Содержание к диссертации
Введение
1. Экспериментальное исследование полной нефтенасыщаемости снега 16
1.1. О методике проведения экспериментов по определению полной нефтеемкости снега 16
1.2. Результаты проведения экспериментов по определению полной нефтеемкости снега 19
1.3. Выводы 25
2. Нахождение расчетных зависимостей для вычисления объема разлитой нефти зимой 2 6
2.1. Особенности аварийного загрязнения местности зимой 2 6
2.2. Нахождение зависимостей для определения количества нефти, разлитой зимой, в случае «сухого» снега .35
2.3. Получение зависимостей для нахождения количества нефти, разлитой зимой, в случае «влажного» снега 53
2.4. Нахождение формул для определения объема нефти, разлитой зимой, в случае «сильновлажного» снега 69
2.5. Выводы 8 9
3. Разработка методики определения объема разлитой нефти в зимнее время 9 0
3.1. Оценка формы нефтяного пятна 91
3.2. Определение параметров снежного покрова .98
3.3. Определение объема разлитой нефти при значительной утечке 102
3.4. Определение объема разлитой нефти при малой /свищевой/ утечке 104
3.5. Выводы 107
Основные выводы 108
Список литературы
- О методике проведения экспериментов по определению полной нефтеемкости снега
- Особенности аварийного загрязнения местности зимой
- Получение зависимостей для нахождения количества нефти, разлитой зимой, в случае «влажного» снега
- Оценка формы нефтяного пятна
Введение к работе
Транспортировка нефти из районов добычи на нефтеперерабатывающие заводы осуществляется через системы промысловых и магистральных нефтепроводов. В Западной Сибири значительная их часть проложена в районах вечной мерзлоты, болот и районов с высоким уровнем грунтовых вод. Трудно преодолимая наземным транспортом местность, множество ручьев, рек, озер и суровая северная зима осложняют эксплуатацию нефтепроводов, которая в целом в северных регионах осуществляется в экстремальных условиях. Большая часть действующей сети нефтепроводов к настоящему времени уже выработала свой нормативный ресурс. Так, анализ периода эксплуатации нефтепроводов России, приведенный в работе [14], показывает, что в 2000 году 73% нефтепроводов было построено более 20 лет назад, а 41% - более 30 лет назад. Как известно, срок службы наружной изоляции магистральных трубопроводов, проложенных подземно, составляет 15-2 0 лет, а одной из основных причин аварийных утечек является внешняя коррозия [1,7,10,49], поэтому в настоящее время безаварийная эксплуатация «устаревших» нефтепроводов в сложных природно-климатических условиях Западной Сибири практически невозможна. Сквозные повреждения трубопроводов приводят к потерям ценного углеводородного сырья, а также загрязнению окружающей среды. Особенно значительный ущерб природе наносится при порывах
нефтепроводов вблизи водо -охранных объектов /рек, озер и т.д./, поскольку последствия от их загрязнения нефтью наблюдаются в течение 20 и более лет [б]. Неизбежные при авариях материальные затраты на рекультивацию загрязненной территории, ремонт трубы, а также издержки от простоя нефтепровода существенно снижают эффективность трубопроводного транспорта нефти. Кроме того, эксплуатирующие организации подвергаются штрафным санкциям со стороны государственных органов за допущенное загрязнение окружающей среды и потери углеводородного сырья, поэтому точное определение количества разлитой нефти в результате аварии на нефтепроводе является весьма существенным.
Как показывает многолетний опыт эксплуатации промысловых и магистральных нефтепроводов, при любых аварийных утечках /значительных - при порывах нефтепроводов, незначительных - при свищевых утечках/ оценить количество вытекшей нефти можно экспериментально-расчетным способом, базирующимся на результатах обследования загрязненного участка местности. На основании такого способа разработан ныне действующий нормативный документ [26] , однако в нем не предусмотрены особенности проведения обследования загрязненной территории и выполнения вычислений по определению объема разлитой нефти для зимних условий эксплуатации нефтепроводов. В случае сквозного повреждения стенки трубопровода зимой значительная часть вытекшей нефти оказывается в
снегу, поэтому не учет наличия снежного покрова создает серьезные проблемы при использовании указанной методики расчета, а в итоге - снижает точность вычислений по определению ущерба, нанесенного окружающей среде. В условиях Западной Сибири снежный покров сохраняется более полугода, а аварии могут случаться в любое время, поэтому для оценки количества разлитой нефти зимой нужна соответствующая методика, учитывающая специфические особенности аварийного загрязнения местности, когда существует снежный покров. В связи с чем тема данной диссертационной работы является вполне актуальной.
Аварийные разливы «горячей» нефти, случающиеся в зимнее время, приводят к таянию части снежного покрова, соприкасающегося с нефтью. Образующаяся в результате этого вода как более тяжелая жидкость оседает, формируя слой на поверхности земли, который препятствует инфильтрации нефти в мерзлый грунт [2,3]. Экспериментальными исследованиями установлено [4], что потери нефти от испарения при отрицательных температурах является малыми и ими, в таких случаях, в инженерной практике пренебрегают [42]. Поэтому основная часть нефти, вытекшей через порыв трубопровода, оказывается на поверхности земли, а также в пределах снежного покрова. В нашем регионе магистральные нефтепроводы проложены подземно, поэтому при свищевых утечках часть нефти насыщает поровое пространство грунта вокруг трубопровода, а другая часть перемещается вдоль траншеи в
пространстве между стенкой трубы и грунтом, распространяясь иногда на расстояние до нескольких сотен метров [42,49]. Выход нефти на поверхность грунта в таком случае происходит, как правило, далеко от места повреждения трубопровода в пониженном месте трассы. При обнаружении такой утечки количество нефти, содержащейся в пределах грунта, можно оценить одним из известных экспериментальных способов. В случае утечки нефти зимой из промыслового трубопровода через коррозионное отверстие большая часть нефти растекается по поверхности земли, а существенно меньшая часть -инфильтруется в грунт. Таким образом, для оценки количества нефти, вытекшей из промыслового или магистрального нефтепровода зимой в результате разрыва стенки трубы или вследствие функционирования свищевой утечки, необходимо определить, сколько нефти находится на поверхности земли и в пределах снежного покрова.
Проблемой определения количества разлитой нефти, содержащейся в снежном покрове в результате сквозного повреждения стенки нефтепровода, занимались совместно Антипьев В.Н., Богачев Н.П. и Челомбитко СИ. Результаты исследований легли в основу методики расчета объема нефти, разлитой по поверхности земли зимой, которая изложена в [6].
В работе Богачева Н.П. [б] приведены зависимости по определению количества разлитой нефти, находящейся на дневной поверхности в результате
аварийной утечки из магистрального нефтепровода в зимнее время. Представленные в этой работе результаты обладают некоторыми недостатками, снижающими точность проведения указанных вычислений. Прежде всего автором использована упрощенная модель снежного покрова, которая не учитывает такое важное физическое свойство снега, как высота капиллярного поднятия. Как установлено [12,28], до 50% объема пор в снегу может быть занято водой, удерживающейся в снежном покрове вследствие капиллярного явления, вызванного действием межмолекулярных сил /см.Рис.1/, поэтому при оценке запаса талых вод в гидрологии, как правило, учитывается и капиллярная вода.
Распределение влаги в слоях сильно влажного снега
Рис.1. Зависимость доли порового пространства снега, занятого водой, от слоя снега: 1- гравитацинный, 2- капиллярный, 3-пленочный слой.
Известно, что капиллярное поднятие нефти в грунтах может в несколько раз превышать капиллярное поднятие воды /в зависимости от физических свойств и компонентного состава нефти, а также фракционного состава грунта/. Но снег также можно рассматривать
как пористую среду со своеобразным фракционным составом, поэтому высота капиллярного поднятия нефти в снегу может быть значительно большей, чем высота капиллярного поднятия воды в этом снежном покрове. Учитывая вышеизложенное, не учет высоты капиллярного поднятия воды и нефти в снегу может привести к существенному снижению точности проводимых расчетов по оценке количества нефти, загрязняющей снежный покров. Кроме того, предлагаемый в работе [б] метод определения объема нефти, содержащейся в снежном покрове, через объем порового пространства загрязненного снега, нуждается в экспериментальной проверке. А таких специальных исследований, судя по содержанию данной работы, не проводилось. В печати также отсутствуют сведения об опытном изучении нефтеемкости снега какими-либо авторами, поэтому для дальнейшего развития указанного метода, предложенного в работе [б], необходимы целенаправленные экспериментальные исследования данного свойства снега.
