Воздействие нефти на гидросферу земли - Экология - Скачать бесплатно

Министерство общего и профессионального образования
                            Российской Федерации

                    Пермский государственный университет

                  Кафедра охраны природы и окружающей среды



                    Воздействие нефти на гидросферу Земли



      Курсовая работа по дисциплине
      «Общая экология» студентки 4 курса
      заочного отделения специальности
      «Охрана окружающей среды»
      группы № 5
      О.П. Султановой

      Научный руководитель:
      Кандидат наук, доцент Э.А. Бурматова



                                 Пермь 2002
                                 Оглавление


Оглавление……………………………………………………………………   2


Введение………………………………………………………………………    3


Раздел I. Нефть и источники попадания ее в водоемы…………………….  6


5 Химический состав нефти…………………………………………….  6


6 Источники загрязнения гидросферы нефтяными углеводородами… 8

        1. Обычные транспортные перевозки…………………………….   9
        2. Аварии при транспортировке и добычи нефти……………….. 10
        3. Вынос рек, промышленные и бытовые стоки…………………    12
        4. Природные источники нефти…………………………………..     14
Раздел II. Поведение нефти в водной среде…………………………………  15
     1. Характер растекания нефти по поверхности водоемов……………..  16
     2. Разложение нефти под воздействием бактерий и окисления……….      18
     3. Влияние физических параметров окружающей среды на скорость
         разложения нефти в воде………………………………………………     20
   4. Влияние донных отложений на распад углеводородов……………… 20
   5. Образование нефтяных комочков в воде…………………………….. 23
Раздел III. Биологические и физические изменения, обусловленные
                  загрязнением гидросферы нефтью……………………………….      25
      1. Отравление с летальным исходом…………………………………….  26
      2. Нарушение физиологической активности……………………………      28
      3. Обволакивание живого организма нефтепродуктами……………….     28
      4. Болезненные изменения, вызванные внедрением углеводородов в
          организм………………………………………………………………..      30
      5. Изменения в биологических особенностях среды обитания………..      32
Заключение……………………………………………………………………   34
Список используемой литературы…………………………………………..  36



                                  Введение


      Сырая нефть впервые была добыта в значительных количествах в 1880 г. С
тех пор ее добыча  росла  экспоненциально  и  сейчас  превышает  3,2-1012  л
ежегодно (в мире). Очищенные  нефтяные  продукты  постоянно  расходуются  на
удовлетворение более 60% мировых  энергетических  потребностей.  В  связи  с
этим практически невозможно  применять  продукты  в  таких  количествах  без
некоторых потерь. Количество таких потерь,  предусмотренных  или  случайных,
постоянно растет, и загрязнение моря, как сырой нефтью, так и продуктами  ее
переработки сейчас является предметом серьезного беспокойства.
      Основная цель моей работы  –  исследовать  характер  влияния  нефти  и
нефтепродуктов на гидросферу Земли и оценить последствия  этого  влияния  на
водные организмы.
      Так как, в настоящее время, нефтепродукты являются одним из  важнейших
энергоносителей для Человечества, и тенденция  продлится,  как  минимум,  на
ближайшие 20 лет, проблема  попадание  нефти  в  гидросферу  Земли  остается
достаточно актуальной.
      Загрязнение континентальных и океанических вод углеводородами является
в  настоящее  время  одним  из   основных   видов   загрязнения   гидросферы
современным цивилизованным обществом. Тот факт, что существуют районы  моря,
где нефтеналивным судам разрешено сбрасывать  воду  после  промывки  танков,
попирает все основы океанографии. Эта проблема стоит особенно остро в  зонах
эстуариев, где, несмотря на обилие рыбы, ее невозможно  употреблять  в  пищу
из-за неприятного вкуса, который придает  ей  нефть.  Кроме  того,  действие
углеводородов нарушает экологическое равновесие замкнутых морей.
      Углеводородное загрязнение возникает  в  результате  многих  факторов,
связанных с добычей нефти, ее транспортировкой  танкерами  и  использованием
нефтепродуктов топлива и смазочных материалов.
      Загрязняется ли масса воды, когда на нее непосредственно  воздействует
человек, или ее следует  классифицировать  как  загрязненную  только  тогда,
когда  впервые  нарушается  экологическая  структура?  Гидросфера   является
динамической системой, в которой поддерживается биохимическое равновесие,  и
в нормально функционирующей водной   системе,  несомненно,  имеются  большие
резервы для ассимилирования отходов. Однако во  многих  местах  эти  резервы
настолько  исчерпаны  или  истощены,  что  ряд   водных   систем   чрезмерно
загрязнен. До того, как это  загрязнение  становится  легко  обнаруживаемым,
равновесие уже  нарушено  и  экологическая  структура  может  быть  серьезно
повреждена. Примерами таких водных систем, где  загрязнение  стало  заметным
или становится все более  заметным,  являются  Адриатическое,  Балтийское  и
Средиземное моря, реки Темза, Рейн и Сена, а также Великие  озера  в  США  и
Канаде.  Но  динамические  системы   обладают   замечательной   способностью
регенерации и  при  осторожном  и  продуманном  планировании  даже  наиболее
сильно загрязненные водные системы могут быть возвращены вновь  к  активному
и полному их использованию. Примером регенерации речного  режима  в  крупном
масштабе является успешное восстановление устья Темзы.
      В  специфическом  случае,  каким  является  прибрежная   экологическая
система, одним из важнейших факторов, который  учитывается  при  составлении
различных  прогнозов,  становится  влияние  загрязнения   на   жизнь   моря.
Известно, что  подавляющее  большинство  рыб  и  других,  вылавливаемых  для
продажи организмов, размножаются и проводят  начальный  период  развития  на
мелководье: в устьях рек, заливах и в прибрежной водной  системе.  Некоторые
глубоководные рыбы, например  атлантический  лосось,  мигрируют  из  соленой
воды в пресноводные реки метать икру.  Многие  ракообразные  и  им  подобные
размножаются в приливных зонах и проводят свою жизнь  на  мелководье.  Таким
образом,  беспорядочная  свалка  отходов  наибольшее  влияние  оказывает  на
продуктивность этих жизненно важных районов.
      Эти  районы  сравнительно  невелики   и   связаны   с   существованием
геологических  структур,  называемых  континентальными  шельфами.  Последние
занимают 7,5% площади океанов, приблизительно 18% всей земной поверхности  и
содержат около 0,2% всего количества воды.  В  настоящее  время  исследовано
менее  15%  площади  шельфов  и  изучено  менее  10%  течений  циркулирующих
прибрежных  вод.  Однако,  несмотря   на   это   такие   районы   интенсивно
используются для сброса отходов, в том числе содержащие и нефтепродукты.
      Для достижения цели моей работы необходимо решить ряд задач:
      1. Дать характеристику нефти,  как  химического  соединения  различных
         углеводородов.
      2. Проранжировать основные источники попадание нефти  в  гидросферу  и
         оценить степень их влияния.
      3. Описать процесс превращения и  распада  нефти  и  нефтепродуктов  в
         воде.
      4.  Охарактеризовать  влияние  нефти  и   нефтепродуктов   на   водные
         организмы.

      Изученность проблемы влияния  нефти  и  нефтепродуктов  на  гидросферу
увеличивается пропорционально количеству углеводородов попадающих в  Мировой
океан,  так  как  исследование   свершившихся   фактов   позволяет   оценить
реальность данного влияния.
      Данная тема описывается практически в любой литературе по экологии (Ф.
Рамад, «Основы прикладной экологии»;  А.М.  Владимиров,  «Охрана  окружающей
среды»), но достаточно глубоко  описаны  процессы,  происходящие  в  воде  с
нефтью людьми, специально занимающимися этой проблемой (И.А. Шалыгин и  др.,
«Исследование процессов при сбросе отходов в море»).



             Раздел I. Нефть и источники попадания ее в водоемы
                        1. 1. Химический состав нефти

      Прежде, чем говорить о влиянии  нефтепродуктов  на  окружающую  среду,
логично рассмотреть химический  состав  нефти,  так  как  и  ее  миграция  в
окружающей среде, и результирующее воздействие ее на флору и  фауну  зависят
от природы индивидуальных химических компонентов.
      Сырая нефть  является  смесью  химических  веществ,  содержащей  сотни
компонентов.   Сложность   химического   состава    совпадает    с    нашими
представлениями об образовании нефти. Установлено, что нефть образовалась  в
результате  длительного   теплового,   бактериологического   и   химического
воздействия на органические  остатки  растительных  и  животных  организмов.
Разумно ожидать, что  нефть  будет  обладать,  по  крайней  мере,  частично,
сложной химической природой тех материалов,  из  которых  она  образовалась.
Более 75%, общего состава нефти приходится  на  углеводороды;  кроме  них  в
нефти в наибольших количествах содержатся  сера,  азот  и  кислород:  до  4%
серы, 1 % азота  и  несколько  меньше  кислорода.  Эти  добавочные  элементы
обычно входят в состав молекул углеводорода.
      Основное различие между нефтью,  добытой  в  различных  географических
районах,  обусловлено  не  химическим  составом,  а  содержанием   отдельных
компонентов; последнее и влияет на химические и  физические  свойства  сырой
нефти. Некоторые нефтепродукты почти бесцветны, в то время как другие  имеют
черную, янтарную, коричневую  и  зеленую  окраску.  Некоторые  нефтепродукты
имеют  приятный  запах,  похожий  на  запах  эфира,  скипидара  и   камфоры.
Некоторые нефтепродукт  имеют  очень  неприятный  запах,  обычно  вызываемый
присутствием  серосодержащих   компонентов.   Биологические   и   химические
свойства  различных  углеводородов  существенно  различаются,  поэтому,  при
оценке влияния  компонентов  нефти  на  окружающую  среду  необходимо  знать
состав определенного нефтепродукта.
      Состав   нефти   обычно   определяется   количественным    содержанием
углеводородов, которые делятся па парафины, циклопарафииы,  ароматические  и
нафтеноароматические углеводороды.
      Сырая  нефть  содержит  25%   парафинов,   их   обнаруживают   главным
образом во фракциях с низкой температурой кипения (40 -  230°С).  Содержание
парафинов в различных сырых нефтепродуктах колеблется  в  широких  пределах.
Некоторые нефтепродукты состоят главным  образом  из  парафинов  нормального
строения, в то время как другие содержат лишь, следы этих соединении.
      Циклопарафипы, которые называют также нафтенами, составляют 30  -  60%
общего состава сырой нефти. Большинство из  них  являются  моноциклическими.
Однако  во  фракциях,   кипящих   при   высоких   температурах,   обнаружены
соединения, содержащие 6 и более  колец.  Наиболее  часто  можно  обнаружить
циклопентан и циклогексан.
      Ароматические  углеводороды  по   свойствам   сильно   отличаются   от
циклопарафинов.  Эти  различия  определяются  характером  связей.  Бензол  -
простейший  ароматический  углеводород  и  его  производные  преобладают   в
легкокипящих  нефтяных  фракциях;  в   высококипящих   фракциях   содержатся
полициклические ароматические углеводороды.
      Ароматические углеводороды менее распространены в нефти. Чаще всего  в
ее  состав  входят  углеводороды  сложной  структуры,   включающей   остатки
парафиновых, циклопарафиновых и ароматических углеводородов.
      Остаточные  фракции  содержат  углеводороды,   кипящие   при   высоких
температурах. Несмотря на то, что их состав не известен,  можно  утверждать,
что они содержат кислород, серу, азот и примеси  металлов,  их  молекулярная
структура  состоит  из  слоев  сконденсированных  гетероциклических   колец,
соединенных    короткими    н-парафиновыми;    цепочками    имеются    также
гетероциклические остатки.



                    1.2. Источники загрязнения гидросферы
                          нефтяными углеводородами

      В последние годы серьезное беспокойство вызывало  загрязнение  океанов
нефтью  в  результате  крушения  танкеров  и  выбросов  нефти   на   буровых
скважинах, расположенных в открытом  море.  Такие  примеры  очень  серьезны,
однако загрязнения, вызванные ими, составляют лишь небольшую долю от  общего
количества загрязнений нефтяными углеводородами акватории  мирового  океана.
Большинство нефтяных загрязнений океана не являются результатами  несчастных
случаев, привлекающих к себе так много внимания.

      Таблица № 1. Распределение вклада в загрязнение мирового океана


                    нефтью различных источников.

|                                                |Общее       |            |
|Источник загрязнения                            |количество, |Доля, %     |
|                                                |млн. т/год  |            |
|Транспортные перевозки                          |2,13        |34,9        |
|в том числе                                     |            |            |
|обычные перевозки                               |1,83        |30,0        |
|катастрофы                                      |0,3         |4,9         |
|Вынос реками                                    |1,9         |31,1        |
|Попадание из атмосферы                          |0,6         |9,8         |
|Природные источники                             |0,6         |9,8         |
|Промышленные отходы                             |0,3         |4,9         |
|Городские отходы                                |0,3         |4,9         |
|Отходы прибрежных нефтеочистительных заводов    |0,2         |3,3         |
|Добыча нефти в открытом море                    |0,08        |1,3         |
|в том числе                                     |            |            |
|обычные операции                                |0,02        |0,3         |
|аварии                                          |0,06        |1,0         |
|                                                |6,11        |100         |
|ИТОГО:                                          |            |            |

