Организация работ по рекультивации и обустройству нарушенных земель

Наряду с сельскохозяйственной и лесохозяйственной рекультивацией места сухой выемки грунта можно использовать и в других целях - для создания спортивных и игровых площадок, устройства кемпингов и отвода участков под строительство. Не исключается и обратная засыпка выработанного пространства карьеров неопасными с точки зрения санитарии и сохранения качества грунтовых вод материалами, например отвальным грунтом после проходки тоннелей метрополитена, строительными отходами после слома домов и другими безвредными материалами. После заполнения карьера этими материалами формируют верхний насыпной слой, отсыпаемый из минерального грунта толщиной до 0,5 м и почвенного - не менее 0,15 м, с последующей рекультивацией территории для сельскохозяйственного или иного использования.



Лекция 13

Тема: Рекультивация территории карьеров добычи камня

По классификации скальные грунты и конгломераты считают непригодными для биологической рекультивации по физическим свойствам. При добыче камня рекультивация выработанного пространства карьеров и поверхностей отвалов из скальной породы требует выполнения специальных предварительных мероприятий. Карьер по добыче камня - серьезное вторжение в структуру ландшафта, полностью изменяющее природные условия и оставляющее после себя многочисленные и большей частью очень заметные раны в природном балансе и внешнем виде ландшафта.

В процессе добычи камня образуются насыпи из вскрышного (поверхностный слой месторождения) слоя грунта, непригодного для производственных целей. Этот грунт можно разделить на плодородный слой почвы и материнскую породу или выветренные скальные породы, снимаемые при выполнении вскрышных работ. Верхний почвенный слой должен быть сохранен во временных отвалах растительного грунта. Кроме того, на некоторых добывающих предприятиях в отвал отправляют отсев, а также другие производственные отходы, добытые в месторождении, но непригодные для использования. Объемы и доля вскрышных работ и производственных отходов в объеме добычи непостоянны и изменяются по мере разработки месторождения, однако их можно предварительно достаточно точно рассчитать, чтобы определить размеры отвалов и окончательно сформировать рельеф местности при рекультивации.

Рекультивация и обустройство подошвы выработки и складских площадок. Подошва выработанного пространства в карьерах скального грунта, а также уплотненные в результате движения транспортных средств производственные и складские площадки непригодны для непосредственного обустройства ландшафта без предварительного проведения работ по их рекультивации. Поэтому перед планомерной высадкой саженцев древесно-кустарниковой растительности на площади рекультивируемых участков подошвы карьера и складских площадок, предварительно освобожденных от складируемого материала, отсыпают слой рыхлого вскрышного и почвенного грунтов толщиной не менее 1 м. Для погрузки в автосамосвалы вскрышного и почвенного грунтов из временных отвалов используют одноковшовые экскаваторы. Доставляемый автосамосвалами вскрышной и почвенный грунты разравнивают бульдозерами по поверхности рекультивируемых участков подошвы карьера и складских площадок. В карьерных разработках достаточно часто наблюдается скопление холодного воздуха, что в совокупности с низким содержанием питательных веществ образуемого растительного покрова затрудняет развитие древесно-кустарниковой растительности. Поэтому для оттока холодного воздуха при проведении рекультивации необходимо создать уклон подошвы карьера в сторону общего понижения дневной поверхности земли, а постоянным отвалам придать форму, обеспечивающую продуваемость карьерной выработки.

Использование выработанного пространства карьеров камня в качестве искусственного водоема для целей рекреации проблематично из-за непостоянства уровня воды в них после их затопления и опасных отвесных берегов.

Рекультивация и обустройство склонов скальной выработки. При выемке скального грунта его периодически предварительно рыхлят буровзрывным способом, в отдельных случаях - механической распиловкой более слабых (известняки, известняки-ракушечники, мрамор) горных пород на отдельные блоки или другим способом.

Независимо от способа рыхления скального грунта после завершения работ в карьере остаются крутые откосы большей или меньшей протяженности в зависимости от конкретных условий месторождения. При обустройстве таких откосов придавать им пологую форму необязательно. Примером их обустройства могут служить отвесные скалы, оставляемые после выемки камня. Однако крутизна оставляемого откоса зависит главным образом от прочностных характеристик пород, слагающих рекультивируемый склон. В принципе должна быть сформирована вполне устойчивая скала крутизной около 60^о к линии горизонта, расчлененная по высоте через каждые 10 - 30 м горизонтальными уступами шириной не менее 3 м.

Если в процессе разработки месторождения эти условия не были выдержаны, то устойчивое положение склонам придают, проводя дополнительные земляные работы буровзрывным способом (рис. 30).

Рис. 30. Пример формирования устойчивого склона в скальном грунте (размеры в м):

а...з - очередность разработки скальных массивов; 1 - выработанное пространство карьера; 2 - подошва выработки; J -склон, оставленный после выемки камня; 4, 6, 8 - скважины для закладки ВВ в первом, втором и третьем ярусах склона; 5, 7 - уступы в подошве первого и второго ярусов; 9 - дневная поверхность земли; 10 - скальный массив

После того как будет сформирован устойчивый скальный склон, его начинают обустраивать, ссыпая сверху на его поверхность вначале мелкозернистый минеральный, а затем почвенный грунт из временных отвалов, которые были размещены на верхних отметках вблизи карьера при производстве вскрышных работ. При падении часть грунта задерживается на уступах и неровностях рекультивируемого откоса, создавая условия для естественного распространения травянистой и древесно-кустарниковой растительности. Для ускорения и планомерного достижения этой, цели можно использовать гидропосев семян и внесение химических удобрений, а также других питательных веществ. Для выполнения этих работ можно применять бульдозеры и гидросеялки, используемые в мелиоративном и гидротехническом строительстве. Схема обустройства склонов карьера после выработки камня показана на рисунке 31.

