Тема 4 Воздействие на почву

Тема 4 Воздействие на почву.

К основным видам загрязняющих воздействий на почву относятся физическое и химическое загрязнение.

Физическое загрязнение строительных площадок, полосы отвода земель строительными, производственными и бытовыми отходами.

Отходами строительного производства являются порубочные остатки, некондиционная древесина, выкорчеванные пни, остатки металлических труб, проволоки, тара. Производственные отходы - обрезки труб, долота, запорная арматура, нефтешлам, металлолом, ртутные лампы и др. и бытовые - упаковочная тара, пластмассовые бутылки, коробки и т. д.

В процессе проведения геолого-разведочных работ и добычи углеводородного сырья (особенно в труднодоступных районах) отмечается скопление металлолома и разрушение неликвидированных объектов обустройства. В зонах, примыкающих к полосам отвода, скапливаются древесные отходы, смещенные с территории земельного отвода.

Химическое загрязнение буровыми растворами, нефтью и нефтепродуктами, пластовыми водами, горюче-смазочными материалами, химреагентами и другими веществами. Загрязнение почвогрунтов может происходить как с поверхности, так и при подземных разливах. Загрязнение ГСМ возникает в результате возникновения трещин в емкостях хранения, буровыми растворами - при дефектах в приемных емкостях циркуляционной системы, нефтью и нефтепродуктами - при повреждении линейной части трубопроводов, нарушении целостности резервуаров, неплотности запорной арматуры. При недостаточной гидроизоляции дна и стенок шламовых амбаров происходит вынос загрязняющих веществ на прилегающую территорию, что влечет за собой изменение физико-химического состава почв и грунтовых вод вблизи шламовых амбаров.

При бурении скважин наиболее характерны локальные загрязнения, связанные чаще всего с разливами небольших объемов нефти и нефтепродуктов. Загрязнение больших площадей возможно при фонтанировании нефти, в этом случае выделяют четыре зоны с различной степенью загрязнения:

- первая - сильное загрязнение;

- вторая - средняя степень загрязнения;

- третья - слабое загрязнение;

- четвертая - распыление с незначительным загрязнением.

Последняя зона занимает около половины всей площади. Попадая в почву, нефть опускается вертикально вниз под влиянием гравитационных сил и распространяется вширь под действием поверхностных и капиллярных сил. Скорость продвижения нефти зависит от ее свойств, свойств грунта и соотношения нефти, воздуха и воды в многофазной движущейся системе. Чем меньше доля нефти в такой системе, тем труднее ее фильтрация (миграция) в грунте. В ходе этих процессов насыщенность грунта нефтью (при отсутствие новых поступлений) непрерывно снижается. При количестве 10 - 12% нефти в грунте (уровень остаточного насыщения) нефть становится неподвижной. Движение нефти прекращается также при достижении нефти уровня грунтовых вод, однако появляется вероятность распространения нефти, обусловленная капиллярными силами. Нефть начинает перемещаться в направлении уклона поверхности грунтовых вод. Проявление капиллярных сил зависит от проницаемости и пористости грунта: нефть хорошо мигрирует в песках и гравийных грунтах, плохо - в глинах и илах. В горных породах нефть движется, в основном, по трещинам.

Движение загрязняющих веществ в почве происходит вследствие механизмов конвекции, молекулярной диффузии, механической дисперсии, осложненных физическими, химическими и биологическими процессами, и зависит от типа почвы, ее структуры, текстуры, мощности, содержания почвенной влаги, адсорбции и т. п.

Размеры нефтяного загрязнения во многом определяются объемом разлива и характером нефтяного загрязнения. Это объясняется тем, что типы нефти существенно отличаются по своим физическим и химическим свойствам, степени токсичности.

Характер воздействия обусловлен воздушной диффузией, водной миграцией с грунтовыми и талыми водами. После завершения буровых работ, даже после рекультивации, замазученные почвы и грунты зоны аэрации становятся источниками вторичного загрязнения поверхностных и грунтовых вод. Область техногенного нефтезагрязнения прослеживается на расстоянии 100 - 150 м от устья скважин, а концентрация нефтепродуктов резко снижается до фоновых величин на расстоянии 30 - 50 м от обваловки скважин.

