НЕФТЕХИМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 235-240
УДК 504.054
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
© 2014 г. Л. К. Алтунина, Л. И. Сваровская, М. Н. Алексеева, И. Г. Ященко
Институт химии нефти Сибирского отделения РАН, Томск E-mail: sli@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 24.12.2013 г.
Труднодоступные и обширные заболоченные территории нефтедобывающих предприятий Западной Сибири не позволяют своевременно оценивать масштаб загрязнения и планировать рекульти-вационные мероприятия. Нами разработана методика картографирования и оценка антропогенного преобразования растительного покрова нефтезагрязненных территорий на основе космических снимков (КС). Для оценки загрязнения окружающей среды нефтью и динамики восстановления растительного покрова использовали нормализованный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), рассчитанный на основе КС. Значения полученных индексов подтверждены данными физико-химических и микробиологических анализов проб, отобранных на загрязненной территории. С помощью топографических карт и снимков, полученных с космического аппарата Landsat, для труднодоступной заболоченной территории нефтедобывающих предприятий Западной Сибири выделена сеть трубопроводов, представляющих особый риск воздействия на компоненты окружающей среды.
Ключевые слова: загрязнение нефтедобывающих территорий, антропогенное преобразование растительного покрова, экологический риск, нормализованный вегетационный индекс, геоинформационная технология.
Б01: 10.7868/80028242114030022
На нефтедобывающих предприятиях Западной Сибири примерно 70% территории приходится на обводненные болота, которые являются регуляторами водного режима, обеспечивают существование характерной флоры и фауны, представляют ресурс, имеющий экономическое и рекреационное значение [1]. На территории болот проложено около 25 тыс. км магистральных нефтепроводов, большая часть которых эксплуатируется более 20 лет; в результате аварий, основной причиной которых является изношенность и коррозия оборудования, загрязнено от 700 до 840 тыс. га [2, 3]. Общая масса загрязняющих веществ, попавших в окружающую среду, составила 5781.4 т, площадь загрязнения 229.6 га [4]. Потери нефти в результате аварий достигают до 3—5 % от ежегодной добычи [5].
Аварии на нефтяных месторождениях сопровождаются значительными выбросами нефти и сопутствующей минерализованной пластовой воды, содержащей до 10 млн клет/мл общей микрофлоры; образуется комплексный загрязнитель, включающий нефть, микроорганизмы, органические и неорганические соединения, пагубно действующие на все звенья биологической цепи. Восстановление экосистемы проходит крайне мед-
ленно, в течение 5—10 лет, в зависимости от концентрации загрязнения и температуры окружающей среды, особенно в Северных районах с низкой температурой и коротким вегетационным периодом [6].
Труднодоступные и обширные заболоченные территории нефтедобывающих предприятий Западной Сибири не позволяют своевременно оценивать масштаб загрязнения и планировать рекультивационные мероприятия. Нами разработана методика картографирования и оценка антропогенного преобразования растительного покрова нефтезагрязненных территорий на основе КС. Для оценки последствий аварийных ситуаций и решения задач в интересах нефтегазовой отрасли, в том числе, снижения риска воздействия на компоненты окружающей среды, перспективно применение геоинформационно-космических технологий. С использованием космических снимков также оценивается восстановительная динамика нарушенных территорий.
Цель данной работы — применение геоинформационно-космических технологий картографирования для оценки антропогенного загрязнения растительного покрова и сравнительный анализ
геоинформационных показателей с данными физико-химических и микробиологических исследований.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектом исследования служили заболоченные загрязненные территории нефтедобывающих предприятий Советского и Вахского месторождений Томской области и Ханты-Мансийского автономного округа (Самотлорское, Ватинское). В работе использовались снимки, полученные с космического аппарата Landsat в 1999—2001, 2005 и 2007 гг. Построение сети трубопроводов проводилось по методу их цифрования на КС и топографических картах. Поскольку сеть нефтепроводов на территории Западной Сибири за период обустройства и эксплуатации оказала весьма значительное техногенное воздействие на окружающую среду, геоинформационная обработка КС подразумевает выделение участков трубопроводов, проходящих через заболоченные территории и водные объекты [7].
Влияние нефтезагрязнений на растительный покров проводили по методике [8]. Для оценки состояния и динамики восстановления растительного покрова использовали нормализованный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), который рассчитывали на основе КС по формуле:
NDVI = NIR - RED NIR + RED'
где NIR и RED отражение объектов в инфракрасной и красной областях спектра соответственно.
На загрязненной заболоченной территории в разные годы проводили отбор проб почвы, растительности и болотной воды для физико-химических и микробиологических исследований. Численность общей гетеротрофной, углеводородо-кисляющей и сульфатредуцирующей микрофлоры определена методом посева на селективные среды [9, 10]. В отобранных пробах определяли: рН; окислительно-восстановительный потенциал, Eh, mB и минерализацию, г/л [11].
