Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 12
1.1 Анализ предаварийных ситуаций и аварий на подводных переходах 12
1.2 Загрязнение окружающей среды при повреждении подводного перехода 21
1.3 Существующие способы сбора аварийной нефти 25
1.4 Анализ способов регистрации и контроля загрязнения водоемов нефтепродуктами 30
1.5 Оценка конкурентоспособности приборов для обнаружения нефтяных загрязнений 32
1.6 Особенности формирования ледового покрова рек 36
1.7 Постановка задач исследований 47
2. Математические модели процессов распространения и сбора нефтяных загрязнений в зимних условиях 49
2.1 Математические моделирование процессов разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах 49
2.2 Теоретические основы сбора нефти с помощью подледного канала 58
2.3 Теоретическая модель распространения загрязнения под поверхностью льда 61
2.4 Выводы 79
3. Разработка мероприятий по предотвращению аварий на подводном переходе через реку Ветлугу 80
3.1 Сведения о природно-климатических условиях в районе расположения магистрального трубопровода 80
3.2 Существующие способы локализации нефтяных загрязнений в зимний период
3.3 Технологическая схема задержания и сбора нефти в зимний период
3.4 Определение глубины погружения подледного экрана для сбора нефти 85
3.5 Разработка способов локализации нефти в зимний период. Конструктивные схемы предлагаемых средств
сбора нефти в зимний период 89
3.6 Предлагаемая технологическая схема задержания и сбора нефти в зимний период 91
3.7 Методика планирования эксперимента 92
3.8 Моделирование естественного участка ледяного покрова реки 94
3.9 Экспериментальные исследования устройств на русловой модели 102
3.10 Выводы 112
4. Эффективность применения природоохранной тех нологии 1 14
Основные выводы и рекомендации 120
Список использованной литературы 126
Приложения 142
- Существующие способы сбора аварийной нефти
- Математические моделирование процессов разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах
- Сведения о природно-климатических условиях в районе расположения магистрального трубопровода
Введение к работе
Актуальность работы. Экологическое состояние рек в нашей стране относится сегодня к важнейшим факторам, определяющим качество жизни населения. Антропогенное воздействие на реки создает проблему ухудшения качества вод.
Сохранение водной акватории от загрязнения различными веществами, особенно нефтью, задача исключительно актуальная.
Поддержание стабильного состояния водных ресурсов в большинстве случаев подразумевает изменение качественных характеристик вод и связано с процессами ограничения антропогенного загрязнения при технологическом воздействии.
Эксплуатация магистральных нефтепроводов является одним из наиболее опасных факторов, вызывающих нарушение равновесия водных экосистем. Особую опасность представляют участки нефтепроводов, проходящие через водные преграды: реки, ручьи, болота.
Проблемой, требующей решения в рамках инженерной экологии, является выявление причин и разработка мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций на инженерных сооружениях, расположенных в руслах водотоков.
Нарушение гидрологического режима водотоков, связанное с прокладкой в их створах подводных трубопроводов, вызывает русловые процессы, которые, в свою очередь, приводят к деформациям подводных участков трубопроводов и повышению вероятности возникновения аварийных ситуаций, негативным образом влияющих на окружающую среду. Существующие технические и технологические решения, в практике эксплуатации подводных переходов нефтепроводов ориентированы преимущественно на летний период, а для зимнего периода времени таких решений практически не существует. Поэтому исследования, направленные на разработку мероприятий по сбору нефти при авариях подводных переходов нефтепроводов в зимний период, являются актуальной экологической задачей.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка технологических и технических решений по предотвращению загрязнения нефтью водных объектов при эксплуатации подводных переходов нефтепроводов в зимний период, что позволит существенно повысить устойчивость водных экосистем.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
выполнить анализ причин возникновения предаварийных ситуаций на подводных переходах нефтепроводов;
произвести анализ технических и технологических решений средств защиты водных объектов от нефтяных загрязнений при разрушении подводных переходов; "
РОС. НАЦІЮ ПАЛЬНАЯ І
БИБЛИОТЕКА
СПе«рЄи>г . [
выполнить оценку причин разрушения подводных переходов и степени загрязнения водоемов;
выявить средства контроля загрязнения водоемов нефтепродуктами и способы ликвидации последствий аварий на подводных переходах;
произвести анализ процессов разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах;
разработать теоретическую модель динамики водного потока в зимних условиях с учетом тепловых процессов и построить картину распространения загрязнения под поверхностью льда;
разработать способы локализации нефтяных загрязнений в зимний период;
произвести лабораторное моделирование процессов сбора нефтяного загрязнения с поверхности водотоков;
9) разработать природоохранную технологическую схему по предот
вращению аварий на подводных переходах через водные магистрали в зим
них условиях (на примере реки Ветлуги);
10) выполнить оценку эффективности разработанных природоохранных
технологий при их внедрении в производство.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются линейные инженерные сооружения.