Понимание трансформации нефти, попавшей в почву в результате разливов или утечек в местах хранения или транспортировки, необходимо для прогнозирования процессов самоочищения и восстановления почв, нарушенных техногенезом. Знание стадий трансформации нефти позволяет определить давность загрязнения и сроки восстановления почв, повысить эффективность контроля за загрязнением среды нефтью и нефтепродуктами. Выделяются следующие этапы трансформации нефти:

1. Физико-химическое и частично микробиологическое разрушение алифатических УВ.

2.Микробиологическое разрушение низкомолекулярных структур разных классов, новообразование смолистых веществ.

3.Трансформация высокомолекулярных соединений - смол, асфальтенов, полициклических УВ.

Нефть деградирует в почве очень медленно, процессы окисления одних структур ингибируются другими структурами, трансформация отдельных соединений идет по пути приобретения форм, трудноокисляемых в дальнейшем. На земной поверхности нефть оказывается в другой обстановке - в аэрируемой среде. Основной механизм окисления УВ разных классов в аэробной среде следующий: внедрение кислорода в молекулу, замена связей с малой энергией разрыва (С-С, С-Н) связями с большой энергией, следовательно, процесс протекает самопроизвольно.

Главный абиотический фактор трансформации - ультрафиолетовое излучение. Фотохимические процессы могут разлагать даже наиболее стойкие полициклические УВ за несколько часов.

Деградация нефтяного загрязнения происходит в результате:

- испарения легких фракций нефти;

- физического выноса водными потоками;

- лимификации (превращения в нерастворимые в нейтральных органических растворителях продукты микробиологического метаболизма).

Соотношение этих факторов зависит от почвенно - климатических условий, состава и свойств самой нефти и глубины ее проникновения в почву.

Конечными продуктами метаболизма нефти являются:

- углекислота, которая может связываться в карбонаты, и вода;

- кислородные соединения (спирты, кислоты, альдегиды, кетоны), которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и удаляются из почвенного профиля;

- твердые нерастворимые продукты метаболизма - результат дальнейшего уплотнения высокомолекулярных продуктов или связывания их в органо-минеральные комплексы;

- твердые корочки высокоминеральных компонентов нефти (нефтепродуктов) на поверхности почвы (киры).

Степень нарушения природных экологических систем обусловлена как самим загрязнителем, так и биологическими особенностями района.

Устойчивость ландшафтов к загрязнению нефтью и нефтепродуктами определяется:

- аккумулирующей способностью почв (способность накапливать и переводить в связанные нетоксичные формы, поступающие в нее вещества);

- устойчивостью растительности к химическому загрязнению, определяющейся особенностями растений, входящих в сообщества.

Нефтяное загрязнение вызывает опасные экологические последствия. Разрушается структура почвы, изменяются ее физико-химические свойства. В результате резко снижается водопроницаемость, увеличивается соотношение между углеродом и азотом (за счет углерода нефти), что приводит к ухудшению азотного режима почв, нарушает корневое питание растений.

При попадании нефти в почву нарушаются биологические (особенно микробиологические), химические и физические процессы, что приводит к разрушению структуры почвы и нарушению водно-воздушного режима, прекращению нормального роста растений в течение ряда лет. Срок восстановления (саморекультивации) почв, загрязненных нефтью, составляет от 1-2 до 10-15 и более лет.

Первоначальное относительно слабое загрязнение почвы нефтью снижает количество микроорганизмов и образующегося углекислого газа. Восстановление численности микроорганизмов наблюдается через 6 мес. В это время компоненты нефти используются микроорганизмами в качестве продуктов питания, оказывают стимулирующее воздействие на их размножение. Однако интенсивный рост микроорганизмов обедняет почву соединениями азота и фосфора и в дальнейшем может сыграть роль лимитирующего фактора, если учесть, что в почвах, загрязненных нефтью, с самого начала отмечается дефицит азота.

