Состав и свойства нефти как потенциальный фактор загрязнения геологической среды и методы его оценки (на примере прибрежной зоны севера Тимано-Печорской провинции)

В контуре нефтеносности залежи находятся 16 скважин, еще две расположены в непосредственной близости за контуром.

Залежь «D₃tm» выявлена в результате получения притоков нефти в скважинах №№ 66, 201 и 202. В контуре нефтеносности залежи находятся 12 скважин, из них три опробованы с получением притоков нефти. В 2006 году в пробную эксплуатацию была введена еще одна залежь (D₃tm), приуроченная к тиманским песчаникам верхнего девона. Залежь нуждается в дальнейшем геолого-геофизическом изучении. Принятая при оценке запасов плотность нефти при стандартных условиях составляет 844 кг/м³.

Залежь «D₁p» приурочена к песчаному пласту в нижней пачке пражского яруса нижнего девона и относится к типу пластовых, сводовых, литологически экранированных. Эффективные нефтенасыщенные толщины изменяются от 1,6 м (скв. № 14) до 4,6 м (скв. № 11). Покрышкой для залежи служат глинистые отложения нижней пачки пражского яруса, средней мощностью 40 м. Нижняя граница нефтеносности разреза эйфельского яруса принята на абсолютной отметке - минус 3007 м. В контуре нефтеносности залежи находятся семь скважин, из них три пробурены после 2001 года.

Физико-химические свойства нефти из этой залежи изучены по четырем устьевым и одной глубинной пробе. В поверхностных условиях плотность нефти изменяется от 839,6 до 850,5 кг/м³, составляя в среднем 842,4 кг/м³. Нефть имеет высокую вязкость при 20 °С - в среднем 21,1 мм²/с. Среднее содержание смол составляет 6,5 %. Количество асфальтенов небольшое - в среднем 2,6 %. Среднее содержание парафина составляет 7,06 %. В большинстве проб содержание серы не превышает 0,5 % (табл. 2.3).

Залежь «D₁l». В контуре нефтеносности залежи находятся девять скважин. Подошва продуктивных карбонатов вскрыта только скважиной № 63. Залежь пластовая, сводовая, по сейсмическим данным осложненная локальными тектоническими экранами.

Нижнедевонская нефть Тобойского месторождения по типу является легкой (плотность в стандартных условиях варьирует в пределах от 828 до 894 кг/м³ при среднем по залежи значении 835,0 кг/м³), маловязкой (12,5 мм²/с), малосернистой (0,31 %), смолистой (4,17 %), парафинистой (10,7 %) (табл. 2.3) (Дронг, 2013).

Таким образом, выполненные автором исследования особенностей физико-химических характеристик нефти трех месторождений, расположенных в прибрежной зоне юго-восточной части Баренцева моря, показывают индивидуальность и разнообразие их состава. Промышленная эксплуатация таких месторождений требует особенно внимательного подхода к охране природной среды и обеспечению экологической безопасности освоения объектов. При разработке экологической документации, уже начиная с предпроектных исследований, необходимо учесть столь широкий диапазон характеристик нефти для научного понимания возможных последствий попадания нефти в геологическую среду, оценки опасности нарушения мерзлотных процессов и реального представления о возможности самовосстановления загрязненных нефтью экосистем прибрежной зоны. В связи с этим, в следующей главе подробно рассмотрены возможные последствия попадания в приповерхностную часть геологической среды отдельных компонентов и соединений, входящих в состав нефти.

Глава 3. Характеристики нефти как индикатор степени возможного загрязнения геологической среды при аварийных разливах и методы их оценки

Нефтяная промышленность по уровню отрицательных воздействий на природную среду занимает одно из первых мест среди отраслей промышленности. Опасное воздействие проявляется на всех стадиях освоения нефтяных месторождений, но особую опасность представляют техногенные катастрофы - аварийные разливы нефти и пожары, случающиеся как на самих месторождениях, так и во время транспортных операций. Главным образом аварии возникают по причинам неудовлетворительного качества и ошибок при проведении изыскательских и проектных работ, низкого качества строительства, при нарушении правил эксплуатации, а также вследствие стихийных природных явлений (Губайдуллин и др., 1996 и др.). Особенно значителен ущерб арктическим и субарктическим экосистемам, период восстановления которых может длиться десятки лет (Губайдуллин, 2002).

Состав, возможная мощность и потенциальная вероятность поступления загрязняющих веществ от технических объектов в природную среду зависят oт типа сооружений, сложности их конструктивных решений и технологических режимов. При этом практически любые вещества, входящие в состав формирующихся на промыслах техногенных потоков, геохимически активны, часто высокотоксичны и опасны для природной среды (Солнцева, 1995; Немировская, 2004).

Для нефтепромыслов и нефтепроводов основными загрязняющими веществами являются нефть и нефтепродукты. Сырая нефть (пластовые жидкости) и товарная (обессоленная) нефть, составляют значительную часть самостоятельных и достаточно мощных техногенных потоков. Величина мировых потерь нефти составляет более 10⁷ т/год, из них только 20% приходится на Мировой океан, остальное - это почвы и пресные воды (Клименко, 1987). Общие объемы утечек нефти очень велики. Статистика свидетельствует, что в России ежегодно происходит до 40 крупных аварий на магистральных и до 25000 на внутрипромысловых нефтепроводах (Оборин, 2008).

В процессе поисков, разведки и особенно при эксплуатации нефтяных месторождений воздействию подвергаются не только гидрогеологическая обстановка в продуктивных пластах, но и энергетические и гидрогеохимические условия вышележащих газонефтеносных комплексов, вплоть до горизонтов пресных подземных вод. С ростом добычи нефти, подготовки и переработки углеводородного сырья нефтяной промысел превращается в источник загрязнения окружающей среды токсичными, химически стойкими, высокоподвижными компонентами глубинных флюидов, извлеченных на земную поверхность (Оборин, 2008).

