Оценка экологического состояния антропогенно нарушенных почв Прикаспийского региона

Наблюдения показывают, что в радиусе 500-800 м от буровой вышки обычно уничтожается 70-80 % почвенно-растительного покрова, в радиусе 100 м - тотально. После прекращения техногенного воздействия под влиянием биологических процессов происходит естественное самовосстановление почв, сроки которого неодинаковы по природным подзонам. Исследования показывают, что при благоприятных условиях растительный покров нарушенных земель у кромки дорог, дамб, отвалов и др. без рекультивации восстанавливается в течение 3-5 лет. Ускорение этого процесса достигается за счет фитомелиорации экологически устойчивых видов растений, применения полимерных закрепителей, накопления влаги и др.

Очаги сильного и очень сильного техногенного разрушения почвенного покрова установлены на площади всех действующих нефтепромыслов, вдоль железнодорожных магистралей, районах, прилежащих к городам, населенным пунктам и фермам. Слабо- и умеренно нарушенные почвы распространены повсеместно. Тотальное разрушение почвенного покрова отмечено в карьерах и на буровых. Восстановление их потребует специальных мероприятий по рекультивации почв.

Необходимо запретить неконтролируемое движение транспорта и создание инфраструктуры нефтедобывающих, промышленных и сельскохозяйственных комплексов; начинать следует со строительства профилированных и дорог с твердым покрытием.

В Прикаспийском регионе нефтяные залежи приурочены к осадочным стратиграфическим горизонтам от четвертичных до девонских отложений на глубинах 400-1500 м, но особенно богаты углеводородным сырьем пермо-триасовые, морские и меловые отложения, вскрытые на глубинах 300-4000 м. Наиболее крупные промышленные запасы нефти открыты и интенсивно разрабатываются с 1930 г. на Эмбенском, с 1965 г. - на Мангышлаке, с 1979 г. -- Тенгизском месторождениях. Запасы нефти Мангышлака оцениваются в 2,5 млд.т., Тенгизского месторождения - 5 млд.т. Разрабатываемая нефть Тенгизского месторождения отличается аномально высоким пластовым давлением (850-900 атм.), высокой концентрацией токсичного сероводорода (до 20%) и наличием пластовых флюидов агрессивных углекислоты, меркаптанов и др. Добыча нефти на месторождении в 1994 г. составила 1,8, 1995 г. -2,0, 1996 г. -7 млн.т. В 1985 году в результате аварии на скважине №37 в течение 400 суток в открытом фонтане было сожжено 6 млн. т. нефти, 3,3 млрд. м3 газа и 600 млн. м3 сероводорода, обезжизненны большие площади почвенного покрова. Концентрация сероводорода вблизи факела достигла 10 тыс. ПДК, на границе санитарно-защитной зоны -1000 ПДК.

Нефтегазовые месторождения Прикаспия отличаются многопластовостью продуктивных горизонтов, площадной их неоднородностью, образованием сероводорода при закачивании в пласт морской воды для поддержания давления. Нефти малосернистые (0,06-0,15 %), метанового типа, содержат большое количество высокомолекулярного парафина (20-27 %) и асфальтосмолистых веществ (смол 10-20, асфальтенов - 2-4 %), застывают при температуре +36 +37°, вызывая большие трудности при транспортировке. Парафин не токсичен для растений, но при низких температурах кристаллизируется в прочную массу, адсорбирует смолистые вещества и асфальтены. Создает в профиле почвы плотные битумные коры, пропитанные мазутом и химреагентами мощностью 10-50 см и более. Битумные коры слабо окисляются на воздухе, мало доступны микроорганизмам, поэтому медленно разлагаются и долго сохраняются в профиле, отличаются высокой плотностью сложения, непроницаемы для воздуха, воды и корней растений.

