Институт океанологии РАН, Мурманский Морской Биологический Институт, Российский научный центр экологии моря и др.
Крупные компании, занимающиеся разработкой морских месторождений, также проводят множество исследований. Так, например, международные компании выполняли моделирование загрязнения районов морской нефтедобычи в Мексиканском заливе (компании Royal Dutch Shell, Exxon Mobil, Chevron, Texaco, Anadarko Petroleum), в Центральной и Южной Америке (компании Devon Energy, Petroleos de Venezuela SA), в Северо-Западной Европе (компании Statoil, ВР, Royal Dutch Shell), в Средиземном море (компания Petroleum GeoServices), в Африке (компании Eni, Texaco), на Ближнем и Среднем Востоке (компании Saudi Aramco, Adma-Opco, RasGas), в Каспийском море (компании АЮС, ВР, Dragon Oil, ЛукОйл, ExxonMobil, Petronas Carigali), на шельфах о. Сахалин (компании Royal Dutch Shell, Exxon Mobil).
Изучением различных особенностей загрязнения акваторий занимался целый ряд исследователей. Проблемы биологических популяций исследовали Ферхюльст П.Ф., Гомпертц Б., Мальтус Т., Базыкин А. Д. [2, 4, 3, 1], движение нефтяного слика на поверхности моря изучали Афанасьев НА., Зданьски А.К., Израэль Ю.А., Крылов Т.О., Монин А.С., Нунупаров СМ., Удодов А.И., Оз-мидов Р.В., Резниченко Г.Ю., Рубин А.Б., Нельсон-Смит А., Тарасенко Л.Н., I. Fay, С. Gerlach, D. Mackay, P. Yapa [33, 28, 73, 104, 75, 74, 133, 134, 132] и др. Моделированием динамики и деструкции нефтяного слика на акватории моря занимались исследователи Марчук Г.И., Гвоздев P.M., Дембицкий С. И., Урте-нов М. X., Шарпан М.В., Lehr W.J., Cekirge Н.М., Fraga R.J., Belen M.S., Reddy G. S., Brunet M., Tkalich P., Huda M. К. и др [119, 122, 131, 21, 23]. Трёхмерными моделями занимались Binliang Lin, Falconer R. A., McGuirk J.J., Rodi W., G. S. Reddy и др [121, 135, 139].
Обобщая исследования международных компаний и институтов, можно подытожить, что во время проведения разведочных и эксплуатационных буровых работ, а также в ходе извлечения и первичной обработки нефти с каждой стационарной платформы в море сбрасываются десятки тысяч тонн различных отходов, основными из которых являются буровые растворы, шламы и пластовые воды. Буровые растворы на водной основе обычно сбрасываются в море без предварительной очистки и нейтрализации [80]. Пластовые воды - воды, поступающие из нефтегазоносных подземных пластов вместе с нефтью и газом в процессе нефтедобычи. Как правило, они содержат остаточные количества нефти, загрязнены природными низкомолекулярными углеводородами, неорганическими солями и взвешенными веществами. Объем нефти, поступающей в море в составе пластовых вод, может достигать десятков тонн в год. В Северном море нефть, поступающая с пластовыми водами, составляет 20% от всех нефтяных сбросов в этом регионе [79]. Кроме собственно нефти, пластовые воды отличаются повышенным содержанием полиароматических (особо токсичных) углеводородов. Известно, например, что пластовые воды на одном из месторождений Мексиканского шельфа имели высокое содержание бензола, толуола и ксилена (10 — 31 мг\кг) и значительное количество бензапирена (1-2 мг\кг). Аналогичные данные были получены в Северном море. Есть сведения о высоком содержании углеводородов нафталинового ряда - 1,7 мг\л — в стоках, сбрасываемых после очистки с буровых платформ в Мексиканском заливе [48].
Наблюдение за химическим составом жидких сбросов при буровых работах на шельфе Норвегии показали высокое содержание фенола и его производных - 5,5-5,9 мл/л. Фенолы отличаются высокой токсичностью, и предельно допустимая концентрация их в природных водах составляет 0,001 мл/л.
