Геоэкологическое влияние трубопроводного транспорта

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
Инженерно-строительный факультет 
 
Кафедра Гражданского строительства и прикладной экологии 
 
Доклад по геоэкологии на тему: 
 
Геоэкологическое влияние трубопроводного транспорта 
Выполнил студент группы (5015/5) 
(Кобзарь Т.А.) 
Принял профессор  
(Уманец В.Н.) 
 
«____»___________________2011г. 
 
Санкт-Петербург 
 
2011

Введение

 
Трубопроводы относятся к категории  энергонапряженных объектов, отказы которых сопряжены, как правило, со значительным материальным и экологическим  ущербом. Многочисленные отказы на технологических  трубопроводах, транспортирующих пожаро-взрывоопасные  продукты, ядовитые компоненты и токсичные  среды, приводят к локальным и  масштабным загрязнениям окружающей среды, создают повышенный риск с точки  зрения безопасности персонала и  населения. Особую остроту приобретает  проблема надежности и экологической  безопасности в системах магистрального трубопроводного транспорта газа, нефти  и нефтегазопродуктов, аммиакопроводов  и других продуктопроводов. Отказ  магистрального трубопровода, проявляющийся  в местной потере герметичности  стенки трубы, трубных деталей или  в общей потере прочности в  результате разрушения, приводит, как  правило, к значительному экологическому ущербу с возможными непоправимыми  последствиями для окружающей природной  среды. 
 
Определяющим критерием экологической безопасности трубопроводов является их надежность — один из основных показателей качества любой конструкции (системы), заключающийся в способности выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные свойства в течение требуемого промежутка времени "жизненного цикла". 
 
Конструктивная надежность как свойство трубопроводной конструкции должно удовлетворять экологическим критериям, поскольку полная или частичная утрата трубопроводом его работоспособности неизбежно сопровождается отрицательным воздействием на окружающую среду. Таким образом, расчетные модели конструктивной надежности трубопроводов должны строиться с учетом экологических ограничений. Количественной мерой таких ограничений должны быть значения предельных допустимых воздействий (ПДВ), оцениваемых по всем компонентам окружающей природной среды, находящимся в контакте с трубопроводом. 
 
Наибольшую потенциальную опасность для окружающей среды представляют магистральные трубопроводы, являющиеся линейно-протяженными объектами с высоким уровнем экологической опасности. Поэтому поиск эффективных путей, направленных на гарантированное обеспечение конструктивной надежности трубопроводов, — весьма актуальная задача с высокой экологической ответственностью.

Влияние трубопроводного  транспорта на окружающую среду

Характеристика воздействий  на окружающую среду и их последствия

 
Трассы магистральных трубопроводов  прокладываются в различных природно-климатических  зонах, отличающихся геологией, геокриологией, гидрологией, географическим ландшафтом, освоенностью, чувствительностью биогеоценоза к антропогенным и техногенным  воздействиям, характером и размером их последствий и т. п. При изыскании  трасс, строительстве и эксплуатации трубопроводов на грунтовую среду, растительный покров, животный мир, подземные  и поверхностные воды, приземной  слой атмосферы оказывают влияние  различные среды. 
 
Причем источниками воздействия могут быть транспорт и строительно-монтажная техника, перекачиваемый продукт (нефть, газ, нефтепродукты) или продукты его сгорания, тепло транспортируемой по трубопроводу среды, конструкция трубопровода и т. д. 
 
Все воздействия можно подразделить на прямые и косвенные, длительные и кратковременные (импульсные). Они могут проявляться в виде механического разрушения, загрязнения, теплового влияния и т. п. Последствия от этих воздействий могут быть первичными и вторичными, обратимыми и необратимыми (нерегулируемыми). 
 
Прямым воздействием на окружающую среду, например, при расчистке и планировке трассы будет нарушение микро- и макрорельефа, а косвенным—сокращение пастбищных площадей. Последствия прямых и косвенных воздействий будут соответственно первичными и вторичными. 
 
В рассматриваемом случае первичные последствия — развитие эрозии, оврагов, термокарста, а вторичные — ухудшение условий питания животных и др. 
 
Примером длительного воздействия на окружающую среду, в частности на грунт, может служить тепловое влияние трубопроводов на многолетнемерзлые грунты. 
 
Загрязнение атмосферы в результате аварийного выброса газа или сжигания нефти характеризуется значительно меньшим периодом воздействия и его можно отнести к кратковременному, или импульсному, воздействию. 
 
