Методы и технологии экологической оценки и управления природно-техническими системами при проведении операций с нефтью

Ярмак Леонид Петрович

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Краснодар – 2010

Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете.

Научные консультанты:

доктор физико-математических наук, профессор Карлин Л.Н.
доктор технических наук, профессор Музалевский А.А.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Смирнов Н.П.
доктор географических наук, профессор Шилин М.Б.
доктор географических наук, профессор Субетто Д.А.

Ведущая организация: Южное отделение Учреждения Российской академии наук Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

гидрометеорологическом университете.

Адрес: 195196, Санкт-Петербург, Проспект Металлистов, 3, ауд. 406б.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан ___________________ 2010 г.

диссертационного совета Бескид П.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность работы. Анализ результатов многолетних наблюдений за состоянием экологической обстановки в прибрежной зоне Черного и Азовского морей в пределах территории Краснодарского края показал, что нефтяное загрязнение относится к числу наиболее часто регистрируемых техногенных чрезвычайных ситуаций, сопровождающихся значительным ущербом для природных экосистем и некоторых видов хозяйственной деятельности - рыболовства, туризма, курортной сферы и т.д.

По установленным в результате исследований данным в период 1998-2007 годы в прибрежную зону Черного моря в среднем ежегодно поступает около 500 т нефти, в том числе около 38 % - при грузовых операциях на причалах и аварийных разливах, 22 % - в результате сбросов нефти с судов, 17 % - поступает с речными водами, 11% - с промышленными сточными водами, 6 % - из атмосферы, 5 % - с ливневыми водами населенных пунктов, 1,0 % - в результате естественного выхода из недр.

Ежегодно в портах гг. Новороссийск, Туапсе, а также в акватории рейдового перегрузочного комплекса «Таманский» происходит в среднем 9-12 инцидентов, связанных с разливом нефти вод в море. Наиболее крупная техногенная катастрофа, в результате которой в море попало около 4000 тонн мазута, произошла 11 ноября 2007 года в Керченском проливе.

Актуальность проблемы обусловлена следующими тремя основными аспектами:

1. 
   необходимостью повышения эффективности управления охраной морских вод от загрязнения с целью обеспечения выполнения международных и национальных норм и правил по предотвращению загрязнения морской среды в условиях интенсификации проведения операций с нефтью;
   
2. 
   необходимостью при проведении оценки экологического состояния локальной прибрежной морской экосистемы выбора и анализа оптимального числа параметров, характеризующих общую нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки;
   
3. 
   необходимостью совершенствования методов, средств и технологий инструментальной оценки параметров нефтяного загрязнения и установления причинно-следственных связей в процессах его образования;
   

Основные положения диссертации базируются на результатах научных исследований, проведенных автором в период 1988-2005 гг при организации экологического контроля за состоянием морской среды , а также в рамках государственных контрактов № 2/4 от 17.04.2006г. по теме «Проведение исследований состояния экологической обстановки на Азово-Черноморском побережье и курортах края и выработка предложений», №8 от 29 апреля 2008 г по теме: «Оценка состояния экосистем и изменения биологического разнообразия в результате техногенных аварий и катастроф на территории Краснодарского края» (Техногенная авария в Керченском проливе), № 24 – 07/3 от 10 января 2008 г. по теме: «Исследование современного состояния прибрежной акватории Черного моря в районе г. Сочи (от устья р. Псоу до пос. Дагомыс), зонирование территории морского побережья для оценки допустимого антропогенного воздействия на рассматриваемом участке», а также международного проекта по восстановлению экосистемы Черного моря (ПВЭЧМ) UNDP-GEF, регистрационный номер: RER/01/G33/A/1G/31 (июль 2004 – июнь 2007г).

