Исследование процессоров распространения нефтяных загрязнений в почвах при анализе чрезвычайных ситуациях на объектах нефтегазового комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, кандидат технических наук Панжин, Дмитрий Александрович

• Панжин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Панжин, Дмитрий Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

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

1.1 .Принципы нормирования химических загрязнений почвы

1.2. Свойства почв, влияющие на их химическое загрязнение

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

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

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

2.2. Изучение влияния гранулометрического состава на пористость почв

2.3. Изучение влияния морфологического типа на пористость почв

2.4. Изучение влияния относительной влажности на пористость почв

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

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

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

Выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессоров распространения нефтяных загрязнений в почвах при анализе чрезвычайных ситуациях на объектах нефтегазового комплекса»

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 велико, что они извлекались местными жителями из неглубоких, до 3 м, шурфов. Авиационное топливо, разлитое по технической территории аэродрома, хорошо сохранилось на площади разлива, как правило, не биоде-градируя в естественной песчаной среде в местах своего концентрированного скопления, по меньшей мере, в течение 3-5 лет (время от ликвидации аэродрома до проведения исследований). Топливо проникло в грунт на глубину до 4 м и, по видимому, образовало подушку над грунтовыми водами, располагающимися здесь на глубине 2-4 м.

Можно предполагать, что не на много лучше сложилась ситуация и вокруг бензозаправочных станций, особенно старых, хотя конечно там утечки не достигают такого размера [8].

Принципы нормирования количества и типа нефтяного загрязнения в почвах существенно отличаются от принятых для атмосферного воздуха и природных вод, так как поступление вредных веществ в организм человека и животных непосредственно из почвы происходит в исключительных случаях и в незначительных количествах. Химические соединения, находящиеся в почве, поступают в организм через другие субстраты, контактирующие с почвой — воду, воздух, растения. Вследствие этого при определении ПДК загрязняющих веществ в почве особое внимание уделяется тем соединениям, которые могут мигрировать в атмосферу, грунтовые или поверхностные воды или накапливаться в растениях, снижая качество сельскохозяйственной продукции. Почва представляет собой слабо динамичную, многофакторную систему, отличается от воды и воздуха наличием различных видов, типов и подтипов, строго стандартизировать которые пока не удается. Поэтому почва до начала 70-х годов XX века была единственным элементом биосферы, в котором в нашей стране не нормировалось содержание химиче-

ских загрязнений. Аналогичное положение существовало и в большинстве развитых стран. Сегодня содержание химических веществ в почве нормируется, как правило, в национальных стандартах. На международном уровне нормативов содержания загрязнителей в почве пока нет. Оперативный контроль загрязнения почвы основан на сравнении результатов; измерения содержания токсичных веществ в почве с ПДК [10] и ОДК [11] загрязняющих веществ. ПДК в почве - это максимальная концентрация загрязняющего вещества, которая не вызывает прямого или опосредованного негативного воздействия на здоровье человека и самоочищающую способность почв. Как видно, в данном определении имеется положение о самоочищающей способности почв, чего нет в определениях ПДК для воздуха и гидросферы.

Постоянные естественные воздействия (не считая крупных и катастрофических), как правило, компенсируются саморегулирующей способностью экосистем. Важной характерной особенностью природных систем выступает их способность к саморегуляции.. Без учета этой составляющей невозможно адекватно оценить необходимые мероприятия и затраты на осуществление любых природоохранных мероприятий.

Факторами, преобразования нефтепродуктов в природных^: системах могут быть процессы фотоокисления, биодеградации, термоокисления и пиролиза. В зависимости от условий среды соотношение и скорость процессов химического окисления и биогенного разложения могут быть различными.

Окисление отдельных классов УВ, входящих в состав нефти, в частности микробиологическое окисление, изучается в настоящее время довольно подробно, существует достаточно много работ по этим вопросам. [12, 13, 14].

Нефть - это высокоорганизованная субстанция, состоящая из множества различных компонентов. [15, 16] Она деградирует в почве очень медленно, процессы окисления одних структур ингибируются другими структурами, трансформация отдельных соединений идет по пути приобретения форм, трудноокисляемых в дальнейшем. На фоне общего снижения концентраций нефти в почве снижение содержания ее групповых компонентов происходит

неравномерно. Быстрее других компонентов уменьшается относительное и абсолютное содержание метано-нафтеновой фракции. Эти углеводороды (УВ) легче поддаются биодеградации, кроме того, они более растворимы в воде, что облегчает их вынос за пределы участков загрязнения [17].

Количественной мерой допустимого антропогенного воздействия, как правило, служит уровень того или иного физического поля. Например, при химическом загрязнении - предельно допустимая концентрация* (ПДК) вредных веществ. ПДК принято устанавливать для вполне определенной среды: атмосферного воздуха, воды открытых водоемов и т. п. При обоснованиях величин ПДК не учитываются совсем или учитываются лишь частично эффекты химического и биологического накопления вредных веществ в высоких концентрациях в результате их перехода из одной среды в другую, например, из воздуха в воду, из воды в почву и т. д.

В настоящее время существует только около 100 норм ПДК, установленных для почв. Из них не более десяти касается нефтепродуктов (таблица 1). Для сравнения скажем, что в России установлено нескольких тысяч нормативов содержания вредных веществ, из которых более 2000 касаются атмосферного воздуха населенных мест, более 3000 - воздуха рабочей зоны промышленных предприятий, примерно 2000 - поверхностных вод [18].

При оценке степени неблагополучия почвенных отложений большое значение имеет фоновый мониторинг территорий, поскольку в нормативных документах в случае отсутствия норм ПДК рекомендуется проводить сравнение уровней загрязнения с фоновым уровнем. Фоновый мониторинг в идеальном случае следует проводить до строительства предприятий и сооружений, в остальных случаях - на территориях схожих с контролируемыми [19].

Таблица 1. Значения ПДК для почв

№ пп наименование вещества величина ПДК, мг/кг

1 бензин од

2 бензол 0,3

3 метилбензол 0,3

4 диметилбензолы (1,2 дмб, 1,3 дмб, 1,4 дмб) 0,3

5 метилэтилбензол 0,5

6 Бенз(а)пирен 0,02

Под химическим загрязнением почв следует понимать накопление в почве химических веществ антропогенного происхождения в количествах, представляющих опасность для живых организмов. Опасная ситуация создается в случае, когда вредные химические вещества накапливаются в почве в составе подвижных соединений, способных непосредственно усваиваться растениями на месте загрязнения, переходят в состав атмосферы или гидросферы и затем поступают в живые организмы, отравляя их, переносятся водными потоками в зоны аккумуляции. В результате ими оказывается как прямое, так и косвенное вредное воздействие на живые организмы (в том числе и на человека). В почве допускается такое содержание техногенных химических веществ, при котором прямой контакт с ней кожи человека или поступление в организм по цепочке почва-растение-человек; почва-растение-животное человек; почва-вода-человек и др. гарантирует отсутствие отрицательного воздействия на здоровье, не нарушает процессы самоочищения почвы и не влияет на санитарные условия жизни.

Важный принцип, применяемый для экотоксикологической оценки почв - сравнение содержания загрязняющих веществ в почвенном растворе с соответствующей величиной ПДК для природных вод. При анализе систем почвенного покрова используют понятие подвижности химических соединений в почве, которым называют способность соединений химических элементов переходить из твердых фаз почвы в почвенный раствор [19]. ПДК

нефтепродуктов для водоемов различного хозяйственного назначения к настоящему времени выработаны и утверждены [20, 21, 22].

Нефтяное загрязнение почвы можно подразделить на три категории:

- фоновое нефтяное загрязнение, которое присутствует в почвах на территориях размещения и вблизи населенных пунктов, нефтепромыслов, трубопроводов, предприятий нефтегазовой промышленности и т.п. в условиях их нормального функционирования;

- нефтепродукты, заносимые в почву вследствие нарушения технологических регламентов, аварий, поджогов, то есть чрезвычайных ситуаций различного характера;

- нефтепродукты, поступающие путем миграции из недр, образованные вследствие процессов термического преобразования ОВ земной коры, абиогенного синтеза в глубинных горизонтах, «дыхания» залежей углеводородов.

Количество углеводородов, поступающих из недр, может в отдельных случаях достигать больших масштабов, например на территориях нефтегазоносных провинций. Количество и состав аварийных сбросов нефтепродуктов устанавливается путем проведения импактного мониторинга почвенного покрова. В некоторых случаях, например при поджогах, количество инородных компонентов, заносимых в почву, может быть соизмеримым с содержанием естественного ОВ почв. Дифференциация различных категорий инородных нефтепродуктов представляет собой очень сложную и вместе с тем очень важную задачу. В зависимости от типа почвы и характера сбросов фоновое нефтяное загрязнение может превышать или уступать по мощности объему естественных органических компонентов почв. Установить содержание и состав различных групп органических соединений в почве можно только путем проведения фонового мониторинга с установления особенных качественных характеристик на молекулярном уровне [23, 24].

Для принятия административных решений при определении размеров ущерба от загрязнения земель используют группы унифицированных показателей (таблица 2) [25]. Причиной, по которой данные показатели не могут

лежать в основе экологического нормирования, является отсутствие в них учета генетических особенностей почв. Условно чистыми по этой группировке считаются земли с содержанием загрязняющих химических веществ, не превышающим их ПДК.