Обратимыми последствиями будем называть такие, которые могут быть ликвидированы, а окружающая среда при этом восстановлена до исходного состояния или близкого к нему. Например, растительный покров после окончания строительно-монтажных работ может быть восстановлен посевом аналогичных растений. 
 
К необратимым последствиям следует отнести такие, которые приводят к качественному (трудно восстановимому) изменению окружающей среды, например термокарсты, оползни, деформация русла реки [1]. 
 
Классификация компонентов окружающей среды, источников и типов воздействия и их последствий. 
 
Из-за органической связи различных компонентов отдельные источники воздействия оказывают влияние практически на все компоненты окружающей среды одновременно. Это обстоятельство существенно затрудняет проведение дифференцированного анализа влияния каждого из источников воздействия на отдельные компоненты окружающей среды. 
 
На основании изучения воздействий на окружающую среду и соответствующих им последствий при строительстве трубопровода и его эксплуатации рекомендуется выделить следующие взаимосвязанные компоненты: приземной слой атмосферы, почвенно-растительный комплекс (ПРК) и рельеф местности, животный мир, поверхностные и подземные воды. Такая степень детализации позволяет, достаточно полно и определить характер воздействия на каждую компоненту, его последствия и наметить наиболее эффективные мероприятия по охране природы. 
 
Приземный слой атмосферы.  
 
Тип воздействия — загрязнение при эксплуатации трубопроводов. 
 
Источники воздействия—утечки газа через негерметичные соединения или при разрывах газопровода, сжигание нефти и нефтепродуктов, разлитых на поверхности при аварии на нефте- и нефтепродуктопроводах, утечки и испарения в процессе ранения и сливно-наливных операций, пожары на газо-, нефте- и нефтепродуктопроводах и т. д. 
 
Последствия — подавление роста растительности, превышение предельно допустимой концентрации (ОДК) и вредных веществ в воздухе. 
 
Почвенно-растительный комплекс и рельеф местности.  
 
Типы воздействий — механическое и тепловое разрушение, загрязнение. 
 
Источники воздействий — строительно-монтажные работы при прокладке трубопровода и эксплуатация последнего. 
 
Последствия — развитие эрозии, оврагов, оползней, изменение рельефа, активизация криогенных процессов, заболачивание территории, снижение биологической продуктивности ПРК, уничтожение культурных посевов, развитие безлесных ландшафтов. 
 
Животный мир. 
 
Типы воздействия — сокращение и уничтожение кормовых ресурсов, ограничение перемещений. 
 
Источники воздействий — загрязнение и разрушение ПРК и загрязнение воздушной среды, препятствия при миграции: надомные трубопроводы, транспорт и средства механизации. Последствия — сокращение поголовья животных.  
 
Поверхностные и подземные воды. 
 
Типы воздействия — загрязнение, механическое разрушение берегов и русла в створе перехода. 
 
Источники воздействий — утечки нефти и нефтепродуктов из резервуаров при авариях подводных трубопроводов, устройствo береговых и подводных траншей. 
 
Последствия — ухудшение качества воды и условий обитания водных организмов и растений, активизация русловых процессов. [5;1].

Воздействие нефти и нефтепродуктов на почвенно-растительный комплекс

 
Значение нижнего яруса растительного  покрова как корма диких и  домашних животных, тепло- и влагорегулятора  почвы, основного средства против образования  оврагов, оползней и эрозии трудно переоценить. Между тем основное воздействие  нефти и нефтепродуктов на ПРК  при отказах трубопроводов сводится именно к снижению биологической  продуктивности почвы и фитомассы  растительного покрова. 
 
Характер и степень воздействия нефти и нефтепродуктов на почвенно-растительный комплекс определяются объемом ингредиента и его свойствами, видовым составом растительного покрова, временем года и другими факторами. Многие виды сосудистых растений оказываются устойчивыми против нефтяного загрязнения, тогда как большинство лишайников погибает при воздействии на них нефти и нефтепродуктов. Установлено, что наиболее токсичны углеводороды с температурой кипения в пределах от 150 до 275° С, т. е. нафтеновые и керосиновые фракции. Углеводороды с более низкой температурой кипения менее токсичны либо вообще безвредны, особенно их летучие фракции, поскольку они испаряются, не успевая проникнуть через растительную ткань. Высококипящие тяжелые фракции нефти также менее токсичны, чем нафтеновые и керосиновые фракции. 
 
