Глава 1.Исследование проблемы загрязнения прибрежных морских экосистем нефтью и разработка концепции повышения уровня экологической безопасности

• 
  несовершенством технических и технологических решений по предупреждению загрязнения морской среды нефтью при проведении операций с нефтью;
  
• 
  невыполнением в необходимом объеме комплекса природоохранных мероприятий при осуществлении деятельности, связанной с проведением операций с нефтью в прибрежной морской зоне;
  
• 
  отсутствием эффективной системы охраны прибрежных морских экосистем, обеспечивающей систематическую оценку экологической ситуации, определение приоритетных проблем, разработку и реализацию комплекса природоохранных мероприятий по предотвращению загрязнения морской среды нефтью и оперативной ликвидации последствий нефтяного загрязнения.
  

Полученные результаты анализа позволили сформулировать основные концептуальные подходы к решению проблемы предотвращения загрязнения морской среды нефтью:

1. 
   Организация системы управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения и ее информационного обеспечения должна строиться на принципах, учитывающих экосистемный и многоцелевой подход к управлению природно-техническими системами, расположенными в прибрежной зоне.
   
2. 
   Оценка экологического состояния прибрежных морских экосистем, составляющая основу выработки управленческих решений по повышению уровня экологической безопасности, должна опираться на более широкий спектр индикаторов, характеризующих общую антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
   
3. 
   Для информационного обеспечения системы управления природно-техническими образованиями необходимы более точные методы, средства и технологии измерения параметров нефтяного загрязнения, уровня загрязненности экосистем в целом, установления причинно-следственных связей в процессах образования загрязнения, разработанные с учетом особенностей пространственного распределения и трансформации нефти в морской среде;
   
4. 
   Для прибрежных морских зон повышенного экологического риска необходима комплексная система оперативного контроля и управления ликвидацией возможных разливов нефти, позволяющая оценить и минимизировать ущерб от загрязнения морской среды.
   

Математически соответствие между входной и выходной функциями можно записать в виде выражения:

u (t) – вектор управления (входа).

Возмущающие воздействия, в отличие от управляющих, представляют собой множество случайных сигналов. В этом случае управляющий орган не в состоянии выработать адекватное решение, направленное на возвращение объекта в устойчивое состояние или принимает эти решения с достаточно большим запаздыванием.

На рисунке 1 показаны возможные варианты развития ситуации в состоянии объекта управления при различных уровнях и характере возмущающих воздействий и эффективности управленческих решений.

Рисунок 1 – Динамика состояния объекта управления при различных уровнях и характере возмущающих воздействий.

В работе показано, что при разработке информационной системы важно организовать наблюдения не только за состоянием экосистемы в целом, но и за наиболее существенными потенциальными воздействиями и факторами, которые могут привести к нарушению устойчивого состояния и переходу экосистемы в другую (худшую) качественную категорию.

Исходя из анализа факторов, влияющих на формирование выходных переменных, характеризующих состояние объекта управления, определены следующие основные принципы построения систем управления в области охраны окружающей среды:

1. 
   для системы управления должен быть определен объект управления с его пространственными границами и сформулирована основная цель управления (критерии устойчивого состояния);
   
2. 
   учитывая, что управление охраной окружающей среды является довольно сложной многофакторной задачей, нижние уровни иерархической системы управления целесообразно расчленить (горизонтально декомпозировать) на более мелкие подпроблемы так, что решение всех подпроблем позволяет решить исходную проблему в целом.
   
3. 
   для оценки состояния объекта управления должны быть определены основные параметры, характеризующие зависимость: «уровень воздействия - устойчивость экосистемы - отклик экосистемы» и определена методология их интерпретации для управленческих целей;
   
4. 
   для обеспечения эффективного управления необходимо создание системы наблюдения, позволяющей определять состояние объекта управления, уровни и характер возмущающих воздействий по необходимому набору параметров с достаточным временным и пространственным разрешением и точностью, соответствующим целям управления;
   

В общей системе управления выделяются три подсистемы: подсистема управления охраной окружающей среды объекта негативного воздействия, подсистема управления охраной окружающей среды в зонах повышенного риска, подсистема регионального управления охраной окружающей среды.

