Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Пространственно-временные закономерности распределения и трансформации нефтяного загрязнения на побережье Черного моря

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временные закономерности распределения и трансформации нефтяного загрязнения на побережье Черного моря"

Па правах рукописи

Заграничный Константин Андреевич

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ПОБЕРЕЖЬЕ ЧЕРНОГО МОРЯ (ОТ КЕРЧЕНСКОГО ПРОЛИВА ДО Г. ТУАПСЕ)

Специальность 25.00.36 - «Гсспкология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ростов-па-Дону — 2014

005550830

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: Федоров Юрки Александрович

доктор географических наук, профессор, зав. кафедрой физической географии, экологии и охраны природы Южного федерального университета

Официальные оппоненты: Коробов Владимир Борисович

доктор географических наук, директор Северо-западного отделения Института океанологии им. П.П. Ширшова РЛН

Жукова Светлана Витальевна

кандидат географических наук,

зав. отделом океанографии ФГУП «АзНИИРХ»

Ведущая организация: Филиал федерального государственного

бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Российский государственный

гидрометеорологический университет" в г. Туапсе Краснодарского края

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.12 при ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» по адресу: 344090, г. Ростова-на-Дону, ул. Зорге, 40, Институт наук о Земле ЮФУ, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: 344090, г. Ростова-на-Дону, ул. Зорге 21, ж и на сайтах sfedu.ru/diss/announcements и vak.ed.gov.ra

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Отзывы па автореферат (заверенные печатью, в двух экземплярах) просим направлять по адресу: 344090, г. Ростова-на-Дону, ул. Зорге, 40, Институт наук о Земле ЮФУ на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.208.12. E-mail: diana@sfedu.ru. Факс: 8 (863) 222-57-01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.12 кандидат-географических наук, доцент

''.U U 04 ~ Д.Ю.Шишкина

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Проблема нефтяного загрязнения водных экосистем является одной из приоритетных на современном этапе развития. В наибольшей степени воздействию нефти и нефтепродуктов подвержены внутриконтинентальные морские акватории и береговые зоны. Ярким примером является российское побережье Черного моря, выделяющееся не только уникальными ландшафтами и огромным рекреационным потенциалом, но и ключевым географическим положением на пути важнейших транспортных потоков нефти и продуктов ее переработки. Через черноморские порты России осуществляется транзит более 100 млн. т нефти и нефтепродуктов. В связи с дефицитом портовых мощностей, ощущаемых Россией в постсоветское время, осуществляется развитие существующих морских портов, строятся новые терминалы. Это создает мощное техногенное давление на природные комплексы, повышает риск возникновения аварийных ситуаций, связанных с нефтяными разливами, и ставит под угрозу развитие курортной инфраструктуры.

Объект и предмет исследовании. Объектом исследования япляется побережье Черного моря от Керченского пролива до г. Туапсе. Под побережьем (береговой 3011011) понимается зона взаимодействия моря и суши, включающая пляж, подводный береговой склон н покрывающую его водную толщу. К предмету исследования относится изучение и анализ уровней содержания, состава, распределения и трансформация нефтяных компонентов (углеводородов и смолистых соединений).

Целью настоящей работы является установление закономерностей пространствснно-врсмспного распределения нефтяных компонентов на побережье Черного моря и кинетических характеристик процесса их естественной деструкции, позволяющих оцепить скорость самоочищения экосистемы.

Поставленная цель предопределила решение следующих задач:

• охарактеризовать природные условия района исследования и дать им оценку с точки зрения влияния на способность природных комплексов к естественному самоочищению при нефтяном загрязнении;

• обобщить и проанализировать имеющийся материал о составе и свойствах нефти и нефтепродуктов, источниках и масштабах нефтяного загрязнения Черного моря;

• на основе результатов многолетних натурных наблюдений выявить основные закономерности в пространственно-временном распределении нефтяного загрязнения побережья Черного моря на участке от Керченского пролива до г. Туапсе;

• выполнить сравнительный анализ компонентного состава нефтяных агрегатов, обнаруженных на разных участках исследуемого побережья;

• изучить динамику естественной трансформации нефтяных агрегатов, выброшенных на побережье, на двух ключевых полигонах исследования:

побережье Новороссийского района н побережье Керченского пролива; выявить ключевые факторы этого процесса.

Материалы и методы исследовании. В основу диссертации положены результаты шестилетних натурных наблюдений за распределением содержания и изменением компонентного состава нефтяного загрязнения в воде, береговых и донных отложениях побережья Черного моря на участке от Керченского пролива до г. Туапсе. Данные исследования проводились в период 2007 - 2012 гг. сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы ЮФУ при непосредственном участии автора.

В рамках данного исследования были выполнены визуальная оценка уровня загрязнения береговой зоны, отбор проб воды, береговых п донных отложений, нефтяных агрегатов, обнаруженных на побережье, гидрометеорологические наблюдения. В общей сложности, за шестилетний период исследований были отобраны и проанализированы на предмет содержания нефтяных компонентов около 100 проб воды, 206 проб нефтяных агрегатов и покрытых сликамн береговых отложений, четыре колонки дойных отложений, разделенные па 22 пробы. Анализ проб выполнялся в аттестованной лаборатории в соответствии с комплексом методик, включающих колоночную и тонкослойную хроматографию, оптические и гравиметрические методы. Статистическая обработка фактического материала осуществлялась с помощью программных пакетов Microsoft Office. При построении цифровых карт использовался программный пакет MapTnfo Professional.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в экспедиционных работах, результаты которых положены в основу диссертации, выполнял камеральную обработку отобранных проб, осуществил сравнительный анализ фактического материала по разным районам исследований, выявил ряд важных закономерностей в распределении нефтяного загрязнения и изменении его компонентного состава на побережье.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые проведено комплексное изучение распределения содержания нефтяных компонентов в водной толще, донных и пляжевых отложениях российского побережья Черного моря.

2. Выявлены географические закономерности распределения нефтяных компонентов на побережье при разных гидрометеорологических условиях, определяющих процесс их перераспределения и миграции.

3. Впервые на основе результатов многолетних экспедиционных исследований в естественных условиях изучено разнообразие компонентного состава нефтяных агрегатов, выброшенных на побережье юго-восточной части Черного моря, и отслежено его изменение с течением времени под действием природных факторов.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в системе экологического мониторинга, при разработке планов по

предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, служить экологической основой для выбора маршрутов транспортировки нефти и нефтепродуктов, мест размещения новых нефтебаз и нефтеналивных терминалов, разработке природоохранных мероприятий в условиях неизбежного роста объемов производства и транспортировки углеводородного сырья в обозримом будущем. Установленные закономерности могуг быть использованы при оценке ущерба, наносимого окружающей среде нефтяными разливами, и расчета времени, необходимого для завершения процесса самоочищения. Результаты исследований могут быть задействованы при подготовке и чтении курсов лекций по учебным дисциплинам «Учение о гидросфере», «Экология мирового океана», «Экология береговой зоны».

