Моделирование распространения аварийных разливов нефти по участкам водотоков малых рек
На правах рукописи
Павлов Андрей Алексеевич МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ ПО УЧАСТКАМ ВОДОТОКОВ МАЛЫХ РЕК Специальность 03.02.08 – Экология (в химии и нефтехимии)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Черняев Александр Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Акимов Валерий Александрович доктор химических наук, профессор Зволинский Валентин Петрович
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»
Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 14:00 час. на заседании диссерта ционного совета Д212.145.03 в Московском государственном университете ин женерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ») по адресу: 105066, г. Москва, ул.
Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государ ственного университета инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»).
Автореферат разослан «23» марта 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Е.С. Гриднева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Начиная с 1999 г. в Российской Федерации про исходит заметный ежегодный прирост добычи нефти, развитие сети магист ральных трубопроводов и формирование новых экспортных направлений транспортирования. Однако, как показывает практика, полностью исключить аварии, связанные с процессом транспортировки нефтепродуктов и снизить до нуля вероятность их возникновения, невозможно. Поэтому возникает необхо димость осуществления более тщательного прогнозирования последствий ава рийных разливов.
Вопросам изучения и моделирования распространения нефтяных загряз нений в гидросфере посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов:
Р.Н. Бахтизина, С.М. Вайнштока, И.А. Мерициди, В.И. Ларионова, В.Д. Рябова, B.M. Журбаса, Дж. Фей, П. Блоккер, Х. Шен, П. Яппа и др., а также ряд норма тивно-методических документов. Однако не существует методики прогнозиро вания распространения и трансформации нефтяных загрязнений по малым во дотокам, рассматривающей совместно процессы растекания и переноса нефтя ного загрязнения, а также учитывающей осаждение нефти на береговую расти тельность. Создание подобной методики позволит повысить эффективность планирования и оперативного управления мероприятиями по локализации и ликвидации аварийных разливов.
Необходимость решения современных задач по обеспечению техноген ной и экологической безопасности, в частности при попадании нефтяных за грязнений в малый водоток, требует построения специальных математических моделей, описывающих всю совокупность происходящих процессов, и их реа лизацию с помощью разработки комплексной модели.
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание ком плексной модели распространения и трансформации нефтяных загрязнений при их попадании в русла малых рек для повышения точности систем прогнозиро вания.
В диссертации, для достижения цели были поставлены и решены сле дующие задачи:
- исследована адекватность существующих математических моделей про цессов распространения аварийных разливов нефти применительно к руслам малых водотоков для систем прогнозирования последствий таких разливов;
- разработан комплекс математических моделей, описывающий процессы переноса и трансформации нефтяного загрязнения при попадании нефти в рус ло малого водотока;
- проведена серия экспериментов для установления зависимости объема осевшей на растениях нефти от морфологии растений;
- разработана географическая информационная система малого водотока;
- проведены: численное моделирование, отработка и практическая реали зация результатов исследований.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
- комплексная модель распространения и трансформации нефтяного за грязнения при попадании нефти в русло малого водотока;
- статистическая модель зависимости объема осаждающейся на берего вых растениях нефти от толщины слоя нефтяного разлива, площади поверхно сти прибрежной растительности, условного типа растений и площади пятна контакта нефтяного загрязнения с береговой поверхностью;
- принципы интеграции географической информационной системы (ГИС) и комплексной модели прогнозирования последствий распространения и пре образования аварийных разливов нефти, а также структурная схема такой сис темы;
- результаты вычислительных экспериментов, компьютерного и имитаци онного моделирования распространения и трансформации нефти с использова нием ГИС применительно к реальным водным объектам, их сравнения с имею щимися экспериментальными данными;
Научная новизна работы. В работе решена важная научная и практиче ская задача прогнозирования распространения и трансформации нефти при по падании в малый водоток, а именно:
- разработана комплексная математическая модель процессов распро странения и трансформации нефти при ее попадании в малые водотоки, учиты вающая характер прибрежной растительности, тип берегового и донного грун та, и свойства нефти;
- установлены теоретические зависимости скорости растекания нефти для гравитационно-инерционной и гравитационно-вязкой фаз по участкам водото ков малых рек от ее объема и времени с начала разлива;
- разработана статистическая модель, описывающая процессы сорбции нефти на береговую поверхность, учитывающая морфологические особенности растительности и характеристики грунта;
- установлено значение сорбционной способности основных видов бере говой растительности;
- разработанная комплексная модель позволяет учитывать больше пара метров, чем в случае ранее использовавшихся методик, что повышает точность прогнозируемых значений распространения и трансформации нефтяного за грязнения в условиях малого водотока.