По химическому составу нефти северного и северо-восточного побережья Каспийского моря относятся в основном к типу нафтенопарафиновых с повышенным содержанием смол, асфальтеновых веществ и сероводорода, характерезуются невысокой вязкостью. Количество серы достигает 2 %, смола-асфальтеновых веществ - 6,8 %, селикогелевых - 48 % и др. Высокое содержание смол характерно для нефтей месторождения Каратон, Косчагыл, Теренузяк и др., расположенных на луговых приморских почвах. Нефть полуострова Бузачи отличается высоким содержанием асфальто-смолистых веществ. Высокое содержание смолселикогелевых углеводородов и парафина является главным фактором формирования в профиле почвы битумных кор.

В перспективе намечается освоение нефти шельфовой зоны Каспийского моря, которая как и тенгизская отличается большим содержанием сероводорода и смол-асфальтеновых веществ. Для добычи на дне моря намечается пробурить 8 тыс. скважин. Необходимо однако учесть, что при любой технологической чистоте добычи нефти невозможно сохранить экологическое благополучие, т.к. на каждой стадии работ происходит утечка нефти и загрязнение окружающей среды.

Нефть состоит из большого количества углеводородов и высокомолекулярных смолисто-асфальтеновых веществ. Ее главными составными частями являются углерод (83-87 %), водород (12-14 %), кислород (1-2%), а также азот, сера, различные микроэлементы. Загрязняющими токсичными веществами нефти являются оксид углерода, диоксид серы, сероводород, оксиды азота и углеводорода, фенол, аммиак и различные минеральные соли. Они оказывают ингибирующее влияние на рост и развитие растений, как путем прямого воздействия нафтеновых кислот, так и других углеводородов и минеральных солей. Кроме того, в сырой нефти присутствуют канцерогенные полуциклические углеводороды (нафталаны, аценафтены, флюорены, фенантрены, пирены, хризены и бензпирен), вызывающие в живом организме злокачественные опухоли. В процессе миграции в цепи почва-растения-животные ароматические углеводороды вызывают глубокие изменения в клетках мозга. Высокое содержание в почвах и воздухе нефтепромыслов бензола, ксилола, толуола вызывает вегетативные нарушения, отравляет живой организм, вызывая изменения состава крови и кроветворных органов. Исследования показывают, что плотность живого населения на территории нефтепромыслов и вдоль трассы нефте-газопроводов на умеренно загрязненных почвах в 2-3 раза ниже, чем на незагрязненных и в 10-12 и более - на сильно- и очень сильнозагрязненных. Наблюдения также показывают, что нефтезагрязненные почвы значительно больше прогреваются, температура их на 1-8° выше, чем на незагрязненных почвах и достигает летом 55-59,5°С.

Промышленная зона всех действующих нефтепромыслов загрязнена сероводородом, меркаптанами, углеводородом, аммиаком, сернистым ангидридом и др. Только по объединению «Кульсарынефть» их количество превышает 110 тыс.тонн в год.

Кроме того, при разработке нефтяных месторождений для поддержания пластового давления используются каспийская, альбсеноманская термальная вода и их смеси, закачиваемые в пласт с помощью нагнетательских скважин.

Технология добычи нефти в регионе сопряжена с очень сложными условиями парафинизации надземного и подземного оборудования, солеотложения в призабойной зоне и коммуникациях, обводнением скважин и коррозией оборудования. Все это ведет к частому порыву труб, сбросу сырой нефти и минерализованных сточных вод на поверхность почвы и загрязнению окружающей среды. В среднем за год только на предприятиях объединения «Кульсарынефть» происходит 150-170 аварий на нефтепроводах, 20-30 - на водоводах. При этом на каждые 10 км протяженности нефтепровода приходится 0,5-0,8 га розливов нефти. С этим связана высокая степень загрязнения почвы и атмосферного воздуха сернистым ангедридом, двуокисью азота и сероводорода. В Атырауской и Мангистауской областях в результате аварий разлито 188.9 тыс. т нефти, замазучено 737 га почвы.

Таким образом, основными причинами загрязнения почв являются разрывы нефте-газо-продуктопроводов, аварийное фонтанирование разведочных скважин, технологические нарушения хранения нефти и газа.