Таблица 2. Показатели уровней загрязнения земель по содержанию в них нефтепродуктов (мг/кг)

уровни загрязнения

1-й- допустимый 2-й-низкий 3-й- средний 4-й-высокий 5-й - очень высокий

циклогексан <пдк от ПДК ДО 6 от 6 до 30 от 30 до 60 > 60

бензол <пдк от ПДК ДО 1 от 1 ДО 3 от 3 ДО 10 > 10

толуол <пдк от ПДК до ю от 10 до 50 от 50 до 100 > 100

ксилолы <ПДК от ПДК до 3 от 3 до 30 от 30 до 100 > 100

бенз(а)пирен <ПДК от ПДК ДО 0,1 от 0,1 до 0,25 от 0,25 до 0,5 >0,5

нефть и нефтепродукты < 1000 от 1000 до 2000 от 2000 до 3000 от 3000 до 5000 > 5000

В то же время при выявлении зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия по степени химического загрязнения нефтепродуктами руководствуются, в частности, следующими критериями (таблица 3) [26].

Таблица 3. Критерии экологической оценки территорий по содержанию

в почвах нефтепродуктов (в величинах ПДК)

показатель экологическое бедствие чрезвычайная экологическая ситуация относительно удовлетворительный уровень

химические вещества 1 класса опасности (включая бенз(а)пирен) >3 2-3 < 1

химические вещества 3 класса опасности (включая нефть и нефтепродукты) >20 10-20 < 1

Согласно этим нормам, относительно удовлетворительному уровню соответствует содержание нефтепродуктов в почвах < 0,1 мг/кг, чрезвычайная экологическая ситуация возникает при содержании нефтепродуктов в почвах на уровне 1-2 мг/кг, а экологическое бедствие - при содержании нефтепродуктов > 2 мг/кг. Приводимые нормативные показатели различаются примерно в 2,5 тысяч раз.

Существуют также нормативы, основанные на валовых количествах разлившейся нефти и нефтепродуктов. [27]. По этим нормативам для территорий разведочных и эксплуатационных скважин нижним уровнем разлива нефти на промышленных площадках для отнесения к чрезвычайной ситуации считается уровень 20-40 тонн, а для территорий населенных пунктов - 15-30 тонн. Такие же нормативы установлены и для территорий нефте- и продук-топроводов. Для авто- и железнодорожных цистерн и для стационарных хранилищ эти нормы составляют от 3 до 30 тонн, в зависимости от типа территории. Данные нормативы также введены без учета типа почвенных отложений и характера поведения в них нефтепродуктов. [28].

В постановлении Правительства РФ разливы нефти и нефтепродуктов классифицируются в качестве чрезвычайных ситуаций также исходя из объема и площади разлива [29]. При этом выделяются чрезвычайные ситуации

локального значения (до 100 тонн нефти), муниципального значения (от 100 до 500 тонн нефти), территориального значения (от 500 до 1000 тонн нефти), регионального значения (от 1000 до 5000 тонн нефти), федерального значения (свыше 5000 тонн нефти).

Даже если относить разливы на нефтепромысловых площадках к ЧС локального значения, то и в этом случае объемы разлитой нефти в приводимых документах резко различаются. В редакции данного постановления от 2002 года [30] указывается на необходимость прогнозирования последствий разливов, нефти и нефтепродуктов с учетом неблагоприятных метеорологических условий, времени года, суток, рельефа местности, экологических особенности и характера использования территорий. В данном документе также отсутствуют указания о необходимости учета последствий разливов исходя из типа почвенных отложений:

В приказе МЧС [31] регламентируется структура Плана Ликвидации Разливов Нефти (ЛРН), в которой имеются пункты, касающиеся географической и навигационно-гидрологической характеристик территории и экологических особенностей района. С очень большой натяжкой можно считать, что данными пунктами Плана ЛРН учитываются и особенности почвенных отложений.

В работе [32] со ссылкой на проект Государственной системы санитарно-эпидемиологического нормирования РФ [33] опубликован перечень ориентировочных допустимых концентраций (ОДК) опасных соединений в почвах России.

По данной оценке содержания нефти и нефтепродуктов в почвах, предлагается считать.нижним допустимым уровнем загрязнения такой, при котором в данных природных условиях почва в течение одного года восстанавливает свою продуктивность, а негативные последствия для почвенного биоценоза могут быть самопроизвольно ликвидированы. По этим же оценкам устанавливают верхний допустимый уровень содержания нефтепродуктов в почвах, выше которого процессы самоочищения резко замедляются, и почва са-

ма не может справиться с загрязнением. Этот уровень называют также пределом потенциала самоочищения. Почвы, содержащие нефтепродукты выше верхнего допустимого уровня самостоятельно не выйдут из стадии деградации, и будут оказывать устойчивое негативное воздействие на контактирующие с ними компоненты природной среды. В документе указывается, что в связи с большим разнообразием типа почв не может быть единого показателя ОДК почв для всей территории России, поскольку в различных природных зонах и типах почв при одном и том же уровне загрязнения скорость самоочищения будет различной (таблица 4). Подразумевалось, что реакцию биогеоценоза на различные содержания нефти и НП в почвах в разных природных зонах можно установить только экспериментально.

Уровень норм, содержащихся в проекте ОДК нефтепродуктов для разных типов почв, примерно соответствует унифицированным показателям, используемым для принятия административных решений при определении размеров ущерба от загрязнения земель.

Таблица 4. Проект ориентировочно допустимых концентраций (ОДК)

светлых нефтепродуктов в почвах различных природных зон России

Тип нефтепродукта Ландшафтно-геохимические районы Тип почвы Величина ОДК с учетом фона, мг/кг Возможное агрегатное состояние вещества во всех типах почв

Светлые нефтепродукты: бензины, керосин, дизельное топливо Мерзлотно-тундрово-таежные Тундровые глеевые, тундровые болотные 2000 В парообразном и жидком состоянии в порах почв. • В сорбированном на органических и минеральных частицах почв. В свободном состоянии на поверхности почв.

Таежно-лесные Средне и южно-таежные подзолы и дерново-подзолистые 4000

Лесостепные и степные, полупустынные и пустынные Серые лесные, черноземы, каштановые, полупустынные бурые, пустынно-песчаные 8000

Указанные нормативы в настоящее время не действуют. Согласно законодательству ОДК устанавливается расчетным путем и является временным нормативом со сроком действия 3 года. Ныне действующий документ [11], также как и предыдущий [34] не содержат нормативов по содержанию нефтепродуктов. Существующие нормативы по другим загрязняющим веществам не опираются на генетические показатели почв. В. то же время в ныне действующем документе подчеркивается, что величины ОДК для химических веществ природного происхождения, повсеместно присутствующих в почвах, продуктах питания и воде, обоснованы для трех ассоциаций основных почв России по их устойчивости к химическому загрязнению.

ГОСТ 17.4.3.06-86, формулирующий общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ (ЗВ) [35],

основывает данные требования на определении содержаний ЗВ и сравнения их с нормами ПДК. В частности, «к сильнозагрязненным относят почвы, содержание загрязняющих веществ в которых в несколько раз превышает ПДК, имеющие, под воздействием химического загрязнения, низкую биологическую продуктивность, существенное изменение физико-механических, химических и биологических характеристик, в результате чего содержание химических веществ в выращиваемых культурах превышает установленные нормы». Почвы, согласно этому документу подразделяются по степени чувствительности на очень чувствительные, чувствительные, среднечувствительные, малочувствительные, устойчивые. По степени устойчивости к загрязняющим веществам почвы разделяют на очень устойчивые, устойчивые, среднеустой-чивые, малоустойчивые, очень малоустойчивые. Обе градации носят качественный характер.

Существует еще несколько близких классификаций уровня нефтяного загрязнения в почвах и донных осадках. Так в экологическом бюллетене Приволжского УГМС [36] рекомендована следующая классификация степени загрязненности донных отложений нефтепродуктами: «чистые - до 100 мг/кг; «слабо загрязненные» - от 100 до 200 мг/кг; «среднезагрязненные» - от 200 до 600 мг/кг; «грязные» - от 600 до 1000 мг/кг; «очень грязные» - более. 1000 мг/кг.

1.2. Свойства почв, влияющие на их химическое загрязнение

Приведенных в первой части настоящей главы примеров достаточно для того, чтобы понять важность проблемы изучения распространения неф-

тяных загрязнений в почвах. В настоящее время отсутствуют принципы выделения типов почвенных отложений по их отношению к нефтяному загрязнению. Имеется настоятельная необходимость разработки методики, с использованием которой можно было бы классифицировать почвы, по этому признаку. В работе [8] приводятся показатели, по которым целесообразно определять устойчивость или чувствительность почв к загрязняющим веществам. Эти показатели: а) содержание гумуса; б) качество гумуса; в) биологическая активностью; г) глубина гумусового горизонта; д) содержание фракции (механический состав почвы); е) части глинистых минералов; ж) глубина почвенного профиля. В основном они относятся к морфологическим и гранулометрическим свойствам почв. Рассмотрим, как влияют основные свойства почв их на химическое, в частности нефтяное загрязнение.

Согласно [37] почва определяется как самостоятельное естественно-историческое органо-минеральное природное тело, возникающее на поверхности земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.

Выдающийся русский ученый В.В.Докучаев впервые дал определение почвы с позиций системного подхода: «Почвой следует называть «дневные», или наружные, горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых». В этом определении подчеркивается неразрывный характер всех компонентов и фаз почвы, характеризующий почву, как сложную природную систему. [38].

Почва является высокодисперсной гетерогенной системой, поэтому в ней важную роль играют строение и физико-химическая природа границ между фазами. Компоненты системы не могут переходить друг в друга, но могут независимо или в переменных относительных количествах переходить из

одной фазы в другую. Не существует международных нормативов содержания в почве большинства загрязнителей, в том числе нефти и нефтепродуктов. В практику гигиенического нормирования заложен критерий, по которому не всякое поступление техногенных химических веществ в почву рассматривается как загрязнение, опасное для здоровья человека [39,40].