Практическая значимость. Предложенные алгоритмы и комплексная мо дель позволяют повысить точность расчетных данных и облегчить их интегра цию в системы прогнозирования аварийных разливов.
Использование разработанных математических моделей и полученных на их основе алгоритмов, программных комплексов и расчетных результатов по вышает точность систем прогнозирования и сокращает продолжительность раз работки планов ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН) в руслах ма лых рек.
Реализация работы. Разработанные математические модели и получен ные на их основе расчетные результаты использованы в ЗАО «НПФ “ДИЭМ”» для оценки и прогнозирования воздействия разливов нефти на водотоки. Ис пользование полученных результатов и разработанных на их основе программ для ЭВМ позволило существенно повысить качество и оперативность оценки ущербов окружающей среде при принятии решений по компенсационным ме роприятиям.
Объект исследования. Процессы распространения и трансформации нефти при её попадании в малые водотоки.
Предмет исследования. Математические модели процессов распростра нения и трансформации нефти при её попадании в малые водотоки для систем прогнозирования аварийных разливов и анализа их последствий.
Методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований использованы: элементы теории математического моделирова ния, методы теоретической и прикладной гидродинамики, методы статистиче ского анализа, теория планирования эксперимента. Для оценки достоверности разработанного комплексной математической модели проводился вычисли тельный эксперимент на основе данных аварийного нефтяного разлива. Полу ченные данные обрабатывались с использованием методов математической ста тистики и геоинформационного моделирования.
Апробация работы. Изложенные в настоящей диссертационной работе ма териалы докладывались на: XXXIV, XXXV, XXXVI Гагаринских чтениях в 2007, 2008, 2009 гг.;
Всероссийской НТК «Новые материалы и технологии НМТ-2007», Москва, 2007 г.;
Седьмой Всероссийской НТК «Управление каче ством», Москва, 2008 г.;
3-ей Всероссийской научно-технической Интернет конференции «Экология и безопасность», Тула, 2008 г.;
46-ой международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2008 г.;
научных семинарах кафедры: «Промышленная экология и безопасность производства» МАТИ.
Публикации по теме исследования. По результатам проведенных ис следований опубликовано 15 работ (список основных работ приведен в конце автореферата), в том числе 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страни цах и включает в себя оглавление, введение, 4 главы собственных исследова ний, заключение, список литературы из 106 наименований и 2 Приложения. Ра бота проиллюстрирована 47 рисунками и содержит 21 таблицу.
ОСНОВНОЕ СОДЕРАЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации;
сформулиро ваны цель и задачи исследования;
определены научная новизна и практическая ценность, обоснована возможность реализации диссертационной работы.
В первой главе исследована предметная область и проблематика матема тического моделирования в задачах прогнозирования распространения и транс формации аварийных нефтяных разливов по акваториям водотоков. Проанали зированы подходы, структуры информационного обеспечения прогнозирования аварийных разливов и используемые математические модели.
На схеме, иллюстрирующей процессы распространения и трансформации нефтяного разлива в акватории малого водотока (рис.1) тёмным фоном выделе ны процессы, для которых не были разработаны математические модели (тако вые предлагаются автором в настоящем исследовании), штриховкой – перера ботанные и/или дополненные автором.
Рис. 1. Классификация процессов распространения и трансформации нефтя ного разлива в акватории малого водотока Для математического описания физико-химических процессов в нефтя ной пленке применялась модель эволюции нефтяного разлива, представленная уравнением баланса:
QПОВ (t ) = Q0 QИСП (t ) Q ДИС (t ) QБЕР (t ) Q ДНО (t ) + QЭМ (t ), (1) где QПОВ(t) – объем нефти на поверхности малого водотока через время t после разлива;
Q0 – общий объем разлитой нефти;
QИСП(t) – объем испарившейся неф ти;
QДИС(t) – диспергирование нефти в водную толщу;
QБЕР(t) – объем нефти, осажденной на береговой поверхности;
QДНО(t) – объем нефти, осажденной на донную поверхность;
QЭМ(t) – объем водонефтяной эмульсии.