Таким образом, при рассмотрении вопросов загрязнения акваторий в процессе освоения морских месторождений необходимо рассматривать все возможные загрязняющие вещества, сопутствующие освоению, а именно вещества, содержащиеся в буровых растворах, шламах и пластовых водах, а также углеводороды.
Исследования техногенного загрязнения проводятся и для российских шельфов. Прежде чем перейти к изучению загрязнения акватории Азовского моря, рассмотрим обзорно ресурсы Российского континентального шельфа (рис.1). Баренцевский шельф - лидирует по запасам углеводородов среди шельфов России. Крупнейшие месторождения - нефтяное месторождение «Медынское море» и Штокмановское газоконденсатное месторождение. На шельфе Карского моря установлено семь крупных структурных складок, с которыми связано формирование Русановского и Ленинградского месторождений газа, а также перспективные для разведки Нярмейская, Скуратовская и Северо-Харасовейская структуры, расположенные в 25 км от берега полуострова Ямал. К 2020 году здесь планируется добывать до 20% от российского газа. Очевидные риски для окружающей среды здесь связаны с использованием танкеров для транспортировки нефти (планируемый дедвейт 20, 40 и 250 тыс. т.), магистральных подводных трубопроводов для транспортировки на берег природного газа и конденсата (571 км по дну моря на глубине до 374 м), добычные комплексы, портовые сооружения, приёмные и отгрузочные терминалы, портфлот, комплекс по производству СПГ. Сложные ледовые условия, характерные для северных морей России, также усиливают экологические риски.
Охотский шельф наиболее подготовлен к промышленному освоению. Здесь открыто шесть крупных газоконденсатных и нефтегазовых месторождений и одно газовое. В настоящее время это единственный район добычи нефти в море. При этом Охотское море обеспечивает около 60% объемов рыбного промысла России. Здесь обитают редкие и исчезающие виды китов, тюленей и других морских млекопитающих. Экологическую угрозу, усиленную сложными природными условиями, здесь также представляет транспортная и добычная инфраструктура. Воздействие на морские организмы и экосистемы начинается уже с геолого-геофизических обследований морского дна, нацеленных на определение его нефтегазоносности. Эффект гидроудара до 150 атм. приводит к гибели или поражению органов и тканей взрослых рыб и мальков. Известны случаи нарушения миграционных путей лососевых рыб в районе сейсмических съемок.
Блок российских месторождений каспийского шельфа включает Хва-лынское, им. Ю. Корчагина, Ракушечное и Центральное. Начало добычи углеводородного сырья на Северном Каспии планируется на конец 2009 года, когда будет введено в эксплуатацию первое морское нефтяное месторождение - им. Юрия Корчагина. К 2010 году нагрузка на экосистему Каспийского моря, в связи с введением в эксплуатацию новых месторождений, увеличится по сравнению с 2004 годом более чем в 15 раз. За период эксплуатации только одной скважины на Каспии в море попадает от 30 до 120 тонн нефти. Резкий скачок объемов нефтедобычи на шельфе в ближайшие годы может привести к колоссальному нефтяному загрязнению акватории Каспия. Исходя из ожидаемой добычи в 250 млн. тонн в год, в целом по Каспию потери составят до 33 тыс. тонн в год. Большая часть придется на Северный Каспий — около 24 тыс. тонн в год.
Поведение нефти в водной среде
Токсичность нефтяных углеводородов в основном зависит от содержания в них ароматических фракций, которые способны сохраняться в морской воде и в донных отложениях длительный период в силу своей стойкости к деградации. Алканы обладают не меньшей токсичностью, но деградация их происходит сравнительно быстрее. Кроме того, в присутствии нефтяных углеводородов токсичность других загрязняющих веществ, в частности металлов и хлорированных углеводородов, проявляется в большей степени. Наличие нефтяных углеводородов и масел в донных отложениях способствует интенсивному накоплению в них хлорированных углеводородов и металлов. С другой стороны, процесс перехода других загрязняющих веществ из донных отложений в воду в присутствии нефти замедляется.
