Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД ФЕДЕРАТИВНОЙ РЕСПУБЛИКИ НИГЕРИЯ 11
1.1. Административно-географическое описание Федеративной Республики Нигерия. 11
1.2. Особенности движения нефтяных загрязнений с учетом направления течений в Гвинейском заливе 16
1.3. Физико-химическое и биологическое влияние нефти на экологические системы 23
1.4. Характеристики аварий и катастроф, связанных с разливами нефти 34
1.5. Дистанционные методы идентификации нефтяных разливов на поверхности моря 44
Выводы к главе 1 51
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ПРИБРЕЖНЫХ ВОДАХ ГВИНЕЙСКОГО ЗАЛИВА 53
2.1. Особенности системного подхода к математическому моделированию сложных экосистем 53
2.2. Сравнительный анализ существующих моделей движения нефтяного пятна на поверхности моря 57
2.3. Авторская математическая модель движения нефтяного пятна в критических зонах Гвинейского залива 76
2.4. Программный комплекс имитационного моделирования распространения нефтяного разлива «Slickmovement» 86
2.5. Численный эксперимент для определения динамики и деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Нигерия 103
Выводы к главе 2 123
ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ ЭКСПРЕСС ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ПОСТАВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ 125
3.1. Оценка уровня загрязненности и организация работ по ликвидации разливов нефти 125
3.2 Технические средства для сбора нефти 127
3.3. Технология ликвидации разливов нефти 140
3.4. Обоснование сроков принятия экологически эффективных решений при ликвидации разливов нефти в критических зонах прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия 156
Выводы к главе 3 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179
ЛИТЕРАТУРА 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 195
- Административно-географическое описание Федеративной Республики Нигерия.
- Особенности системного подхода к математическому моделированию сложных экосистем
- Оценка уровня загрязненности и организация работ по ликвидации разливов нефти
Введение к работе
Актуальность работы. В последние десятилетия значительно увеличилось потребление сырой нефти во многих странах мира. Нефть — ценнейшее сырье, без использования которого невозможна современная цивилизация. Однако процессы добычи, транспортировки, хранения и переработки нефти и нефтепродуктов очень часто становятся источниками загрязнения окружающей среды, которое может приобретать катастрофические масштабы.
Экологические катастрофы происходят при авариях нефтепроводов, когда на значительных пространствах загрязняются нефтью почва и водные источники. Серьезное влияние на экологическую ситуацию оказывают пожары и диверсии на трубопроводах и нефтехранилищах. В результате окружающая среда (воздух, вода, почва и растительность) загрязняется нефтепродуктами, страдает животный мир, а попадание нефтепродуктов в питьевую воду непосредственно угрожает здоровью населения.
Среди многочисленных вредных веществ антропогенного происхождения, попадающих в окружающую среду, нефтепродуктам принадлежит одно из первых мест. Попадание нефти и ее компонентов в окружающую среду вызывает изменение физических, химических и биологических свойств и характеристик природной среды обитания, нарушает ход естественных биохимических процессов. В ходе трансформации углеводородов нефти могут образовываться еще более токсинные соединения, чем исходные, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами стойкие к микробиологическому расщеплению.
Любой и классов нефтепродуктов может стать вредной примесью, загрязняющей воду. В небольших концентрациях нефтяные загрязнения могут влиять на вкус и запах воды, а при больших содержаниях они образуют гигантские нефтяные пятна и становятся причиной экологических катастроф. Легкие нефтепродукты частично растворяются в воде, но большая их часть образует с водой эмульсии различного состава, а тяжелые нефтепродукты попадают на дно водоемов и накапливаются в донных осадках. Попадающие в природные воды нефтяные загрязнения имеют тенденцию к рассеиванию и миграции. При этом в поверхностных водах состав нефтепродуктов под влиянием испарения и интенсивного протекания химического и биологического разложения претерпевает за короткий срок быстрые изменения. В подземных же водах, наоборот, процессы разрушения нефтепродуктов заторможены. Число экологических катастроф, связанных с разливами нефти при транспортировке танкерами, морском бурении и других видах деятельности человека продолжает увеличиваться.