      Так сколько же нефти ежегодно попадает в Мировой  океан  из  различных
источников в результате  деятельности  человека?  Несмотря  на  ненадежность
существующих  оценок,  большинство  авторов   придерживается   мнения,   что
количество этой нефти равно 5 млн. т. Однако  некоторые  эксперты  оценивают
его в 10 млн. т. Поскольку 1 тонна нефти, растекаясь по поверхности  океана,
занимает площадь 12 км2, Мировой океан, вероятно, уже  давно  покрыт  тонкой
поверхностной пленкой углеводородов. [2].
      Детальные  статистические  данные,  взятые  из   отчета   Национальной
Академии Наук в Вашингтоне [1], приведены ниже в   Таблице №1.

                    1.2.1. Обычные транспортные перевозки

      Данные,  приведенные  выше,  указывают  на  то,  что   основная   доля
загрязнений приходится на транспортирование нефти. Это и неудивительно,  так
как основные нефтедобывающие районы расположены на  значительном  расстоянии
от многочисленных районов потребления и переработки нефти и,  следовательно,
нефть необходимо транспортировать в океанских танкерах.  В  настоящее  время
по морю ежегодно транспортируется более  1  млрд.  тонн  нефти.  Часть  этой
нефти (от 0,1 до 0,5 %) выбрасывается в  океан  более  или  менее  легально:
речь  идет  не  о  непредвиденном,  а  в   некотором   смысле   сознательном
загрязнении в результате практики сброса промывочных, и  балластных   вод  в
открытое море.
      После разгрузки пустые танки танкера заполняют морской водой,  которая
служит стабилизирующим балластом на обратном  пути.  Морская  вода  образует
эмульсию с нефтепродуктами, оставшимися в танках.  Содержащий  нефтепродукты
балласт сливается в  море  на  небольшом  расстоянии  от  порта  назначения.
Аналогично освобождаются от балласта и суда других типов.
      Эта  вода,  загрязненная  нефтью  впоследствии  сбрасывается  в  зонах
открытого моря специально оговоренных международными соглашениями, но  часто
эти операции совершаются недалеко от побережья  в  нарушение  всех  законов.
Так, например, в 1970 г. в Средиземное море  было  легально  сброшено  около
300000 тонн груза нефтеналивных судов в  двух  разрешенных  зонах,  одна  из
которых расположена на  юго-западе  от  Кипра,  а  другая  между  Италией  и
Ливией. [2].  Но  и  другие  районы  Средиземноморья,  а  также  Ла-Манша  и
Северного  моря,  систематически  загрязняются  из-за   незаконного   сброса
балластных вод танкерами.
      Не менее 300 судов, которые проходят Па-де-Кале  и  огибают  побережье
Франции, ежедневно сбрасывают балластные воды, в результате чего  образуется
настоящее «черное море». Как правило, это проделывается ночью или  же  сброс
производится в кильватерную струю судна, что позволяет ввести в  заблуждение
патрульные самолеты. Таким образом, сотни тонн нефти сбрасываются в  море  в
течение каждого рейса
      Около половины (51°/о) потерь нефти при  транспортировании  приходится
на загрузку балласта и очистку танков. Следует отметить,  что  80%  мирового
танкерного  флота  пользуются  системой  контрольных  мероприятий  LOT   для
уменьшения  количества  нефтепродуктов,  попадающих  в   море   в   процессе
освобождения от балласта. При этом на 20% танкеров, не  применяющих  систему
LOT, приходится более 70% загрязнений  моря. [1]
      Система LOT отличается тем, что в качестве балласта в ней используется
вода   и   нефтепродукты   одновременно.   Менее    плотные    нефтепродукты
располагаются в верхней части танков, а  относительно  чистая  морская  вода
выливается из  нижней  части  танков  в  море.  Нефтепродукты,  смешанные  с
небольшим количеством морской воды, остаются в танках и затем  перегружаются
на очередной танкер до полного  его  заполнения.  За  исключением  некоторых
специальных случаев, когда нефть не должна содержать примеси  морской  воды,
система LOT  может  применяться  без  каких-либо  изменений  в  конструкциях
танкеров. Большинство  нефтеочистительных  заводов  принимают  сырую  нефть,
содержащую морскую воду; фактически некоторые виды  нефти  содержат  соленую
воду.

