Экологический мониторинг - система контроля антропогенных загрязнений окружающей среды. Природные экологические системы тесно взаимодействуют друг с другом. Это предопределяет сложность и необходимость учета различных природных и химических факторов при контроле качества окружающей среды методами классической и современной аналитической химии.

Экология, загрязнение окружающей среды, экологический мониторинг, экологическая химия - часто встречающиеся в наше время слова и сочетания, выражающие всеобщую озабоченность состоянием природной среды. Первопричина возникновения проблемы - обнаружение в экологических системах, прежде всего в биосфере, интенсивных и тревожных изменений, вызванных деятельностью человека, антропогенных изменений. Из большого числа вредных факторов отметим выброс в биосферу химически чуждых природе веществ, физически активных частиц, пыли, аэрозолей, повышение температуры биосферы, энергетическое загрязнение, физическое и биологическое воздействие на нее. Для оценки степени негативных изменений осуществляют экологический мониторинг - систему наблюдений и контроля за изменениями в составе и функциях различных экологических систем.

Экологический мониторинг - это серьезная и сложная проблема. Уровни его организации различны. Он может осуществляться в глобальном, национальном, региональном или локальном масштабах. Существует фоновый и импактный (уровень сильного локального загрязнения) мониторинг. В то же время изучение и контроль состояния окружающей среды включают исследование таких природных ресурсов, как разнообразные воды, атмосферный воздух, почвы, совокупность этих систем с точки зрения определения в них загрязняющих химических веществ, нарушающих сложившееся экологическое равновесие в природе. Здесь четко просматривается химическая сущность обсуждаемой проблемы: с этой точки зрения можно говорить и о химическом мониторинге. Без химического анализа здесь не обойтись. Поэтому в экологическом мониторинге активно используют различные химические, физико-химические, физические и биологические методы анализа. Речь идет о неком глобальном химико-аналитическом исследовании с помощью различных методов аналитической химии - науки о методах анализа.

Результаты аналитических определений и измерений рассматривают уже в рамках экологического мониторинга. Это дает информацию о загрязнении биосферы различными несвойственными природе загрязняющими веществами, которые собирательно называют ксенобиотиками. Данные экологического мониторинга используют для всестороннего анализа состояния окружающей среды и определения стратегии управления им, для регулирования ее качества, для определения так называемых допустимых экологических нагрузок на природные системы. Степень ответственности здесь очень велика, поскольку указанные факторы, и в первую очередь химические, способны вызвать геофизические и геохимические изменения: возможное изменение климата, закисление природных вод кислотными дождями, загрязнение Мирового океана и нарушение баланса углекислоты в нем, нарушение озонового слоя. Можно определить различие между науками, вплотную занимающимися экологическими проблемами. Так, экология - наука о закономерностях взаимосвязей и взаимодействия организмов и их систем друг с другом и со средой обитания. Экологическая химия изучает процессы, определяющие химический состав и свойства объектов окружающей среды. Химическую экологию интересует химическое взаимодействие между живой и неживой природой.

Таким образом, основой экологического мониторинга является совокупность различных химических наук, каждая из которых нуждается в результатах химического анализа, поскольку химическое загрязнение - основной фактор неблагоприятного антропогенного воздействия на природу. Целью аналитической химии становится определение концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах. Ими являются природные и сточные воды различного состава, донные отложения, атмосферные осадки, воздух, почвы, биологические объекты.

1. Химические основы экологического мониторинга

1.1 Экологическое нормирование

Регулирование качества природной среды основано на определении экологически допустимого воздействия на нее, когда самоочищение природы еще способно работать. Определенными нормами такого щадящего воздействия являются установленные медиками-токсикологами предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК), не вызывающие нежелательных последствий в природной среде. ПДК достаточно малы. Они установлены для различных объектов - воды (питьевая вода, вода водоемов рыбохозяйственного значения, сточные воды), воздуха (среднесуточная концентрация, воздух рабочей зоны, максимально допустимая разовая ПДК), почв.

Перечень и количество выбрасываемых в окружающую среду загрязняющих веществ чрезвычайно велики, по некоторым оценкам, до 400 тыс. наименований, включая радионуклиды. Прежде всего наблюдению должны подлежать вещества, выброс которых носит массовый характер, и, следовательно, загрязнение ими повсеместно. Это, например, диоксид серы, монооксид углерода, пыль, что характерно для городского воздуха; нефтепродукты, поверхностно-активные вещества для природных вод; пестициды для почв. Обязательно следует контролировать и самые токсичные вещества, отличающиеся наиболее низкими ПДК. Это позволяет сформировать список приоритетных загрязняющих веществ, которые следует определять в первую очередь.

Например, большинство нормируемых загрязняющих веществ для воздуха имеют ПДК в пределах 0,005-0,1 мг/м3. В них попадают пентаоксид ванадия, неорганические соединения мышьяка (исключая мышьяковистый водород), шестивалентный хром, некоторые органические вещества: ацетофенон, стирол и др. Для небольшого перечня веществ ПДК еще меньше: металлическая ртуть 0,0003 мг/м3, свинец и его соединения 0,0007, карбонилникель 0,0005, бенз[а]пирен 0,000 001 мг/м3. Основное количество нормируемых загрязняющих веществ для воды водоемов имеют ПДК 0,1-1 мг/л. Для многих токсичных веществ установлена ПДК 0,001-0,003 мг/л. Это неорганические соединения селена, ртути, органические соединения - изомерные дихлорбензолы, тиофос. Небольшое число веществ - соединения бериллия, диэтилртуть, тетраэтилолово имеют ПДК в пределах 0,0001-0,0002 мг/л. Для особенно опасных токсичных веществ, таких, как растворимые соли сероводородной кислоты, активный хлор, бенз[а]пирен, N-нитрозоамины, диоксины (например, чрезвычайно токсичный 2,3,7,8-тетрахлордибензо-4-диоксин), в качестве норматива установлено полное отсутствие их в воде. В водоемах рыбохозяйственного значения в воде не допускается наличие еще и ДДТ и других пестицидов.

