Загрязнение водной среды нефтью и нефтепродуктами

Уже сегодня необходимо решить следующие геоэкологические задачи:

ввести систематическую оценку уровня загрязнений внутренних водоемов, морских и океанических вод;

выполнить прогноз динамики загрязнений вод с учетом сбросов, гидрометеорологических и гидрохимических условий;

разработать рекомендации по оптимальному режиму сбросов в конкретных районах, при соблюдении которых процессы естественной утилизации загрязнений будут превалировать над процессами их поступлений,

дать всестороннюю научно обоснованную оценку тех негативных последствий, к которым приводят нефтяные загрязнения, и в первую очередь пленочные,

разработать эффективные методы диагностирования нефтяных загрязнений, поскольку своевременное обнаружение загрязнений позволяет существенно уменьшить наносимый ими ущерб.

В исследованиях, связанных с нефтяными загрязнениями, большой интерес представляет изучение оптических свойств нефти и нефтепродуктов в широкой области спектра, влияния нефтяных пленок на оптические свойства воды, а также влияния нефтяных загрязнений на световой и тепловой режимы вод и обмен с атмосферой. Поскольку оптические характеристики нефти и нефтепродуктов существенно отличаются от соответствующих характеристик воды (оптический контраст), имеется принципиальная возможность обнаружения пленок нефти с помощью дистанционных методов диагностирования и практической реализации активного метода в приборном исполнении.

Общее ежегодное поступление нефти в моря и океаны, по данным экспертов ООН, достигает 6 млн т. Это количество примерно равно суммарному количеству углеводородов, образующихся в морях и океанах в процессе естественного разложения растительных и животных остатков.

Нефтепродукты попадают в естественные воды непосредственно или в результат выноса речными и ливневыми стоками и грунтовыми водами, а также из атмосферы, главным образом, в составе атмосферных осадков. Первый канал поступления приводит к локальным или региональным загрязнениям водной среды, а второй - к глобальным.

Одним из основных источников нефтяных загрязнении морской среды служит морской транспорт. По существующим данным, вследствие аварий судов (и в первую очередь танкеров) в моря и океаны поступает примерно 5 % всей попадающей туда нефти. Огромное количество нефти является результатом сброса с судов промывочных, балластных и локальных вод, а также потерь при погрузке и разгрузке танкеров. По этим причинам в морях и океанах ежегодно оказывается около 3 млн т нефти и нефтепродуктов.

Источником нефтяных загрязнений вод являются береговая промышленность и, в первую очередь, нефтеперерабатывающие заводы. Хотя сточные воды промышленных предприятий очищаются в различных очистных сооружениях, полной очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов достичь не удастся. Содержание нефтепродуктов, например, в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов может достигать 1...8 г/л. К причинам загрязнения вод нефтепродуктами можно также отнести попадание нефтепродуктов в дренажные воды, смыв ливневыми стоками с территорий городов, различных промышленных предприятий и других сооружений. С ливневыми стоками и речными водами в моря и океаны поступает соответственно 5 и 28 % всех нефтяных загрязнений.

Большое количество нефтепродуктов попадает в водные бассейны из атмосферы. Например, двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в воздух около 50 млн т различных углеводородов в год. Серьезным источником загрязнения атмосферы являются нефтеперегонные заводы, на которых десятки тысяч тонн углеводородов и других вредных веществ выделяются в воздух из резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов и с открытых поверхностей очистных сооружений. Валовые газовыделения с поверхности последних могут достигать 150...200 кг/ч. Хотя попавшие в атмосферу нефтяные углеводороды подвергаются интенсивному атмосферному окислению, в основном под воздействием солнечного излучения, все же большая их доля выпадает в водные бассейны с дождями и в меньшей степени - со снегом. Количество нефтепродуктов, поступающих с атмосферными осадками, составляет примерно 10 % общего количества нефтяных углеводородов, поступающих в моря и океаны.

Результаты многочисленных исследований распределения углеводородов в океанических водах показывают, что в наибольшей степени загрязнены воды прибрежных и шельфовых районов. По мере удаления от шельфа происходит снижение концентрации нефтепродуктов. Распределение углеводородов обусловлено сложной структурой вод и особенностями процесса их распространения в морской среде. В переносе и распространении нефтяных загрязнений огромная роль принадлежит океаническим циркуляциям. Именно они переносят нефтяные загрязнения в наиболее чистые районы Мирового океана, в том числе и в Северный Ледовитый океан. В сильной степени загрязнены также многие внутренние моря и водные бассейны.

Все это делает необходимым решение задачи борьбы с нефтяными загрязнениями, причем, в первую очередь, с загрязнениями прибрежных вод, эстуариев, территорий портов и внутренних водных бассейнов.

Огромные масштабы нефтяных загрязнений вод требуют всесторонней количественной оценки тех последствий, к которым они приводят, поскольку имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные и теоретические проработки позволяют проводить такие оценки лишь на качественном уровне.

