Содержание к диссертации
Введение
1. Эколого-географические особенности Невы, влияющие на характер нефтеразливов и функционирование системы их оперативного обнаружения .7
1.1. Анализ возможных нефтеразливов в водной среде Санкт-Петербурга 7
1.2. Характер нефтеразливов и их воздействие на окружающую среду 17
1.3. Эколого-географические особенности водной экосистемы Невы 34
1.4. Влияние водной среды Невы на функционирование системы оперативного обнаружения нефтеразливов 54
2. Методы идентификации нефтяного загрязнения 59
2.1. Контактные методы определения нефтепродуктов в воде 59
2.2. Дистанционные методы обнаружения нефтепродуктов 61
2.3. Методы прогноза развития аварийной ситуации при нефтеразливах 70
3. Система оперативного обнаружения аварийных нефтеразливов ..76
3.1. Автоматизированная система по обнаружению и отслеживанию аварийной ситуации при нефтеразливах 76
3.2. Структура системы оперативного обнаружения аварийных нефтеразливов в районе Ладожского моста на реке Неве 84
3.3. Планы операций по ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на акватории, суше и в береговой зоне 91
Заключение 116
Литература 119
- Характер нефтеразливов и их воздействие на окружающую среду
- Влияние водной среды Невы на функционирование системы оперативного обнаружения нефтеразливов
- Дистанционные методы обнаружения нефтепродуктов
- Структура системы оперативного обнаружения аварийных нефтеразливов в районе Ладожского моста на реке Неве
Характер нефтеразливов и их воздействие на окружающую среду
Нефтяные и нефтепродуктовые загрязнения поверхностных вод являются одними из наиболее распространенных и опасных. Они нарушают естественные физико-химические процессы, протекающие в водной среде, и самым пагубным образом воздействуют на ее экосистему.
Характер нефтеразливов зависит от многих факторов: свойств нефтей и нефтепродуктов, процессов трансформации нефтяных углеводородов в водной среде, их растворимости, температуры воды, количества разлитой нефти, процессов самоочищения, биохимического разложения, физико-географических и гидрометеорологических условий водоемов и т.д.
В нефтях установлено более 450 индивидуальных соединений, но основными компонентами (до 90-95%) являются углеводороды [63]. Среди них выделяются алканы (парафины), циклические соединения (циклоалканы или нафтены), ароматические углеводороды (соединения ряда бензолов), полициклические ароматические соединения (включая асфальтены и смолы). Обычное содержание алканов в нефти составляет 15-55%, нефтенов - 30-55%, ароматических соединений - 5-55%, асфальтенов и смол - 2-15%.
Важнейшим показателем нефтяных углеводородов является их растворимость в воде (в мг/л), которая существенно зависит от соотношения различных углеводородов (включая число углеродных атомов) в нефти или нефтепродукте и их химического состава. Наиболее быстро и хорошо растворяются в воде газообразные и жидкие углеводороды с числом атомов в молекуле до С9. Растворимость жидких углеводородов любой указанной выше группы падает с увеличением их молекулярной массы. С повышением температуры растворимость нефтяных углеводородов в воде возрастает, а с увеличением давления и солености воды — уменьшается.
Растворимость в воде углеводородов охватывает значительный интервал (мг/л): от почти нуля (олефины - продукты крекинга) и 0.002 (хризен) до 1780 (бензол). Лучше других растворимы в воде ароматические соединения ряда бензолов (бензол, толуол, ксилол), но они более инертны к химическому окислению. Вслед за ними следуют нефтены, которые присутствуют во всех нефтяных фракциях. В целом компоненты нефти растворяются в воде пропорционально индивидуальной растворимости и их содержанию в ней. Но как фактор самоочищения растворимость значительно уступает испарению, биохимическому разложения и фитоокислению.
В связи с тем, что нефтепродукты (топливо, масла различного назначения и т.д.) являются в основном продуктами переработки нефти, их основные компоненты также составляют углеводороды (табл. 1.З.). Таблица 1.3. Содержание углеводородов в некоторых видах нефтепродуктов [63] Нефтепродукты Углеводородные группы (массовая доля в %) Парафиновые и нафтеновые Ароматические Не предельные Автомобильныебензины:А-76Б-70 77.4 83.0 5.2 17.0 17.4 0.0 Авиационныебензины:ТС-1Т-5 58.723.3 16.2 18.9 0.7 0.6 Дизельное топливо:ДЛ3 93.982.4 5.4 16.8 Маслоавтомобильное: АК-10 56.5 40.0 20 Наряду с углеводородами в нефтепродуктах, также как и в нефтях, содержатся соединения серы, азота и кислорода. Помимо этого в бензине, керосине, дизельном и котельном топливе, мазуте, маслах и некоторых других нефтепродуктах в небольших количествах имеются различные добавки, улучшающие их эксплуатационные свойства (антидетонаторы, антиокислители, ингибиторы коррозии и т.п.).