1. 
   Исследовать процессы и факторы, способствующие загрязнению морской среды при проведении операций с нефтью и разработать концепцию улучшения экологической обстановки в прибрежной морской зоне Краснодарского края;
   
2. 
   Обосновать основные принципы и механизмы построения и эффективного функционирования системы управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения и предложить структуру такой системы;
   
3. 
   Разработать методологию интегральной оценки экологического состояния прибрежных морских экосистем на основе индикаторов, характеризующих общую антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки и реализовать ее на конкретных территориях черноморского побережья Краснодарского края;
   
4. 
   Исследовать особенности трансформации нефтяного загрязнения в поверхностном слое морской воды и разработать технологию отбора проб, повышающую уровень репрезентативности проб и точность измерения содержания нефтепродуктов в морской воде;
   
5. 
   Исследовать факторы, приводящие к изменению идентификационных свойств нефти после ее разлива и разработать технологию подготовки проб нефти, исключающую влияние этих факторов и повышающую точность и достоверность установления причинно-следственных связей в процессах образования нефтяного загрязнения;
   
6. 
   Разработать методологию и функциональную схему проведения наблюдений, определения масштабов загрязнения и управления ликвидацией последствий разлива нефти в зонах повышенного экологического риска (порты г.г. Новороссийск, Туапсе, нефтяной терминал КТК в Южной Озереевке, рейдовый перегрузочный комплекс РПК «Таманский») и реализовать ее на практике;
   
7. 
   Исследовать в натурных условиях пространственное распределение нефтяного загрязнения в водной толще прибрежной морской зоны на участке Адлер-Анапа, разработать и реализовать практически схему отбора проб при ведении мониторинга качества морских вод в пределах курортных территорий черноморского побережья Краснодарского края;
   
8. 
   Реализовать практически с использованием новой технологии отбора и обработки проб загрязненной нефтью воды алгоритм проведения оценки нефтяного загрязнения морской воды в акватории портов Туапсе и Сочи, а также в прибрежной морской зоне в районе Керченского пролива.
   

В качестве исходного материала использованы данные собственных экспедиционных исследований экологического состояния прибрежных морских вод в пределах побережья Краснодарского края, проведенных экспериментов и практических результатов применения разработанных технологий, методов и средств. Проанализированы многочисленные опубликованные и фондовые материалы по исследуемой проблеме.

При проведении исследований использовались: самолет Л-410, вертолеты МИ-2, МИ-8, научные суда, танкеры водоизмещением до 100 тыс. тонн, патрульные катера, лодки, аттестованное лабораторное оборудование.

Научно-теоретическую основу исследований составили:

- результаты аэровизуальных наблюдений и гидрохимического мониторинга прибрежных морских вод Черного моря в пределах Краснодарского края.

-теоретические основы управления сложными природно-техническими системами (Dalmahn G., Реймерс Н.Ф., Александров А.Г., Акимова Т.А., Карлин Л.Н. , Музалевский А.А., Коновалов С.М., Котова Л.А., Смирнов Н.П., Семенов А.Д., Субетто Д.А. Осипов Ю.Б., Шилин М.Б., Красилов В.А.);

- закономерности распространения и деградации нефтяного загрязнения в морской среде (Fay I., Garrett W., Goldberg E., Desideri P., Berringe S., Альтман Э.Н., Безбородов А.А., Михайлов В.И., Орлова И.Г., Нельсон – Смит А., Семенов А.Д., Подплетная Н.Ф. Русанов В.П., Каплин В.Т.);

- теоретические основы организации экологического мониторинга морских экосистем (Gitelson A., Stark R., Израэль Ю.А., Виноградов В.И., Патин С.А., Симонов А.И., Михайлов В.И., Новоселова О.А., Новиков Ю.В., Цветков Г.М.Кисляков Ю.Я.);

- теоретические основы оценки антропогенного влияния на экосистему и экологического нормирования (Parker C., Абалаков А.Д., Медведев Ю.О., Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Морозов Н.П., Теленти-

- методы обработки экологической информации (Воробейчик Е.Л., Ципилева Т.А., Мишин А.С., Моисеенкова Т.А., Костина Н.В.);

- оптические характеристики загрязненной нефтью водной поверхности (Богородский В.В., Кропоткин Т.Ю., Бузников А.А., Лахтанов Т.А., Кондратьев К.Я.).