3.1 Состав и свойства нефти как главный фактор степени негативного влияния на природные компоненты

До сравнительно недавнего времени основные усилия по изучению воздействия добычи и транспортирования нефти были сосредоточены на проблемах океана. Процессы загрязнения почв, пресных вод, ландшафтов, их отдаленные последствия в литературе были освещены достаточно мало. Но все же в последние 20-30 лет появилось много работ, освещающих различные аспекты изменений свойств природных систем в районах нефтепромыслов. Особенности воздействия загрязнителей, характерных для нефтедобывающего производства, на экологию природной среды зависят с одной стороны, от количества и состава поллютантов - их геохимическая активность, с другой - от свойств принимающих эти вещества природных систем (Солнцева, 1998).

Одни и те же вещества в разных ландшафтно-геохимических условиях ведут себя неодинаково: в одних случаях они устойчивы и даже инертны, в других - не только подвергаются быстрым преобразованиям, но и активно взаимодействуют с почвенно-грунтовой массой.

Нефть как определенная физико-химическая система - система природного углеводородного раствора, очень сложного, многокомпонентного и разнообразного по составу и соотношению этих компонентов. Нефть - единственный не водный жидкий раствор на Земле. В ней можно найти почти все элементы периодической системы Менделеева, которые называют микроэлементами. В разной нефти концентрации их различны и незначительны (Соболева, 2010). Из микроэлементов наиболее распространены ванадий и никель, содержание которых в нефти месторождений, приуроченных к Варандей-Адзъвинской нефтегазовой области, в среднем составляет от 17 до 96 и от 9 до 53 мкг/кг соответственно.

Изучение химического состава нефти имеет не только большое значение для понимания геохимических процессов их превращения в земной коре и оценки экономической привлекательности углеводородного сырья, но и для оценки степени возможного негативного влияния нефти на природные компоненты (Бакиров, 1982). Экологические следствия попадания в природную среду нефти зависят от её состава и свойств, наличия в ней спутников, без которых нефть в природе не существует (Пиковский, 1993), высокой подвижности и способности циркулировать между различными средами (включая биоту) и сохраняться в них длительное время (Флоровская и др., 1981). Кроме того, свойства нефти как гетерогенной системы определяют характер ее фракционирования в почвах: частичную дифференциацию вещества по плотности, вязкости, активности взаимодействия с почвенной массой и др. (Оборин, 2008).

В настоящее время открыто большое количество нефтяных месторождений и каждое имеет свой неповторимых состав нефти. Нефть всех месторождений мира отличает, с одной стороны, огромное разнообразие видов, с другой - единство ее состава и структуры, сходство по некоторым параметрам (Пиковский, 1988).

Поскольку нефть - это смесь большого количества различных веществ, зачастую она характеризуется температурой начала кипения жидких углеводородов и выходом отдельных фракций, перегоняемых в определенных температурных пределах (Оборин, 2008).

3.1.1 Легкие фракции

Фракции нефти, выкипающие до 200 єС, носят название легких. Легкая фракция, куда входят наиболее простые по строению низкомолекулярные метановые (алканы), нафтеновые (циклопарафиновые) и ароматические углеводороды - наиболее подвижная часть нефти.

Большую часть легкой фракции составляют метановые углеводороды (алканы) с числом углеродных атомов С₅-С₁₁. Метановые углеводороды легкой фракции, составляющие основную часть легких фракций нефти, попадая в почву, водную или воздушную среды, оказывают наркотическое и токсическое действие на живые организмы. Особенно быстро действуют нормальные алканы с короткой углеродной цепью. Эти углеводороды лучше растворимы в воде, легко проникают в клетки организмов через мембраны, дезорганизуют цитоплазменные мембраны организма (Пиковский, 1988). Высокотоксичны такие соединения, как бутан и пентан (Клименко, 1987). Вследствие летучести и более высокой растворимости низкомолекулярных нормальных алканов их действие обычно не бывает долговременным. Если их концентрация не была летальной для организма, то со временем нормальная жизнедеятельность организма восстанавливается. В соленой воде нормальные алканы с короткими цепями растворяются лучше, чем в пресной, и, следовательно, сильнее действуют на содержащиеся в воде организмы (Краснощекова, Губергриц, 1973). Усиливают токсическое действие нормальных алканов и сопутствующие нефти соленые воды (Пиковский, 1988).

Кроме токсического воздействия легкая фракция обладает свойством свободно мигрировать по почвенному профилю и водоносным горизонтам, расширяя, иногда значительно, ареал первоначального загрязнения.

С содержанием легкой фракции коррелируют другие характеристики нефти, такие как углеводородный состав, количество смол и асфальтенов. С уменьшением содержания легкой фракции ее токсичность снижается, но возрастает токсичность ароматических соединений, относительное содержание которых растет (Пиковский, 1988).

Ароматические углеводороды, содержащиеся во фракции нефти, выкипающей до 200°С - наиболее токсичные ее компоненты (Mitchelletal, 1972). Они являются хроническими токсикантами (Baker, 1971). При концентрации их всего 1% в воде они убивают все водные растения и угнетают наземные (Солнцева 1998). В частности, к очень активным и быстродействующим токсикантам относятся низкокипящие арены - бензол (80°С), ксилол, толуол (110°С) и др. Многие ароматические углеводороды характеризуются ярко выраженной мутагенностью и канцерогенностью (Исмаилов, 1990). Наиболее опасна группа полиароматических углеводородов (Ильницкий, 1975; Шабад, 1971). Однако содержание одного из наиболее токсичных соединений 3,4-бензпирена в нефти не всегда однозначно. В сырой нефти, не подвергшейся значительному термическому воздействию, бензапирен обнаруживается редко. В то же время, по данным некоторых исследователей, количество 3,4-бензпирена в 1 кг нефти может достигать сотен и тысяч микрограмм (Середин, 1998).