Почва — природное обновляющееся образование, которое содержит органические, минеральные, органоминеральные комплексные соединения, почвенную воду (почвенный раствор), почвенный воздух и живые существа. Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, которая является частью биосферы. Происхождение почвы и ее свойства неразрывно связаны с условиями окружающей среды [42, 43, 44]. Она отражает в своих свойствах исторический ход влияющих на нее природных условий и антропогенного воздействия. Почва представляет собой рыхлый пористый слой земной коры, образующийся на границе суши и воздушной оболочки, в зоне, где элементам литосферы, гидросферы и атмосферы принадлежит примерно одинаковая роль [45]'. Оттого так важна роль почвы, как депонирующего компонента всей биосферы. Особое положение почвы - на границе геосфер - сообщает ей большое разнообразие фациального состава и последовательную смену почвенных типов [45].

В состав почвенного слоя входит твердый остов, сложенный органическими и минеральными веществами, жидкая фаза в виде почвенных вод и газовая фаза в виде почвенного воздуха. Объемные и весовые соотношения этих трех элементов в среднем выражаются следующими цифрами: твердая фаза — 50 % об. или 87,07 % вес.; жидкая фаза - 20 % об. или 12,00 % вес.; газовая фаза - 30 % об. или 0,03 % вес. [45]

Почвообразующей (материнской) породой называется всякая горная порода, на минеральной основе которой возникает и развивается почва. Поч-вообразующими породами могут быть продукты выветривания массивнокри-

сталлических и осадочных пород. Общая масса твердых продуктов выветривания, формирующаяся на Земле в течение года, оценивается в 6,88-109 т.

Почвенный раствор образуется в процессе почвообразования в течение длительного времени в результате движения воды в почве и смачивания ее. Почвенный раствор по составу и концентрации определяется взаимодействием почвы, воды и организмов, которое состоит в растворении минеральных и органических веществ, пептизации, коагуляции и обмене ионами растворов с почвенными коллоидами.

Вода в почве является одним из основных факторов почвообразования и одним из главнейших условий плодородия. В мелиоративном отношении особенное значение вода приобретает как физическая система, находящаяся в сложных взаимоотношениях с твердой и газообразной фазой почвы и растением. Содержание воды в почве определяется климатическими условиями зоны и водоудерживающей способность почвы.

Сейчас на земле по распространенности ведущее положение занимают четыре типологические группы почв [46, 47]:

1) почвы влажных тропиков и субтропиков, преимущественно красноземы и желтоземы, для которых характерны богатство минерального состава и большая подвижность органики (более 32 млн. км2);

2) плодородные почвы саванн и степей - черноземы, каштановые и ко-

о

ричневые почвы с мощным гумусовым слоем (более 32 млн. км );

3) скудные и крайне неустойчивые почвы пустынь и полупустынь, относящиеся к разным климатическим зонам (более 30 млн. км );

4) относительно бедные почвы лесов умеренного пояса - подзолистые,

о

бурые и серые лесные почвы (более 20 млн. км ).

Для России наиболее характерны последние три типологические группы, причем к третьей группе в нашей стране принадлежат почвы тундровой и лесотундровой климатической зоны.

Морфологические признаки почвы.

Способность почв распадаться на отдельные агрегаты различной формы и размеров при механическом воздействии (шаровидные, кубовидные, призмовидные) называется структурой почв. От структуры зависит режим почвы (водный, воздушный, тепловой, питательный) [49, 50].

Важнейший морфологический показатель почвы — гранулометрический состав (механический состав), то есть содержание в почве элементарных частиц различной величины. Совокупность элементарных почвенных частиц, диаметр которых лежит в определённых пределах, составляет фракцию гранулометрических элементов, например камни, гравий, песок и пыль различной крупности. Существует несколько классификаций почв по гранулометрическому составу. В нашей стране обычно применяют классификацию Н.А. Качинского (1943), в основу которой положено соотношение физической глины (частицы менее 0,01 мм) и физического песка (частицы от 0,01 до 1 мм). Частицы крупнее 1 мм составляют скелетную часть почвы, а мельче 1 мм — мелкозём [37, 51, 52. Помимо этого в состав почвы входит илистая фракция размером от 0,001 до 1,0 мм и почвенные коллоиды размером от 0,0001 до 0,001 мм [37].

Коллоидная составляющая почв в последнее время привлекает внимание почвоведов. Установлено, что почвенные коллоиды определяют большинство почвенных свойств, включая влагоемкость, фильтрационные характеристики, способность удерживать катионы и т.д.[53]. Подход к почвам с позиций трехфазной модели не позволяет объяснить все почвенные свойства. Поэтому в почвоведении появлялись различные термины для описания некоторых явлений непонятных с этой позиции - плазма, органо-минеральный гель, почвенный клей [54, 55, 56].

В настоящее время образование.коллоидных структур и их поведение в различных процессах объясняют с позиций нанохимии [57, 58]. Коллоидное состояние вещества рассматривается в качестве обязательной промежуточ-

ной стадии химических превращений и фазовых переходов. При изучении почвенных коллоидов стараются учесть их структурную организацию [59].

Поглотительная способность почв

Поглотительной способностью почвы называется свойство задерживать или поглощать различные вещества, взаимодействующие и соприкасающиеся с ее твердой фазой. Почва способна задерживать или поглощать газы, жидкости, солевые растворы, различные соединения из растворов, твёрдые минеральные или органические частицы, микроорганизмы и суспензии. Почвой энергично поглощаются и сохраняются вещества, содержащие главные элементы питания.растений - К, 14, Са, Р. Поглотительная способность почв сильнее проявляется в условиях оптимальной влажности почв, когда накапливается перегной и элементы пищи' растений и повышается плодородие почв [60, 61].

Механическая поглотительная способность обусловлена механическим составом, структурой, сложением, пористостью и капиллярностью почвы. Почва как фильтр, способна закреплять фильтрующиеся через нее частицы в зависимости от их размеров, диаметров капиллярных каналов и расположения их. Величина механической поглотительной способности зависит от гранулометрического состава почвы, а также от её сложения.

Физическая поглотительная способность — свойство почвы поглощать из раствора молекулы электролитов, продукты гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований, а также коллоиды при их коагуляции. Физическая поглотительная способность выше у суглинистых почв и слабее у песчаных.

Химическая поглотительная способность заключается в выпадении из почвенных растворов осадков нерастворимых или труднорастворимых солей и закреплении их в почве. Физико-химическая, или обменная, поглотительная способность - свойство почвы обменивать некоторую часть катионов и в меньшей степени анионов из соприкасающихся растворов. Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью организмов поч-

вы (главным образом микрофлоры), которые усваивают и закрепляют в своем теле различные вещества, а при отмирании обогащают ими почву.

Пористость (скважность). Суммарный объем пор между частицами твердой фазы (объем всех промежутков), выраженный отношением объема пор к объему почвы называется пористостью, или скважностью. Пористость как характеристика очень важна, так как она определяет объем воды, который может удерживать почва. Пористость определяется структурой порового пространства, формой пор, степенью сообщаемости их между собой и их распределением в почвенном покрове. Пористость представляет комплексный эффект многих переменных, например, размера и формы частиц, сортировки, упаковки, а также свойства и объема цементирующего материала. Термин «упаковка» относится к способу соединения частиц пористой структуры. Упаковка связана с равномерностью или отсутствием равномерности зерен.

Основными методами порометрии являются адсорбционный метод, применимый для исследования пор в диапазоне 0,35-100 нм, и ртутная поро-метрия, используемая для анализатор с размерами 3-300 000 нм [62. 63].

Размер пор, их форма и сочетание весьма разнообразны, так как они являются производными от случайного расположения полидисперсных частиц механического состава - элементарных почвенных частиц, микроагрегатов и структурных отдельностей, крайне различных по размерам, форме и характеру их поверхностей. Эти промежутки по форме и размерам сильно изменяются во времени в зависимости от происходящих в почве физико-механических и биологических процессрв. Вследствие частичной или полной закупорки некоторые поры исчезают, другие возникают вновь.

Н. А. Качинский подразделяет пористость на такие формы, как общая пористость; пористость агрегатов; межагрегатная пористость; капиллярная пористость; поры, заполненные прочносвязанной водой; поры, заполненные рыхлосвязанной водой; поры, занятые воздухом. Кроме того, он делит поры на активные и неактивные. В активных порах находится капиллярная и гра-

витационная вода, воздух и почвообитающие организмы. Неактивные поры (наиболее мелкие, от нескольких микрон до долей микрона) содержат прочно - и рыхлосвязанную воду. [64].

Пористость почвообразующих пород и почв различного механического состава колеблется значительно. Пористость тем выше, чем мельче механический состав почвы. Более крупные частицы образуют хотя и более крупные поры, но общий объем их несравненно меньше, чем сумма объема многочисленных пор, создаваемых мелкими (тонкими) частицами. Так, пористость песчаной почвы составляет в среднем 40%, а торфяной - 82%.

Поры или пустоты в почве могут быть таких размера и характера, какие делают возможным накопление или наоборот фильтрацию нефти и нефтепродуктов. Для фильтрации нефти, приводящей к распространению нефтепродуктов на большие расстояния поры должны сообщаться между собой, то есть почва должна обладать хорошей проницаемостью. В противном случае нефтепродукты скапливаются в почве на местах загрязнений [65].

Пористость определяется отношением порового пространства почвенного слоя к его общему объему и выражается обычно в процентах. Отношение объема порового пространства к общему объему почвы называют абсолютной или общей пористостью:

объем порового пространтва

общая пористость = --- • 100,%

объем почвы

Она включает все трещины или пустоты, сообщающиеся и не сообщающиеся между собой. При изучении почв интерес представляет отношение сообщающихся между собой поровых пространств к видимому объему почвы. Это отношение называют эффективной пористостью. Обычно эффективная пористость на 5—10% меньше общей пористости.

