Преобразование абиотических компонентов природной среды в районах длительно существующих объектов логистики нефтепродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Преобразование абиотических компонентов природной среды в районах длительно существующих объектов логистики нефтепродуктов

И.И. Косинова, В.А. Бударина, О.Г. Фонова, С.В. Долбилова, Е.В. Зинченко; Воронежский государственный университет

Аннотация

Определены основные направления преобразования абиотических компонентов природной среды в районах длительно существующих нефтебаз. Обозначена роль микрорельефа территории и гранулометрического состава грунтов при распространении загрязняющих элементов. Представлены результаты применения нового полевого прибора - портативного детектора с пьезосенсором на основе МУНТ - для определения нефтепродуктов в грунтах и подземных водах.

Выявлено повсеместное загрязнение промплощадки нефтебазы нефтепродуктами в концентрациях, превышающих ПДК в 20-80 раз. Подземные воды максимально загрязнены в пониженной части рельефа, сопряженной с источниками загрязнения - эстакадами перелива нефтепродуктов. Уровни загрязнения варьируют от 50 ПДК до полного замещения воды линзой чистого нефтепродукта.

Ключевые слова: нефтебаза, нефтяное загрязнение, приповерхностные отложения, подземные вода, атмосфера, источники загрязнения, аномалии.

Abstract

Transformation of abiotic components of the environment in areas of long-existing oil products logistics facilities

The main directions of transformation of the abiotic components of the environment in areas of long-existing oil depots are determined. The role of the micro relief of the territory and the particle size distribution of soils during the spread of polluting elements is indicated. The results of the application of a new field device - a portable detector with a MWNT-based piezosensor - for the determination of petroleum products in soils and groundwater are presented. The ubiquitous pollution of the industrial site of the tank farm with oil products in concentrations exceeding the MPC by 20-80 times was revealed. Groundwater is maximally polluted in the lower part of the relief, associated with sources of pollution; overpasses of oil products. Pollution levels range from 50 MPC to the complete replacement of water with a lens of a pure oil product.

Keywords: tank farm, oil pollution, surface sediments, groundwater, atmosphere, sources of pollution, anomalies.

Ведущую роль в современной экономике играют энергетические ресурсы. В большинстве случаев, именно от них зависит уровень развития государства. Значимость энергоресурсов подтверждает то, что почти 80% объёма добычи всех полезных ископаемых относится именно к ним. Основные виды энергетических ресурсов: нефть, уголь, газ, гидроэлектро- и ядерная энергия.

Нефть - это горючее полезное ископаемое, с химической точки зрения - это сложная смесь углеводородов, имеющая примеси разнообразных соединений, например, серы, азота и других. Её запах зависит от присутствия в ее составе ароматических углеводородов, сернистых соединений. Вследствие этого, он также может различаться. Не менее важными являются продукты переработки нефти, которые представляют собой смесь углеводородов в сочетании с самостоятельными химическими соединениями, получаемыми из нефти и нефтяных газов. Любые нефтепродукты получают методом перегонки нефти. Вследствие перегонки из первичного сырья выделяются разные газообразные вещества.

К нефтепродуктам относят:

- топливо (бензин, керосин, дизель, мазут, нефтяные газы);

- смазочные масла, парафины и др.;

- иные нефтепродукты (растворители, смазочноохлаждающие смеси, др.);

- химические и нефтехимические продукты.

Очень редко все нефтепродукты реализуются сразу же. Поэтому некоторую часть нефти направляют в места временного хранение - нефтебазы.

Нефтебаза - предприятие, представляющее собой комплекс установок и сооружений для приема, хранения и отпуска нефтепродуктов. Исторически сложилось, что нефтебазы первого уровня располагаются в пределах плотно заселенных районов. Они представляют собой объекты экологического риска, оказывающие негативное воздействие на абиотические и биотические компоненты природной среды.

В сфере логистики нефтепродуктов важным аспектом деятельности является их экологическая безопасность. В районах нефтебаз формируются атмо-, гидро- и литофильные аномалии [1].

Атмофильные аномалии своими источниками имеют неорганизованные (испарения; сбросы; утечки из-за неисправности оборудования) и организованные источники (дымовые трубы, факела, вентиляционных систем). При этом, неорганизованные источники не всегда можно контролировать, в то время как контроль организованных возможен за счет применения очистных сооружений (фильтров, факелов и других технологий).

