Введение к работе
Актуальность работы. Нефть и нефтепродукты, являясь одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, часто являются причинами возникновения чрезвычайные ситуаций самого различного масштаба. Нефтепродукты по-разному ведут себя в различных природных системах. В воздушной и водной средах поведение нефтяного загрязнения в большей мере определяется физическими условиями и мало зависит от структуры, состава, свойств самой среды. В воздушной среде нефтепродукты находятся в виде паров или в капельножидком состоянии, и относительно равномерно распределены в приземном слое атмосферы. На водных объектах нефтепродукты в силу их крайне низкой растворимости в воде преимущественно выделяются в отдельную фазу, в основном покрывающую поверхность и в небольших количествах оседающую на дно в виде комков тяжелых компонентов.
Наиболее сложно описать процессы поведения нефтяного загрязнения в почвах. Это связано, во-первых, с тем, что почвы, являются пористой субстанцией, в которой нефтепродукты могут весьма неравномерно распределяться во всем объеме и на поверхности. Во-вторых, нефтепродукты активно взаимодействуют со всеми компонентами почвенной среды – твердой жидкой и газообразной фазами, минеральным и органическим веществом, живыми организмами. Многообразие почв по их составу, морфологии, физическим и химическим свойствам настолько велико, что до настоящего времени не создана их удовлетворительная научная классификация. Почвы, в силу их геохимического положения на контакте со всеми природными средами обитания человека, являются основным депонирующим элементом окружающей среды. От характера поведения в них загрязняющих веществ во многом зависит состояние приземного слоя атмосферы, наземных водоемов и водотоков и опасность возникновения чрезвычайных ситуаций.
Изучение процессов взаимодействия нефти и нефтепродуктов с почвами сводится чаще всего к оценке влияния на это взаимодействие природы, количества и состава нефтяного загрязнения. В меньшей степени изучены параметры самих почвенных систем. Критерии отнесения нефтяных загрязнений природной среды к чрезвычайным ситуациям основаны либо на сравнении с нормами предельно допустимых концентраций, либо на установлении валового содержания нефтепродуктов и объемов аварийных залповых выбросов. Они не учитывают генетических характеристик почв и особенностей поведения нефтепродуктов в их различных типах. Предпринимавшиеся попытки ввести нормирование чрезвычайных ситуаций, связанных с нефтяными разливами, с учетом генотипов почв не имеют строгого научного обоснования и законодательно не утверждены. Не выработаны принципы выделения типов почвенных отложений по их влиянию на нефтяное загрязнение, в частности на характер его накопления и распространения.
Цель исследования: изучение влияния свойств почв на особенности распространения нефтяного загрязнения при анализе чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов.
Научная задача исследования: разработка принципов диагностики почвенных отложений по их влиянию на накопление и распространения нефтяных загрязнений.
Объект исследования: почвы различного гранулометрического и морфологического состава, нефть, товарные нефтепродукты.
Предмет исследования: процессы распространения нефтяных загрязнений в почвах.
Методы исследования: гранулометрический анализ, анализ пористости и проницаемости почв, регрессионный анализ.
Задачи исследования:
-
Изучить зависимость характера процессов нефтепоглощения и проницаемости почв от различных физических факторов.
-
Установить функциональную зависимость пористости и нефтеемкости глинисто-алевролитовых почв от их гранулометрического состава.
-
Установить функциональную зависимость проницаемости глинисто-алевролитовых почв от их гранулометрического состава
-
Провести физическое моделирование нефтяных фрактальных образований на пористых почвенных структурах с использованием механизма перколяции.
Научная новизна.
-
Установлено, что характер зависимости нефтеемкости, пористости и проницаемости глинисто-алевролитовых почв от различных физических факторов имеет критическую область значений, в которой при плавном изменении гранулометрического состава, происходят резкие качественные изменения свойств почвенных систем по отношению к нефтяному загрязнению.
-
Выявлено, что убывание весового коэффициента нефтеемкости и пористости с увеличением размера фракций описывается обратной экспоненциальной зависимостью.
-
Выявлено, что зависимость коэффициента проницаемости различных гранулометрических фракций глинисто-алевритовых почв от размера зерен описывается сигмоидальной функцией Больцмана.
-
Предложена физическая модель протекания (перколяции) нефтяного загрязнения через пористые почвенные структуры, показывающая, что ниже порога перколяции нефть образует в почвах фрактальные структуры.
Практическая значимость.
Предлагаемая в настоящей работе методика и полученные результаты позволяют классифицировать почвенные отложения по их отношению к нефтяному загрязнению и выделять зоны чрезвычайных ситуаций различного характера.
Разработанная методика слежения за воздействием на почвенный слой нефтепродуктов может быть использована при прогнозе характера взаимодействия нефтяного загрязнения с почвенными отложениями.
Результаты работы используются в практической деятельности экспертных организаций МЧС России, что способствует повышению эффективности и достоверности анализа чрезвычайных ситуаций.
Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплине «Криминалистическое исследование веществ, материалов, изделий».
Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации, основана на использовании современных физико-химических методов анализа и обеспечена значительным объемом аналитического материала по изучению физических характеристик почв. Обработка результатов проведена методом регрессионного анализа с использованием современного пакета прикладных программ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Критическая область в характере зависимостях пористости и проницаемости глинисто-алевролитовых почв от различных физических факторов, в которой при плавном изменении гранулометрического состава, происходят скачкообразные изменения свойств почвенных систем по отношению к нефтяному загрязнению.
-
Функциональная зависимость пористости и нефтеемкости глинисто-алевролитовых почв от гранулометрического состава почв.
-
Функциональная зависимость проницаемости глинисто-алевролитовых почв от их гранулометрического состава.
-
Физическая модель протекания (перколяции) нефтяного загрязнения в пористых почвенных структурах, сопровождающегося образованием в почвах фрактальных нефтяных структур ниже порога перколяции.
Апробация работы.
Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз, а также на конференциях: «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (II международная научно-практическая конференция, г. Санкт-Петербург, октябрь 2009 г.), Совершенствование работы в области обеспечения пожарной безопасности людей на водных объектах (научно-практическая конференция, УСЦ Вытегра МЧС России, июль 2010 г.), «Fire and Explosion Protection» (12 международная конференция, г. Нови Сад, октябрь 2010 г.), «О правовом регулировании судебно-экспертной деятельности в РФ» (научно-практическая конференция, г. Санкт-Петербург, ноябрь 2010г.),