Отсюда следуют два вывода. Первый состоит в том, что для оценки опасности загрязнения следует иметь некий образец для сравнения. Эту функцию выполняют исследования, проводимые в биосферных заповедниках. Второй вывод относится к аналитической химии: необходимо применять мощные, информативные и чувствительные методы анализа, чтобы контролировать концентрации, меньшие ПДК. В самом деле, что означает нормативное "отсутствие компонента"? Может быть, его концентрация настолько мала, что его традиционным способом не удается определить, но сделать это все равно нужно. Действительно, охрана окружающей среды - вызов аналитической химии.

1.2 Аналитическая химия и экологический мониторинг

Высокоэффективные методы контроля состояния окружающей среды исключительно важны для диагностики токсикантов. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими методами был не ниже 0,5 ПДК. Кроме того, например, при определении основных компонентов атмосферного воздуха - кислорода, диоксида углерода, озона - требуется высокая точность. Многокомпонентность объектов окружающей среды предопределяет большие сложности в качественном обнаружении и количественном определении загрязняющих веществ. Ключевая роль принадлежит химическим, физическим и физико-химическим методам аналитической химии. В связи с чрезвычайно большим количеством выполняемых анализов все большее значение приобретают автоматические и дистанционные методы анализа.

Примером является аналитическая химия природных и сточных вод. Так, актуальность определения рН вод Мирового океана иллюстрирует схема на рис. 1. Видно, что существует совокупность сложных процессов между находящимися в воде ионами и молекулами, атмосферным углекислым газом и твердым карбонатом кальция. Это приводит к образованию буферной системы с рН 8,0-8,4. Отклонение от этого естественно-оптимального значения рН может привести к крайне нежелательным последствиям, если учесть, что фитопланктон океана производит почти половину всего атмосферного кислорода. Подчеркнем наличие и других показателей качества океанической воды: концентрация катионов и анионов, содержание биогенных элементов, входящих в состав организмов, растворенных газов, микроэлементов, органических веществ.

Глубоким содержанием наполнен перечень обобщенных показателей при мониторинге вод, характеризующих их общую загрязненность. Ими являются химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК), общий органический углерод, растворенный органический углерод, общий азот, адсорбирующиеся органические галогениды, экстрагирующиеся органические галогениды.

Рассмотрим важнейшие из них - ХПК и БПК. ХПК (COD - Chemical Oxygen Demand) - мера общей загрязненности воды содержащимися в ней органическими и неорганическими восстановителями, реагирующими с сильным окислителем. Ее обычно выражают в молях эквивалента кислорода, израсходованного на реакцию окисления примесей избытком бихромата:

Остаток бихромата оттитровывают стандартным раствором соли Fe(II):

Поскольку ХПК не характеризует все органические загрязнители, окисляемые до углекислоты и воды, проводят еще определение общего органического углерода. Для этого в пробе в жестких условиях окисляют органические загрязнители. Выделяющийся CO2 поглощают раствором щелочи. Оттитровав остаток щелочи кислотой, находят искомый показатель. Вычислив отношение ХПК к общему органическому углероду, получают показатель загрязненности сточных вод органическими веществами.

БПК (BOD - Biochemical Oxygen Demand) - это количество кислорода, требующееся для окисления находящихся в воде органических веществ в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических процессов. Для его определения отбирают две одинаковые пробы воды. В первой сразу же определяют содержание растворенного кислорода. К пробе добавляют раствор соли Mn(II) и аммиак, в результате чего образуется окислитель - гидратированная форма двуокиси марганца:

O2 + 2Mn(OH)2 2MnO2 aq + 2H2O

Далее вводят избыток иодида калия и выделившийся иод оттитровывают раствором тиосульфата:

MnO2 aq + 4H+ + I- Mn2 + + I2 + 2H2O,

Вторую пробу закрывают и оставляют на 2, 3, 5, 10 или 15 суток. Далее, действуя описанным выше способом, находят остаток кислорода. Разность между первым и вторым определениями дает ХПК.

Особенно велика роль современных методов аналитической химии, часто называемых инструментальными. Лишь современные методы анализа, среди них спектроскопические, электрохимические, хроматографические и др. (среди них отметим масс-спектрометрию), позволяют достигать необходимых низких пределов обнаружения, высоких чувствительности и избирательности определений. Ввиду важности этой проблемы многие фирмы насыщают рынок приборами простыми и сложными, специально приспособленными для решения задач мониторинга различных объектов.