Аварийный сброс нефти производится в «амбары», представляющие собой обвалованные земляные котловины, площадью 600-2500 м2 и более. Толщина нефтяного слоя в «амбарах» достигает 60-90 см, количество нефти 500-1000 т и более. Они служат своеобразной ловушкой и местом гибели десятков тысяч перелетных птиц. Аварийный сброс нефти в результате порыва труб происходит не только на промыслах, но и по всей трассе магистрального нефтепровода. При этом загрязнение почвенного покрова нефтями, обогащенными смолами и парафином, ведет к гудронизации почв с образованием в профиле битумных кор.

Загрязнение промышленными газами нарушают процессы фотосинтеза растений, ведет к деструкции хлоропласта и распаду пигментов, уменьшению общей массы зеленых растений.

Морфологический профиль нефтезагрязненных почв характеризует описываемые ниже разрезы.

Разрез 200. Бурая суглинистая почва. Заложен на месторождении Доссор у старой (1911 г) и в 20 м от действующей №16 скважин, в нижней части бэровского бугра. Растительность отсутствует. Поверхность почвы техногенного сильно нарушена, замусорена и загрязнена сырой нефтью.

Луговая приморская солончаковая. Заложен на месторождении Досмухамедовское, в 8 км сев.пос. Сарыкамыс, у скважины №177. Плоская равнина с единичными кустами сарсазана и адраспана. Почва сильно загрязнена сырой нефтью, деформирована тяжелой техникой.

В результате загрязнения нефтью и деформации техникой, изменяется морфологический слой почв, генетические горизонты преобразуются, загрязненный слой приобретает коричнево-бурую и смолисто-черную окраску, битумная толща становится вязкой, плотной, выворачивается глыбами. После испарения легкой фракции нефти, оставшиеся в профиле почвы тяжелые фракции склеивают механические фракции в плотную вязкую глыбистую массу, затрудняя аэрацию и водопроницаемость. Исследования показали, что нефтехимического загрязнения почв на месторождениях изменяется от 22 до 82 см и достигает на старейших промыслах мощности 5-10 м (Доссор, Макат, Искине и др.), в том числе битумная кора --25-50 см. Кроме того, при разливе битумного бурового шлама происходит погребение исходных почв и формирование специфических техногенных почв, в которых отмечается высокое содержание бария, серебра, свинца и цинка.

Разрез 183. Солончак приморский. Описан на месторождении Теренузяк на плоской приморской равнине, у действующей скважины. Растительный покров отсутствует. Поверхность пропитана нефтью, разрушена техникой.

В загрязненных нефтью почвах нарушаются важнейшие генетические показатели: изменяется естественный морфологический профиль, содержание и состав гумуса, количество азота, фосфора, микроэлементов и почвенно-поглощающий комплекс, увеличивается объемная масса, снижаются порозность, аэрация и водопроницаемость, уменьшается доступная растениям влага. При этом создаются крайне неблагоприятные эдафические условия для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, нарушается режим их азотного и фосфорного питания, интенсивность окислительно-восстановительных и ферментативных процессов.

Исследования показали, что в нефтезагрязненных почвах количество углеводородоокисляющих микроорганизмов составляет 103-10(4) кл/г, т.е. больше, чем в незагрязненных почвах, снижается интенсивность инвертазной и дегидрогеназной активности. В местах аварийного сжигания нефти и газа генетические горизонты обугливаются, спекаются и становятся биологически безжизненными.

Эколого-геохимическое значение загрязнения почв нефтью находится в прямой связи с их количественно-качественным составом, физико-механическими свойствами и токсичностью компонентов, которые сильно различаются в нефтяных различных месторождениях.

Загрязнение нефтепродуктами ведет к закреплению в почвах органического углерода и к повышению содержания гумуса, состава и суммы поглощенных оснований (кальция, магния, натрия) и общего азота, увеличению степени засоления почв. Обращают внимание данные по содержанию гумуса в р.200, образцы из которого взяты у старейшей скважины 1911 г. на месторождении Доссор: в верхней части профиля (до 12-20 см) органический углерод нефти сильно минерализован до величины содержания в зональной бурой почве, на глубине 100-150 см залегает деформированный битумный горизонт с содержанием гумуса 3-4%.

