В настоящее время добыча, переработка и транспортировка нефти стремительно развивается и вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Но не следует забывать о том, что данная отрасль может оказывать значительное влияние на все компоненты природной среды. На каждом этапе своего развития нефтяная промышленность может оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Добыча нефти приводит к деградации почвы и загрязнению мирового океана, переработка, транспортировка – является источником загрязнения атмосферы, почвы и водных объектов, к тому же повсеместное использование углеводородов сказывается на состоянии всех компонентов природной среды, имея накопительный характер.
Загрязнение компонентов природной среды при транспортировке нефти и нефтепродуктов происходит в результате аварий на нефтепроводах, которые возникают в результате отказа механизмов, нарушения требований к эксплуатации оборудования, а также несанкционированных врезок. Как правило, такие аварии имеют залповый характер и приводят к масштабным экологическим проблемам.
«Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений: алканов, некоторых циклоалканов и ароматических углеводородов различной молекулярной массы, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений, многие из которых высокотоксичны» [1].
Кроме того, нефть и ее органические соединения могут находиться в почве в парообразном, жидком подвижном и свободном неподвижном состоянии, а также в сорбированном на частицах почвы виде и в виде плотной массы на поверхности [2].
Загрязнение нефтью и нефтепродуктами, возникающее в результате аварий, приводит к значительным изменениям структур биоценозов и фитоценозов, что является причиной их деградации [3]. Сельскохозяйственные угодья на длительный период времени полностью изымаются из пользования.
Нефть приводит к изменению химического состава почвы, ее свойств и структуры. Прежде всего, это оказывает влияние на гумусовый горизонт, изменяя его состав, а также затрудняет поступление влаги к корням растений, что сказывается на физиологическом развитии растений, к тому же процесс самовосстановления почвы протекает очень медленно. Исходя из этого, целью работы является оценка состояния территории, подвергшейся нефтяному загрязнению в результате аварии нефтепровода, произошедшей более 20 лет назад.
Материалы и методы исследования
Для проведения исследования был выбран участок лесного массива Злынковского района Брянской области, на территории которого, в результате прорыва магистрального нефтепровода «Куйбышев – Унеча – Мозырь-1 и 2» компании АО «Транснефть-Дружба» произошел разлив нефтепродуктов. В результате чего территория площадью около 10 га оказалась залита нефтью, что привело к масштабному загрязнению почвенного покрова. С момента аварии на нефтепроводе до момента исследования прошло более 20 лет, однако на данной территории не проводились мероприятия по рекультивации нефтезагрязненной почвы, что привело к угнетённому состоянию лесных пород и деградации растительного покрова. На поверхности почвы отчетливо наблюдались следы нефтепродуктов. Для исследования и оценки состояния почвенного покрова в 2017 г. были отобраны пробы почвы на загрязненной территории согласно известной методике [4]. Отбор проб почвогрунтов и определение массовой концентрации нефтепродуктов в отобранных пробах проводилось отделом аналитических исследований Брянского филиала Федерального государственного бюджетного учреждения «Центр лабораторного анализа и технических измерений по центральному федеральному округу», действующим на основании аттестата аккредитации № РОСС RU.0001.511747, выданного 07.12.2017 г. Для исследования отбирались пробы почвогрунта в одиннадцати определенных точках обследуемой площадки, где производилась закладка участка площадью 1х1 м с соответствующим послойным снятием грунта до глубины 10 см и последующей выемкой слоя грунта (проба) до глубины 20 см одноразовым совком из полипропилена на полиэтиленовую пленку. Вынутый грунт на месте подвергался усреднению. Последовательным квартованием проводилось взятие усредненной пробы в стеклянные емкости объемом 3 л с пришлифованными крышками. Аналогично проводился отбор пробы до глубины 40 см. Кроме того, для определения фонового содержания нефтепродуктов в почве, послойный отбор проб проводился на территории, не подвергшейся загрязнению нефтепродуктами в результате аварии магистрального нефтепровода. Координаты мест отбора проб представлены в табл. 1.