Соответствие диссертации паспорту специальности. Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 -«Геоэкология», так как изучение состояния экосистемы побережья юго-восточной части Черного моря в условиях антропогенного воздействия, обусловленного стремительным развитием нефтяного комплекса, входит в круг задач геоэкологии. Проведенные исследования отвечают следующим пунктам паспорта специальности: 1) п. 1.8. «Природная среда и геоиндикаторы ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека...»; 2) 1.12. «Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности, средства контроля».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Распределение нефтяного загрязнения на исследуемом побережье Черного моря характеризуется мозаичпостыо, обусловленной как влиянием источников хронического и аварийного загрязнения, так и физико-географическими факторами, такими как гидродинамические условия, изрсзаниость береговой линии и экспозиция побережья.

2. Выброшенные на берег нефтяные агрегаты, наряду с нефтяными компонентами, содержащимися в водной толще и донных отложениях, являются одной из основных форм нахождения нефтяного загрязнения на побережье юго-восточной части Черного моря, что необходимо учитывать при проведении мониторинговых исследований.

3. Изменение состава нефтяных агрегатов на российском побережье Черного моря с течением времени свидетельствует об активном протекании процесса самоочищения, который выражается в экспоненциальном снижении соотношения между содержанием углеводородов и устойчивых к трансформации смолистых соединений с полуисриодом 360 — 635 суток, зависящим от размерности агрегатов и географических условий.

Апробация работы. Основные положения и результаты настоящего диссертационного исследования изложены в 23 публикациях соискателя, а также докладывались и обсуждались на XVI, XVII, XVIII Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (МГУ им. М.В.

Ломоносова, г. Москва, 2009, 2010, 2011); V, VI Международных научно-практических конференциях «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (ЮФУ, 2008, 2010); Всероссийской научной школе для молодежи «Современные проблемы географии и гидрологии суши» (МГУ им. М.В. Ломоносом, г. Москва, 2010); Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (г. Цимлянск, 2012); XXIV Международной береговой конференции «Морские берега - эволюция, экология, экономика» (г. Туапсе, 2012); XX Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (г. Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 23 работы, в том числе 3 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 167 страниц, включая 13 таблиц и 32 рисунков. Список литературы содержит 177 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю проф., д.г.н. Федорову Ю.А.. и доц., к.г.н. Кузнецову А.Н. за помощь в выборе направления диссертационного исследования, ценные советы и интересные дискуссии. Диссертант искренне признателен коллегам по кафедре физической географин, экологии и охраны природы ЮФУ доц., к.г.н. Денисову В.И., доц., к.г.н. Лукьяпченко А.Д. и доц., к.г-м.н. [Черноусову С.Я.| за помощь и поддержку при проведении экспедиционных исследований, а также проф., д.г.н. Богучарскову В.Т. и доц., к.г.н. Доцеико И.В. за конструктивную критику работы.

Работа по теме диссертации выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Госконтракты, грант Президента РФ НШ-5548.2014.5), РФФИ (проект 13-05-93105-НЦНИЛ_а) и Южного федерального университета (№ НИР 213.01-24/2013-88).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава I. Характеристика района исследований с точки зрения способности к самоочищению при нефтяном загрязнении

В данной главе приведена характеристика природных условий рассматриваемого сектора побережья Черного моря, с учетом оценки вклада каждого из них в потенциал самоочищения побережья при нефтяном загрязнении.

Глава 2. Нефтяное загрязнение Черного моря

Обзор и обобщение литературных и фондовых материалов (Нельсон-Смит, 1977; Страдомская, Федоров, 1991; Патин, 1997, 2001; Пемировская, 2004, 2013 и др.), включая личные наблюдения, показал, что в экосистему Черного моря поступают нефть и продукты ее переработки, как природного, так и антропогенного происхождения.

Были проанализированы опубликованные материалы, в которых произведена оценка количества нефтяных компонентов, ежегодно поступающих в акваторию Черного моря. Установлено, что, по общему мнению исследователей, подавляющая часть углеводородов поступает в экосистему вследствие безаварийных ситуаций. Выполненный анализ (Заграничный, 2014) масштабов поступления нефти и нефтепродуктов от различных источников позволил поставить под сомнение достоверность общепринятого значения количества поллютанта, ежегодно поступающего в акваторию Черного моря. С помощью оригинального подхода, в основу которого положены материалы исследований нефтяного загрязнения Мирового океана, удалось рассчитать, что количество углеводородов, ежегодно поступающих в акваторию Черного моря, занижено как минимум в 2 - 2,5 раза и составляет примерно 270 тыс. т в год.

Рассмотрены результаты изучения уровня нефтяного загрязнения экосистемы Черного моря, представленные в работах различных ведомств и организаций. Согласно этим результатам, концентрации нефтяных компонентов как в воде, так и в донных отложениях Черного моря могут варьировать в широком диапазоне. Это вполне закономерно, так как в пространственно-временном отношении рассмотренные работы весьма неоднородны. Многие выводы, сделанные, авторами нашли подтверждение в ходе выполненного исследования.

Глава 3. Материалы и методы исследований

В августе - сентябре 2007 - 2010 гг., в каждый из сезонов 2011 г. и в июне 2012 г. была проведена серия экспедиционных исследований на побережье юго-восточной части Черного моря от Керченского пролива до г. Туапсе (рис. 1).

побережье Черного моря (от Керченского пролива до г. Туапсе)

Были выполнены визуальная оценка уровня загрязнения побережья, отбор проб воды и донных отложений, нефтяных агрегатов, обнаруженных на побережье, гидрометеорологические наблюдения. Отбор проб воды производился батометром ГР-18. В 2011 г. была осуществлена сезонная съемка, включающая отбор проб воды. В районе поселка Широкая Балка на расстоянии 1,5 км от берега с лодки был осуществлен отбор проб воды из разных горизонтов. Глубина моря на станции составляла 60 м.

В общей сложности, за шестилетний период исследований были отобраны и проанализированы на содержание нефтяных компонентов около 100 проб воды. Пристальное внимание было уделено береговым отложениям. За шестилетний период исследования было отобрано 206 проб нефтяных агрегатов. На траверзе пос. Южная Озереевка с помощью ударной грунтовой трубки ГОИН длиной 1 м с глубины 45-50 м были извлечены и послойно проанализированы четыре колонки донных отложений мощностью 15-20 см, разделенные на 22 пробы.

Далее с помощью комплекса аттестованных методов осуществлялся анализ проб в соответствии с современными аттестованными методиками, включающими колоночную и тонкослойную хроматографию, гравиметрический, инфракрасный фотометрический, люминесцентный и комбинированный оптический методы. Эти методы позволяют определять в воде и донных отложениях суммарное содержание нефтяных компонентов, разделять их на три хроматографические зоны, соответствующие следующим группам веществ: 1) алифатические, алициклические, моно- и диароматические углеводороды (УВ); 2) 3-5-ядерные ароматические углеводороды (ПАУ); 3) смолистые компоненты - смолы и асфальтены (СК); а также оценивать тип, возраст и источник нефтяного загрязнения, выявлять присутствие углеводородов современного биологического происхождения. (Страдомская, Боева, Рязанцева, 2007; Никаноров, Страдомская, 2008; Страдомская, Рязанцева, 2010).

Глава 4. Закономерности распределения нефтяного загрязнения на побережье Черного моря от Керченского пролива до г. Туапсе

Согласно полученным результатам, в течение всего шестилетнего периода наблюдений уровень нефтяного загрязнения прибрежных вод Черного моря, как правило, существенно превышал величину ПДК, установленную на уровне 0,05 мг/дм3 для водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение (ПДК р.х.). Средние концентрации суммы нефтяных компонентов в рассматриваемой акватории изменялись от 0,62 мг/дм3 в августе 2007 г. до 0,01 мг/дм3 в июне 2012 г. (рис. 2).

время отоора проб

Рис. 2. Среднее содержание углеводородов в 2007 - 2012 тт. в воде береговой зоны Черного моря на участке от Керченского пролива до г. Туапсе, мг/дм3

Обращая внимание на пространственное распределение поллютанта по акватории рассматриваемого прибрежного района юго-восточной части Черного моря, следует отметить, что высокие концентрации углеводородов фиксировались в районе объектов нефтяного комплекса г. Новороссийска и г. Туапсе. В тоже время, вследствие сложной структуры прибрежной циркуляции вод, которая в значительной степени способствует перераспределению поступающих углеводородов, вполне закономерным выглядит присутствие поллютанта не только в припортовых акваториях, вблизи крупных населенных пунктов и на пути судоходных трасс, но и на значительном удалении от них.

В большинстве отобранных проб воды в составе нефтяных компонентов преобладали углеводороды. В то же время, на некоторых станциях, особенно в 2007 г., фиксировалась повышенная доля тяжелых смолисто-асфальтеновых веществ (16-24 %), что свидетельствует о присутствии свежего нефтяного загрязнения, не прошедшего стадию фракционирования с выведением из водной толщи тяжелых компонентов.

Осенью 2007 г. в результате аварии в акваторию Керченского пролива поступило около 1,3 тыс. т мазута. Сразу после аварии фиксировались высокие концентрации поллютанта в воде, но по мере затихания имевшего место в то время шторма и аккумуляции мазута на побережье, вследствие особенностей его компонентного состава, в т.ч. крайне низкого содержания водорастворимых компонентов, произошло резкое падение концентрации поллютанта в водной толще. Однако последующие экспедиционные исследования позволили установить, что во время съемок, проходивших в конце лета 2008, 2009 и 2010 гг., фиксировались более высокие концентрации, что в определенной степени может быть связано с биохимической деструкцией мазута, остающегося на побережье. В теплый период года вследствие высоких температур данный процесс активизируется, в результате происходит распад высокомолекулярных соединений до более простых, обладающей лучших способностью растворяться в воде. (Кузнецов и др., 2011, 2013).

Результаты анализа проб, отобранных посезонно в районе г. Новороссийска и Керченского пролива, показали, что максимальные концентрации были отмечены зимой и весной (рис. 3). В данный период в регионе выпадает большая часть годовой суммы атмосферных осадков, увеличивается смыв загрязняющих веществ с водосборных площадей, а также снижается скорость естественной трансформации органических веществ в связи с пониженной температурой. В летний период концентрации углеводородов изменились незначительно и по-прежнему превышали величину ПДК. Этому способствует сезонное увеличение туристической нагрузки и активизация биосинтеза органических веществ, а также некоторое возрастание интенсивности судоходства в более благоприятных навигационных условиях. При этом рост содержания углеводородов сдерживается деструкционными процессами, активность которых летом максимальна. Также важно обратить внимание на влияние прибрежного антициклонического вихря, который, по данным Центра космической метеорологии «Планета» (2011), во время сентябрьской съемки располагался в районе мыса Утриш, перемещаясь в северозападном направлении. Если сравнивать разные сезоны 2011 г., то самый низкий уровень содержания углеводородов в районе Новороссийска отмечался в начале ноября и мог быть связан со снижением антропогенной нагрузки и затуханием процессов биосинтеза. Для района Керченского пролива это конец лета, что может быть обусловлено меньшей туристической нагрузкой, по сравнению с Новороссийским районом.

Рис. 3. Содержание углеводородов в каждый из сезонов 2011 г. в прибрежных водах Черного моря: 1 - район г. Новороссийска; 2 - район Керченского пролива, мг/дм3

Ежегодное обследование пляжей Новороссийского района показало постоянное присутствие многочисленных нефтяных агрегатов различного происхождения на галечных пляжах, скалистых террасах и утесах. Повышенной их встречаемостью обычно характеризовались выдающиеся в море мысы, косы (например, Суджукская коса) и примыкающие к ним участки пляжей (рис. 4, 5). Чаще всего нефтяные агрегаты встречались на расстоянии 10 - 15 м от уреза воды, в т.ч. нередко в толще пляжа на глубине до 10 см.

С 2007 - 2008 к 2010 - 2012 гг. уровень загрязнения побережья существенно снизился. Если в 2008 г. на Суджукской косе и в районе пос. Широкая Балка нефтяные агрегаты встречались повсеместно, чуть меньше их было на пляже, примыкающем к нефтеналивному терминалу «Шесхарис», то в 2011 — 2012 гг. в этих районах они встречались уже редко или даже единично (Кузнецов, Заграничный и др., 2012, 2013).

Рис. 4. Уровень загрязненности береговых отложений в Новороссийском районе в 2007 - 2008 гг.

Рис. 5. Уровень загрязненности береговых отложений в Новороссийском районе в 2009-2012 гг.

По внешнему виду, наличию запаха и компонентному составу следов нефтяного загрязнения можно сделать вывод о присутствии как «старых», выветрелых образцов, состоящих на 60 - 80 % из устойчивых к биохимической трансформации смолистых соединений (смол и асфальтенов), так и довольно «свежих» агрегатов с преобладанием алифатических и алициклических углеводородов (рис. 6).

п

Рис. 6. Классификация нефтяных агрегатов, обнаруженных на побережье Новороссийского района в 2007 - 2012 гг., по их компонентному составу, а) «свежая нефть»; б) «выветрелая нефть»; в) «сильно выветрелая нефть»; г) «свежий мазут»; д) «выветрелый мазут»; е) «сильно выветрелый мазут»; УВ — алифатические, алициклические, моно- и диароматические углеводороды; ПАУ -3—5-ядерные ароматические углеводороды; СК - смолы и асфальтены.

Рассмотрены результаты изучения распределения нефтяного загрязнения на побережье Керченского пролива, при обследовании побережий которого в декабре

2007 г. и в последующие годы на всем протяжении Тузлинской дамбы со стороны Черного моря, особенно на участке от ее средней части до дистали, на блоках известняка были обнаружены многочисленные подсохшие с поверхности корки и потеки мазута. Большая часть образцов сликов, отобранных в Керченском проливе в 2007 - 2008 гг., имела относительно однородный состав со свойственным «свежему» загрязнению преобладанием фракции предельных, моно- и диароматических углеводородов (в среднем 57% в декабре 2007 г., 51% в августе

2008 г.) и характерной для мазутов высокой долей 3-5-ядерных ароматических углеводородов (14-16%), многие из которых обладают канцерогенными свойствами. В дальнейшем с увеличением времени с момента аварии отобранные в ходе экспедиционных исследований слики были отнесены к категории «выветрелый» и «сильно выветрелый» мазут.

Окатанная форма и наличие выветрелой поверхностной корки свидетельствуют о длительном воздействии волн, прибоя и неоднократном переотложении на берег. Нашим научным коллективом, на основе собственных экспедиционных исследований, а также анализа имеющихся литературных данных, опубликованных Европейской комиссией (по распространению поллютанта в береговой зоне украинского сектора Черного моря) (UNEP, 2008), были выявлены пути миграции мазутных сликов из района аварии (рис. 7).