Деградация нефти в грунтовой среде происходит путем биологического окисления микроорганизмами и химического окисления. Значительно ускоряют процесс очищения почвы от нефти дождевые осадки, которые вымывают ее и тем самым снижают концентрацию нефти в верхних слоях почвы [1;4].  
 
Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами в северных районах будет, очевидно, иметь гораздо большие отрицательные последствия, нежели в районах с относительно умеренным климатом. Наблюдающаяся в настоящее время тенденция перемещения центров добычи нефти и газа именно в эти районы в существенной мере определяет важность рассматриваемой проблемы. Низкие температуры воздуха и грунтовой среды, сильные ветры, небольшая продолжительность летнего теплого периода (во время которого активизируются биологические процессы) создают чрезвычайно сложный режим функционирования растительного покрова. Поэтому всякое нарушение этого режима может привести к необратимым процессам. Одним из наиболее опасных в этом случае является загрязнение нефтью грунтовой среды в результате утечек из магистральных нефтепроводов, резервуаров и т. п. 
 
Наряду с указанными явлениями загрязнение нефтью растительного покрова приводит к изменению его теплоизоляционных свойств. Па загрязненных нефтью участках наблюдалось уменьшение альбедо до 50%. 
 
Нередко на болотистых участках трассы разлившуюся по дневной поверхности нефть, сжигают, что приводит к выгоранию леса иногда на значительных площадях. На участках многолетнемерзлых грунтов такие пожары могут привести к развитию криогенных процессов.  
 
Выводы:

 
загрязнение почвенно-растительного  комплекса нефтью и нефтепродуктами  приводит к уничтожению растительного  покрова, период самовосстановления которого в северных районов может достигать 10—15 лет;

 
снежный покров существенно снижает  токсичное действие нефти на растительность. Наиболее опасны разливы нефти в  период вегетации растений;

 
наибольшей токсичностью обладают нефтепродукты с температурой кипения 150—275° С (нафтеновые и керосиновые  Фракции);

 
стойкость растений к загрязнению  нефтью различна в зависимости от их вида;

 
скорость биодеградации нефти  в почве незначительна; в некоторой  степени она может быть повышена добавлением в почву веществ, содержащих азот и фосфор[5].

Загрязнение грунтовой среды  при утечках нефти и нефтепродуктов

 
Как уже отмечалось, утечки нефти  и нефтепродуктов, возникающие при  повреждении магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов, резервуаров, а также при сливно-наливных операциях, приводят к загрязнению прилегающих  грунтовых участков. В процессе поверхностной  миграции (например, с дождевыми  водами) и инфильтрации нефть и  нефтепродукты загрязняют поверхностные  и подземные воды. Самоочищение загрязняемых таким образом сред происходит крайне медленно, что может привести к  длительному исключению их из пользования. Как последствия, так и связанные  с ними материальные убытки определяются размерами и степенью загрязнения  грунтовой среды.  
 
Различие свойств и состояний грунтов, типов утечки, а также характеристик нефти и нефтепродуктов предопределяет многообразие расчетных схем [2]. 
 
Можно выделить схемы загрязнения нефтью непроницаемой (малопроницаемой) и проницаемой сред, талых, мерзлых и многолетнемерзлых грунтов. Утечки могут происходить на дневной поверхности (например, при повреждении наземного либо надземного участка нефтепровода, или в результате потери устойчивости и выпучивания подъемного участка нефтепровода из траншеи, или в процессе его ремонта, а также при повреждении наземного резервуара) и ниже ее при повреждении подземного участка нефтепровода без обнажения его или подземного резервуара. Перекачиваемые нефти и нефтепродукты могут быть подогретыми и холодными (обычными). 
 
Процесс загрязнения талой грунтовой среды при утечках нефти на дневной поверхности можно разделить на три последовательные во времени стадии. Первая, начальная стадия характеризуется преимущественно образованием поверхностного ареала загрязнения и незначительной инфильтрацией нефти в грунтовую среду. На второй стадии происходит главным образом вертикальная инфильтрация нефти, и, наконец, третья стадия характеризуется боковой миграцией последней в грунтовой среде. 
 
Использование теории миграции грунтовых вод для описания процесса загрязнения грунтовой среды нефтью и нефтепродуктами осложняется специфичными физическими свойствами этих продуктов — вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением, несмешиваемостью с водой и др. Это обстоятельство, по-видимому, и обусловило выполнение ряда исследований по изучению различных случаев загрязнения грунтовой среды нефтью и нефтепродуктами [2]. 
Загрязнение рек и водоемов нефтью и нефтепродуктами 
Река (или водоем) считается загрязненной, если состав (или свойства) воды изменился под влиянием производственной деятельности настолько, что вода стала непригодной для одного или нескольких видов водопользования. 
 