Нефтяные загрязнения оказывают сильное влияние на физико-химические процессы, происходящие в водном бассейне и на его поверхности. Поверхностное натяжение нефти и нефтепродуктов в 2-4 раза меньше поверхностного натяжения чистой воды. Теплопроводность и теплоемкость воды соответственно 0,599 Вт/(м К) и 4,187 кДж/(кг К), а нефти и нефтепродуктов 0,15 Вт/(м К) и 1,7...2,1 кДж/(кг К), Таким образом, пленки нефтяных загрязнений уменьшают теплопроводность и теплоемкость верхнего водного слоя.

Наличие нефтяных загрязнений сказывается на процессе испарения. На спокойной воде тонкий слой нефти уменьшает испарение в 1,5 раза. При скорости ветра до 6...8 м/с испарение уменьшается на 60 %, так как пленки служат как бы барьером для молекул воды и снижают аэродинамическую шероховатость поверхности вследствие подавления высокочастотной составляющей волнения. Экспериментально установлено, что при наличии нефтяной пленки за 1 ч с площади в одну квадратную милю поверхности океана испаряется 45 т воды, в то время как при отсутствии пленки - 97 т.

Замедление процесса испарения приводит к тому, что воздушные массы, движущиеся над океаном, слабее насыщаются водяным паром.

Наблюдения за нефтяными разливами на поверхности воды показали, что наличие пленки приводит к гашению капиллярных и мелких гравитационных волн, существующих на склонах основных ветровых волн. Поверхностные пленки растягиваются на взволнованной поверхности, при этом силы внутреннего трения между молекулами пленки совершают работу и поглощают часть энергии волн. Сглаживание высокочастотных волн на поверхности основных волн сильно уменьшает мощность, передаваемую ветром основным волнам. В результате последние затухают под воздействием внутреннего трения в самой воде. Сглаживание капиллярных и мелких гравитационных волн, поглощающих большую часть ветровой энергии, приводит к росту скорости ветра над океаном.

В естественных условиях через границу раздела атмосферы и океана непрерывно происходит обмен кислородом и углекислым газом. Поток кислорода через пограничный слой океана составляет 0,1...2 г/м² в сутки, углекислого газа - 0,3..1,1 г/м². Нефтяные загрязнения существенно нарушают обмен кислородом между атмосферой и океаном. Если чистая вода полностью насыщается кислородом примерно за 1 сут., то для полного насыщения кислородом воды, находящейся под пленкой нефтяного загрязнения толщиной 0,2 мкм, нужно около 2 сут., а при толщине пленки 1 мм - около 3,5 сут.

К значительному уменьшению концентрации растворенного кислорода приводит и процесс бактериальной деградации нефти, так как для окисления 1 л нефти бактериям необходим свободный кислород, содержащийся в 400 т воды. Следует также отметить, что одним из основных механизмов аэрации морских вод является обрушение волн. Следовательно, длительное загрязнение акватории нефтью может существенно изменить ее кислородный режим и по этой причине.

В результате уменьшения испарения, изменения теплоемкости и альбедо верхнего слоя океана меняется температура его поверхности. Это в свою очередь приводит к существенному изменению химического состава вод и нарушению газообмена через поверхность океана. Повышение температуры поверхности ведет к снижению растворимости углекислого газа СО₂, находящегося в верхнем слое воды, и уменьшению растворимости атмосферного кислорода в воде. В результате часть СО₂ переходит из океана в атмосферу, что вызывает замедление процесса фотосинтеза и изменение рН среды, на которое влияет нагрев поверхности. Изменение рН сказывается на жизнедеятельности морских организмов. Увеличение концентрации СО₂ в атмосфере может привести к "парниковому эффекту". Вследствие образующейся при наличии загрязнений разности температур между атмосферой и океаном могут возникать циклоны.

Нефтяные загрязнения изменяют температуру водной поверхности: это в свою очередь вызывает изменение плотности вод - главного фактора, определяющего вертикальные перемещения водных масс. Некоторое изменение плотности под происходит за счет поступления в водные массы растворимых компонентов нефти и нефтепродуктов, а также за счет химического взаимодействия нефти с водой.

В мелководных бассейнах загрязненные слои могут опускаться на дно и образовывать придонные воды, содержащие значительное количество нефтепродуктов. Особенно вероятно образование таких загрязненных придонных слоев в период осеннего выхолаживания вод, когда усиливается вертикальная конвекция.

Таким образом, поверхностные нефтяные загрязнения, изменяя плотность поверхностных вод, способствуют перемещению вод в вертикальном направлении. Следовательно, нефтяные загрязнения являются тем техногенным фактором, который влияет на формирование и протекание гидрологических и гидрохимических процессов в морях, океанах и внутренних бассейнах.

Вредное влияние нефтяных загрязнений на живые организмы наиболее очевидно и поэтому хорошо изучено. Можно сформулировать следующие выводы о вредном воздействии нефтяных, загрязнений на биологическую среду моря:

прямое уничтожение морских организмов вследствие их обволакивания, удушения и контактного отравления, а также, от воздействия растворимых в воде токсичных компонентов, наблюдаемое на некотором удалении от места разлива нефти;

уничтожение развивающихся, еще неокрепших, организмов;

уничтожение продуктов питания морской фауны;

ослабление сопротивляемости морских организмов к различным инфекциям вследствие поглощении ими нефти и нефтепродуктов в несмертельных дозах;

уничтожение рыбных запасов моря;

введение канцерогенных веществ в морскую биологическую цепочку и пищевые ресурсы;

снижение жизнеспособности и жизнедеятельности различных морских организмов.