В почвах преобладает хлоридно-сульфатно-содовый тип засоления, связанный с содержанием в сырой нефти сильноминерализованных пластовых вод хлор-кальциевого (магниево-натриевого) состава (100-300 г/л). В нефтезагрязненных почвах в 1,5-2,0 раза накапливается меньше нитратного азота, снижается рН почвенного раствора, интенсивность инвертазной и дегидрогеназной активности, возрастает количество углекислоты карбонатов.

В исходных нарушенных, а также в разной степени антропогенно-нарушенных почвах региона были определены валовые и подвижные формы тяжелых металлов. В нефтезагрязненных почвах повсеместно происходит накопление валовых (40-57 мг/кг) и подвижных форм (7-18 мг/кг) свинца, выше значений ПДК в 1-6 раз, молибдена -7-12 и 20-25 мг/кг и кобальта -10-15 мг/кг, что в 2-3 раза превышает ПДК. Вместе с тем, в почвах наблюдается уменьшение содержания валовой и подвижной меди (соответственно 3-16 и 3-6 мг/кг), цинка (20-40 и 0.2-17/ мг/кг) и кадмия (0.6-2.0 и 0.1-1.0 мг/кг), что ниже пороговой концентрации для организма и значений ПДК. Содержание большинства изученных металлов находится в почвах ниже значений их кларков в земной коре и пороговых концентраций в сельскохозяйственных растениях. Нормальными концентрациями тяжелых металлов в почвах, по В.Б. Ильину, считается (мг/кг): для цинка 15-150, меди 3-40, кадмия 0,05-2,0. Следует, однако, иметь в виду, что ПДК тяжелых металлов не могут быть одинаковыми для различных почв. Объективным показателем обеспеченности почв металлами может служить накопление их подвижных форм в растениях.

Скорость разрушения нефти в почвах зависит от климата, механического состава, обеспеченности гумусом и элементами минерального питания, стимулирующих жизнедеятельность микроорганизмов. В засушливых условиях пустыни самоочищение нефтезагрязненных почв протекает медленно, что связано с их низким естественным плодородием и засолением. Летом в сильно иссушенной почве доминируют малотребовательные к влаге актиномицеты, весной и осенью - бактерии.

3.6. Оценка причины засоление почв Прикаспийского региона. Засоление почв происходит в результате нерационального использования орошаемой пашни и сброса на поверхность минерализованных сточных нефтепромыслов вод. Последнее отмечается на площади всех действующих нефтепромыслов. Сточные воды представляют собой смесь сильноминерализованных пластовых вод и закачиваемой в пласт для поддержания давления морской, альбсеноманской и другой воды. На нефтепромыслах местами разрабатываются месторождения, обводнение пласта которых превышает 90% (Икине, Доссор, Сагиз, Мартыши и др.). Только на месторождениях производственного объединения «Эмбанефть» на поля испарения ежегодно сбрасывается до 8.5 млн.м3 попутных пластовых вод. На промыслах Каратон, Доссор, Байшонас и др. сточными нефтепромысловыми водами образованы обширные водоемы, содержащие рассольные воды и токсичные химические вещества, чрезвычайно вредные для жизнедеятельности живого организма. Анализы сточных вод Тенгизского месторождения выявили содержание в них аминов (более 1000 ПДК), сероводорода (100 ПДК) и других химических веществ.

Сточные воды нефтедобывающих месторождений характеризуются высокой степенью минерализации, преимущественно хлор-кальциевого и сульфат-натриевого состава. Сумма солей достигает 150-300 г/л, содержание хлор-иона -160, сульфатов-3,9-16 и общая щелочность 0,2-0,4. По мере увеличения степени минерализации сточных вод растет содержание хлора и натрия, уменьшается количество сульфатов, щелочность и рН среды (табл.2). В сточных водах присутствует также бром, йод, бор, барий, стронций и другие элементы.