1.3 Пробоподготовка в анализе объектов окружающей среды

Специфика объектов окружающей среды как объектов химического анализа заставляет подчеркнуть их изменяющийся состав, многокомпонентность и многофазность. Известным примером может быть ключевая роль оксидов азота в образовании фотохимического смога, усиливающегося под влиянием озона и углеводородов. Множество протекающих в природной среде химических, биохимических и биогеохимических процессов предопределяет чрезвычайную сложность химико-аналитических исследований. Это необходимо учитывать при анализе жидких сред: растворов (они могут быть истинными, коллоидными, насыщенными), суспензий, эмульсий, летучих и нелетучих твердых веществ, газов; при определении различных неорганических и органических веществ, исследовании живого вещества. Принципиально важны пробоотбор, сохранение и консервация проб и пробоподготовка, необходимая для переведения всех компонентов пробы в форму, удобную для проведения анализа. Для этого используют все способы, применяемые в химическом анализе: измельчение твердых образцов, растворение, обработку различными химическими реактивами, нагревание, один из наиболее современных приемов - микроволновое и ультразвуковое облучение - все для полного извлечения определяемых компонентов. Например, при учете всех форм нахождения металлов в водах можно определить растворимые металлы (в фильтрате пробы, подкисленном азотной кислотой), суспендированные металлы (после кислотного озоления - "мокрого сожжения" кислотами-окислителями осадка на фильтре), общие металлы (после мокрого сожжения всей пробы), экстрагирующиеся металлы (анализ фильтрата после обработки пробы смесью азотной и соляной кислот). Необходимо учитывать также способность ионов тяжелых металлов к гидролизу и гидролитической полимеризации и лигандный состав природных вод - наличие гуминовых кислот и, следовательно, формы существования в них металлов.

Сложность почв как объекта анализа определяется их гетерогенным и многофазным характером. Минеральная основа, органические и биологические компоненты: гумусовые веществ, почвенные раствор и воздух - вот объекты анализа в этом случае. К ним следует прибавить еще и оказывающие наиболее сильный загрязняющий эффект минеральные удобрения, пестициды и продукты их превращений.

При определении следов веществ чувствительности применяемых инструментальных аналитических методов иногда бывает недостаточно. В этом случае применяют различные способы аналитического концентрирования: экстракцию органическими растворителями, не смешивающимися с водой, сорбционное концентрирование, дистилляцию, соосаждение, использование криогенных ловушек. Например, органические загрязнители, как правило, присутствуют в питьевой воде в очень малых количествах порядка ppb (part per billion - часть на миллиард, 0,000 001 мг/л). Для выполнения определений их необходимо сконцентрировать. Летучие органические вещества извлекают из вод потоком инертного газа и улавливают твердыми адсорбентами. Далее нагреванием осуществляют их термическую десорбцию и переносят сконцентрированные компоненты из ловушки в газовый хроматограф. Нелетучие органические вещества экстрагируют органическими растворителями. Экстракты анализируют методами высокоэффективной жидкостной хроматографии. Экстракцию веществами, находящимися в сверхкритическом состоянии (например, диоксидом углерода), упрощающую приготовление концентрата, используют при извлечении полициклических ароматических и гетероциклических углеводородов, пестицидов, полихлорированных бифенилов, диоксинов из твердых образцов, например почв.

1.4 Методы определения загрязняющих веществ

Для решения этой задачи используют инструментальные методы современной аналитической химии, основанные на измерении различных физических свойств определяемых веществ или продуктов их химических превращений (аналитических реакций) с помощью физических и физико-химических приборов. Результат измерения, несущий химико-аналитическую информацию, часто называют аналитическим сигналом.

Спектроскопические методы анализа основаны на использовании взаимодействия атомов или молекул определяемых веществ с электромагнитным излучением широкого диапазона энергий. Это могут быть (в порядке уменьшения энергии) гамма-кванты, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое и видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволновое излучение. Сигналом может быть испускание или поглощение излучения. Важнейшими для экологического мониторинга, по-видимому, являются нейтронно-активационный, рентгеноспектральный, атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, спектрофотометрический и флуориметрический методы, инфракрасная спектрометрия.

Ценную информацию в анализе вод предоставляют электрохимические методы анализа: потенциометрия, полярографические и кулонометрические методы. Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата, атомно-эмиссионного, позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Так определяют пестициды, полихлорированные бифенилы, диоксины, нитрозоамины и другие токсичные вещества. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.

2. Экологический мониторинг и загрязнение нефтепродуктами

2.1 Экологический мониторинг и обследование трубопроводов нефтепродуктов

Цель проведения экологической экспертизы трубопроводов нефтепродуктов государственными региональными контролирующими органами от министерства природы России заключается в проверке соблюдения предприятием, которое эксплуатирует данные трубопроводы, требований охраны поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтепродуктами. Загрязнение возможно от проливов сырья, перемещаемого магистральными трубопроводами. Согласно действующим нормативным актам предприятие, в чьем ведении находятся данные инженерные сооружения, может заключать договоры со сторонними организациями на проведение экологического мониторинга специализированными организациями.

Конструкция, материал исполнения и трасса магистрального трубопровода для транспортировки нефтепродуктов выбираются таким образом, чтобы исключить саму возможность загрязнения находящихся в непосредственной близости водных объектов. Поверхность трубопроводов должна быть обработана антикоррозийными составами (эмалями и лаками) с целью недопущения преждевременного выхода из строя одного или нескольких отдельных элементов инженерного сооружения. Организация, проводящая экологическое обследование, уделяет внимание и электрохимической защите магистральных трубопроводов. Причиной коррозии металла является не только вода, но и блуждающие токи, а также образующиеся в воздухе (при соединении воды и взвешенных химических элементов) химические соединения.

Экспертами сторонней организации, чьими силами проводится экологическое обследование, выявляется правильность расположения трассы. Согласно требованиям государственных контролирующих органов трасса, по которой проложены магистральные трубопроводы нефтепродуктов, должна проходить ниже по течению водотока от мостов, устройств водозабора, пристаней и прочих подобных сооружений, а также мест массового обитания или нерестилищ промысловых рыб (или других организмов, обитающих в водной среде). Если (в силу непреодолимых обстоятельств) предприятие вынуждено проводить инженерные сооружения для транспортировки нефтепродуктов выше течения основного поверхностного водотока, то экспертной организацией совместно с предприятием-владельцем разрабатываются меры по обеспечению надежного перехода магистрали.

