Оценка воздействия на почвенный покров

Почвы являются важнейшим объектом экологических исследований при оценках воздействия, поскольку это ценное звено биогеохимического круговорота веществ в экосистемах, источник поступления этих веществ в раститель­ность и по трофическим цепям в организм человека. Почвы аккумулируют заг­рязнители в течение длительного периода, а их химический состав дает интегральную характеристику долговременного загрязнения - его масштабов и превращений в зависимости от видового состава почв и их способности к самоограничению.

Профильное распределение тяжелых металлов и других видов загрязните­лей в почвенных горизонтах сводится к образованию регрессивно-аккумулятивного типа их распределения. Данный тип характеризуется повышенным на­коплением загрязнителей в гумусовом горизонте и резким понижением их содержания в нижележащих горизонтах. На характер перераспределения заг­рязнителей в профиле почв влияют гранулометрический состав, реакция почв, содержание органических веществ, емкость поглощения катионов, наличие геохимических барьеров, дренаж и др.

Химическое загрязнение почв нефтепродуктами, буровыми, тампонажными растворами имеет место при плохой обваловке и слабой гидроизоляции амбаров или при их переполнении. Загрязняющая способность буровых растворов определяется содержанием в них нефтепродуктов, ПАВ, тяжелых ме­таллов и др. При прорывах высокоминерализованных пластовых вод происхо­дит засоление почв с образованием выцветов соли.

Наиболее устойчиво и опасно нефтяное загрязнение. Степень загрязненно­сти почв нефтью определяется глубиной ее проникновения и зависит от физи­ко-химических свойств нефти, ее количества и механического характера грун­тов. Экспериментальными данными установлено, что при достижении остаточного уровня насыщения 10-12% нефть перестает мигрировать. Сильная загрязненность характеризуется проникновением нефти на глубину более 25 см, средняя - до 10-25 см и слабая - до 10 см. В зависимости от механичес­кого состава глубина просачивания нефти для супесчаных и песчаных почв составляет 1 м и более, в суглинках и глинистых грунтах не достигает 50-"'О см. Естественное микробиологическое разложение нефти происходит в по­чвах очень медленно, поэтому при возникающих разливах необходимо приме­нение специальных сорбентов.

Площадь нефтяного загрязнения земель и водных объектов может быть определена с помощью экспертных оценок, инструментальными методами, ме­тодом аэрофотосъемки.

Известно, что степень загрязнения земель определяется нефтенасыщенностью грунта или количеством (или объемом V_вn) нефти М_вn, впитавшейся в грунт.

Расчет рекомендуется проводить по формулам:

М_вn=К_nрV_гр ,кг; (5.18)

где К_n - нефтеемкость земли, V_гр - объем нефтенасыщенного грунта, м³, р - плотность нефти, т/м³.

Величина нефтеемкости рассчитывается с помощью специальной таблицы в зависимости от влажности грунтов. Наибольшие значения нефтеемкости характерны для болотных и тундровых почв (табл. 5.21).

Таблица 5.21 - Предельная нефтеемкость некоторых почв при различных видах влажности (по О.А. Гусевой и Н.П. Солнцевой, 1996)

Загрязнение почвы - процесс антропогенного изменения ее физико-химических и биологических характеристик, вызывающий снижение плодородия или представляющий опасность для здоровья населения, животных и расти­тельных организмов.

Одним из главных принципов охраны почв является гигиеническое нормирование, допускающее возможность содержания веществ в почве в количествах, безопасных для перечисленных выше категорий организмов. Безопасный уро­вень поступления загрязнителей в ОС определяется исходя из недопустимости повышенного порога адаптационной возможности человека и порога самоочи­щающей способности почвы при изолированном комплексном, комбинирован­ном (суммарном) действии химических веществ на организм человека и ОС.

Вещества, загрязняющие почву, непосредственно на организм человека не влияют, а попадают в него через различные звенья пищевых цепей и через загрязнение почвами воздуха и воды. Поэтому при оценках состояния почв устанавливаются следующие токсикологические показатели.