К настоящему времени хорошо изученными являются следующие про цессы: испарение, диспергирование, эмульгирование, растекание. Для описания процесса испарения легких фракций нефти, в настоящей модели принят подход, заключающийся в представлении нефти в виде смеси компонентов, отличаю щихся по температуре кипения, плотности и молекулярному весу. При этом скорость испарения каждой фракции считается пропорциональной давлению ее паров и определяется следующим уравнением [Stiver et al, 1984]:
W Dk k Pk k M k S ПОВ (t ) t QПОВ (t ) z QИСП (t ) =, Q (t ) (2) 15,2 a R TВ k =1 0 _ k где W – скорость ветра, Dk, k, Pk, k, Mk, Q0_k – коэффициент молекулярной диф фузии в атмосфере, мольная доля, давление паров фракции нефти, плотность, молекулярный вес, объем, соответственно для k-ой компоненты, SПОВ(t) – пло щадь разлива в момент времени t, va – кинематическая вязкость воздуха, R – универсальная газовая постоянная, ТВ – температура воды, Q0_k(t) – объем неф ти k-ой фракции в момент времени t.
Математическое описание процесса диспергирования, т.е. растворения нефти в водной среде, осуществляется с помощью следующего выражения [Mackay et al, 1980]:
0,11Q ПОВ (t ) (1 + W ) Q ДИС (t ) =, 50 G Q ПОВ (t 1) µ Н (3) 1 + S РАЗЛ (t ) где µН – динамическая вязкость нефти, G – поверхностное натяжение, W – ско рость ветра.
Для моделирования процесса эмульгирования, т.е. образования эмульсии воды в нефти, использовалось соотношение [Stiver et al, 1984]:
gH W QЭМ (t ) = 0,07 t QПОВ (t 1) 2, (4) W g где H – глубина водотока.
Для математического описания процесса растекания под действием сил гравитации в рамках данной работы были использованы доработанные автором формулы модели [Fay, 1971]. Принимая во внимание, что временная граница прогнозирования составляет 14 дней, нами были учтены лишь первые две фазы растекания: гравитационно-инерциальная и гравитационно-вязкая. Скорость растекания для обеих фаз и их продолжительность показана в табл. 1.
Табл. 1. Скорость растекания нефти и продолжительность фаз.
Фазы растека Скорость растекания Продолжительность ния 3,4 3 g QПОВ (t ) гравитацион- Q (t ) t1 = 3 ПОВ VРАСТЕК _ 1 (t ) = но- g B bt инерциальная B (g B )1 / 3 Q ПОВ (t ) 2 / g H Q ПОВ (t ) гравитацион- 9 t2 = V РАСТЕК _ 2 (t ) = но-вязкая b2 B B G 16 t 8 где g – ускорение свободного падения, t – значение времени с момента разлива, B H ;
В – плотность воды, Н – плотность нефти, b – ширина русла водо = B тока, t1, t2 – продолжительность первой и второй фаз растекания, соответствен но;
В – кинематическая вязкость воды;
G – тензор напряжений, определяемый силами трения на границе вода-нефть.
Для моделирования переноса нефтяного пятна током малого водотока была использована следующая модель водотока. Русло малого водотока разби валось на элементарные площадки, характеризующиеся следующими парамет рами: гидравлический уклон i, гидравлический радиус RG, коэффициент шеро ховатости донной поверхности K, коэффициент кинематический вязкости воды В. После чего для каждой элементарной площадки проводился расчет средней скорости перемещения воды и определялся режим течения жидкости, посредст вом использования системы уравнений Кольбрука-Уайта. При этом в модели рассматривалось два режима течения - ламинарный и турбулентный. В случае ламинарного течения в данной работе рассматривается распределение скоро стей в проекции, перпендикулярной направлению движения жидкости, для слу чаев сечений эллиптической, прямоугольной, треугольной и трапециидальной формы.
Во второй главе описана разработанная автором комплексная модель распространения и трансформации нефтяного разлива. А именно, рассмотрено модельное представление русла водотока. Русло водотока может быть пред ставлено набором линейных участков и элементарных площадок. Рассмотрим совместно процессы растекания и переноса нефтяного загрязнения течением реки. В случае попадания нефтяного загрязнения в акваторию водотока распро странение будет происходить вниз и вверх по течению водотока. В рамках дан ной модели было принято допущение, согласно которому половина объема нефти движется вверх по течению водотока, а вторая половина вниз. Скорость перемещения вниз по течению водотока будет складываться из скорости тече ния водотока и скорости растекания нефтяного разлива.
VПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x, y, t ) = V ( x, y ) + VРАСТЕК (t ) (5) Скорость перемещения нефтяного пятна при его движении вверх по тече нию реки рассчитывается как разница между скоростью растекания и скоро стью течения реки.
VПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ ( x, y, t ) = V ( x, y ) VРАСТЕК (t ) (6) Скорость движения вниз по течению реки, будет характеризовать движе ния переднего фронта нефтяного разлива, а скорость движения вверх по тече нию реки – скорость движения «хвоста» нефтяного разлива. При этом основная сложность моделирования заключается в необходимости совместного рассмот рения процессов, описание которых лежит в пространственной и временной области. В случае, ламинарного режима течения водотока, линейный участок представляется набором протяженных вдоль оси русла элементарных площа док. Т.е. в этом случае русло водотока представляется как набор параллельно перемещающихся областей жидкости. При этом принимается допущение о том, что растекание нефти в поперечном направлении из одной области жидкости в другую не происходит.
Для вычисления скорости распространения нефтяного загрязнения при ламинарном режиме течения использовался следующий подход. Среди массива элементарных площадок, выбирались имеющие максимальную скорость тече ния водотока, которые для определенности были названы центральными. Так как скорость растекания нефтяного разлива зависит только от времени, то рас пространение нефтяного разлива будет происходить с наибольшей скоростью по центральным площадкам. При построении математической модели исполь зовалось два блока. В одном проводилось моделирование распространения нефтяного загрязнения вниз по течению водотока, в другом - вверх по течению.
При этом для соотнесения процесса растекания нефтяного загрязнения и пере носа током водотока была введена переменная – расчетный такт, представляю щая собой интервал времени – tПЕРЕМЕЩ_ВНИЗ, необходимый нефтяному разливу для прохождения одной центральной площадки вниз по течению водотока, рав ный.
t ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) = L, (7) V ( x, y ) + V РАСТЕК (T ) где T – порядковый номер расчетного такта, L – длина линейного участка. Та ким образом, удалось соотнести время с момента начала разлива с положением нефтяного разлива в русле водотока. В то же время использование расчетного такта позволило рассчитывать актуальное значение скорости растекания неф тяного загрязнения в рассматриваемый момент времени:
T 1 VРАСТЕК (T ) = VРАСТЕК t ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (i ) (8) i =1 Так как расчетный такт характеризует время прохождения y-ого цен тральной площадки x-го линейного участка, то он соотнесен и со скоростью те чения в линейном участке русла – V(x,y). Приращение площади загрязнения для центральных площадок при распространении вниз по течению водотока, вы числяется из следующего соотношения:
S ВНИЗ _ Ц ( x, y, T ) = L T B c (9) где с – количество элементарных площадок в линейном участке.
Для не центральных элементарных площадок скорость распространения разлива вниз по течению вычисляется следующим образом. В случае, когда за расчетный такт нефтяной разлив не проходит границу элементарной площадки, пройденное разливом расстояние вычисляется из следующего соотношения:
L ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x, y, T ) = (V ( x, y ) + V РАСТЕК (T )) t ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) (10) При этом приращение площади нефтяного разлива вычисляется:
S ВНИЗ (x, y, T ) = L ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x, y, T ) B c, (11) где с – количество элементарных площадок в линейном участке.
В случае, когда за расчетный такт, нефтяной разлив проходит границу y ой элементарной площадки, вычисляются два расстояния: одно – пройденное в элементарной площадке x-го линейного участка, второе – пройденное в элемен тарной площадке линейного участка x+1. Расстояние, пройденное разливом в элементарной площадке x-го линейного участка, вычисляется как разница меж ду длинной элементарной площадки и расстоянием, пройденным нефтяным разливом за предыдущий расчетный такт. А время, необходимое для прохожде ния нефтяным разливом y-ой элементарной площадке x-го линейного участка L L ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x, y, T ) t ВНИЗ _ y ( x, y, T ) = (12) V (x, y ) + V РАСТЕК (T ) Расстояние, пройденное в элементарной площадке x+1-го линейного участка, может быть вычислено по следующей формуле:
L ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x + 1, y, T ) = (V РАСТЕК (T ) + V ( x + 1, y )) (t ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) t ВНИЗ _ y ( x, y, T )) (13) Приращение площади нефтяного разлива может быть вычислено из следующе го соотношения:
S ВНИЗ (x + 1, y, T ) = (L L ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x, y, T ) + L ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ ( x + 1, T )) B / c (14) Аналогично, для распространения загрязнению вверх по течению водотока. В случае, когда за расчетный такт, нефтяной разлив не проходит границу линей ного участка, пройденное расстояние вычисляется из следующего соотноше ния:
L ПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ ( x, y, T ) = (V ( x, y ) V РАСТЕК (T )) t ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) (15) При этом приращение площадь нефтяного разлива равно:
S ВВЕРХ ( x, y, T ) = L ПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ ( x, y, T ) B c (16) В случае, когда за расчетный такт нефтяной разлив проходит границу линейно го участка вверх по течению водотока, время, необходимое для прохождения разливом x-го линейного участка:
L L ПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ ( x, y, T ) t ВВЕРХ _ y ( x, y, T ) = (17) V ( x, y ) V РАСТЕК (T ) Расстояние, пройденное в x+1-ом линейном участке, вычисляется по следую щей формуле:
L ПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x + 1, y, T ) = (V ( x + 1) V РАСТЕК (T )) (t ПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) t ВВЕРХ _ y ( x, y, T )) (18) Приращение площади нефтяного разлива может быть вычислено из следующе го соотношения:
S ВВЕРХ ( x, y, T ) = (L L ПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ ( x, y, T ) + L ПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ ( x + 1, y, T )) B c (19) В случае турбулентного режима течения жидкости в водотоке, стратифи кации скоростей течения в линейном участке не происходит, в этой связи для описания распространения нефтяного загрязнения была использована матема тическая модель ламинарного режима с редуцированной y переменной.