Если магистральные трубопроводы расположены вдоль береговой линии водоемов, морей или водотоков, то необходимо использовать естественные неровности рельефа местности или предусмотреть ряд специальных мероприятий (устройство перемычек и каналов), назначение которых – не допустить загрязнения водных объектов при проливе нефтепродуктов. При производстве экологического мониторинга в тех местах, где наблюдается ветровая эрозия грунтов, специалистами нашей компании рекомендуются мероприятия, направленные на укрепление ослабленных природным воздействием почв. Приняв во внимание наши замечания и устранив неточности, вы можете быть совершенно уверены в том, что в дальнейшем при экологической экспертизе, организованной на вашем объекте (магистральном трубопроводе нефтепродуктов), вам не будет предъявлено никаких претензий со стороны территориальных органов министерства природы России и других органов государственной власти, отвечающих за экологическую безопасность.

В тех насыпях, где предполагается прокладывать (проложены) трубопроводы для транспортировки нефтепродуктов, необходимо предусмотреть сооружения для пропуска поверхностных вод. Дно сооружений для пропуска воды и откосы, прилегающие к нему, нужно обязательно укреплять. Размеры и количество водопропускных сооружений нужно определять расчетом. При этом обязательно учитывается площадь водозабора, рельеф местности и интенсивность поступления сточных поверхностных вод. Опыт инженеров нашей компании в проведении экологического обследования поможет вам привести места прокладки магистральных трубопроводов в нормативное состояние. Нами будут выявлены возможные проектные ошибки и учтены новые требования действующей технической документации.

Основание трубопроводов и сами конструкции данных инженерных сооружений обязательно должны быть рассчитаны на сейсмические воздействия. На тех участках, где возможно образование оползневых явлений, трубопровод стоит проводить ниже поверхности скольжения. При этом обязательно нужно учитывать смещение грунта.

В каждую сторону от трубопровода (вдоль его оси) необходимо располагать собственные зоны охраны. В случае пересечения трубопроводом водотоков, необходимо провести его заглубление так чтобы он оказался ниже дна русла водотока. Необходимо учесть возможность возникновения деформаций самого русла и его перспективных заглублений и расширений.

В пределах русла тех водотоков, которые подвержены переформированию, инженерные сооружения по транспортировке нефтепродуктов нужно прокладывать подводным, надводным способом (в данном случае устраивается специальные основания, обеспечивающие неразрывность трубопровода при возникновении любых возможных изменений русла водного объекта).

На основе анализа передового зарубежного опыта создания систем контроля окружающей среды в районе функционирования морских нефтегазовых промыслов специалистами Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН разработана технология многоуровневого экологического мониторинга. Эта разработка позволит в масштабе времени, близком к реальному, осуществлять контроль и прогнозирование негативных последствий техногенных загрязнений акватории (а в сейсмоопасных районах — геодинамической активности) и обеспечивать необходимой информацией процесс принятия адекватных управленческих решений для минимизации ущерба.

Крупнейшие мировые компании ТЭК, вовлеченные в добычу углеводородного сырья на морском шельфе, системно работают над повышением экологической безопасности морских операций, одним из направлений чего является совершенствование осуществляемого ими экологического мониторинга. Экологический мониторинг морских акваторий в ходе производственной деятельности способствует сближению интересов государства и бизнеса, связанных с использованием и освоением шельфовой зоны.

Организация эффективного экологического мониторинга производственной деятельности предприятий ТЭК на морском шельфе становится все более актуальной, в первую очередь, из-за расширения добычи и транспортировки углеводородного сырья, что в аварийных ситуациях может приводить к негативным последствиям для прибрежных территорий. Согласно Морской доктрине Российской Федерации на период до 2020 г., утвержденной указом Президента РФ №ПР-1387 от 27.07.2001, «предотвращение загрязнения морской среды» — одно из основных положений, относящихся к обеспечению национальных интересов в Мировом океане. Одним из принципов национальной морской политики является «развитие систем мониторинга за состоянием морской природной среды и прибрежных территорий». Особенно актуальны задачи экологического мониторинга при освоении месторождений в Каспийском море. В последние годы экологическому мониторингу морских акваторий уделяется гораздо больше внимания, чем раньше. В частности, Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук (ИОРАН) выполнил работы в рамках проекта ФЦНТП Минобрнауки (РП–22.1/001) «Создание системы многоуровневого регионально-адаптированного экологического и геодинамического мониторинга морей Российской Федерации, в первую очередь шельфа и континентального склона», в результате которых была разработана система информационного обеспечения промышленной и экологической безопасности объектов обустройства месторождения нефти и газа на морском шельфе.

Одна из ведущих нефтяных компаний ОАО «ЛУКОЙЛ» создала специальные программы производственного экологического мониторинга для разработки месторождений на Каспийском море и Кравцовского месторождения на Балтийском море, где уже установлена морская ледостойкая стационарная платформа (МЛСП Д-6). При этом следует отметить широкое использование спутникового мониторинга юго-восточной Балтики в качестве одной из основных компонент контроля экологического состояния окружающей среды. Недостатком мониторинга, проводимого на Д-6, является отсутствие технических средств проведения мониторинга состояния морской среды на самой МЛСП Д-6 (там установлена только автоматическая метеостанция).

