Содержание к диссертации
Введение
1 Гидрометеорологическая характеристика акватории водной системы устьевая область Невы-восточная часть Финского залива 8
1.1 Общая характеристика реки Нева 8
1.2 Уровенный режим и расходы воды реки Нева 10
1.3 Ледовые явления на реке Нева 15
1.4 Невская губа 17
1.5 Финский залив 20
1.6 Климатические условия района Невской губы и Финского залива 21
2 Модель начального этапа эволюции нефтяного разлива 24
2.1 Существующая система диагноза аварийных разливов нефти для водной системы Нева-Финский залив 24
2.2 Существующие математические модели нефтяных разливов 30
2.3 Модель начального этапа эволюции нефтяного поля, предназначенная для мониторинга аварийных разливов 32
2.3.1 Методология моделирования нефтяных разливов 32
2.3.2 Перенос нефтяного загрязнения по водной поверхности 37
2.3.3 Поверхностное растекание нефтяного загрязнения 46
2.3.4 Турбулентная диффузия нефтяного загрязнения 53
2.3.5 Испарение летучих фракций нефти 55
2.3.6 Эмульгирование нефти в воде 61
2.3.7 Диспергирование нефти в воде 62
2.3.8 Параметризация процессов, отражающих технологии ликвидации нефтяных разливов 64
2.3.9 Моделирование изменения состояния нефти 69
3 Моделирование распространения нефтепродуктов при разливе в акватории "Нева-Невская губа-Финский залив" 72
3.1 Особенности разливов нефти и нефтепродуктов на акватории Невы, Невской губы и Финского залива 72
3.3 Испытание модели, используемой для прогноза состояния собираемой нефти 75
3.4 Численные эксперименты по моделированию разливов нефтепродуктов в различных гидрометеорологических условиях 80
4 Оценка загрязнения акватории при аварийных разливах нефти с помощью сопряженных задач 93
4.1 Постановка задачи обеспечения экологической безопасности зон приоритетной защиты при аварийных разливах нефти 93
4.2 Сопряженная задача эволюции нефтяного разлива 98
4.3 Аналитические решения задачи распространения нефти по акватории после разлива 101
4.4 Оптимальное применение нефтесборщиков для ликвидации аварийных разливов нефти 108
5 Стратегия борьбы с нефтеразливами 111
5.1 Экспертный анализ стратегий борьбы с нефтеразливами на проблемных сетях 111
5.2 Стратегии реагирования на разливы нефтепродукта 117
5.3 Анализ на проблемных сетях выбора стратегии борьбы с разливами нефтепродуктов 124
Заключение 130
Список использованных источников 132
Эволюция движения пятна нефтепродуктов 142
- Уровенный режим и расходы воды реки Нева
- Существующие математические модели нефтяных разливов
- Испытание модели, используемой для прогноза состояния собираемой нефти
- Стратегии реагирования на разливы нефтепродукта
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Разработка моделей для мониторинга аварийных разливов нефти актуальна, поскольку такие модели в настоящее время стали обязательным и полезным инструментом, используемым для принятия решений при выборе стратегий борьбы с аварийными разливами нефти, в оперативном управлении ликвидацией их последствий, а также для оценки воздействия аварий на окружающую среду.
Поступление в поверхностные природные воды нефтепродуктов из-за аварий нефтеналивных и других судов относительно невелико и составляет около 10 % общего количества нефти, попадающей в природные воды. Однако именно эти аварии становятся широко известными, поскольку в таких случаях на месте аварии выливаются десятки и сотни тысяч тонн нефти, что приводит к катастрофическим последствиям для прибрежных районов. Для организации своевременного сбора разлитой по поверхности нефти необходимо определить направление и скорость перемещения нефтяного пятна. Кроме того, под воздействием факторов окружающей среды происходят быстрые и значительные изменения свойств нефти. Поэтому для выбора эффективных и экономичных методов и средств, применяемых для сбора нефти и нефтепродуктов, необходимо располагать реалистичными оценками физико-химических свойств и количества собираемого вещества.
Одним из возможных путей повышения эффективности операций по ликвидации аварийных разливов нефти (ЛАРН) является использование физико-математических моделей, имитирующих поведение слоя разлитой на водной поверхности нефти, и позволяющих прогнозировать его перемещение под действием ветра и течений. Известные математические модели разливов нефти различаются количеством и видом параметризаций многочисленных
физических, химических и биологических процессов, происходящих с нефтью при взаимодействии с окружающей средой. Достаточно полное аналитическое описание этих процессов отсутствует, а экспериментальные исследования сопряжены со значительными трудностями из-за большого разнообразия гидрометеорологических условий и значительных вариаций физико-химических свойств нефтепродуктов. Тем не менее, изучение влияния состояния природной среды на аварийные разливы нефти с использованием методов математического моделирования является наиболее перспективным методом исследования, поскольку позволяет учитывать как известные теоретические зависимости, так и доступные эмпирические данные.