Нефть из загрязненных образцов почвы, экстрагировали горячим способом на аппарате Сокс-лета с использованием хлороформа, который удаляли на роторном испарителе [12]. Полученные величины сравнивали с исходным загрязнением и определяли активность деструктивных процессов и концентрацию загрязнения.
Для экстракции нефти из загрязненной массы растений, пробу взвешивали, помещали на специальную фарфоровую воронку и промывали хлороформом при комнатной температуре, хлороформ удаляли на роторном испарителе и опре-
деляли вес нефти. Концентрацию загрязнения рассчитывали в г/кг.
Количественную и качественную оценку деструкции углеводородов нефти проводили методами ИК-спектроскопии (спектрометр Фурье NIKOLET 5700 (FT-IR). Число сканов пробы: 64, длительность измерения: 76.5 сек, разрешение 4.000, уровень интерполяции: 0. Спектры снимали в диапазоне от 400 до 4000 см-1. Биодеструктивные процессы оценивали по изменению величины оптических коэффициентов, рассчитанных по данным ИК-спектрометрии [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Построение карт нефтедобывающих территорий с зонами неблагоприятного влияния на лесоболотные ландшафты
Основные площади загрязнения на месторождениях обнаружены на болотистой территории (86%) и техногенных грунтах (12%), представляющих собой отсыпку песка на обводненной болотистой почве под технологические площадки для добычи и подготовки нефти. Картографирование участков нефтепроводов и зон их неблагоприятного влияния на почвенно-растительный покров осуществляли с использованием средств геоинформационных систем ERDAS Imagine и ArcGIS по схеме, приведенной на рис. 1, из которого следует, что построение контуров болот осуществляли в несколько этапов. На первом этапе — классификация "с обучением" КС и их векторизация; на втором — генерализация классифицированного космического снимка с помощью фильтров обнаружения и замена неправильно классифицированных пикселей средними значениями и путем удаления векторных контуров болот малого размера по сравнению с масштабом карты.
Построение сети трубопроводов проводили на основе цифрования их на КСе и топографических картах. Используя вышеприведенную схему, построена карта нефтедобывающих территорий Са-мотлорского, Ватинского, Советского и Вахского месторождений Западной Сибири с сетью промысловых и магистральных нефтепроводов, участками возможных аварий и зонами их влияния на почвенно-растительный покров (рис. 2).
На карте показано, что территория исследуемых месторождений насыщена сетью промысловых и магистральных нефтепроводов, проложенных на обводненных болотах; территория Ватин-ского и Советского месторождений расположена в районе заболоченной поймы реки Оби. Перечисленные факторы создают условия для внешней и внутренней коррозии нефтепроводов и высокий риск загрязнения нефтью окружающей среды при аварийных ситуациях.
Космические снимки
Построение контуров болот: Классификация Векторизация ^ ^ ч Генерализация Построение линейной сети нефтепроводов Топографические карты
Геообработка:
Вырезание областей —- Построение зон влияния перекрытия векторных тем р
Рис. 1. Схема картографирования участков нефтепроводов и зон их влияния на почвенно-растительный комплекс.
- Обводненное болото
■ш Вода
. - Граница месторождений
обоеекое- - Вахексй?-'
1 ■ ■ ЧА^Д ~ "—"" : Вахское — Магистральные нефтепроводы ■ . ' —1-|||— Промысловые нефтепроводы
100 км
Зона риска загрязнения
Рис. 2. Карта риска загрязнения нефтедобывающих территорий изучаемых месторождений Западной Сибири.
В обводненной болотистой местности из-за малой пересеченности рельефа, незначительных уклонов профиля труб и больших расстояний между линейными задвижками, составляющими от 20 до 30 км, при аварийных ситуациях, загрязнение охватывает значительные площади. Примерная зона загрязнения по обе стороны аварийного нефтепровода изменяется от 200 м — для наземного участка, до 3 км для перехода через водную преграду. Зона такого риска показана на карте и закрашена серым цветом (рис. 2). Особый риск загрязнения в результате аварий отмечен на
территории нефтедобычи для промысловых нефтепроводов, которые являются локальными объектами загрязнения. Последствия нефтяного загрязнения природной среды определяются совокупностью факторов: площадь загрязнения, концентрация и химический состав загрязняющих веществ, интенсивность механических повреждений. От совместного действия перечисленных факторов будет зависеть, приспособится ли экосистема к новым условиям и начнет ли восстанавливать свои функциональные звенья или перейдет к полной деградации.
Рис. 3. Значения NDVI на неф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.