В атмосферу от нефтепродуктов попадают следующие вещества:

- диоксид серы;

- оксиды азота;

- оксид углерода;

- находящиеся во взвешенном состоянии частицы.

Причины формирования литофильных аномалий в районах крупных нефтебаз выделены Батановым Б.Н:

- фильтрация через дно и стенки земляных амбаров с последующим распространением загрязняющих веществ грунтовыми и межпластовыми водами;

- разливы нефти;

- излив сточных вод;

- механическое нарушение почвенного и растительного покрова.

Нефтепродукты попадают в приповерхностные отложения вместе со сточными водами, а также вследствие протечек. Если сбрасывать достаточно много таких вод и не предотвращать аварийное излияние нефтепродуктов, то территория становится непригодной и опасной для использования.

Время реанимации почв зависит от типа почв и погоды и, в среднем, составляет 25 лет. Зависит время реанимации также и от глубины проникновения нефти в основание. Слабым загрязнение считается тогда, когда оно не достигает 10 см, сильным - свыше 25 см. Процессы накопления и миграции нефтепродуктов зависят от гранулометрического состава пород зоны аэрации [2].

Водная среда значительно страдает от утечек нефти, при этом загрязняются все типы гидросферы.

Нефтепродукт, попав на земную поверхность, инфильтруется через грунты зоны аэрации. На границе между водонасыщенной и ненасыщенной средами начинается процесс, называемый активной миграцией - это распространение нефтепродукта в горизонтальном направлении. Помимо этого, на поверхности грунтовых вод происходит пассивная миграция - снос нефтепродуктов подземными водами. [3]

Колебания уровня грунтовых вод (УГВ) являются немаловажным фактором при загрязнении нефтью. При понижении УГВ нефтепродукты следуют за водой. При повышении часть нефтяных веществ остается в горных породах, не успевает быстро подняться за грунтовыми водами (процесс повышения УГВ намного быстрее, чем понижение) и остается чуть ниже уровня грунтовых вод.

Движение нефтепродуктов в подземных водах представляет собой значимый фактор экологического риска, это связано с быстрым во времени и пространстве развитием гидрофильной аномалии. Также вследствие загрязнения подземных вод нефтепродуктами снижается pH, что трансформирует все химические процессы в водной среде. [4]

В этой связи целью настоящих исследований стала оценка экологического состояния приповерхностных отложений и подземных вод в районе длительно существующей крупной нефтебазы на левобережной части г. Воронежа.

Нефтебаза «Красное знамя» (рис. 1) расположена в г. Воронеж, и действует с 1947 года, железнодорожные эстакады № 1 и № 2 с 1951 и 1956 годов. Она находится в черте города, в непосредственной близости к жилым и промышленным объектам. 72 года эксплуатации объекта позволяют рассматривать его как диагностическую модель, позволяющую фиксировать комплекс экологических рисков, формирующихся нефтебазами первого уровня.

Рис. 1. Территория нефтебазы «Красное знамя».

В первые годы эксплуатации на комбинате «Красное знамя» осуществлялось хранение авиационного бензина, этилового спирта и спирта-ректификата. Впоследствии и по настоящее время идет прием, хранение и периодическая замена топлива для реактивных двигателей марки ТС, то есть она является базой хранения по своему функциональному назначению. Также осуществляется хранение бензина марки А-80, слив которого происходит на второй эстакаде. По номенклатуре хранимых нефтепродуктов, нефтебаза «Красное знамя» предназначена для хранения легковоспламеняющихся (светлых) нефтепродуктов.

Хранение топлива осуществляется в стальных наземных резервуарах и подземных траншеях и казематах. Для сбора и концентрации нефтепродуктов в результате возможных утечек, а также для локализации поверхностного стока существует испарительный бассейн и промышленная канализация в металлических трубах. Стоки попадают в бассейн через очистные фильтры, расположенные в его южной части. Дно и борта бассейна покрыты асфальтом, участками, нуждающимся в ремонте.

Методика отбора проб и методы их анализа

На территории нефтебазы «Красное знамя» находится 13 скважин, расположенных вдоль сливных платформ. На северо-восточной и юго-западной частях расположены резервуары с топливом.

На изучаемой территории были отобраны и исследованы пробы приповерхностных отложений и подземных вод. Отбор проб приповерхностных отложений производился непосредственно рядом со скважинами. Пробы подземных вод отбирались по сети скважин.