Цель и задачи исследования
Цель диссертационной работы заключалась в создании системы управления акваторией "Нева-Финский залив" для снижения рисков нефтяного загрязнения.
Для достижения, поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи:
оценить физико-географические особенности водной системы "Нева-Невская губа-Финский залив" и гидрометеорологические условия, влияющие на поведение нефтяных разливов, что позволяет выявить наиболее опасные гидрометеорологические ситуации;
разработать математическую модель начального этапа распространения нефтяного поля, который продолжается 1-2 дня после аварии, для прогнозирования траектории его движения и оценки потенциально опасного воздействия нефти на акваторию и прибрежные районы;
параметризовать в модели процессы взаимодействия нефти с окружающей средой: распространение нефтяного пятна по водной поверхности, испарение, образование водной эмульсии,
диспергирование нефти в воде, а также параметризовать воздействия различных технологий ЛАРН на распространение нефтяного загрязнения;
создать модель эволюции нефтеводяной смеси под действием факторов окружающей среды с целью оперативного выбора эффективных методов и средств ее сбора;
провести численные эксперименты по воспроизведению начального этапа нефтяного разлива на акватории водной системы "Нева-Финский залив" при различных гидрометеорологических условиях;
разработать метод выявления областей акватории потенциально опасных для ^ зон приоритетной защиты на основе теории сопряженных уравнений;
разработать метод оптимизации применения сборщиков нефти для обеспечения экологической безопасности зон приоритетной защиты;
формализовать выбор стратегии борьбы с нефтеразливами на основе анализа матрицы экспертных оценок принятия решений.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые разработана система, позволяющая в оперативном режиме осуществлять мониторинг акватории водной системы "Нева-Финский залив", диагностировать аварийные ситуации, а также прогнозировать их развитие и на этой основе вырабатывать оптимальные управленческие решения с целью уменьшения экологического и экономического ущерба.
Практическая значимость
Разработанные модели используются в практике планирования и проведения операций по ЛАРН для анализа траектории распространения нефтяного пятна, определения оптимального количества сил и средств ликвидации аварии, расчета упреждающих точек для постановки боновых
заграждений и контроля действия судов по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти в реальном масштабе времени.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на 2-ой международной конференции "Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон" (Санкт-Петербург, 2002), на 6-ой международной конференции "Акватерра" (Санкт-Петербург, 2003), на 5-ом международном экологическом форуме, посвященном 30-летию подписания Хельсинкской Конвенции (Санкт-Петербург, 2004), на семинаре во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники им. Веденеева, на объединенном семинаре кафедры промысловой океанологии и охраны природных вод и кафедры комплексного управления прибрежной зоной, а также итоговой сессии ученого совета Российского государственного гидрометеорологического университета (РГГМУ, 2004).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего ПО источников, и приложений. Основное содержание работы изложено на 141 странице (не считая приложений), включая 45 рисунков и 10 таблиц.
Уровенный режим и расходы воды реки Нева
Гидрологический режим р. Нева изучен достаточно хорошо. Наблюдения за уровнем воды начались еще в позапрошлом веке. В разное время на реке действовало более 20 постов.
Река Нева является самой крупной рекой в своем регионе;, отличается большой водностью. Она принадлежит к типу равнинных рек, для которых характерно смешанное питание с преобладанием снегового. В верхнем течении она находится под влиянием Ладожского озера. Её водный режим отличается исключительно равномерным распределением стока в году, что связано с регулирующим влиянием Ладожского озера, сглаживающего весенний подъем уровня воды. В таблице 1, а также на рисунке 2 представлены данные о средних месячных расходах воды р. Нева за многолетний период [1J.
Медленный подъем уровня начинается обычно с конца марта или начала апреля, максимум его наступает во второй половине июня. В течение всего летнего периода по р. Нева проходит одно большое по количеству воды т и небольшое по амплитуде колебаний уровня половодье, представляющее собой слив вод из Ладожского озера.
Особенностью уровенного режима Невы является отсутствие паводков от дождевых осадков, что объясняется сглаживанием их большой площадью Ладожского озера. Одновременно Нева испытывает на себе влияние Финского залива. Если в верхнем течении она является озерной рекой, то ниже водпоста "Ивановское" наблюдаются колебания уровня, вызываемые нагоном воды с Финского залива и сгоном ее под действием ветра.