Предметом исследования является подводный переход магистрального нефтепровода «Сургут - Полоцк».
Научная новизна работы заключается в разработке нового подхода к защите рек в зимний период от загрязнения, основанного на принципе изолирования и ограничения распространения плавающего загрязняющего вещества непосредственно в водотоке.
Для этого автором:
- в результате анализа причин возникновения предаварийных ситуаций
на подводных переходах нефтепроводов разработана математическая мо
дель процессов разбавления загрязненных вод проточных водных объектов;
выполнено математическое моделирование процесса сбора нефти с поверхности водотока в зимних условиях с помощью подледного канала;
определен характер распространения загрязнения под поверхностью льда на основе анализа процесса конвективного тепломассообмена при обтекании плоской пластины;
разработаны фазы технологического процесса сбора нефтяных загрязнений с поверхности воды в зимний период;
дана оценка глубины погружения подледного экрана для сбора нефти с поверхности воды на основе теории пограничного слоя;
экспериментальным путем изучена модель естественного участка русла реки и характер распространения нефтяного загрязнения под ледовым покровом.
оценена устойчивость решения полученных уравнений в программной среде MathGad.
Методика исследования, В процессе проведения исследований были использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании уравнений движения вязкой жидкости в форме Навье-Стокса в приближении Буссинеска, уравнений теории пограничного слоя Прандтля. В работе применялись аналитические и полуэмпирические методы исследования тепломассопередачи с привлечением методов теории подобия и размерности в механике жидкости. Экспериментальные исследования проводились на русловой модели. Обработка результатов исследования проводилась с использованием информационных технологий (математический редактор Match Cad 7 Pro, прикладной пакет Statistica 5.0).
Практическая значимость. Основные результаты работы были использованы при разработке мероприятий по снижению последствий возможной аварии на подводном переходе нефтепровода "Сургут-Полоцк" через реку Ветлугу.
Результаты работы могут быть использованы:
производственными организациями, занимающимися эксплуатацией магистральных нефтепроводов, транспортировкой и хранением нефтепродуктов;
службами МЧС России при организации работ по устранению последствий аварий на подводных переходах нефтепроводов;
административными органами управления хозяйственной деятельностью;
учреждениями, занимающимися экологической экспертизой проектов.
Практическая значимость выполненной работы подтверждена актом внедрения результатов научно-исследовательских работ в практику эксплуатации объектов Марийского районного нефтепроводного управления (МарРНУ).
Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность выполненной работы состоит в решении проблемы экологической безопасности водного объекта.
Рекомендации по сбору нефти в зимних условиях при авариях на подводных переходах нефтепроводов используются Марийским районным нефтепроводным управлением.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно — практической конференции "Рациональное использование водных ресурсов в системе управления регионом" посвященной Международному дню воды (Йошкар-Ола, 2001), на Всероссийской конференции "Химико-лесной комплекс - проблемы и решения" (Красноярск, 2002), на первой республиканской научно-технической конференции "Проблемы государственного мониторинга природной среды на территории Республики Марий Эл" (Йошкар-Ола, 2002), на конференции "Водные ресурсы - проблемы и пути их решения" (Йошкар-Ола, 2003).