На поведение нефти и нефтепродуктов в водной среде помимо растворимости влияют и другие физические и физико-химические свойства, прежде всего их плотность, вязкость и температура кипения. В связи с тем, что плотность большинства нефтепродуктов, кроме тяжелых мазутов и некоторых смазочных масел, меньше единицы, нефтеразливы имеют в основном положительную плавучесть. Вязкость нефтепродуктов оказывает сопротивление перемещению под влиянием действующих на них сил: она тем больше, чем тяжелее фракционный состав, чем больше в них асфальтосмолистых веществ. Температура кипения определяет в основном свойства нефтепродуктов (особенно летучих) в определенном отношении с воздухом образовывать взрывоопасную смесь. Нефтепродукты с температурой вспышки 45С и ниже относятся к взрывоопасным или легко воспламеняющимся (бензин, керосин, топливо для реактивных двигателей и др.), выше 45С - к пожароопасным или горючим (дизельные топлива, мазуты, масла, битумы, асфальты, парафин и ДР-) Таким образом, нефтепродукты по многим признакам и свойствам разделяются на группы. В целях определения принадлежности к той или иной группе обычно рассматриваются содержание легких бензиновых и лигроиновых фракций, тяжелого нерастворимого в гексане остатка, ароматических углеводородов (в том числе полициклических), твердых парафинов и серы [51].
Влияние водной среды Невы на функционирование системы оперативного обнаружения нефтеразливов
Для успешного решения природоохранных проблем, связанных с хроническими и аварийными нефтеразливами в Неве, необходимо, прежде всего, детальное изучение процессов трансформации нефтяных загрязнений в ее водной среде. В общем виде эти процессы рассмотрены в п. 1.2 диссертации, а с учетом геоэкологических особенностей Невы, анализ которых приведен в п. 1.3, выявлены основные геоэкологические факторы, влияющие на функционирование системы раннего обнаружения нефтеразливов в Санкт-петербургском регионе. При построении автоматизированной системы оперативного обнаружения аварийных нефтеразливов необходимо принимать во внимание: характер нефтеразливов; сложные процессы распространения нефти и нефтепродуктов на Неве; свойства чистой и загрязненной нефтепродуктами воды, влияющие на возможность выявления и идентификации нефтяных загрязнений соответствующей аппаратурой; возможности контактных и дистанционных методов определения нефтепродуктов в воде; вопросы взаимодействия между создаваемой системой и специализированными службами по борьбе с аварийными нефтеразливами с целью оповещения и предупреждения об экологической ситуации, выходящей за рамки нормы, в кратчайший срок; географическое положение зон с наибольшим экологическим риском; наличие уязвимых природных территорий; изменчивость гидрометеорологический условий.
Необходимо также развивать и улучшать работу специализированных служб по борьбе с аварийными разливами нефтепродуктов, чтобы сохранять состояние немедленной готовности, позволяющие хотя бы одному из нефтесобирающих судов в кратчайшие сроки после получения сигнала тревоги стартовать с места дислокации и обеспечить, как можно быстрее, хорошо организованные соответствующие меры по ликвидации нефтеразлива в районе его обнаружения. Учитывая процессы самоочищения водной среды Невы и некоторые другие факторы, указанные выше, это время при нормальных условиях не должно превышать 1-2 и 4-6 часов соответственно.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный и теоретический материал по обоснованию и применению различных дистанционных и контактных методов контроля нефтяных загрязнений, общей физической основой которых является контраст в электрических и оптических свойствах чистой и загрязненной нефтепродуктами воды [5, 18, 20-22, 26-31, 36, 38, 54, 73 и др.]. Но наиболее оптимальными для оперативного получения информации о наличии нефтяного загрязнения непосредственно после разлива (нефтяной пленки на поверхности воды), когда ликвидация последствий может быть произведена с наименьшими затратами, считаются дистанционные методы. В частности, при работе на стационарном объекте (например, мосты над Невой), борту судна или самолета самыми перспективными являются лидары, позволяющие посредством метода лазерного дистанционного зондирования получать экспресс-информацию о наличии нефтяного загрязнения одновременно с идентификационным и количественным анализом. Применение метода лазерного дистанционного зондирования основано на изучении совокупности спектров возбуждения и испускания, законов затухания флуоресценции, спектральных зависимостей времени жизни, которые являются характерными для различных типов нефтепродуктов.
