загрузить - Вестник ОмГПУ

Электронный научный журнал «Вестник Омского государственного педагогического университета»
Выпуск 2007 ▪ www.omsk.edu
П.П. Бобров, А.С. Ященко
Омский государственный педагогический университет
С.В. Кривальцевич
Омский государственный университет
Временные и частотные зависимости
радиояркостной температуры гумусной почвы,
загрязнённой нефтепродуктами,
на разных этапах деструкции углеводородов
01.04.03 – радиофизика
А
Приведены результаты измерения радияркостной температуры гумусной почвы, загрязнённой нефтепродуктами, и чистой гумусной почвы на длинах волн λ = 3,6 см, λ = 5 см и λ = 11 см. Показано, что
загрязнённая и незагрязнённая почвы имеют существенные отличия в динамике радиояркостной температуры и характере распределения влаги после увлажнения. Выявлено влияние деструкции нефтепродуктов на величину и динамику радиояркостной температуры.
Ключевые слова: волновой диапазон; гумус; деструкция; нефтепродукт; почва; радиояркостная температура.
Разработка нефтяных месторождений, транспортировка и переработка нефтепродуктов серьёзно сказывается на окружающих геосистемах. Вследствие аварий происходят
крупномасштабные разливы нефти и её производных. Значительные площади водной поверхности и поверхности суши становятся зонами экологического бедствия. Для ликвидации последствий аварий привлекаются значительные материальные и людские ресурсы.
К примеру, для ликвидации последствий аварии танкера Exxon Vodez у берегов Аляски в
1989 г. было привлечено 1400 судов, 84 самолета и 150 км боновых заграждений, израсходовано 100 тыс. м3 топлива, понесенные затраты определены величиной в 2,5 млрд. долларов.
Последствия аварий на поверхности суши не столь масштабны, одно общее негативное воздействие множества мелких аварий сопоставимо с одной крупной. Нефть и
нефтепродукты вызывают практически полную депрессию функциональной активности
флоры, фауны и почвенной биоты. Ухудшается азотный режим почвы, что в случае рекультивации требует внесения повышенных доз азотных удобрений. В составе гумуса
возрастает нерастворимый остаток, что является одной из причин ухудшения плодородия [1].
В процессе деградации нефти в почве происходит распад всех её составляющих –
от метано-нафтеновых углеводородов до смолисто-асфальтеновых фракций. Однако скорости процессов окисления существенно зависят от вида углеводородов. Наиболее быстро
окисляются короткоцепочные метано-нафтеновые углеводороды с образованием спиртов,
простых эфиров и кислот. Этот первый этап деградации, длительность которого соответствует 24-27 месяцам инкубации нефти в почве. В дальнейшем происходит окисление
длинноцепочечных нечетных н-алканов, являющихся наиболее предпочтительным субстратом биохимической трансформации. Содержание нафтено-циклических углеводородов практически не изменяется вследствие относительной устойчивости последних. Среди
продуктов окисления появляются альдегиды, кетоны, сложные и ненасыщенные эфиры.
Включение в метаболические процессы неустойчивых и устойчивых подвижных продуктов трансформации (окисей, спиртов, кислот, сложных эфиров) имеет явные негативные
последствия, поскольку основная часть этих соединений экологически опасна. На заключительном этапе, который начинается через 48-52 месяца после внесения нефти, битумоид
почв представляет собой смешанный субстрат, включающий техногенную и производную
компоненты, причём в техногенной компоненте преобладают смолисто-асфальтеновые
Электронный научный журнал «Вестник Омского государственного педагогического университета»
Выпуск 2007 ▪ www.omsk.edu
фракции с высокой молярной массой. Соотношение техногенной и производной компоненты определяется составом нефти до начала процесса деградации. Разложение высокомолекулярных углеводородов представляет собой довольно длительный процесс. Исследования разливов нефти показали, что полная регенерация биоценозов (микрофлора, микро- и мезофауна, высшая растительность) не достигается даже через 25 лет после аварии [2]. Также скорость деструкции нефти и нефтепродуктов существенным образом зависит от вида почвогрунтов. Наиболее быстро деструкция нефти проходит в торфяных
почвах и песке. По сравнению с торфяными почвогрунтами, процессы окисления нефти в
глинистых почвах с различным содержанием гумуса проходят в 1,8 раза медленнее.