Методика определения количества нефти, разлитой в зимнее время в результате сквозного повреждения магистрального нефтепровода, приведенная в [6], также не лишена недостатков. Так, например, не учтено влияние размеров и формы нефтяного пятна на процесс обследования, отбор образцов снега, а также измерение параметров загрязненной территории. Не установлено, также, необходимое количество измерений для определения характерных параметров
загрязнения и места для выполнения замеров по данной территории, а даны лишь ориентировочные рекомендации по выполнению указанных работ.
Снег представляет собой пористую среду, свободное пространство которой может быть заполнено жидкостью /нефтью, водой/. Из публикаций, касающихся физических свойств снежного покрова известно, что полная влагоемкость выбранного объема снега равна объему его свободного порового пространства. Данное свойство заложено в основу одного из способов опытного определения свободной пористости снега. Экспериментальными исследованиями других авторов установлено, что полные водо -и нефтенасыщенность грунтов являются близкими и принимаются одинаковыми в инженерных расчетах, при этом погрешность не превышает 5%. Это справедливо для грунтов различного фракционного состава как для крупнодисперсных /песков/, так и мелкодисперсных грунтов /суглинков, глин/ в широком диапазоне изменения их влажности. И грунты, и снег представляют собой пористые среды, причем размеры пор в снегу значительно больше, чем в грунтах. Увеличение размеров поровых каналов, согласно теории фильтрации, может повлиять, разве лишь, на скорость движения в них жидкостей. Поэтому, полная нефтенасыщенность и полная влагонасыщенность снега как пористой среды, обладающей определенным объемом свободного порового пространства, должны быть также одинаковы или близки между собой. Однако фракции снега имеют особое, отличное от грунтовых,
строение. Поэтому, для проверки справедливости этой гипотезы необходимо провести специальные опытные исследования данного свойства - полной водо - и нефтеемкости снега.
При вычислении количества нефти, содержащейся в некотором объеме загрязненного снега, необходимо учитывать содержание воды, находящейся в поровом пространстве данного объема снега [2,3,6]. Проведенный анализ опубликованных различными авторами результатов исследований физико-механических свойств снега показал, что объем свободного порового пространства снега, зависит от его плотности /см.Рис.2/, а также возможного наличия
Пористость сухого снега
Плотность снега, кг/мЗ
Рис. 2. Зависимость свободной пористости сухого снега
от его плотности
в нем влаги [11,17,20,24,28,30 и др.].
В процессе изучения указанных исследований было установлено, что если снежный покров является «сильно влажным», вода в снегу может присутствовать в виде гравитационной, образуя слой на поверхности земли, а также капиллярной и пленочной, в связи с чем снежный массив в таком случае подразделяется на соответствующие характерные слои. Часть талой воды, образующей гравитационный слой в снежном покрове, «опирается» на поверхность земли, при этом вода в данном слое полностью занимает поровое пространство снега /рис.1/. Выше гравитационной воды, как правило, располагается капиллярная, над которой обычно находится пленочная влага. Объем пленочной влаги может занимать до 15% от всего объема порового пространства соответствующего /«пленочного»/ слоя снега /рис.1/. При таянии этого слоя снега от взаимодействия с «теплой» нефтью пленочная влага дает определенный объем воды в общую массу распространяющейся жидкости «нефть+вода». Кроме того, в случае насыщения «пленочного» слоя снега «холодной» нефтью последняя может занимать только свободную часть порового пространства снега. Отмеченные особенности характерны и для капиллярной, и для гравитационной воды. Поэтому, учет и пленочной, и капиллярной, и гравитационной влаги, если таковые находятся в снегу, безусловно необходим при общей оценке количества нефти, разлитой в
зимнее время в результате сквозного повреждения нефтепровода.
На рис.1 показаны значения объема порового пространства снега, занятого водой, для соответствующих слоев «сильно влажного» снежного покрова. Как видно, объем свободного порового пространства, которое может быть занято разлитой нефтью, существенно отличается по высоте снега, и это обстоятельство необходимо учитывать при вычислении количества нефти, содержащейся в пределах снежного покрова.