Главной целью для подсистемы охраны окружающей среды объекта негативного воздействия является обеспечение в процессе хозяйственной деятельности установленных уровней (нормативов) воздействия на окружающую среду.

Подсистема управления охраной окружающей среды в зонах повышенного риска решает задачу наблюдения, предупреждения и минимизации ущерба, наносимого окружающей природной среде при аварийных ситуациях техногенного характера.

Рисунок 2 - Блок- схема системы управления охраной прибрежных

морских экосистем от загрязнения

Подсистема управления охраной окружающей среды регионального уровня решает задачу общей оценки экологической ситуации, оптимизации нагрузки на окружающую среду при размещении новых объектов хозяйственной деятельности, определения основных направлений для разработки организационно-технических мероприятий, направленных на решение выявленных приоритетных экологических проблем.

Предложенная система управления прошла практическое апробирование при осуществлении управления охраной окружающей среды прибрежных морских зон в пределах Краснодарского края органами Госкомэкологии, в ходе которого была подтверждена ее высокая эффективность.

Глава 3. Методология интегральной экологической оценки и определения допустимой антропогенной нагрузки на прибрежные локальные экосистемы. При принятии решений об увеличении антропогенной нагрузки и выборе места расположения новых объектов, в том числе связанных с проведением операций с нефтью, необходимо использование более широкого спектра параметрических характеристик, отражающих экологическое состояние экосистемы в целом. В работе предложен и практически апробирован метод интегральной оценки экологического состояния экосистемы и определения предельных нагрузок на основе обобщенного показателя, связывающего входные (воздействие) и выходные (отклик системы) параметры экосистемы, а также параметры, характеризующие устойчивость экосистемы.

Под «устойчивостью» понимается способность экосистемы сохранять свойства и качество компонентов природной среды, соответствующие целевым социально-экономическим и биосферным функциям экосистемы, при увеличении антропогенной нагрузки. Под откликом экосистемы понимается оценка свойств и качества экосистемы в зависимости от типологической группы, в которую входит данная экосистема.

Признаки типологических групп прибрежных экосистем определяются в зависимости от целевого использования водных объектов, являющихся основными компонентами экосистемы (использование для рыбохозяйственных целей, питьевое водоснабжение, рекреационное и культурно-бытовое использование и др.) При этом предельной нагрузкой является нагрузка, при которой экосистема может перейти из одной типологической группы в другую (с худшими показателями качества) или потерять свойства одной из групп..

Наиболее простой способ нахождения предельных нагрузок может быть реализован при условии, когда известны крити­ческие значения свойств и качества компонентов природной среды, при которых сохраняются ее целевые социально-экономические и биосферные функций, соответствующие данной типологической группе (метод привлечения «внешней информации).

Принципиальная схема проведения интегральной оценки состояния прибрежных морских экосистем показана на рисунке 3.

Одним из важных этапов проведения интегральной оценки является подбор количественно измеряемых параметров, однозначно представляющих эмпирическую экологическую систему.

Выбор параметров для интегральной оценки экологического состояния прибрежных зон предложено осуществлять на основе анализа процессов и факторов, влияющих на функционирование экосистемы, с учетов следующих базовых принципов:

1. 
   Параметр должен быть жестко функционально связан с характеризуемым процессом, влияющим на состояние экосистемы.
   
2. 
   При проведении обобщенной оценки целесообразно использовать интегральные показатели, характеризующие какой-либо процесс в целом, а не его составляющие.
   
3. 
   Параметр должен давать отклик на воздействие различных факторов, приводящих к ее изменению, существенно превышающий природный фон, обладать минимальным временем формирования отклика при его изменении и продолжительно фиксировать этот отклик.
   