Научная новизна и значимость исследования:

• 
  Впервые проведена оценка влияния проведения операций с нефтью на состояние прибрежных морских экосистем и разработана концепция снижения уровня загрязненности морской среды черноморского побережья Краснодарского края.
  
• 
  Впервые обоснован комплекс требований и определены принципы и механизмы создания эффективных систем управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения, разработана принципиальная схема структуры управления, реализующая экосистемный и многоцелевой подход в обеспечении устойчивого состояния природно-технических систем, расположенных в прибрежных морской зоне;
  
• 
  Разработана и реализована практически на территории г Сочи новая методология интегральной оценки экологического состояния морских прибрежных экосистем и определения допустимой нагрузки на основе индикаторов, характеризующих антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
  
• 
  Разработана принципиально новая технология определения концентрации нефтепродуктов в поверхностном слое воды, позволяющая в реальных условиях отбора проб в 2 раза повысить точность измерения масштабов нефтяного загрязнения по сравнению с существующими методами.
  
• 
  Разработана новая технология предварительной подготовки проб, исключающая влияние внешних факторов на идентификационные свойства нефти и повышающая достоверность установления источника нефтяного загрязнения и причин его возникновения.
  
• 
  Впервые для зон повышенного экологического риска ( порты г.г. Новороссийск, Туапсе, терминал КТК в Южной Озереевке, РПК «Таманский») разработана и практически реализована методология и функциональная схема авианаблюдений, определения масштабов загрязнения и управления ликвидацией последствий разлива нефти, позволяющие минимизировать ущерб, наносимый морской среде.
  
• 
  Предложен и реализован в период экспедиционных исследований алгоритм оценки загрязнения морской среды прибрежных зон на участке Адлер-Анапа с использованием новых методов и технологий, позволяющий минимизировать затраты на проведение мониторинговых работ и обеспечить достоверность результатов оценки загрязненности морской среды нефтью
  
• 
  Реализована на конкретных территориях (порты г.г. Сочи, Туапсе, Керченский пролив) новая технология определения уровня и характера распространения нефтяного загрязнения и установления основных причин загрязнения с целью разработки и реализации мер по его ликвидации.
  

Общей методологической основой работы является комплексный экосистемный подход, включающий организацию и проведение экспедиционных исследований и аэровизуальных наблюдений состояния морских прибрежных экосистем, физическое и математическое моделирование распространения нефтяного загрязнения, а также анализ и обобщение опыта работ в области предупреждения и ликвидации разливов нефти, методов, оригинальных алгоритмов и систем охраны морских вод от загрязнения нефтью.

1. 
   Разработан комплекс мероприятий и рекомендаций по повышению уровня экологической безопасности при проведении операций с нефтью в прибрежной зоне Черного моря.
   
2. 
   Для информационной поддержки выработки управленческих решений по увеличению объемов перевалки и переработки нефти в прибрежной морской зоне разработана и практически реализована на территории г.Сочи система индикаторов и методология интегральной оценки экологической ситуации в прибрежной морской зоне, позволяющие оценивать общую нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
   
3. 
   Создана и запущена в режим испытательного функционирования комплексная система управления охраной прибрежных морских экосистем от загрязнения, реализующая экосистемный и многоцелевой подход в решении задач управления природно-техническими системами, находящимися в прибрежной морской зоне
   
4. 
   Создана новая технология отбора проб морской воды , позволяющая производить отбор проб методом высечки водного столба, включая поверхностный слой, на глубину до 0,5 метров без нарушения его структуры, что повышает точность измерений по сравнению с существующими методами на 60%.
   
5. 
   Разработана и реализована в практических условиях (порты Новороссийск, Туапсе) технология достоверного выявления источника нефтяного загрязнения путем идентификации проб нефти, что позволяет в целях предотвращения загрязнения морской среды нефтью воздействовать непосредственно на источник загрязнения.
   