Указанные выше особенности присутствия влаги в снегу нашли применение в инженерной практике: в гидрологии при оценке запаса талой воды учитывается и пленочная, и капиллярная, и гравитационная влага, при этом принимается равномерное распределение влаги в пределах каждого из отмеченных слоев снега. В таком случае ее содержание по толщине снежного покрова изменяется: от максимального - в "гравитационном" /нижнем/ слое, до минимального - в верхнем /"пленочном"/ слое. Загрязняя снежный покров, нефть может занимать только свободную часть порового пространства снега, поэтому, если снег содержит талую воду, то содержание нефти в порах снега существенно зависит от слоя снега, в котором она находится. В работе Н.П.Богачева использовалась более упрощенная модель снежного покрова, чем указанная выше, поэтому, учитывая важность проведения как можно более точных расчетов при
определении количества нефти, содержащейся в снегу, а также приведенное выше и проверенное инженерной практикой более совершенное моделирование снежного покрова, есть все предпосылки для усовершенствования предложенной в работе [6] методики.
В связи с изложенным выше была поставлена следующая цель работы:
получить расчетные зависимости и на их основе разработать методику для вычисления объема разлитой нефти, находящейся на поверхности земли, в результате сквозного повреждения стенки нефтепровода зимой.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие основные задачи исследований:
провести экспериментальные исследования по определению полной нефтеемкости снега;
получить расчетные зависимости, позволяющие по результатам обследования загрязненной территории вычислять объем вытекшей нефти в результате сквозного повреждения трубопровода для различных состояний снежного покрова;
разработать методику, дающую возможность определять количество разлитой нефти вследствие аварийной утечки из нефтепровода в зимнее время.
Результаты, полученные в процессе решения поставленной цели, обладают следующей научной
НОВИЗНОЙ:
впервые проведенные экспериментальные исследования по определению нефтеемкости снега позволили установить, что полная нефтеемкость снега может приниматься равной свободной пористости снега; получены формулы, дающие возможность определять объем нефти, вытекшей через порыв нефтепровода в зимнее время;
получены зависимости, позволяющие вычислять количество нефти, разлитой по дневной поверхности вследствие функционирования свищевой утечки из нефтепровода зимой.
Практическая ценность представленных в работе исследований заключается в следующем:
разработанная методика позволяет вычислять объем разлитой нефти зимой вследствие значительного или незначительного сквозного повреждения стенки нефтепровода с учетом размеров и формы ореола распространения нефти, а также особенностей состояния снежного покрова и физических свойств снега.
О методике проведения экспериментов по определению полной нефтеемкости снега
В основу проведения указанных экспериментов положены рекомендации по отбору образцов снега [18,22,24], методические указания по выполнению опытов с образцами крупнодисперсных грунтов, изложенные в [46], а также учет специфических особенностей изучаемого свойства снега.
Для проведения опытов по сравнению полной водо -и нефтенасыщаемости снега образцы отбирались в следующем порядке. Сначала выбирался по внешним признакам однородный в плане массив снега, в котором для выполнения работы выкапывалась «траншея» до поверхности земли. С одной стороны «траншеи» убирался верхний слой /шириной 3 0-40 см, толщиной не менее 10 см/ и сбоку производился осмотр подготовленного таким образом слоя снега. Набор снега в емкости выполнялся с учетом рекомендаций по отбору образцов снега для изучения его физико-механических свойств. Каждая емкость вдавливалась вертикально в снег, поворачиваясь, до тех пор, пока ее дно не оказывалось на одном уровне с поверхностью снега. Затем в снегу вырезался небольшой объем снега, содержащий емкость, этот объем переворачивался, чтобы дно емкости оказалось снизу, и устанавливался на подставку /лист фанеры/. Потом лишний снег срезался сначала вокруг емкости, а затем плоской стальной пластиной, шириной большей диаметра емкости, убирался вровень с верхним краем емкости. Емкость со снегом закрывалась крышкой и убиралась в ящик для образцов.
Насыщение образцов снега водой или нефтью производилось путем постепенного налива жидкости в емкости, содержащие снег, ближе к краю емкости. В этом случае обеспечивалось полное вытеснение воздуха из пор снега насыщающей жидкостью, так как просачивающаяся жидкость сначала достигала дна, затем ее уровень постепенно повышался, заполняя поровое пространство снега по направлению «снизу-вверх».