Публикации. Автором опубликованы 8 научных работ по предмету диссертации.
На зашиту выносятся следующие положения:
математическая модель распространения загрязнения под поверхностью льда на основе анализа процесса конвективного тепломассообмена при обтекании плоской пластины;
теоретическая модель сбора нефти с поверхности водотока в зимних условиях с помощью подледного канала;
результаты экспериментального изучения распространения нефтяного загрязнения под ледовым покровом;
технологический процесс сбора нефтяных загрязнений с поверхности воды в зимний период.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованной литературы в количестве 141 наименования и приложений. Основное содержание изложено на 125 страницах машинописного текста, иллюстрированного 29 рисунками и 11 таблицами. Приложение включает 60 страниц с 42 рисунками и 4 таблицами.
Существующие способы сбора аварийной нефти
Строительство и эксплуатация подводных переходов нефтепроводов с системой инженерных сооружений вносит во многих случаях негативные изменения в природную среду. Они многократно усугубляются при авариях. Инициировать аварии, сопровождающиеся разрушением объектов разного назначения, могут множество факторов различного происхождения (природные, техногенные, геотехнические и т.п.). Трассы нефтепроводов характеризуются разнообразными геологическими, гидрогеологическими и почвенными условиями с различной чувствительностью компонентов ландшафта к техногенному воздействию. В настоящее время нельзя полностью гарантировать, что на подводных участках нефтепроводах, или на объектах их инфраструктуры не произойдут инциденты и аварии. Поэтому очистка водоемов от загрязнения нефтепродуктами является актуальной проблемой [54, 56, 57, 109, 1 10, 111].
Проблеме загрязнения внутренних водоемов посвящен ряд работ известных отечественных ученых А.И. Альхименко, И.И. Бо-родавченко, Ю.И. Брюссельского, А.А. Кононова, B.C. Левитан-ского, М.В. Подружина, И.В. Слободника, Г.Ф. Вознесенского, И.А. Колоскова, И.И. Кутырина, К.А. Забелы и др. [11, 14, 15, 22, 26, 28, 41, 43, 48, 54, 57, 62, 63, 65, 77, 88, 109, 111, 125, 127].
К способам предупреждения и ликвидации аварий на подводных нефтепроводах относятся способы, связанные с сохранением трубопровода и его работоспособности, а также способы, связанные со снижением внешних силовых воздействий.
Развитие и совершенствование средств и методов контроля качества воды позволяет не только определять опасные источники загрязнения, изучать их влияние и степень воздействия на окружающую среду, но и создавать предпосылки для снижения интенсивности загрязнения водного бассейна. Для наиболее быстрого реагирования на аварии, связанные с выбросом нефти и локализацией нефтяного пятна, необходимо совершенствовать методы обнаружения разлива нефти с помощью различного рода датчиков и приборов обнаружения (датчики оповещения появления нефтяного пятна на водной поверхности и датчики о залповых выбросах). Датчики по способу обнаружения могут быть оптическими, физическими, химическими и акустическими. К сожалению, приборы для обнаружения нефтяного загрязнения в воде, в большинстве своем, работают только при положительных температурах воздуха. Для зимних условий стационарных и эффективных приборов регистрации и обнаружения нефтяного загрязнения в воде в технической и др. литературе, а также в перечне оборудования и аппаратуры, предлагаемых для оснащения природоохранного комплекса Российского агентства по системам управления (РАСУ) крайне мало.
Для сбора нефти с водной поверхности (в летний период времени) применяют, в основном, механические и физико-химические методы [105]. К механическим методам относится локализация нефтяного пятна с помощью различных средств малой механизации и вспомогательных средств (буйки, канаты, якоря и т.д.).