              1.2.2. Аварии при транспортировке и добычи нефти

      Попадание  нефти  в  море  в   результате   несчастных   случаев   при
столкновениях танкеров или посадке на мель, происходит не столь часто.
      Примером первой крупнейшей аварии нефтеналивного судна  может  служить
катастрофа  в  1967  году  танкера   «Торри-Каньон»,   в   танках   которого
содержалось  117  тысяч  тонн  сырой  кувейтской  нефти.  Недалеко  от  мыса
Корнуолл  (Англия)  танкер  налетел  на  риф,  и  в  результате  пробоин   и
повреждений в море вылилось около 100 тысяч  тонн  нефти.  Под  воздействием
ветра мощные нефтяные слики достигли побережья Корнуолла, пересекли  Ла-Манш
и подошли к побережью  Бретани  (Франция).  Морским,  прибрежным  и  пляжным
экосистемам был причинен огромный ущерб.
      С тех пор разливы нефти при авариях судов и морских буровых установках
происходят довольно часто. В целом за 1962-1979 г.г. в результате  аварий  в
морскую среду поступило около 2 млн. тонн нефти, причем с 1962  по  1971  г.
66 тысяч тонн ежегодно, с 1971 по 1976 г. – по 116 тысяч тонн, а с  1976  по
1979 г. – по 177 тысяч тонн. [3].
      События, подобные этому, хотя и серьезны, но их вклад в  общие  потери
нефти при транспортировании не превышает 15%. Однако, нельзя преуменьшать  и
серьезность  таких  несчастных  случаев:  результирующие  потери   малы   по
сравнению с общими потерями нефти при транспортировании, но  они  происходят
на одних и тех же судоходных линиях или  в  относительно  мелких  прибрежных
районах. Таким образом, нефтяные сливы концентрируются на небольшой  площади
морской поверхности.
      Влияние  на  окружающую  среду  более   крупных   несчастных   случаев
возрастает  с  увеличением  тоннажа  танкеров.  Результаты  применения,  так
называемых супер-танкеров являются спорными. Суда  водоизмещением  500  тыс.
тонн  уже  спущены  па  воду,  а  для  использования  в   последующие   годы
проектируют суда водоизмещением 800 тыс. тонн.
      По сравнению с небольшими судами супер-танкерам трудно маневрировать и
они имеют больший остановочный путь  из-за  большей  осадки  и  массы.  Так,
например, танкеру емкостью 200 тыс. т. требуется пройти, по  крайней,  мере,
4,5 км для остановки, даже если двигатели  включены  в  реверсивном  режиме.
При аварийной остановке  таким  танкером  управлять  весьма  трудно.  Потеря
одного танкера водоизмещением 200-500 тыс.  тонн  в  условиях,  при  которых
разгрузка судна невозможна, может прибавить 3-8% к общему количеству  нефти,
выливаемой непосредственно в океан за год.
      Однако  нужно  указать,  что  трудности  управления  растут  не  прямо
пропорционально  размерам  танкера;  более  того,  применение  большегрузных
судов уменьшает их необходимое  число,  а  стоимость  перевозок  может  быть
значительно снижена. Так как число судов может быть не столь велико,  экипаж
можно укомплектовать только  высококвалифицированными  работниками.  Большие
танкеры можно оборудовать  высококачественным  навигационным  оборудованием,
которое слишком дорого для многих малых судов.
      Около 500 печальных случаев аварий  нефтеналивных  судов  имело  место
между 1960 и 1970 г. Можно без труда представить себе, какой риск  связан  с
плаванием супертанкеров, которые загружают в танки до 400000  т  нефти.  Эти
суда могут проходить через ограниченное число проливов и  швартоваться  лишь
в немногих портах мира (например, в заливе Фос, Франция). Мы  уже  описывали
крушение танкера «Торри Каньон», поэтому  нетрудно  представить,  что  может
произойти, если хотя бы одного из этих гигантов  постигнет  такая  печальная
участь, так как нельзя исключить возможность подобных катастроф в будущем.

      Аварии на нефтяных  разработках  в  открытом  море  могут  привести  к
серьезному  загрязнению  океана.  В  момент  бурения,  введения  труб,   при
установке вершины вышки, а также и во время эксплуатации скважин  существует
определенный риск загрязнения. Впервые подобная авария произошла в  1968  г.
на калифорнийском шельфе, при бурении подводной скважины  у  пролива  Санта-
Барбара. Трещина в головке скважины привела к тому,  что  в  море  попало  в
общей сложности несколько десятков миллионов тонн нефти.