Все полиароматические углеводороды и в том числе 3,4-бензапирен плохо поддаются разрушению. Экспериментально показано, что главным фактором деградации ряда углеводородов, в частности, полиароматических, особенно в воде и воздухе, является фотолиз под действием ультрафиолетового излучения (Губергриц и др., 1975; Шилина, 1985). В приповерхностном слое геологической среды этот процесс может осуществляться только на её поверхности.

3.1.2 Плотность нефти

Физические свойства нефти, к которым относится плотность, вязкость, молекулярная масса, температура застывания и др. зависят от фракционного, группового и химического состава и структуры входящих в нефть компонентов.

Плотность нефти - наиболее важное свойство, зависящее главным образом от содержания в ней легких фракций, смол, асфальтенов, содержания серы, а также от количества и состава растворенных в ней газов (Соболева, 2010). По плотности можно ориентировочно судить об углеводородном составе нефти и нефтепродуктов. Например, более высокая плотность указывает на большее содержание ароматических УВ, а более низкая - парафиновых УВ.

Кроме того, между плотностью нефти и содержанием легких фракций, как правило, наблюдается обратная зависимость и нефти месторождений Центрально Хорейверской впадины эта закономерность подчиняется уравнению (Губайдуллин, Иванов, 2006):

Q_лф = -0,1333с +134,31, (3.1)

где Q_лф - содержание легких фракций выкипающих при температуре до 200 єС, %; с - плотность нефти, кг/м³.

Высокая информативность показателя «плотность» и простота его определения позволяет использовать эту характеристику как универсальную при оценке степени и характера загрязнения геологической среды.

3.1.3 Вязкость

В любой жидкости под влиянием внешних сил происходят перемещения молекул относительно друг друга. При этом возникает трение между молекулами. Вязкость - это свойство молекул текучих тел сопротивляться их взаимному перемещению, которое зависит от размера перемещающихся поверхностей, температуры и скорости их перемещения.

Вязкость нефти определяется структурой слагающих нефть углеводородов и гетероатомных соединений. Наибольшей вязкостью обладают нафтеновые, наименьшей - парафиновые УВ. Вязкость увеличивают высокомолекулярные соединения, такие как твердые парафины и смолисто-асфальтеновые вещества (Соболева, 2010).

Вязкость, являясь одной из важнейших характеристик нефти, определяет ее подвижность при миграции в пластах и ее значение входит во все динамические расчеты, связанные с движением нефти. Кроме того от величины вязкости и плотности нефти значительно зависит степень изменения водно-физических свойств почв и грунтов при разливах нефти, а также скорость распространения нефтяного загрязнения.

3.1.4 Парафины

Содержание твердых метановых углеводородов (парафина) в нефти (от очень малых величин до 15-20%) - очень важная характеристика при изучении нефтяных разливов на почвах. Твердый парафин нетоксичен для живых организмов, но вследствие высоких температур застывания (+18 єС и выше) и растворимости в нефти (+40 єС) в условиях земной поверхности он переходит в твердое состояние, лишая нефть подвижности. Парафины содержатся практически во всех нефтях и влияют на вязкость и устойчивость поллютантов в природных системах. Твёрдый парафин плохо разрушается и с трудом окисляется. Он может интенсивно мешать свободному влагообмену и дыханию почв, что усиливает восстановительные процессы и интенсифицирует деградацию биогеоценозов (Пиковский, 1988).

По содержанию парафинов в нефти выделяются три группы: малопарафиновые (содержание парафина - до 1,5 %), парафиновые (1,5-6,0 %), высокопарафиновые (более 6 %) (Инструкция …, 1984).

3.1.5 Сера и ее соединения

В состав нефти входят не только углеводороды, но и соединения, в молекулах которых кроме углерода и водорода содержатся другие элементы. Соединения, состоящие из углерода, водорода, а также серы, кислорода или азота, а иногда тех и других вместе называют гетероатомными, а соответственно серу, кислород и азот - гетероэлементами. Все остальные элементы, входящие в состав нефти, относятся к микроэлементам (Соболева, 2010).

Одной из постоянных, а также негативных составляющих нефти является сера. Важными с экологических позиций компонентами нефти являются присутствующие в ней соединения серы (элементарная, сероводородная, сульфидная, меркаптановая). К числу наиболее опасных соединений серы как загрязнителей природной среды относятся сероводород и диоксид серы. Взаимодействуя с влагой, оксиды серы образуют кислотные среды (Ph<4,5), которые оказывают как прямое повреждающее действие на биоту, так и косвенное, закисляя почвы и водоемы.

Установлено, что при закислении почвы снижаются доступность для растений питательных элементов (Ca, Mg, Mn) и плодородие почвы. Закисление уменьшает скорость разложения органических остатков, поскольку для жизнедеятельности большинства бактерий и грибов необходима нейтральная среда, снижается продуктивность азотфиксирующих бактерий (при Ph<5,0 азотобактер погибает), что приводит к ограничению поступления связанного азота в растения и торможению их роста.

Изменение структуры почвы (снижение грануляции, слияние частиц, уплотнение почвы и резкое уменьшение воздухопроницаемости) негативно сказывается на функционировании корневой системы растений.

В кислой почве увеличивается подвижность ионов тяжелых металлов, которые накапливаются в растениях. Некоторые из них, например ионы железа и марганца блокируют поступление фосфора в растения. В целом, повышение кислотности препятствует саморегуляции нейтрализации почв, а это в свою очередь приводит к деградации растительного покрова (Ясаманов, 2007). Оголение пространств приводит к изменению уровня грунтовых вод, что может привести к опустыниванию территорий.

В зависимости от массовой доли серы нефть по ГОСТ Р 51858-2002 п. 4.3 подразделяется на классы: с массовой долей серы включительно до 0,60 % - малосернистая нефть; от 0,61 до 1,80 % - сернистая; от 1,81 до 3,50 % - высокосернистая и особо высокосернистая нефть с содержанием серы свыше 3,50 %.

