автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Исследование процессоров распространения нефтяных загрязнений в почвах при анализе чрезвычайных ситуациях на объектах нефтегазового комплекса

На правах рукописи

04201103492 Панжин Дмитрий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОЧВАХ ПРИ АНАЛИЗЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОБЪЕКТАХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

05.26.02 — безопасность в чрезвычайных ситуациях (нефтегазовая отрасль)

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................................................................3

Глава 1. Анализ возникновения и развития чрезвычайных ситуаций в районах с нефтяным загрязнением........................................................................8

1.1 .Принципы нормирования химических загрязнений почвы................8

1.2. Свойства почв, влияющие на их химическое загрязнение..............21

1.3. Исследование разливов нефтепродуктов в пористых почвенных средах с использованием перколяционных процессов......................................36

Глава 2. Исследование влияния физических и морфологических факторов на пористость почвенного покрова.....................................................50

2.1. Использование коэффициента нефтеемкости, как критерия пористости, для оценки степени нефтяного загрязнения почв.........................50

2.2. Изучение влияния гранулометрического состава на пористость почв.........................................................................................................................53

2.3. Изучение влияния морфологического типа на пористость почв ....63

2.4. Изучение влияния относительной влажности на пористость почв. 69

Глава 3. Исследование процессов распространения нефтяного загрязнения в почвах с использованием механизма перколяции.....................80

3.1. Исследование влияния гранулометрического состава и морфологии почвенных отложений на проницаемость почв..................................................80

3.2. Лабораторное моделирование и выявления признаков самоподобия нефтяных фрактальных образований на пористых почвенных структурах....87

Выводы.......................................................................................................112

Литература..................................................................................................114

Введение

Нефть и нефтепродукты относятся к наиболее опасным органическим загрязнителям окружающей среды. За последние десятилетия по всему миру произошла целая серия экологических катастроф, возникло множество чрезвычайных ситуаций самого различного масштаба, связанных с разливами нефти. Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов чаще всего происходят при их добыче и транспортировке, накопительное загрязнение может происходить при длительной работе нефтеперерабатывающих заводов, а также вокруг любых хранилищ нефти и нефтепродуктов. При оценке уровней загрязнения почв нефтепродуктами необходимо учитывать их поведение в экосистеме, возможности их миграции и биодеградации.

Нефтепродукты по-разному ведут себя в различных природных системах. В воздушной и водной средах поведение нефтяного загрязнения в большей мере определяется физическими условиями и мало зависит от структуры, состава, свойств самой среды. В воздушной среде нефтепродукты находятся в виде паров или в капельножидком состоянии, и относительно равномерно распределены в приземном слое атмосферы. На водных объектах нефтепродукты в силу их крайне низкой растворимости в воде преимущественно выделяются в отдельную фазу, в основном покрывающую поверхность и в небольших количествах оседающую на дно в виде комков тяжелых компонентов.

Наиболее сложно описать процессы поведения нефтяного загрязнения в почвах. Основная опасность загрязнения почв заключается в том, что почвы являются пористой субстанцией, пропускающей нефтесодержащие вещества. Локализовать разлив на суше куда сложнее, чем на воде, поскольку бо-новые заграждения здесь неприменимы. Полностью очистить почву превентивными мерами практически невозможно. Приходится планомерно обраба-

тывать поражённый сектор всеми возможными методами, после чего проводить длительный процесс рекультивации земли.

Изучение процессов взаимодействия нефти и нефтепродуктов с почвами, как и вообще с объектами окружающей среды, в, большинстве научных исследований сводится к выявлению особенностей самого нефтяного загрязнения, его количества, природы и состава. В меньшей степени такого рода исследования касаются; особенностей: систем окружающей среды и их влияния на характер поведения загрязнений. Большое разнообразие почв по их морфологическим, физическим, химическим свойствам в наибольшей степени по сравнению с другими природными средами обитания человека должно сказываться^ на особенностях поведения; в них инородных нефтепродуктов. Между тем, не выработаны принципы выделения типов почвенных отложений по их влиянию на поведение нефтяного загрязнения. Поэтому важной задачей представляется разработка методики, с использованием которой можно было бы классифицировать почвы по этому признаку.

Почвенный покров (педосфера) является важнейшим звеном любой экологической системы суши Земли. Деградация этого звена на относительно больших пространствах может привести к чрезвычайным ситуациям любого масштаба. На характер поведения нефтяного загрязнения в почвах могут оказывать влияние различные процессы — физическое протекание, испарение, вымывание; биологическая деградация; химическое, преобразование. Одним из важных почвенных факторов, влияющих на возникновение и развитие чрезвычайных ситуаций при нефтяном загрязнении, является характер распространения нефтяного загрязнения в почвенном слое. Изучение процессов распространения- инородных нефтепродуктов в почвах представляет собой актуальную задачу.

Цель исследования: изучение влияния свойств почв на особенности распространения нефтяного загрязнения при анализе чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов.