В настоящий момент существуют множество способов выявления области нефтяных загрязнений. К ним можно отнести сканирование поверхности в ультрафиолетовом и
ИК диапазонах, радио- и лазерную локацию, микроволновое радиометрическое зондирование. Сканирование и локация поверхности позволяет не только устанавливать факт загрязнения, но и определять некоторые характеристики загрязнителя; преобладание лёгких
или тяжелых фракций, толщину нефтяной пленки [3].
Микроволновые методы определения зон нефтяного загрязнения развиты в гораздо
меньшей степени. Исследованию динамики радиотеплового излучения почв посвящены
лишь отдельные работы [4; 5]. В [6] приведены результаты исследования радиояркостной
температуры нефтяной пленки на поверхности почвы, а в [7] – результаты модельных
расчетов, основанных на определении ДП почвенной смеси с использованием рефракционной модели. Экспериментальных исследований по влиянию деструкции нефтепродуктов на динамику радияркостной температуры почвы в процессе испарения не проводилось.
Изучение влияния загрязнений нефтепродуктами на динамику радиояркостной температуры в процессе испарения почвенной влаги, а также исследование возможностей
дистанционного выявления загрязненных участков проводилось нами в период с 2004 по
2006 гг. Изучалось влияние загрязнений нефтепродуктами (минеральное масло марки М8В Омского НПЗ) на почву с содержанием гумуса 6,6%. Выбор масла в качестве загрязнителя обусловлен следующими соображениями. Процесс производства минеральных масел
состоит из следующих этапов: атмосферная перегонка нефти, вакуумная перегонка атмосферного остатка, очистка дистиллятов, депарафинизация. В процессе очистки и депарафинизации из состава дистиллятов удаляются соединения серы, непредельные углеводороды, смолистые и асфальтеновые соединения и полициклические соединения [8]. В итоге
дистилляты масел очищаются от наиболее устойчивых к разложению углеводородов.
Следовательно, применение в качестве загрязнителя моторного масла как субстрата углеводородов, не содержащего метан-нафтеновых и смолистых фракций, позволяет сократить
сроки натурного эксперимента без существенного изменения процессов, происходящих в
течение деструкции.
В июне 2004 года поверхность почвы с содержанием гумуса 6,6 % была загрязнена
моторным маслом. Загрязнение проводилось в два этапа. На первом этапе над поверхностью почвы было распылёно машинное масло эквивалентным слоем 2,7 мм. В результате
впитывания масла загрязненным оказался слой почвы толщиной 3-4 см, степень загрязнения в среднем составила 7,5% по объему. Затем в течение двух месяцев было проведено 5
экспериментальных циклов полив-испарение. На втором этапе над поверхностью почвы
было дополнительно распылено минеральное масло эквивалентным слоем 1,3 мм. В итоге
загрязненным оказался поверхностный слой толщиной 4-5 мм, степень загрязнения составила около 9% по объему. Поверхностные почвенные агрегаты, загрязненные маслом, перестали впитывать воду и не распадались при поливе, поэтому структура шероховатости в
результате полива не изменялась в отличие от чистой почвы, на поверхности которой значительная часть агрегатов разрушалась и степень шероховатости снижалась.
Сравнение излучательных характеристик загрязнённого и незагрязнённого участков проводилось в период с 2004 по 2006 гг. с помощью радиометрического комплекса,
Электронный научный журнал «Вестник Омского государственного педагогического университета»
Выпуск 2007 ▪ www.omsk.edu
состоящего из трех радиометров с длинами волн λ = 3,6 см, λ = 5 см и λ = 11 см [9]. На
рис 1. приведены результаты экспериментов, проводившихся при различной толщине загрязнённого слоя. Как можно видеть, яркостные температуры (Тя) загрязнённого и незагрязнённого участков перед поливом практически не отличались. После увлажнения участков одинаковым слоем воды (20 мм) яркостная температура незагрязнённого участка
снизилась на всех длинах волн до величины 140-150 К. Яркостная температура загрязнённого участка заметно снизилась лишь на длине волны 11 см и имела величину 180 К при
толщине загрязненного слоя 3-4 см. Изменения Тя на длине волны 3,6 см и 5 см было существенно меньшим.