Эксперименты по определению полной нефтеемкости снега проводились в зимнее время в два этапа. Сначала была проведена предварительная серия экспериментов /для вычисления необходимого числа параллельных опытов/, а затем в течение зимнего периода времени, пока сохранялся устойчивый снежный покров, отбирались образцы снега различной плотности и выполнялись опыты по водо -и нефтенасыщению этих образцов. В соответствии с рекомендациями по экспериментальному изучению физико-механических свойств сыпучих сред из [46], образцы для исследований должны быть цилиндрической формы, диаметром 10 см, объемом не менее 500 см3. Поэтому для отбора образцов снега использовались гладко-стенные цилиндрические емкости, диаметром 9, б см, объемом 87 6 см3. Образцы отбирались, согласно соответствующим рекомендациям, из одного слоя снега на расстоянии 0,2-0,5 м друг от друга, единообразно, при этом структура снега не нарушалась. Для опытного изучения полной нефтеемкости и водоемкости снега применялась маловязкая нефть и вода. Перед водо -и нефтенасыщением образцы снега и жидкости выдерживались в одном помещении при одинаковой температуре /от -1 С до -5 С/ в течение нескольких часов, причем в емкости с водой всегда находился лед. Водо -и нефтенасыщение снега производилось путем постепенного налива жидкости в емкость, полностью заполненную снегом, до тех пор, пока на поверхности снега не образовывалась пленка жидкости, соприкасающаяся с поставленной на ребро металлической линейкой.
Особенности аварийного загрязнения местности зимой
Размеры загрязнения местности вследствие утечки нефти .через сквозного повреждение стенки нефтепровода зависят от многих факторов: скорости истечения нефти через отверстие, площади отверстия, количества вытекшей нефти, рельефа и уклона местности, толщины снежного покрова, теплофизических свойств нефти и окружающей среды и других. Удаленность трассы и трудно преодолимая для техники местность часто приводят к тому, что прибытие аварийно-восстановительной службы к месту аварии происходит через несколько десятков часов после повреждения нефтепровода. К этому времени на аварийном участке трассы «складывается» вполне определенная ситуация - загрязнение нефтью некоторой территории и снежного покрова.
Практический опыт показывает, что аварийные утечки на нефтепроводах случаются двух видов: значительные и незначительные /малые/ [49]. При значительных утечках, возникающих при порывах стенки трубы, вытекающая через порыв нефть практически мгновенно разрушает грунт, закрывающий нефтепровод, выходит на дневную поверхность. и свободно по ней растекается. Зимой, когда земля покрыта снегом, вытекающая «горячая» нефть расплавляет часть снежного покрова вблизи места утечки. Известно, что растекание нефти по дневной поверхности в летнее время происходит с малыми, ламинарными скоростями, поэтому с увеличением вязкости нефтей в холодное время растекание будет происходить с еще меньшими скоростями. Зимой, когда поверхность земли покрыта снегом, распространение нефти осуществляется как фильтрация ее в пористой среде снега вдоль поверхности земли с одновременно происходящим теплообменом. Исключение составляет небольшой участок вокруг места утечки, где вытекающий поток нефти является «бурным» и поэтому разрушает и расплавляет снежный покров. В процессе распространения нефти в результате отдачи тепла в окружающую среду происходит ее остывание, причем периферийные объемы нефти, дольше «участвовавшие» в этом процессе, имеют всегда меньшую температуру, чем внутренние. Поэтому, достигнув определенных размеров нефтяное пятно на своей периферии будет иметь температуру, меньшую нуля градусов. Продвижение остывшей нефти /до 0 С и ниже/ в пористой снежной среде не приводит к таянию снежного покрова, поэтому на некоторой части загрязненной территории толщина снежного покрова остается неизменной. Таким образом, в общем случае на основании обследования вся загрязненная территория может быть разделена на следующие характерные участки /см. рис.2.1.1-2.1.2/: - "внутренний", площадью S] /вблизи повреждения трубопровода/, где вытекшая нефть вследствие таяния снега находится вместе с водой и имеет открытую поверхность; - "промежуточный" /вокруг "внутреннего" участка/, площадью S2, где в результате теплообмена просачивающейся сквозь снег нефти часть снежного покрова растаяла, и нефть находится в пределах снежного покрова вместе с талой водой; - "периферийный" /за пределами "внутреннего" и "промежуточного" участков/, площадью S3, где в результате теплообмена с окружающей средой остывшая /до 0 С и ниже/ нефть находится в порах снега.
На рис.2.1.2 представлена схема подразделения загрязненной территории /1-й тип/ для значительного объема разлитой нефти в результате порыва нефтепровода, при этом учтено изменение толщины снежного покрова вследствие таяния снега от «теплой» нефти. Согласно такой схематизации введем следующие обозначения: hc, h{c2) - средняя толщина слоя снега на местности и на 2-м /«промежуточном»/ участке, площадью S2 соответственно; р - плотность снега /«сухого», «влажного»/; а - влажность снега.