Результаты исследования и их обсуждение
На основании анализа литературных источников по данной проблеме можно сделать предположение о том, что легкие фракции нефти испаряются с поверхности разлива, оставшиеся тяжелые неиспарившиеся фракции нефти сорбируются минеральными и органическими компонентами почвенного покрова, в зависимости от гранулометрического состава и влажности грунта.
Почвы на территории района отбора проб представлены подзолистыми песчаными и супесчаными типами, на которых произрастают елово-сосновые леса, с участием мягколиственных и твердолиственных пород. Согласно единой классификационной шкале почв по гранулометрическому составу, предложенной В.И. Кирюшиным (1996), данный тип почвы включает фракции крупного и среднего песка и характеризуется высокой водопроницаемостью и низкой влагоемкостью. Исходя из этого, сорбционная способность углеводородов в единице объема почвогрунта составит 15 л/м3.
Так как разлив нефти произошёл более 20 лет назад, значительная часть нефти с поверхности почвы просочилась в нижние горизонты. Скорость и глубина инфильтрации зависят от таких факторов, как структура, состав, растительный покров, уровень грунтовых вод. В результате проведения ряда повторных измерений [5] были получены следующие данные, представленные в табл. 1.
Обработка результатов проводилась с помощью математического моделирования с применением компьютерного программного пакета – Mathcad.
Так как объект исследования оказывается под влиянием факторов, не имеющих количественной оценки, то использовался метод дисперсионного анализа, который был предложен Р. Фишером и развит Р. Йейтсом [6].
Рассмотрим влияние мест отбора проб на содержание нефтепродуктов в почве. Для этого проведем вычисление средних арифметических величин по формулам
Отсюда k0 = M – 1, kx = u – 1, kε = M – u.
Вычисление общей средней величины проводилось по формуле
Отсюда YCP = 8,989•104.
Таблица 1
Содержание нефтепродуктов в пробах почвы
|
Место отбора пробы |
Координаты точек отбора проб |
Содержание нефтепродуктов на глубине горизонта 0–20 см; мг/кг |
Содержание нефтепродуктов на глубине горизонта 20–40 см; мг/кг |
|
Фоновая проба. Точка отбора № 1 |
52.413679, 31.785057 |
340 |
320 |
|
Территория участка «Северный» Точка отбора № 2 |
52.413102, 31.786001 |
98200 |
95000 |
|
Территория участка «Северный» Точка отбора № 3 |
52.413640, 31.786859 |
121000 |
116300 |
|
Территория участка «Северный» Точка отбора № 4 |
52.412597, 31.787181 |
104000 |
105500 |
|
Территория участка «Северный» Точка отбора № 5 |
52.412131, 31.786859 |
127000 |
129000 |
|
Фоновая проба. Точка отбора № 6 |
52.408758, 31.786459 |
310 |
270 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 7 |
52.408629, 31.789231 |
135000 |
137800 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 8 |
52.410197, 31.789327 |
179000 |
177500 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 9 |
52.409862, 31.789317 |
23000 |
27000 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 10 |
52.410053, 31.786876 |
69000 |
67500 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 11 |
52.409711, 31.786940 |
30000 |
34000 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 12 |
52.409324, 31.788260 |
78000 |
86300 |
|
Территория участка «Южный» Точка отбора № 13 |
52.411050, 31.788356 |
24600 |
27800 |
Вычисление дисперсий проводим по формулам
В результате получили
SX2 = 7,647·109 S02 = 2,39·109 Sε2 = 1,482·103.
Вычисление статистики проводилось следующим образом:
Отсюда Fb = 3,548·106
В данном расчете статистики Fb критерия Фишера сравнивается со значением встроенной функции qF(p, d1, d2), используемой в Mathcad. При уровне значимости α = 0,1, величина xα = 1,904.
Корреляционное отношение находим по формуле
σ = 4,888·104.