Кроме того, к особенностям уровенного режима р. Нева можно отнести также и наводнения, т.е. подъем воды в устье выше 150 см над ординаром. Такие подъемы воды наблюдаются почти ежегодно.
Наиболее часто наводнения наблюдаются осенью - в октябре и ноябре (52 % от общего числа случаев), реже в сентябре и декабре; катастрофические наводнения случаются именно в эти месяцы. Это связано с циклонической деятельностью в эти месяцы над территорией Северо-Запада, а точнее над Финским заливом и Невской губой [2].
В основном, уровенный режим р. Нева определяется уровнем Ладожского озера. Общие колебания уровня воды Ладожского озера связаны с изменением объема воды в озере и зависят от водности предшествующих лет. В годовом ходе уровней воды р. Нева на исследуемом участке с трудом можно выделить весеннее половодье, летне-осеннюю межень, осенне-зимний период с несколько повышенной водностью и зимнюю межень.
Интенсивность весеннего подъема уровня воды возрастает в середине апреля и продолжает возрастать до середины - конца июня. Средняя высота подъема уровня воды 1.5 - 1.7 м, в створе перехода 1.0 - 1.6 м. Общая продолжительность весеннего половодья составляет 4 - 4.5 месяца [3].
Летне-осенняя межень на Неве характеризуется медленной сработкой уровня воды к концу сезона. Минимальные уровни воды по данным наблюдений за период с 1859 по 1998 гг. по водпосту "Петрокрепость" наблюдались в любое время года, кроме июня, когда наблюдается наибольшее количество случаев максимальных уровней воды. Кроме того, можно отметить, что минимальные уровни воды наблюдаются, в основном, осенью, в октябре и ноябре - 59 % от всех наблюденных минимальных уровней. Минимальный наблюденный уровень воды по водпосту "Петрокрелость" равен 1.18 м БС (12.11.1940) [4]. т Летних дождевых паводков на Неве не бывает, так как дождевые паводки, проходящие на притоках Ладожского озера, сглаживаются на большой водной площади последнего.
В осенне-зимний период уровни воды мало изменяются. Случающиеся резкие колебания уровня Невы и большие подъемы воды в её верхней части обусловлены главным образом формированием ледовых образований в реке, а также сгонно-нагонными явлениями в Ладожском озере и, в меньшей степени, в Финском заливе.
Максимальные уровни воды в верхнем течении Невы наблюдаются, в основном, в период весеннего половодья (в мае наблюдается 21 % от всех наблюденных максимальных уровней воды, в июне - 31 %). Зимой также наблюдается подъем уровня воды - в январе-феврале 22 % случаев за весь период наблюдений по водпосту "Петрокрепость".
По водпосту "Петрокрепость" построен график колебаний уровня воды за характерные по водности годы: 1958 г. - близкий к многоводному, 1940 г. - близкий к маловодному (рисунок 3).
Наивысший наблюденный уровень воды по водпосту "Петрокрепость" за период наблюдений равен 673 см (1924 г.).
Максимальный наблюденный расход воды по г/створу "Новосаратовка" за весь период равен 4590 м3/с (23.07.1955).
Наименьшие расходы воды в р. Нева наблюдаются в осенне-зимний период: в основном, в октябре-ноябре, а также зимой —- в декабре-январе. Наименьший летний расход воды за период с 1881 по 1988 гг. наблюдался 02.11.1940 и был равен 1250 м3/с, а наименьший зимний - 540 м3/с (20.01.1973).
Существующие математические модели нефтяных разливов
Необходимость предсказания поведения нефтяных разливов привлекла многие научные коллективы к исследованию процессов эволюции нефтяных загрязнений и созданию компьютерных программ, способных моделировать перемещение по водной поверхности нефтяных пятен и их трансформацию. В течение трех последних десятилетий был создан целый ряд таких математических моделей для воспроизведения и прогноза распространения нефти и нефтепродуктов, разлитых по водной поверхности. Эти модели различаются либо акваторией, в которой моделируется эволюция нефтяного разлива, либо методами математического моделирования, либо числом учитываемых процессов, определяющих эволюцию нефтяного пятна.