Определение наличия нефтезагрязнений и его идентификации в водной среде, несмотря на кажущуюся простоту, весьма сложная задача как с научной, так и практической точек зрения. Это связано с тем, что углеводороды не нефтяного происхождения имеют весьма близкие, а подчас и аналогичные свойства. Кроме того, опознание факта загрязнения приводит к существенным штрафным санкциям, что делает методики идентификации нефтезагрязнений особо ответственными. Факт обнаружения пленочных покрытий воды не всегда достаточен для доказательства наличия нефтяного загрязнения. Это особенно актуально для весеннего периода, когда активное развитие водорослей и фитопланктона приводят часто к появлению пленочного покрытия воды, весьма напоминающего пленки от ряда типов нефтепродуктов.
Как уже рассматривалось, аварийные сбросы нефтепродуктов из-за их малой растворимости в воде приводят к образованию на ее поверхности нефтяных пленок. Размеры образовавшихся пятен и толщина нефтяных пленок характеризуют масштабы аварийных сбросов, что позволяет прогнозировать создавшуюся ситуацию и принимать адекватные меры по их ликвидации. При разливе сырой нефти, бензина, керосина, дизельного топлива и масел образовавшееся пятно относительно быстро растекается на большую площадь, в результате чего на поверхности воды возникает нефтяная пленка толщиной 0.5-0.001 мм. Толщина пленки у берега будет максимальной, а на фарватере реки - минимальной, и здесь могут наблюдаться ее разрывы. Небольшая часть нефтепродуктов эмульгируется, а также растворяется в воде и находится в ее толще в составе взвеси и в растворенном виде (в основном низкомолекулярные компоненты). При разливе мазутов, когда температура воды превышает 15С, образуется пятно толщиной в десятки сантиметров, которое медленно растворяется. Через 6-12 часов мазут начинает постепенно тонуть и через несколько суток оседает на дно. При более низких температурах, а также в случае разлива мазута типа 100 растекание происходит слабо. Однако во всех случаях образуется нефтяная пленка, состоящая из низкомолекулярных фракций, которые всегда присутствуют в составе любых мазутов.
Выше уже отмечалось, что обнаружение нефтяных пятен и определение их параметров в автоматическом режиме возможно прежде всего с использованием дистанционных методов обнаружения, которые позволяют непрерывно сканировать всю ширину реки Невы. Другие технические средства для решения таких задач малопригодны, так как существующие методы обнаружения нефтепродуктов основаны на определении их компонентов, растворимых в воде. Корректно отобрать пробу нефтяной пленки технически достаточно сложно, так как с течением времени нефтепродукты могут эмульгироваться и включаться в состав взвесей. В этих случаях возможен анализ основных компонентов нефтепродуктов, находящихся в толще воды [3]. В воде частично растворяются в основном низкомолекулярные предельные углеводороды, циклические и ароматические соединения, поэтому бензины в реке растворены в большей степени, а в меньшей - керосины, дизельное топливо и масла.
Дистанционные методы обнаружения нефтепродуктов
Существуют различные методы дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений [5, 20, 31, 54 и др.]. Радиофизические методы основаны на принципе различия оптических, тепловых и радиоактивных свойств поверхности воды, загрязненной и незагрязненной нефтепродуктами.
Использование активной радиолокации для обнаружения нефтяных загрязнений основано на эффекте изменения рассеянного сигнала нефтяной пленкой по сравнению с чистой водой. В настоящее время разработан HI 111 «Полет» переносной радиометрический комплекс (РМК-Н), предназначенный для обеспечения количественного определения параметров пятна нефтяного загразнения; сопровождения развития нефтяных выбросов; регистрации результатов наблюдения с привязкой к данным навигационного комплекса и выдачи их в бортовую аппаратуру комплекса.
Работа комплекса РМК-Н основывается на использовании принципа радиометрического дистанционного зондирования, обеспечивающего измерение и обработку данных теплового радио яркостного контраста от различных фрагментов подстилающей поверхности.