Научная задача исследования: разработка принципов диагностики почвенных отложений по их влиянию на накопление и распространения нефтяных загрязнений.

Объект исследования: почвы различного гранулометрического и морфологического состава, нефть, товарные нефтепродукты.

Предмет исследования: процессы распространения нефтяных загрязнений в почвах.

Методы исследования: гранулометрический анализ, анализ пористости и проницаемости почв, регрессионный анализ.

Задачи исследования:

1. Изучить зависимость характера процессов нефтепоглощения и проницаемости почв от различных физических факторов.

2. Установить функциональную зависимость пористости и нефтеемкости глинисто-алевролитовых почв от их гранулометрического состава.

3. Установить функциональную зависимость проницаемости глини-сто-алевролитовых почв от их гранулометрического состава

4. Провести физическое моделирование нефтяных фрактальных образований на пористых почвенных структурах с использованием механизма перколяции.

Научная новизна.

1. Установлено, что характер зависимости нефтеемкости, пористости и проницаемости глинисто-алевролитовых почв от различных физических факторов имеет критическую область значений, в которой при плавном изменении гранулометрического состава, происходят резкие качественные изменения свойств почвенных систем по отношению к нефтяному загрязнению.

2. Выявлено, что убывание весового коэффициента нефтеемкости и пористости с увеличением размера фракций описывается обратной экспоненциальной зависимостью.

3. Выявлено, что зависимость коэффициента проницаемости различных гранулометрических фракций глинисто-алевритовых почв от размера зерен описывается сигмоидальной функцией Больцмана.

4. Предложена физическая модель протекания (перколяции) нефтяного загрязнения через пористые почвенные структуры, показывающая, что ниже порога перколяции нефть образует в почвах фрактальные структуры.

Практическая значимость результатов заключается в разработке методики слежения за воздействием на почвенный слой нефтепродуктов, позволяющей классифицировать почвенные отложения по их отношению к нефтяному загрязнению и выделять зоны чрезвычайных ситуаций различного характера при разливах нефтепродуктов в почву.

Реализация работы. Результаты работы используются в практической деятельности экспертных организаций МЧС России.

Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплине «Криминалистическое исследование веществ, материалов, изделий».

Достоверность научных положений и выводов, изложенных, в диссертации, основана на использовании современных физико-химических методов анализа и обеспечена значительным объемом аналитического материала по изучению физических характеристик почв. Обработка результатов проведена методом регрессионного анализа с использованием современного пакета прикладных программ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Критическая область в характере зависимостях пористости и проницаемости глинисто-алевролитовых почв от различных физических факторов, в которой при плавном изменении гранулометрического состава, происходят скачкообразные изменения свойств почвенных систем по отношению к нефтяному загрязнению.

2. Функциональная зависимость пористости и нефтеемкости глини-сто-алевролитовых почв от гранулометрического состава почв.

3. Функциональная зависимость проницаемости глинисто-алевролитовых почв от их гранулометрического состава.

4. Физическая модель протекания (перколяции) нефтяного загрязнения в пористых почвенных структурах, сопровождающегося образованием в почвах фрактальных нефтяных структур ниже порога перколяции.

Апробация работы.

Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз, а также на конференциях: «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (II международная научно-практическая конференция, г. Санкт-Петербург, октябрь 2009 г.), Совершенствование работы в области обеспечения пожарной безопасности людей на водных объектах (научно-практическая конференция, УСЦ Вытегра МЧС России, июль 2010 г.), «Fire and Explosion Protection» (12 международная конференция, г. Нови Сад, октябрь 2010 г.), «О правовом регулировании судебно-экспертной деятельности в РФ» (научно-практическая конференция, г. Санкт-Петербург, ноябрь 2010г.).

Основное содержание диссертации изложено в 6 печатных работах, из них две - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы (105 наименований). Общий объем работы составляет 122 страницы печатного текста, содержит 50 рисунков, 13 таблиц.

Глава 1. Анализ возникновения и развития чрезвычайных ситуаций в районах с нефтяным загрязнением

1.1.Принципы нормирования химических загрязнений почвы

Нормирование в области охраны окружающей среды осуществляется в порядке, установленном Правительством Российской Федерации, и заключается в установлении нормативов качества окружающей среды, нормативов допустимого воздействия на окружающую среду при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, иных нормативов в области охраны окружающей среды, а также государственных стандартов и иных нормативных документов.в области охраны окружающей среды [1]. Все они также касаются отдельных элементов экосистем.

Решение столь сложной и многоплановой проблемы, как загрязнение ОС нефтью и нефтепродуктами невозможно без постановки научно-исследовательских работ. Нормативы и нормативные документы в области охраны окружающей среды разрабатываются, утверждаются и вводятся в действие на основе современных достижений науки и техники с учетом международных правил и стандартов в области охраны окружающей среды. Однако традиционно в научно-технической литературе гораздо большее внимание уделяется характеру нагрузок на окружающую среду, в то время как исходному состоянию элементов экосистем и критериям его оценки уделено явно недостаточное внимание.