Т310
я
Т310
я
265
265
220
220
175
175
1
2
3
4
130
130
3
а
6
9
λ, см
3
6
9
λ, см 12
б
Рис. 1. Зависимость радиояркостной температуры загрязнённого и незагрязнённого участков от длины волны (а – степень загрязнения 7,5%, б – степень загрязнения 9%)
1 – загрязнённый участок перед поливом, 2 – незагрязнённый участок перед поливом, 3 – загрязнённый участок после полива, 4 – незагрязнённый участок после полива
Такое различие в излучательных характеристиках загрязненного и чистого участков обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, поверхность чистого участка стала
более гладкой из-за разрушения почвенных агрегатов при сильном увлажнении; вовторых, чистый участок по сравнению с загрязнённым был более влажным, так как поверхностный слой загрязненной почвы из-за сильных водоотталкивающих свойств увлажнился мало, а большая часть воды впиталась нижележащей незагрязненной почвой. Поэтому полив загрязненной почвы привел к снижению радиояркостной температуры только
на длине волны 11 см, глубина зондирования на которой выше, и на Тя оказывает заметное
влияние нижележащий слой влажной незагрязнённой почвы. При увеличении толщины
загрязнённого слоя после дополнительного распыления масла падение яркостной температуры на всех длинах волн существенно уменьшилось. Особенно сильно изменение величины снижения радиояркостной температуры загрязненного участка после полива сказалось на длинах волн 5 и 11 см, так как загрязнённой оказалась большая часть зондируемого
слоя.
С целью получения информации о влиянии низких температур на гидрофизические
характеристики загрязнённой почвы весной 2005 года был проведён экспериментальный
цикл. Эксперимент проводился через незначительный промежуток времени после схода
снега, что определяло слабое изменение структуры загрязнённой почвы в период между
таянием снега и началом эксперимента. Перед увлажнением яркостные температуры всех
почв были примерно одинаковы. После незначительного увлажнения эквивалентным слоем воды в 6 мм у почвы, загрязнённой маслом, было отмечено значительное падение яркостной температуры на λ=11 см – с 250 К до 130 К (рис. 2). Падение яркостной температуры у чистой почвы было менее значительным – с 250 К до 190 К. С уменьшением длины
волны яркостная температура почвы, загрязнённой маслом, возрастает более интенсивно,
чем у остальных типов почв.
Электронный научный журнал «Вестник Омского государственного педагогического университета»
Выпуск 2007 ▪ www.omsk.edu
В отличии от результатов летного эксперимента предыдущего года загрязненная
почва является более «холодной», то есть ее яркостная температура меньше, чем у чистой.
Т310
я
265
1
2
3
4
220
175
130
3
6
9
λ, см12
Рис. 2. Зависимость радиояркостной температуры загрязнённого (степень загрязнения 9%) при наличии
корки на поверхности и незагрязнённого участков от длины волны
1 – загрязнённый участок перед поливом, 2 – незагрязнённый участок перед поливом, 3 – загрязнённый участок после полива, 4 – незагрязнённый участок после полива
Такие зависимости яркостной температуры от длины волны можно объяснить из
следующих соображений. Длительное нахождение почвы в замерзшем состоянии существенным образом сказалось на характере распределения загрязнителя в ее толще. На поверхности загрязнённого участка образовалась водонепроницаемая корка. Вода после полива долго находилась на поверхности загрязненного участка. Через значительный промежуток времени влага впиталась, однако она распределилась в самом верхнем слое почвы, что и объясняет такое резкое падение радиояркостной температуры.
Для получения информации о влиянии деструкции моторного масла на динамику
радиояркостной температуры загрязнённого участка нами были проведены дополнительные экспериментальные циклы весной 2006 г. Процессы окисления нефтепродуктов привели к исчезновению водонепроницаемой корки, что оказало существенное влияние на
характер распределения влаги после полива.
Т340
я
Т260
я
300
220
260
180
220
1
180
2
1
140
2
140
3
100
25.07.04 9:36
а
25.07.04 19:12
Дата,14:24
время
26.07.04 4:48 26.07.04
100
Дата, 14:24
время
07.05.06 9:36 07.05.06 19:12 08.05.06 4:48 08.05.06
б
Рис. 3. Динамика радиояркостной температуры в процессе испарения на длине волны 11 см (а – до начала
деструкции углеводородов, б – в процессе деструкции углеводородов)
1 – загрязнённая почва, 2 – незагрязнённая почва, 3 – песчаная почва
Отмечено, что на поздних этапах окисления углеводородов разница яркостных температур загрязнённого и незагрязнённого участков после полива существенно уменьшилась: на λ=3,6 см со 110 К до 50 К, на λ=5 см со 100 К до 30 К, на λ=11 см с 80 К до 0 К.