Большинство сернистых соединений, кроме меркаптанов и низкомолекулярных сульфидов, концентрируются в смолисто-асфальтеновых веществах (САВ). Все сернистые соединения (особенно элементарная сера, сероводород и меркаптаны) обладают высокой коррозионной активностью (Соболева, 2010). Присутствие сероводорода в нефти, нефтяном газе и в подтоварной воде резко интенсифицирует коррозионные процессы в трубопроводах и технологическом оборудовании, ухудшает экологические условия для персонала и природной среды. Производственные объекты и целые промплощадки переходят в категорию особо опасных объектов и производств со всеми вытекающими из этого последствиями (Середин, 1998).

Особо опасное действие присутствующего в нефти сероводорода заключается в охрупчивании стальных технологических конструкций. Сероводородное растрескивание (H₂S-corrosion) сталей является следствием наводораживания и снижения пластических свойств металла в процессе электрохимической коррозии в присутствии сероводорода. Вследствие коррозии внутренней поверхности труб и оборудования может произойти аварийная разгерметизация технологических линий, что приведет к потерям нефти и загрязнению окружающей среды. Большинство аварий происходит по причине коррозионного поражения материала труб.

3.1.6 Смолы и асфальтены

Тяжелая фракция нефти представлена высокомолекулярными гетероатомными компонентами нефти - смолами и асфальтенами (Оборин, 2007). Относящиеся к неуглеводородным компонентам в составе нефти смолы и асфальтены играют очень важную роль, определяя во многом ее физические свойства и химическую активность. Структурный каркас смол и асфальтенов составляют высококонденсированные полициклические ароматические структуры, состоящие из десятков колец, соединенных между собой гетероатомными структурами, содержащими серу, кислород и азот (Пиковский, 1988). Содержание смол и асфальтенов в нефти колеблется в пределах от 1-2 до 6-40 % (Панов и дp., 1986).

Смолы - это полужидкие, иногда почти твердые текучие темно-коричневого или черного цвета вещества плотностью около единицы или несколько выше. Молекулярный вес их колеблется в пределах от 300 до 1200. Они хорошо растворяются во всех нефтепродуктах и органических растворителях.

При трансформации нефти в водоемах происходит накопление смолистых компонентов, которые вследствие увеличения молекулярного веса оседают на дно и сорбируются осадками. Даже при температурах близких к 0 єС, в природных условиях пленка сырой нефти преобразуется настолько, что через 4 дня после разлива содержание смолисто-асфальтеновой фракции увеличивается с 4,2 до 24 % (Ehrhardt et al., 1992). Нефтяные смолы особенно нестабильны на воздухе, они могут ароматизироваться и превращаться в структуры подобные асфальтенам (Немировская, 2004).

Асфальтены представляют собой бурые аморфные порошки плотностью более единицы. Молекулярный вес их колеблется от 1500 до 2200. При нагревании выше 300 єС они разлагаются.

Вредное экологическое влияние смолисто-асфальтеновых компонентов на почвенные экосистемы заключается в значительном изменении водно-физических свойств почв. Если нефть просачивается сверху, ее смолисто-асфальтеновые компоненты сорбируются в основном в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почв. Кроме того, смолисто-асфальтеновые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения гибнут (Пиковский, 1993).

На самой поверхности почвы высокомолекулярные продукты деградации нефти образуют довольно устойчивые к разложению корочки, затрудняющие дыхание почв (Губайдуллин, 2008). При многократных разливах тяжелой смолистой нефти на поверхности почвы образуются прочные твердые покровы - киры. В целом при окислительной деградации нефти в почвах, независимо от того, происходит механическое вымывание загрязняющих веществ или нет, идет накопление смолисто-асфальтеновых веществ (Губайдуллин, Иванов, 2006).

Смолистые вещества очень чувствительны к элементарному кислороду и активно присоединяют его. На воздухе смолистая нефть быстро густеет и теряет подвижность. Вероятно, кислород воздуха играет существенную роль в новообразовании смол за счет ароматических и гибридных структур (Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем, 1988). Эти вещества малодоступны организмам и процесс их метаболизма идет очень медленно, иногда десятки лет.

По содержанию смол и асфальтенов нефть разделяется на малосмолистую (1-10 %), смолистую (10-20 %) и высокосмолистую (более 20 %) (Конторович, 1975).

3.1.7 Ванадий и никель

В природной нефти выявлено около 60 микроэлементов. Их средние концентрации уменьшаются в следующем ряду: CI, V, Fe, Ca, Ni, Na, К, Mg, Si, Al и далее.

Содержание V в ряде месторождений ТПП сопоставимо с рудной концентрацией (Калинин, 2009). Источником ванадия для нефти Варандей-Адзьвинской зоны является вулканогенный материал, обогащенный ванадием и другими металлами (Якуцени, 1999). Как правило, повышенные концентрации ванадия отмечаются в окисленной высокосернистой нефти (Соболева, 2010). Так, например, в нефти Тобойского месторождения при содержании серы - 2,81 % концентрация ванадия достигает 170 мкг/кг, а при содержании серы 0,24-0,52 % содержание ванадия колеблется в пределах - 2-7 мкг/кг (Проект «Северные Ворота», 1995).

Скрытые воздействия присутствующих в нефти соединений V и Ni визуально не фиксируются, а их последствия по длительности могут носить характер геологических явлений, создавая устойчивые местные техногенные биогеохимические аномалии (Якуцени, 2000). Ванадий и никель активно ассимилируются растительностью, поступают в естественный биоцикл, переходят в грунтовые воды. То есть создаются множественные возможности опосредованного контакта геологической среды с металлами из нефти.