Токсичность (вредность, ядовитость) - мера несовместимости вещества с жизнью и здоровьем, а опасность - вероятность отравления этим веществом в реальных условиях его применения (Стадницкий, Родионов, 1996). Токсические смертельные дозы обозначаются как ЛК и ЛД и определяются на подопыт­ных животных, при гибели половины из них показатели приобретают вид ЛК₅₀, и ЛД₅₀.

Персистентность в почвах или растениях - продолжительность сохранения биологической активности загрязняющего почву или растения химического вещества, характеризующая степень его устойчивости к процессу разложения.

Миграционный воздушный показатель вредности характеризует переход химического вещества из пахотного слоя почвы в воздух, мг/м³.

Транслокационный показатель характеризует переход химического веще­ства из пахотного слоя почвы через корни в растение и накопление его в зеле­ной массе, мг/кг.

Общесанитарный показатель вредности характеризует влияние химического вещества на способность почвы к самоочищению и на микрофлору почвы, мг/кг.

Для почв ЗВ нормируются по предельно допустимым (ПДК_п) и временно допустимым (ВДК_П) концентрациям.

Установление ПДК_п производится по данным о фоновых концентрациях веществ об их физико-химических свойствах, параметрах токсичности, устойчивости к различным факторам и др. При этом обоснование нормирующего значения ПДК веществ на основе экспериментов учитывает допустимую кон­центрацию:

- при которой их содержание в пищевых и кормовых растениях не превыша­ет некоторых остаточных значений в продуктах питания (ПДК_пр);

- при которой поступление летучих и других веществ не превысит нормативных значений для воздуха и вод;

- не влияющую на микроорганизмы и процессы самоочищения.

Таким образом, ПДК_п является комплексным показателем, учитывающим основные процессы, происходящие в этом депонирующем элементе экосистем, и рассчитывается в мг/кг слоя абсолютно сухой почвы.

Кроме перечисленных характеристик состояния почв устанавливается ряд других гигиенических показателей, таких, как санитарное число (отношение содержания белкового азота к общему), наличие кишечной палочки (коли-титр), личинок мух, яиц гельминтов и др. Опасность ЗВ по отношению к почвам оценивается не менее чем по трем показателям в соответствии с требованиями ГОСТов (табл. 5.22).

По отношению к миграции загрязнителей для почв холодных гумидных областей принципиальным является выделение двух надтиповых морфогенетических групп почв.

1. Почвы свободного дренажа, расположенные преимущественно на поро­дах легкого механического состава, которые при избыточности осадков не приводят к переувлажнению почвенного профиля. Миграция загрязнителей про­исходит в достаточно короткие сроки, частично вещества задерживаются в почвенном покрове; мигрируют через зону аэрации до зоны насыщения (грун­товых вод).

Таблица 5.22 - Классификация загрязняющих веществ по степени их опасности для почвы (ГОСТ 17.4.1.02-83)

2. Почвы затрудненного дренажа, расположенные на глинах, суглинистых, слоистых супесчано-суглинистых отложениях, в которых интенсивно развивается процесс оглеения. Процессы миграции загрязнителей здесь развивают; t по более сложной схеме, и вещества не всегда достигают зоны насыщенных трансформируясь в более сложные формы по пути движения.

Как и для ГС, вещественный состав почв является доминантным свойством, определяющим восприимчивость этих сложных субстанций к химическом}, биологическому и радиационному загрязнениям. Именно этот фактор и условия дренирования почвенных горизонтов определяют миграционные потоки веществ и устойчивость почв к техногенным нагрузкам, в том числе и механического характера.

При оценке природной защищенности почв чаще всего принимают во внимание величину емкости почвенного поглощения, которая отражает способность того или иного типа почв к концентрации или рассеиванию техногенных элементов.

Почвы, обладающие минимальной емкостью поглощения, рассматривают­ся как наиболее защищенные, и наоборот (табл. 5.23).