Рис. 7. Распределение мазутных агрегатов из района аварии танкера в Керченском

проливе

За пределами Керченского пролива и района г. Новороссийска, на пляжах и скалах абразионных террас также были зафиксированы следы нефтяного загрязнения. Судя по составу и физическому состоянию, они имели различное происхождение и длительность пребывания в береговой зоне. Однако на побережьях Анапского, Геленджикского и Туапсинского районов нефтяные агрегаты встречались значительно реже. На данном участке побережья представлено значительное количество рекреационных объектов, на территории которых регулярно проводится очистка и подсыпка пляжевого материала, слики, как правило, встречаются единично. Присутствие нефтяных агрегатов на протяжении всего исследуемого участка юго-восточной части побережья Черного моря, начиная от Керченского пролива и до г. Туапсе в очередной раз свидетельствует о сложной гидродинамической ситуации в данном районе. Что в значительной степени способствует миграции поллютантов из районов с интенсивной деятельностью нефтеналивных терминалов и морских судоходных путей вдоль береговой зоны к районам с менее развитой портовой деятельностью.

Результаты работ на траверзе пос. Южная Озереевка показали, что все горизонты четырех колонок были представлены главным образом глинистым илом с включениями песка и ракуши. В редких случаях, как например, в верхнем трехсантиметровом слое колонки, отобранной в 2009 г., преобладала ракуша с включениями глинистого ила и песка. В этой же колонке, отобранной на станции между пос. Широкая Балка и выносными причалами морского терминала КТК в ряде проб было отмечено самое высокое содержание смолистых компонентов за весь период наблюдений (0,34 и 0,80 мг/г сухой массы). Данные концентрации были зафиксированы соответственно слоях 2,5 - 5 см и 5 - 10 см, залегающих под поверхностным слоем ракуши и представленных илистыми отложениями (рис. 8).

Рис. 8. Вертикальное распределение содержания углеводородов (УВ, мг/г сухой массы), смолистых компонентов (СК, мг/г сухой массы, в колонке (а) — п-10 мг/г сухой массы) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ, мкг/г сухой массы) в колонках донных отложений Чёрного моря, отобранных в районе пос. Широкая Балка. Глубина моря в точках отбора проб - 45-50 м. По оси абсцисс отложены концентрации, по оси ординат - глубины залегания опробованных слоев донных отложений (см).

Впрочем, нет оснований однозначно связывать полученные данные с деятельностью КТК или каких-либо других современных источников. Датировка проб по данным об удельной активности радиоизотопов |37Св и 210РЬ (Кузнецов и др., 2012), а также скоростям осадконакопления, установленным с помощью седиментационных ловушек (Денисов и др., 2011), свидетельствует о том, что речь идет о слоях донных отложений, сформировавшихся примерно в период 1930 -1985 гг. В дальнейшем, полученные результаты, за исключением отмеченного выше случая, свидетельствовали о сравнительно невысоком уровне загрязнения донного субстрата в районе г. Новороссийска: в основном концентрации суммы нефтяных компонентов не превышали 0,13 мг/г сухой массы (рис. 8). Это может быть обусловлено невысокой сорбционной способностью слагающих дно песчано-ракушечных и песчано-илистых отложений. Вследствие того, что отбор колонок донных отложений был выполнен в прибрежной части, где максимальная глубина составила 50 м, можно предположить, что по мере удаления от берега концентрации нефтяных компонентов будут возрастать. В результате аналитической обработки проб донных отложений было установлено, что в составе углеводородов отмечено преобладание продуктов современного биосинтеза. На это указывает молочно-голубая люминесценция тонкослойных хроматографических пластинок с нанесенным на них экстрактом в ультрафиолетовом свете. Рассмотрев содержание нефтяных компонентов в донных отложениях, можно отметить, что, несмотря на относительно невысокие концентрации поллютанта, данный компонент экосистемы побережья также подвержен загрязнению.

Глава 5. Результаты изучения процесса естественной трансформации нефтяного загрязнения на побережье Черного моря

Данную главу открывает обзор исследований по изучению процессов трансформации нефтяного загрязнения, а также способности природных комплексов к самоочищению. Особое внимание уделено работам, посвященным развитию методики разработки обобщенного показателя естественной деградации нефти в водной среде. Где наиболее существенный вклад внесли: Ю.А. Федоров (1998, 1999), А.Н. Кузнецов (2005), А.Г. Страдомская и A.M. Никаноров (2008).

Далее в работе представлены выявленные закономерности трансформации нефтяных агрегатов на побережье исследуемого района юго-восточной части Черного моря. Анализ проб, отобранных в ходе шестилетних исследований, позволил установить, что на побережье Керченского пролива происходит естественная трансформация поллютанта. Достоверность этого вывода подтверждают нефтяные агрегаты, которые в разные годы находились на разной стадии трансформации. В результате наблюдается, как вполне закономерное уменьшение количества поллютанта, так и изменение соотношения основных его компонентов (углеводородов к смолистым компонентам). Установлено, что самоочищение на рассматриваемом участке происходит с различной скоростью. Это закономерность отражена в числовом выражении в результате применения такого показателя, как период полураспада поллютанта. Из рисунка 9 видно, что данный показатель для сликов, отобранных на побережье Керченского пролива, варьируется от 360 до 650 суток.

Рис. 9. Изменение соотношения между содержанием углеводородов и смолистых компонентов (УВ/СК) в составе нефтяных агрегатов в береговой зоне Керченского пролива: 1 - крупные скопления мазута в трещинах скал и береговых сооружениях, укрытые от прямого воздействия морского прибоя и солнечных лучей , 2 - подсохшие с поверхности корки мазута толщиной 2-8 мм, 3 - тонкие пленки мазута, (по вертикали: УВ/СК - отношение между содержанием углеводородов и смолистых компонентов; по горизонтали: количество дней). Т - период полураспада мазута, индекс соответствует номеру в легенде.

Большой интерес представляет анализ процесса самоочищения черноморского побережья в районе г. Новороссийска и его окрестностей. Изучение компонентного состава нефтяных агрегатов, позволяет не только идентифицировать его с различными источниками, рассмотренными во второй главе, но сделать вывод о хроническом характере их поступления. Это подтверждает встречаемость как свежих, так и сильно трансформированных сликов во время каждой экспедиционной съемки (рис. 10).

Рис. 10. Изменение компонентного состава нефтяных агрегатов и сликов со временем в Новороссийском районе: 1 - свежее загрязнение, 2 - старое загрязнение (за ноль шкалы времени принята дата проведения первой экспедиционной съемки)

Скорости естественной деградации сликов на побережье Новороссийского района вполне сопоставимы со скоростями - из района Керченского пролива. Представленные на рисунке 11 агрегаты вполне возможно отнести к мазуту, находящемуся на различных стадиях трансформации.

Рис. 11. Изменение соотношения между содержанием углеводородов и смолистых компонентов (УВ/СК) в составе нефтяных агрегатов в береговой зоне Новороссийского района (группа сликов, по первоначальному описанию отнесенная к находящемуся на различных стадиях трансформации мазуту).

В таблице 1 представлены значения, отражающие полупериод трансформации нефтяных агрегатов, выброшенных на различных участках рассматриваемого района побережья юго-восточной части Черного моря. На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что для побережья исследуемого района данная величина будет варьироватьмя в небольших пределах, значения которых будут дифференцированы в случаи попадания поллютанта в различные части экспозиции побережья. Отметим, что данный вывод справедлив для нефтяного загрязнения поступившего из одного источника.