Рис. 31. Пример обустройства склона выработки скального грунта (размеры в м): а - схема перемещения вскрышного фунта; б - обустройство склона; 1 - направления перемещений фунта при вскрытии карьера и обустройстве склона; 2 - временный отвал почвенного слоя грунта; 3,4 - защитные насаждения; 5 - склон выработки; 6 - устойчивая стенка склона; 7 - закругленная верхняя кромка выработки с насыпанным верхним слоем почвы и посаженными защитными насаждениями; 8 - насыпной фунт; 9 - подошва выработки покрытия мелкозернистой почвой для посадки деревьев и кустарников



Лекция 14

Тема: Классификация противоэрозионных гидротехнических сооружений

В комплексе с агротехническими и лесомелиоративными приемами при минимальном отводе пашни для предотвращения эрозионных процессов широко применяют инженерные гидротехнические сооружения. Особенно велико их значение, когда защитные лесные насаждения у вершин оврагов в первые 5 - 7 лет еще начали выполнять противоэрозионную роль. Противоэрозионные гидротехнические сооружения должны уменьшать или полностью прекращать рост промоин, вершин оврагов, выравнивать конфигурацию полей, отводить воду с водосборных площадей и подводить к водосборным сооружениям или на задернованные склоны, пропускать расчетный расход воды и гасить избыток энергии потока за сооружениями, уменьшать заиление рек. В зависимости от назначения и конструкции гидротехнические сооружения принято подразделять на четыре группы.

1. Водонаправляющие сооружения - распылители стока и водоотводящие валы. Они предназначены для отвода воды от вершин оврагов, размываемых участков дорог и для подвода воды на задернованные участки склонов, к водозадерживающим валам и к водосбросным сооружениям.

2. Водозадерживающие сооружения - валы, террасы, плотины-перемычки. Их применяют для регулирования стока у береговых или склоновых оврагов.

3. Водосборные сооружения - лотки-быстротоки, перепады, шахтные, трубчатые и консольные водосбросы. Их применяют для сброса воды на дно оврагов и балок, а также для закрепления оврагов.

4. Донные сооружения - запруды, каменные наброски и перепады. Их используют для закрепления донных оврагов, выравнивания продольного профиля балок и повышения базиса эрозии.

Технология строительства противоэрозионных гидротехнических сооружений. Распылители стока на пахотных землях. Наиболее эффективно применение распылителей стока для рассредоточения водных потоков, концентрирующихся перед ложбинами на пахотных склонах крутизной до 5°, перед склоновыми промоинами, вдоль межи или у напашей лесных полос. Расположение распылителей стока на местности устанавливают в период полевого обследования овражно-балочных систем. Для рассредоточения водного потока плантажным плугом ППУ-50А делают глубокие борозды с валиками. Чаще всего водоустойчивые валики формируются после двух проходов плантажного плуга. При этом необходимо следить за тем, чтобы крутизна по линии пропашки не превышала 1,0 - 1,5°. В противном случае в бороздах значительно возрастает скорость потока воды и они будут размываться. Концентрированные потоки воды, распыленные валиками, целесообразно направлять на задернованные участки или в водоприемники.

Распылители стока на непрофилированных дорогах. В системе мер по защите почв от водной эрозии особое место занимает защита полевых дорог. Дороги целесообразно размещать по водораздельным участкам землепользования. По окончании весеннего стока, после сильных ливней, бульдозерами и грейдерами необходимо проводить тщательную планировку профиля дороги с одновременной засыпкой промоин.

Водозадерживающие валы. Водозадерживающие валы широко применяются при закреплении береговых и склоновых оврагов. Их используют при относительно небольшой водосборной площади оврагов. Обычно при уклонах 2 - 3° водосборная площадь не должна превышать 8 - 12 га, а при уклоне до 6° - 2 - 4 га.

Водозадерживающие валы обычно размещаются перед вершинами оврагов. Перед вершиной действующего оврага водозадерживающие валы делают на расстоянии, равном высоте перепада в вершине оврагов плюс ширина приовражной полосы.

Устройство водозадерживающих земляных валов начинается со вспашки площади, намеченной под гребни вала и выемку, навесными тракторными плугами.

Разрыхленная плугами почва выемки бульдозерами перемещается на основание вала толщиной слоя 0,5 м. Для того чтобы сделать насыпь такой высоты, обычно требуется три-пять заездов бульдозера с захватом грунта на выемке с расстоянием до 12 - 20 м. Затем слой грунта, насыпанный выше основания вала, тщательно трамбуют последовательно соединенными водоналивными катками ЗКВГ-1,4 или несколькими проходами бульдозера по насыпи вала. Уплотнение грунта должно обеспечивать его усадку примерно на 10 см.

После завершения строительства насыпи вала, перемычек и шпор в выемку прудка бульдозерами сдвигается плодородный слой почвы, ранее перемещенный бульдозером из верхней части выемки. Перемещение этого гумусированного слоя почвы способствует лучшему задернению почвы.

Чтобы обеспечить лучшее задернение, откосы и гребни валов весной следующего года или ранним летом того же года засевают травами. Состав травосмесей может быть различным в зависимости от почвенно-климатической зоны. Если валы устраивают на пахотных землях, то перед ними необходимо провести залужение на полосах шириной 50 - 60 м.

Водозадерживающие валы могут стать надежным средством защиты почвы от оврагообразования только при правильной их эксплуатации. Водосливные пороги в период весеннего снеготаяния нужно систематически очищать от скопления льда и мусора, проникающего в валы с водосборных площадей. До начала снеготаяния в снегу надо прокладывать траншеи. Вода из водосливных порогов валов должна отводиться на хорошо задернованные участки.

Водоотводящие валы. В отличие от водозадерживающих валов водоотводящие валы устраивают для отвода воды от вершин оврагов или других размываемых участков к водосбросным сооружениям и водозадерживающим валам.

Водоотводящие валы делают, соблюдая допустимые продольные уклоны. Нивелиром прокладывают трассу будущего вала, затем навесным плугом пропахивают трассу, намеченную под вал и выемку. Как и при строительстве водозадерживающих валов, вспаханная земля бульдозером отодвигается за пределы вспаханной полосы. В дальнейшем по той же технологии, что и в предшествующем случае, относительную высоту водоотводящего вала доводят до 0,7 м с послойной утрамбовкой. Для обеспечения прохода гусеничных тракторов ширину гребня делают 2,5 м. Ширина основания в этом случае составит 4,6 м.

Выполаживание оврагов. Наряду с закреплением оврагов водозадерживающими валами во многих хозяйствах проводят работы по выполаживанию и засыпке.

Выполаживание и засыпка оврагов имеют важное значение не только в борьбе с водной эрозией почв. При выполаживании сельскому хозяйству возвращаются земли засыпанных оврагов, а также межовражные бросовые земли, которые нередко в 3 - 5 раз превышают площадь самих оврагов. После выполаживания береговых оврагов значительно расширяются возможности применения механизации. Однако далеко не все овраги могут быть рекомендованы для выполаживания. Так, донные овраги выполаживать нельзя, так как они часто имеют большую водосборную площадь и неудобны для работы бульдозеров. Нецелесообразно эту работу проводить также на оползневых участках. Лучше всего выполаживать склоновые овраги, глубина которых не превышает 3 - 5 м.

Выположенные овраги в течение первых трех лет целесообразно использовать для загущенных посевов многолетних трав. Корневые системы многолетних трав будут хорошо скреплять почву, формировать устойчивую против размыва дернину, так как почву под травами не будут пахать в течение 2 - 3 лет.

Строительство плотин-перемычек. Иногда выполаживание оврагов совмещают со строительством отдельных или каскадных плотин-перемычек. В этом случае необходимо полностью или частично задержать поверхностный сток и получить искусственное заиление оврага, для того чтобы возвратить сельскому хозяйству земли оврагов и межовражных территорий.

Для устройства плотин-перемычек в сочетании с выполаживанием обычно подбирают неглубокие (до 5 - 7 м) склоновые овраги, далеко врезающиеся в пахотные земли, водосборная площадь не должна превышать 20 га. Плотины-перемычки строят по специальным проектам.

Высота плотины-перемычки определяется глубиной оврага. Для обеспечения проходов трактора в верхней части плотина должна иметь ширину 3,5 - 4,0 м.

Водозадерживающие траншеи. В последние годы для перехвата поверхностного стока и увеличения влажности почвы на склонах начали применять различные виды водозадерживающих траншей. Расстояние между траншеями в зависимости от крутизны склона устанавливают от 20 до 100 м. Для нарезки траншей глубиной 45 - 50 см, которые располагаются строго по горизонтали, применяют кустарниково-болотные или плантажные плуги.

Чтобы предотвратить промерзание почвы и увеличить возможность водопоглощения, на дно траншеи укладывают солому и навоз. Такой агротехнический прием способствует перехвату стекающих по склону талых вод.

Наряду с водопоглощающими бороздами на приводоразделительных пахотных склонах начали применять также водопоглощающие траншеи и валы в водорегулирующих лесных полосах.

Донные гидротехнические сооружения. В комплексе с вершинными противоэрозионными гидротехническими сооружениями надо создавать донные сооружения. Они способствуют прекращению роста оврагов в глубину и ширину. На участках с донными запрудами происходит заиление и поднятие ложа оврага. Они уменьшают скорость потока, повышают шероховатость русла, задерживают твердый сток.

Донные запруды быстро подвергаются разрушению, поэтому их надо сочетать с облесением дна. Донные запруды бывают плетневые, хворостяные, фашинные и каменные.

Для укрепления дна оврагов, если по нему не идет большой поток воды, часто применяют хворостяные запруды. Хворост укладывают поперек дна оврага слоем 0,5 - 0,7 м, начиная с устьевой части оврага, так чтобы вершины предшествующего ряда были прикрыты вершинами последующего. Слои хвороста прижимаются деревянными слегами и ивовыми кольями. Илистые частицы почвы из потока воды отфильтровывают и заполняют все пустоты в хворосте. Хворостяная запруда заполняется илистыми частицами в течение 1 - 2 лет. Для обеспечения естественного заращивания к хворосту следует добавить живые ивовые прутья.

Плетневые запруды относятся к категории живых запруд, так как в последующем образуют ряды растущих деревьев. Они бывают одинарными и двойными. При изготовлении одинарных плетневых запруд поперек дна оврага роют канаву шириной 0,5 м- Канава должна захватывать примерно по 1 м откоса оврага. Глубина канавы в донной части оврага - 0,3 - 0,4 м, а в откосах оврага - примерно 1 м.

Чтобы избежать повреждения (размочаливания) заготовленных ивовых кольев диаметром 6 - 8 см, делают отверстия для кольев. Расстояния между кольями обычно принимают 0,25 - 0,3 м. Затем изготавливают два ряда плетней (через 0,5 м) из ивового прута с таким расчетом, чтобы концы плетня заходили в откос оврага на ширину 1 м. Со стороны вершины оврага плетень заделывают землей в уровень с поверхностью дна, а почву тщательно утрамбовывают. После этого донную и боковые части склонов оврага хорошо одерновывают. В средней части запруда должна иметь стрелу прогиба.

Если запруды имеют большую длину, то для усиления их прочности со стороны водобойной части забивают деревянные сваи с прогибом в сторону вершины оврага. Весьма важное значение имеют сроки изготовления запруд. Чтобы избежать размыва, обеспечить приживание кольев и одерновки, изготовление запруд лучше всего начинать сразу же после весеннего паводка.

Фашинные запруды целесообразны только в местах постоянного увлажнения. Их изготавливают из трех фашин. Перед укладкой фашин по дну оврага перпендикулярно линии стока роют траншею, которая должна захватывать также откосы оврага длиной 1,0 - 1,5 м. Нижняя сторона вертикального ряда фашин удерживается сваями, которые забивают на расстоянии 1 м одна от другой. Со стороны вершины оврага фашинная запруда крепится земляной отсыпкой. Земля на отсыпке плотно утрамбовывается и выкладывается дерном.

Во избежание просачивания воды фашины плотно прижимают к грунту дубовыми кольями. Чтобы уменьшить рассекание и возможность прорыва земли водой, в средней части фашинная запруда должна иметь прогиб. Водобойная площадка запруды выстилается каменной наброской или хворостом. Фашинные запруды недолговечны. При разложении хвороста в фашинах появляются пустоты, куда легко проникает вода, причиняя разрушения. В связи с этим фашинные запруды можно создавать только на оврагах, имеющих небольшие водосборные площади. Высота плетневых и фашинных запруд не должна превышать 1 м.

Деревянные запруды могут применяться на тех оврагах, где по условиям влагообеспеченности грунты мало пригодны для приживания хвороста и кольев в хворостяных запрудах. При строительстве деревянных запруд по дну оврага вырывают канаву глубиной 0,5 м, а в откосах оврагов - 1,5 м. Доски к сваям прикрепляют так, чтобы в средней их части имелась стрела прогиба. Прогиб в доске можно сформировать соответствующим пропилом. Доски следует укладывать аккуратно, так как при наличии больших щелей между ними будет проникать разжиженный грунт, что может привести к преждевременному размыву запруд. Высота деревянных запруд не должна превышать 1 м. Верхнюю часть запруды со стороны вершины оврага тщательно утрамбовывают землей и обкладывают дерном. Водобойный пол устилается каменной наброской.

Каменные запруды устраивают при высоте перепада до 3,0 м. Они долговечны и эффективны даже при больших водосборах. Их делают из кирпича, камня или бетона. В зависимости от материала определяется технология их строительства.

После завершения строительства всех видов донных гидротехнических сооружений места сопряжения их с берегами балок или откосами оврагов надо засеять травами или обложить дерном. Выше и ниже донных запруд нужно создавать насаждения-илофильтры из быстрорастущих влаголюбивых пород, а по откосам - из засухоустойчивых и корнеотпрысковых пород.

Водосборные гидротехнические сооружения. К водосборным гидротехническим сооружениям относят лотки-быстротоки, закрытые быстротоки, каменные перепады, водосбросы и стенки падения. Их обычно называют головными, или вершинными, овражными сооружениями. Они чаще всего применяются, если разрастающиеся овраги угрожают строениям, населенным пунктам, профилированным или асфальтовым дорогам, если по характеру рельефа в нижних частях водосборной площади трудно разместить систему водозадерживающих валов, а также на землях водосбора с произрастающими ценными культурами. Строительство таких сооружений осуществляется по предварительно разработанным проектам.

Быстротоками обычно называют водосборные сооружения, в которых вода движется по полу лотка. Широкое применение получили лотки-быстротоки. Они имеют прямоугольное, параболическое или трапецеидальное поперечное сечение.

В лотках-быстротоках различают приемную, или входную, часть с горизонтальным углом, по которому вода подводится к этому сооружению.

Приемную и боковые части лотков после завершения строительства обсыпают с наружной стороны грунтом по верхнюю кромку стенок. Это исключает возможность попадания в лоток поверхностных вод с прилетающих откосов (вместе с которыми могут попасть растительные остатки, мусор). Все части грунта, непосредственно соприкасающиеся с лотком, должны быть засеяны травами или одернованы. Наружные стенки лотков-быстротоков покрывают гидроизоляцией (горячим битумом).

Перепады, или стенки падения, применяют для сброса воды в овраг. Они бывают одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатые перепады используют в тех случаях, когда вершина оврага не превышает 2,0 - 3,0 м.

Многоступенчатые перепады проектируют для оврагов с перепадом высот до 10 м и более, однако высота каждого перепада не должна быть больше 2 м. Часто такие перепады устраивают у кюветов дорожной сети. Как и лотки-быстротоки, перепады можно изготавливать из бетона, железобетона и сборного железобетона. При строительстве уделяют особое внимание сопряжению многоступенчатых перепадов. Они должны быть устойчивыми против фильтрации воды и разрушения.

Шахтные водосбросы из-за сложности сооружения и эксплуатации на оврагоукрелительных работах применяют редко. Их возводят в основном в средних и нижних частях оврагов совместно с запрудами для создания условий заиления, засыпки оврагов и при прокладке через них дорог. Допускается возведение шахтных водосбросов при высоте перепадов до 15 м. Вертикальные шахты устраивают из колец монолитного или сборного железобетона. Предварительно надо знать несущую способность грунтов. Основание возводят из бутовой кладки, бетона или железобетона. Обычно шахты делают вертикальной формы с диаметром до 0,8 м.

В нижней части шахтного водосброса, в сопряжении с ним, устраивают горизонтальные отводящие трубы диаметром не менее 0,5 м. При строительстве отводящих труб используют сборные железобетонные трубы-кольца, а при наличии местных строительных материалов - бутовую кладку с перекрытием каменными плитами.

Чтобы избежать фильтрации воды, надо тщательно контролировать сопряжение труб. Все поверхности, соприкасающиеся с грунтом, в два слоя покрывают гидроизоляционной битумной эмульсией, а стыки оклеивают мешковиной, пропитанной битумной мастикой.

Оголовки шахтных водосбросов в соответствии с правилами по технике безопасности оборудуют сороудерживающими решетками с диаметром ячеек не меньше, 0,3 - 0,4 м.

Оголовки шахтных водосбросов должны возвышаться над бетонной или каменной отмосткой вокруг шахты не менее чем на 0,2 м. На уровне каменной отмостки в оголовке шахты устраивают также водовыпускные отверстия.

Трубчатые водосбросы выполняют из железобетонных, асбоцементных или полиэтиленовых труб. В противоэрозионном строительстве их применяют лишь там, где невозможно разместить открытые перепады, или если надо сделать переезды над водосбросами. Трубчатые водосбросы возводят при высоте перепадов 30 - 40 м. Диаметр труб должен быть равен 0,5 - 1,0 м, а число ниток труб не больше 3.

Консольные водосбросы сооружают для сброса воды с обрывистых берегов и склонов на дно оврагов. Если грунты скальные и полускальные, то консольные перепады применяются при расходах воды до 15 м³/с, а при рыхлых и средних грунтах - при расходах воды до 1 м³/с.

Консольные водосбросы можно изготавливать из сборных железобетонных конструкций, а на временных противоэрозионных сооружениях - из железобетона и дерева.



Лекция 15

Тема: Рекультивация нефтезагрязненных земель

Основное содержание:

1. Воздействие нефтяных углеводородов на почвенную экосистему

2. Методы ремедиации нефтезагрязненных объектов в различных почвенно-климатических условиях

1. Воздействие нефтяных углеводородов на почвенную экосистему

Окружающая человека среда представляет собой среду его обитания и производственной деятельности. Ее состав определяется факторами живой и неживой природы. Для охраны окружающей среды проводится комплекс мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов Земли.

В настоящее время проблема антропогенного негативного воздействия приобрела глобальный, а зачастую, и катастрофический характер. Одну из основных ролей здесь играют виды, источники, пути, состав и количество загрязнений.

Основным компонентом экосистем являются земельные ресурсы - национальное достояние, главный фактор экономического богатства всех стран. В последнее время наблюдается усиление процессов деградации и истощения почв. Одним из наиболее опасных веществ, загрязняющих среду обитания, в силу своих свойств и масштабов использования является нефть.

Систематически происходят аварийные разливы нефти в районах ее добычи, хранения, транспортировки, переработки и потребления, обусловленные применяемыми технологиями, изношенностью трубопроводов и оборудования, а также несоблюдением технологической дисциплины. Оценить объемы нефти, попадающей в природные объекты при всех авариях, крайне сложно. Только по официальным данным, в России потери нефти и нефтепродуктов достигают почти 5 млн. т в год. В мире ежегодно теряется 50 млн. тонн нефти и нефтепродуктов при валовом объеме добычи в мировом масштабе - свыше 2,5 млрд тонн сырой нефти.

Нефть представляет собой черную густую жидкость, состоящую из большого числа углеводородов разнообразного строения и высокомолекулярных смолисто-асфальтеновых веществ. В ней растворено некоторое количество воды, солей, микроэлементов. Главные элементы представлены углеродом - 83-87%, водородом - 12-14%, азотом, серой и кислородом - 1-2%. Десятые и сотые доли процента нефти составляют многочисленные микроэлементы, которые можно разделить на 2 группы: нетоксичные (Si, Fe, Al, Mn, Ca, Mg, Cu) и токсичные (V, Ni, Co, Pb, Zn, Ag, Hg, Mo).

Нефть различных месторождений отличается по компонентному составу. Так, нефть Мангышлак - Прикаспийского региона представлена углеродом (85-86%), водородом (11-12%), кислородом (0,6-0,9%), азотом (0,1-0,6%), серой (0,6-1,6%), а также десятыми и сотыми долями различных микроэлементов (свинец, кобальт, стронций, хром, ванадий, никель и др.). По химическому составу эта нефть является высокосмолистой и высокопарафинистой, содержит большое количество асфальтосмолистых веществ, застывает при температуре +36, +37⁰С, что вызывает значительные трудности при ее транспортировке. Парафин (С₁₀-С₃₄) является продуктом липидно-липоидной фракции исходной биомассы, не токсичен для растений, но при низких температурах кристаллизуется в прочную массу, адсорбирует смолистые вещества и асфальтены, создавая в профиле прочные битумные коры, пропитанные мазутом и химреагентами мощностью 10-50 см и более. Битумные коры образуются при загрязнении маслянистой и парафинистой нефтью.

Из нефти получают несколько тысяч различных нефтепродуктов, широко используемых в различных направлениях хозяйственной деятельности, наиболее востребованными из них являются: смазочные масла, дизельное топливо, авиа- и автобензины, керосины, парафин, нефтяные кислоты, мазут и другие.

Важным аспектом негативного воздействия нефти на почвенный покров является передвижение углеводородов нефти по почвенному профилю. В связи с этим, для понимания механизмов самоочищения и восстановления почв, нарушенных техногенезом, необходимо исследование трансформации нефти, стадий миграции нефти, для определения давности загрязнения и сроков восстановления почв, повышения эффективности контроля за загрязнением среды нефтью и нефтепродуктами. Кроме того, необходимо принимать во внимание способ попадания нефти в окружающую среду и темпы ее миграции.

Специфика распределения нефти по профилю определяется генетическими свойствами почв, механическим составом, от которого зависит общая площадь поверхности почвенных частиц, сорбционные свойства, величина пор.

Основное воздействие нефти испытывает верхняя часть почвенного профиля и наземные органы растений. Глубина просачивания нефти может ограничиваться только верхними горизонтами или достигать 1-2 м. В песчаных почвах создается сплошной фронт продвижения нефти. В тяжелых суглинках нефть проникает по трещинам вдоль корневых систем растений, сорбируется в отдельных горизонтах, определяя мозаичную, пятнистую картину загрязнения почвенного профиля. Создаются своеобразные «нефтяные микротекстуры» почвенного профиля.

Наиболее глубоко нефть и нефтепродукты продвигаются в почвах и грунтах легкого механического состава - песках, гравии, супесях и трещиноватых породах. В глинистых лессах через 2 года после загрязнения мазут был обнаружен на глубине 2,25 м.

Хорошая проницаемость дренированных песчаных и супесчаных почв обусловила глубокое проникновение загрязнителя в почву и материнские породы. Начиная с концентрации загрязнителя 50 л/м², следы нефти обнаруживаются на глубине 100 и более сантиметров. При дозах 1,5 л/м² и менее загрязнитель, в основном, перехватывается торфянистым горизонтом и лесной подстилкой (3-10см). Суглинистые почвы менее проницаемы для нефти, поэтому при дозах менее 20 л/м² сохранность и темпы восстановления живого напочвенного покрова на суглинке выше, чем на песчаной почве сосняка брусничного. Такое мнение высказывает Чижов Б.Е., наблюдая за изменениями, происходящими в почвенном покрове при проникновении в него углеводородного загрязнителя.

При вертикальном передвижении нефти в гумусовом горизонте собираются высокомолекулярные компоненты нефти, а в нижние горизонты проникают в основном низкомолекулярные соединения, которые просачиваются в подземные и грунтовые воды. Загрязнение почв нефтью и сопутствующими поллютантами ведет к контаминации углеводородами, ПАУ и солями почвенно-грунтовых вод, а затем и подземных вод, включая питьевые воды. Скорость продвижения фронта загрязнения в песчано-глинистых отложениях может достигать 30 т/год. Так, например, в нефтедобывающих регионах Башкортостана и Татарстана загрязнение подземных вод фиксируется уже на всю глубину геологического разреза.

Скорость, глубина и характер проникновения нефти, а также масштабы загрязнения экотоксикантом зависит не только от физико-химических свойств самой нефти, но и от почвенно-климатических характеристик региона.

В тундровой зоне, например, нарушается режим теплообмена в почвах и грунтах, глубина промерзания - протаивания, механическому повреждению и уничтожению подвергаются растительность и почвы, возникают отложения минеральных взвесей на поверхности почв.

В группе мерзлотно-тундрово-таежных ланшафтно-геохимических районов миграция нефти контролируется торфяным и гумусовым горизонтами, а также мерзлотным барьером. На этих барьерах направление движения загрязнителя меняется с вертикальной на латеральную.

Напротив, засухоустойчивость в пустынных зонах, приводящая к образованию трещин на поверхности почвенных экосистем, способствует проникновению загрязнителя глубоко вглубь как фронтально, так и по образовавшимся трещинам усыхания. Здесь наблюдается значительное засоление почв нефтяными и промысловыми водами с образованием вторичных устойчивых солончаков.

Для почв влажно-субтропических регионов характерна интенсивная минерализация нефти и нефтепродуктов, выщелачивание остаточных продуктов, рассеяние растворимых органических и минеральных веществ.

В лесостепных зонах проникновение нефти характеризуется вертикальным направлением (до 120 см) и, хотя такое распределение нефти оказывает мощное негативное воздействие на эти почвы, но другие компоненты ландшафта остаются незагрязненными.

Пропитывая профиль почвы, нефтяные загрязнители изменяют их физическое состояние, миграцию веществ, нарушают водно-воздушный режим, структурное состояние и углеродно-азотный баланс, поставляют различные токсичные вещества.

На сегодняшний день накоплен богатый материал отечественных и зарубежных исследований о негативном влиянии нефти на свойства почвы, где описывают достаточно резкие изменения почвенного профиля, которые затрагивают практически все морфологические элементы. Указывается, что при этом возможна полная деградация отдельных генетических исходных почв вплоть до исчезновения их первичных признаков. Отмечается тенденция увеличения мощности гумусового профиля.

Морфологические признаки нефтезагрязненных почв могут быть достаточно информативными и служить в качестве диагностических показателей для выявления уровня загрязнения. Нефть, просачиваясь в почвы, распределяется неравномерно. Количество битуминозных веществ изменяется не только при смене горизонтов, но и в различных фрагментах одного и того же горизонта. Цвет почвы становится более темным, чем цвет фоновых аналогов. В верхних горизонтах отмечается интенсивная и довольно равномерная пропитка нефтью, но все же максимальное количество привнесенных органических веществ концентрируется по ходам корней и трещинам.

Весьма существенные изменения происходят в агрохимических свойствах загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв. По мнению большинства исследователей, в почвах наблюдаются увеличение углерода, уменьшение емкости поглощения, изменение реакции среды.

Под влиянием нефтяных углеводородов ухудшаются также агрофизические свойства. Изменения проявляются в ухудшении водных свойств и воздушного режима почвы, снижении водоудерживающей способности, разрушении структуры почвы, недостатке кислорода, уменьшении порозности и неблагоприятном распределении пор аэрации и пор, занятых водой. Происходит увеличение фактора дисперсности от 11,5 до 19,2 %, а факторы структурности и степень агрегатности соответственно уменьшаются от 88,7 и 76,5 %, до 80,5 и 66,7 %. Наблюдается снижение коэффициентов фильтрации до 0,3 см/сутки, что отрицательно сказывается на растениях.

Другие авторы наблюдают, что на участках, загрязненных сырой нефтью, уменьшается всасывание и движение влаги по почвенным капиллярам. Гидрофобный подпочвенный слой из смеси сырой нефти и почвы понижает капиллярную влагоемкость, но увеличивает способность к накоплению влаги в верхних слоях.

В работе загрязнение чернозема выщелоченного товарной нефтью привело к изменению всего комплекса свойств почвы: произошло слипание мелких агрегатов с образованием крупных, которые стали чрезмерно водопрочными, категории почвенной влаги сдвинулись в сторону с меньшими значениями, изменился характер порового пространства, снизилось содержание влагопроводящих пор, произошла деградация почвенно-поглощающего комплекса, ухудшилась обеспеченность подвижными формами азота и фосфора.

Нефтяные углеводороды оказывают токсичное действие на высшие растения и живые организмы, обитающие в почве, вызывают замедление их развития, а при высоких концентрациях - гибель. Воздействие нефти на живые организмы почвы в значительной степени зависят от ее концентрации. В низких концентрациях нефть оказывает стимулирующее воздействие на почвенную биоту, так как она является энергетическим субстратом для большой группы микроорганизмов и содержит вещества, стимулирующие рост и развитие растений. Стимулирование растений часто отмечается в условиях пустынь и полупустынь на богатых битумами почвах. Морфология таких растений, проявляющаяся в окраске листовой поверхности и в их продуктивности, заметно лучше, нежели на незагрязненных участках.

При высоких дозах нефть губительно влияет на растительные сообщества. Влияние нефти на высшие растения зависит как от концентрации загрязнителя, так и от физиологических свойств самой флоры местности, подвергшейся негативному воздействию. Губительное воздействие на растительные сообщества экотоксиканта изучалось многими авторами. Попадая на наземные экосистемы, нефть обволакивает корни растений, образуя тем самым механический барьер для поступления в них воды, кислорода и других питательных веществ. Характерными морфологическими изменениями в таком случае являются пожелтение, высыхание, искривление стеблей, скручивание листьев, карликовость всей наземной части.

Механизм отрицательного действия углеводородов нефти на биохимические процессы в растениях изучен недостаточно. Наиболее токсическое действие оказывают нафтеновые и керосиновые фракции. Они проникают в растения, нарушая строение клеточных мембран, регулирующих процессы обмена веществ. При концентрациях в почве дизельного топлива - 90 мл/кг всхожесть семян снижается на 50%, тогда как такой же результат наблюдался при концентрации нефти - 250 мл/кг.

Одной из главных причин торможения развития растений является нарушение водно-воздушного обмена почвы, как среды обитания. Это явление наблюдается в основном при действии тяжелых фракций нефти. Вследствие попадания относительно невысоких доз гудрона (15 мг/кг), вода практически не впитывается в почву. Нефть, содержащая большое количество тяжелых парафинов, смолисто-асфальтеновых веществ, при низких дозах загрязнения оказывает не столь сильное воздействие на травянистые растения, но при концентрациях 7-13% значительно ингибирует их рост.

В состав смол и асфальтенов входит основная часть микроэлементов, которые, накапливаясь в растениях, по трофической цепи могут отрицательно воздействовать как на животных, так и на человека. В работах многих авторов отмечается присутствие более 60 микроэлементов в различной нефти на территории Казахстана.Тяжелые металлы действуют на живые организмы как ферментативные яды. Поглощение их растительными сообществами происходит через листья и корневую систему. Установлено, что листья с обильным волосяным покровом захватывают тяжелые металлы в 10 раз больше, чем растения с гладкой поверхностью листа.

Таким образом, нефтяное загрязнение оказывает существенное негативное влияние на фитоценозы. Устойчивость растений к различным уровням загрязнения нефтью учитывается при разработке технологий рекультивации почв. Самовосстанавливающая способность однолетних растений составляет 2-5 лет, многолетняя растительность восстанавливается за более значительный период времени (до 25 лет).

Как упоминалось ранее, при загрязнении почвенных объектов нефтью и ее продуктами происходит закупоривание почвенных пространств загрязнителем, в связи с чем, нарушается обмен кислородом и другими элементами в сферах воздух - почва, вода - почва, растения - почва.

Самыми уязвимыми при нефтяном загрязнении являются почвенные животные. Негативный эффект при этом является следствием проникновения углеводородов нефти в ткани живых организмов, вызывающего в них глубокие цитологические, генетические и биохимические изменения.

По наблюдениям разных авторов ответная реакция крупных животных при разливах нефти проявляется быстрее, нежели реакция мелких представителей почвенных биоценозов. Так, при концентрации нефти 8 л/м², в первую очередь, погибают крупные беспозвоночные животные, тогда как простейшие демонстрируют устойчивость по отношению к экотоксиканту.

Чувствительность различных видов педобионтов также зависит от концентрации нефти в почве. Так, концентрация нефти 3-5% приводила к 100%-ной гибели дождевых червей на 3 сутки инкубации, но в проветренной загрязненной почве (10%) погибло более половины особей, а у выживших особей при дальнейшей инкубации в чистом опаде снизилась биомасса, репродукция и потребление пищи в 5-10 раз. На участках с загрязнением более 20% нефти ни дождевые черви, ни моллюски не встречаются.

Итак, нефтяное загрязнение оказывает длительное негативное действие на почвенных животных, вызывая их массовую элиминацию при высокой степени нагрузки, при более низкой - снижение численности и изменение видовой и трофической структуры. Действие нефти на педобионтов осуществляется в результате прямого контакта и непосредственно - через изменение свойств почв. Летучие фракции нефти проявляют эффект сразу после контакта с педобионтами, тогда как действие тяжелых компонентов проявляется позже. Максимальный отрицательный эффект наблюдается в первые дни после загрязнения.

Возрастающее загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами приводит к серьезным нарушениям природных экосистем, биологического равновесия и биоразнообразия. В связи с этим, резко замедляются процессы самоочищения, нарушаются не только соотношения между отдельными группами микроорганизмов, но и направление метаболизма: подавляются процессы дыхания, азотфиксации, нитрификации, разрушения целлюлозы, накапливаются трудноокисляемые продукты, уменьшается количество корневых выделений и органических остатков растений, являющихся важнейшими факторами питания микроорганизмов. Нефть и нефтепродукты вызывают практически полную депрессию функциональной активности флоры и фауны, пагубно действуя на все звенья биологической цепи.

Токсическое воздействие свежего разлива нефти на почву связано, главным образом, с летучими ароматическим углеводородами (толуолом, ксилолом, бензолом), нафталином и некоторыми другими растворимыми в воде соединениями. Эти соединения сравнительно легко и быстро улетучиваются из почвы или разрушаются. Поэтому период острого токсического действия на микробиоту является относительно коротким. Полициклические ароматические углеводороды медленнее проникают через мембраны, действуют более длительное время, т.е. являюся хроническими токсикантами.

Итак, реакция различных организмов на разные дозы загрязнителя различная. Даже минимальные дозы нефти вызывают гибель диатомовых и желтозеленых водорослей, существенные изменения происходят, как в численности микроорганизмов, так и в их видовом составе.

Значительно более устойчивыми к нефтяному загрязнению проявили себя цианобактерии в почвах Башкирии. Присутствие отдельных их видов наблюдалось даже при повышении концентрации нефти.

В других исследованиях показана толерантность синезеленых и зеленых водорослей к нефти и нефтепродуктам. Заселение нефтезагрязненных торфяников в Усинском районе Республики Коми начинается с зеленых водорослей, однако массовое развитие принадлежит цианобактериям. Такое явление связывают с дальнейшим ходом сукцессии, характер которой определяет присутствие нефтяного загрязнения.