Различают следующие основные виды водопользования: хозяйственно-питьевое, культурно-бытовое и рыбохозяйственное. В соответствии с этими видами водопользования нормируются состав и свойства воды и предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ. 
 
Практически любая авария подводного нефтепровода может привести к утрате водоема как объекта одного или нескольких видов водопользования. Возможные последствия загрязнения усугубляются высокой стойкостью нефти к окислению и токсичностью отдельных се фракций. Нефть, попадая в воду, растекается вследствие ее гидрофобности по поверхности, образуя тонкую нефтяную пленку, которая перемещается со скоростью примерно в два раза большей, чем скорость течения воды. При соприкосновении с берегом и прибрежной растительностью нефтяная пленка оседает па них. В процессе распространения по поверхности воды легкие фракции нефти частично испаряются, растворяются, а тяжелые опускаются в толщу воды, оседают на дно и образуют донное загрязнение. 
 
В результате загрязнения воды нефтью изменяются ее физические, химические и органолептические свойства, что существенно ухудшает условия обитания и воде животных и растении; использование такой воды в культурно-бытовых и хозяйственно-питьевых целях усложняется. [1;5] 
 
В нефтедобывающих районах источником загрязнения рек и водоемов являются сбросы отработанных и пластовых вод нефтепромыслов. 
 
На судоходных реках систематическим источником загрязнения вод нефтепродуктами являются курсирующие по ним суда, о чем свидетельствуют замазученные шлейфы, остающиеся по траектории их движения, вблизи пристаней и берегов. 
 
Существенно загрязняют реки и водоемы сбросы нефтеперерабатывающих заводов. Следует иметь в виду, что если загрязненность от сбросов нефтепромыслов, судов и нефтеперерабатывающих заводов может относительно легко регулироваться установкой соответствующих очистных устройств, то аварийный выброс нефти и нефтепродуктов при повреждении трубопровода характеризуется во много раз большей (нерегулируемой) концентрацией загрязненности. 
 
Это обстоятельство позволяет считать подводные нефтепроводы наиболее опасным потенциальным источником загрязнения рек и водоемов. 
 
Последствия нефтяного загрязнения рек и водоемов.  
 
Загрязнение воды нефтью, затрудняет все виды водопользования. 
 
Влияние нефти, керосина, бензина, мазута, смазочных масел на водоем проявляется в ухудшении физических свойств воды (замутнение, изменение цвета, вкуса, запаха); растворении в воде токсических веществ; образовании поверхностной пленки нефти и осадка на дне водоема, понижающей содержание в воде кислорода. 
 
Используемые в настоящее время методы очистки воды, устранения нефтяного привкуса и запаха, восстановления прозрачности и цветности, локализации, сброса и удаления нефти позволяют в какой-то мере смягчить последствия загрязнения, ускорить процесс восстановления временно утраченных свойств воды и тем самым обеспечить дальнейшее использование водоемов в культурно-бытовых и хозяйственно-питьевых целях. Однако для рыбного хозяйства водоему может быть нанесен невосполнимый ущерб вследствие высокой чувствительности живых организмов и растительности к нефтяному загрязнению, а также стойкости и токсичности этого загрязнения. 
 
Загрязнение нефтью и нефтепродуктами рыбохозяйственных водоемов приводит к ухудшению качества рыбы (появление окраски, пятен, запаха, привкуса); гибели взрослых рыб, молоди, личинок и икры; отклонениям от нормального развития икры личинок и молоди; сокращению кормовых запасов (бентоса, планктона), мест обитания, нереста и нагула рыб; нарушению миграции рыб, молоди, личинок и икры [5]. 
 
Самоочищение рек и водоемов от нефти и нефтепродуктов. Очищение воды от нефти и нефтепродуктов происходит в результате их естественного распада — химического окисления, испарения легких фракций и биологического разрушения микроорганизмами, обитающими в водной среде. Все эти процессы характеризуются чрезвычайно малой скоростью, определяемой главным образом температурой воды. Химическое окисление нефти затрудняется высоким содержанием в ней предельных углеводородов. Окисляются и испаряются в основном легкие фракции, а тяжелые трудноокисляемые фракции нефти накапливаются и затем оседают па дно, образуя донное загрязнение. 
 