В соответствии с принятыми градациями уязвимости наименее защищен­ной категорией почв считаются черноземы обыкновенные, наиболее защищен­ными - песчаные почвы. В данной классификации отсутствует степень механической пораженности почв (плоскостной смыв, эрозия, карст и др.). При

Таблица 5.23 - Категории защищенности почв на примере Волгоградской области (по В.Н. Синяковуидр., 2003)

оценках этих эффектов, а также потенциальной подтопляемости, осолонцевания и других экзогенных явлений можно воспользоваться Методическими ре­комендациями по выявлению деградированных и загрязненных земель [45], а также другими справочно-методическими материалами.

При проведении оценок воздействия нефтедобывающих предприятий на почвенный покров большое внимание уделяется его микроэлементному составу. Это обусловлено тем, что при добыче нефти используют достаточно слож­ные, многокомпонентные реагенты, которые могут являться потенциальными загрязнителями. Опыт проведения детальных исследований [50] позволяет сде­лать следующие выводы.

1. Почвообразующие породы, имеющие экологическое значение, сложен­ные песчаными породами различного генезиса (водно-ледниковыми и аллювиальными), недостаточно насыщены микроэлементами, что определяет их сла­бую природную защищенность по отношению к поступающим загрязнителям.

2. Наиболее неблагоприятная биогеохимическая ситуация отмечается в регионах с преобладанием подзолистых почв, развитых на водно-ледниковых песчаных отложениях.

3. В болотных почвах проявляется тенденция к увеличению в 1,5-2 раза содержания таких элементов, как Са, Mg, Co, Ni, Cu, Pb, по сравнению с водоразделами. Для некоторых элементов (например, РЬ) накопление не связано с техногенезом, а происходит за счет их концентрирования болотной раститель­ностью. Для биогенных элементов (Мn, Ва, Р, Zn и др.) этот эффект выражен более ярко.

4. Почвы, залегающие в поймах и на низких террасах речных долин, имеют более богатый элементный состав, что обусловлено влиянием их затопления и отложением более тонкодисперсных фракций взвешенных в речных водах твердых частиц.

5. Для тундровых зон основным фактором формирования микроэлемент­ного состава почв является их биологическое накопление с последующим закреплением в торфяном горизонте. Важную роль играют глеевые геохимические барьеры, на которых изменяются окислительно-восстановительные условия и происходит трансформация миграционной активности химичес­ких элементов.

6. Таежные зоны характеризуются развитием подзолистых почв с низким содержанием микроэлементов за счет обедненности минеральной основы (кварцевые пески), слабой гумификации и активного выноса веществ из элювиаль­ных горизонтов в иллювиальные в результате процесса оподзоливания.

7. Буровые работы приводят к формированию локальных техногенных аномалий в почвах таких элементов, как Ва, Pb, Sr, Zn, и нефтепродуктов. Наибо­лее опасным элементом является РЬ, поскольку Ва и Sr геохимически инертны и совместимы с природной ландшафтно-геохимической обстановкой.

8. Для вахтовых поселков с удалением поверхностного торфяного горизон­та происходит также удаление элементов биологического накопления (Р, Zn и Мn) и рост концентраций технофильных элементов (РЬ, Си и др.), содержание которых превышает фоновый уровень в 1,5-2 раза.

9. Формирование техногенного геохимического поля, охватывающего значительную часть месторождений, приводит к появлению аномалий с содержанием широкого круга микроэлементов. В первую очередь это связано с повы­шенным содержанием в нефти таких микроэлементов, как V и Ni.

10. В то же время для многих месторождений геохимические аномалии при подготовке нефти не выявляются, что объясняется достаточно хорошей изолированностью процессов подготовки нефти от внешней среды. Локальные про­явления аномалий по отдельным микроэлементам обусловлены авариями, хра­нением отходов и влиянием второстепенных объектов.

Интегральной оценкой риска загрязнения почв (ландшафтов) при техноген­ных нагрузках, возникающих в результате попадания сточных вод, является объем сброса, содержание ионов натрия в стоках, почвогрунтах зоны аэрации и грунтовых водах, а также количественные и качественные характеристики биогеоценозов. При этом поле риска загрязнения ограничено площадью сброса стоков и мощностью зоны аэрации, т.е. принимается во внимание объемное воздействие загрязнителей.