В лабораторных и натурных условиях установлено, что в воде нефтепродукты могут подвергаться одному из следующих процессов: ассимиляции морскими организмами, повторной седиментации, эмульгированию, образованию нефтяных агрегатов, окислению, растворению и испарению. Еще одной особенностью нефтяных загрязнений является способность захватывать и концентрировать другие загрязнения, например, тяжелые металлы и пестициды. Когда нефть распределяется на большой площади, то сильно возрастает вероятность протекания различных реакций, так как вещества, растворимые в нефти, получают возможность участвовать в разнообразных химических процессах.
В случае образования пленки концентрирование происходит на поверхности и возможно в самой пленке. Концентрированние металлов изменяет их токсичность и усложняет молекулярный перенос в пленке вследствие реакций между металлами и органическими соединениями. Эти процессы, протекающие в нефтяной пленке, могут также вызвать концентрирование в замкнутой биологической цепи питания с участием низших организмов. Таким образом, введение загрязнений в питательную среду моря ускорится. Рассмотрим характер растекания нефти по поверхности водоёма.
Скорость растекания нефтепродуктов из легких фракции ниже, чем нефтепродуктов, содержащих тяжелые фракции, так как поверхностное натяжение на границе с водой первых выше, чем у содержащих тяжелые фракции. По той же причине нефтепродукты из легких фракций при том же их количестве растекаются по поверхности воды на меньшей площади. С момента утечки нефти до начала работ по локализации и ликвидации нефтяного загрязнения распространение ее по водоему обычно уже завершается, т. е. зона загрязнения приобретает почти максимальные размеры и определенную форму. Распространение пролитой нефти в условиях водоема происходит в основном под воздействием течения, ветра и колебаний уровня воды и имеет свои особенности. Для реки, ввиду близости берегов и извилистости русла, нефть сравнительно быстро достигает берега. Наличие заводей, мелководных участков, покрытых растительностью, создает благоприятные условия для скопления нефти. На открытых участках водоемов, где действие течения и ветра проявляется в полную силу, она не задерживается, ее неизбежно относит в застойные зоны, где нет течения, а действие ветра направленно в сторону берега или какой-либо преграды. Здесь нефть под действием ветра концентрируется. В этих же местах скапливается и мусор, с которым она обычно перемешивается.
При интенсивном поступлении нефти из поврежденного судна образуется нефтяное пятно в виде широкой полосы, толщина в средней части больше, чем по краям; при постепенном поступлении нефти из судна нефтяное пятно имеет вид узкой полосы. От места утечки нефть перемещается по поверхности воды в направлении равнодействующей сил ветра и течения, но, достигнув берега, перемещается, как бы перетекая вдоль береговой линии, размазываясь по наплескам. Встречающиеся на пути заводи, пойменные озера, старицы практически приостанавливают ее дальнейшее распространение до тех пор, пока их поверхность не покроется слоем нефти или не изменится направление ветра. Когда нефтяное пятно достигает берега, происходит его переформирование. В одних случаях нефть ветром прижимается к берегу или какой-либо преграде и располагается в виде клина - у преграды слой нефти имеет наибольшую толщину, а с наветренной стороны наименьшую; в других случаях, когда действие ветра незначительно, толщина слоя относительно равномерна. Нефть, остающаяся на берегу из-за понижения уровня воды в водоеме, также располагается или в виде клина или равномерным слоем, в зависимости от того, как это было до падения уровня.
При изменении направления ветра или уровня воды, нефть из одних застойных зон может быть отнесена в другие, загрязняя новые участки водоема. Как правило, она располагается вдоль одного берега, заполняя все заводи. Зона загрязнения не всегда бывает непрерывной, нередко загрязненные участки чередуются с чистыми.
