Введение
В мировом энергобалансе доля нефти составляет 40%, угля - 27%, природного газа - 23%, ядерного топлива - 7,5% и гидроэнергии - 2,5%. Запасы сырой нефти и ежегодная добыча ее распределены по территориям разных стран неравномерно, что обусловливает необходимость транспортировки ее из одних стран в другие. Транспортировка половины добываемой на мировом шельфе нефти обеспечивается танкерным флотом. Транспортировка на танкерах оценивается в 1,5 млрд. тонн в год. Неизбежным спутником любых танкерных операций были и продолжают оставаться аварии [3, 6, 11]. Несмотря на явную тенденцию к снижению аварийности нефтеналивного танкерного флота, аварии танкеров до сих пор остаются одним из основных источников экологического риска [1].
По классификации Международной федерации владельцев танкеров, нефтяные разливы принято делить на три категории в зависимости от объемов утечки нефти: малые - менее 7 т, средние - от 7 до 700 т и большие - более 700 т.
Только в Балтийском море в среднем происходит 2,9 крупных аварий в год, сопровождающихся разливами нефти и нефтепродуктов. Статистический анализ показывает, что из 39 аварий, сопровождавшихся разливами нефти в Балтийском море с 1969 г. по 1995 г., 20 аварий (51,3%) произошли на акватории Швеции, 10 аварий (25,6%) - на акватории Дании, 7 аварий (17,9%) - на акватории Финляндии и по одной аварии (2,6%) - на акваториях Латвии и Литвы.
Увеличение масштабов добычи нефти, интенсификация перевозок нефти и нефтепродуктов, строительство и эксплуатация новых транспортных коридоров приведут к повышению опасностей (рисков) аварийных ситуаций. Поэтому обеспечение безопасности транспортных коридоров является задачей первостепенной важности. Для успешного решения этой задачи необходимо создание активно взаимодействующих систем, выполняющих следующие функции: *прогноз опасностей и их проявлений;* обеспечение техники безопасности (систем защиты); *мониторинг окружающей среды и оперативное оповещение; *чрезвычайное реагирование при возникновении аварии. В данной функциональной последовательности начальным звеном, определяющим функционирование остальных систем, является система прогнозирования, осуществляющая анализ, оценку и управление рисками аварийных ситуаций. Риск R может быть определен как проявление вероятности опасности рассматриваемого события или процесса Р на магнитуду ожидаемых последствий (ущерба) У:
R = P×У (1)
При анализе опасностей аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефти и нефтепродуктов, необходимо учитывать, по крайней мере в первом приближении, пять основных аспектов (математикостатистический, физикохимический, токсикологический, экологотоксикологический, ущерб). Величины опасностей тесно связаны также с количеством разлитых веществ, режимом сброса (одномоментный или продолжительный), гидрометеорологическими условиями, морфометрией акватории и видами населяющих ее гидробионтов.
Цель данного исследования заключалась в разработке теоретикометодических основ комплексной оценки риска для водных экосистем при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов.
Математико-статистический аспект анализа риска предусматривает оценку вероятности возникновения аварии на транспортном коридоре и позволяет установить причины случившегося и направить усилия науки и практики для решения проблем и задач для снижения и исключения аварий и гибели судов. По данным литературы о причинах аварий 452 нефтеналивных судов [3] нами были рассчитаны доли аварий (pi) в зависимости от их причин, которые были нами ранжированы (таблица 1).