Предприятия нефтегазового комплекса чаще имеют дело с локальной, т.е. местной, системой наблюдений. В случаях чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефти предприятие - виновник аварии обязано за счет собственных средств обеспечить экологический мониторинг водных объектов, почвы, атмосферного воздуха и представить в месячный срок в органы власти, надзорные и контрольные органы письменный отчет с указанием даты и времени разлива, его причин и обстоятельств, источника. Приводятся также дан-

ные о количестве разлившейся нефти, в том числе на почве, и оценка воздействия разлива нефти на окружающую среду и здоровье населения [2].

Потенциальными источниками загрязнения природной среды нефтью и нефтепродуктами являются буровые площадки, буровые и промысловые амбары, нефтепромыслы, факела, нефте- и газопроводы, естественные поля испарения, нефтехранилища, наземный транспорт [3]. Причинами загрязнения почв нефтепродуктами являются аварии на магистральных и внутрипромы-словых нефтепроводах, несовершенство и грубые нарушения технологии добычи и переработки нефти и нефтепродуктов, различные аварийные ситуации, при которых происходят залповые разливы нефти, нефтепродуктов и вод, содержащих нефть.

В результате, например, в отдельных районах Тюменской и Томской областей, концентрации нефтяных углеводородов в почвах- превышают фоновые значения в 150 — 250 раз. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тысяч гектаров земель, загрязненных нефтью, с толщиной слоя не менее пяти сантиметров [4].

По мере старения оборудования, повышается вероятность утечек нефти, особенно на внутри и межпромысловых трубопроводах. Одним из вопиющих примеров такого рода может служить разлив десятков тысяч тонн нефти под Усинском (республика Коми) [5, 6]. Значительная часть российских трубопроводов создана более 20 лет назад и приближается к завершению проектных сроков своей эксплуатации, после чего риск аварий будет резко нарастать. В то же время, современная диагностика и ремонт, по крайней мере, на определенное время позволяют решить эту проблему. Есть основания полагать, что утечки на внутрипромысловых трубопроводах имеют гораздо большие масштабы, и усиленное внимание к авариям на магистральных трубопроводах связано просто с гораздо более широким освещением таких событий в средствах массовой информации.

Высокий уровень загрязнения почв отмечен на территории Волгоградского нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) и в радиусе 250 м вокруг него.

В Иванове и Томске максимальное содержание нефти превышает фоновый уровень в 9 — 56 раз, среднее в 4 — 7 раз. Загрязнение нефтепродуктами вокруг Новокуйбышевского НПЗ выявлено в радиусе 1 км. Нефтепродуктами пропитан слой почвы на глубине 0,5 м, так как загрязняющие вещества поступают с территории НПЗ вместе с естественным поверхностным стоком [7]. После просачивания нефтепродуктов до поверхности грунтовых вод, начинают образовывать плавающие на воде линзы. Эти линзы могут мигрировать, вызывая загрязнение водозаборов, поверхностных вод. Одним из наиболее крупных примеров такого рода является ситуация в окрестностях Грозного в Чечне, под которым на глубине несколько метров образовалась огромная линза нефти и нефтепродуктов. Инфильтрация нефти и нефтепродуктов привела к образованию крупных подземных их залежей в Ангарске, Моздоке, Туапсе, Ейске, Орле, Новокуйбышевске, Уфе, Комсомольске-на-Амуре и других городах [7, 8].

В грунтах вокруг многих НПЗ за многие десятилетия их работы накопились огромные количества нефти и нефтепродуктов. В США известны случаи, когда их количества измеряются сотнями тысяч тонн. Однако грунты под городом Грозным в Чечне являются одним из крупнейших в мире таких нефтяных «месторождений», созданных человеком. Оценки его запасов достигают одного миллиона тонн. Сейчас уже сложно разделить, в какой степени эта огромная линза является результатом работы расположенного в Грозном НПЗ, а в какой - связана с последствиями деятельности мелких подпольных предприятий. Очевиден результат - отравленные грунтовые воды, которые просачиваются в р. Сунжа, ядовитые испарения в воздух [8].

Аналогичные проблемы отмечаются в окрестностях ряда нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз, военных аэродромов. Утечки в грунт могут происходить не только вокруг НПЗ, но и вокруг любых хранилищ нефти и нефтепродуктов.

В России наиболее известны случаи образования крупных (до нескольких тысяч тонн) линз топлива вокруг топливохранилищ воинских частей. В

работе [9] проведена оценка загрязненности грунтовых вод нефтепродуктами в районе ликвидированного аэродрома ВВС СССР в г. Бжег, Польша. После ликвидации аэродрома в почвах и грунтовых водах осталось значительное количество нефтепродуктов. Содержание их на территории аэродрома было столь