Их токсичность проявляется в способности легко аккумулироваться живыми организмами, вызывая даже в малых количествах нарушения их функционирования. Эти элементы отличаются устойчивостью в процессе перемещения по геохимическим циклам. В силу своих химических свойств они слабо трансформируются и накапливаются в природной среде. Основным депонирующим слоем, где накапливаются тяжелые металлы, является почва (Губайдуллин, Калашников, Макарский, 2008).

В таблице 3.1 приведены сведения по наиболее обогащенной металлами нефти и природным битумам в Тимано-Печорской нефтегазовой провинции.

Ванадий и никель по токсикологической опасности с учетом их высокой токсичности, кумулятивности и способности вызывать отдаленные биологические эффекты относятся к 1-му классу.

Устранить последствия загрязнения среды токсическими элементами очень сложно. Тяжелые металлы, накапливаясь, почти не рассеиваются. В почве часть соединений может химически модифицироваться и стать еще более токсичной или, наоборот, нейтральной. Для естественной рекультивации пораженных территорий могут потребоваться десятки и сотни лет (Якуцени, 2000).

Таблица 3.1 - Характеристика нефти, обогащенной металлами (Якуцени, 2000).

*по данным автора

Общие экологические следствия поступления нефти, нефтепродуктов и других загрязнителей в природную среду сводятся к: а) изменению свойств почв и почвенного покрова, б) загрязнению поверхностных и почвенно-грунтовых вод и донных отложений, в) изменению химического состава растений и трансформации растительного покрова, г) общей деградации ландшафтов и изменению социально-экономических условий жизни населения (Солнцева, 1995).

Поведение нефти и нефтепродуктов при их попадании в ландшафты, особенно процессы их внутриландшафтной миграции и метаболизма крайне сложны и очень длительны (Сrеsswell, 1977). С течением времени происходит внутрипочвенная деструкция поступившего загрязнителя, включающая физико-химическое и микробиологическое разрушение нефти, сорбцию-десорбцию составляющих нефть компонентов, их растворение, деградацию, образование и разрушение эмульсий и т. д.

Длительность процессов разложения нефти в природных системах в значительной степени определяется энергетическим потенциалом территории, влажностью, механическим составом субстратов (Brown, Donelly, 1983). Для разложения нефти необходимы температуры не ниже 6-10 °С (Солнцева, 1998), оптимально 24-30 °С (Андреева, 1981). Поэтому в холодных, экосистемах нефть очень устойчива и ее деградация может длиться десятилетиями (Еngelhardt, 1985). Кроме того, экологическая опасность от формирования геохимически трансформированных нефтяных углеводородов, преимущественно образующихся в существенно переувлажненных и болотных ландшафтах, может быть очень велика.

Интенсивность выноса углеводородов из почв в водных растворах меняется в зависимости от температуры растворов. С понижением температуры растворимость компонентов нефти падает, соответственно процесс их выноса замедляется. Происходит загрязнение не только почвенно-грунтовых, но и собственно подземных вод (Попов и др., 1987). Скорость продвижения фронта загрязнения в песчано-глинистых отложениях может достигать 30 м/год.

Кроме того, попавшая в водоемы и водотоки нефть оседает на дно, заражая донные осадки, что приводит к специфическому составу донных отложений (Немировская, 2004). Существенно увеличивается содержание органического углерода: в среднем до 7-10 %, а в отдельных случаях до 30-60 %. Увеличение органических коллоидов приводит к изменению механического состава донных субстратов, их текстуры и структуры. Осадки становятся вязкими и плотными, что ухудшает их аэрацию. В предельных случаях в донных отложениях малых водотоков сумма водорастворимых соединений (солей) может достигать 2,5-3,5 %. При этом в верхней окисленной части осадков содержится довольно много сульфатов. В более глубоких горизонтах количество сульфатов резко падает вследствие развития глеевой сероводородной обстановки, где сера переходит в восстановленные формы. Физико-химические свойства донных отложений незакономерно изменяются в пространстве и времени, что зависит от механического состава (возможностей сорбции-десорбции) субстратов, удаленности от места попадания загрязнителя, очищающего-загрязняющего влияния открывающихся в рассматриваемый водоток притоков (Солнцева, 1998).

Кроме влияния на природные компоненты присутствующие в нефти вещества могут быть причиной выхода из строя технологического оборудования, высокой скорости коррозионных процессов и др., что увеличивает вероятность возникновения аварийной ситуации. Так при классификации по составу и свойствам полученных флюидов, ряд авторов (Балахнов и др, 2009; Губайдуллин) констатирует, что максимальную опасность представляют флюиды с высоким содержанием сероводорода.

Имея представление об опасности тех или иных компонентов, входящих в состав нефти, и, установив высокую уязвимость геологической среды, встает вопрос о способах обработки и представления данных. В случае описания и анализа таких сложных систем и механизмов как воздействие нефти на природные компоненты невозможно достоверно оценить только экспериментально или теоретически, а математические модели требуют сильных упрощений. Поэтому далее мы рассмотрим некоторые методы оценки факторов загрязнения, сделав определенный акцент на достоинствах и недостатках каждого из них.

3.2 Характеристика метрических методов анализа состояния природной среды

Формирование и изменение природных объектов происходит вследствие взаимодействия многих физико-географических, технико-экономических и социальных факторов. В зависимости от характера взаимодействия, роли факторов, целей исследования, особенностей избранной методики анализа при одних и тех же исходных данных конечные результаты могут сильно различаться между собой. Поэтому вновь весьма актуальным стал вопрос о разработке методологии анализа природных систем, которая содержала бы в себе как можно меньше неопределенностей, и в то же время давала возможность более ясно интерпретировать результаты (Юдахин, Губайдуллин, Коробов, 2002; Коробов, 2008).