Таблица 1

Средние полупериоды естественной трансформации нефтяных сликов на различных участках побережья юго-восточной части Черного моря, (в сутках)

Местоположение, экспозиция участка, характеристика слика

Район Керченского пролива Новороссийский район

Полупериод трансформации Крупные скопления мазута в трещинах скал, укрытые от прямого воздействия морского прибоя и солнечных лучей Подсохшие с поверхности корки мазута толщиной 2-8 мм Тонкие пленки мазута Слики, отнесенные к мазуту, находящемуся на различных стадиях трансформации

635 490 360 434

Для двух ключевых полигонов исследования было выполнено сопоставление метеопараметров, во многом определяющих скорость процесса естественной деградации сликов. В результате было выбрано два метеопараметра, по которым выполнено сравнение погодных условий Новороссийского района и района Керченского пролива. Именно количество дней с положительной температурой от 5 до 25 °С и количество ясных дней, являются параметрами во многом определяющими способность экосистемы к самоочищению. Оба параметра были рассчитаны по дням в процентном соотношении от их общего количества. Рисунок 12 наглядно иллюстрирует не существенные различия погодных условий анализируемых полигонов. Что в свою очередь обосновывает незначительную дифференциацию в значениях полупериодов трансформации нефтяного загрязнения на побережье рассматриваемого сектора Черного моря.

Рис. 12. Соотношение метеорологических параметров: а) количество дней с 5 < I < 25 "С, б) количество ясных дней; в процентном соотношении от общего количества дней для: 1 - Новороссийский район, 2 - район Керченского пролива

Необходимо отметить, что процесс самоочищения на побережье юго-восточной части Черного моря происходит весьма активно, что подтверждают величины полупериода трансформации сликов, изменяющиеся от 360 до 635 суток. При сопоставлении полученных значений с результатами аналогичных исследований, выполненных нашим научным коллективом на Атлантическом побережье Франции и Испании (Кузнецов и др., 2013), где полупериод трансформации нефтяных агрегатов достигает 990 - 1870 суток, следует, что самоочищение побережья юго-восточной части Черного моря происходит в 2,5 раза активнее. Подобного рода исследования, как для данного участка, так и для всего черноморского побережья, не имеют аналогов.

ВЫВОДЫ

1. Природные условия рассматриваемого участка побережья юго-восточной части Черного моря благоприятствуют активному естественному самоочищению при нефтяном загрязнении, прежде всего, за счет высоких среднегодовых температур воздуха и значительного притока прямой солнечной радиации. Данный район незначительно дифференцирован по распределению температуры, облачности и солености. Сложная гидродинамическая обстановка, напрямую зависящая от складывающейся в регионе метеообстановки, существенно определяет экологическое состояние береговой зоны рассматриваемого сектора Черного моря.

2. Изучение форм нахождения нефтяного загрязнения, его состава и свойств имеет большое значение, так как, наряду с природными условиями, они определяют поведение поллютанта на побережье юго-восточной части Черного моря, оказывают влияние на скорость естественного самоочищения.

3. Поступление нефтяных компонентов для рассматриваемого участка побережья носит хронический характер и обусловлено многообразием источников углеводородов как природного, так и антропогенного происхождения. Величина этого поступления в настоящее время недооценивается. В будущем техногенное воздействие на экосистемы района исследований будет неуклонно возрастать,

сопровождаясь увеличением риска возникновения аварийных ситуаций, связанных с нефтяными разливами.

4. Полученные в ходе шестилетних экспедиционных исследований результаты позволяют констатировать уменьшение уровня нефтяного загрязнения на побережье юго-восточной части Черного моря, которое обусловлено как природными, так и антропогенными факторами.

5. Результаты шестилетних экспедиционных исследований позволили установить, что нефтяному загрязнению подвержены все абиотические компоненты природных комплексов побережья юго-восточной части Черного моря, включая водную толщу, береговые и донные отложения.

6. Несмотря на определенную локализацию источников поступления нефтяных компонентов, сложная гидродинамическая обстановка способствует миграции поллютанта на значительные расстояния как вдоль берега, так и в открытое море. В наибольшей степени влиянию этого фактора подвержено содержание углеводородов в водной толще, как наиболее динамичной среде.

7. Значительная часть нефтяного загрязнения присутствует в экосистеме побережья в виде нефтяных агрегатов, переносимых с вдольбереговыми течениями. Их формирование может быть обусловлено рядом факторов, таких как химический состав и физические свойства самого поллютанта, а также условия среды. Присутствие в прибрежной воде большого количества взвешенных частиц, сорбирующих углеводороды и смолистые соединения, способствует образованию агрегатов. Чаще всего нефтяные агрегаты аккумулируются вместе с пляжевыми отложениями на выступающих участках береговой линии, обращенных навстречу преобладающим вдольбереговым течениям и потокам наносов.

8. Большое количество сликов, регулярно фиксируемых на побережье и находящихся на разных стадиях трансформации, свидетельствует о хроническом характере загрязнения. Среди обследованных нефтяных агрегатов в течение всего шестилетнего периода наблюдений преобладали выветрелые образцы, что является следствием длительного присутствия в экосистеме побережья. В то же время, регулярно встречались и «свежие» слики.

9. Выделенные «маркеры» - типы нефтяных агрегатов, сходные по составу и внешним характеристикам с мазутом, разлившимся в 2007 г. в Керченском проливе, и отличающиеся от следов нефтяного загрязнения, фиксировавшихся на побережье юго-восточной части Черного моря как до, так и после этого инцидента - позволяют очертить район распространения поллютанта с вдольбереговыми течениями из Керченского пролива в пределах Азово-Чсрноморского бассейна.

10. Изменение состава нефтяных агрегатов на обследованном побережье Черного моря с течением времени выражается в снижении соотношения между содержанием углеводородов и устойчивых к трансформации смолистых соединений с полупериодом 360 - 635 суток. Сопоставление этих величин с результатами аналогичных исследовании, выполненных коллективом кафедры физической географии, экологии и охраны природы Южного федерального

университета на атлантическом побережье Франции и Испании, свидетельствует о том, что на черноморском побережье, в условиях большего количества солнечных дней, больших значений суммы активных температур воздуха, меньшей солености морских вод, отсутствия приливо-отливных явлений, процесс самоочищения протекает примерно в 2,5 раза активнее.

Список публикации но теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кузнецов А.Н., Федоров Ю.А., Заграничный К.А. О результатах трехлетнего мониторинга разлива мазута в Керченском проливе. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2011. - № 4. - С. 90-95.

2. Кузнецов А.Н., Федоров Ю.А., Заграничный К.А. Нефтяное загрязнение побережья Черного моря в районе г. Новороссийска (по результатам многолетних исследований) // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2013. —№ 1, — С. 71-77.

3. Заграничный К.А. К вопросу об источниках и объемах поступления нефтяных компонентов в акваторию Черного моря [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2014, №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/rnagazine/archive/nly2014/2300 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Статья в издании, включенном в международную базу публикаций Scopus:

4. Kuznetsov A.N., Fedorov Y.A., Fattal P., Zagranichny K.A. Peculiarities of fuel oil natural transformation in the strait of Kerch polluted in November 2007 in consequence of tanker accident // 13-th International multidisciplinary scientific geoconference SGEM 2013/ 16-22 June, 2013, Albena, Bulgaria. P. - 839-846.