4. 
   Измерение параметра должно производиться на основе действующих или разработанных дополнительно программ мониторинга с использованием недорогих и несложных методов анализа.
   
5. 
   При интегральной оценке экологической ситуации на основе нескольких параметров необходимо учитывать «масштаб» каждого из них, который определяется в зависимости от степени влияния процесса, который характеризует данный параметр, на общую экологическую ситуацию.
   

Рисунок 3 – Принципиальная схема интегральной оценки состояния

Учитывая, что воздействие (нагрузка), устойчивость и отклик экосистемы описываются многочисленными параметрами, имеющими различную размерность, в работе использованы так называемые функции желательности. Эти функции представляют собой способ перевода натуральных значений параметров в индикаторы на основе единой безразмерной числовой шкалы с фиксированными границами.

При этом граничные значения функции, например 0 и 1, соответствуют традициям «плохо - хорошо». Функция желательности реализована с помощью широко используемой в математике и количественной экологии формулы «минимакса» (2):

, (2)
Для определения обобщённых показателей, характеризующих зависимость «воздействие-устойчивость-отклик» (т.е. обобщённой функции желательности) используется общепринятая в экологической практике процедура усреднения в виде средней геометрической – интегральный показатель (8).

, (3)

Учитывая, что различными авторами приводятся разные понятия индикатора и индекса, определимся, что под индикатором понимается элементы информации, систематизированные и преобразованные для передачи их в систему принятия управленческих решений, а под индексами – степень отклонения величин от заданных нормативов.

Функция желательности представляет собой частный отклик какого – либо показателя. Качественная интерпретация функции желательности отдельного параметра (преобразование в индикаторы) проводится экспертным путем с учетом критических значений свойств и качества компонентов природной среды (отклика) экосистемы, соответствующих ее целевым функциям в зависимости от типологической группы.

В этом случае заранее устанавливаются натуральные значения параметра (Xmin, Xmax) , соответствующие граничным условиям функции желательности (характерный масштаб). Граничные значения функций желательности, характеризующих отклик (качество морской среды) экосистемы задаются, опираясь на установленные стандарты, нормы и т.п. (нормирование по стандартам). В качестве «стандартов» могут выступать фоновые или критические значения показателя, ПДК, НДВ, ИЗВ, наилучшие и наихудшие значения гидробиологических и микробиологических показателей и прочие оценки.

Для корректного осуществления теоретической интерпретации зависимости «воздействие-устойчивость-отклик» требуется разбиение множества состояний экосистемы на несколько качественно отличающихся друг от друга классов. Для оценки экологического состояния экосистемы предложено использование 6 –ти ступенчатой оценочной шкалы воздействия, устойчивости и отклика экосистемы.

Разработанная методология была использована в 2008 году при проведении интегральной оценки состояния выделенных локальных экосистем в пределах города-курорта Сочи между рекой Псоу и водоразделом рек Битха - Уч-Дере ( рисунок 4) с целью выделения наиболее напряженных с экологической точки зрения участков и определения возможности увеличения антропогенной нагрузки при развитии курорта Сочи.

• 
  границы административного деления территории;
  
• 
  границы бассейнов рек, впадающих в море;
  
• 
  границы зон сосредоточения источников негативного воздействия на окружающую среду, в том числе глубоководных выпусков;
  
• 
  границы расположения населенных пунктов;
  
• 
  границы зон целевого использования природных ресурсов;
  
• 
  местоположение постов наблюдений за качеством морской воды
  
• 
  наличие статистической или другой информации, характеризующей выделенный участок по выделенным параметрам.
  