Добыча и транспортировка нефти - основная статья доходов Федеративной Республики Нигерия. Большая часть нефти добывается на шельфе Гвинейского залива. Нигерия экспортирует сырую нефть, а импортирует очищенные нефтепродукты. В период с 1976 по 2009 год общее число аварий и катастроф составило 9583, что оказало значительное влияние
на экологию Гвинейского залива. Вопросы прогнозирования и моделирования нефтяных розливов приобретают крайнюю актуальность, так как специфика морского дна Гвинейского залива диктует строго определенный фарватер движения судов. Географическое положение залива, направление морских течений замедляет естественные процессы рассеивания даже небольших нефтяных розливов, что приводит к сокращению и гибели биологических ресурсов в территориальных водах Нигерии, что является одним из основных пищевых ресурсов страны. В Нигерии приблизительно двадцать рек, большинство из которых протекают через богатую нефтью Нигерскую дельту и впадают в прибрежные воды Республики Нигерия. Если происходит разлив в результате выброса из нефтяной скважины, поврежденных нефтепроводов или по какой-либо другой причине, то в большинстве случаев эти реки выносят нефть в прибрежные воды Республики Нигерия. Территория прибрежной зоны Гвинейского залива является одним из немногих мест отдыха, курортом с минеральными источниками, грязелечением. Загрязнение акватории моря и земель сельскохозяйственного назначения происходит при добыче нефти на шельфе и на суше.
В настоящее время государственная система экологического мониторинга Федеративной Республики Нигерия находится в стадии становления, что требует разработки экспресс-методов для определения масштабов экологических катастроф и принятия верных управленческих решений по локализации и утилизации нефтяных загрязнений для обеспечения экологической безопасности государства.
Поэтому создание математической модели способной прогнозировать поведение и траекторию движения нефти, попавшей в море актуально для Республики Нигерия. Моделированию динамики и деструкции нефтяного слика на акватории моря посвящены ряд научных работ (Дембицкий С. И., Марчук Г.И., Гвоздев P.M., Lehr W.J., Cekirge Н.М., Fraga R.J., Belen M.S., Reddy G. S., Brunet M., Tkalich P., Huda M. К.), проблемам биологических популяций (модели Ферхюльста П.Ф., Гомпертца Б., Мальтуса Т., Базыкина А. Д. и др.), движению нефтяного слика на поверхности моря работы Афанасьева Н.А., Зданьски А.К., Израэль Ю.А., Крылова Т.О., Монин А.С., Нунупаров СМ., Удодов А.И., Озмидов Р.В., Резниченко Г.Ю., Рубин А.Б., Тарасенко Л.Н., I. Fay, С. Gerlach, D. Mackay, P. Yapa и др.
Проблема исследования заключается в разработке принципов и практических мер, направленных на охрану живой природы на экосистемном уровне в Нигерской Дельте и водах Гвинейского залива.
Цель диссертационного исследования состоит в повышении экологической безопасности прибрежных вод Республики Нигерия путем прогнозирования загрязнения нефтью вод прибрежной зоны, мониторинга динамики нефтяного разлива и создании математической модели процесса с учетом имеющихся в настоящее время данных, описывающих состояние экосистемы.
Для достижения цели исследования и проверки гипотезы автором были
поставлены и решены следующие задачи:
На примере аварийных нефтяных розливов на предприятиях добычи и транспортировки нефти установить особенности влияния гидрометеорологических и климатических условий, физических и химических свойств разлившейся нефти на форму и динамику ее распространения в береговой зоне.
Разработать математическую модель нефтяного загрязнения прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия, учитывающую комплексное воздействие влияния добычи и транспортировки нефти на экосистемы, конвективный перенос, процессы диффузии, растекания, испарения, биологической деструкции, поверхностные течения и влияние сезона года.
Создать программный комплекс имитационного моделирования "Slickmovement", позволяющий произвести экспресс-оценку динамики и деструкции нефтяного пятна для принятия административных мер по минимизации антропогенного воздействия.
Выполнить численный эксперимент для определения направления, динамики и деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Федеративной Республики Нигерии в зонах аварийных и чрезвычайных ситуаций.
На основании результатов прогнозирования движения нефтяных загрязнений предложить комплекс работ по очистке акватории моря, обеспечивающих экологическую безопасность региона.