В настоящее время разработано достаточно большое количество устройств по сбору плавающих загрязнений с поверхности водотока [1 ... 7, 20, 26, 48, 99, 101, 111]. Их эффективность зависит от способа задержания и образования пятна загрязнения. Наиболее перспективными для освоения и технологического использования на равнинных реках являются небольшие стационарные или устанавливаемые на небольшой срок устройства, не требующие значительных капитальных затрат, простые в изготовлении и эксплуатации.
К подобному роду устройств относятся отражатели потока, мусороуловители, боновые заграждения, запруды, запруды-аэраторы, запруды в виде перепадов, полузапруды, берегоукрепительные сооружения, струенаправляющие системы и ряд комбинированных устройств [17, 20, 22, 23, 29, 47, 48, 54, 77, 83, 99, 101, 105, 109, 111, 114], служащие для организации улучшения условий водозабора, обитания и нереста рыб, организации рекреационных зон, ликвидации последствий результатов техногенной деятельности и т. д.
Конструкции устройств и сооружений для сбора загрязнений могут быть различными: от каменной наброски [29, 40], гибких низконапорных плотин до простейшей бревенчатой конструкции [40].
К комбинированным сооружениям можно отнести ило- и му-сороуловители, которые могут выполнять ряд функций, от направления водного потока и изменения его физических показателей до улучшения эстетических качеств водотока.
Несмотря на многочисленность работ в этой области, практическая реализация мероприятий по сбору нефти в зимний период трудноосуществима.
В летний период времени эффективными средствами предотвращения распространения загрязнения по водной поверхности равнинных рек являются боновые заграждения или комбинированные устройства, содержащие в себе отстойник и утилизирующее устройство. Боновые заграждения служат для задержания и предотвращения растекания плавающих загрязнений на поверхности воды. Боновые заграждения получили наибольшее распространение на практике как средства локализации разливов нефтяного пятна.
Ниже приведена классификация плавучих средств, стационарного и переносного оборудования для очистки водной поверхности (в летний период времени) по принципу сбора нефти.
Математические моделирование процессов разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах
Залповый выброс нефти приводит к загрязнению водоема, которое распространяется под действием течения вниз по потоку. В процессе движения нефтяное загрязнение перемешивается с водой.
В общем случае распространение вещества в пространственном потоке под влиянием турбулентного перемешивания описывается уравнением турбулентной диффузии [25]:
. Системная диаграмма процесса распространения загрязнения в водном потоке: PDK - предельно допустимая концентрация загрязнения, кг/м ; С - концентрация нефтяного загрязнения в расчетном створе, кг/м3, KR, KD, KG - коэффициенты разбавления, разложения и генерации загрязнения в водного объекта соответственно 1/м; RC, DC, GC - темпы разбавления, разложения и генерации загрязнения, кг/(м3-м) Известные модели процесса разбавления загрязненных вод в проточных водных объектах [44, 108], как правило, не учитывают процесса разложения загрязнения под действием внешних факторов: колебаний температуры, влажности воздуха, волновых процессов на поверхности водотока и т. п.
Воспользуемся методом Дж. Форрестора [44] для построения балансовых модели распространения нефтяного загрязнения в водном потоке. Используем понятие темпа потока субстанции и накопления ее уровня и построим системную диаграмму процесса распространения загрязнения в водном потоке (рис 2.2).
На основе системной диаграммы процесса распространения загрязнения в водном потоке запишем уравнение темпов и уровней:
где Ccm,CprC - концентрации загрязняющих веществ соответственно в створе выброса нефти, в водном объекте (фоновая), в расчетном створе ниже водовыпуска, кг/м3;
GC,RC,DC - темпы увеличения концентрации сточных вод за
счет залпового выброса нефти, разбавления и разложения загрязнения водотока, кг/(м -м);
KG,KR,KD - коэффициенты (параметры) генерации, разбавления и разложения загрязнения водного объекта соответственно, 1/м; DISC - между предельно допустимой концентрацией загрязнения (PDK) и концентрацией в расчетном створе, DISC = PDK — C, Cp=PDK, кг/м3;
Dl - итерационный интервал по длине потока, м. Подстановка уравнения (2.4) в (2.3) и полученного уравнения и полученного уравнения позволяет записать
C = Ccm+Dl(KG-KR-KD)(Cp-Q. (2.16)
Если выброс загрязнения осуществляется только в одном створе и не связан с длиной потока, то коэффициент генерации KG=0.
