Проблемы идентификации и количественной оценки

Проблемы идентификации и
количественной оценки
загрязнения геологической
среды нефтепродуктами
Хаустов А.П., Редина М.М.,
Российский университет дружбы народов
Черепанский М.М.,
Российский государственный геологоразведочный университет
Томина Н.М.,
Институт природопользования НАН Беларуси
Оношко М.П., Мамчик С.О.,
Государственное предприятие «БелНИГРИ»
Огняник Н.С., Парамонова Н.К., Брикс А.Л.,
Институт геологических наук НАН Украины
Масштабы загрязнения геологической
среды нефтепродуктами в России
Загрязнение земель В России по данным МЧС: в 2011 г. прирост более чем на 60% и
составил 71.5 тыс. га.
По данным МПР России в 2011 г. произошло около 24 тыс. порывов трубопроводов, что
на 11% меньше, чем в 2010 г. Площадь загрязненных в результате аварии земель в
2011 г. составила 47,3 га, что на 60% меньше чем в 2010 г.
Единой и достоверной информацией о состоянии и загрязненности почв и земель
НП не владеет ни одна организация. Еще больше расхождения по регионам и
предприятиям, занимающимся обращением с нефтью и НП.
Производственные потери нефти и НП (аварийные) – от 3 до 5% от объема
добываемой нефти. При существующих объемах добычи нефти (512,4 млн. т за 2011
г.) ежегодное загрязнение ОС оценивается около 25 млн. т нефти и НП.
В отрасли образовано 3,77 млн. т отходов, большая часть которых – нефтесодержащие
(шламы, нефтезагрязненные части оборудования и отработанных материалов).
Нефтехранилища – источники систематического поступления нефти и НП в окружающую
среду за счет утечек (постоянных либо аварийных). Согласно официальным
документам, естественная убыль при хранении нефти не должна превышать 300 г/т
нефти (НП). Если учесть колоссальные объемы перевалок НП, лишь эти
официальные потери могут составить около 169 тыс. т в рамках естественной убыли.
Современные масштабы загрязнения
 В зонах влияния объектов переработки нефти
 г. Орск: техногенные линзы нефтепродуктов мощностью 500 тыс. т (Гаев и др., 2007)
г. Саратов: две техногенных линзы свободных нефтепродуктов площадью 6 га и 140 га
под Саратовским НПЗ (http://ecopages.ru)
 На территории бывших военных объектов
 на территории склада ГСМ воинской части на севере г. Иваново в грунтовых водах
выявлена плавающая линза керосина площадью 2 га (по данным Геоцентр-Москва)
 В зоне влияния хранилищ нефти и нефтепродуктов
 Воронежская нефтебаза: линза нефтепродуктов на поверхности горизонта грунтовых
вод с содержанием 40…8051 мг/л и в грунтах – 250 …4850 мг/кг (Зинюков и др., 2010)



Абаканская нефтебаза: на площади ≈40 га выявлено 3 линзы НП (смесь 60–80%
бензина и 20–40% диз.топлива с незначительной примесью масел). Общее количество
нефтепродуктов 2000–2500 м3. Параметры линз меняются в зависимости от положения
уровня грунтовых вод. Наибольшую площадь (до 6–7 га) и мощность (до 0,8–1,0 м)
линзы имеют при низком уровне грунтовых вод (Наливайко и др., 2006).
Моздокский очаг загрязнения (в эпицентре –
Моздокский аэродром): общая площадь очага 163 км2.
Сформировалось 5 линз керосина мощностью 0,01-0,6 м.
Объем ≈ 9,7-12,5 тыс.т керосина (Зайцева и др., 2006)
 Результат аварийного/техногенного нарушения
технических систем
 г. Грозный: линза нефтепродуктов площадью ≈30 км2,
мощность – до 12 м; объем 1…5 млн т нефтепродуктов
(Гайрабеков, 2009; Керимов, 2007 и др.)