На размер пор влияет также форма механических элементов почвы. В условиях неоднородной почвы, т. е. когда почва состоит из частиц разного размера, поры между большими частицами заполняются меньшими частицами. Если диаметр мелких частиц отвечает размерам пор между крупными

частицами (промежутки первого порядка), в почвах возникает уплотненная укладка.

Величина естественных пор в почве, наличие в ней естественных или искусственных трещин и каналов оказывают существенное влияние на взаимодействие почвы с воздухом и водой, а также фильтрационную способность почв. Так, почвы с крупными порами и низкой пористостью (гравелистые, песчаные, легкие супеси) хорошо проницаемы для воды и воздуха. Они имеют наивысшую фильтрационную способность. В таких почвах, а также в почвах с естественными и искусственными трещинами химические и биологические загрязнения быстрее продвигаются вглубь и достигают грунтовых вод, что приводит к их загрязнению и создает опасность для здоровья населения. В то же время почвы с маленькими порами и высокой пористостью (глинистые, тяжелые суглинистые) имеют низкую фильтрационную способность. В них задерживается вода, они плохо аэрируются. Это приводит к замедлению или даже прекращению процессов самоочищения почвы от органических загрязнений, что также опасно для здоровья населения. Оптимальной для процессов самоочищения от биологических и химических загрязнений считается пористость почвы в пределах 60-65%.

Проницаемостью называют физическое свойство, которое позволяет жидкости перемещаться через сообщающиеся между собой поры без нарушения или смещения частиц почвы. Согласно [66] проницаемость следует определять как свойство грунта пропускать жидкость или газ под действием перепада давления или напора.

Высокую или низкую проницаемость почвы определяет в основном размер пор и их взаимосвязь. Жидкость быстрее будет протекать по почве с большими порами и хорошей взаимосвязью между ними. Небольшие поры с тем же уровнем связей дадут меньшую проницаемость, так как поток жидкости будет проходить медленнее. Бывает, что почва с крупными порами имеет нулевую проницаемость (нет потока), потому что поры в этом случае изолированы (не связаны друг с другом). Нулевую проницаемость также имеет по-

рода с очень маленькими порами (например, глина). Иными словами, проницаемость является критерием проводимости жидкостей в почве.

Таким образом, проницаемость почвы зависит от эффективной пористости, которую можно назвать также полезным поровым пространством. Проницаемость не абсолютная величина, а относительная. Почва считается проницаемой, если через нее за короткое время (до нескольких часов) проходит заметный объем жидкости, и непроницаемой, если скорость фильтрации жидкости ничтожна.

Зависимость скорости фильтрации флюида от градиента напора выражается законом Дарси, по имени Анри Дарси, который в 1856 г. проводил эксперименты над фильтрацией жидкостей в пористой среде:

и = К1 (1)

где: и — скорость фильтрации, К— коэффициент фильтрации, I —градиент напора.

Закон Дарси связан с несколькими системами измерений. Единица дарси произвольно стандартизована АНИ (ассоциация нефтяных инженеров) в системе единиц СХ38 для применения в' нефтяной промышленности в следующей формулировке: «Пористая среда обладает проницаемостью 1 дарси, когда однофазная жидкость, с вязкостью 1 сантипуаз, полностью заполняющая пустоты среды, проходит через нее при ламинарном течении со скоростью 1 см через 1 см2 площади поперечного сечения за 1с, при давлении или эквивалентном гидравлическом градиенте 1 ат (760 мм рт. ст.) на 1 см». При ламинарном режиме течения скорость тока пропорциональна перепаду давления [67]. Коэффициент пропорциональности между этими количествами, и данное численное значение проницаемости представляет свойство или характеристику среды, но не протекающей жидкости.

Таким образом, в системе измерений СвБ закон Дарси выражается уравнением:

Я-Л (2)

где # — линейный расход жидкости (предполагается горизонтальное течение, [см/сек];

к — коффициент проницаемости, [дарси];

¡1 — вязкость жидкости, [сп]

^ - гидравлический градиент, разность в давлении (р) в направлении течения [ат/см]. •

В системе измерения СИ, 1 Дарси эквивалентен 9,869233 Т0~13м2 или 0,9869233 мкм2. Такое преобразование обычно аппроксимируется как 1 мкм2. [68].

Это уравнение полностью описывает вязкий или ламинарный режим течения однородной жидкости в пористой среде с однородной упаковкой и

I

однородным поперечным сечением. Для заданного значения к скорость течения в любой пористой среде пропорциональна перепаду давления, площади сечения потока и обратно пропорциональна вязкости жидкости и протяженности пути фильтрации.

Поскольку коэффициент проницаемости не зависит от типа протекающей жидкости, ее, как характеристику среды, можно определять по любой жидкости. На практике проницаемость чаще всего определяют по воде.

Эффективная и относительная проницаемость. Закон Дарси, описывающий течение жидкостей в пористой среде, основан на допущении, что в почве присутствует только одна жидкость, которая полностью насыщает породу. Однако в естественных условиях поровое пространство вмещает в различных объемах почвенный воздух, почвенный раствор, а в случае нефтяного загрязнения, нефтепродукты. Каждая жидкость может изменять процесс протекания другой жидкости (газа). Если нефть, вода или воздух насыщают породу не полностью, то есть, так как это происходит обычно в естественных условиях, то способность почвы пропускать любой флюид в присутствии двух других носит название эффективной (фазовой) проницаемости. Фазовая

проницаемость для газа, воды и нефти обозначается соответственно кгяз, кВ0Д,кнефТЬ. Установлено, что данное значение насыщения любой из перечисленных жидкостей имеет постоянную зависимость от эффективной проницаемости. Если меняется одна константа, меняется соответственно и другая. Эта зависимость различна для разных почв и ее следует определять экспериментальным путем. На зависимость влияют, по-видимому, следующие факторы: разбухание глинистых пород, адсорбционные пленки, гидрофобные и гидрофильные поверхности, присутствие в пласте иных несмешивающихся жидкостей и давление газа. По аналогии с парциальным давлением газа в газовой смеси можно называть эффективную проницаемость парциальной проницаемостью.

Зависимость между эффективной проницаемостью для данной жидкости при парциальном насыщении и проницаемостью при 100%-ном насыщении (абсолютная проницаемость) известна как относительная проницаемость. Относительная проницаемсть выражается: кгаз/к, квод/к, к11ефТь/к, т.е. относительная проницаемость для газа, нефти или воды колеблется от нуля при низком насыщении до 1,0 при насыщении 100%. Это есть отношение объема данного флюида, протекающего при данном насыщении в присутствии других флюидов, к объему, который течет при 100%-ном насыщении при том же перепаде давления и тех же флюидах. Поровое пространство загрязненных нефтью почв заполнено газом, нефтью и водой в меняющихся соотношениях. Поэтому относительная проницаемость для одной жидкости зависит от степени насыщений и свойств, других присутствующих в почве жидкостей. Относительная проницаемость для любой жидкости возрастает с насыщением этой жидкостью почвы, пока, наконец, при 100% ном насыщении не будет достигнуто полное значение к.

К факторам, определяющим проницаемость, относятся температура, гидравлический градиент, форма зерен и их упаковка. С повышением температуры вязкость жидкости понижается, а проницаемость породы изменяется обратно пропорционально вязкости. Скорость течения жидкости в по-

ристой среде пропорциональна гидравлическому градиенту. При наличии в пористой структуре зерен с формой, отличающейся от сферической, проницаемость возрастает. Так, проницаемость песка, сложенного остроугольными зернами, выше проницаемости песка, представленного в основном сферическими зернами того же размера. Этот эффект можно объяснить тем, что остроугольные зерна упакованы более рыхло и образуют своды. Почвы, состоящие в основном из плоских, слюдообразных частиц и кристаллов игольчатой формы, имеют рыхлую упаковку, высокую пористость и, в общем, вероятно, хорошую проницаемость. Наиболее проницаемой структурой почвы считается кубовидная.

Почву, сложенную геометрически «неправильными» зернами можно, считать более структурированной (то есть имеющею более развитую структуру), по сравнению с почвой, состоящей из сферических частиц. Таким образом, более структурированные почвы обладают лучшей проницаемостью. К такого типа почвам, по-видимому, можно отнести гумусовый поч-вогрунт, содержащий мелкие включения растительных остатков самой различной формы.

Характерно, что приведенные в настоящей главе сведения об образовании крупных подземных залежей техногенных нефтепродуктов за счет процессов инфильтрации относятся к районам с третьим и четвертым типами почв, в той или иной степени, содержащим гумусовые компоненты (Моздок, Туапсе, Ейск, Орел, Новокуйбышевск и т.д.). Таким образом приобретает практическое значение выявление морфологии почвенных отложений для анализа возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов.

Органическое вещество почвы.

Органическое вещество (ОВ) представляет собой одну из важнейших почвенных подсистем, само при этом являясь сложной системой (рисунок 1). Органическое вещество существует во всех фазах почвы и во всех механиче-

ских и морфологических разностях, находясь между ними в динамическом равновесии [69].

Свободное состояние на по-

Сорбированное состояние на минеральных частицах, твердые агрегаты.