Коэффициент разбавления, как следует из системной диаграммы (рис 2.1) выражается
В работах, посвященных разбавлению сточных вод в проточных водных объектах [25, 105, 109, 125], разложение загрязнения обычно не учитывается, поэтому примем KD =0. При необходимости процесс разложения может быть описан с помощью известной модели [44],
Окончательно уравнение (2.16) может быть переписано в виде
где концентрация соответствует створу, в котором разбавление равно С(/) = 1,05СР, т.е. превышает фоновое значение на 5%. При ширине водотока В=270м и концентрации загрязнения в створе выброса Ссго=5,8-1 О 5 кг/м3 [120] из 2.24) найдем расстояние до створа с 5% остаточным (относительно ПДК) загрязнением из выражения
Распространение примесей обычно происходит в направлении господствующих течений, в этом же направлении кратность разбавления имеет тенденцию к увеличению.
По мере перемещения от створа выброса загрязнения вниз по течению к загрязненным водам будет присоединяться все большая часть расхода реки. На некотором расстоянии от мест выброса эта часть станет равной полному расходу реки (Qcm Q,) « достигается полное разбавление загрязненных вод (в нашем случае полное разбавление достигается на расстоянии 1527 м от места выпуска загрязнения), поэтому
nnoJ,H = (q+Q)/q. (2.27)
Участок водоема или водотока от места выпуска загрязнений до створа полного смешения условно разделяют на три зоны [100].
В первой зоне происходит начальное разбавление, что соответствует значительной кинематической неоднородности скоростей загрязняющего вещества и основного водного потока. Вследствие этого возникает турбулентный струйный поток, который увлекает частицы окружающего пространства. Расчет на чального разбавления основывается на теории струйного течения.
Во второй зоне осуществляется основное разбавление, которое начинается при незначительной разнице между скоростями струйного и окружающего водного потока. Степень перемешивания определяется здесь интенсивностью турбулентного обмена.
Третья зона располагается ниже створа полного смешения, а снижение концентраций в этой зоне обуславливается лишь процессами самоочищения.
Для решения вопроса о разбавлении загрязненных вод помимо прямого решения дифференциальных уравнений можно воспользоваться и другими методами, например методом расчета разбавления сточных вод в реках, предложенный В.А.Фроловым и И.Д. Родзиллером [100], который основан на решении уравнений турбулентной диффузии (2,1).
Здесь, для определения кратности основного разбавления поси необходимо определить расход сточной жидкости, разбавленной водой водного объекта на участке начального разбавления.
Сведения о природно-климатических условиях в районе расположения магистрального трубопровода
Территория Республики Марий Эл, по которой проходит трасса нефтепровода "Сургут-Полоцк", расположена на Средне-Русской равнине Российской Федерации.
По климатической характеристике район подводного перехода нефтепровода относится к зоне влажного климата с умеренно теплым летом, умеренно суровой и снежной зимой. Большое влияние на погоду оказывает перемещение циклонов с запада на восток. Весной часты меридианальные переносы воздушных масс.
Температурный режим имеет выраженный годовой ход. Среднегодовая температура в районе работ составляет 2,3...3,3 С. Наиболее теплым месяцем в летний период является июль со среднемесячной температурой 18,2... 18,9С. В зимний период наиболее холодным является январь со среднемесячной температурой минус 12,4... 1 3,7С. Летом в жаркие дни июля абсолютный максимум температуры воздуха составляет 38С [8, 103].
В зимний период в самом холодном месяце - январе абсолютный минимум составляет минус 47С. Первые заморозки отмечаются, в основном, во второй половине сентября, в начале октября. Последние заморозки наблюдаются, в среднем, до конца второй декады мая.
Средняя продолжительность безморозного периода длится 121...123 дня, наибольшая 164 дня.