Таблица 1. Распределение аварий нефтеналивных судов по причинам
Причины аварии |
Ранг (r) |
Доля аварий (pi) |
Причины аварии |
Ранг (r) |
Доля аварий (pi) |
Столкновения |
1 |
0,279 |
Взрывы |
5 |
0,068 |
Посадка на мели (рифы) |
2 |
0,272 |
Пожары |
6 |
0,038 |
Несовершенство конструкции или навигационного оборудования |
3 |
0,208 |
Поломки двигателя |
7 |
0.033 |
Повреждения у причалов |
4 |
0,101 |
- |
- |
- |
Обработка данных таблицы 1 позволила выявить тесную корреляционную зависимость доли аварий от их ранга:
ln(pi) = -0,798 - 1,198×ln(r) (2)
N = 7; R2 = 0,826; σY(X) = 0,412; FP = 23,75; FT = 5,99
Здесь N - количество значений функции, R2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса), σY(X) - стандартная ошибка, FP и FT - расчетное и табличное (для a = 95%) значения критерия Фишера.
Физикохимический аспект анализа рисков предусматривает наличие информации о химических, физикохимических и биохимических свойствах компонентов нефти и нефтепродуктов. Для оценки нефти как загрязняющего вещества природной среды обычно используют следующие признаки: содержание легких фракций (температура кипения менее 2000С); содержание парафинов; содержание серы. Установлено, что на нефтяные разливы приходится 20-30% общего загрязнения. При попадании нефти в море на поверхности воды образуется пленка - «нефтяной слик». Толщина этой пленки может быть различной: от мономолекулярной до нескольких сантиметров. При попадании в морскую среду нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной толщины. По цвету пленки можно определить ее толщину. Нами было выявлено следующее уравнение, связывающее количество растекшейся по водной поверхности нефти (q, л.км2) с толщиной пленки (h, мкм)
q = 4 + 1137×h (3)
В нефтяной пленке нередко аккумулируются ионы тяжелых металлов и хлорированные углеводороды. Обширные акватории океана, особенно вдоль транспортных (танкерных) маршрутов, постоянно покрыты нефтяными пленками, а поверхностный микрослой загрязнен нефтяными агрегатами. В условиях интенсивного антропогенного воздействия возникает качественно новая форма существования загрязняющих веществ в водной среде, связанная с эффектом так называемого «перераспределения». Этот эффект обусловлен присутствием в воде поверхностноактивных веществ и заключается в переходе загрязняющих веществ из объемной фазы на поверхность с последующим формированием пленки микроскопической толщины, характеризующейся чрезвычайно высоким содержанием микроорганизмов и химических веществ. Такой микрослой может фиксировать до 80% от общего количества химических веществ и патогенных бактерий и вирусов, присутствующих в объемной водной фазе. Содержание их в адсорбционной пленке в тысячи раз превышает допустимое [4]. Особенно опасны попадания больших объемов нефти в воды высоких широт. При низких температурах разложение нефти идет медленно и нефть, сброшенная в арктические моря, может сохраняться до 50 лет, нарушая нормальную жизнедеятельность водных биоценозов. Наиболее существенными физикохимическими показателями, определяющими поведение нефтяных углеводородов в воде, являются интенсивность испарения из воды и растворение в воде. Летучесть химического соединения, зависящая от упругости его паров, определяет один из главных источников поступления в атмосферу и может приводить к его распространению на больших территориях. Важной физикохимической характеристикой химических веществ является также коэффициент их распределения в системе ноктанолвода (KOW). Этот коэффициент представляет собой отношение концентрации вещества в ноктаноле (модель липидной фазы) к концентрации в воде. Величина KOW обычно используется для предсказания сорбции вещества в почве, донных отложениях и биоаккумуляции. Между KOW и растворимостью вещества в воде (S, мг/л) существует зависимость, которая выражается уравнение [10]
lgKOW = 4,6785 - 1,086 lgS (4)
Согласно теории Фэя [2], растекание нефти происходит в три стадии. На начальной стадии важны силы гравитации и инерции, на второй стадии превалируют силы гравитации и вязкости, на третьей стадии растекание происходит под действием сил межфазного поверхностного натяжения. В итоге максимальная площадь пятна (S, м2) не может превышать следующее значение
S = 105×V3/4 , (5)
где V - начальный объем разлива, м3.