Для участков водоемов с быстрым течением характерна большая протяженность зоны загрязнения. Известны случаи; когда она достигала 50-130 км. При слабом течении или его отсутствии, например, в водохранилище, перемещение нефти обусловлено действием ветра, причем скорость ее составляет 3-4% скорости ветра. Протяженность зоны загрязнения при этом меньше, чем на течении.
Плавучая нефтяная пленка может захватывать громадные пространства. Установлено, что одна капля нефти образует на поверхности водоема пятно площадью примерно 0,25 м , а одна тонна нефти покрывает площадь около 500 га поверхности водоема.
Все виды нефти содержат легкокипящие компоненты, которые быстро испаряются. В течение нескольких дней 25% нефтяного пятна исчезают в результате испарения. Низкомолекулярные компоненты выводятся из нефтяного пятна главным образом в результате растворения, причем ароматические углеводороды растворяются быстрее, чем н-парафины при одинаковой температуре.
Большое влияние на поведение нефти в воде оказывает разложение нефти под воздействием бактерий и окисления. Биохимическое (микробиологическое) воздействие бактерий, грибков и других микроорганизмов на компоненты нефти гораздо шире и охватывает самые разнообразные вещества по сравнению с процессами испарения и растворения. Бактериальное воздействие характеризу ется высокой селективностью, и полное разложение всех компонентов нефти требует воздействия многочисленных бактерий различных видов. При этом образуется ряд промежуточных продуктов, для разрушения которых требуются свои организмы. Парафиновые углеводороды наиболее легко разлагаются бактериями. Более стойкие циклопарафиновые и ароматические углеводороды исчезают из океанской среды с гораздо меньшей скоростью.
Содержание питательных веществ и кислорода в воде является ключевыми факторами в процессах микробиологического разложения. Для полного окисления 4 литров сырой нефти требуется кислород, содержащийся в 1,5x106 литров морской воды, насыщенной воздухом при 60С; это эквивалентно количеству морской воды, содержащейся в слое глубиной 30 см и поверхностью 0,5х104м2[85].
Пленка нефти препятствует аэрации. Окисление может замедлиться в воде, обедненной кислородом, в результате более раннего загрязнения. В таких условиях бактериальное разложение может иметь отрицательные последствия, так как уменьшает количество растворенного кислорода. Содержание кислорода в поверхностных слоях воды постоянно пополняется за счет контакта с атмосферой. Однако на глубине более 10 м это пополнение происходит очень медленно. При постоянном расходе кислорода в водоеме, прекращение аэрации может оказаться гибельным для живого мира водоема.
Изучим влияние физических параметров окружающей среды на скорость разложения нефти в воде. Скорость разложения является функцией физических параметров окружающей среды. К таким параметрам в первую очередь относится температура воды, которая служит определяющим фактором в кинетике распада органических веществ. В общих случаях скорость химической реакции с повышением температуры на 10С увеличивается в два-четыре раза. Понижение температуры среды существенно тормозит не только физико-химические, но и биохимические процессы, связанные с деструкцией и трансформацией уг леводородов. Интенсивность разрушения углеводородов зависит также от изменения солености и кислотности среды, особенно в тех районах, которые наиболее подвержены влиянию речного стока.
Особенности современного подхода к обеспечению защиты береговых линий от загрязнений
Современная действительность выводит на новый уровень требования, к системам экологической безопасности. Прежде всего, необходимо выделить следующие особенности:
- комплексность учитываемой информации: необходимо учитывать всё возрастающие объёмы самых разнообразных данных;
- интерактивность: информация должна быть максимально актуальной; - оперативность принятия решения: система должна позволять быстро производить комплексный анализ, выдавая наиболее эффективные результаты.
Очевидно, что удовлетворить данные особенности может только использование информационных технологий и вычислительных мощностей. Одним из решений, учитывающих вышеперечисленные особенности, являются интерактивные карты чувствительности.