Модельное представление осаждения нефти на донную поверхность.
Под процессом осаждения нефти на донную поверхность понимается процесс погружения фракций нефти, имеющих плотность большую, чем плотность во ды. Осаждение нефти объясняется тем, что, вследствие испарения легких фрак ций нефти, усредненное значение плотности пятна увеличивается. Объем осев шей на донную поверхность нефти может быть вычислен с помощью следую щего соотношения:
N N B QКОМП (i, T ) (Pn(i ) Q КОМП (i, T )) Q ДНО (T ) = i =1 i =, (20) m Pn(i) i = где QДНО(T) – объем осевшей нефти на T-ом расчетном такте, m – количество компонентов нефти с плотностью большей плотности воды, Pn – массив, эле менты которого содержат значения плотности фракции нефти, Q КОМП(i, T) – объем i-й фракции нефти во время T-го расчетного такта времени, N – количе ство рассматриваемых фракций нефти.
Комплексная модель распространения и трансформации нефтяного за грязнения представлена следующей блок-схемой (рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема комплексной модели распространения и трансформации нефтяного загрязнения Блок-схема комплексной модели состоит из 13 блоков. В блоке 2 проис ходит вызов функции ввода массивов исходных данных. Затем в блоке 3 проис ходит обращение к функции расчета гидравлических параметров русла водото ка, результатом работы которой является зависимость скорости течения водо тока от местоположения элементарной площадки на поверхности водотока – V(x,y). В блоке 4 выполняется проверка условия характера течения жидкости в водотоке. В случае, когда течение ламинарное, выполнение программы переда ется в блок 5, в противном случае в блок 6. В блоках 5 и 6 производится вызов функции расчета распространения нефти в ламинарном и турбулентных режи мах соответственно, результатом работы которых является значение прираще ния площади нефтяного разлива за T-ый расчетный такт, распространившегося вверх и вниз по течению водотока, координаты фронта и «хвоста» нефтяного разлива в русле водотока и общая продолжительность времени распростране ния нефтяного разлива. Затем в блок 8 вызывается функция расчета объема ис парившихся фракций нефти, результатом работы которой является объем испа рившихся фракций нефти, обновленное значение объема нефтяного загрязне ния на поверхности водотока и усредненное значение плотности нефтяного за грязнения. После чего в блоке 9 происходит обращение к функции расчета объ емов диспергированной нефти и водонефтяной эмульсии, результатом работы которой является обновленное значение объема нефтяного загрязнения на по верхности водотока. В блоке 10 вызывается функция расчета объема нефти, фильтрующейся в грунт береговой поверхности, результатом работы которой является объем нефти, инфильтрировавшей в грунт береговой поверхности, ко ординаты загрязненной береговой поверхности, обновленное значение объема нефтяного загрязнения на поверхности водотока. В блоке 11 происходит обра щение к функции расчета объема нефтяного загрязнения, осаждающегося на дно водотока. Результатом работы функции является объем осевших на дно во дотока фракций нефти и обновленное значение объема нефтяного загрязнения на поверхности водотока и усредненной плотности нефтяного разлива. В блоке 12 выполняется проверка условия рассмотрения последней элементарной пло щадки. В случае, когда условие не выполняется, выполнение программы пере дается в блок 7, в котором производится переход к следующему расчетному такту. В противном случае, выполнение алгоритма заканчивается.
В третьей главе разработана модель осаждения нефти на растительность береговой поверхности, а также рассмотрены подходы к формированию гео графической информационной системы малого речного водотока.