Источники загрязнения грунтовых толщ
нефтепродуктами в районе нефтехранилищ
Частота возникновения аварий
С момента добычи до непосредственного
использования нефтепродукты
подвергаются более чем 20 перевалкам, при
этом 75% потерь происходит от испарений и
25% - от аварий и утечек
По действующим нормам потери
нефтепродуктов на складах ГСМ,
нефтебазах, предприятиях
нефтепереработки официально
не должны превышать 3% оборота
Место аварии
Резервуарный парк
Железнодорожные
цистерны
Насосное
оборудование
Трубопроводы
Всего по объекту
Частота возникновения
аварий с появлением
поражающих факторов на
ПНБ, год-1
2,1-10-2
1,510-2
1,110-2
4,6-10-3
5,2-10-2
Объём утечек
по мере старения основных фондов
(по данным ОАО «Роснефть»)
Инфильтрация
Ненасыщенная
зона
Испарение
и диффузия
Капиллярная
зона
УГВ
Насыщенная
зона
Отдельные РастворениеАнаэробная
Аэробная
фазы топлива
биодеградация биодеградация
Беларусь: особенности загрязнения
геологической среды нефтепродуктами
значительное количество источников поступления нефтепродуктов в
окружающую среду на сравнительно небольшой территории:
 автозаправочные станции – около 5 тыс.,
 склады – более 50,
 старые мазутохранилища тепловой отрасли энергетики – сотни
объектов;
 месторождения с залежами нефти – открыто 73,
 нефтепроводы – общей протяженностью около 3000 км,
 нефтепродуктопроводы – 1107 км);
значительный срок эксплуатации большинства объектов (более 50 лет)
и высокая степень физического износа оборудования  практически
постоянное поступление НП в геологическую среду;
постоянные утечки НП (хотя и в небольших объемах)  формирование
визуально неидентифицируемых очагов загрязнения в почво-грунтах и
подземных водах, по масштабам сопоставимых с аварийными ситуациями;
долговременное нахождение НП в ГС  их трансформация в
неидентифицируемые формы  сложности установления принадлежности
к источнику загрязнения и выбора методики регенерации ГС.
Необходимые данные для прогноза последствий
взаимодействия нефти и геологической среды
Испарение
от 25 до 75% от объема разлива
в зависимости
от вида нефтепродуктов,
трансформация загрязнения
Необходимые данные для прогноза последствий:
• Характеристики нефтепродукта
• Характеристики грунта
• Метеоусловия
• Время существования загрязнения
• Ценность природных комплексов
• Социально-экономические характеристики
загрязненной территории
• …
Проблемы анализа
экологических последствий:
Просачивание в грунт
по профилю почв, с возможным
проникновением
в подземные воды
и трансформацией загрязнения
Восстановительные
мероприятия
• Отсутствие адекватной нормативной
базы по оценке качества почв и земель
• Отсутствие удовлетворительной
методической базы для расчета
экологических последствий
• Отсутствие методической базы для
оценок эколого-экономических ущербов и
выбора ремедиационных мероприятий
• Отсутствие удовлетворительного
нормативного обеспечения
Современная нормативная база в сфере
землепользования
Важнейшие стандарты:
Нормативы качества земель
(химический состав, уровни
нарушенности и загрязненности)
Нормативы допустимых
воздействий
 изъятия для различных
хозяйственных объектов,
 внесения веществ
(удобрений, пестицидов)
 загрязнения
Нормативы стоимости земель
Нормативы оценок экологоэкономических ущербов
Нормативы образования
отходов
Проблемы разработки и применения
нормативов
Недоучет многообразия природных
условий в регионах
Недоучет трансформации нефтяных
загрязнений и миграции в компонентах
окружающей среды
Недоучет экономических последствий
нарушений и химического загрязнения
земель (отставание методологической и
методической базы экономических
оценок)
Неэффективное информационное
обеспечение
• Отсутствие адекватных методик оценки ущерба от загрязнений;
• Отсутствие специализированных методик оценки эффективности
природоохранных мероприятий
• Необоснованность стимулирующих мероприятий
• Сложность обоснования размеров компенсационных выплат
Отсутствие удовлетворительных экономических оценок
последствий аварий
Отсталость и неразвитость нормативной базы
Недооценка экономических последствий аварий
Невозможность принудить виновников к полной компенсации
причиненного вреда
Неадекватное обоснование выбора природоохранных реабилитационных
мероприятий и некачественные работы по восстановлению окружающей
среды: запланированные на случай аварийных событий средства и способы
ликвидации негативных последствий малоэффективны, недостаточны, либо
непригодны для использования в условиях конкретной аварии.
 Невозможность эффективных ликвидационных и восстановительных
мероприятий
 Потребность в дополнительных (иногда весьма существенных) затратах.
Пример: использование биопрепаратов для утилизации НП-загрязнений.
Применяемые бактериальные препараты далеко не всегда эффективны
для естественных условий
Несовершенство оценок загрязнения ГС на объектах хранения,
транспортирования и отпуска нефтепродуктов : недоучет региональных
особенностей, локального в пространственном отношении характера и
пролонгированного во времени поступления НП в ГС.