Образцы грунтов отбирались с глубины 0,3 м от поверхности земли. Пробы для анализов формировались путем отбора по методу «конверта» из пяти навесок с квадратной площадки таким образом, что каждая проба представляла собой часть приповерхностных грунтов, типичных для данного участка [5]. Масса пробы составляла не менее 1кг.

Пробы проанализированы на содержание нефтепродуктов. Определение массовой концентрации нефтепродуктов производилось с использованием нового портативного детектора с пьезосенсором на основе многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) [6]. Принцип действия детектора основан на зависимости частоты колебаний от массы вещества, присоединенного (сорбированного) поверхностью пьезоэлемента.

Гидрохимическое опробование скважин проводилось в марте, июне и октябре 2018 г. с целью выявления динамики загрязнения нефтепродуктами. Пробы отбирались с зеркала подземных вод в условно чистых скважинах, где не зафиксировано линзы нефтепродуктов и под линзой, в средней части столба воды между забоем и линзой в загрязненных скважинах. Исследование проб подземных вод проводилось в аккредитованной лаборатории.

По данным исследования были построены карты-схемы по нефтяному загрязнению участка исследования.

Полученные результаты

При изучении территории нефтебазы «Красное знамя» были получены данные геохимического опробования подземных вод и приповерхностных отложений.

Результаты аналитических исследований приповерхностных отложений представлены в табл. 1. Следует подчеркнуть, что геологический разрез на данной территории представлен песчаными породами, которые характеризуются высокими фильтрационными показателями.

Таблица 1. Результаты аналитических исследований приповерхностных отложений

Превышение ПДК по нефтепродуктам (рис. 2) выявлено во всех пробах (ПДК=100 мг/кг). Более высокие концентрации загрязняющего вещества выявлены в условиях щелочной среды и отрицательном Eh, наоборот - более низкие концентрации фиксируются в кислой среде. Выявлено, что все приповерхностные отложения в пределах промплощадки нефтебазы характеризуются высокими уровнями загрязнения.

По результатам анализа построена прогностическая диаграмма (рис. 3) с выделением областей минимальной и максимальной сорбции грунтов [7]. Так при pH менее 7,24 и Eh более -1 выделяется область минимальных концентраций нефтепродуктов (превышение ПДК менее чем в 30 раз), а при pH более 7,24 и Eh менее -1 область максимальных концентраций нефтепродуктов (превышение ПДК более чем в 30 раз). Наблюдается линейная связь, которую можно вычислить по регрессивному уравнению:

Eh=-61,46pH+445,2. (1)

Полученные результаты дают основание для прогнозирования накопления нефтепродуктов в грунтах при их известных кислотных и окислительно-восстановительных свойствах. Прогностическая диаграмма позволяет планировать точки мониторинга с повышенным содержанием нефтепродуктов, и оптимизировать реабилитационные мероприятия.

Рис. 2. Карта-схема содержания нефтепродуктов в приповерхностных отложениях территории нефтебазы Красное знамя. Условные обозначения см. на рис.4.

Длительное существование настоящей эколого-геохимической ситуации привело к накоплению нефтепродуктов в приповерхностных отложениях и подземных водах именно в пониженной центральной и восточной частях территории.

Для определения тесноты связи между содержаниями нефтепродуктов в приповерхностных отложениях и воде был сделан корреляционный анализ по методу Спирмена [8]. Теснота связи составляет 0,64, что показывает достаточно сильную связь. Это означает, что нефтепродукты, перемещаясь с поверхности к водоносному горизонту, формируют нефтяные линзы.

Рис. 3. Прогностическая диаграмма с выделением областей максимальной и минимальной сорбции грунтов.

Конфигурация эколого-гидрогеохимической аномалии представлена на рис. 4. Общее направление потока подземных вод ориентировано с востока на запад. Однако максимальное загрязнение подземных вод наблюдается в центральной и восточной частях территории, т.е. в скважинах 2, 5, 6, 7. По проведённым ранее исследованиям известно, что линза нефтепродукта находится в центральной части исследуемой территории (в непосредственной близости от скважин 2 и 7). Нахождение нефтепродуктов в восточной части обусловлено особенностями микрорельефа территории нефтебазы. Она представляет собой обширное блюдцеобразное понижение. На верхних частях структуры находятся емкости хранения нефтепродуктов. В нижней части располагается эстакада перелива, являющаяся основным источником поступления нефтепродуктов в компоненты природной среды. В центральную часть понижения также поступают все ливневые и талые воды [9]. При понижении температур и поступлении загрязнителя с поверхности происходит обратный процесс миграции. В результате создается некий баланс содержания концентраций нефтепродуктов в приповерхностных отложениях и подземных водах.