Критериями пригодности сточных вод для сброса их на рельеф или на специальные поля орошения служат общая минерализация (соотношение суммы концентраций ионов Са и Mg к концентрации Na); содержание микроэлемен­тов и органических веществ. Согласно СанПиН 2.1.7.573-96 оценка пригодно­сти стоков для сброса на земледельческие поля орошения производится по сле­дующим показателям.

По экологическому риску осолонцевания почв:

, (5.20)

где Na, Са и Mg - содержание катионов в сточной воде, мг-экв./л; K₁, принимается по данным таблиц СанПиН 2.1.7.573-96; К₂ рассчитывается по формуле

, (5.21)

где НВ₅₀ - наименьшая влагоемкость (мм) слоя почвы 0-50 см.

По допустимой концентрации микроэлементов С_mэ в стоках, которая определяется по формуле

, (5.22)

где ЭТ- эвапотранспирация, мм; J- средневзвешенная по севообороту (растительности) норма нетто, м; ПДК_в - предельно допустимая концентрация мик­роэлементов для хозяйственно-питьевого назначения.

Данный подход применим к оценкам воздействия сбросов отходов бурения или других категорий сточных вод нефтепромыслов на почвы или на поля орошения.

При планировании мелиоративных работ с применением известкования необходимо иметь в виду, что используемые для этой цели отходы бурения могут иметь в своем составе потенциально опасные элементы, которые в кислых ус­ловиях могут перейти в активно-подвижную форму. Необходимо проведение детальных исследований, с тем чтобы установить экологическую безопасность применения тех или иных отходов в качестве мелиорантов почв.

По объему нефтенасыщенного грунта У_гр, который вычисляется по фор­муле

V_гр=F_грh_ср (5.23)

Средняя глубина пропитки грунта h по всей площади (F_гp) нефтенасыщен­ного грунта определяется как среднее арифметическое из данных шурфовок. Почвенные пробы для расчета h_cp отбираются от 0 до 0,2 м и от 0,2 до 0,4 м по диагонали загрязненного участка через 8-10 м, начиная с края. Методы анали­за почвенных проб реализуются в соответствии с РД 39-0147098-015-90 "Ин­струкция по контролю за состоянием почв на объектах предприятий Миннефтепрома".

При слабой степени загрязнения нефтью эффективна вспашка, позволяю­щая разрыхлять и перемешивать загрязненный слой с нижележащими чисты­ми слоями.

Для реанимации почв со средней степенью загрязненности необходимо частичное снятие с поверхности загрязненного слоя, проведение плантажной вспаш­ки в течение 2-3 лет и внесение минеральных и органических удобрений.

Сильное загрязнение требует специальных методов рекультивации и делает почвы непригодными для ведения сельского хозяйства, лесного и водохозяйственного использования.

Интенсивно применяющиеся в настоящее время выжигание нефти или покрытие нефтяных разливов минеральным грунтом увеличивают содержание ароматических углеводородов и бенз(а)пирена. Экспериментально доказано, что период восстановления почвенно-растительного покрова после загрязне­ния нефтью в количестве 12 л/м² составляет от 10 до 25 лет в зависимости от климатических особенностей региона.

Трансформация нефти в почвах происходит в 3 этапа:

- физико-химическое и частично микробиологическое разрушение углеводородов (преимущественно легких фракций);

- микробиологическое разрушение низкомолекулярных фракций;

- трансформация высокомолекулярных смол.

Нормальные алканы деградируют в первые месяцы после загрязнения, бо­лее устойчивыми являются циклоалканы и тетраароматические углеводороды; высокоустойчивы к деградации пентаароматические углеводороды, асфальтены, смолы.

При большом количестве сернистых соединений в нефти нельзя исключить опасность сероводородного загрязнения почв с последующей транслокацией серо-органических соединений в растения.

К настоящему времени установлены ПДК для следующих углеводородных соединений в почвах: бензол - 0,3; бенз(а)пирен - 0,02; толуол - 0,3 мкг/кг воздушно-сухой почвы.