Загрязнение нефтепродуктами создает новую экологическую обстановку, что приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или их полной трансформации. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв - изменение численности и ограничение видового разнообразия педобионтов (почвенной мезо - и микрофауны и микрофлоры). Типы ответных реакций разных групп педобионтов на загрязнение неоднозначны:

- происходит массовая гибель почвенной мезофауны: через три дня после аварии большинство видов почвенных животных полностью исчезает или составляет не более 1% от исходного. Наиболее токсичными для них оказываются легкие фракции нефти;

- комплекс почвенных микроорганизмов после кратковременного ингибирования отвечает на загрязнение нефтепродуктами повышением валовой численности и усилением активности. Прежде всего это относится к углеводородокисляющим бактериям, количество которых резко возрастает относительно незагрязненных почв. Развиваются «специализированные» группы, участвующие на разных этапах в утилизации УВ;

- максимум численности микроорганизмов соответствует горизонтам ферментации и снижается в них по профилю почв по мере уменьшения концентраций УВ. Основной «взрыв» микробиологической активности падает на второй этап естественной деградации нефти;

- в процессе разложения нефтепродуктов в почвах общее количество микроорганизмов приближается к фоновым значениям, но численность нефтеокисляющих бактерий еще долгое время превышает те же группы в незагрязненных почвах (южная тайга 10-20 лет);

- изменение экологической обстановки приводит к подавлению фотосинтезирующей активности растительных организмов. Прежде всего, это сказывается на развитии почвенных водорослей: от их частичного угнетения и замены одних групп другими до выпадения отдельных групп или полной гибели всей альгофлоры. Особенно значительно ингибирует развитие водорослей сырая нефть и минеральные воды;

- изменяются фотосинтезирующие функции высших растений, в частности злаков. Эксперименты показали, что в условиях южной тайги при высоких дозах загрязнения - более 20 л/м2 растения и через год не могут нормально развиваться на загрязненных почвах;

- исследования показали, что в загрязненных почвах снижается активность большинства почвенных ферментов. При любом уровне загрязнения ингибируются гидролазы, протеазы, нитратредуктазы, дегидрогеназы почв, несколько повышается уреазная и каталазная активности почв.

- дыхание почв также чутко реагирует на загрязнение нефтепродуктами. В первый период, когда микрофлора подавлена большим количеством УВ, интенсивность дыхания снижается, с увеличением численности микроорганизмов интенсивность дыхания возрастает.

Итак, процессы естественной регенерации биогеоценозов на загрязненных территориях идут медленно, причем темпы становления различных ярусов экосистем различны. Сапрофитный комплекс животных формируется значительно медленнее, чем микрофлора и растительный покров. Пионерами зарастания нарушенных почв часто являются водоросли.

Неблагоприятное воздействие нефтяного загрязнения на почву может оказать пагубное влияние на человека через пищевые цепи. При этом не исключается возможность канцерогенного эффекта, который может развиваться даже при минимальной концентрации активных веществ.

Для научного обоснования мероприятий по защите и восстановлению природной среды нефтезагрязненных участков, для каждого ландшафтного района необходимо знать:

- природные механизмы самоочищения и факторы, ускоряющие этот процесс;

- количественные критерии, характеризующие разные стадии изменения нефти, почв, растительности;

- скорость восстановления почв и растительности. Получить такие данные (на которых должен базироваться контроль за загрязнением окружающей среды нефтью и нефтепродуктами) можно путем постановки специальных экспериментов на природных моделях.

Химическое загрязнение почв пластовыми водами

Проницаемость грунтов для пластовых вод значительно выше, чем для нефтепродуктов. Пластовые воды имеют большую активность и проникающую способность, чем нефтепродукты, однако принцип взаимодействия с грунтами такой же, как и у нефти. Установлена прямо пропорциональная зависимость проницаемости глин от величины минерализации: чем выше величина минерализации, тем выше их проникающая способность.

Степень загрязнения земель пластовыми водами определяется степенью насыщенности грунта хлоридами и нефтепродуктами. Сточные воды, попадающие на почву, приводят к изменению ее физико-химических свойств, снижению водопроницаемости, ухудшают азотный режим и нарушают корневое питание растений, из грунта вытесняется кислород, необходимый для жизнедеятельности растений и микроорганизмов.

Загрязнение почв выбросами продуктов сгорания топлива в ДВС автотранспорта и выбросами от технологического оборудования. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу (поллютанты), среди которых немало токсичных веществ, в условиях малозалесенных, а тем более открытых ландшафтов, осевшие на поверхность снега, во время снеготаяния переносятся на растения в десятках километров от действующей буровой, попадая в водные объекты и почву.

Экологическая опасность возникает при периодически повторяющихся процессах, сопровождающихся накоплением токсичных и загрязняющих веществ в почвах и фильтрующихся водах. Именно этим объясняется снижение продуктивности биомассы водоемов, фитоценоза и животного мира на разбуриваемых территориях с ростом буровой активности.