Научно-теоретическую основу исследования составили: - результаты экологического космического мониторинга Федеративной Республики Нигерия;
законы изменения радиуса нефтяного слика (Fay I., Blokker Р., Зданьски, А.К., Крылова Т.О., Тарасенко Л.Н.);
методы решения дифференциальных уравнений в частных производных (Lehr, W.J., Cekirge, Н.М., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.);
метод конечных разностей для решения дифференциальных уравнений в частных производных (Stroud, К. А., Самарский А.А. Lehr, W.J., Cekirge, Н.М., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.);
метод суммарной аппроксимации решения дифференциальных уравнений в частных производных (Stroud, К. А., Самарский А.А. Lehr, W.J., Cekirge, Н.М., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.);
методы построения явных и неявных схем (Stroud, К. А., Самарский A.A.,Lehr, W.J., Cekirge, Н.М., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.).
Методы исследования: методы оценки риска, анализ научно-методической литературы и практического опыта, методы математической физики, теории специальных функций, вычислительной математики и математического анализа, теории вероятностей и математической
статистики. Для программной реализации алгоритмов использован аппарат численного математического моделирования и пакеты прикладных программ компьютерной математики.
База исследования: Кубанский государственный технологический университет (Институт нефти, газа и энергетики и безопасности, кафедра технологии нефти и экологии; факультет компьютерных технологий и автоматизированных систем: кафедра физики, кафедра ВТ и АСУ); Кубанский государственный университет (факультет прикладной математики: кафедра прикладной математики); НПО «Бурение» г.Краснодар.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Установлены особенности влияния гидрометеорологических и климатических условий, физических и химических свойств разлившейся нефти на форму и динамику распространения ее в прибрежных водах Республики Нигерия на примере аварийных ситуаций, связанных с выносом нефти и нефтепродуктов речными стоками, аварий на нефтяных скважинах, аварийных залповых выбросов с судов.
Разработана математическая модель нефтяного загрязнения прибрежных вод Республики Нигерия, позволяющая моделировать динамику нефтяного пятна на поверхности моря, учитывающая конвективный перенос, процессы диффузии, растекания, испарения, биологической деструкции, гидрометеорологические условия и карту поверхностных течений Нигерской Дельты.
Создан программный комплекс имитационного моделирования "Slickmovement", визуализирующий динамику и деструкцию нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом физических, физико-химических, биологических, гидрометеорологических и климатических условий.
Проведен численный эксперимент, позволяющий определить направление, динамику и деструкцию нефтяного пятна в прибрежных водах Республики Нигерии в зонах аварийных и чрезвычайных ситуаций, выявить влияние сезона года, поверхностных течений, физических параметров и экологических факторов.
На основе экспериментальных результатов комплексного изучения поведения нефти во время аварийных и чрезвычайных ситуаций формализован и научно обоснован подбор существующих методов для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря.
Впервые создана модель прогнозирования развития техногенных экологических катастроф, практическое применение которой предоставляет возможность управление экологической безопасностью при чрезвычайных ситуациях и разработке превентивных мер правительством Федеративной Республики Нигерия.
Теоретическая значимость результатов работы заключается в следующем:
Полученные результаты могут быть использованы для оценки масштабов нефтяных загрязнений с учетом изменений физических и химических свойств нефти при растекании ее на поверхности моря в прибрежной зоне с заданной картой течений.
Математическое моделирование процессов нефтяного разлива на поверхности моря в береговой полосе позволяет произвести оценку площади загрязнения, времени движения нефтяного пятна к берегу, рассчитать минимальные сроки ликвидации.
Разработаны методики для проведения численного эксперимента, позволяющего наблюдать за изменением нефтяного пятна в динамике как при мониторинге загрязнения, так и в процессе его ликвидации.
Рекомендованы методы для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря, обеспечивающие снижение негативного воздействия нефтяного загрязнения на окружающую среду и учитывающие результаты исследования зависимости поведения нефти от различных факторов.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что создана математическая модель позволяющая прогнозировать траекторию движения нефтяного слика.
разработана методика, позволяющая на основе математической модели определить площадь загрязнения моря, время движения нефтяного пятна до берега;
в диссертационном исследовании предложен подход к проведению поставарийных мероприятий по устранению нефтяных разливов, даны рекомендации.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются использованием данных, предоставленных органами системы государственного мониторинга Федеративной Республики Нигерия, лабораториями, аккредитованными ЮНЕСКО, данных космического мониторинга, методов исследования, адекватных целям и задачам работы, репрезентативностью экспериментальных данных, корректностью проведенного численного эксперимента.