Необходимо также отметить, что нефтяные загрязнения оказывают влияние на живые организмы, обитающие как на поверхности воды и в ее толще, так и на дне. Действию нефтяных загрязнений подвержены бентос - живые организмы, обитающие на дне;

нектон - животные, активно плавающие в воде; планктон - мелкие организмы, парящие в воде, плейстон - плавающие в полупогруженном состоянии растения.

В марте 1978 г. вблизи французского города Бреста потерпел аварию американский супертанкер "Амоко Кадис". В результате катастрофы в море вылилось 230 тыс. т нефти. Нефть образовала пленку на площади 2000 км². Было загрязнено до 400 км французского побережья.

В январе 1997 г. у берегов Японии потерпел аварию российский танкер "Находка", перевозивший топливо на Камчатку. Нефтяная пленка достигла одного из островов Японского архипелага.

Масштабы нефтяного загрязнения Мирового океана показаны на рис. 4.7. Особенно загрязнению нефтью подвержены относительно мелководные окраинные и внутренние моря, такие как Северное, Японское и др.

До 1984 г. в Мировом океане производилось также захоронение радиоактивных отходов, наиболее активно проводившееся в пределах Баренцева и Карского морей. В настоящее время международными соглашениями эта практика приостановлена, так как употреблявшиеся для этого контейнеры гарантировали надежность лишь в течение нескольких десятилетий. Тем не менее, опасность радиационного загрязнения океана не устранена в связи с авариями, происходящими на атомных подводных лодках, атомных ледоколах и надводных судах, несущих ядерное вооружение, а также ядерными взрывами, производимыми Францией на атолле Моруруа.

Рис. 4.7. Концентрация нефтяных агрегатов на поверхности

Мирового океана (Н.Ф. Реймерс, 1990)

Наиболее опасным из радиоактивных изотопов, поступающих в океан, является стронций-90, участвующий в биологическом цикле. Многие морские организмы концентрируют изотопы.

Раковины моллюсков, как и планктон, активно аккумулируют канцерогены.

Еще одним фактором загрязнения Мирового океана является поступление загрязняющих веществ из воздуха или с атмосферными осадками в виде кислотных дождей.

Очень важной характеристикой океанской гидросферы является динамика вод, способствующая глобальному загрязнению. С этой точки зрения в океанах нет национальных вод.

Как писал Тур Хейердал: " Государства могут делить между собой сушу, но океан, который всегда в движении, без которого невозможна жизнь, вечно будет всеобщим и неделимым богатством всего человечества".

Таким образом, загрязнение Мирового океана - это сумма антропогенных воздействий, изменяющих системы открытого моря и прибрежных вод, в том числе морского дна, причиняющих ущерб растительному и животному миру, а также человеку.

Мировой океан, в отличие от речных систем, не имеет самоочищающего оттока. Его загрязнение создает угрозу глобальному круговороту кислорода, так как количество кислорода, производимое фотосинтезирующими организмами в океане, невосполнимо никакими другими источниками.

Ежегодное продуцирование кислорода зелеными растениями Земли составляет 3 10⁹ т. Большая часть -3/4 этого количества - приходится на растения суши, 1/4 - на фотосинтезирующие организмы Мирового океана.

Действующие международные соглашения (программа региональных морей ЮНЕП, конвенции по сбросам загрязняющих веществ с судов и др.), ограничивающие и запрещающие сброс ядовитых и опасных веществ, содержат ряд исключений. Трудности контроля за исполнением запретов создают предпосылки того, что и в дальнейшем морские и океанские экосистемы будут подвергаться загрязнению во все более опасных размерах.

Проблема использования морских биологических ресурсов: соотношение естественной биологической продуктивности и вылова. Большую часть органического мира океана составляют фитопланктонные организмы (прикрепленные к дну водные растения занимают очень небольшую часть), которые в основном и являются первичной продукцией моря. На основе фитопланктона развиваются все другие морские организмы - бактерии, зоопланктон, рыбы, морские млекопитающие и др.

К биологическим ресурсам Мирового океана относится та часть океанской биомассы, которая используется человеком в расчете на самовосстановление в ходе естественных природных процессов. Эта часть биомассы является предметом морского промысла, к которому относят вылов различных видов рыбы, добычу морских млекопитающих (киты, моржи, тюлени), лов беспозвоночных животных (от кальмаров и осьминогов до криля), сбор водорослей.

Морской промысел теоретически должен находиться в полном соответствии с возможностями репродукции - воспроизведения особей. Но прогрессирующее загрязнение океана, прерывающее пищевые цепи, непосредственно сказывается на репродуцентных возможностях каждой популяции. Этому же способствует неконтролируемый вылов морских и океанских продуктов без учета особенностей их воспроизводства.

По оценочным данным, за последние 20 лет число живых особей в Мировом океане сократилось на 20-30 %.