В основу работы комплекса положен поляризационный двухчастотный метод определения толщины нефтяной пленки. Применение двух частот позволяет устранить неоднозначность определения толщины пленки, возникающую из-за интерференционной периодичности принимаемых сигналов, отраженных от двух границ раздела сред: воздух - пленка и пленка - вода, а использование отклика приемника на двух поляризациях позволяет произвести идентификацию источника поверхностной неоднородности.
Разработаны также методы определения нефтепродуктов, основанные на отражательной способности нефтяных пленок длинноволнового лазерного излучения. Методика на базе отраженного лазерного излучения является достаточно перспективной. Обнаружение нефтяных загрязнений можно осуществлять с помощью He-Ne-лазера (А,= 633 нм), G- As лазера (Х- 900 нм) и лазера на рубине (Х= 690 нм). Работа лазерного регистратора нефтяных пленок на водной поверхности, предназначенного для индикации и определения толщины нефтяных пленок, может вестись с движущегося или неподвижного носителя (корабль, мост, платформа, буй и т.п.) В основе метода лежит лазерное зондирование водной поверхности на двух длинах волн. Это позволяет не только осуществлять индикацию нефтяных пленок и определять границы нефтяных загрязнений водной поверхности, но и измерять средние толщины пленок в широком (до нескольких десятков микрон) диапазоне. Использование двух длин волн (0.6 и 0.9 мкн) также позволяет подавить влияние ветрового волнения на работу прибора. Мощность лазерного излучения - 1 мвт, диаметр луча - 2-3 мм.
В настоящее время лучшим и общепризнанным является метод, основанный на флуоресценции и комбинационном рассеянии. При зондировании нефтяных пленок в УФ - области на разных длинах волн и регистрации спектра, сечения, время жизни и других параметров флуоресценции можно идентифицировать тип нефтяных загрязнений. Различные фирмы выпускают большой ассортимент различных лидарных установок, состоящих из лазеров (гелий - кадмиевый, аргоновый, азотный, рубиновый, с перестраиваемой длиной волны), фотоблока, блока обработки сигнала, управления и получения информации. В нашей стране пригодные для этих целей лазерные установки были разработаны еще в конце 70-х годов. В начале 90-х годов был разработан авиационный лидарный комплекс (разработка Ереванского Гос. Университета), позволяющий с высокой надежностью обнаруживать нефтяные загрязнения. Функциональная блок-схема этого комплекса состояла из следующих основных узлов: лазер N2, лазер АИГ с удвоением и утроением частоты, приемо-передающей оптической системы со сканером, приемного телескопа, полихроматора, системы фотоприема, усилителей, задержек и аналого-цифровых преобразователей, информационно-вычислительной системы на базе ЭВМ. Созданный на этой основе многоцелевой самолетный лидар «Макрель - 2», позволяет решать поставленные задачи.
Принцип работы флуоресцентного лидара, который предназначен для оперативного контроля водных сред, основан на анализе спектров флуоресцентного излучения, возбужденного лазерным лучом. Основная оригинальная особенность - использование перестраиваемой частоты излучения и специальный метод обработки двухмерных спектров флуоресценции. Структура прибора: лазер с перестраиваемой длиной волны, работающий в импульсном режиме, телескоп (одновременно излучающий и принимающий), полихроматор, многоэлементная твердотельная приемная линейка с предварительным усилителем света, компьютерная система для записи и обработки данных и управления прибором. Оригинальное программное обеспечение. Лидар разработан и производится в двух основных модификациях: морского и воздушного базирования (FLS и FLS-A, соответственно). Лидар морского базирования устанавливается на борту судна, дистанция зондирования 10-30 метров, пространственное разрешение по поверхности воды до 10 метров. Лидар воздушного базирования может быть установлен на самолет или вертолет, дистанция зондирования до 500 метров, пространственное разрешение по поверхности воды до 100 метров.
Структура системы оперативного обнаружения аварийных нефтеразливов в районе Ладожского моста на реке Неве
В диссертационной работе подобная структура рассматривается на примере одного из важнейших узлов судоходства, расположенного на фарватере вблизи Петрокрепости. Эта система оперативного обнаружения аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в районе Ладожского моста на реке Неве может быть одним из основных элементов региональной системы обнаружения и ликвидации аварийных разливов НП (СОЛАРН). Она включает центр управления, линию связи, центр обработки информации, стационарные и подвижные посты наблюдения за экологической обстановкой в регионе. К основным требованиям, предъявляемым к оперативной системе обнаружения нефтеразливов относятся оперативность, эффективность и непрерывность действий используемых для этого сил и средств. Данная система обнаружения осуществляет сбор информации об экологической обстановке, быструю ее обработку, подготовку обоснованного решения, приведение в рабочее состояние средств локализации разливов и доведения решения до сил, осуществляющих ликвидацию аварийных разливов. Передача информации в центр управления производится по телефону, по радиоканалам, телеграфу, через ИСЗ и т.п.