6. 
   Разработаны и утверждены федеральными природоохранными органами для практического применения методические рекомендации, включающие разработанные технологии оценки масштабов нефтяного загрязнения и установления источника загрязнения.
   
7. 
   Практически реализована комплексная система наблюдения, измерения и управления ликвидацией последствий разлива нефти в зонах повышенного риска (порты Новороссийск, Туапсе, РПК «Таманский», терминал КТК в Южной Озереевке), позволяющая с требуемой точностью и оперативно определять масштабы нефтяного загрязнения, прогнозировать характер его распространения и координировать действия по организации сбора разлитой нефти.
   
8. 
   Разработана и реализована система мониторинга качества морских вод в районе курортных территорий на участке Адлер-Анапа, получены новые сведения о динамике загрязненности морской воды нефтью за период 2006-2008 годы, разработан для департамента по курортам и туризму Краснодарского края план первоочередных мероприятий по восстановлению качества морской среды в прибрежных зонах, подверженных загрязнению.
   
9. 
   Реализована практически технология проведения исследований по оценке нефтяного загрязнения морской воды в акватории портов Туапсе и Сочи, а также в прибрежной морской зоне в районе Керченского пролива, получены новые данные о характере и источниках загрязнения морской среды нефтью, для департамента по чрезвычайным ситуациям и государственному экологическому контролю Краснодарского края разработан комплекс мероприятий по ликвидации загрязнения морской среды нефтью.
   

1. 
   Результаты оценки влияния проведения операций с нефтью на экологическое состояние прибрежных морских экосистем и разработанная на их основе концепция снижения уровня загрязненности морской среды черноморского побережья Краснодарского края;
   
2. 
   Принципы и механизмы эффективного функционирования системы охраны прибрежных морских экосистем от загрязнения нефтью и разработанная на их основе структурная схема системы управления, реализующая экосистемный и многоцелевой подход в решении задач управления природно-техническими системами, находящимися в прибрежной морской зоне;
   
3. 
   Методология интегральной оценки экологического состояния морских прибрежных экосистем и определения допустимой нагрузки на основе индикаторов, характеризующих антропогенную нагрузку на экосистему, ее устойчивость и отклик на изменение нагрузки.
   
4. 
   Технология измерения концентрации нефтяных углеводородов в поверхностном слое воды, созданная на основе физической и математической моделей распространения нефтяного загрязнения в поверхностном слое воды и позволяющая в реальных условиях вдвое повысить точность измерений характеристик нефтяного загрязнения по сравнению с существующими методами.
   
5. 
   Технология подготовки проб нефти для реализации метода установления причинно-следственных связей между источником нефтяного загрязнения и состоянием морской среды, позволяющая обеспечить точность выводов о сходимости проб с большей степенью вероятности по сравнению с существующими методами
   
6. 
   Методология и функциональная схема наблюдения, измерения масштабов нефтяного загрязнения и управления ликвидацией последствий аварийных разливов нефти в зонах повышенного экологического риска, обеспечивающая с использованием авиационных средств оперативную оценку экологической обстановки и информационную поддержку проведения операций по ликвидации последствий разлива нефти в море.
   
7. 
   Результаты исследований пространственного распределения нефтяных углеводородов в прибрежной морской зоне Черноморского побережья Краснодарского края, алгоритм оценки загрязненности морской среды нефтью с использованием новых технологий при проведении мониторинга качества морских вод в районе курортных территорий Черноморского побережья на участке Адлер-Анапа и практические результаты мониторинга за 2006-2008 годы.
   
8. 
   Алгоритм оценки загрязненности морской среды нефтью с использованием новых технологий в акватории портов Туапсе и Сочи, а также в районе Керченского пролива и результаты натурных исследований, проведенных в 2000-2008 годах.
   