Водораство-ренное органиче-

Углеводо-

ппппыр гячта та

Рисунок 1. Органическое вещество (ОВ) почвы

Органические соединения почвы формируются в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Основная роль при этом принадлежит растительности. Зеленые растения являются практически единственными создателями первичных органических веществ. Основная функция животных организмов в почве — преобразование органических веществ. В почвообразовании принимают участие как почвенные, так и наземные животные. Растительные и животные остатки, попадая в почву, подвергаются сложным изменениям. Определенная их часть распадается до углекислоты, воды и простых солей (процесс минерализации), другие переходят в новые сложные органические вещества самой почвы. Огромное значение в осуществлении этих процессов в почве имеют микроорганизмы, весьма разнообразные как по своему составу, так и по биологической деятельности. Органи-

ческое вещество почвы, образовавшееся в ней при разной степени разложения растительных и животных остатков, получило название гумус или перегной.

В составе почвы обнаружены все основные классы соединений биосинтеза, а также гуминовые (ГК) и фульвовые (ФК) кислоты. ОВ почв.отличается от ОВ донных осадков большим содержанием ароматических соединений, включая лигнин, танины и продукты их разложения (фенолы и др.).

По морфологическим признакам почвенное ОВ состоит из ряда компонентов, важнейшими из которых являются:

- растительные и животные механические включения, находящиеся в грунте в виде неразложившихся негумифицированных остатков растительного, микробного и животного происхождения;

- продукты их разложения и преобразования — аморфные гумифици-рованные органические вещества (85—90%),

- живые организмы.

Основным органическим компонентом почвы является гумус [70]. Гумус представляет собой рыхлое органическое вещество почвы темно-коричневого цвета и состоит из аморфных продуктов преимущественно-биохимического разложения отмерших растительных и животных остатков различной степени разрушения, на которых обитают бактерии, необходимые для создания плодородия почвы. Гумус задерживает влагу, обеспечивает хорошую аэрацию почвы и является источником питательных веществ для растений. В состав гумуса входят также и неорганические соединения. В почве частицы гумуса сорбируются глиной, образуя единый комплекс.

Среди новообразованных в почвенном слое органических компонентов подавляющее количество составляют различные группы углеводородов, а также, в небольшой концентрации, смолистые и асфальтеновые компоненты, то есть вещества, схожие по составу с нефтью и нефтепродуктами.

Влияние нефтяного загрязнения на свойства почв. Поступление нефтяных углеводородов в почву вызывает негативные последствия. В рай-

онах нефтедобычи и нефтепереработки интенсивно трансформируются физико-химические свойства почв. На глубину их изменения влияют продолжительность загрязнения, состав и концентрация компонентов нефти, ланд-шафтно-геохимические особенности территории [71, 72]

Конечным результатом нефтяного загрязнения является формирование почвенных систем с необычными для зональных условий чертами, зональные типы сменяются техногенными модификациями [73]. Длительное воздействие нефти на почву приводит к изменениям микробиологических свойств почвы. Появляются специализированные формы микроорганизмов, способные окислять твердые парафины, газообразные углеводороды, ароматические углеводороды.

Система почвенный слой - нефтепродукты - это постоянно меняющийся в природных условиях объект. Как свободные, так и малоподвижные связанные формы нефтепродуктов отдают летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения — в воду. Со временем этот процесс полностью не прекращается, так как микробиологические процессы трансформации углеводородов приводят частично к образованию летучих и водорастворимых продуктов их метаболизма.

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

Термин перколяция (percolation - протекание) впервые введен в 1957 году Бродбентом и Хамерсли, изучавшим движение газа через пористый угольный фильтр, представляющий собой лабиринт из проницаемых и непроницаемых элементов. Оказалось, что движение газа по такому лабиринту представляет собой процесс нового типа, существенно отличающийся от из-

вестного в физике процесса диффузии. Теория перколяции занимается изучением образования связанных объектов внутри неупорядоченной среды.

Перколяция является критическим явлением. Это чисто геометрический фазовый пёреход, тесно связанный с обычными фазовыми переходами второго порядка (металл-изолятор, парамагнетик-ферромагнетик, золь-гель). Перколяция позволяет описать процессы самой разной природы, когда при плавном изменении одного из параметров системы свойства системы меняются скачком. Важная черта физики всех критических явлений состоит в том, что вблизи критической точки, система как бы распадается на блоки с отличающимися свойствами. Блоки расположены беспорядочно, однако «в среднем» их геометрия обладает вполне определенными свойствами, а их физические свойства1 всегда неразрывно связаны с геометрией [74].

Явление перколяции определяется:

1. средой, в которой наблюдается это явление;

2. внешним источником, который обеспечивает протекание в этой среде;

3. способом протекания среды, который зависит от внешнего источника.

В качестве простейшего примера можно рассмотреть модель протекания в двумерной квадратной решетке, состоящей из узлов, которые могут быть проводящими или непроводящими и связей между ними. В случае протекания жидкости по пористой структуре узлами будем считать отдельные поры, связями - каналы между порами. Вместе они образуют поровое пространство, проницаемое или непроницаемое для жидкости. В начальный момент времени все узлы решетки являются непроводящими. Под воздействием источника протекания непроводящие узлы замещаются на проводящие, и число проводящих узлов постепенно растет. При этом узлы замещаются случайным образом, то есть выбор любого из узлов для замещения является равновероятным для всей поверхности решетки. Перколяцией называют момент появления такого состояния решетки, при котором существует хотя бы один

непрерывный путь через соседние проводящие узлы от одного до противоположного края. Очевидно, что с ростом числа проводящих узлов, этот момент наступит раньше, чем вся поверхность решетки будет состоять исключительно из проводящих узлов.

Обозначим непроводящее состояние узлов нулями, проводящее - единицами. В начальный момент времени кластер состоит полностью из непроводящих элементов (рис. 2).

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

Рис. 2. Двумерная решетка, полностью состоящая из непроводящих узлов

При воздействии внешнего источника в кластере начинают добавляться проводящие элементы, однако поначалу их недостаточно для перколяции (рис. 3). Последовательность замены нулей на единицы будет зависеть от источника протекания.

0 0 0 1

1 0 0 0

0 0 1 0

0 0 1 0

Рис. 3. Двумерная решетка, состоящая из проводящих и непроводящих узлов (стрелкой показано направление протекания)

По мере увеличения числа проводящих узлов наступает такой критический момент, когда происходит перколяция (рис. 4).

0 0 0 1

1 1 0 0

0 1 1 0

0 0 1 1

Рис. 4. Двумерная решетка, содержащая непрерывный проводящий кластер в направлении протекания (стрелкой показано направление протекания)

Видно, что от левой к правой границе решетки имеется цепочка элементов, которая обеспечивает протекание по проводящим узлам (единицам), непрерывно следующим друг за другом.

Перколяция может наблюдаться как в решетках, так и других геометрических конструкциях, в том числе непрерывных, состоящих из большого числа подобных элементов или непрерывных областей соответственно, которые могут находиться в одном из двух состояний. Соответствующие математические модели называются решеточными или континуальными. Решеточные модели представляют интерес с теоретической точки зрения. Именно для них доказан ряд строгих утверждений и соотношений. Каждый узел решетки может быть заполнен с вероятностью р или свободен с вероятностью 1-р. Пусть некоторая система заполнена случайным образом объектами с заданной концентрацией. Объекты могут связываться друг с другом, образуя кластер (cluster — англ. - гроздь). При определенной концентрации объектов возможно появление кластера, пронизывающего всю систему. При этом свойства системы меняются, происходит фазовый переход.

Совокупность элементов, по которым происходит протекание, называется перколяционным кластером. Будучи по своей природе связным случайным графом, в зависимости от конкретной реализации он может иметь различную форму. Поэтому принято характеризовать его общий размер. Порогом протекания называется количество элементов перколяционного кластера, отнесенное к общему количеству элементов рассматриваемой среды:

R = n/N■ (3)

Ввиду случайного характера переключений состояний элементов среды, в конечной системе чётко определенного порога (размера перколяционного кластера) не существует, а имеется так называемая критическая область значений ^(N), в которую попадают значения порога перколяции, полученные в результате различных случайных реализаций. Иначе говоря, для решетки конечного размера перколяционные кластеры могут возникать при разных значениях переменного параметра (критическая область). Однако в термодинамическом пределе, если размер системы устремить к бесконечно-

сти, критическая область станет вполне определенной, сужающейся в точку. Это строго доказано.

В отличие от теории температурных фазовых переходов, где переход между двумя фазами происходит при критической температуре, перколяци-онный переход является геометрическим фазовым переходом. Порог перко-ляции разделяет две фазы: в одной фазе существуют только кластеры конечного размера, в другой — один бесконечный кластер. Здесь концентрация занятых узлов- играет ту же роль, что и температура в температурных фазовых переходах. Вероятность, что узел принадлежит бесконечному кластеру, аналогична параметру порядка в теории температурных фазовых переходов [75].

В качестве примера перколяции в непрерывной среде может выступать прохождение жидкости через объемный пористый образец (например, нефтепродукта через почвенный' слой), в котором происходит постепенное заполнение связанных между собой пор до тех пор, пока их не станет достаточно для просачивания жидкости от одного края образца до другого.

Для перколяционной среды должен быть определен внешний источник протекания, способ протекания. Элементы (фрагменты) перколяционной среды могут находиться в разных состояниях, одно из которых (первичное) не удовлетворяет данному способу прохождения, а другое удовлетворяет. Способ протекания также подразумевает собой определенную последовательность возникновения элементов или изменение фрагментов среды в нужное для протекания состояние, которое обеспечивается источником. Источник же переводит постепенно элементы или фрагменты образца из одного состояния к другому, пока не наступит момент перколяции.

Континуальная перколяция.