В 2005 г. Морская коллегия при Правительстве РФ поручила Минпромэнерго, МПР, Минобороны, Минобрнауки, Росгидромету совместно с РАН проработать вопрос использования морских буровых платформ, осуществляющих разведочное или эксплуатационное бурение на континентальном шельфе России, в качестве технологических носителей системы комплексного многоуровневого экологического и метеорологического мониторинга, а в сейсмоактивных районах и геодинамического мониторинга. Специалистами ИОРАН были подготовлены предложения по этой проблеме, представленные как официальные предложения РАН. Для ООО «ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть» ИОРАН совместно с ГУ «Каспийский морской научно-исследовательский центр» подготовил конкретные предложения по техническим средствам и информационной системе экологического мониторинга при обустройстве месторождения им. Ю. Корчагина.

2.3 Комплексный многоуровневый мониторинг морской среды

Система постоянного контроля за объектами недропользования в морских акваториях должна обеспечивать информацию о ключевых параметрах морской среды в реальном времени с целью оценки текущих воздействий, с одной стороны, на объекты недропользования, с другой — на важнейшие компоненты морских экологических систем. Основная задача оперативного экологического мониторинга заключается в контроле за возможными техногенными загрязнениями. Раннее обнаружение утечек загрязняющих веществ необходимо для своевременного принятия мер по предотвращению крупных аварий. Данные длительного мониторинга используются для отслеживания состояния ключевых экологических параметров и для выделения антропогенных факторов на фоне естественных природных трендов. Это позволяет прогнозировать негативные последствия и принимать адекватные решения для минимизации риска ущерба. Система экологического мониторинга должна обладать следующими характеристиками:

· иметь многоуровневую структуру (см. рис. 1);

· обеспечивать непрерывную информацию об изменении ключевых параметров состояния взаимодействующих природных сред: приводного слоя атмосферы, поверхности моря, водной толщи, морского дна, включая осадочный слой и земную кору;

· использовать многосенсорный подход с применением современных дистанционных и контактных технических средств и методов;

· быть экономически эффективной и основанной преимущественно на отечественных технологиях;

· быть регионально-адаптированной с учетом региональных особенностей шельфовой зоны, локальной структуры и динамики экосистем и характера антропогенной нагрузки, а также учитывать особенности регионального климата.

При этом должны быть использованы новые научно-технические решения, включая автоматизацию измерений, робототехнику, а также тематические методы обработки спутниковой информации и распознавания сигналов.

2.4 Технические средства комплексного экологического мониторинга

Технический комплекс многоуровневого экологического мониторинга должен включать следующие подсистемы:

· гидрометеорологического мониторинга;

· мониторинга присутствия нефтяных загрязнений в морской среде;

· геодинамического мониторинга;

· мониторинга состояния объектов недропользования с судна;

· спутникового мониторинга;

· информационного обеспечения.

Подсистема гидрометеорологического мониторинга предназначена для:

· определения опасных метеорологических и гидрологических явлений, представляющих угрозу сооружениям и персоналу нефтедобывающей платформы;

· диагностики поступления и переноса загрязняющих веществ с соседних участков акватории;

· получение исходных метеорологических и гидрологических данных для прогноза распространения нефтяного загрязнения (при аварийных разливах нефти);

· информационное обеспечение безопасности судового и воздушного сообщения между нефтедобывающей платформой и берегом.

К числу измеряемых этой подсистемой характеристик относятся следующие: параметры состояния приводного слоя атмосферы, облачность, осадки, уровень моря, характеристики волнения, вертикальный профиль скорости морских течений, толщина морского льда, температура и соленость воды. Критерии наблюдаемых опасных явлений гидрометеорологического режима должны соответствовать инструкциям Росгидромета. При этом применяются гидрометеорологические приборы, соответствующие по своим техническим характеристикам требованиям нормативно-методических документов, в том числе Госстроя.

Автоматическая метеорологическая станция должна быть размещена на открытой площадке (стреле), исключающей экранирующее влияние сооружения на показания измерительных приборов, и оснащена следующими датчиками:

— температуры воздуха,

— скорости и направления ветра,

— атмосферного давления,

— парциального давления водяного пара (влажности),

— атмосферных осадков,

— видимости,

— высоты нижнего края облачности.

Основа подводной части подсистемы гидрометеорологического мониторинга — заякоренный автоматический профилирующий комплекс «Аквазонд» (см. рис. 2) — своего рода морской грузовой лифт. Этот прибор перемещает полезный груз — измерительную аппаратуру, передвигаясь по тросу, натянутому вертикально между подповерхностной плавучестью и донным якорем. В отличие от традиционных буйковых постановок с размещением приборов на фиксированных горизонтах, в данном случае измеряются непрерывные вертикальные распределения (профили) параметров среды и биоты, что позволяет точно оценивать как дифференциальные, так и интегральные характеристики этих распределений. Наряду с этим носитель может останавливаться — «зависать» на нужное время, чтобы произвести измерения на заданных горизонтах. Передача данных с «Аквазонда» осуществляется по ходовому тросу с помощью магнитных модемов и далее по кабелю или по подводному гидроакустическому каналу в подсистему информационного обеспечения на нефтедобывающей платформе.

Подсистема мониторинга присутствия нефтяных загрязнений в морской среде обеспечивает:

- обнаружение утечки и присутствие нефти на водной поверхности на расстоянии до 100 м от нефтяной платформы (с возможностью количественной оценки обнаруженной утечки) посредством лидара и от 100 м до 2-3 км с помощью радиолокационной станции;

- обнаружение маломерных плавсредств в радиусе 5-7 км и контроль за надводной обстановкой в зоне морской нефтедобывающей платформы в радиусе 12-14 км (в зависимости от высоты установки и балльности моря) посредством радиолокационной станции.