Автором были проведены исследования по определению площади поверх ности береговых растений малых водотоков на 10 контрольных площадках в Ленинском, Дмитровском, Мытищинском и Раменском районах Московской области. Были выбраны характерные растения прибрежной зоны (осока и ро гоз), произведен подсчет количества растений, произрастающих на элементар ном участке, измерены их высота и площадь поверхности. Это позволило по строить зависимость площади поверхности характерных растений от количест ва побегов и их высоты над уровнем земли (или воды). Так, площадь поверхно сти осоки вычисляется следующим образом:
S ПОВ _ РАСТ (T, h РАСТ ) = ( 40,1348 h РАСТ + 19,5998 hРАСТ 0,4208)1,8 S ОСОКА _ ПОБЕГ N ОСОКА, (21) Для расчета площади поверхности рогоза используется формула:
S ПОВ _ РАСТ (T, hРАСТ ) = ( 40,1348 hРАСТ + 19,5998 hРАСТ 0,4208) 6,236 S РОГОЗ _ ПОБЕГ N РОГОЗ, (22) где SПОВ_РАСТ – площадь поверхности растений укоса, м2, hРАСТ – высота расте ний над уровнем земли, м, SОСОКА_ПОБЕГ, SРОГОЗ_ПОБЕГ – усредненная площадь по верхности побега осоки или рогоза соответственно, NОСОКА, NРОГОЗА – количест во побегов осоки и рогоза соответственно.
Для оценки объема осевшей на береговых растениях нефти автором была проведена серия экспериментов, в ходе которых в емкость, наполненную неф тью плотностью 860 кг/м3, на разную глубину погружали осоку и рогоз, после чего определяли массу осевшей на растениях нефти и площадь поверхности этих участков растений. В результате, были построены зависимости массы осевшей на растениях нефти от площади поверхности и глубины погружения и толщины слоя осевшей нефти.
Обобщенная зависимость объема нефти, осевшей на осоке, имеет вид:
24,55 + 13,86 h + 12,13 S = ( 40,1348 h 0,4208) 1,8 N, (23) + 19,5998 h S ПОГРУЖ ОСОКА _ ПОБЕГ Q 1000 Н Н _ РАСТ РАСТ РАСТ ОСОКА БЕРЕГ где n – плотность нефти, Sберег – площадь береговой поверхности, покрытой растительностью. Для рогоза:
15,14 + 8,55 h + 7,48 S = ( 40,1348 h 0,4208) 6,236 N, (24) + 19,5998 h S ПОГРУЖ РОГОЗ _ ПОБЕГ Q 1000 Н S РОГОЗ _ ПОБЕГ Н _ РАСТ РАСТ РАСТ РОГОЗ БЕРЕГ Полученные соотношения позволяют производить оценку объема нефти, осев шей на растениях береговой поверхности.
Для наглядного отображения результатов моделирования распространения и трансформации нефтяного загрязнения по акватории малого водотока была построена географическая информационная система (ГИС) малого водотока на основе системы настольной картографии MapInfo. Технологии ГИС объединяют традиционные операции при работе с базами данных с преимуществами визуализации и гео графического анализа, которые предоставляет карта. Информационное содержа ние цифровой географической основы в ГИС организовано в виде множества сло ев, функциональным назначением которых является объединение информации о пространственных объектах, имеющих какие-либо общие свойства.
Задание параметров слоев осуществляется с помощью таблиц атрибутивных данных. Каждый слой содержит разные виды информации как с точки зрения их содержательного наполнения (гидрологические объекты, населенные пункты, растительность и т.д.), так и с точки зрения их графического представления (замкнутые области, точки, линии). Слои ГИС по значению для дальнейшего моделирования подразделяются на 2 блока: основные, непосредственно исполь зуемые при моделировании и вспомогательные, представляющие общую кар тину исследуемой территории (рис. 3).
В связи с тем, что исследуемые загрязнения носят разномасштабный ха рактер и могут распространяться вниз по течению на большие расстояния, ис пользовано многоуровневое представление данных на картах разных масшта бов.
В зависимости от цели моделирования, используются несколько вариантов представления результатов:
- отображение результатов расчета распространения и трансформации нефтяно го загрязнения через определенные интервалы времени;
- отображение максимально возможного ареала распространения загрязнения;
- интервалы времени, необходимые для достижения заданных створов.
Рис.3. Структура слоев ГИС Графическое представление отображения результатов моделирования в ГИС показано на рисунке 4, где градациями серого цвета показаны степень за грязнения береговой поверхности, и объем испарившейся нефти в течение вре мени Ti после начала разлива. Для мелкомасштабных карт отображение резуль татов моделирования показано в левой части рисунка, для крупномасштабных – в правой.