Карты чувствительности могут быть рассмотрены как часть научно-методического обеспечения системы экологической безопасности. Они позволяют выработать стратегию реагирования при планировании мероприятий по ликвидации разливов нефти. Это один из основных ресурсов, на которые опираются руководящие и исполняющие органы при принятии решений, оценке последствий разлива, а также расчете необходимых средств реагирования и мест их дислокации, исходя из типичных для данного района условий (рис. 15).
Карты чувствительности представляет собой генерализованное изображение земной поверхности, показывающее распределение объектов живой природы и хозяйственной деятельности человека, которые могут подвергнуться нефтяному загрязнению. Они содержат не только сведения о состоянии окружающей среды района потенциального разлива, но и позволяют оценить уязвимость того или иного объекта к нефтяному воздействию. Помимо этого карты чувствительности дают возможность оперативно определять приоритеты при ликвидации разливов, моделировать и прогнозировать процесс, связанный с разливами нефти, а также оценивать ущерб, нанесенный в результате выброса нефти на побережье.
Одной из основных причин создания карт чувствительности прибрежно-морских зон к загрязнению нефтью является трудность на начальных стадиях разлива адекватно спланировать мероприятия по его ликвидации.
В России первые карты чувствительности были составлены для побережья о. Сахалин в связи с разработкой проекта «Сахалин-1». Это вариант карт на твердом (бумажном) носителе был составлен в 1990-е годы. Существуют карты экологической чувствительности среднего Каспия, выполненные на основе данных дистанционного зондирования. В настоящее время ведется создание электронных версий карт чувствительности. В Дальневосточном регионе России первый опыт создания интерактивного продукта был осуществлен Блинов-ской Я.Ю. в 2000 году для прибрежно-морской зоны залива Посьета (Японское море).
Рассматривая структуру карт чувствительности, очевиден факт их комплексности. Данные, содержащиеся в них, представляют своеобразную информационную базу кадастровой системы.
Карты чувствительности представляют собой не просто совокупность электронных карт с возможностью моделирования различных картографических конфигураций, но и предоставляют доступ к базе данных об объектах, обозначенных на этой карте. Наличие атрибутивной информации картографических объектов и связь с базами данных дает качественно новые возможности для анализа имеющейся информации. Так, например, обозначив ареал зоны потенциального загрязнения и выявив ресурсы, имеющие в данный момент наибольшую / наименьшую чувствительность к нефтяному загрязнению, мы определили контуры областей, имеющих безусловный приоритет для защиты. Являясь информационной системой, выполненной на базе ГИС, карты чувствительности позволяют осуществлять запросы и измерения по интересующим пользователя объектам. Данная возможность является весьма удобной при расчете ущербов и определении вариантов мероприятий по ликвидации разливов (например, использование различных средств реагирования при одинаковых внешних факторах позволит сократить затраты на ликвидационные мероприятия и минимизировать ущерб).
Таким образом, для представления сложного реального мира создаётся модель действительности, на основе которой предполагается решение следующих задач:
дать представление о состоянии и динамике прибрежно-морской среды;
выявить наиболее ценные объекты и прибрежно-морские комплексы, включая промысловые участки;
показать экологически уязвимые к нефтяному загрязнению области прибрежно-морской среды.
Предметная область системы обеспечения экологической ситуации при разработке нефтяных месторождений на шельфе является аварийная ситуация. Геоинформационная система позволяет интегрировать базу данных и модели механизмов взаимодействия субъектов и объектов для описания пространственно-временной изменчивости явлений. Она представляет собой процесс сопоставлення потенциала субъекта с характеристиками внешней среды, в которой этот субъект функционирует. Ситуационный аспект в данном случае является одним из вариантов территориального подхода, в основе которого лежит концепция управления экологической безопасностью. Это означает, что обеспечение экологической безопасности включает в себя подбор факторов организации, соответствующих ситуаций в окружающей среде. При этом рассматриваются все возможные варианты развития ситуации, для каждого из которых определяется соответствующая стратегия реагирования.