Использованы современные математические методы, учитывающие многокомпонентность экологических составляющих: физико-химических, биологических, гидрометеорологических, необходимых для более полной экологической картины. Учтены особенности взаимодействия между различными показателями экосистемы.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты анализа аварийных и чрезвычайных ситуаций, связанных с загрязнением нефтью двух основных рек Нигерии — Нигера и Бенуэ, морских портов Лагоса, Харкота, Калабара, проблемы прогнозирования распространения области загрязнения с учетом влияния гидрометеорологических и климатических условий, физических и
химических свойств разлившейся нефти на форму и динамику распространения ее в прибрежных водах.
Математическая модель распространения нефтяного загрязнения по поверхности моря с учетом сложности экосистемы, естественных и искусственных способов деструкции, специфических гидрометеорологических и климатических условий исследуемой территории.
Впервые разработанный программный комплекс имитационного моделирования "Slickmovement" визуализирующий динамику и деструкцию нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом диффузии, конвективного переноса, биологической деструкции, скорости поверхностных течений Гвинейского залива.
Методика численного эксперимента по определению направления, динамики и деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Республики Нигерии показьшающий влияние сезона года, поверхностных течений, физических параметров и экологических факторов для зон аварийных и чрезвычайных ситуаций. Эксперимент выполнен для мест наиболее частого разлива нефти, находящихся в 20 км (614' северной широты и 348' восточной долготы), 30 км (606' северной широты и 405' восточной долготы) и 70 км (533' северной широты и 4 06' восточной долготы) от Нигерийской береговой линии.
Методы очистки нефтяного загрязнения на поверхности моря состоят из механического метода, удаляющего нефть с поверхности моря с использованием боновых заграждений и кораблей-нефтесборщиков; химического метода, использующего химические вещества, методов сжигания и естественных деградаций. На основе экспериментальных результатов комплексного изучения поведения нефти во время аварийных и чрезвычайных ситуаций формализован и научно обоснован подбор существующих методов для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря и предложен порядок их использования. Рассмотрены имеющиеся в настоящее время способы и методы утилизации и ликвидации нефтяных загрязнений, дана их сравнительная характеристика с точки зрения комплексного влияния на экосистемы.
Модель прогнозирования развития техногенных экологических катастроф в Гвинейском заливе. Алгоритм управления экологической безопасностью при чрезвычайных ситуациях и рекомендации по превентивным мерам для правительства Федеративной Республики Нигерия.
Апробация и внедрение результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях по экологии: «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (г. Анапа, 2007 г.), Материалы 7 объединенной научной конференции студентов и аспирантов компьютерных технологий и прикладной математики (г. Краснодар, 2007 г.), на заседаниях кафедр физики и технологии нефти и экологии. Результаты работы внедрены в учебный процесс при
обучении студентов факультета КТАС Кубанского государственного технологического университета.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 статей: 5 статей в российских изданиях, и 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских и кандидатских диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 140 наименований и 8 приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 24 таблицы.