Несмотря на то, что решеточная формулировка перколяционных задач очень удобна как для аналитического, так и для численного изучения, многие естественные неупорядоченные системы не имеют решеточной структуры и требуют применения другого подхода. Континуальная задача перколяции имеет различные формулировки. Для описания процесса протекания жидко-

стей в пористых средах наиболее подходит модель сфер или обратная модель швейцарского сыра, известная также как модель случайных узлов или перекрывающихся дисков. Сферические пустоты (одинакового размера или имеющие некоторое распределение по размерам) случайным образом распределены внутри пористой среды. Сферические пустоты могут перекрывать друг друга (рис. 5). В этой задаче сферы являются проводящими и находятся в непроводящей среде. При некотором критическом объеме, занятом перекрывающимися сферами, в системе возникает бесконечный проводящий кластер.

Рис. 5. Континуальная перколяция для случая объектов одинакового и различного радиуса.

Перколяция имеет место в ряде важных процессов: в технологических процессах извлечения металлов (или их химических соединений) при обогащении полезных ископаемых или очистке нефтепродуктов (смазочных масел и парафинов) от примесей, в геологии при изучении просачивания нефти через породы [76] и т.д.

Для описания протекания (перколяции) жидкостей через пористые среды часто используют идеи фрактальной геометрии. Сам термин «фрактал» происходит от латинского слова fractus (сломанный, разбитый), от которого происходят и термины fraction, fractional - дробь, дробный. Понятие фрактала

было введено в 70-х годах XX в. Бенуа Мандельбротом, оказавшим огромное влияние на возникновение и развитие этой области и пробудившим всеобщий интерес к фрактальной физике [77]. Как всякое глубокое понятие, его нельзя определить строго формальным образом [74, 75, 78, 79, 80]. С математической точки зрения фрактал - это, прежде всего, множество с дробной размерностью.

По определению Б. Мандельброта фрактал - это геометрическая структура, части и фрагменты которой в какой-то мере подобны самой структуре. В основе этого понятия содержится одно важное теоретическое приближение: фрактальные объекты самоподобны, т.е. их вид не претерпевает существенных изменений при определенном изменении масштаба (например, при изучении их под микроскопом с любым увеличением). Таким образом, ключевыми понятиями теории фракталов являются дробная размерность и масштабное самоподобие. Чрезвычайно интересные концепции самоподобия пронизывают всю природу - от распределения атомов в веществе до распределения галактик во Вселенной [81, 82]. Хотя термин фрактал относится к некоторой статической геометрической фигуре, их изучение распространяется и на динамические системы, каковыми являются различные природные явления. В этих случаях один фрактал соответствует моментальному снимку данного явления.

Фракталом можно назвать объект [74], имеющий в себе пустоты любого размера. Примером более или менее разрыхленной пористой структуры может служить почва. При слипании движущихся по определенному закону твердых частиц или жидкостей, например при просачивании нефти через почву также могут формироваться фрактальные агрегаты.

В случае случайного фрактала масса кластера должна определяться путем усреднения, по многим конфигурациям или многим различным центрам сфер внутри одного и того же бесконечного кластера. Выше порога перколя-ции масса кластера (число узлов кластера) внутри сферы радиуса г пропорциональна г**/:

М(г) ос гаГ (4)

Ниже порога перколяции средний размер конечного кластера описывается корреляционной длинной Выше порога перколяции корреляционная длина характеризует средний размер пустот внутри бесконечного кластера. На пороге перколяции корреляционная длина расходится. Поскольку корреляционная длина выше порога перколяции имеет конечное значение, то конечный кластер самоподобен на расстояниях меньше Можно рассматривать £,(р) в качестве типичного расстояния, вплоть до которого бесконечный кластер является самоподобным и может рассматриваться как фрактал. На масштабах длин.больших £ структура кластера уже не является самоподобной, и кластер можно рассматривать как однородный. Переход от фрактального к однородному состоянию принято называть кроссовер (рис. 6).

Рис. 6. Схематическое изображение кроссовера. На расстояниях меньше длины корреляции £ угол наклона прямой равен ф на больших расстояниях — с1

Итак, на расстояниях меньше корреляционной длины бесконечный кластер имеет фрактальную структуру. На расстояниях больших £ имеется однородная структура, состоящая из ячеек с характерным размером

Г ^

г г, если г « % г , если г » д

М(г)а<

Множество физических объектов имеют фрактолообразную структуру. Природные объекты и явления, конечно, не являются фракталами в точном смысле слова. В отличие от математических, у естественных фракталов подобие сохраняется в широком, но конечном диапазоне масштабов. Однако для ассоциированных с ними фракталов можно осуществить точные расчеты, представляющие интерес для практики. Наиболее важной проблемой этого направления, исследований можно назвать разработку идеологии построения фрактальных моделей природных процессов. Многие ученые связывают перспективы изучения природных фракталов с использованием компьютерных технологий. Большинство результатов теории перколяции получено в результате компьютерного моделирования. Однако число физических явлений в природе очень велико, а взаимодействий между ними — еще больше. В результате не только модель, но даже ее изображение в виде блок-схемы выглядели сложными и запутанными. Очевидно, что для* каждого компонента системы теоретически можно написать уравнения, но практически, число параметров и переменных будет столь велико, что экспериментировать с моделью будет невозможно [83, 84]

Практически невозможным представляется корректное построение и идентификация математических моделей из-за использования чрезмерно большого количества неточно определенных параметров по сравнению с имеющейся экспериментальной информацией [85]. В этой ситуации перед специалистом-прикладником с неизбежностью встает проблема упрощения модели, отбрасывания блоков и функциональных связей, имеющих второстепенное значение, объединения нескольких компонент в один блок, выделения наиболее важных составляющих, управляющих поведением системы при заданном внешнем воздействии. До сих пор четких теоретических рецептов

для упрощения моделей не существует. Сложность природных систем усугубляется их изменчивостью, которая проявляется при взаимодействии всех компонентов системы и в их реакции на изменения окружающей среды [86, 87].

Возможен и другой, эмпирический путь изучения динамики природных фрактальных систем. Абстрактная система основывается; в этом случае на эмпирических данных, и решаемая, задача относится к нестандартной (эвристической). В структуре условий нестандартной задачи также заложены данные, необходимые для решения, однако заключенная в них информация ограничена. Поэтому здесь решение по определенным правилам либо совсем невозможно, либо исследователь может действовать в соответствии с ними только до известного предела. Опыт исследователя является при этом важнейшим источником информации, и лишь в ограниченной степени может быть формализован [88].

В; экспертной практике сложилось понятие внутреннего убеждения эксперта [89], под которым понимают психическое состояние, возникающее в результате свободной оценки результатов исследований на основе твердой уверенности в истинности достигнутых результатов. Внутреннее убеждение эксперта объективно отражает состояние доказанности факта [90].

Эвристические методы не всегда обеспечивают полного решения поставленной задачи, но зато значительно сокращают время достижение цели. К тому же, при производстве экспертных исследований таких сложных объектов, какими являются объекты окружающей среды эвристические методы часто остаются единственно, возможными ввиду отсутствия полного комплекса исходных данных. Эти методы должны опираться; в том числе и на объективные данные, получаемые в ходе осуществления комплексной системы наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. Данная система носит общее название мониторинга окружающей среды или экологического мониторинга [1, 91 ].

Выводы по первой главе, определяющие задачи диссертационного исследования.

Нефть и нефтепродукты, являясь одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, по-разному ведут себя в различных природных системах. Наиболее сложно описать процессы поведения нефтяного загрязнения в почвах. Между тем, почвы, в силу их геохимического положения на контакте со всеми природными средами обитания человека, являются основным депонирующим элементом окружающей среды. От характера поведения в них загрязняющих веществ во многом зависит состояние приземного слоя атмосферы, наземных водоемов и водотоков и опасность возникновения чрезвычайных ситуаций.

Изучение процессов взаимодействия нефти и нефтепродуктов с почвами сводится чаще всего к оценке влияния на это взаимодействие количества, природы и состава нефтяного загрязнения. В меньшей степени изучают характер самих почвенных систем. Критерии отнесения нефтяных загрязнений к чрезвычайным ситуациям по количеству содержащихся в почвах нефтепродуктов или по массе аварийных залповых выбросов не учитывают генетических характеристик почв и особенностей поведения нефтепродуктов в почвах. Предпринимавшиеся попытки ввести нормирование ЧС с учетом типов почв не имеют строгого научного обоснования и законодательно не утверждены. Большое разнообразие почв по их морфологическим, физическим, химическим свойствам неизбежно сказывается на особенностях поведения в них инородных нефтепродуктов. Между тем, не выработаны принципы выделения типов почвенных отложений по их влиянию на нефтяное загрязнение, в частности на характер его распространения. Поэтому важной задачей представляется разработка методики типизации почв по особенностям распространения в них нефтяного загрязнения.

Показатели, по которым целесообразно определять устойчивость или чувствительность почв к загрязняющим веществам, в основном относятся к морфологическим и гранулометрическим свойствам почв, таким как механи-

ческий (гранулометрический) состав почвы, содержание и качество гумуса, части глинистых минералов и т.д. Основными свойствами почвенных отложений, влияющих на накопление и распространение нефтяного загрязнения, являются пористость и проницаемость.

Пористость определяется структурой порового пространства, формой пор, степенью сообщаемости их между собой и их распределением в почвенном покрове. Поры в почве могут быть таких размеров и характера, какие делают возможным накопление или наоборот фильтрацию нефти и нефтепродуктов. В связи с многообразием факторов, влияющих на пористость почвенных отложений, теоретический прогноз пористости по отношению к различным жидкостям является весьма сложной проблемой. Поэтому в работе поставлена задача определения зависимости пористости почв от различных физических и морфологических факторов методом прямых измерений на лабораторных образцах.