B основу метрических методов положен расчет расстояний в различных гиперпространствах. Гиперпространства составляются из координатных осей различных размерностей, которые характеризуют природный объект или систему. Число осей теоретически не ограничено; их может быть как больше, так и меньше количества исследуемых величин. Так, при исследовании уровня загрязнения территории гиперпространство может быть составлено из размерностей концентраций загрязняющих веществ.

Мерой близости объектов, помещенных в гиперпространствах, является гиперрасстояние: чем оно меньше, тем теснее связь. Эти методы используются наиболее часто, когда характеристики распределены на какой-либо координатной плоскости, например на поверхности Земли. Наиболее распространенными являются следующие метрики.

1) Метрики махалонобисского типа. С помощью расстояния Махаланобиса можно определять сходство неизвестной и известной выборки. Оно учитывает корреляции между переменными и инвариантно к масштабу.

2) Хеммингово расстояние. Эта мера используется, когда объекты описываются так называемым набором дихотомических признаков, т.е. признаков, принимающих только два значения. Если для каждой характеристики объекта каким-либо образом устанавливаются критерии сходства, то сопоставление объектов между собой дает меру близости: чем больше характеристик сравниваемых объектов совпадает, тем они ближе (или наоборот - чем больше несовпадений, тем объекты более не сходны.

3) Таксономическое расстояние. Используется тогда, когда компоненты вектора признаков объекта можно представить в виде полей. Иногда для улучшения картирования метрические расстояния нормируют на экстремальные значения.

Для улучшения качества метрических методов в расчетные формулы могут вводиться веса.

Метрические методы нашли широкое применение в экономико-географическом районировании территорий (Тикунов, 1997). Общим недостатком применяемых на практике метрических методов является их ориентация на сопоставление объектов по какому-либо одному доминирующему признаку. Они дают приемлемые результаты главным образом при анализе объектов, описываемых набором однородных характеристик, но могут использоваться и как элемент более сложных видов анализа.

Метод энтропии. Энтропия характеризует устойчивость системы: чем выше энтропия, тем более устойчивой считается система, поскольку может пребывать в большем количестве состояний и тем самым эффективно противостоять воздействию на нее. В биологических системах это означает, что чем разнообразнее кормовая база, тем больше шансов выжить у популяции животных в случае поражения какого-либо вида растительности, поскольку этот вид (в качестве пищи) может быть заменен другим. При помощи энтропии можно сравнивать различные системы, а также систему в различных состояниях.

Метод ранговых корреляций. Этот метод применяется при скользящем поквадратном осреднении. Чем выше величина коэффициента ранговой корреляции, тем теснее связаны между собой участки. Вычислить коэффициент ранговой корреляции можно различными способами.

Метод совмещенного анализа карт. Когда речь идет об окружающей среде, подавляющее большинство ее компонентов можно картировать, т.е. составить комплекс тематических и специальных карт, в том числе и прогностических, на основании оценочных расчетов изменения природных и социально-экономических характеристик региона. Каждый картируемый показатель по специальным шкалам оценивается в баллах. Карты накладываются друг на друга, и по сумме баллов территория разбивается на однородные участки. По такому принципу составляются, например, экологические (Стурман, 1995; Экологические функции литосферы, 2000) и оценочные карты (Звонкова, 1970). К недостаткам картографических методов относится исключение из рассмотрения некартируемых показателей и неучет относительной роли факторов, т.е. все они считаются равнозначащими (Коробов, 2008).

3.2.1 Классификация объектов

В основе классификаций лежит определение степени сходства исследуемых процессов, объектов и явлений, или определение несходства между ними (Спенсер, 1999). Ha практике проведения классификаций в основном реализуется подход, основанный на определении степени сходства между объектами.

Классификации, основанные на балльных оценках. В общем случае влияющие факторы описываются различными характеристиками, выраженными различными единицами измерений. Для того чтобы альтернативы можно было сопоставлять между собой наиболее естественным способом, необходимо найти такой сводный показатель, который позволял бы свести все разнообразие исследуемого признакового пространства к некоторой единой величине. В качестве такой величины можно рассматривать балльные оценки влияющих факторов.

Идея метода чрезвычайно проста. Каждый фактор, независимо от единиц измерения, оценивается в баллах. Балльные оценки факторов имеют вертикальный характер, т.е. берется один фактор, и по выбранному способу для каждой альтернативы оценивается его величина. Баллы могут возрастать по мере увеличения значения с фактора, но могут и убывать при его росте. Направление компонентов вектора балльных оценок определяется оцениваемым фактором: в одних случаях, чем выше значение величины, тем хуже оценка альтернативы (например, чем больше повторяемость штилей, тем чаще создаются условия для застойных явлений, и балл выше); в других случаях процесс присвоения баллов будет обратным (например, чем меньше растворенного кислорода в воде, тем хуже для экосистемы, соответственно и балл выше). Альтернативы сравниваются между собой по общей сумме набранных баллов.

Преимущество балльных классификаций перед другими вышеизложенными методами заключается в ясности интерпретации результатов: в большинстве случаев, чем хуже условия, тем выше балл, и соответственно, чем выше сумма баллов, тем хуже альтернатива (или район, как в приведенных выше примерах). Однако этот метод обладает двумя, но весьма существенными недостатками. Во-первых, он не учитывает различный вклад факторов в конечный результат, т.е. все факторы полагаются равнозначными, что может привести к искажению реальной ситуации. Во-вторых, одинаковая сумма баллов может быть получена вследствие различного сочетания балльных оценок, что дает формальное основание отнести объекты с одинаковой суммой к одному классу. Однако на самом деле это может быть далеко не так. Тем не менее, это обстоятельство не является кардинальным препятствием для проведения классификации, поскольку практически всегда возможно ввести дополнительные критерии для разделения объектов, хотя, надо признать, это приводит к усложнению классификационной модели (Коробов, 2008).