На основе анализа процессов, оказывающих негативное воздействие на состояние прибрежной морской экосистемы, были определены 16 параметров, в том числе 8 параметров, характеризующих поступление загрязняющих веществ в прибрежную зону от различных источников, рекреационную нагрузку и структуру водосборной площади рек, впадающих в Черное море в пределах выделенных участков, 5 параметров , характеризующих устойчивость экосистемы в зависимости от назначения прибрежной зоны, объема морской воды , примыкающего к прибрежной зоне, структуры подводного ландшафта и береговой линии, лесистости водосборной площади, 3 параметра, характеризующих качество морской воды по гидрохимическим, микробиологическим и гидробиологическим показателям.

Исходя из значения полученного обобщенного показателя, характеризующего отклик экосистемы (качество морской воды), определены граничные условия функций желательности и построены градуировочные шкалы для отдельных индикаторов, характеризующих антропогенную нагрузку и устойчивость экосистемы.

По результатам выполненных расчетов построены гистограммы обобщенных показателей по группам индикаторов и обобщенного показателя для отдельных участков за 2006-2007 годы (рисунок 5).

Учитывая «вполне благоприятный» отклик экосистемы, существующий уровень нагрузки может быть отнесен к среднему значению нормы, в качестве нижней границы «нормы» (переход в градацию «неблагоприятная») может быть установлено фиксированное изменение среднего натурального значения индикатора (фонового значения) на 20 %.

Рисунок 5 - Обобщенные показатели оценки

экологической ситуации в прибрежных морских зонах по данным за 2006-2007 год
Полученные результаты позволяют выполнить достаточно широкий сравнительный анализ состояния не только экосистемы в целом, но и факторов, в набольшей степени негативно оказывающих влияние на экологическую обстановку. Разработанная методология используется для прогнозирования экологической ситуации и оценке экологического нагрузки при размещении новых объектов, в том числе по перевалке нефти. Кроме того, полученные данные являются основой для экологического нормирования отдельных природно-технических систем.

Глава 4. Методы и технологии определения масштабов и источников загрязнения морской среды нефтью. Нефтяное загрязнение представляет собой среду, состоящую из двух компонентов «нефть – морская вода», имеющих различную плотность и концентрацию В работе на основании материалов исследований показано, что поверхностный слой воды является мощным концентратором суммы НУ. Такое концентрирование объясняется физико-химическими свойствами НУ и динамическими факторами, влияющими на поведение нефти в поверхностном слое воды. Структура и состав поверхностного слоя в значительной степени определяют физико-химическую направленность процессов формирования качества морской воды. В работе поверхностный слой был выделен как самостоятельный объект изучения благодаря существенному отличию в нем химических свойств воды от подповерхностной воды на глубине 0,5 - 1,0 метров.

Анализ результатов исследований поведения нефтяной пленки на водной поверхности в реальных условиях показал, что при разливе нефти в море основными факторами, влияющими на скорость турбулентной диффузии, являются: плотность разлитого нефтепродукта и его вязкость, толщина нефтяной пленки и размеры нефтяного пятна, скорость ветра и волнение моря. Последние два фактора влияют на скорость перемещения нефтяной пленки относительно водной массы. Толстая нефтяная пленка (свыше 1 см) сглаживает водную поверхность и уменьшает волнение моря, в связи с этим процесс вертикальной диффузии протекает медленнее.

Один из главных выводов, сделанных на основании исследования процесса распространения нефти в морской воде, указывает на необходимость отбора пробы для определения массы нефти на единицу площади в виде водного столба поверхностного слоя воды высотой не менее 20 см, включая нефтяную пленку, при этом важно сохранить структуру водного столба.

Для реализации этой технологии была разработана принципиально новая конструкция пробоотборника поверхностного слоя воды (А.С. 1256520,1986). Конструкция пробоотборника позволяет производить отбор проб поверхностного слоя воды до 0.3 м, включая поверхностную пленку методом высечки водного столба без нарушения его структуры. При этом отбор проб может производиться при большом волнении моря (до 3 баллов), и с любых площадок, палубы катера или теплохода, пирса, вертолета и др.