Уменьшение массы нефтяной пленки в первые дин после ее образования происходит преимущественно вследствие испарения нефти. В процессе биологического разрушения микроорганизмами нефть и нефтепродукты частично усваиваются ими, а частично окисляются. Известно около 100 видов бактерий, дрожжей и грибков, способных окислять углеводороды. Максимальная активность нефтеокисляющих микроорганизмов наблюдается при температуре воды 15—35° С. С понижением температуры интенсивность окисления резко уменьшается. 
 
Биохимическое окисление нефти сопровождается интенсивным поглощением кислорода воды. В среднем на окисление 1 мг нефти затрачивается от 0,5 до 3,5 мг кислорода. Одним из показателей наличия в воде органических загрязнений и интенсивности их биологического окисления является биологическая потребность в кислороде (БПК), численно равная количеству кислорода, поглощаемого микроорганизмами при биологическом окислении органических загрязнении, содержащихся в 1 л воды. 
 
Биохимическое окисление нефти в водоеме сопровождается непрерывной миграцией тяжелых ее фракций с поверхности на дно и обратно. 
 
Нефтяные отложения на дне водоема в анаэробных условиях (при дефиците кислорода) сохраняются длительное время и являются источником вторичного загрязнения водоемов [1].

Загрязнение приземного слоя атмосферы при эксплуатации магистральных  трубопроводов и его последствия

 
При повреждении газо- и нефтепроводов  выделяются различные токсичные  вещества. Основными загрязнителями атмосферы являются природный газ, продукты испарения нефти и нефтепродуктов, аммиак, этилен, ацетилен, а также  продукты сгорания перекачиваемых углеводородных смесей. Все эти загрязнения относятся  к локальным и временным, так  как они рассеиваются под воздействием воздушных потоков. 
 
Загрязнение приземного слоя атмосферы оказывает существенное отрицательное влияние на человека и растительность вследствие общетоксического действия перечисленных ингредиентов. Особую опасность представляет загрязнение воздуха вблизи населенных пунктов. В этих случаях возможность наложения или аккумуляции различных загрязнений значительно усугубляет характер последствий. 
 
В отличие от средней полосы загрязнение воздуха в районах Крайнего Севера при прочих равных условиях оказывает более сильное воздействие на природу. Растительный покров в этих районах находится в крайне неблагоприятных климатических условиях. Поэтому всякое воздействие, в том числе и загрязнение воздуха, может привести к угнетению растительного покрова. 
 
Источники загрязнения приземного слоя атмосферы 
 
К основным источникам загрязнения приземного слоя атмосферы при трубопроводном транспорте нефти, нефтепродуктов и газа следует отнести аварийные выбросы газа при отказах и ремонте линейной части магистральных газопроводов и испарение нефти и нефтепродуктов при хранении в резервуарах. Не менее сильным источником загрязнения воздуха являются пожары при возгорании или сжигании транспортируемых продуктов. 
 
Отказы газопроводов наблюдаются при использовании некондиционных материалов (труб, арматуры, сварочной проволоки и т. п.), нарушении технологии строительно-монтажных работ, ремонта и эксплуатации, а также в результате коррозии. Причины отказов эксплуатируемых магистральных газопроводов (в % от общего числа отказов) распределяются следующим образом: 
 
Дефект сварки.....................26,3 
 
Низкое качество строительно-монтажных работ.....7 
 
Низкое качество эксплуатации.............1,8 
 
Коррозия......................52,6 
 
Прочие.......................7 
 
Другим источником загрязнения воздуха являются резервуарные парки, сооружаемые на головных и некоторых промежуточных перекачивающих станциях. В результате сливно-наливных операций, а также суточных колебаний температуры происходит достаточно интенсивное выделение продуктов испарения в приземной слой атмосферы. 
 
В результате только одного большого «дыхания» потери нефти из резервуара объемом 5000 м³ могут достигать 3,5 т. Годовые потери нефти из такого резервуара из-за малых «дыханий» могут составить 30—60 т. Необходимость сливно-наливных операций, неизбежность суточных колебаний температуры окружающего воздуха предопределяют стационарный характер такого загрязнения. Это обстоятельство позволяет локализовать основные источники загрязнения атмосферы в пределах резервуарного парка. 
 
Самопроизвольное возгорание нефти, нефтепродуктов и газа при повреждении линейной части или резервуара, хотя это и случайное редкое явление, однако оно вызывает очень интенсивное загрязнение воздуха [3].