Для адекватного воспроизведения территориальной ситуации важным аспектом является учет разнообразных факторов, включая погодные условия на момент разлива, время реагирования, обеспеченность средствами ликвидации аварии. Используя геоинформационный подход, создается расслоение реальности, т.е. представление всего разнообразия задач с использованием принципа, «что будет, если...». Информационное содержание данного аспекта весьма важно при принятии решений. Работа системы обеспечения экологической безопасности включает в себя элементы моделирования, где представляется анализ ситуации и прогноз ее изменения. Моделирование реализуется по принципам системного анализа, когда сформирован геоинформационный образ объекта, и реализуются стадии анализа - постановка проблемы, выбор критерия безопасности, создание модели, анализ стратегий. Таким образом, создается многовариантная модель, основанная на ряде обстоятельств. Пространственный анализ показывает, что решение проблем лежит в плоскости создания эффективных механизмов регулирования ситуации, когда исследуются взаимодействие групп интересов с разными характеристиками и показателями отклонения их состояния от равновесного. Критериями оптимальности решений могут быть быстродействие, минимум отклонения состояния различных групп интересов от равновесного, достижение к определенному моменту времени декларируемых в концепции показателей деятельности и состояния окружающей среды.
Технология ликвидации углеводородного загрязнения береговой линии Азовского моря
Для некоторых побережий наиболее приемлемым способом удаления основной массы нефти может явиться применение техники. В то же время для других ее применение может принести больше вреда для биоты, чем непринятие мер вообще.
Выявив на карте участки береговой зоны различной чувствительности, предлагается комбинация способов, оптимальных для данных условий. Так, на берегах, характеризующихся невысокой чувствительностью (индексы 1 и 2), в случае загрязнения сырой нефтью или мазутом, наиболее оптимальны технологии смывания. Для берегов, представленных индексами 3 и 4 (песчаные побережья), подходит механическая уборка, просеивание, а при локальных разливах - выемка. Берега, оцененные индексом 6, следует обрабатывать органическим сорбентом. В табл. 2 и табл. 3 представлена матрица рекомендаций по выбору технологий ликвидации загрязнения для различных типов нефтей. Приведём несколько примеров.
Рассмотрим случай для наиболее распространённого типа побережья Азовского моря. Предположим, что берегу между косами Камышеватская и Должанская (участок 31) угрожает опасность попадания нефти сырого типа (индекс экологической чувствительности 3). Согласно матрице рекомендаций (см. табл. 5), для этого случая можно рекомендовать ручную уборку, уборку сорбентами и удаление мусора. Также возможна рекультивация загрязнённого осадка и биоремидиация. Так как рассматриваемый участок имеет высокую рекреационную ценность, то метод сжигания на месте использовать не рекомендуется. Возможно использование некоторых химических реагентов, а именно таких, после обработки которыми не останется токсичных, требующих утилизации веществ. В локальных пляжевых местах возможно использование просеивания.
Рассмотрим другой пример. Предположим опасность загрязнения сырой нефтью Ачуевского участка, расположенного северо-восточнее Ачуевского мыса (участок 26). Особенность данной местности заключается в наличие заболоченной земли лиманов и плавней. По шкале чувствительности к загрязнению нефтью участку присвоен индекс 10. Согласно матрице рекомендаций (см. табл. 5), здесь можно наверняка рекомендовать только уборку сорбентами. Ручная уборка и уборка мусора может быть использована только в доступных местах. Нефть имеет высокую степень проникновения вглубь лиманов и плавней, что делает неэффективными методы удаления или рекультивации осадка. Также возможно применение биоремидиации.
Приведённая индексация побережья Азовского моря с выработанными рекомендациями по использованию методов борьбы с загрязнением может быть использована для составления карт чувствительности на основе ГИС для бассейна Азовского моря, а также для решения оперативных задач по ликвидации углеводородного загрязнения.
Статистическая оценка протяжённости береговой линии той или иной чувствительности к загрязнению нефтью может быть использована для обоснования количества инструментов и реагентов для ликвидации загрязнения.