Шкалирование показателей компонентов системы. Более точно найти балльные оценки возможно посредством построения соответствующих шкал. Шкалы представляют собой разбитую на интервалы числовую ось или таблицы соответствия. Исследуемой величине, попавшей в определенный интервал или соответствующей определенному набору признаков, присваивается соответствующий балл. При этом в зависимости от характера самой величины балльная оценка может быть как целой, так и дробной.

Баллы принимают дробные значения, когда измеряемый показатель представляет собой непрерывную величину. К таким показателям относятся гидрометеорологические величины, концентрации загрязняющих веществ и пр. Точность расчета балльной оценки в этих случаях будет определяться дискретностью измерений показателя, например, 0,01 °С для температурных шкал), но для практических целей достаточно ограничиться десятыми долями балла. Однако для этих величин невозможно установить взаимно однозначный переход, т.е. если по показателю можно точно вычислить балльную оценку, то обратная операция невозможна, поскольку одному и тому же баллу будет соответствовать несколько значений, входящих в соответствующую градацию (Коробов, 2008).

3.2.2 Принятие управленческих решений

Методы последовательного анализа вариантов. Содержание этих методов состоит в построении системы правил отбраковки тех множеств вариантов, среди которых либо заведомо, либо «предположительно» не могут содержаться оптимальные решения. Сами правила разрабатываются исходя из природы решаемой задачи.

Методы последовательного анализа альтернатив не подразумевают каких-либо стандартных процедур. Существующие алгоритмы представляют собой многошаговый процесс отыскания решения, который сводит задачу нахождения функции п переменных к последовательному нахождению минимума п функций одной переменной.

Методы системного анализа. К системному анализу относится большая группа методов, различающихся по своему назначению и возможностям. Наиболее известными и популярными из них являются дискриминантный анализ, факторный анализ и метод главных компонент.

1.Дискриминантным анализом называется совокупность алгоритмов, порождающих на сновании предположений и характера распределения выборки конкретное правило классификации объектов.

2. Факторный анализ заключается в возможности нахождения зависимости между р анализируемыми признаками х(1), х(2), ..., х(р) от других, непосредственно не измеряемых признаков f(1), f(2) ... f(k), причем обязательно к<р. Факторный анализ в тех случаях, когда он применим, позволяет снизить размерность системы за счет уменьшения числа описывающих ее параметров, а также выделить основные факторы, влияющие на конечный результат.

3. Метод главных компонент по своей сути сходен с линейными моделями факторного анализа. Их небольшое различие заключается лишь в конкретизации критерия точности аппроксимации (Айвазян и др., 1989)

Особое место в методах классификации занимает кластерный анализ, объединяющий в себе несколько различных методологий и отличающийся разнообразием используемых для проведения классификации средств.

Отметим, что на качество классификации в этом и аналогичных методах влияет количество заданных классов, которое приходится устанавливать произвольно, а не искать посредством вычислений. В целом же в кластерном анализе существуют десятки методов разбиения объектов на классы. Уже само количество этих методов достаточно ясно указывает на несовершенство методологии кластерного анализа.

Основным недостатком группы методов классификации, входящих в системный анализ, является требование априорного задания количества классов, что ставит исследователя в затруднительное положение ввиду отсутствия однозначных критериев разбиения получаемой совокупности метрических характеристик на подмножества. Причем неопределенность возрастает по мере увеличения количества координатных плоскостей, т.е. рассмотрения большего числа факторов.

Тем не менее, традиционные методы системного анализа можно применять как вспомогательные для нахождения и уточнения влияющих факторов. Их можно применять для однородных данных, таких как гидрометеорологические характеристики, чтобы выделить вклад различных составляющих в температурные поля, поля атмосферного давления, скорости ветра и др. Наиболее важные компоненты в том случае, если удается найти их интерпретацию, могут быть приняты в качестве влияющих факторов.

Анализ рисков применяется и для определения надежности (Мирцхулава, 2002; Muhlbauer, 1996) и экологической безопасности (Лисин и др., 1997) нефтетранспортных систем, которые относятся к категории сложных технических систем, на функционирование которых оказывают влияние природные условия и эксплуатация которых влияет на окружающую среду. Для такого рода систем риски разделяются на следующие группы: технические, природные, экологические и экономические. Если реализация намечаемой деятельности возможна в нескольких регионах, различающихся социальной и политической ситуацией, к ним добавляются геополитические риски.

Риск - величина вероятностная, и определить ее можно как вероятность наступления некоторого неблагоприятного события.

Таким образом, использование рисков для анализа систем связано со многими техническими трудностями. Однако некоторые риски, характеристики которых могут быть получены, например вероятности особо опасных гидрометеорологических явлений, можно использовать в качестве критериев для решения задач оптимизации размещения промышленных объектов (Коробов, 2008).

Исследование систем по своей методологии принципиально отличается от изучения отдельных процессов и явлений. Главное отличие - наличие разнонаправленных потоков (энергетических, информационных и др.) между компонентами системы, а также между системой и окружающей ее средой, понять и формализовать которые достаточно сложно; поэтому сегодня единой теории систем не существует, и вряд ли появления ее следует ожидать в обозримом будущем.

3.3 Экспертные методы оценки

Экспертные методы анализа систем стали разрабатываться, когда пришло понимание того, что детерминистских и стохастических методов недостаточно для установления количественных связей между отдельными компонентами систем. Экспертные методы исследования систем заключаются в оценке экспертами - специалистами высшей квалификации - степени взаимосвязи между компонентами системы и отражают индивидуальное или коллективное суждение специалистов, основанное на мобилизации профессионального опыта, интеграции и синтеза знаний и интуиции. Математическая и логическая обработка мнений экспертов позволяет получить количественные зависимости между ее компонентами и на основании этих связей дать комплексную оценку системы в целом. Такие комплексные оценки, выражаемые в конечном итоге числовыми величинами, независимо от характера исходных данных позволяют сравнивать между собой различные объекты, формализованные в рамках определенной системы.