Токсикологический аспект анализа рисков предусматривает наличие информации о токсичности компонентов нефти и нефтепродуктов для различных видов гидробионтов. Индивидуальные нефтяные углеводороды сильно различаются по своим токсическим свойствам. К сожалению, данные о токсичности нефтяных углеводородов для различных видов гидробионтов, включая ценные породы рыб, весьма ограниченны. Однако в любом случае следует учитывать, что в гомологических рядах соединений выполняется так называемый «закон перелома». Суть его в том, что по мере увеличения в гомологическом ряду соединений количества атомов углерода токсичность (величина обратная средней летальной или эффективной концентрации) возрастает, достигает максимального значения, а затем уменьшается. «Перелом» зависит от исследуемого токсического эффекта. Чем грубее эффект, тем скорее в гомологическом ряду достигается последний эффективный член, обладающий наибольшей токсичностью. «Перелом» имеет общебиологическое значение и является одной из предпосылок возможности существования жизни [7]. Он обусловлен тем, что физикохимические свойства токсичных веществ, непосредственно связанные с токсическим действием (например, давление паров при токсическом эффекте), изменяются в гомологическом ряду веществ с иной скоростью, чем родственные им константные свойства (например, упругость пара). Для оценки опасности различных углеводородов в отношении различных видов гидробионтов может быть использована линейноэкспоненциальная модель вида
ln[-ln(1-P)] = a + b lnC , (6)
где P - вероятность летального или иного токсического эффекта (опасность), С - концентрация загрязняющего вещества.
Эколого-токсикологический аспект анализа рисков предполагает оценку опасности не для отдельных особей или популяций гидробионтов, а для гидроэкосистемы, подвергнувшейся воздействию нефти и нефтепродуктов в результате аварии. Необходимость такой оценки весьма очевидна, так как жертвами разливов нефти и нефтепродуктов становятся многие гидробионты и даже птицы. Так, в районе Британских островов ежегодно жертвами аварий танкеров оказываются от 50 до 250 тыс. морских птиц.
В обнаружении и оценке риска (опасности) большую роль играет моделирование поведения химикатов в окружающей среде и экспериментальное выявление их токсических свойств по отношению к различным звеньям экосистем. Возможные подходы к решению этой задачи рассмотрены в работе [5].
Известно несколько вариантов аналитической зависимости между действующим внешним воздействием R на систему и реакцией системы Е на это воздействие (таблица 2).
Таблица 2. Аналитические выражения зависимостей реакций экосистем (Е) на внешнее воздействие (R) [9]
Закон |
Аналитическое выражение |
ВебераФехнера |
E = C×lg(R/Rп) |
Стивенса |
ln E = k×lnR |
Забродина |
dE/Ez = h×dR/R |
Ефункции |
Е = С×Ra×(lnR)b |
Примечание. Rп некоторое пороговое воздействие, при котором система начинает реагировать на воздействие, С, k, z, h, a, b - константы, характеризующие специфику исследуемой системы.
Оценка ущерба представляет собой сложную многокритериальную задачу. Для оценок ущербов можно воспользоваться рекомендациями, изложенными в [8]. Согласно этой методики, для исчисления размера вреда (штрафа) необходимы данные о количестве нефти (нефтепродуктов), поступивших в водную среду (в тоннах), природноклиматических условиях (времени года), длительности негативного воздействия времени неприятия мер (в часах) по ликвидации загрязнения водного объекта и экологических факторах, то есть о водном объекте, где произошел разлив. Для иллюстрации нами были определены размеры вреда при разливах нефти (нефтепродуктов) по акваториям нескольких морей. Расчеты проведены для следующих условий: объем разлива (600750 тонн, зимний сезон - декабрь, январь, февраль, длительность негативного воздействия - до 6 часов) (таблица 3).