Нефть и нефтепродукты интенсивно флуоресцируют при возбуждении светом ультрафиолетового диапазона, причем спектры флуоресценции разных типов нефтепродуктов существенно различаются по интенсивности и форме. Нефтяные загрязнения на поверхности моря можно обнаружить и идентифицировать посредством флуоресцентных лидаров.

В результате большой методической работы было показано, что лидар может не только обнаруживать загрязнения нефтепродуктами вокруг платформы, но и позволяет оценивать толщину нефтяной пленки, давая тем самым возможность количественной оценки обнаруженной утечки.

Для обнаружения нефтяных пленок на расстояниях более 100 м от платформы предлагается использовать радиолокационную станцию. При утечке нефти на поверхности воды образуются пленки, которые влияют на поверхностные волны, в частности, уменьшают энергию волн, их дисперсию и крутизну наклонов. Сглаженная пленкой поверхность воды отражает падающие на нее электромагнитные волны в сторону от антенны радиолокатора. Отразившись от выглаженной поверхности, радиоволны не возвращаются к радиолокатору, и участок, покрытый пленкой, отображается на мониторе радиолокатора черным тоном.

Специальная радиолокационная станция для обнаружения протяженных слабоконтрастных нефтяных пленок существенно отличается от навигационных радаров, предназначенных для обнаружения локализованных сильноконтрастных мишеней (суда и другие объекты). У сильноконтрастных объектов эффективная площадь рассеяния составляет 10-1000 м2, у низкоконтрастных — 0,01-0,1 м2. Специализированный радиолокатор использует когерентный приемо-передатчик и новые технологии сверхвысокочастотных антенн, благодаря чему удается на два порядка сократить время формирования изображения для обнаружения нефтяного пятна и снизить уровень фоновых помех. Преимущество такого радара также в низком уровне излучения, что позволяет устанавливать радар вблизи помещений, где находятся люди.

Подсистема геодинамического мониторинга предназначена для регистрации данных:

- о развитии процесса растрескивания твердой среды, признаках разрушения среды, выраженных в появлении микроземлетрясений, спровоцированных перераспределением порового давления;

- об изменениях углов наклона, наклонных перемещениях и колебаниях морской нефтедобывающей платформы с выработкой сигнала тревоги при превышении значения ускорения заданного порога.

В различных нефтегазоносных акваториях Мирового океана, в том числе на шельфах окраинных морей, зарегистрированы аномальные геодинамические события на разрабатываемых месторождениях углеводородов в форме деформаций и просадок, природно-техногенной сейсмичности, современной активизации разломов, горизонтальных смещений массивов горных пород, которые приводили к серьезным негативным промышленным и экологическим последствиям. Прогнозирование этих событий и снижение масштабов их последствий является актуальной практической задачей.

На первом этапе организации работ по геодинамическому мониторингу на шельфе в качестве базовых методов используются:

— режимные сейсмологические наблюдения с использованием донных сейсмостанций, а также наземных пунктов, расположенных на прилегающей суше;

— методы пассивной эмиссионной сейсмической томографии (шумовой 3D-локации), которые позволят оценивать состояние поля напряжений в объеме изучаемого месторождения углеводородов;

геомеханическое моделирование последствий разработки месторождений.

В состав подсистемы геодинамического мониторинга входят три донных сейсмографа, помещаемых в герметичные прочные корпуса, располагающиеся на дне акватории на расстоянии примерно 300-500 м от платформы и содержащие блоки сейсмических датчиков с выносными гидрофонами. Сейсмометрические каналы донных сейсмических станции обеспечивают непрерывное измерение трех компонент скорости смещения морского дна в ортогональных друг к другу направлениях (одного вертикального и двух горизонтальных).

На нефтедобывающей платформе размещаются следующие датчики:

прецизионный наклономер;

трехкомпонентный акселерометр;

микропроцессорная система обработки информации.

Трехкомпонентный акселерометр должен непрерывно регистрировать ускорение колебаний платформы с выработкой сигнала тревоги при превышении значения ускорения заданного порога. Инклинометр предназначен для измерения малых углов наклона, наклонных перемещений и низкочастотных колебаний нефтедобывающей платформы.

Подсистема работает в автоматическом режиме. Интерактивный контроль состояния измерительной аппаратуры с использованием соответствующего программного обеспечения рекомендуется проводить ежедневно. Регламентные работы необходимо проводить 2 раза в год. Они включают подъем донных сейсмографов для очистки от обрастания гидрофонов, размыкателей, притопленных буев и корпусов донных станций; контроль и калибровку датчиков; установку сейсмографов на место (выполняется с маломерного судна); контроль и калибровку наклономера и акселерометра.

Подсистема мониторинга состояния объектов недропользования с судна предназначена для обнаружения и идентификации загрязнений нефтепродуктами на поверхности и в приповерхностном слое морской воды на удалении от нефтедобывающей платформы, а также для оценки содержания взвешенного вещества и его вертикального распределения в водной толще от поверхности до дна.

Выполнение этих задач может быть обеспечено оптическими приборами, — прозрачномером и флуориметрами, а также телеуправляемым подводным аппаратом (ТПА), оснащенным поворотными видеокамерами с осветителями.

В ИОРАН разработан погружаемый измеритель показателя ослабления света и температуры воды — прибор ПУМ (прозрачномер универсальный малогабаритный), предназначенный для исследования в режиме вертикального зондирования. Прибор может работать как в автономном режиме, так и в режиме реального времени.