Это может быть объяснено деградацией большей части углеводородов вблизи границы
раздела «загрязнённая почва – незагрязнённая почва». Существенные различия наблюда-
Электронный научный журнал «Вестник Омского государственного педагогического университета»
Выпуск 2007 ▪ www.omsk.edu
лись во временной зависимости радиояркостной температуры на λ=11 см. Как видно из
данных, представленных на рис. 3, кривая зависимости яркостной температуры загрязнённой почвы по сравнению с незагрязнённой имеет больший угол наклона, что говорит о
более интенсивном испарении с поверхности загрязнённой почвы на завершающих этапах
окисления моторного масла. Объяснить этот эффект можно тем, что загрязнённая почва
имела меньшую плотность (0,9-1 г/см3 у загрязнённой, 1,05-1,15 г/см3 у незагрязнённой), а
следовательно, большую пористость по сравнению с незагрязнённой.
Проведённые эксперименты показали, что загрязнённая и незагрязнённая почвы
имеют существенные отличия в динамике радиояркостной температуры и характере распределения влаги после увлажнения. Установлено, что на ранних этапах деструкции углеводородов загрязненная почва после выпадения осадков имеет более высокие значения
радиояркостной температуры, особенно на коротких длинах волн. При определенных условиях на поверхности загрязненной почвы может образовываться корка, имеющая малую
водопроницаемость. При этом яркостная температура такой почвы после выпадения осадков существенно ниже, чем у незагрязненной почвы.
На заключительном этапе окисления углеводородов загрязнённая почва по сравнению с незагрязнённой имеет более крутую временной зависимость Тя, что говорит о интенсивном испарении с её поверхности.
Библиография
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Алехин В.Г., Емцев В.Т., Рогозина Е.А., Фахрутдинов А.И. Биологическая активность и микробиологическая рекультивыция почв, загрязненных нефтепродуктами // Биологические ресурсы и природопользование. Сборник научных трудов. – Вып. 2. – Нижневартовск: Изд-во Нижневарт. пед. инта, 1998. – С. 95-105.
Одинцова Т.А. Эколого-геохимические аспекты трансформации органического вещества нефтезагрязненных геосистем // Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов. Сборник докладов. – Пермь: Горный институт УрО РАН, 2003. – С. 241-245.
Роль дистанционных методов в оценке экологического состояния транспортных коридоров // Третья
Международная евроазиатская конференция по транспорту. – СПб., 2003.
Бобров П.П., Кривальцевич С.В., Ященко А.С. Дистанционное выявление почв, загрязненных нефтепродуктами, микроволновым радиометрическим методом // Инновационные технологии в повышении качества образования. Материалы международной науч.-практ. конф. 15 апр. 2006 г. – Ч. 2.–
Омск: Изд-во Омского экономического ин-та, 2006. – С. 16-20.
Бобров П.П., Жиров П.В., Ивченко О.А., Кривальцевич С.В., Мандрыгина В.Н., Стасюк В.Д. Изменение диэлектрических и излучательных характеристик почв в СВЧ-диапазоне при загрязнении
нефтепродуктами и зольными выбросами ТЭЦ // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Т. II. – М.: GRAND polygraph, 2005. – С. 243-249.
Гайкович К.П., Снопик Л.М., Троицкий А.В. Вертолётные радиометрические измерения тонкого
озёрного льда и нефтяной плёнки на озёрах и грунте // Изв. вузов. Радиофизика. – Т. 38. – № 11. –
1995. – С. 1105-1117.
Гапонов С.С., Чёрная Л.Ф., Рыков К.Н. Влияние нефтяных загрязнений на интенсивность радиотеплового излучения различных типов грунтов // Труды IX региональной конференции по распространению радиоволн. – СПб., 2003. – С. 21-23.
Балтенас Р., Сафонов А.С., Ушаков А.И., Шергалис В. Моторные масла. – М.-СПб.: Альфа-Лаб,
2000. – 272 с.
Бобров П.П., Жиров П.В., Кондриков Е.М., Кривальцевич С.В., Щеткин И.М. Радиофизический
комплекс для исследования свойств почв в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах. //
Естественные науки и экология. Ежегодник. Вып. 7: Межвузовский сборник научных трудов. –
Омск: Изд-во ОмГПУ, 2003. – С. 7-11.