Оперативное обнаружение нефтеразливов здесь может осуществляться с помощью стационарных постов наблюдения за Рис.8. Схема распространения нефтепродуктов при отсутствии ветра. экологической обстановкой и/или специально выделенными патрульными катерами, судами и вертолетами. Стационарные посты наблюдения, как уже отмечалось, могут включать лазерные регистраторы обнаружения нефтяных пленок на водной поверхности. В отдельных случаях совместно с регистраторами могут использоваться телевизионные камеры. Важное значение при этом имеет выбор места установки лазерного локатора: это может быть как сам Ладожский мост, так и стационарный буй. При установке регистратора обнаружения в пролетах моста важно проследить как меняются варианты распространения нефтяных разливов в зависимости от течения и от направления и силы ветра. Как показывает анализ, при отсутствии ветра нефтепродукты распространяются вниз по течению, концентрируясь в основном вдоль русла по его оси.
При северном ветре распространение нефтепродуктов осуществляется также по течению, при этом скорость их перемещения увеличивается на величину, равную 4-5% скорости ветра (рис.9). При восточном ветре нефтяное пятно отклоняется к правому берегу (рис.10). При южном ветре нефтеразлив снижает скорость дрейфа и распространяется к обоим берегам (рис.11). Западный ветер вызывает дрейф нефтепродуктов к левому берегу (рис.12).
Всего имеется девять пролетов, из которых три судоходные; конструкция моста прямоугольная. Левобережный (взводный) пролет, четвертый от левого берега, предназначен для судов, идущих снизу. Ширина пролета 12 м, высота 18.5 м от проектного уровня и 15.0 м от расчетного. Средний (спусковой) пролет, пятый от левого берега, предназначен для судов, идущих сверху. Ширина пролета 120 м, высота 18.5 м от проектного уровня и 14.5 м от расчетного. Ширина судоходных полос в пролетах 112 м. Правобережный (разводной) пролет, шестой от левого берега, однокрылый. Ширина пролета 50 м, высота в наведенном состоянии 18.4 м от проектного уровня и 14.4 м от расчетного. На пятой опоре имеются выступающие на восемь метров металлические конструкции в сторону спускового и взводного пролетов. Ширина реки в районе Ладожского моста составляет 440 м. Течение концентрируется в центре русла Невы, а его скорость может достигать 10-11 км/час.
Размещение лазерного регистратора на буе (рис.14) представляется запасным вариантом. В то же время он может оказать помощь в обнаружении виновника разлива нефтепродуктов. Рассмотренные выше варианты выбора места установки лазерного локатора для регистрации нефтяных пленок в районе Ладожского моста открывают широкие возможности применения малогабаритных приборов для непрерывного инспектирования акваторий и получения оперативной информации о факторе аварийного или нелегального выброса нефтепродуктов. Вместе с тем это позволяет проводить идентификацию нефтяного загрязнения по сопоставлению спектров его состава и другим параметрам. В то же время комплексный метод исследования нефтяного загрязнения предусматривает сочетание дистанционного зондирования и физико-химических методов анализа.
В практическом плане автоматизированная система раннего обнаружения аварийных нефтеразливов в водной среде Санкт-Петербурга имеет важное значение для планов ЛАРН. Действовавший с 1995 года "План операций по ликвидации разливов нефтепродуктов на реке Неве и водотоках города" устарел и вместо него разработан новый [12].
Действие «Плана операций по ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на акватории Санкт-Петербурга на 2002-2006 гг.» (План ЛАРН), распространяется на судоходные и несудоходные реки Санкт-Петербурга, а также на акваторию Невской губы и Финского залива, находящиеся в зоне ответственности Администрации Санкт-Петербурга. Необходимость его разработки вызвана вступлением в силу новых нормативно-правовых актов в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности, увеличением зоны ответственности Администрации Санкт-Петербурга, а также изменениями в составе сил и средств, используемых для ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов.