Плотность вероятностей величины загрязнения почвы нефтепродуктами в горизонтах 0–20 см и 20–40 см представлена на рис. 1 и 2.
Корреляционное отношение при исследовании содержания нефтепродуктов в горизонте 20–40 см соответствует σ = 4,733·104.
Из приведенных вычислений следует, что уровень загрязнения почвы нефтепродуктами представляет величины, имеющие нормальное распределение:
– в горизонте 0–20 см 4,888·104 – 3,000·105;
– в горизонте 20–40 см 4,733·104 – 2,800·105.
Уровни содержания нефтепродуктов в почве зависят от места и глубины отбора проб.
Согласно исследованиям, проведенным МакДжилом, «при содержании нефти в почве от 20000–50000 мг/кг сухой почвы – степень нарушенности определяется от умеренной до высокой, а при содержании нефти в почве свыше 50000 мг/кг степень нарушенности определяется от высокой до очень высокой. Безопасный уровень содержания нефти в почве соответствует 5000 мг/кг» [7].
Рис. 1. График плотности вероятностей величины загрязнения почвы нефтепродуктами в горизонте 0–20 см
Рис. 2. График плотности вероятностей величины загрязнения почвы нефтепродуктами в горизонте 20–40 см
Результаты исследования выявили значительное превышение содержания нефтепродуктов в почве в местах разлива нефти над фоновой концентрацией. Данное превышение в некоторых пробах достигает более чем 80 раз. Максимальное значение концентрации нефтепродуктов в почве более чем в 5 раз превышает безопасный уровень содержания нефти и нефтепродуктов в почве. Согласно полученным данным, уровень содержания нефтепродуктов в пробах почвы, отобранных на исследуемой территории, определяет степень нарушенности от умеренной до высокой. При таком содержании нефти процесс восстановления почвы протекает медленно, что подтверждается результатами исследования.
Кроме того, наблюдалась неравномерность в загрязнении территории. Наибольшее содержание углеводородов было обнаружено в пробах, отобранных недалеко от места прорыва нефтепровода. Проведенный анализ показал значительное содержание нефтепродуктов в горизонте почвы на глубине от 20 до 40 см. Это объясняется структурой почвы. Песчаные и супесчаные типы характеризуются пористой структурой, что приводит к инфильтрации вредных примесей в нижние горизонты. Это ведет к изменению водно-воздушного режима, структуры почвы и миграционных способностей отдельных микроэлементов, а также нарушению корневого питания растений и растительного покрова [8].
С учетом уровня загрязнения почвы нефтепродуктами необходимо наметить проведение комплекса мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель. Для этого предполагается провести санацию почвы с последующей биоремедиацией нефтезагрязненной территории. На первом этапе рекомендуется использовать механический метод очистки, путем вырубки лесных пород и снятия загрязненного слоя почвы, глубиной около 20–30 см. На втором этапе снятый слой почвенного покрова необходимо заменить смесью биопрепарата, песка и опилок. На третьем этапе провести посадку и посев растений, устойчивых к воздействию углеводородов и способствующих очищению почвы от нефти.
Выводы
1. Отсутствие мероприятий по восстановлению нефтезагрязненной почвы привело к угнетённому состоянию лесных пород и деградации растительного покрова.
2. Согласно результатам исследования, содержание нефтепродуктов в пробах почвы, отобранных в местах разлива нефти, превышает фоновую концентрацию более чем в 80 раз. Кроме того, проведенный анализ показал превышение концентрации нефтепродуктов в почве над безопасным уровнем более чем в 5 раз. Максимальное значение концентрации нефтепродуктов в почве более чем в 30 раз превышает безопасный уровень содержания нефти и нефтепродуктов в почве. При таком содержании нефти процесс восстановления почвы будет проходить длительный период.
3. С учетом уровня загрязнения почвы нефтепродуктами необходимо провести комплекс мероприятий, направленных на восстановление продуктивности и хозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель.