Полевые исследования процессов восстановления нефтезагрязненных болотных экосистем с использованием торфяных засыпок

Распространение технологии восстановления нефтезагрязненных торфяных болот с использованием засыпок ставит вопрос о приемлемости исследований, выполненных на отдельном болоте и в определенной природной зоне, к ее использованию на других болотах.

В настоящее время типология болот в России и в мире имеет много общего, и в целом ее исследования направлены на дальнейшую конвергенцию понятий в номенклатуре болотной типологии.

Существующая разница в климатических условиях не имеет для развития болот принципиальных последствий. Различия в длительности вегетационного периода компенсируются увеличением температуры вегетационного периода или суммы его активных температур.

Предполагая, что проблема типологии и районирования торфяных болот все равно может вызывать вопросы допустимости распространения технологии рекультивации нефтезагрязненных болот, ниже приводится подробное описание участка полевых исследований динамики деструкции нефтепродуктов в верхнем слое торфяного болота.

Торфяное болото Дмитровское Тверской области расположено в области распространения ледниковых отложений в виде суглинков и моренных глин. Четвертичные отложения залегают мощностью 35—40 м и подстилаются каменноугольными известняками.

Рельеф местности, на которой сформировалось торфяное месторождение, представлен мягкоочерченными высокими холмами, чередующимися с замкнутыми котловинами и водораздельными, когда-то проточными впадинами, а в настоящее время нередко занятые торфяниками, часто дающие начало ручьям и малым рекам. Впадины имеют вытянутую форму шириной до 2 км. Максимальные глубины торфяника идут параллельно суходольным грядам и достигают максимума в концах впадины, где торфяная залежь подстилается глинами.

Торфяное месторождение Дмитровское занимает неглубокую водораздельную впадину. Наличие большого количества остатков древесины в торфе и пней в нижнем слое торфяной залежи при незначительном количестве сапропелевых отложений указывает на то, что болото образовалось при заболачивании леса в связи с ухудшением дренажа поверхностных вод.

Месторождение имеет вытянутую форму с севера на юг шириной до км и длиной 6 км. Рельеф поверхности ровный. Северный и центральный участки имеют уклон на север, а южный - на юг. Северная часть и южная имеют слегка выпуклую форму поверхности.

Водное питание болота в настоящее время происходит за счет атмосферных осадков и частично за счет поверхностного стока.

Торфяная залежь относится к переходному и верховому типам. Участки верхового типа расположены в северной и южной частях месторождения.

Основными торфообразователями являются олиготрофные растения: сфагновый мох, пушица, кустарнички, древесные, осока, гипновый мох, шейхцерия и т. д. Сфагновый мох составляет до 40% и пушица - до 24% от общего состава торфяной залежи. Они равномерно распределены по площади и глубине торфяной залежи с повышением к поверхности доли сфагновых мхов.

Средние данные степени разложения торфа на верховом участке соответствуют виду верховой магелланикум-залежи. Максимальные значения до 45% в средней части залежи и до 50% в нижней у дна. Верхний слой в среднем имеет значение степени разложения до 30%.

Среднее значение влажности торфа по месторождению - 89,5% с интервалом от 83,4 до 93,4%. Для верхового участка характерны среднее значение влажности - 89,7%. Среднее значение зольности торфа - 4,4%. Для верхового участка - 4%. Пнистость торфяной залежи - около 2%.

Участок для выполнения экспериментальных работ выбран в северной части торфяного болота, не подвергшейся влиянию добычи торфа. Растительный покров представлен редкостойной сосной высотой до 6 м и диаметром до 8 см. Полнота древостоя 0,3-0,4. Редкий подрост березы до I м.

Микрорельеф достаточно ровный, с амплитудой до 25 см со слабовы- раженными неориентированными грядами и мочажинами. Уклон поверхности незначительный.

Опробование торфяной залежи выполнялось в одном пункте на контрольной площадке на всю глубину торфяной залежи послойно через 0,25 м. Отбор осуществляется пробоотборочными челноками буров ТБГ-1.

Лабораторные анализы включали определение ботанического состава, общетехнических свойств (табл. 23).

Таблица 23

Лабораторные анализы торфа

Залежь имеет следующее послойное от поверхности (в метрах) строение: 0,5-0,75 - магелланикум-торф, R = 20%; 0,75-1,0 - пушицево-сфагновый верховой, R = 30%; 1,0-1,25 - пушицевый верховой, R = 50%; 1,25-1,5 - шейхцериевый верховой, R = 35%; 1,5-1,75 - шейхцериевый верховой, R = 30%; 1,75-2,0 - древесно-травяной низинный, R = 50%; 2,0-2,10 - торф (древесно-травяной) с песком; ниже - влажная серо-желтая супесь и суглинок.

Увлажненность поверхности естественная - при ходьбе выделяется вода.

Строение верхнего слоя (0,0-0,25 м) было обследовано по углам экспериментальной площадки (рис. 14). Точка I - пушицево-сфагновый торф со степенью разложения 15%. Точки 2 и 3 - ангустифолиум-торф со степенью разложения 15%. Точка 4 - ангустифолиум-торф со степенью разложения 10%. В среднем мощность очесного слоя 0,1-0,2 м.

Таким образом, состав растительности, морфометрия, строение и общие свойства торфяной залежи экспериментального участка соответствуют особенностям болот Среднего Приобья.

Обеспечение выполнения всего комплекса работ в полевых и лабораторных условиях потребовало разработки соответствующего методического обеспечения и его последующего уточнения.

На выбранном участке неосушенной торфяной залежи организована разбивка площадок согласно схеме, приведенной на рис. 14. Всего подготовлено 14 площадок, каждая размером I х I м. Площадки 1.1-1.4 и 2.1-2.4 являлись основными: на них наносилась нефть и торфяная засыпка с разной влажностью. На площадки 3.1-3.3 наносили нефть без последующей засыпки. Между площадками 1.1-1.4 и 2.1-2.4 организованы три контрольные: К - естественное состояние залежи; Kp K2 - с засыпкой торфом разной влажности, но без нанесения нефти. Общая площадь всего участка 110 м2.

Организация такой экспериментальной площадки позволяет контролировать различные процессы деструкции нефти, диффузии в торфогенный слой и торфяные засыпки, образования киров и т. д. Появляется сравнительная база, следовательно, результаты анализа становятся сопоставимы и более объективны.

С помощью торфяного бура из залежи отобраны образцы на анализы: общетехнический и геоботанический. Установлены средние значения торфяной залежи на участке: влажность - 90,62%;

Рис. 14. Схема экспериментальной площадки

кислотность - 3,24 (водная); 2,40 (солевая); зольность - 6,70%; Pjaji в залежи: 0-0,1 м - 0,16 т/м3; 0,1-0,25 - 0,55 т/м3; рзас засыпки - 0,495 т/м3 (со = 55%) и 0,430 т/м3 (со = 40%); глубина залежи -1,8 м; подстилающий грунт - супесь.

В качестве засыпок использовали фрезерный торф из штабеля на производственных площадях торфопредприятия Дмитровское. По своей природе он аналогичен торфу в залежи на экспериментальных площадках.

В работе были заданы два значения влажности торфяных засыпок: 40 и 55%. Исходные рабочие влажности торфа для таких засыпок составили 32 и 69%. Доведение их до заданной влажности осуществляли путем добавления расчетного количества торфяной воды в торф с со = 32% и смешения торфа с со = 32% и со = 69% в заданном соотношении.

После смешения торф выдерживали несколько суток для равномерного выравнивания влажности.

Всего таким образом подготовлено 2 м3 торфа. Контрольные измерения влажности засыпок в момент их нанесения на экспериментальные площадки показали следующие средние результаты влажности торфа: 45,83 и 55,05%.

Засыпки торфа наносили из мешков в рамку (I х I х 0,3 м), установленную на отметки экспериментальных площадок, после чего рамку снимали, торф по краям образовывал угол естественного откоса.

Сырую нефть (р = 0,906 т/м3) наносили равномерно на каждую площадку с помощью лейки (всего использовано около 100 л). Количество нефти определено техническим заданием и составило по отдельным площадкам (л/м2): 1.1 и 2.1 - 3; 1.2 и 2.2 - 5; 1.3 и 2.3 - 10; 1.4 и 2.4 - 15.

Указанные площадки впоследствии (через 3 суток) покрывали торфяными засыпками с со - 40 и 55% (соответственно для 1.1-1.4 и 2.1-2.4).

На контрольные площадки 3.1-3.3 наносили нефть в количестве 5, 10 и 15 л/м2 (без последующей засыпки).

Для засыпок расчетным методом определены пористость, водо- и га- зонасыщенность, которые соответственно составили: при со = 40% - 82,8; 17,2; 65,6%, а при со = 55% - 85,15; 27,2; 57,95%.

Отметим, что после нанесения нефти происходит распределение загрязнителя в некотором объеме деятельного слоя, примыкающих к нему слоях залежи и нижних слоях засыпки. Следовательно, возникает задача по оценке содержания нефти в объеме торфа (л/м3).

3.3.              Второй - путем отбора проб на лабораторный анализ из площадок 1.4              и 2.1-2.4 (через засыпки).

На контрольных площадках 3.1-3.3 глубина проникновения нефти через торфогенный слой в залежь (через 3 суток), составила 9, 14 и 22 см при загрузке нефти соответственно 5, 10 и 15 л/м2.

Количество разлитой нефти меньше критических значений определяет глубину ее проникновения, хотя деятельный слой болота обладает некоторой емкостью поглощения. Нефть покрывает стенки пор, состоящих из растений и их остатков, и частично закрепляется (замазучивает торфорастительный материал). Поэтому глубина ее проникновения зависит от пористости верхнего слоя болота, положения уровня болотных вод и количества самой нефти. Нижний предел ее проникновения определяется положением поверхности болотной воды. Однако понятие поверхности болотной воды довольно неопределенное, в отличие от положения уровня воды в скважине на торфяном болоте. Болотная вода может образовывать вместе с ее капиллярным поднятием сложную форму поверхности, и соответственно, сложную форму границ распространения нефти.

В целом схема действия засыпки показана на рис. 15, 16. Последовательность этапов по восстановлению болота методом засыпки подсушенным торфом представлена на рис. 17 (см. цв. вклейку), а окончательный облик площадок представлен на рис. 18 (см. цв. вклейку).

В хронологическом порядке последовательность операций выглядела следующим образом: 9.08.05 г. - разбивка площадок; 23.08.05 г. - нанесение нефти на площадки; 23.08.05 г. - нанесение торфяных засыпок; г. - первый отбор проб на анализы, 17 дней; 11.11.05 г. - второй отбор проб на анализы, 80 дней; 20.04.06 г. - третий отбор проб на анализы, 240 дней; 27.06.06 г. - четвертый отбор проб на анализы, 308 дней; г. - пятый отбор проб на анализы, 434 дня; 09.09.07 г. - шестой отбор на анализы, 760 дней; 08.05.08 г. - седьмой отбор на анализы, 979 дней, и далее каждый год.

Отбор проб выполняли с площадок 1.1—1.4, 2.1-2.4 с помощью полого цилиндра высотой « 30 см и диаметром к 15 см. Цилиндр заглубляли в засыпку по центру площадки до деятельного (торфогенного) слоя, вручную выбирали торф, одновременно контролируя глубину выбора с помощью рулетки. Пробы на анализ отбирали из слоя над загрязненным нефтью торфогенным слоем, из слоя дернины и под ним. Для прохождения волокнистого слоя использовали нож для обрезки волокон растений по диаметру цилиндра.

Пробы маркировали и упаковывали в чистые полиэтиленовые мешочки (на микробиологию) и в обезжиренные стеклянные банки (для определения содержания нефти). После отбора проб оставшийся торф в обратном порядке засыпали в цилиндр, а на дневную поверхность засыпки добавляли свежий фрезерный торф. Место отбора отмечали вешкой.

На площадках К, K1 и K2 брали контрольные пробы.

Таким образом, количество проб составляло по 19 на каждый вид анализа.

Пробы на микробиологический анализ сразу же после доставки в лабораторию помещали в морозильную камеру, после чего передавали на анализ в микробиологическую лабораторию.

Степень разложения и ботанический состав оценивали микроскопическим методом. Из общетехнических свойств определяли влажность, зольность, плотность (насыпная и в залежи), кислотность (водная и солевая вытяжка).