Для фильтрации нефти, приводящей к распространению нефтепродуктов на большие расстояния поры должны сообщаться между собой, то есть почва должна обладать хорошей проницаемостью. В противном случае нефтепродукты скапливаются в почве на местах загрязнений. К факторам, определяющим проницаемость, относятся температура, гидравлический градиент, форма зерен и их упаковка. Более структурированные почвы, сложенные геометрически «неправильными» зернами обладают лучшей проницаемостью по сравнению с почвами, состоящими из сферических частиц. К высоко структурированным типа почвам относится гумусовый почвогрунт, содержащий мелкие включения растительных остатков самой различной формы.

Имеющиеся данные об образовании крупных подземных залежей техногенных нефтепродуктов за счет процессов инфильтрации относятся к районам с типами почв, в той или иной степени, содержащим гумусовые компоненты (Моздок, Туапсе, Ейск, Орел, Новокуйбышевск и т.д.). Таким образом, выявление влияния физических свойств и морфологии почвенных отложений на проницаемость почв приобретает практическое значение для анализа воз-

никновения чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов.

Жидкость, просачиваясь в поровое пространство, образует кластер протекания или перколяционный кластер. Явления, описываемые теорией протекания (перколяции) относятся к так называемым «критическим явлениями». Они характеризуются «критической точкой», в которой определенные свойства системы резко меняются. В конечной системе чётко определенного порога (размера перколяционного кластера) не существует, а имеется так называемая критическая область значений, в которую попадают значения порога перколяции, полученные в результате различных случайных реализаций. Перколяционный кластер является фрактальным образованием. Важной проблемой, возникающей при описании фрактальных структур, является поиск их, адекватного математического представления. Однако, ввиду огромного числа природных физических явлений и взаимодействий между ними, математические модели выглядят сложными и запутанными. Приемлемым представляется эмпирический путь изучения динамики природных фрактальных систем. В работе поставлена задача экспериментального моделирования нефтяных фрактальных образований на пористых почвенных структурах с использованием механизма перколяции для описания процессов прохождения жидкости через объемный пористый образец (нефтепродукта через почвенный слой).

Заключение диссертации по теме «Безопасность в чрезвычайных ситуациях (по отраслям наук)», Панжин, Дмитрий Александрович

Основные выводы по диссертации сводятся к следующему: Установлено, что характер зависимости пористости, нефтеемкости и проницаемости глинисто-алевролитовых почв от различных физических факторов имеет критическую область, в которой при плавном изменении гранулометрического состава, происходят скачкообразные качественные изменения свойств почвенных систем по отношению к нефтяному загрязнению.

В диапазоне изменения фракционного состава песчано-глинистых почв от 0,2 до 0,6 мм наблюдается постепенный переход от почвенных систем, обладающих высокой пористостью и низкой проницаемостью к системам, в которых с увеличением размера зерен, практически не происходит изменения пористости и проницаемости- почвы. В почвах с размерами частиц менее 0,2 мм происходит резкое снижение значений пористости в очень малом диапазоне увеличения'среднего размера гранулометрических фракций при практически нулевой проницаемости. При размерах фракций выше 0,6 мм устанавливаются минимальные значения пористости и максимальные значения проницаемости глинисто-алевролитовых почв.

Получена функциональная зависимость пористости и нефтеемкости песчано-глинистых почв от гранулометрического состава почв. Показано, что уменьшение пористости и нефтеемкости глинисто-алевролитовых почв при увеличении фракционного состава описывается обратной экспоненциальной функцией вида: у = у0 + Аехр(л0х) при К0<0.

Определены значения коэффициентов уравнений регрессии этой функции для различных типов нефтепродуктов.

Получена функциональная зависимость проницаемости глинисто-алевролитовых почв от гранулометрического состава почв. Показано, что увеличение проницаемости по мере увеличения гранулометрического состава почв описывается сигмоидальной функцией Больцмана вида: у = А2 + (Аг - А2)/[1 + ехр

Определены значения коэффициентов уравнения регрессии этой функции.

Предложена физическая модель процессов просачивания (перколяции) нефтяного загрязнения через пористые почвенные структуры. С позиций теории перколяции можно считать, что в песчано-глинистых почвах с размером гранулометрических фракций менее 0,2 мм образуются только отдельные изолированные кластеры. В, критическом состоянии системы возникает проникающий через всю систему непрерывный перколяционный кластер, сосуществующий с изолированными кластерами данной структуры. Во фракциях размером свыше 0,6 мм.устанавливается максимальный одинаковый для всех фракций коэффициент проницаемости. Начиная с этого гранулометрического размера, подавляющая часть пор почвы становится взаимосвязанной.

Изучение вида нефтяных пятен, формирующихся на поверхности почв различного литологического состава, показали, что на мелкозернистых почвах (глины, мелкозернистый песок, гумусовый почвогрунт) ниже порога перколяции образуются фрактальные структуры. С ростом крупности зерен изученных образцов растут значения фрактальной размерности нефтяного пятна. В наиболее крупнозернистом песчаном образце фрактальная структура не образуется.

Предлагаемая методика и полученные с ее использованием результаты могут служить основой для классификации почв и подобных ей пористых структур по отношению к нефтяному загрязнению. Это дает основания для прогноза развития чрезвычайных ситуаций, приводящих к накоплению нефтяного загрязнения на местах разливов или к его распространению по почвенному слою, в том числе и с образованием крупных техногенных залежей нефтепродуктов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Панжин, Дмитрий Александрович, 2010 год

Литература

1. Федеральный закон об охране окружающей среды № 7 ФЗ от 10.01.2002.

2. ГОСТ Р 22.1.01-95 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование. Основные положения

3. РД39-0147098-015-90. Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах Миннефтегазпрома. М., 1989.

4. Денисов В.В., Денисов И.А., Гутенев В.В. Безопасность жизнедеятельности. Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях / М. 2003. - 607с.

5. Брызгало В.А., Граевский А.П., Иванов В.В. Влияние аварийных разливов нефти в бассейне реки Печора на состояние воды и донных отложений в устьевой области. //Экологическая химия. 1999, т.8, вып.З. С.177-185

6. Печорская губа - опыт органо-геохимического мониторинга /В.И. Петрова, Г.И. Батова, М.А. Галишев, Г.И. Иванов //Океанология, 1999, т.39, № 4. -С. 539-547

7. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек / М.: ФА-ИР-ПРЕСС, 2002. - 551с.

8. Григорьев А.Ю. Экологические проблемы российского нефтяного сектора [Электронный ресурс].

http//www.forest.ru/rus/problems/oil/index.html (дата обращения: 05.12.2010).

9. Якуцени С.П., Галишев М.А., Крыза И. Оценка загрязненности грунтовых вод нефтепродуктами в районе ликвидируемого аэродрома ВВС СССР (г. Бжег, Польша) /Вестник СПб университета, серия Геология и География, 1994, Вып. 2. -С. 933-937.

10. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти № 10. 2006

11. ГН 2.1.7.2511-09 Ориентировочно допустимые концентрации ЮДЮ химических веществ в почве. Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти № 9. 2009

12. Ситтиг М. Процессы окисления углеводородного сырья. -М.: Химия, 1970.

13. Бызов Б.А. Зоомикробные взаимодействия и функционирование почв /М.: ГЕОС,-2005. - 213 с.

14. Петров Ал.А. Углеводороды нефти.- М.: «Наука». 1984, 264 с.

15. Соколов В .А. Нефть. М.: Недра, 1970. 384 с.

16. Химия нефти и газа: Учебное пособие для вузов /А.И. Богомолов, A.A. Гайле, В.В. Громова и др. Под ред. В.А. Проскурякова, А.Е. Драбкина. -СПб.: Химия, 1995.

17. Войно Л.И. Биодеградация нефтезагрязнений почв и акваторий // Фундаментальные исследования. - 2006. - № 5 - С. 68-70.

18. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды /Под ред. JI.K. Исаева. СПб.: Крисмас+, 1998. 896 с.

19. Хаустов А.П., Редина М.М. Охрана окружающей среды при добыче нефти. М.: Дело, 2006. 552 с.

20. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

21. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.2280-07 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования» Дополнения и изменения N 1 к ГН 2.1.5.1315-03.

22. Приказ Федерального агентства по рыболовству N 20 г. «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного

значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения». Российская газета, 05.03.2010 г.

23. Галишев М.А. Научные принципы экспертного исследования сложных смесей нефтяного типа, содержащихся в малых количествах в различных объектах материальной обстановки /Жизнь и безопасность, № 1-2а, 2004. С. 69-74.

24. Галишев М.А., Пак O.A., Грошев Д.В. Методы контроля экологической и промышленной безопасности при загрязнении окружающей среды нефтепродуктами // Вестник СПб института ГПС МЧС России, 2005. №4. С. 72-75.

25. Инструкция по определению и возмещению вреда (ущерба), причиненного в результате деградации, загрязнения и захламления земель. Госкомитет РФ по охране окружающей среды. Госкомитет РФ по ресурсам и землеустройству. М., 1998. 35 с

26. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрёзвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. -М., 1992.

27. Приказ Министерства природных ресурсов РФ от 3 марта 2003 г. N156 "Об утверждении Указаний по определению нижнего уровня разлива нефти и нефтепродуктов для отнесения аварийного разлива к чрезвычайной ситуации"

28. Серов Г.П., Серов С.Г. Техногенная и экологическая безопасность в практике деятельности предприятий. -М.: Ось-89, 2007. -512 с.

29. Постановление Правительства РФ № 613 от 21.08.2000 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов»

30. Постановление Правительства РФ от 15.04.2002 № 240

31. Приказ МЧС № 621 от 28.12.2004 «Об утверждении правил разработки и согласования планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации»

32. Другов Ю. С., Родин А. А. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов. Практическое руководство. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009.- 270 с.