Таблица 2. Химический состав нефтепромысловых сточных пластовых од, г/л

Минерализованные сточные нефтепромысловые воды вызывают глубокую трансформацию морфолого-генетического профиля почвы. В местах их аккумуляции формируются техногенные луговые солончаки и солончаковые почвы с измененными морфологическими, химическими и физико-химическими свойствами по отношению к исходной почве. Об этом свидетельствуют описываемый ниже почвенный разрез и аналитические данные.

Разрез 9. Техногенный луговой солончак, образованный на месте зональной серо-бурой пустынной почвы, описан в 2 км западнее г.Новый Узень на окраине обширной низины, заполненной промысловыми сточными водами, покрытой редкой галофитной растительностью (солерос,сарсазан,ажрек). Почва с поверхности покрыта коркой солей. Вскипание от соляной кислоты с поверхности.

Почвы, затапливаемые сточными нефтепромысловыми водами, отличаются высоким засолением, низким содержанием гумуса и элементов минерального питания растений, наличием токсичных химических элементов. Сумма солей в верхнем горизонте превышает 5%, тип засоления почвы сульфатно-хлоридный, кальциево-натриевый с содой. Техногенные солончаки сильно карбонатные по всему профилю, по гранулометрическому составу супесчаные и глинистые. Восстановление продуктивности почв, засоленных нефтепромысловыми сточными минерализованными водами, потребует проведения сложных мелиораций, связанных с промывками, дренажом и отводом минерализованных вод, внесением химмелиорантов и удобрений. В связи с этим попутные пластовые воды, извлекаемые при разведке и добыче нефти, необходимо надежно изолировать или использовать в замкнутом цикле для поддержания пластового давления.

ВЫВОДЫ

В работе были получены следующие результаты:

1. Выявлена неоднородность распределения углеводородов в почвах, которая зависит от ландшафтного строения степной зоны Прикаспийского региона и определяется строением и свойствами абиотической (почвообразующими породами и геоморфологическим строением) и биотической (растительность) составляющими ландшафта.

2. Под прессом техногенных воздействий нефтегазодобывающей промышленности Атырауской и Мангыстауской областей, в зависимости от ее видов, происходит трансформация природных ландшафтов: деградирует растительный покров, изменяется структура почвы, в связи с этим естественные ландшафты заменяются на техногенные и природно-техногенные.

3. Более устойчивыми к негативному действию нефти являются почвы: бурая (супесь), пойменная (суглинок легкий), аллювиальная (суглинок легкий). Светло-каштановая, светло-каштановая солонцовая почвы обладают наименьшей способностью к самоочищению. Причиной этого является их тяжелый гранулометрический состав - светло-каштановая (суглинок тяжелый), светло-каштановая солонцовая (суглинок средний).

4. Установлена связь между содержанием тяжелых металлов в составе выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности с процессами загрязнения почвенного покрова, вызывающая образование аномалии техногенного характера и отрицательно влияющая на биоресурсный потенциал территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным районом исследований геохимического состояния почв Прикаспийского региона послужила территория Атырауской и Мангыстауской областей. При оценке техногенного влияния на растительный покров Прикаспийской низменности встречаются определенные трудности. Влияние погодного компонента на состояние растительности велико. Температурный режим, интенсивность нагонных явлений, количество осадков являются наиболее значимыми факторами, формирующими состояние растительности на больших территориях. Поэтому детальный анализ локальных территорий может быть более продуктивным. На ограниченных площадях промышленные объекты являются наиболее значимым фактором, определяющим состояние вегетации. Это создает принципиальную возможность оценивать пространственные конфигурации зон влияния промышленных объектов и их изменения во времени на небольших участках с высокой степенью техногенного влияния на растительный покров. В исследуемом районе зарегистрировано 6 редких, 1 реликтовый и 1 эндемичный виды - занесенные в Красную книгу Казахстана.