1. 
   При участии автора проведено внедрение разработанных методов и технологий экологической оценки и информационного обеспечения системы управления охраной окружающей среды от загрязнения нефтью, в том числе для зон повышенного риска, в Государственном комитете по охране окружающей среды по Краснодарскому краю и Северо-Кавказском межрегиональном управлении по технологическому и экологическому надзору.
   
2. 
   Методы интегральной оценки экологического состояния прибрежной морской зоны были использованы при выборе места размещения морского нефтяного терминала Каспийского трубопроводного консорциума и рекреационных объектов в районе г. Сочи.
   
3. 
   Разработанные методы и технологии оценки нефтяного загрязнения морской среды и экологического состояния прибрежных зон Краснодарского края использованы НИИ прикладной и экспериментальной экологии Кубанского ГАУ при проведении научно-исследовательских работ, выполненных в соответствии с государственными контрактами (№ 2/4 от 17.04.2006г; № 22 от 14.06.2007; № 24 – 07/3 от 10 января 2008 ; № 8 от 29 апреля 2008 г).
   
4. 
   При проведении оценки масштабов нефтяного загрязнения морской среды Центром лабораторного анализа и инструментальных измерений по ЮФО и НИИ прикладной и экспериментальной экологии Кубанского ГАУ используется разработанная технология отбора проб поверхностного слоя воды.
   
5. 
   Разработанная технология идентификации проб нефти включена в Инструкцию по идентификации источника загрязнения водного объекта нефтью, которая была утверждена приказом Минприроды СССР 2 августа 1994 г № 241 и рекомендована для практического применения. Технология прошла международное тестирование при проведении эксперимента по установлению источника нефтяного загрязнения в Северном море.
   
6. 
   Разработанная методика расчета площади нефтяного пятна по перспективному аэрофотоснимку включены в «Рекомендации по аэрофотосъемке нефтяных разливов, дешифрированию фотодокументов и оценке площади нефтяного разлива», используемые в настоящее время природоохранными органами.
   
7. 
   Разработанные методы оценки масштабов нефтяного загрязнения и идентификации проб нефти были использованы природоохранными органами при решении вопросов компенсации ущерба, нанесенного крупномасштабным загрязнением моря нефтью (1985г т/х Таксиархис», п. Новороосийск; 1986 г., т/х «Нордвал», п. Новороссийск; 1995г, т/х «Вихрен», п. Туапсе; 1992 и 1997 гг. н/б «Шесхарис», п. Новороссийск; 2007 год, т/х «Волгонефть 139», п. Кавказ). По представленным природоохранными органами материалам страховыми компаниями был компенсирован ущерб, нанесенный морской среде в результате загрязнения нефтью, в сумме более 3 млн. долларов.
   
8. 
   С использованием новых технологий в 2008 году проведены исследования состояния морской среды в районе Керченского пролива и на основании полученных данных для департамента по чрезвычайным ситуациям и государственному экологическому контролю Краснодарского края разработан план первоочередных мероприятий по ликвидации последствий нефтяного загрязнения.
   

- анализ и интерпретация полученных результатов исследований;

- разработка предложений по новым методам и технологиям контроля нефтяного загрязнения;

- участие в экспедиционных исследованиях, включая аэровизуальные наблюдения за состоянием морских вод;

- участие в создании систем управления охраной окружающей среды в прибрежных морских зонах и новых технологий анализа экологического состояния природно-технических систем;

- участие в расследовании реальных случаев загрязнения моря нефтью с использованием разработанных методов;

- участие в разработке «Руководства по идентификации нефтей» и «Рекомендаций по аэрофотосъемке нефтяных разливов, дешифрированию фотодокументов и оценке площади нефтяного разлива»;

- осуществление методического руководства проведением научно-исследовательских работ по оценке экологической ситуации в прибрежной зоне курортных территорий Черноморского побережья, в акватории портов Сочи и Туапсе, а также в районе Керченского пролива.

Во введении дана краткая характеристика проблемы, решению