Пример: выявленные локальные очаги загрязнения НП на территории
Беларуси, приуроченные к нефтебазам, период эксплуатации которых
составляет более полувека.
Наибольшие очаги загрязнения – на участках размещения сливно-наливных
эстакад, формируются длительное время в результате постоянного
поступления НП за счет переливов, которые в советское время
рассматривались как штатный режим.
Необоснованное нормирование расходования НП на объектах
автотранспорта, аэродромах, в том числе военных,
Появление значительных очагов загрязнения в труднодоступных местах, куда
сливались избытки неизрасходованных НП.
Отсутствие правовых механизмов обращения с отходами, содержащими
углеводороды (шлам от зачистки резервуаров, замазученный песок и др.)
Несанкционированное их складированию вдоль проселочных дорог, лесных
массивов и др.
Проблема объективной оценки последствий
нефтяного загрязнения для состояния
геологической среды, включая подземные воды
Отставание теоретического обеспечения и нормативной базы от современных
потребностей
Отсутствие удовлетворительных методик оценки последствий аварий,
соответствующих современным экологическим требованиям и ограничениям.
Практически ни одна действующая методика оценки последствий УВ-загрязнений
не учитывает в полном объеме многообразие трансформации УВ-соединений,
изменчивости скоростей фильтрации и инфильтрации нефтяных УВ, сорбции
в зависимости от состава трансформантов, трехкомпонентности флюида,
гидрогеологического состояния зон аэрации и насыщения и др.
Недоучет
механизмов
фазовых переходов
Недоучет возраста
нефтяного
загрязнения
Недоучет
анизотропности
движения
Недоучет типа и
свойств
поллютантов
Модели справедливы для растворов, но в ряде случаев принципиально неприменимы к
описанию формирования линз НП и движения их на поверхности грунтовых вод
Необходимо применение принципиально новых моделей, которые учитывали бы данные
процессы и специфику углеводородов
Проблемы оценок последствий загрязнения
по валовым содержаниям нефтепродуктов
геоэкологические оценки загрязнения
компонентов ландшафтов: преимущественно
рассматриваются валовые содержания
нефтепродуктов без учета процессов
естественного фракционирования
 недоучет токсических свойств углеводородов в компонентах
ландшафтов
 недостоверность учета миграции (УВ) в системе «почва–атмосфера–
грунты–влага–растение»
 неадекватный прогноз восстановления нарушенного ландшафта и
выбор технологий ремедиации
 заниженные оценки экологических ущербов
Учет процессов трансформации и
фракционирования нефтезагрязнения
Существенные факторы трансформации УВ
кислотность почв
изменение морфологических,
физико-химических и
микробиологических свойств
биодеградация (10-90%) вплоть до
полной деградации с невозможностью
развития растительности
степень гумификации
наличие заторфованности
ухудшение аэрации
(в первую очередь горизонта А)
смена окислительно-восстановительных
условий
ПРИМЕР:
распределение загрязнений при разливе нефти на торфяных почвах:
• на глубине 5–7 см – продукты окисления битумоидов: неактивные смолистоасфальтеновые вещества;
• далее 5–10 см - тяжелые парафиновые и маслянистые соединения;
• далее до 10 см – легкие парафины, полиароматические соединения;
• глубина 30–60 см, в отдельных случаях – до 120 см (дерновослабоподзолистые почвы на суглинках, карбонатные) – бензино-керосиновая
фракция.
Примеры оценок баланса углеводородов
Ориентировочные оценки убыли НП:
 испарение – до 20-40%;
 образование киров – 3-5%;
 сорбция на грунтах:
–
–
–
–
гравий – грубозернистый песок – 8;
песок крупный – средний – 15;
песок средний – мелкий – 25;
песок глинистый – 40.
Сокращение формы линзы на
уровне грунтовых вод в
среднем составит 2-3 см/год это интегральный
показатель баланса НП в
зоне насыщения
 просачивание до уровня грунтовых вод
ПРИМЕР: баланс ПАУ, мкг/м2 (Габов, 2005):
– подзолистая почва (средняя тайга): приход с осадками 9,94, вынос 6,26;
прирост 4,21; запасы 1134;
– глееподзолистые почвы (северная тайга): приход с осадками 11,97; вынос
4,49; прирост 7,7; запасы 218,5.
Наибольшие ошибки при построении модели миграции связаны
с недоучетом роли почвенного слоя.
Константы распада НП определяются различными процессами, но
превалирующая роль принадлежит биоразложению:
λ = n·10-2 ÷ n·10-3 м/сут.