Статьи и тезисы в научных сборниках и трудах конференции:

5. Заграничный К.А., Кузнецов А.Н., Денисов В.И. Нефтяные компоненты в колонках донных отложений шельфа Черного моря в районе г. Новороссийска // Геология морей и океанов. Материалы XX Международной научной конференции (школы) по морской геологии. Т. 4. М.: Геос, 2013. - С. - 217-221.

6. Кузнецов А.Н., Федоров Ю.А., Заграничный К.А., Фатталь П., Эбнср Ф. Влияние природных факторов на скорость естественной трансформации нефтепродуктов на побережьях, загрязненных вследствие аварийных разливов // Водная стихия: опасности, возможности прогнозирования и предотвращение угроз: материалы всероссийской научной конференции, г. Краснодар, 07-13 октября 2013 г. Новочеркасск: ЛИК. 2013.- С. - 338-343

7. Кузнецов А.Н., Федоров Ю.А., Фатгаль П., Заграничный К.А., Эбнср Ф. Международные исследования закономерностей распределения и естественной трансформации нефти и нефтепродуктов в районах аварийного и хронического загрязнения (Азово-Чсрноморский бассейн, Северо-Западные побережья Испании

и Франции) // Сборник научных трудов международной научно-практической конференции: «Задачи преобразования Таганрога», МВФ «Ангел Руси», 2013. - С. - 73-75.

8. Заграничный К.Л. Нефтяные компоненты п поде и донных отложениях Нижнего Дона и системы водных объектов реки Маныч // Труды аспирантов и соискателей Южного федерального университета. T.XVII; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону: Издательство Южного Федерального университета, 2012,- С. — 7-9.

9. Кузнецов А.Н., Заграничный К.Л., Денисов В.И. Нефтяные агрегаты на российском побережье Черного моря: результаты пятилетних наблюдений // Морские берега - эволюция, экология, экономика: Мате-риалы XXIV Международной береговой конференции, посвященной 60-летшо со дня основания Рабочей группы «Морские берега» (Туапсе, 1-6 октября 2012 г.): в 2 т./ Редакционная коллегия: Г.Г. Гогобидзе, Е.А. Яйли, М.С. Аркелов, С.А. Мерзакапов,- Т.2.-2012.- С. - 55-59.

10. Кузнецов А.Н., Заграничный К.А., Кондратенко Ю.И. Самоочищение береговой зоны Керченского пролива, загрязненной в результате разлива мазута // Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике. Сборник научных трудов. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012. - С. - 221-226.

11. Заграничная М.А., Заграничный К.А. К вопросу об оценке способности природных комплексов береговой зоны к самоочищению при нефтяном загрязнении // Материалы XVI Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий». Новосибирск: НГУ, 2011.-С,- 141-142.

12. Денисов В.И., Ткаченко Ю.Ю., Кузнецов А.Н., Заграничный К.А., Лукьянчеико А.Д. Черноусов С.Я. Потоки взвеси на черноморском шельфе в районе Анапа - Архппо-Осиповка по данным седиментационных ловушек (результаты натурных экспедиционных работ) // Геология морей и океанов. Материалы XIX Международной научной конференции (школы) по морской геологии. Т. 3. М.: Геос, 2011. - С. - 28-32.

13. Денисов В.И., Ткаченко ГОЛО., Кузнецов А.Н., Заграничный К.А., Лукьянчеико А.Д. Количественная оценка потоков абразионного материала в мелководной части восточного шельфа Черного моря методом взвесенакопителей (район пос. Широкая Балка) // Геология морей и океанов. Материалы XIX Международной научной конференции (школы) по морской геологии. Т. 3. М.: Геос.,-2011.-С. 25-27.

14. Заграничный IC.A., Кузнецов А.Н., Денисов В.И. Мониторинг нефтяного загрязнения береговой зоны в районе г. Новороссийска // Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления: сборник научных статей по материалам II Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летшо со дня основания филиала РГГМУ в г. Туапсе. Краснодар: Издательский Дом - Юг, 2011. - С. - 274-276.

15. Заграничный К.А. Мониторинг береговой зоны Керченского пролива в районе аварии нефтяного танкера [Электронный ресурс] // Материалы XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011». М.: МГУ, 2011. - Режим доступа: 1щр://\ут\'.1()т0П050\'-msu.ru/2011/ (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

16. Кузнецов А.Н., Заграничный К.А. Динамика естественной трансформации мазута, выброшенного на побережье Керченского пролива в районе аварии танкера (результаты двухлетних наблюдений) // Окружающая срсда и менеджмент природных ресурсов. Тезисы докладов Международной конференции. Тюмень: Изд-во Тюменского государственного университета, 2010. -С, - 179-181.

17. Кузнецов А.Н., Заграничный К.А., Кондратенко Ю.И. Географические закономерности распределения и трансформации нефтяного загрязнения в береговой зоне российского сектора Черного моря // Экологические проблемы. Взгляд в будущее. Сборник трудов 6-й Международной научно-практической конференции. Ростов-н/Д.: ЗАО «Ростиздат», 2010. - С. - 190 - 193.

18. Заграничный К.А., Кузнецов А.Н. Изучение способности береговой зоны российской части Азово-Черноморского бассейна к самоочищению при нефтяном загрязнении // Современные проблемы географии и гидрологии суши. Всероссийская молодежная научная школа. Статьи участников. М.: МГУ, 2010. -С. - 34-35.

19. Заграничный К.А., Кондратенко Ю.И. Оценка уровня нефтяного загрязнения побережья Черного моря от Керченского пролива до г. Новороссийска (по результатам экспедиционных исследований) [Электронный ресурс] // Материалы Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2010». М: МГУ, МАКС Пресс, 2010. - Режим доступа: http://www.lomonosov-msu.ru/2010/ (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

20. Заграничный К.А. Уровень и состав нефтяного загрязнения береговой зоны Черного моря в районе морского терминала Каспийского трубопроводного консорциума (по результатам экспедиций 2007 — 2008 гг. // Сборник тезисов «Неделя науки». Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2009. - С. - 39-41.

21. Заграничный К.А. Результаты изучения уровня нефтяного загрязнения побережья Черного моря в районе г. Новороссийска [Электронный ресурс] // Материалы XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2009». М.: МГУ, МАКС Пресс, 2009. - Режим доступа: http://www.lomonosov-msu.ru/2009/ (доступ свободный) - Загл. с экрана. -Яз. рус.

22. Кузнецов А.Н., Федоров Ю.А., Заграничный К.А. Нефтяное загрязнение береговой зоны Черного моря в районе портовых терминалов г. Новороссийска // Геохимия биосферы. V Международное совещание (сборник материалов). Новороссийск: НИИ Геохимии биосферы ЮФУ, 2009. - С. - 137-138.