33. Проект. Государственная система санитарно-эпидемиологического нормирования РФ. Федеральные санитарные правила и гигиенические нормативы. 2.1.7. Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы. Ориентировочные допустимые концентрации (ОДК) нефти и нефтепродуктов в почвах. Издание официальное. Москва: 2002.

34. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2042-06 Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти. № 10. 2006

35. ГОСТ 17.4.3.06-86 Охрана природы. Почвы. Общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ 03.11.1986

36. Приволжское межрегиональное территориальное управление Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Экологический бюллетень, май 2010 года, г. Самара

37. ГОСТ 27593-88 (2005): Почвы. Термины и определения

38. Докучаев В.В. К учению о зонах природы // Избр. соч. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1948. Т. 1. С. 317-329.

39. Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель. -М.: Минприроды РФ; Роскомзем, 1995.

40. Фомин Г.С., Фомина А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. Справочник. М.: Протектор, 2001. 304 с. •

41. Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель. -М.: Минприроды РФ; Роскомзем, 1995.

42. Дмитриев Е.А. Теоретические и методологические проблемы почвоведения /М.: ГЕОС, 2001. - 374 с.

43. Почвоведение. В 2 ч., ч.1 / Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова — М.: Высшая школа, 1988. - 405 с.

44. Почвоведение. В 2 ч., ч.2 / Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова — М.: Высшая школа, 1988. - 374 с.

45. Успенский В.А. Введение в геохимию нефти. - Д.: «Недра».- 312

с.

46. Шишов JI. Л., Лебедева И. И., Тонконогов В. Д. Классификация почв России и перспективы ее развития /Почвоведение: история, социология, методология. Памяти основателя теоретического почвоведения В.В. Докучаева / Отв. ред. В.Н. Кудеяров, И.В. Иванов. — М.: Наука, 2005. — С. 272— 279.

47. Почвы: их роль, проблемы и охрана [Электронный ресурс]. http//www.ecosystema.ru (дата обращения: 05.12.2010).

48. Почвоведение в 2 частях /Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. М.: Высшая школа. 1988 -374 с.

49. Розанов Б.Г. Морфология почв. - М.: МГУ, 2004. - 433с.

50. Шеин Е.В., Карпачевский Л.О. Толковый словарь по физике почв /М.: ГЕОС, 2003. - 126 с.

51. Качинский H.A. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения, М., 1958

52. Ревут И. Б., Физика почв, 2 изд., Л. 1972.

53. Федотов Г.Н. Гелевые структуры в почвах / Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03.00.27 «Почвоведение». - М., 2006, 355с.

54. Антипов-Каратаев И.Н. Учение о почве как полидисперсной системе и его развитие в СССР за 25 лет (1917-1942). // Почвоведение. 1943. -№6. -с.3-26.

55. Крюков П.А. Горные, почвенные и иловые растворы. Новосибирск: Наука СО АН СССР, 1971.-220 с.

56. Методическое руководство по изучению почвенной структуры. Под ред. И.Б. Ревута и А.А. Роде. Л.: Колос, 1969. - 528 с.

57. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Изд. МГУ, 2003. - 288 с.

58. Федотов Г.Н. Образование коллоидных частиц как обязательная стадия фазовых превращений веществ // Лесной вестник. 2004. — №1.

59. Федотов Г.Н., Шалаев B.C., Путляев В.И., Иткис Д.М. Исследование наноструктурной организации почвенных гелей // Лесной вестник, 2010, №3, с.212-222.

60. Козловский Ф.И. Теория и методы изучения почвенного покрова /М.: ГЕОС, 2003. - 536 с.

61. Теория и практика химического анализа почв /Под ред. Л.А. Воробьевой. - М.: ГЕОС, 2006. - 400 с.

62. Плаченов Т. Г., Колосенцев С.Д. Порометрия. — Л.: Химия, 1988.-175 с.

63. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. — Новосибирск: Наука. 1999. — 470 с.

64. Качинский Н.А. Почва, ее свойства и жизнь. - М.: Наука, 1975.

65. Карпачевский Л.О. Экологическое почвоведение /М.: ГЕОС, 2005.-336 с.

66. ГОСТ 23278-78. Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости. Государственный строительный комитет СССР. Москва. 1979.

67. Леворсен А.И. Геология нефти. М.: Гостоптехиздат, 1958. 488 с.

68. Басниев К.С., Кочина Н.И., Максимов М.В. Подземная гидромеханика. // М.: Недра, 1993, с. 41—43

69. Артемьева З.С. Органическое вещество и гранулометрическая система почвы. / - М.: ГЕОС, 2010. - 240 с.

70. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения /М.: ГЕОС, 2009. - 185 с.

71. Оценка масштабов техногенного нефтяного загрязнения, при прогнозировании негативного воздействия объектов нефтеразведки на окружающую среду на севере Архангельской области / М.А. Галишев, Д.В. Трошев, O.A. Пак, В.А. Ловчиков // Экологическая химия, 2006.

72. Шарапов С.В., Пак O.A., Грошев Д.В., Галишев М.А. Диагностика следовых количеств нефтепродуктов окружающей среде при исследовании ЧС на объектах нефтегазового комплекса /Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых. СПб.: СПб ГТИ (ТУ), 2006

73. Шарапов С.В., Телегин М.А. Анализ экспертной информации получаемой прямыми и косвенными методами изучения нефтяного загрязнения почвенных, отложений/ Вестник Ижевского Государственного технического университета. 2009. № 1 (41)

74. Эфрос А.Л. Физика и геометрия беспорядка. /Библиотечка "Квант", выпуск 19 — М.: Наука, 1982. — 265 с.

75. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учебное пособие - М: УРСС 2002. - 112с.

76. Иванюк Г.Ю. Фрактальные геологические среды: размерность, основные типы, генетические следствия. // Физика Земли, № 3, 1997 '

77. Мандельброт Б.Б. Фрактальная геометрия природы. - М., Ижевск: РХД, 2002.

78. Essam J.W., «Percolation theory» 1980.-№7

79. Stauffer D., A.Aharany. Intradauction to percolation theory - London: Taylor and Francic, 1992. - 400.

80. Grimmet. Percolation - New York, 1989.-245.

81. Shante V.K.S, Kirkpatrik.S (1971), Anintroduction to percolation theory. Adv. Phys., 20, 325-357.

82. Федер E. Фракталы. - M.: Мир, 1991.

83. Орлов А.И. Теория принятия решений Учебное пособие. - М.: Издательство "Март", 2004

84. Хеджпет Дж. В. М. Модели в экологии и путаница вокруг них//Биология моря.— 1978. N. 6.— С. 3—15.

85. Алексеев В.В., Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Физическое и математическое моделирование экосистем. СПб.: Гидрометеоиздат. 1992, -368 с.

86. Георгиевский В.Б. Идентификация моделей экосистем по натурным данным (обратные задачи экологии)//Исследование математических моделей для оптимизации управления качества воды. Тр. сов.-амер. симпозиума. Т. 2. Ч. 1.—Л.: Гидрометеоиздат, 1979. С. 82—102.,

87. Дажо Р. Основы экологии / Пер, с франц. под ред. В. В. Алпатова.— Прогресс, 1975.— 415 с.

88. Бродский Е.С. Системный подход к идентификации органических соединений в сложных смесях загрязнителей окружающей среды //Журнал аналитической химии. 2002, т. 57, № 6. С. 585-591.

89. Энциклопедия судебной экспертизы /Под ред. Т.В. Аверьяновой, Е.Р. Российской.-М.: «Юристъ», 1999. -552 с.

90. Резник Г.М. Внутреннее убеждение при оценке результатов. -М.

1977.

91. Об организации и осуществлении государственного мониторинга окружающей среды (государственного экологического мониторинга). Пост. Прав. РФ. № 177 от 31.03.2003

92. РД 39-0147098-015-90 «Инструкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтепрома»

93. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных трубопроводах» (утв. Минтопэнерго России 1 ноября 1995 г. Согласованно с Департаментом Государственного экологического контроля Минприроды России) -Уфа: ИПТЭР, 1995

94. Исакова О.П., Тарасевич Ю.Ю., Юзюк Ю.И. Обработка и визуализация данных физических экспериментов с помощью пакета «Origin» / М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 136 с.

95. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. № 123-ФЭ.

96. ГОСТ 12.1.044-89 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

97. Другов Ю. С., Родин А. А. Анализ загрязненной почвы и опасных отходов. Практическое руководство. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007.- 424 с.

98. Другов Ю.С., Родин A.A. Газохроматографическая идентификация загрязнений воздуха, воды и почвы. -СПб.: Теза, 2001. -624 с.

99. Галишев М.А. Комплексная методика исследования нефтепродуктов, рассеянных в окружающей среде при анализе чрезвычайных ситуаций / Под ред. B.C. Артамонова. СПб.: СПб Институт ГПС МЧС России,

2004. 166 с.

100. Панжин Д.А., Сивенков А.Б., Галишев М.А. Изучение критических явлений, возникающих при распространении нефтяных загрязнений по почвенному слою / Электронный научный интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности», № 3, 2011

101. Фенелонов В.Б. Пористый углерод / Новосибирск.: Институт катализа. 1995.-518 с.

102. Химическая энциклопедия

103. Фрактальные структуры коллоидных образований в почвах / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, В.К. Иванов и др.// Доклады Академии Наук РФ.

2005, т.404, №5, с.638-641.

104. Механизм возникновения фрактальной организации у почвенных коллоидов / Г.Н. Федотов, Ю.Д. Третьяков, В.И. Путляев и др. // Доклады Академии Наук РФ, 2007, т.412, №6, с. 772-775.

105. Панжин Д.А., Давыденко М.В., Галишев М.А. Использование перколяционных моделей для описания нефтяного загрязнения почвенных отложений /Проблемы управления риском в техносфере, № 2, 2011.