Несмотря на то, что в экспертных методах количественные характеристики взаимозависимости отдельных параметров системы возникают на основании качественных оценок, в которых далеко не последнюю роль играет интуиция, по мнению ряда специалистов, именно они заслуживают большего доверия, нежели чисто статистические методы, и их применение будет возрастать, особенно при исследовании природных и техногенных систем. И, как показано многими исследованиями, на сегодняшний день не существует всеобщего метода, позволяющего любое рассуждение заменить вычислением, поэтому при исследовании систем опыт экспертов может иметь решающее значение (Юдахин, Губайдуллин, Коробов, 2002).

Для вывода о предпочтительности экспертных методов при оценке сложных систем, по крайней мере на данном этапе развития естественных наук, имеются следующие основания. Во-первых, установление связей только на основании данных измерений (наблюдений) позволяет манипулировать конечными результатами путем подгонки соответствующих данных (что, к сожалению, все еще часто встречается в науке) и не совсем корректного применения методов их статистической обработки. Следовательно, необходимо применять те статистические процедуры, которые позволяют находить устойчивые характеристики рядов наблюдений. Во-вторых, при отсутствии данных приходится принимать гипотезы о характере статистической зависимости между составными частями системы, которые далеко не всегда могут оказаться верными. В-третьих, качество работы эксперта - обоснованность оценок, его компетентность, подверженность внешнему влиянию можно достаточно точно оценить при помощи специальных процедур.

Методы экспертных оценок используются для прогнозирования событий будущего, если отсутствуют статистические данные или их недостаточно. Иными словами, методы экспертных оценок применяются как для количественного измерения событий в настоящем, так и для целей прогнозирования.

Экспертно-статистические методы анализа послужили основой создания экспертных систем. В настоящее время экспертные системы завоевали большую популярность и используются практически во всех отраслях знаний. Экономический эффект от их применения измеряется в сотнях миллионов долларов в год (Динамические интеллектуальные системы..., 1996).

Методы экспертных оценок - это методы организации работы со специалистами-экспертами и обработки мнений экспертов. Эти мнения обычно выражены частично в количественной, частично в качественной форме. Экспертные исследования проводят с целью подготовки информации для принятия решений лицом, принимающим решений (Коробов, 2008).

3.3.1 Организация опросов экспертов

При проведении экспертных исследований можно выделить следующие этапы:

- принятие решения о необходимости проведения экспертных исследований;

- создание рабочей группы;

- разработка подробного сценария проведения, сбора и анализа экспертных оценок. Этот этап включает в себя конкретный вид информации, предполагаемой к получению от экспертов (способы выражения оценки - тексты (слова), условные градации, числа, ранжирование, разбиение и др.).

- на следующем этапе происходит подбор экспертов в соответствии с их компетентностью и формирование экспертной группы;

- проведение сбора экспертной информации;

- обработка информации и анализ экспертных мнений.

Большое значение для качества экспертных опросов имеет правильный подбор экспертов. Процедуре выбора экспертов уделяется много внимания, поскольку ошибки в подборе специалистов ведут к получению некорректных оценок параметров исследуемой системы. Расчеты, выполненные при помощи созданных на основе экспертных суждений моделей, будут давать искаженные, а то и вовсе неверные оценки ситуации. Эксперт - это специалист, суждения которого наиболее компетентны в данной области знаний. Уровень компетентности - понятие субъективное, поэтому эксперты должны подлежать оценке по результатам своей работы.

Процедура экспертного опроса может быть организована и проведена как в виде коллективного обсуждения, так и в индивидуальном порядке. Если по каким-либо причинам экспертов собрать не удается, опрос может быть проведен заочно.

На первый взгляд, более перспективным представляется групповое обсуждение проблемы, поскольку члены группы могут свободно обмениваться мнениями, что должно привести к сближению позиций; поэтому от группового опроса ожидается выработка наиболее согласованного решения. Если эксперты независимы в своих суждениях и дискуссия носит открытый и доброжелательный характер то итоги такого обсуждения будут наиболее эффективными, а обобщенное мнение экспертов наиболее надежным. Однако создать необходимую атмосферу таких опросов достаточно сложно, поскольку в состав экспертов могут входить люди, придерживающиеся различных взглядов на обсуждаемые вопросы и обладающие такими человеческими недостатками как склонность к конформизму, невосприятие других аргументов, перестраховка в принятии самостоятельного решения.

Алгоритмы индивидуальных оценок и групповых обсуждений объединены в методе, получившем название «метод номинальных групп». Эта методология проведения опросов разработана А. Делбеком и А. Ван де Веном (Delbecq, VandeVen, 1971) с целью упорядочения обсуждений и повышения продуктивности работы. Методология номинальных групп реализуется в 6 этапов. На первом этапе эксперты в индивидуальном порядке формулируют свои идеи относительно обсуждаемой темы. На втором этапе все идеи озвучиваются и сводятся в единый список. При необходимости та или иная идея объясняется ее автором, но обсуждение самих идей запрещается. На третьем этапе следует коллективное обсуждение идей в той очередности, в какой они следуют в списке. Во время четвертого этапа производится индивидуальное ранжирование идей по степени их важности. Чтобы не перебирать весь список, который может быть весьма длинным, число идей ограничивают. Можно поставить условие, что каждый эксперт имеет право выбрать, допустим, не более пяти пунктов из общего списка по своему усмотрению и расположить в порядке убывания или возрастания их важности, т.е. провести их ранжирование. Результаты индивидуальных ранжирований обобщаются и доводятся до сведения группы. Пятый этап посвящен обсуждению результатов. После обсуждения экспертам дается возможность внести уточнения в свои оценки, которые уже будут окончательными, т.е. проводится повторное индивидуальное ранжирование. На шестом этапе производится подсчет рангов откорректированных экспертами идей. В окончательном списке остаются только идеи, набравшие наибольшее количество баллов.