Для выявления нефтяных загрязнений в водной толще предлагается использовать зонды-флуориметры, специально предназначенные для регистрации подобных загрязнений в морской среде.

Детальное обследование трубопроводов с одновременным определением их координат и картографированием расположения выполняются с использованием буксируемой аппаратуры и ТПА. ТПА двигается вдоль трубопровода, и операторы на судне фиксируют техническое состояние трубопровода (места провисания, нарушения гидроизоляции, состояние протекторов электрохимической защиты, состояние обрастания и т.д.).

Подсистема спутникового мониторинга нефтяных загрязнений в первую очередь должна опираться на радиолокационные спутники. Она может обеспечить:

- обнаружение нефтяных пятен и источников их происхождения на обширной акватории,

- оценку направления и скорости перемещения нефтяных пятен.

Спутниковые радиолокационные наблюдения дают возможность получать одновременные изображения всей контролируемой акватории с пространственным разрешением до нескольких метров регулярно в течение многих лет.

Более широкое применение спутниковых методов с использованием сканеров цвета, ИК-радиометров, альтиметров и скатеррометров позволяет оценивать концентрации взвеси и хлорофилла, первичную продукцию в приповерхностном слое моря, а также температуру поверхности моря, скорость и направление приводного ветра, аномалии уровня морской поверхности. Спутниковые наблюдения обеспечивают регулярную последовательность пространственных распределений каждого из вышеуказанных параметров и позволяют своевременно обнаруживать происходящие изменения и выявлять их причины. Спутниковые наблюдения дают возможность отслеживать источники обнаруженных загрязнений и тем самым отличать загрязнения, обусловленные нефтегазодобывающей деятельностью, от загрязнений, не связанных с такой деятельностью.

Следует отметить, что спутниковый мониторинг, при всех своих достоинствах, не может по многим причинам заменить наблюдения, проводимые с платформы или судна; разработанная система комплексного многоуровневого мониторинга предполагает их оптимальное сочетание.

Основным предназначением подсистемы информационного обеспечения является сбор и обработка данных от различных подсистем наблюдений (стационарной, судовой, спутниковой), анализ полученной информации и передача созданной на его основе информационной продукции корпоративным органам управления промышленной и экологической безопасностью и государственным органам управления природопользованием и охраной окружающей среды.

В информационную продукцию целесообразно включать следующие сведения:

— оценку техногенного воздействия, прогноз возможных негативных изменений в соответствующих элементах природной среды и природном комплексе в целом;

рекомендуемые мероприятия, снижающие и локализующие отрицательные последствия антропогенной деятельности.

Функционирование информационной подсистемы должно осуществляться в двух режимах: оперативном on-line и в режиме получения обобщенной информации.

В то же время корпоративных информационных ресурсов часто бывает недостаточно для оценки и прогноза состояния и загрязнения морской среды в районах проведения работ. Это обусловлено лабильностью морских экосистем, находящихся под воздействием природных и антропогенных факторов, таких, как речной сток и поступление загрязняющих веществ с речными водами, водообмен с открытой частью моря. Недостаток информации может быть восполнен проведением наблюдений на Государственной наблюдательной сети, подведомственной Росгидромету. Интеграция корпоративного и государственного экологического мониторинга может рассматриваться как региональная система экологического мониторинга.

Для устойчивого функционирования информационной подсистемы предполагается оснащение аналитического центра, выполняющего также функции оператора оборудованием для приема и передачи информации по спутниковым каналам связи, а также приобретение ГИС- и WEB-технологий управления данными, интеграции информационных ресурсов, анализа и визуализации поступающей информации. Аналогичное оборудование и программное обеспечение целесообразно установить в специализированном центре мониторинга в компании, ведущей разработку месторождения.

3. Станция экологического мониторинга СЭМ – 1

Осложнения в нефтедобыче могут привести к загрязнениям атмосферы, почвы, воды. Для комплексной оценки экологического воздействия существуют стационарные и передвижные станции экологического мониторинга [1,2]. В России выпускаются станции "САФ", "ГИДРОТЕСТ", Атмосфера-11, "InterANALIT", АНКОС-АМ, СОЭМ, передвижная химико-радиометрическая лаборатория АО "НПО Химавтоматика", станция экологического мониторинга ИПЦ "Геокомплекс" и ряд других на базе автомобилей ГАЗ-66, Газель, УАЗ, Камаз, Урал. Аналогичного назначения станции выпускаются за рубежом, например, "ZEISS" (Германия), "NEOLAB" (Италия). Данные отечественные и зарубежные станции специализируются на оценке определенных экологических параметров либо в промышленной зоне, либо жилой зоне. Это контроль или атмосферы, или воды, или грунта.

При выборе станции для работы в условиях нефтяного промысла, помимо экономических показателей, руководствуются тем, что она должна отвечать следующим требованиям:

- автономность;

- обеспечение жизнедеятельности обслуживающего персонала в любое время года в районе эксплуатации;

- проходимость в условиях бездорожья;

- контроль и оценка большого количества метеорологических и экологических параметров атмосферы, водного бассейна, почвы в промышленной и жилой зонах;

- возможность на основе получаемых параметров поддерживать информационную базу данных;

- иметь сертифицированное оборудование и приборы не требующие больших затрат на поверку;

- обладать высокой ремонтопригодностью.

В полной мере ни одна из серийно выпускаемых станций предъявленным требованиям не отвечала.

Для удобства и оперативности получения сведений об экологической обстановке большого района, включающего жилые промышленные объекты, Инжиниринговой компанией "Инкомп-нефть" разработана и изготовлена специализированная автомашина "СЭМ-1" (Станция экологического мониторинга) по ТУ 452160-45213414-01.

Станция представляет собой автомобиль КАМАЗ (разработан вариант и на базе автомашины Урал), в кузове которого установлена многоцелевая универсальная модульная лаборатория, оснащенная приборами и оборудованием для отбора и анализа проб воды, воздуха почвы, метеорологических параметров.

Приборный комплекс СЭМ-1 состоит из отдельных функциональных блоков, которые можно объединить в следующие группы:

- комплекс приборов и оборудования для отбора и анализа проб воздуха, воды, почвы.

- метеостанция (измерение температуры, влажности воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра).

- блок радиационного контроля.

Станция укомплектована в основном приборами и оборудованием, производимым в России. Приборное обеспечение станции позволяет измерять и контролировать следующие параметры:сероводород, аммиак, диоксид азота, оксид углерода, диоксид серы в воздухе; содержание углеводородных газов в пробах воздуха; фенол в пробах воды; нефтепродукты в пробах воды и почвы; фосфаты, хлориды, сульфиды в пробах воды; ионный состав и рН воды; тяжелые металлы в пробах воды и почвы; метеопараметры; интенсивность гамма-излучения.

Блок измерения качества воды обеспечивает измерение содержания различных ингредиентов в следующих диапазонах: сульфаты 50-300 мг/л; хлориды 11-3500 мг/л; нитриты 0,46-4600 мг/л; нитраты 0,31-6200 мг/л; кислород 0-19 мг/л; карбонаты и бикарбонаты 5,0-5000 мг/л; железо 0,1-1,5 мг/л; нефтепродукты 2-500 мг/л.

Процесс экологического мониторинга окружающей среды осуществляется в несколько этапов.

Сначала производится отбор проб и подготовка их к анализам. Для этого лаборатория укомплектована пробоотборниками, емкостями для хранения проб, оборудованием для подготовки к анализам (устройства очистки и осушки воздуха, фильтры и магнитные мешалки для воды, сита для проб почвы, химическая посуда и реактивы).

Затем осуществляется приборный анализ качества воды, воздуха и почвы. Показания приборов, подключенных к персональному компьютеру, фиксируются и обрабатываются с использованием специально разработанной компьютерной программы экологического мониторинга. Результатом работы программы является общая картина экологического состояния контролируемого участка, района.

Мобильность и автономность станции позволяет оценивать состояние экологической обстановки на участках, достаточно удаленных друг от друга, и таким образом оценивать ситуацию в достаточно больших районах. К контролируемым районам могут относиться города, сельские районы, промышленные зоны, предприятия нефтегазодобывающего комплекса, ТЭЦ, окрестные зоны нефтегазопродуктопроводов, пункты сбора и первичной подготовки нефти и т.д.

Станция СЭМ-1 оборудована автономным генератором электроэнергии и системой жизнеобеспечения, включающей обогреватели, кондиционер, вентиляторы, осветительные приборы, мебель, холодильник, СВЧ-печь. Кузов станции, внутри которого расположена лаборатория, выполняется металлическим, утепленным, с входной дверью и двойными окнами.

Заключение

Современный экологический кризис ставит под угрозу возможность устойчивого развития человеческой цивилизации. Дальнейшая деградация природных систем ведет к дестабилизации биосферы, утрате ее целостности и способности поддерживать качества окружающей среды, необходимые для жизни. Преодоление кризиса возможно только на основе формирования нового типа взаимоотношений человека и природы, исключающих возможность разрушения и деградации природной среды.

Устойчивое развитие Российской Федерации, высокое качество жизни и здоровья ее населения, а также национальная безопасность могут быть обеспечены только при условии сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды. Для этого необходимо формировать и последовательно реализовывать единую государственную политику в области экологии, направленную на охрану окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сохранение и восстановление природных систем должно быть одним из приоритетных направлений деятельности государства и общества. Россия играет ключевую роль в поддержании глобальных функций биосферы, так как на ее обширных территориях, занятых различными природными экосистемами, представлена значительная часть биоразнообразия Земли. Масштабы природно-ресурсного, интеллектуального и экономического потенциала Российской Федерации обусловливают важную роль России в решении глобальных и региональных экологических проблем.

Из всего выше сказанного, следует вывод о необходимости совершенствования системы природопользования в нашей стране. Сохранение природы и улучшение окружающей среды - приоритетные направления государства и общества. Задачами, требующими скорейшего разрешения, являются создание единой государственной структуры, осуществляющей экологический мониторинг, и стимулирование исследовательской деятельности в области химического анализа компонентов окружающей среды вкупе с социальными программами, призванными информировать нацию о насущных экологических проблемах.

Список используемой литературы

1. Официальный сайт государственной службы охраны окружающей природной среды России - http://www.eco-net.ru/

2. Кузнецов В.В. Химические основы экологического мониторинга, 1999; Химия.

3. Курапов А. А. Научные основы охраны природной среды Северного Каспия при освоении нефтегазовых месторождений. // «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе», 2005, №7, с. 21-27.

4. Иванов А., Островский А. Применение средств космической радиолокации для мониторинга морской добычи и транспортировки нефти. // «Технологии ТЭК», 2003, №6, с. 58-64.

5. Голованов Н.В., Князев А.А., Пугин А.М., Шайдаков В.В. Передвижная станция оперативного экологического мониторинга.// Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Материалы II Всероссийской научно-практической конф. Уфа.: 2001.-С.77-80.