23. Кузнецов Л.Н., Денисов В.И., Ткаченко Ю.Ю., Заграничный К.А. Нефтяное загрязнение береговой зоны Черного моря в районе морского терминала Каспийского трубопроводного консорциума в пос. Южного Озереевка // Экологические проблемы. Взгляд в будущее. Сборник трудов 6-й Международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2008. - С. -

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-иэд.-л. Заказ № 3381. Тираж 120 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, теп. 247-34-88

255-258.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Заграничный, Константин Андреевич, Ростов-на-Дону

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ НАУК О ЗЕМЛЕ

КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ, ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЫ ПРИРОДЫ

На правах рукописи

04201459563

ЗАГРАНИЧНЫЙ Константин Андреевич

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ПОБЕРЕЖЬЕ ЧЕРНОГО МОРЯ (ОТ КЕРЧЕНСКОГО ПРОЛИВА ДО Г. ТУАПСЕ)

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 25.00.36 - «Геоэкология»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Ю.А. Фёдоров

Ростов-на-Дону 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

с.

Введение 3

Глава 1. Характеристика района исследований с точки зрения способности к самоочищению при нефтяном загрязнении 10

1.1. Геологическое строение и рельеф 10

1.2. Климат 17

1.3. Гидрология, гидрохимия и динамика вод 23

1.4. Биота 33 Глава 2. Нефтяное загрязнение Черного моря 40

2.1. Состав и свойства нефти 40

2.2. Источники нефтяного загрязнения российского сектора Черного моря 51

2.3. Обзор исследований по оценке уровня нефтяного загрязнения Черного моря 62

Глава 3. Материалы и методы исследований 78

3.1. Характеристика выполненных исследований 78

3.2. Методы определения количества и компонентного состава нефти и нефтепродуктов 82

3.3. Методы изотопно-химической идентификации источников нефтяного загрязнения водных объектов 85

3.4. Методы использования радиоактивных изотопов в качестве трассеров 87

Глава 4. Закономерности распределения нефтяного загрязнения на побережье Черного моря от Керченского пролива до г. Туапсе 92

4.1. Выявленные закономерности распределения нефтяного загрязнения в воде 92

4.2. Выявленные закономерности распределения нефтяного загрязнения на побережье 105

4.3. Выявленные закономерности распределения нефтяного загрязнения в донных отложениях 115

Глава 5. Результаты изучения процесса естественной трансформации нефтяного загрязнения на побережье Черного моря 123

5.1. Обзор исследований по изучению процессов трансформации нефтяного загрязнения и самоочищения природных комплексов побережья 123

5.2. История развития методики разработки обобщенного показателя естественной деградации нефти в водной среде 128

5.3. Выявленные закономерности в трансформации нефтяных ^ агрегатов на побережье исследуемого района Черного моря 134

Заключение 144

Литература 147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Проблема нефтяного загрязнения водных экосистем является одной из приоритетных экологических проблем общества на современном этапе развития. В наибольшей степени воздействию нефти и продуктов ее переработки подвержены водные объекты суши, внутриконтинентальные морские акватории и береговые зоны. Ярким примером такой ситуации является, российское побережье Черного моря, выделяющееся не только уникальными субтропическими ландшафтами и огромным рекреационным потенциалом, но и ключевым географическим положением на пути важнейших транспортных потоков нефти и продуктов ее переработки. Через черноморские порты России осуществляется транзит около 20 % российского и большая часть казахстанского нефтяного экспорта - в общей сложности, более 100 млн. т нефти и нефтепродуктов. В связи с дефицитом портовых мощностей, ощущаемых Россией в постсоветское время, осуществляется развитие существующих морских портов, строятся новые терминалы. Это создает мощное техногенное давление на природные комплексы и ставит под угрозу развитие курортной инфраструктуры. В наибольшей степени техногенному давлению подвержена экосистема юго-восточной части Черного моря на участке побережья от Керченского пролива до города Туапсе. В данном районе располагается основная часть нефтяных терминалов российского сектора Черного моря. Помимо нефтяной инфраструктуры, важными источниками нефтяного загрязнения в исследуемом районе являются промышленные и коммунально-бытовые сточные воды, плоскостной смыв, морской транспорт, атмосферные выпадения. К тому же именно в том районе акватории Черного моря по результатам многочисленных разведочных работ выделены участки, на которых в ближайшей перспективе предполагается бурение и добыча

углеводородного сырья. Отмеченные факты свидетельствуют об актуальности данного исследования.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является побережье Черного моря от Керченского пролива до г. Туапсе. Под побережьем (береговой зоной) понимается зона взаимодействия моря и суши, включающая пляж, подводный береговой склон и покрывающую его водную толщу. К предмету исследования относится изучение и анализ уровней содержания, состава, распределения и трансформация нефтяных компонентов (алифатических, алициклических, моно- и диароматических углеводородов; полициклических ароматических углеводородов; смол и асфальтенов).

Целью настоящей работы является установление закономерностей пространственно-временного распределения нефтяных компонентов на побережье Черного моря и кинетических характеристик процесса их естественной деструкции, позволяющих оценить скорость самоочищения экосистемы.

Поставленная цель предопределила решение следующих задач:

• охарактеризовать природные условия района исследования и дать им оценку с точки зрения влияния на способность природных комплексов к естественному самоочищению при нефтяном загрязнении;

• обобщить и проанализировать имеющийся материал о составе и свойствах нефти и нефтепродуктов, источниках и масштабах нефтяного загрязнения Черного моря;

• на основе результатов многолетних натурных наблюдений выявить основные закономерности в пространственно-временном распределении нефтяного загрязнения побережья Черного моря на участке от Керченского пролива до г. Туапсе;

• выполнить сравнительный анализ компонентного состава нефтяных агрегатов, обнаруженных на разных участках исследуемого побережья;

• изучить динамику естественной трансформации нефтяных агрегатов, выброшенных на побережье, на двух ключевых полигонах исследования: побережье Новороссийского района и побережье Керченского пролива; выявить ключевые факторы этого процесса.

Материалы и методы исследований. В основу диссертации положены результаты шестилетних натурных наблюдений за распределением содержания и изменением компонентного состава нефтяного загрязнения в воде, береговых и донных отложениях побережья Черного моря на участке от Керченского пролива до г. Туапсе. Данные исследования проводились в период 2007 - 2012 гг. сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы ЮФУ при непосредственном участии автора.

В рамках данного исследования были выполнены визуальная оценка уровня загрязнения береговой зоны, отбор проб воды, береговых и донных отложений, нефтяных агрегатов и сликов, обнаруженных на побережье, гидрометеорологические наблюдения. Отбор проб воды _ производился батометром ГР-18, донных отложений - ударной грунтовой трубкой длиной 1 м. В общей сложности, за шестилетний период исследований были отобраны и проанализированы на предмет содержания нефтяных компонентов около 100 проб воды, 206 проб нефтяных агрегатов и покрытых сликами береговых отложений, четыре колонки донных отложений, разделенные на 22 пробы. Анализ проб выполнялся в аттестованной лаборатории в соответствии с комплексом методик, включающих колоночную и тонкослойную хроматографию, оптические и гравиметрические методы, которые позволяют определять содержание основных компонентов нефти: алифатических, алициклических, моно- и диароматических углеводородов (УВ); полициклических ароматических углеводородов (ПАУ); смолистых компонентов (CK) - смол и асфальтенов. Статистическая обработка фактического материала осуществлялась с помощью программных пакетов Microsoft Office Excel и Access. При

построении цифровых карт использовался программный пакет MapInfoProfessional 9.5.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в экспедиционных работах, результаты которых положены в основу диссертации, выполнял камеральную обработку отобранных проб, осуществил сравнительный анализ фактического материала по разным районам исследований, выявил ряд важных закономерностей в распределении нефтяного загрязнения и изменении его компонентного состава на побережье.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые проведено комплексное изучение распределения содержания нефтяных компонентов в водной толще, донных и пляжевых отложениях российского побережья Черного моря.