А Б Рис. 4. Представление результатов моделирования для мелкомасштаб ной (А) и крупномасштабной (Б) карт.
В четвертой главе представлена методика проведения моделирования и вычислительных экспериментов, выполнено имитационное моделирование, ве рификация комплексной модели и проверка её адекватности, представлено ото бражение результатов моделирования с помощью ГИС, разработаны рекомен дации по составлению ПЛАРН и исследованы особенности распространения нефтяного загрязнения по участкам водотоков малых рек.
Для верификации модели и проверки её адекватности было проведено имитационное моделирование нефтяного загрязнения по акватории ручья Бе зымянный, где в результате повреждения нефтепровода «Возей – Уса» в тече ние 87,5 минут вылилось 2685 м3 нефти. В качестве исходных данных, для мо делирования русла водотока, были использованы картографические материалы в масштабе 1:100000, а также космические изображения, взятые из ГИС Google Earth. Параметры окружающей среды были взяты из архивных данных Росги дромета, а параметры нефти - усредненные значения сырой нефти, добываемой в Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.
Для верификации комплекса моделей было проведено сравнение прогноза распространения и трансформации нефтяного загрязнения с известными на блюдениями, а также с результатами расчетов, выполненных по следующим утвержденным МЧС и Минприроды РФ методикам:
- методика 1 - «Методика прогнозной оценки загрязнения открытых водоисточ ников аварийно химически опасными веществами в чрезвычайных ситуациях», позволяющая производить оперативные расчеты по определению основных ха рактеристик загрязнения водотоков и водоемов при аварийных сбросах в них опасных химических веществ.
- методика 2 - «Методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства», применяющаяся для исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие на рушения водного законодательства, в том числе аварийные разливы нефти.
Результаты валидации комплексной модели представлены в таблице 2.
Таблица 2. Валидация комплексной модели параметры площадь время объем объем объем величина нефтяного нефтя- подхода к нефти, нефти, испа- экологи разлива ного за- заданному на по- осевшей рив- ческого грязне- створу, с верхно- на берего- шейся ущерба, ния, м сти во- вой по- нефти, млн. руб.
верхности, м ды, м м наблюдения 130500 нет дан- 47 нет нет дан ных данных ных предлагаемая 132491 3342 2599 52 12,24 4080, модель методика 1 нет дан- нет дан- нет нет дан 121532 ных ных данных ных методика 2 нет дан 109739 2634,86 40 11,14 4070, ных Для проверки адекватности комплексной математической модели на ос нове ретроспективных данных были построены регрессионные модели, харак теризующие зависимости пройденного нефтяным разливом расстояния от вре мени, скорости распространения и площади нефтяного разлива, представлен ные уравнениями регрессии, а также уравнениями верхней и нижний границ доверительного интервала при уровне значимости 95%. При этом, результаты расчетов параметров распространения нефтяного загрязнения, выполненные по предлагаемой модели, укладываются в доверительные интервалы регрессион ных моделей, что свидетельствует об адекватности предлагаемой комплексной модели.
Построенный на основе предлагаемой комплексной модели прогноз рас пространения нефтяного загрязнения позволяет разработать рекомендации по составлению ПЛАРНа: предложено место проведения работ по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти - пересечение ручья Безымянный с до рогой Харъяга-Усинск, рассчитано максимально возможное время до прибытия аварийных служб и развертывания ими боновых заграждений, составляющее минут, рассчитана длина боновых заграждений – 27 метров, производитель ность нефтесборщиков - 74 м3/ч, объем емкостей для хранения собранной водо нефтяной эмульсии - 2659 м3.
Проведенный анализ особенностей распространения и трансформации нефтяного разлива применительно к акваториям водотоков малых рек, показал, что имеет место большая скорость растекания нефтяного разлива, по сравне нию со средними и большими реками, что приводит, при прочих равных усло виях, к более быстрому увеличению площади нефтяного разлива и обуславли вает увеличение объема испарившейся нефти. Другой особенностью является то, что при одинаковой площади нефтяного загрязнения протяженность пятна контакта загрязнения с береговой поверхностью оказывается больше, а толщи на нефтяного разлива оказывается выше. Это обуславливает осаждение боль шего объема нефти на береговой поверхности малых водотоков.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:
1. Разработана комплексная математическая модель прогнозирования распространения нефтяных загрязнений по участкам водотоков малых рек, опи сывающая процессы растекания и переноса нефтяного загрязнения течением водотока, учитывающая процессы испарения, эмульгирования, диспергирова ния и осаждения на береговую и донную поверхность.