Административно-географическое описание Федеративной Республики Нигерия
Федеративная Республика Нигерия — государство в Западной Африке, граничащее с Нигером и Республикой Чад на севере, Бенином на западе, Ка-меруном на востоке. Площадь Нигерии 923,8 тыс. км . Численность населения на 2003 год составляла 133,88 млн. человек. Столица Нигерии - Абуджа. Главным городом и фактической столицей является Лагос. Другие крупные города: Кано, Ибадан, Кадуна, Порт-Харкорт. По административно-территориальному делению Нигерия состоит из 30 штатов и 1 федеральной территории Абуджа. Нигерия омывается с юга Гвинейским заливом, а на северо-востоке — озером Чад. Протяженность береговой линии Гвинейского залива в Нигерии составляет приблизительно 853 км. Весь континентальный шельф занимает площадь 46300 км . Прибрежная область находится на высоте не более 3 м выше уровня моря и охватывается пресными озерами, зарослями мангровых деревьев, приливно-отливными каналами, береговыми валами и песчаными наносами [29]. На рисунке 1.1 представлена карта прибрежных областей Нигерии. На рисунке 1.2 показана дельта реки Нигер, ее штаты и растительность [5]. Река Нигер с притоком Бенуа делит территорию страны на две части: к северу простираются невысокие плоскогорья, на юге большую часть территории занимает Приморская равнина, образованная наносами рек, которая тянется на сотни километров с запада на восток. К северу местность постепенно повышается и переходит в ступенчатые плато (Йо-руба, Уди, Джое и др.) с высотами в центральной части до 2042 м (пик Фогель на плато Шебши) и многочисленными скалами. На северо-западе плато переходят в равнину Сокото (бассейн одноименной реки), а на северо-востоке - в равнину Борну. Почти на всей территории Нигерии климат экваториальный, муссон-ный, состоящий из дождливого (с апреля по ноябрь) и сухого (с декабря по март) сезонов. Самый дождливый и прохладный месяц - август. Наибольшее количество осадков (до 4000 мм в год) выпадает в дельте реки Нигер, тогда как на крайнем северо-востоке — всего 500 мм. Самый сухой период — зима, когда с северо-востока дует ветер Харматтан, приносящий дневной зной и резкие суточные перепады температур [54]. В Нигерийской прибрежной области преимущественно дуют южные и западные ветры, которые являются береговыми, имеют скорость 2-5 м/с и ограниченны азимутами 215-266. В дождливый сезон скорость ветра увеличивается до 10 м/с, особенно во время сильных ливней и гроз. Температуры в прибрежных областях умеренные. Средняя ежемесячная температура изменяется от 24С до 32С. Поверхностные слои вод нигерийского побережья Гвинейского залива нагреваются в основном выше 24С. Диапазон температур поверхностных слоев морской, воды с октября по май лежит в пределах 27-28С, с июня по октябрь - 24-25С [29].
Для Нигерии характерны саванны и тропические леса (рисунок 1.2). Влажные тропические леса распространены на Приморской равнине и в долинах рек. На севере лесной зоны распространены листопадные сухие тропические леса. Почти половину территории страны занимает высокотравная влажная гвинейская саванна, чередующаяся с участками парковых саванн с редкостойными деревьями — кайя, изоберлиния, митрагина. Севернее зоны высокотравной саванны простирается сухая суданская саванна с характерными зонтичными акациями, баобабами и колючими кустарниками. На крайнем северо-востоке страны раскинулась так называемая сахельская саванна с разреженной растительностью.
Нигерия имеет две главные реки — Нигер и Бенуа. Река Нигер - основная река западной Африки, протяженностью более чем 2500 миль (приблизительно 4180 км). Она течет через Гвинею, Мали, Нигер, Бенин и затем через Нигерию, впадая через массивную дельту, известную под названием Oil Rivers, в Гвинейский залив. Нигер - третья самая длинная река в Африке, уступающая только рекам Нил и Конго. Ее главный приток - река Бенуа. Река Нигер имеет двадцать рукавов, включая реки Аба, Боню, Кросса, Эскравос, Форкадос и другие. Реки Нигерии представляют собой пять систем дренажа: Нигерская система, система Бенуа, Чадская система (особенная внутренняя система дренажа), Крест и Атлантическая системы. Большинство рек Атлантической системы являются короткими. Реки четырех речных систем Нигерии впадают в море, кроме рек Чадской системы. Река Нигер и ее главный приток Бенуа являются самыми большими. Нигер проходит 1271 километр [90] с северо-запада Нигерии до Атлантического океана по нескольким каналам.
Растительность нигерийской прибрежной области представлена лесами мангрового дерева и болотами. Большая часть обширной экосистемы мангровых деревьев страны лежит в пределах Нигерской Дельты, а также в штатах Ривер, Дельта, Кросс Ривер, Акуа Ибом, Лагос и Ондо и составляет по экспертным оценкам от 500000 до 885000 гектаров. Большинство этих рек течет через богатую нефтью Дельту Нигера к Нигерийским прибрежным водам. В этой области нефтяные компании ведут добычу нефти. В случае разлива весь выброс нефти переносится многочисленными реками из региона Дельты к прибрежной области Республики Нигерия.