2. Выявлены географические закономерности распределения нефтяных компонентов на побережье при разных гидрометеорологических условиях, определяющих процесс их перераспределения и миграции.

3. Впервые на основе результатов многолетних экспедиционных исследований в естественных условиях изучено разнообразие компонентного состава нефтяных агрегатов, выброшенных на побережье юго-восточной части Черного моря, и отслежено его изменение с течением времени под действием природных факторов.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в системе экологического мониторинга, при разработке планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, служить экологической основой для выбора маршрутов транспортировки нефти и нефтепродуктов, мест размещения новых нефтебаз и нефтеналивных терминалов, разработке природоохранных мероприятий в условиях неизбежного роста объемов производства и транспортировки углеводородного сырья в обозримом будущем. Установленные закономерности могут быть использованы при оценке ущерба, наносимого

окружающей среде нефтяными разливами, и расчета времени, необходимого для завершения процесса самоочищения. Результаты исследований могут быть задействованы при подготовке и чтении курсов лекций по учебным дисциплинам «Учение о гидросфере», «Экология мирового океана», «Экология береговой зоны».

Соответствие диссертации паспорту специальности. Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 -«Геоэкология», так как изучение состояния экосистемы побережья юго-восточной части Черного моря в условиях антропогенного воздействия, обусловленного стремительным развитием нефтяного комплекса, входит в круг задач геоэкологии. Проведенные исследования отвечают следующим пунктам паспорта специальности: 1) п. 1.8. «Природная среда и геоиндикаторы ее изменения под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека.,.»; 2) 1.12. «Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности, средства контроля».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Распределение нефтяного загрязнения на исследуемом побережье Черного моря характеризуется мозаичностью, обусловленной как влиянием источников хронического и аварийного загрязнения, так и физико-географическими факторами, такими как гидродинамические условйя, изрезанность береговой линии и экспозиция побережья.

2. Выброшенные на берег нефтяные агрегаты, наряду с нефтяными компонентами, содержащимися в водной толще и донных отложениях, являются одной из основных форм нахождения нефтяного загрязнения на побережье юго-восточной части Черного моря, что необходимо учитывать при проведении мониторинговых исследований.

3. Изменение состава нефтяных агрегатов на российском побережье Черного моря с течением времени свидетельствует об активном протекании процесса самоочищения, который выражается в экспоненциальном снижении

соотношения между содержанием углеводородов и устойчивых к трансформации смолистых соединений с полупериодом 360 - 635 суток, зависящим от размерности агрегатов и географических условий.

Апробация работы. Основные положения и результаты настоящего диссертационного исследования изложены в 23 публикациях соискателя, а также докладывались и обсуждались на XVI, XVII, XVIII Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009», «Ломоносов-2010», «Ломоносов-2011», (МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 2009, 2010, 2011); на V, VI Международных научно-практических конференциях «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (ЮФУ, 2008, 2010); на Всероссийской научной школе для молодежи «Современные проблемы географии и гидрологии суши» (МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 2010); на Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (г. Цимлянск, 2012); на XXIV Международной береговой конференции «Морские берега - эволюция, экология, экономика», посвященной 60-летию со дня основания Рабочей группы «Морские берега» РАН (г. Туапсе, 2012); на XX Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (г. Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 23 работы, в том числе 3 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 167 страниц, включая 13 таблиц и 32 рисунков. Список литературы содержит 177 наименований.

* * *

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю проф., д.г.н. Федорову Ю.А. и доц., к.г.н. Кузнецову А.Н. за помощь в выборе направления диссертационного исследования, ценные советы и интересные дискуссии. Диссертант искренне признателен коллегам по кафедре физической географии, экологии и охраны природы ЮФУ доц., к.г.н. Денисову В.И., доц., к.г.н. Лукьянченко А.Д. и доц., к.г-м.н.

Черноусову С.Я. за помощь и поддержку в организации и проведении экспедиционных исследований, а также проф., д.г.н. Богучарскову В.Т. и доц., к.г.н. Доценко И.В. за конструктивную критику работы.

Работа по теме диссертации выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Госконтракты, грант Президента РФ НШ-5548.2014.5), РФФИ (проект 13-05-93105-НЦНИЛ_а) и Южного федерального университета (№ НИР 213.01-24/2013-88).

1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СПОСОБНОСТИ К САМООЧИЩЕНИЮ ПРИ НЕФТЯНОМ

ЗАГРЯЗНЕНИИ

1.1 Геологическое строение и рельеф

Район исследования представляет собой участок побережья российского сектора Черного моря, простирающийся от Керченского пролива до г. Туапсе в северо-восточной части Черноморского бассейна.

Геологическое строение исследуемого черноморского региона достаточно разнообразно. Здесь на относительно узком участке суши, длина которого не превышает 60 км, встречаются горные породы мезозойского и кайнозойского периодов. Большая часть территории, относящейся к зоне молодой альпийской складчатости, претерпела сложные и многообразные изменения, связанные с проявлением разноамплитудных неотектонических движений, для которой также характерна высокая сейсмичность и вулканизм. Это предопределило формирование многих уникальных геолого-геоморфологических объектов: мегантиклинория Большого Кавказа, стратиграфических разрезов прибрежно-морских отложений, разновозрастных флишевых разрезов, складок и разломов, выраженных в рельефе высотных зон, морских террас и узкой береговой пляжной зоны юго-восточной части Черного моря.

На современном этапе Кавказское побережье испытывает слабые опускания различной амплитуды. В этом также проявляется общая тенденция тектонического расширения черноморского бассейна. Исследуемый регион расположен на западном погружении мегантикликория Большого Кавказа. Западный Кавказ сложен смятыми в складки и осложненными породами юры, мела, а по периферии - отложениями палеоцен-эоцена (Геология, 1968).

В сложно построенном складчатом сооружении Западного Кавказа выделяется несколько структурно-фаииальных зон, различно формировавшихся в течение мезозойской эры. Это два флишевых прогиба -более широкий южный - Новороссийске-Лазаревский синклинорий, и северный - Собербашско-Гунайский, Они разделены Псебепско-Гойтхским антиклинорием (рис Г). Новороссийско-Лазаревский флишевый прогиб разделен вдоль по оси длинной и узкой Семигорской антиклинальной зоной. Севернее ее лежит Тхабская синклинальная зона. Вдоль побережья, а также на шельфе и в верхней части континентального склона протягивается Анапско-Агойская синклинальная зона. Синклинальные зоны осложнены складками меньших размеров.

Рис. 1. Тектонические структуры Западно-Кубанского прогиба (Лебедько, Лебедько, 2013)

В пределах рассматриваемого региона наиболее древними породами, выходящими на поверхность, являются юрские породы. Разрез юры представлен разнообразными по литологическому составу породами. Здесь имеются мощная (не менее 1500 м) толща глинистых сланцев, вулканогенно-осадочный комплекс суммарной мощностью более 3000 м, толща аргиллитов с прослоями известняков, алевролитов, песчаников и гравелитов, общей �