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Длительно существующие нефтебазы первого уровня представляют собой особо опасные объекты, характеризующиеся хроническим уровнем загрязнения абиотических компонентов природной среды. Конфигурация аномалий в пространстве и разрезе определяется микрорельефом территории и гранулометрическим составом грунтов зоны аэрации. В приповерхностных отложениях территории нефтебазы «Красное знамя» выявлено превышение нефтепродуктов в 20-80 ПДК.

2. Для проведения наблюдений весьма эффективным может быть новый портативный детектор с пьезосенсором на основе МУНТ. Он позволяет оперативно и точно провести замеры загрязнения приповерхностной атмосферы и отложений для выработки управленческих решений в сфере рационального природопользования.

Существующая система эколого-гидрогеологического мониторинга привязана к территории промплощадки и не позволяет определить уровень воздействия экологически опасного объекта на прилегающие территории. Необходимо ее расширение по системе векторных наблюдений в западном и юго-восточном направлениях. Для определения экологического состояния приповерхностных отложений целесообразной станет система радиальных наблюдений с определением уровней загрязнения в полевых условиях. Данное обстоятельство имеет большое значение, так как при транспортировке проб, насыщенных нефтепродуктами, большая их часть теряется при дегазации.

Рис. 4. Эколого-гидрогеохимическая карта территории промплощадки нефтебазы Красное знамя: 1 - реабилитационная скважина; 2 - наблюдательная скважина; 3 - эксплуатационная скважина; 4 - контур распространения загрязнения нефтепродуктом; 5 - зона распространения линзы чистого нефтепродукта (предположительно); 6 - резервуары с нефтепродуктом; 7 - нефтяная эстакада; 8 - территория нефтехранилища; 9 - промышленная и жилая зоны; 10 - содержание нефтепродукта более 0,3 мг/дм³; 11 - содержание нефтепродукта менее 0,3 мг/дм³.

нефтепродукт аномалия загрязняющий грунт

Литература

1. Косинова И.И. Теория и методология геоэкологических рисков / И.И. Косинова, Н.Р. Кустова // Вестник Воронеж. гос. ун-та. Сер.: Геология. - 2008. № 2. - С. 189-197.

2. Коренев В.А. Мониторинг геологической среды/ В.А. Коренев. - Изд-во МГУ, 1995. - 272 с.

3. Информационный отчет по ведению мониторинга подземных вод в пределах зоны локализации очага нефтепродуктового загрязнения на территории ФГКУ комбинат «Красное знамя» Росрезерва за 2015 г., ТЦ «Воронежгеомониторинг», Воронеж, 2015.

4. Методические рекомендации по выявлению, обследованию, паспортизации и оценке экологической опасности очагов загрязнения геологической среды нефтепродуктами. Составитель: Боревский Л.В. Одобрено Управлением ресурсов подземных вод, геоэкологии и мониторинга геологической среды МПР России (протокол № 1 от 30.01.2002 г.). ГИДЭК, 2002 г.

5. ГОСТ 17.4.3.03-83. Охрана природы. Общие требования к отбору проб. - М.: Изд-во стандартов. 2004. - 4с.

6. Кочетова Ж.Ю. Определение легколетучих органических соединений в газовой фазе с применением пьезосорбционных сенсоров на основе синтетических и природных полимеров / Ж.Ю. Кочетова. - Авто- реф. Дис. к-та хим. наук: 02.00.02. - Саратов: СГУ, 2003. - 24 с.

7. Базарский, О.В. Влияние кислотных и окислительно-восстановительных свойств грунтов на сорбцию газообразных фракций нефтепродуктов / О.В. Базарский, Ж.Ю. Кочетова, С.В. Долбилова // Воронеж, Издательство Воронежского государственного университета. 2018. - 6 с.

8. Григорьев Л.И. «Основы математической статистики в задачах нефтегазовой отрасли / Л.И. Григорьев, В.М. Подгорнов, Н.О. Фастовец. - М.: ГАНГ. - 1995 - 33-37 с.

9. Косинова И.И. Методика геоэкологической биоиндикации георисков техногенно-трансформированных территорий / И.И. Косинова, О.В. Базарский, С. Н. Козинцев // Геориск. - 2012. - № 3. - С.22-25.

Размещено на Allbest.ru