Анализ результатов сравнительных испытаний в лабораторных условиях показал, что разработанная технология отбора проб пробоотборник, производящий отбор проб методом высечки водного столба показал, что абсолютная средняя систематическая погрешности составляет 9,9%, в то время как существующие применяемые технологии имеют погрешность ≥ 33,8 %. Натурные сравнительные испытания показали, что технология отбора проб с использованием метода высечки водного столба в 2 раза точнее определяет количество нефти, находящейся в поверхностном слое воды, по сравнению с наилучшим существующим способом отбора проб с помощью планктонной сетки (таблица 1).

Более точные характеристики и возможность отбора проб поверхностного слоя воды без нарушения его структуры позволили разработать новые методологии оценки нефтяного загрязнения в реальных условиях с целью разработки мероприятий по предотвращению загрязнения морской среды.

Номер пробоотборника и способ отбора пробы	xi , г/м2	, г/м2	σ, г/м2	u, %
01 . Визуальное определение толщины пленки с помощью капиллярной воронки	0,14 0,67 0,52 0,67 0,26	0,45	0,23	52,1
02. Отбор пленки с помощью планктонной сетки	0,90 0,64	0,77	0,18	23,8
03. Отбор пленки с помощью пенополиуретана	0,14 0,23 0,37 0,17 0,35	0,27	0,09	33,1
05. Отбор поверхностного микрослоя сеткой с размером ячейки 1х1 мм	0,15 0,26	0,20	0,07	35,3
06. Отбор поверхностной пленки методом высечки водного столба (ОВ 900/25)	1,67 1,69 1,54 1,42 1,62	1.58	0 .11	6, 9

Установление причинно-следственных связей в процессах образования нефтяного загрязнения является одной из важных функций управления охраной прибрежных морских экосистем. Определение источника загрязнения морской среды нефтью производится, как правило, на основе идентификации проб нефти, отобранных из разлива и на предполагаемом источнике.

Применяемая на практике система методов исследования проб нефти с целью их идентификации при установлении источника нефтяного загрязнения не учитывает в должной мере воздействие гидрологических и метеорологических факторов на изменение углеводородного состава разлитой в море нефти, что усложняет процедуру установления идентичности проб.

В работе приведены результаты исследования влияния гидрометеорологических факторов на углеводородный состав разлитой в море нефти, являющийся одним из основных идентификационных показателей. Из анализа полученных данных следует, что в исследуемых типах нефтей в результате воздействия внешних факторов произошли в различной степени изменения физических и химических свойств, что в значительной степени затрудняет процедуру установления идентичности проб нефти.

С целью исключения влияния вышеуказанных факторов разработана методика и испытательное оборудование для предварительного выделения в одном температурном диапазоне дистиллятных фракций из отобранных проб и последующего определения их углеводородного состава методом газожидкостной хроматографии высокого разрешения.

Учитывая, что количество дистиллята в определенном интервале температур является также характерным признаком для различных типов нефтей, предварительную сортировку проб можно произвести, определяя процент отгона дистиллятной фракции в определенном температурном диапазоне.

Схема процедуры идентификации проб нефти с выделением дистиллятных фракций показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема процедуры идентификации проб нефти с выделением

дистиллятных фракций
Анализ полученных результатов экспериментов по определению критериев идентичности позволил сделать вывод о том, что идентичность проб нефти можно считать установленной, если отношения площадей пиков нормальных углеводородов их дистиллятных фракций совпадают с относительной погрешностью не более 5 % для не менее чем 75 % сравниваемых отношений, и не более 10 % для не менее чем 84 % отношений.

Разработанный метод идентификации проб нефти был включен в Инструкцию по идентификации источника загрязнения водного объекта нефтью, утвержденную приказом Минприроды РФ № 241 от 2 августа 1994 года и действующую в настоящее время. Метод прошел международное тестирование при определении источника нефтяного загрязнения в Северном море.

В работе приводится анализ результатов практического применения разработанной методики идентификации проб нефти.