Средняя многолетняя величина атмосферных осадков -500...600 мм в год с небольшой изменчивостью сумм осадков по территории. Испаряемость с поверхности - 400...450 мм в год.
Годовая сумма осадков для района составляет 626...682 мм. Количество осадков в течение года распределяется неравномерно.
Из всех осадков выпадающих за год 68% составляют жидкие, 21% выпадает в твердом виде и около 11% смешанных осадков (мокрый снег, снег с дождем и т. д.).
Нередко наблюдается устойчивая ясная погода. Число дней с осадками 0,1 мм и более за год колеблется в пределах 173...175 дней, а осадки 10 мм и более составляют 10 дней, с количеством осадков 20 мм и более - 2 дня за год.
Колебания сроков появления снежного покрова из года в год довольно велики. В годы с ранней зимой первый снежный покров может образоваться в конце сентября - начале октября. В позднюю зиму снежный покров образуется в конце ноября - начале декабря.
Наиболее интенсивный рост высоты снежного покрова наблюдается в период ноября - января, когда создаются основные запасы снега. Максимальная высота снежного покрова бывает в последней декаде февраля - первой декаде марта.
Средняя высота снежного покрова за зиму составляет 38...43 мм. Наибольшая высота - 62...71 мм, наименьшая 11...22 мм. Территория освобождается от снежного покрова, в среднем, во второй декаде апреля. В отдельные годы с ранней весной сход снежного покрова в среднем наблюдается в третьей декаде марта. В годы с поздней весной снежный покров сходит в середине мая. Число дней со снежным покровом составляет 154 ... 1 56 Дней.
Среднегодовая температура поверхности почвы 3...4 С. Среднегодовая температура поверхности почвы самого теплого месяца (июль) составляет 21 ... 22 С, а самого холодного месяца (января) колеблется в пределах минус 13...-14С.
Абсолютный минимум в отдельные зимние дни составляет минус 49С, а в жаркие дни температура поверхности почвы повышается до 55 ... 56С (абсолютный максимум).
Начало устойчивого промерзания почвы в среднем по территории наблюдается в конце октября - начале ноября и удерживается до конца апреля. За зиму почва промерзает в среднем на 92...100 мм. В отдельные холодные малоснежные зимы промерзание может достигать 125 ... 165 мм [8, 103].
На территории трассы нефтепровода преобладают ветры юго-западного направления со среднегодовой скоростью 4,2...4,6 м/с. В зимний период среднемесячная скорость ветра выше, чем летом и изменяется в пределах 4,4...6,0 м/с. В осенне-зимний период преобладающее направление ветра южное и юго-западное. В году наблюдается 2...17% дней со штилевой погодой. В среднем за год от 20 до 42 дней в году наблюдаются сильные ветры до 20 м/с.
В районе расположения нефтеперекачивающей станции "Мел-ковка" наблюдаются следующие природно - климатические условия: среднегодовая температура плюс 23С; средняя температура самого холодного месяца минус 13,7С; средняя температура самого теплого месяца плюс 18,2С. Преобладающее направление ветра - юго-западное. Среднегодовая скорость ветра составляет 4,6 м/с. Для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации нефтеперекачивающих станций и других территориальных объектов по СНиП 2.05.06-85 устанавливается охранная зона в виде отведенного участка земли, ограниченного замкнутой линией, отстоящей от границ территории на 100 метров во все стороны. Запретной зоной для площадок нефтеперерабатывающей станции (НПС) является территория НПС, ограниченная по периметру ограждением. Площадь запретной зоны НПС "Мелковка" составляет 4,5 га, тип ограждения - металлическая сетка по металлическим и железобетонным столбам.
Длина перехода через реку Ветлуга и Теплая составляет 5840 м. Трасса нефтепровода в левобережной части Ветлуги проходит по лесному массиву. Рельеф в районе прохождения трассы равнинно - всхолмленный, расчленен большой сетью средних и малых рек, ручьев, болот, и заболоченных участков.