Особенности системного подхода к математическому моделированию сложных экосистем
В условиях значительного антропогенного воздействия на окружающую среду на первый план выдвинулась проблема оценки состояния сложных систем, к которым относят экологические системы. Оценка состояния и качества главных природных компонентов необходима для представления информации лицам принимающим решение(ЛПР) на простом и ясном языке, необходимой и достаточной для определения эффективных действий и последующего обоснованного управления экологической безопасностью. В настоящее время возникла настоятельная необходимость в научных разработках по моделированию и управлению сложными природно-социальными системами в новых экономических условиях при отсутствии или недостатке информации об объекте управления. По заключению ЮНЕП (программа ООН по окружающей среде) экология относится к сложной системе деятельности человека и среды его обитания. На сегодняшний день наука выделяет в экологии три основных составляющие: физическую, химическую, биотическую, в каждой из которых для построения модели необходимо рассмотреть состав, процессы, свойства, явления (эффекты), происходящие в них (рисунок 2.1). Для информационного обеспечения моделирования процессов в экосистеме необходимо следующее структурирование информации.
Именно такими сложными структурами в составе экосистемы являются морская вода и нефть, попадающая в нее при разливах[140].
Рисунок 2.1 Структура информации для моделирования экосистемы Морская вода представляет собой сложный комплекс минеральных и органических компонентов и растворенных газов. Химический состав воды определяется совокупностью геохимических и биологических процессов. Гидрологический режим океаносферы складывается из теплового и водного баланса, а также из общей циркуляции вод. Значительную роль играют процессы турбулентного обмена Мирового океана с атмосферой. Водный баланс зависит от процессов испарения и поступления воды с осадками и речными стоками. Океанические воды находятся в непрерывном движении (волны, приливы, отливы), что в свою очередь связано с вращением Земли и Луны, атмосферной циркуляцией, ветрами, температурой воздуха и др.[139].
Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и их производных. Каждое из этих соединений может рассматриваться как самостоятельно загрязняющее вещество, которых в составе нефти насчитывает свыше тысячи. Для оценки нефти, как загрязняющего вещества
природной среды используют следующие признаки: содержание легких фракций (температура кипения менее 200С), содержание парафинов, содержание серы. Легкие фракции нефти обладают повышенной токсичностью. Парафины не оказывают сильного токсического воздействия на бентос морей и океанов, но существенно влияют на физические свойства почвы и донных отложений. Содержание серы свидетельствует о степени опасности сероводородного загрязнения почв и поверхностных вод. Опасность нефтяных загрязнений для живых организмов также в том, что многие компоненты нефти обладают канцерогенными свойствами [112].
Любая гидробиологическая система представляет собой сложный, большой, слабо детерминированный и эволюционирующий объект исследования. Важнейшая гносеологическая особенность таких систем состоит в том, что происходящие в них явления идут как бы на двух уровнях. Один - "поверхностный", по Н.Н. Моисееву [1990] - "дарвинский" процесс, обусловленный медленным накоплением новых количественных особенностей, другой — "глубинный", организменный или клеточный, который включается в действие, когда резко изменяются условия существования экосистемы (квазидарвинский или бифуркационный процесс). Например, события, протекающие в водном объекте, при спокойном режиме его существования могут быть описаны в сжатой форме с помощью системы дифференциальных уравнений. Составляющими этих уравнений являются, например, скорости. Таким образом, можно выделить два принципиально различных механизма, определяющих динамику экосистемы: адаптационный и бифуркационный. Зная характеристики среды, можно со значительной точностью прогнозировать тенденции в изменении параметров системы, функционирующей по адаптационному механизму: экосистема будет двигаться по некоторой траектории внутри ограниченного коридора в направлении вектора стабилизации. Однако существует некоторое критическое значение внешнего воздействия, приводящее к качественному изменению организации системы: порождается множество путей дальнейшего развития, выбор которых непредсказуем и зависит от сочетания случайных обстоятельств внешней среды в момент бифуркационного перехода. Действие произвольного фактора среды X на любой экологический показатель Y, который принимается за оценку качества всей экосистемы, традиционно описывается некоторым подмножеством математических формул, из которых наиболее популярны следующие зависимости: линейная, экспоненциальная зависимость, логистическая, (сигмоидальная) зависимость и др. [139].