2. Установлены теоретические зависимости скорости растекания нефти для гравитационно-инерционной и гравитационно-вязкой фаз в условиях малых водотоков.
3. Установлено значение сорбционной способности основных видов бере говой растительности.
4. Построена статистическая математическая модель, характеризующая зависимость объема осевшей на береговой поверхности нефти от толщины нефтяного разлива, высоты и типа грунта.
5. Разработана ГИС малого водотока, позволяющая вводить исходные данные и представлять результаты моделирования.
6. На базе предложенных моделей разработан алгоритм расчета скорости распространения аварийного разлива и объема образовавшейся водонефтяной эмульсии, выбора мест приоритетной защиты береговой поверхности малого водотока.
7. На базе разработанных моделей была реализована комплексная мо дель, апробированная при проектировании информационных систем прогнози рования аварийных разливов нефти. Применение разработанной комплексной модели позволяет повысить точность прогнозирования процессов распростра нения и трансформации нефтяных загрязнений в руслах малых водотоков.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование процессов осаждения нефтяных загрязнений на береговую поверхность малых рек // Информационные техноло гии, Москва. - 2009. - № 11. - С. 37-40. (список ВАК) 2. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование процессов трансформации неф тяных загрязнений при разливах нефтепродуктов на акваторию малых рек // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер.
Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. - 2009. - № 6. - С. 23-27. (список ВАК) 3. Павлов А.А. Моделирование распространения нефти по руслу малого во дотока при турбулентном режиме течения // Экология урбанизированных тер риторий. - 2011. - № 3. - С. 52-57. (список ВАК) 4. Черняев А.В., Павлов А.А. Построение модели растекания нефти по руслу малого водотока при ламинарном режиме течения // Вестник БГТУ им. В.Г.
Шухова. – 2012. - № 1. С. 149-152. (список ВАК) 5. Дмитренко А.В., Павлов А.А., Черняев А.В. Комплексная модель для компьютерного анализа последствий аварийных разливов нефти из трубопро водов // Информационные технологии моделирования и управления. - 2007. № 8. - С. 970-975.
6. Павлов А.А. Применение ГИС для построения модели аварийных разливов нефтепродуктов на акваториях рек // Научные труды XXXIV международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения». Москва.
- 2007. - Т.8. - С. 40-41.
7. Павлов А.А. Учет особенностей распространения нефтяного загрязнения при анализе экологического риска // Информационные технологии моделиро вания и управления. - 2008. - № 4. - С. 447-453.
8. Павлов А.А. Структура модели аварийных разливов нефтепродуктов на ак ватории рек // Сб. материалов 46 международной научной студенческой конфе ренции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск. -2008. - С. 98 100.
9. Павлов А.А. Моделирование последствий аварийных разливов нефтепро дуктов в акваторию водотоков // Третья всероссийская научно-техническая Ин тернет-конференция «Современные проблемы экологии и безопасности». Тула.
- 2008. - С. 224-226.
10. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование аварийных речных разливов нефтепродуктов для систем качества магистральных нефтепроводов // Сб. ма териалов Седьмой всероссийской научно-практической конференции «Управ ление качеством». Москва. - 2008. - С. 151-152.
11. Павлов А.А. Моделирование последствий аварийных разливов нефтепро дуктов в акваторию малых рек // Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях. Воронеж. - 2008.- С. 250-252.
12. Павлов А.А. Учет влияния разновидностей береговой поверхности при мо делировании нефтяных загрязнений малых рек // Доклады всероссийской науч но-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий». Тула. - 2009. - С. 19.
13. Павлов А.А. Построение модели мониторинга аварийных разливов нефти на акваторию водотоков // Сборник научных трудов МАТИ. - 2009. - С. 468 – 472.
14. Павлов А.А. Математическая модель распространения нефтяного загрязне ния при разливах нефтепродуктов на акваторию малых водотоков // Современ ные проблемы информатизации в экономике и обеспечении безопасности. Во ронеж. - 2011. - С.112-117.
15. Павлов А.А. Верификация модели распространения и трансформации неф тяного разлива по акватории малого водотока на основе ретроспективных дан ных аварийных нефтяных разливов // Научные труды XXXVII международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения», Москва.
- 2011. - Т.9. – С. 85-86.
Подписано в печать 22.03. Формат 60Х84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Тираж 100 экз.
Отпечатано на ризографе МГУИЭ 105066 Москва, ул. Старая Басманная,21/