Авария на нефтепроводе может произойти в то время, когда снег содержит воду в жидком состоянии. Таким может быть снег весной или осенью, когда под действием окружающей среды /теплого воздуха, солнца и т.д./ часть снега превращается в воду. Анализ результатов исследований различных авторов показывает [12,18 и др.], что снег, содержащий воду, по степени влажности можно подразделить на «влажный», когда вся влага удерживается в порах снега силами поверхностного натяжения, и «сильновлажный», когда часть воды в снежном покрове образует гравитационный слой на поверхности земли. В последнем случае над гравитационным слоем формируется капиллярный слой, в котором талая вода частично заполняет поры снега. Нефть, заполняя поры, может занять только свободную часть порового пространства, поэтому в зависимости от наличия в снегу той или иной влаги /пленочной, капиллярной, гравитационной/, или полного отсутствия таковой возможно соответствующее распределение нефти в пределах загрязненной части снежного покрова.
Получение зависимостей для нахождения количества нефти, разлитой зимой, в случае «влажного» снега
Если авария на нефтепроводе произошла в такое время, когда снег является «влажным», то часть порового пространства такого снега занята водой. Поэтому нефть, насыщая поры снега, может занимать только свободную от влаги часть порового пространства. Талая вода в таком снегу находится в виде пленок и удерживается в поровых каналах силами поверхностного натяжения [12,20]. Основными физико-механическими параметрами снега в таком случае являются его плотность и влажность.
Также, как и в предыдущем случае, найдем выражение для объема нефти Vn , находящейся на всей загрязненной территории как сумму объемов К, V и Vf нефти, содержащихся на отдельных ее участках, площадью Si, S2 и S3 соответственно. Рассмотрим вычисление каждого из указанных объемов нефти для данного случая - разлива нефти в зимнее время, когда снежный покров является «влажным».
Найдем сначала формулу для определения Vf . Согласно принятой схематизации в результате аварийного распространения нефти весь влажный снег на площади Sx растаял. До аварии его объем на этой площади W ] составлял К $\ результате таяния твердой фазы /кристаллов/ этого снега, согласно формуле (2.2.2), образуется такой объем воды: Ре
Объем свободного порового пространства W растаявшего снега выражается формулой Wp=n-Wcm, где п- пористость в данном случае влажного снега, которая определяется известной зависимостью из работы [12] : и = 1 7 ч- (2.3.1) рл (і-0,083а)
Подставляя это соотношение для пористости в предыдущую формулу получим следующее выражение для объема воды, образовавшейся в результате таяния кристаллов снега на Si: " p. (1-0,083а) с Весь растаявший на этой площади снег содержал еще воду в пленочном виде, содержание которой определяется влажностью снега а . В работе Дармана З.И. [12] приводится формула, согласно которой объем пленочной влаги, содержащейся в 1м3 влажного снега, Р равен aJ-- . Поэтому, объем воды, содержащейся в снежном покрове на площади Si до аварии в виде пленочной, выразится таким образом:
Общее количество воды К(1), образовавшееся вследствие таяния влажного снега на «внутреннем» участке, равно сумме соответствующих количеств воды, находившейся в снегу на данной площади в виде пленочной Кл(1) и воды, образовавшейся от таяния кристаллов снега V s, то есть К!]) = !-1+К} Складывая полученные выше выражения для указанных объемов, получим: рв а + (1 - 0,083а)_ hc-Sx. (2.3.2 Таким образом, объем талой воды среди всей массы жидкости «нефть+вода» на площади S1 выражается формулой (2.3.2).
Объем жидкости «нефть+вода», толщиной кж на площади Si, определяется формулой (2.2.6) . Отсюда, объем нефти F,(1), содержащейся на Бх, можно найти, вычитая из объема жидкости объем талой воды, что дает возможность представить его в следующем виде:
На рис.2.3.1 приведен пример расчета общего объема жидкости «нефть+вода», находящегося на каждых 100 м2 «внутреннего» участка в результате таяния влажного снега, а также отдельных компонентов этой жидкости, проведенный по представленным выше формулам. Как видно, количество пленочной влаги составляет около 28% от количества всей воды, образовавшейся вследствие таяния влажного снега. Поэтому, влажность снежного покрова может существенно повлиять на вычисление количества нефти в определенном объеме разлитой жидкости и ее следует учитывать при проведении инженерных расчетов.