Присутствие спорообразующих бактерий в субстрате с углеводородами нефти и их значительное преобладание в численности по сравнению с другими представителями микробоценоза ряд авторов объясняют тем, что спорообразующие бактерии обладают способностью переходить в форму спор, в виде которых они переживают самый неблагоприятный период. Затем, когда условия среды их обитания улучшаются, наблюдается резкая вспышка их роста.

Как экосистема, комплекс почвенной микробиоты динамичен, так как состав биоценоза и его структура изменяются не только в результате нефтяного загрязнения, но и в ходе непрерывного и сложного процесса биоразложения углеводородов, которое сопровождается экологической сукцессией микробных популяций и сообществ.

Итак, необратимые изменения в морфологии, физических и химических свойств почвы вследствие нефтяного загрязнения, могут вызывать частичную или полную утрату плодородия, приводить к изменениям экологических функций почв, что сопровождается снижением биоразнообразия.

Таким образом, наблюдаемая на загрязненных нефтью и нефтепродуктами территориях деградация почв позволяет ученым отнести их к районам экологического бедствия. Как показывают данные литературы не все вопросы, связанные с влиянием нефти на почвенные экосистемы и сопряженные с этим проблемы рекультивации достаточно подробно изучены. Для того, чтобы уверенно начать соответствующие меры по предотвращению и ликвидации загрязнений наземных экосистем, необходимо проведение многофакторного комплексного исследования с использованием широкого набора показателей реабилитируемых почв.

Проблема восстановления загрязненных нефтью почв приобретает исключительное значение, поэтому ниже постараемся представить как можно глубокий анализ предлагаемых на сегодняшний день современных методов реабилитации нефтезагрязненных земель.

2. Методы ремедиации нефтезагрязненных объектов в различных почвенно-климатических условиях

Эффективность ремедиации ландшафтов, нарушенных техногенезом, оценивается по восстановлению экологических и хозяйственных функций почвы. Причем, хозяйственная функция, определяемая способностью почвы давать полезную продукцию, восстановливается быстрее, чем экологическая, которая определяется по способности почвы создавать и регулировать условия существования почвообитающих организмов и несет в себе сложное взаимодействие пищевого, геохимического, вводно-воздушного режимов и свойств почвы в формирующемся местообитании.

Нефтяные загрязнения относятся к антропогенным воздействиям катастрофического порядка, дающим не постепенную, а залповую нагрузку на экосистему. Под влиянием нефтяного загрязнения в почве происходят глубокие, а иногда и необратимые изменения морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств.

Многие технологии, применяемые для обработки небольших участков (например, техническая обработка грунта), совершенно непригодны для больших территорий. В связи с этим целесообразно сгруппировать технологии ликвидации загрязнений для малых площадей (локальное загрязнение) и больших (территориальное загрязнение). Если ориентироваться на природу процессов очистки почв, то целесообразно выделить следующие типы технологий: механические, термические, физико-химические, химические, биологические, агрохимические, агротехнические и комбинированные.

Современные приемы восстановления продуктивности нефтезагрязненных объектов. Для прогнозирования развития антропогенно нарушенных экосистем, разработки оптимальных методов рекультивации нефтезагрязненных почв и решения многих других актуальных проблем необходимо знание путей и законов трансформации специфических и неспецифических органических веществ в почвах под влиянием нефтезагрязнения. Поскольку темпы естественного самоочищения таких почв являются невысокими, то для решения основной задачи восстановления нефтезагрязненных почв требуется всесторонняя оценка положительных и отрицательных сторон того или иного метода очистки.

Так, механическое удаление загрязненного слоя почвы и транспортировка его в специально оборудованные места для очистки от нефтезагрязнений является дорогостоящим методом, сопряженным с отводом значительных земель, которые могли бы использоваться в других целях. Вынос загрязненного грунта на специально оборудованные свалки, где предусматривается его длительное хранение, имеет еще один существенный недостаток, так как этот грунт представляет потенциальную опасность, в ходе чего наблюдается попадание загрязнителя в грунтовые воды.

Для восстановления плодородия почвы также насыпают слой плодородной земли. Однако, все эти технологии, наряду с большими затратами энергии и материалов, являются недостаточно эффективными, так как при такой очистке образуются значительные количества шламов и побочных продуктов, утилизация которых порождает новые серьезные экологические проблемы.

Для очищения почвы от летучих компонентов нефти помимо вспашки и интенсивного рыхления почвы некоторые исследователи рекомендуют использовать и другие приемы. Например, F.S. Payne предлагает для этой цели пробурить одну или несколько скважин для нагнетания воздуха в почву. Автор указывает, что сжатый воздух вытесняет загрязнитель из почвы, заставляет его собираться в вытяжной скважине, через которую отсасывают эту смесь и направляют для очистки.

Термодесорбция представляет собой технологию, где отходы нагреваются до испарения воды и улетучивания в виде органических веществ. Проведение такого процесса требует значительных финансовых затрат, специального обученного рабочего персонала и специализированной техники. К тому же, эти методы характеризуются сложностью исполнения, образованием токсичных промежуточных продуктов и твердых остатков, а также длительным периодом, необходимым для полного извлечения токсикантов.

Наряду со многими другими методами, используется также компостирование грунта путем смешивания его с различными наполнителями типа торфа, соломы и рисовой шелухи с целью дальнейшего использования компостов в сельском хозяйстве. Наполнители такого рода могут использоваться и в качестве сорбентов нефтяных углеводородов.

Среди методов, успешно применяющихся для решения задач ликвидации последствий нефтяного загрязнения, сорбционная очистка нефтезагрязненной поверхности является, по мнению некоторых авторов, наиболее эффективным способом удаления загрязнения. При этом преимуществами этого метода исследователи считают возможность удаления чрезвычайно широкой гаммы загрязнений, отсутствие вторичных загрязнений и управляемость процессов [94]. Среди наиболее распространенных сорбирующих материалов предпочтение в современный период отдается природным сорбентам в силу их широкого распространения, а также высокой инертности и дешевизны.

Так, киевские ученые разработали биоактивный порошкообразный сорбент природного происхождения на основе карбонизата местного сырья (древесных опилок, растительных остатков и др.).