растворение: λ = 3·10-10 ÷ 3·10-9 м/сут.)
испарение: λ = 5,4·10-6 (для бензинов) ÷ 2,4·10-8 м/сут. (для дизтоплива)
Проблемы оценки последствий аварий
Отсутствие мониторинга потерь при обращении с НП
Требуется проведение специальных экологических аудитов на всех объектах,
паспортизации загрязненных территорий и организации мониторинга
компонентов природной среды.
Системы мониторинга различаются целевой направленностью и составом
выполняемых работ в зависимости от уровня экологической опасности
Необходимость анализа сложных ситуаций и принятия решений в сжатые сроки
в критических условиях требует привлечения экспертов, мнения которых
могут быть необъективными в силу недостаточной информированности.
Необходимость создания специализированных экологических экспертных
систем (ЭЭС) по оценке последствий нефтяных загрязнений и поддержке
принятия управленческих природоохранных решений.
ЭЭС обеспечивают оперативность получения необходимой информации в
необходимых формах с учетом уровней реагирования и изменяющейся
ситуации.
Экспертные системы
Экономические
факторы
Критические ситуации,
связанные с попаданием
углеводородов в
окружающую среду,
характером загрязнения,
неэффективностью
восстановления среды
Социальные факторы
Экологические факторы
Выбор
технологии
реабилитации
геол.среды
Законодательные ограничения
Экономические последствия
Экологические последствия
Проблемные ситуации
и необходимость выбора оптимальных технологий
реабилитации геологической среды
Экспертная система - компьютерная программа,
использующая знания и логику рассуждений эксперта с
целью выработки рекомендаций или решения проблем
Принципиальные этапы создания ЭС
Тестирование
Идентификация
Требования
Концептуализация
Завершение
Переформулирование
Правила
Усовершенствование
Переконструирование
Понятие
Опытная
эксплуатация
Формализация
Выполнение
Структуры знаний
Перспективы применения ЭЭС по
реабилитации геологической среды
Потенциальные пользователи
Руководство и специалисты
объектов обращения с НП
Органы
МЧС
Органы
МПР
Научные и
Нефтегазовый
образовательные
комплекс
учреждения
Примеры случаев применения ЭЭС
 Аварийные загрязнения геологической среды НП.
 Чрезвычайные ситуации при достижении фронтальной части
латентно распространяющегося в подземной гидросфере НПзагрязнения участка природного или искусственного дренирования
грунтовых вод.
 Разработка планов реагирования на чрезвычайные ситуации и
аварии (Планы ликвидации аварийных ситуаций - ПЛАС, Планы
ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов –
ПЛАРН).
Создание ЭЭС по реабилитации
геологической среды: основные задачи
– системный анализ рисков, связанных с НП-загрязнениями
окружающей среды;
– оценка потенциалов самоочищения загрязненных компонентов
окружающей среды;
– применение ГИС-технологий для моделирования ландшафтных и
геологических условий;
– использование современных технологий моделирования и
визуализации процессов миграции и трансформации нефти и НП;
– наполнение блоков моделирования последствий аварий
новейшими данными о поведении нефти и НП в различных
ландшафтных и геологических условиях;
– анализ современных оптимальных ремедиационных технологий и
технических средств с учетом оценок потенциала самоочищения
компонентов окружающей среды;
– взаимодействие с профильными компаниями ТЭК, органами МЧС,
территориальными природоохранными органами, научными и
проектными организациями.
Основные блоки ЭЭС по реабилитации
геологической среды
Базы знаний по химическому составу
нефтей и НП, нормативам качества сред
и фоновым концентрациям УВ, их
ассоциаций в компонентах ГС и др.
Блок
геологических
условий
Блок условий техногенной
нагрузки (геоэкологическое
обоснование)
Экологическая экспертная система по ликвидации
последствий нефтезагрязнений
Блок расчета
соответствия
качества
сред
нормативам
(фону)
Блок оценки состояния ГС с
идентификацией
компонентов, не
соответствующих
нормативным требованиям:
выделение групп объектов,
подвергшихся загрязнению
для приоритетных действий
Блок представления
информации в виде
карто-графических
обобщений
Блок моделирования процессов
распространения и
трансформации НП-загрязнений в
различных компонентах ГС, а
также прогноза самоочищения на
основе принципов
самоорганизации в природных и
природно-техногенных системах
Блок выбора оптимальных
технологий и технически средств
реабилитации геол. среды
Блок
обучения
работе с
системой
Другие подсистемы
(мониторинга, визуализации,
экономических расчетов)…