Таблица 3. Размер вреда (ущерб) при аварийных разливах нефти (нефтепродуктов)
Море |
Размер вреда, млн. рубл. |
Море |
Размер вреда, млн. рубл. |
Море |
Размер вреда, млн. рубл. |
Азовское |
602,46 |
Белое |
506,06 |
Черное |
506,06 |
Каспийское |
602,46 |
Баренцево |
506,06 |
Карское |
491,6 |
Балтийское |
506,06 |
Японское |
506,06 |
Чукотское |
481,97 |
Расчет риска. По оценкам специалистов общая вероятность аварии равна 0,4 на 1000 рейсов танкеров. Опасность риска разлива принимается равной 0,05 на 1000 рейсов в открытом море и 0,25 в опасных местах. С учетом вероятной частоты аварии с посадкой на мель и столкновением средний размер нефтяного разлива может быть оценен как 1/48 от количества перевозимой за рейс нефти (данные заимствованы из интернетсайта, email: [email protected]). Учитывая, что риск рассматривается как произведение опасности на ущерб и принимая наиболее жесткий вариант (опасность равна 0,25), нами были выявлены формулы для ориентировочных расчетов рисков разливов нефти и нефтепродуктов при потенциально возможных авариях на 1000 рейсов в Балтийском, Белом, Баренцевом и Японском морях при длительности негативного воздействия 6 часов (таблица 4).
Таблица 4. Формулы для расчетов рисков разливов нефти и нефтепродуктов при возможных авариях на акваториях Балтийского, Белого, Баренцевого и Японского морей (на 1000 рейсов)
Время года |
Аналитическое выражение |
Зима (декабрь, январь, февраль) |
Риск = 0,30×Q 0,9 |
Весна (март, апрель, май) |
Риск = 0,26×Q 0,9 |
Лето (июнь, июль, август) |
Риск = 0,31 ×Q 0,9 |
Осень (сентябрь, октябрь, ноябрь) |
Риск = 0,30×Q 0,9 |
Примечание. Q - количество разлитой нефти (нефтепродуктов), тонн
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- 1. Алхименко А.П., Цветков В.Ю. Масштабы воздействий аварийных нефтеразливов в водной среде «Ладожское озеро - река Нева - Финский залив» // Тез. докл. IV Международного экологического форума «День Балтийского моря». СПб.: СПбОО «Экология и бизнес». 2003. - С. 9697.
- 2. Архипов Б.В., Пархоменко В.П., Солбаков В.В., Шапочкин Д.А. Математическое моделирование распространения нефтяных разливов в морской среде. М.: ВЦ РАН. 2001. - 55 с.
- 3. Герлах С.А. Загрязнение морей. Л.: Гидрометеоиздат. 1985. - 264 с.
- 4. Ильин И.Е. Изучение опасности перераспределения загрязнителей химической и биологической природы в водной среде // Гигиена и санитария. 1986. №6. - С.811.
- 5. Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию: Учебное пособие. СПб.: Химиздат. 1999. - 144 с.
- 6. Кацман Ф.М., Ершов А.А. Аварийность морского флота и проблемы безопасности судоходства // Транспорт Российской Федерации. №5, 2006. - С. 8284.
- 7. Лазарев Н.В. Неэлектролиты. Опыт биологофизикохимической их систематики. Л.: Военномедицинская академия. 1944. 272 с.
- 8. Методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства. Утверждена Министерством природных ресурсов РФ. Приказ №71 от 30 марта 2007 года.
- 9. Никаноров А.М., Пантюхин Я.В., Заволжский М.В., Коханая С.И. Адаптационные характеристики водных экологических систем. В кн.: «Экологическое нормирование и моделирование антропогенного воздействия на водные экосистемы». Вып. 2. СПб.: Гидрометеоиздат. 1999. - С. 654.
- 10. Фрумин Г.Т. Экологическая химия и экологическая токсикология: Учебное пособие. - СПб.: РГГМУ. 2002. - 204 .
- 11. Щеголев В.И. Типичные аварийные случаи с морскими судами. СПб.: ЗАО ЦНИИМФ. 1994. - 144 с.