Загрязнение моря нефтью несет не только экономические убытки, но и экологические катастрофы и социальные потрясения. Для их предотвращения создаются различные методики прогнозирования, распространения загрязняющих веществ с целью минимизации экономических затрат и социально-экологических последствий. Для организации мероприятий по ликвидации нефтяных загрязнений имеет большое значение точное прогнозирование динамики его распространения по поверхности моря, которая определяется следующими факторами: время с начала разлива, температура воздуха и воды, скорость и направление ветра, а также элементы морского течения. Перечисленные факторы вызывают перемещение загрязнителя по определенной траектории, деформируют его.
Оценка уровня загрязненности и организация работ по ликвидации разливов нефти
Технические средства для очистки загрязненных акваторий включают:
1. Средства для сбора плавающей на поверхности воды нефти и мусора;
2. Средства для ограждения загрязненных участков акваторий портов и локализации разливов нефти;
3. Средства для удаления, утилизации или уничтожения собранных с акватории порта загрязняющих веществ;
4. Вспомогательные средства.
Средства для сбора плавающей нефти и мусора должны обеспечивать сбор всех видов нефти, смешанной с различным мусором, и включать нефтемусоросборщики, нефтесборные средства, устройства и приспособления, в том числе и для сбора нефти вручную, различные сорбенты и сорбирующие материалы и вещества, химические собирающие и рассеивающие (диспергаторы) препараты. При выборе нефтесборных средств следует отдавать предпочтение таким, которые позволяют утилизировать ее в качестве топлива. Средства для ограждения загрязненных участков должны включать боны требуемого класса, средства установки, крепления, уборки бонов с акватории порта, средства для промывки бонов и хранения их на берегу.
Средства для удаления, утилизации или уничтожения собранных с акватории порта загрязняющих веществ должны обеспечивать прием собранной нефтесодержащей смеси, транспортировку и передачу ее нефтебазам, вывоз на уничтожение сжиганием загрязненного нефтью мусора, собранного с поверхности воды и уничтожение в специальных печах для сжигания и т.п.
При ликвидации разливов нефти используют также неспециализированные плавучие средства (катера, шлюпки, служебные суда), грузоподъемные средства, автотранспорт, перекачивающие средства. При разливах вязкой нефти в холодное время года, когда разлившаяся нефть охлаждается до температуры застывания используют средства для подогрева нефти паром.
Комплекс работ по ликвидации нефтеразливов включает следующие мероприятия: локализацию нефтеразлива, оперативное ограничение распространения нефти по водотокам. Следующей стадией является многократный сбор нефтесодержащей эмульсии в емкости, находящиеся на судах-сборщиках. Затем содержимое нефтеразлива доставляют на участки утилизации, полигоны временного или долговременного хранения для очистки. После проведения полного цикла утилизации территории полигона подверают биологической рекультивации.
Нефть и нефтепродукты являются опасными загрязнителями природной среды, влияние которых проявляется длительное время Поэтому при всех сложностях локализации и утилизации разливов нефти к качеству очистки предъявляют высокие требования. В первую очередь пролитая нефть должна быть собрана тщательно и быстро, насколько это позволяют имеющиеся в распоряжении ликвидаторов технические средства и оборудование. Выбор способов утилизации является основной профессиональной задачей лиц ответственных за принятие управленческих решений. Обоснование способа ликвидации разлива определяют множественные факторы: местонахождение разлива, объем вылившейся нефти, сорт нефти, площадь загрязненной территории, направление морских течений, ветра, погодные условия и др. Для качественного проведения очистки необходимо в процессе ликвидаии контролировать выполнение следующих мероприятий:
- качество локализации места аварии, правильность соблюдения технологии сбора, своевременная корректировка технологического процесса с учетом изменения свойств нефти под действием влияющих факторов (испарение, растекание, эмульгирование, направление движения пятна, морских течений, ветра и др.);
- принимать меры к максимальному сбору разлива, при необходимости обеспечить принудительное поступление нефти к нефтесборному устройству;
- учитывать гидрометеорологическую обстановку изменения температуры воздуха и воды, направление и силу ветра, колебание уровня воды;
- проводить экологический аналитический контроль и мониторинг нефтяного пятна;
- комплексно использовать технические средства и контролировать их техническое состояние в процессе проведения мероприятий.
- устанавливать дополнительные боновые заграждения с учетом конкретных погодных условий;
- проводить контроль доставки собранной нефти на комплекс по переработке и утилизации по трубопроводу или автотранспортом.