Антропогенно-преобразованные почвы широко распространены на рассматриваемой территории. Площади их приурочены к производственным участкам нефтегазодобычи, линиям нефтегазоводопроводов и коммуникаций. Участкам разведочного и геофизического бурения, карьерам по добыче полезных ископаемых, территориям населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий. Антропогенная нагрузка на почвенный покров в целом высокая и продолжает расти.

Основными причинами загрязнения почв являются разрывы нефтегазо-проводов, аварийное фонтанирование разведочных скважин, технологические нарушения хранения нефти и газа.

Высокая степень загрязнения атмосферного воздуха и почвы токсичными химическими веществами вызывает у населения тяжелые формы гепатита, болезней органов дыхания, туберкулез и злокачественные опухоли.

Сточные воды нефтедобывающих месторождений характеризуются высокой степенью минерализации, преимущественно хлор-кальциевого и сульфат-натриевого состава. Сумма солей достигает 150-300 г/л, содержание хлор-иона -160, сульфатов-3,9-16 и общая щелочность 0,2-0,4.

Для восстановления деградированных пастбищ обычно требуется введение 5-7-летнего заповедного режима, проведение фитомелиорации адоптированными к условиям пустыни кормовыми растениями с последующим чередованием сроков использования одних и тех же пастбищ участков в различные годы.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Канаев А.Т., Бегимбетова Г.А., Канаева З.К. Радиоктивное загрязненеие почв Прикаспийского региона // Научно-теоретические и практические аспекты охраны окружающей среды: проблемы, стратегия и перспективы использования природных ресурсов: сб. стат. Междунар. науч.-практ. конф. - Тараз, 2005. - С. 80-83.

2. Бегимбетова Г.А. Экологические функции и устойчивость почв Прикаспийского региона к антропогенным нагрузкам // Ізденіс- Поиск. - Алматы, 2006. - №1. - С. 158-162.

3. Бегимбетова Г.А. Антропогенная нагрузка на почвенный покров Прикаспийского региона // Ізденіс- Поиск. - Алматы, 2006. - № 2. - С.127-130.

4. Канаев А.Т., Бегимбетова Г.А., Канаева З.К. Оценка экологического состояния антропогенно нарушенных почв Прикаспийского региона // Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях: сб. стат. II Междунар. науч.-практ. конф. - Павлодар, 2007. - С.120-124.

5. Канаев А.Т., Бегимбетова Г.А., Канаева З.К. Оценка состояния антропогенно нарушенных водного и почвенного покрова Прикаспийского региона // Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях: сб. стат. II Междунар. науч.-практ. конф. - Павлодар, 2007. - С. 100-104

6. Бегимбетова Г.А., Орозумбеков А.А., Канаев А.Т. Оценка почвенной фауны Прикаспийского региона // Известия Ошского университета. - 2007. - № 2. - С. 69-71.

7. Канаев А.Т., Бегимбетова Г.А. Оценка нефтехимического загрязнения почв Прикаспийского региона // Биотехнология, нанотехнология и физико-химическая биология: сб. стат. науч.-практ. конф. - Алматы: КазНУ им.аль-Фараби, 2008. - С. 82-84.

8. Бегимбетова Г.А. Характеристика ландшафтных особенностей формирования почвенного покрова и оценка загрязнения окружающей среды Прикаспийского региона // Современный научный вестник. - Белгород, 2009. - №4 (60) - С. 92-99.

9. Бегимбетова Г.А., Канаев А.Т., Дженбаев Б.М., Канаева З.К. Оценка техногенного загрязнения почвенного покрова Прикаспийского региона радионуклидами // Наука и новые технологии. - Бишкек, 2009.- №3. - С. 103-107.

10. Бегимбетова Г.А.Оценка видового разнообразия растительных экосистем Прикаспийского региона // Вестник КазНПУ: Ественные науки. -2009. - № 4. - С.7-11.

Размещено на Allbest.ru