Найдем теперь формулу для вычисления количества нефти, находящейся на «промежуточном» участке загрязненной территории, площадью S2. Согласно принятой схематизации на этом участке часть снега растаяла, и его средняя толщина на момент обследования составляла h(2)
Оценка формы нефтяного пятна
Распределение вытекшей нефти на загрязненной территории существенно зависит от рельефа дневной поверхности. В гидрологии широко используется методика оценки количества талой воды, находящейся на дневной поверхности и в пределах снежного покрова, которая учитывает влияние рельефа местности [35] . Учитывая многолетний положительный опыт применения указанной методики, воспользуемся основными ее положениями для обследования нефтяного пятна, образованного в результате аварийного разлива нефти. Прежде всего, необходимо оценить форму нефтяного пятна, поскольку для различных форм имеются отличия в местах и количестве необходимых измерений. В указанной методике выделяются 2 основные формы территории, содержащей талую воду -округлая и продолговатая /вытянутая/, а также, дополнительно, еще одну - сложную /составную/, когда данная территория подразделяется на несколько частей указанной основной формы. В нашем случае для установления формы нефтяного пятна следует найти максимальный продольный L и средний поперечный 1 размеры нефтяного пятна. Для определения продольного размера на плане пятна проводится «центральная» линия, ориентировочно на одинаковом расстоянии от границы /линия, близкая к «динамической оси»/. Если форма пятна близка к симметричной относительно продольной прямой, то продольный размер вычисляется вдоль этой прямой /см.Рис.3.1.1/. Средний поперечный размер 2 определяется как отношение площади пятна к продольному размеру L. Затем вычисляется число IJ = L/l показатель формы. Если П 2.5, то форма считается округлой /пример - на рис.3.1.1/, а если П 2.5, то форма считается продолговатой /примеры -на рис.3.1.2/. Для округлой формы пятна продольный размер представляет собой длину одного отрезка, соединяющего наиболее удаленные точки на границе.
Если форма пятна не является симметричной, то динамическая ось представляет собой кривую линию, которая в таком случае заменяется близкой к ней ломаной с числом звеньев, как правило, не более 5 /см.Рис.3.1.2/. Для продолговатой формы пятна продольный размер представляет собой либо длину отрезка /например, как на рис.3.1.2-а, когда пятно является близким к симметричному/, либо длину ломаной /например, как на рис.3.1.2-б-в/.
Для равнинного рельефа, характерного для трасс магистральных нефтепроводов Западной Сибири, учитывая планировку полосы отвода после строительства трубопровода, отмеченные формы нефтяных пятен представляются как наиболее вероятные. Однако в реальных условиях возможны более сложные формы нефтяных пятен. В подобных случаях рекомендуется рассмотрение пятна как состоящего из отдельных его частей округлой и продолговатой форм. Например, если нефтяное пятно имеет форму, изображенную на рис.3.1.3, то оно может быть разделено на 3 части. Для каждой і-ой части нефтяного пятна следует находить продольный Li и поперечный li размер, на основании которых затем определять для них вид формы /продолговатая или округлая/.
Выполним оценку количества точек на загрязненной территории, где необходимо произвести измерения глубины слоя нефти. Для округлой формы пятна L 1 /продольный размер всегда больше поперечного/, поэтому минимальное значение числа К равно 1, а так как L/1 2.5, то максимальное значение числа К равно 2, поэтому наименьшее и наибольшее значение 2{К+1) составит 4 и 6.
Количество поперечных отрезков на единицу меньше, и равно 2(К+1)-1, поэтому, соответственно, составит 3 и 5. Поскольку на каждом поперечном отрезке намечаются по 3 точки для замеров глубины, то наименьшее и наибольшее число замеров для округлой формы пятна составят 9 и 15.
Для вытянутой формы нефтяного пятна наименьшее значение числа К равно 3, поэтому наименьшее количество точек для замеров глубины составит 21. Согласно указаниям, приведенным в [35], если L/l 5, то следует взять L/l=5. Поэтому, число измерений в таком случае составит 33. Таким образом, наименьшее и наибольшее количество измерений глубины слоя нефти для вытянутой формы пятна равны, соответственно, 21 и 33.
Похожие диссертации на Разработка методики определения объема разлитой нефти при сквозном повреждении стенки нефтепровода зимой