Существующие модели охватывают все типичные варианты водоемов: а) весь Мировой Океан [7]; б) окраинные моря и прибрежные зоны: 1) модель EUROSPIIX, состоящая из трех отдельных моделей, покрывающих северо-западную часть европейского континентального шельфа, а также Средиземное и Адриатическое моря [8, 9]; 2) модель для Эгейского моря [10]; 3) модель для Северного моря [11,12]; 4) модель для Японского моря [13, 14]; 5) модель для Черного моря [15]; 6) модель для моря Б офорта [16]; 7) модель канадской службы охраны окружающей среды [17], использовавшаяся при моделировании распространения нефтяных разливов в Персидском заливе [18, 19]; в) озера и реки: 1) модель RIVERSPILL [20]; 2) модель для реки Св. Лаврентия [21, 22]; 3) модель ROSS (River Oil Spill Simulation) и ее модификации ROSS2, ROSS3, MICROSS, построенные для моделирования распространения нефтяных загрязнений в реках [23, 24, 25, 26], озерах [27] и системах река - озеро [28]; 4) модель для Великих Озер [29, 30]. Содержание и сложность модели определяются как характеристиками исследуемого явления, так и особенностями прогностической информации, которая требуется исследователю. Три основные характеристики определяют основные черты моделей природной среды: масштаб времени прогнозируемого явления; изменение гидрометеорологических условий природной системы; кинетика реакций превращения изучаемых химических веществ. Основные требования, которым должна удовлетворять модель нефтяного разлива, перечислены в работе [31] и сводятся к способности модели: правильно прогнозировать перемещение загрязнения; восстанавливать положение возможных источников по движению загрязнения; производить оценку химических превращений загрязнения; предоставлять информацию для оценки воздействия загрязнения на береговую зону; корректировать результаты прогнозирования в соответствии с данными наблюдений. 2.3 Модель начального этапа эволюции нефтяного поля, предназначенная для мониторинга аварийных разливов Ниже обсуждаются существующие подходы, а также описывается разработанная физико-математическая модель, предназначенная для мониторинга аварийных разливов нефти. Эта модель воспроизводит начальный этап процесса эволюции нефтяного поля, который продолжается в течение. 1-2 дней от начала аварии. На этом этапе, помимо дрейфа и растекания, происходит выветривание разлитой на водной поверхности нефти, которое определяется преимущественно физическими и химическими процессами. Происходит интенсивное испарение, диспергирование нефти в воде, образование водной эмульсии, изменение состава, вязкости и плотности нефти.
Процессы, вклад которых становится существенным на более поздних стадиях эволюции нефтяного разлива, в модели не учитываются. К ним относятся растворение нефти в воде, ее адсорбция и десорбция на взвешенных частицах, фотоокисление и биологическое разложение.
Испытание модели, используемой для прогноза состояния собираемой нефти
Сложности сбора нефти или нефтепродукта с поверхности воды связаны со сравнительно небольшой толщиной нефтяного слоя, ч значительной площадйо его распространения, а также постоянным движением нефтяного поля под действием ветра, течения и волнения.
Кроме того, для обоснованного выбора эффективных и экономичных методов и технологий сбора разлитой по поверхности нефти требуется располагать оценками физико-химических свойств собираемой нефти: содержанием воды в нефтеводяной смеси, ее вязкости и плотности.
Вязкость является важным определяющим фактором при использовании диспергентов. В целом, нефтепродукт с вязкостью менее 1000 сСт, легко рассеивается диспергентом. С ходом времени после разлива процесс естественного1" разложения значительно увеличивает вязкость нефтепродукта. Это значит, что если предстоит использовать диспергенты и на его применение получены все разрешения, то их следует применять по возможности на ранних стадиях ЛАРН (до сильного эмульгирования и испарения).
Можно ожидать, что большая часть сырой нефти (около 80 - 90 %) имеет вязкость ниже 1000 сСт (при температуре от 10 до 27 С) при начальной стадии разлива до эмульгирования и естественного разложения.
Эмульгирование также может привести к повышенной вязкости. Нефтепродукт может связывать до 60 - 80 % воды в зависимости от начального содержания в нем смол, асфальтенов и парафинов, которые доводят вязкость до 5000 сСт. Применение диспергентов - если это необходимо - принесет наибольший эффект на ранней стадии ликвидации разлива.
Многие свойства нефтепродуктов при эксплуатации, транспортировке и хранении зависят от вязкости. Нефтепродукты с высокой вязкостью растекаются медленнее, чем нефтепродукты маловязкие, обладающие высокой подвижностью. При низкой температуре воды и воздуха увеличивается вязкость нефтепродукта, и его распространение на водной поверхности происходит медленнее. Основные физико-химические показатели нефтепродуктов, перевалка которых осуществляется на нефтебазах и терминалах на акватории реки Нева, приведены в таблице 9.
Температурой застывания нефти и нефтепродукта считается температура, ниже которой он становится полутвердым и теряет текучесть. Температура вспышки - это температура, при которой над поверхностью разлитого нефтепродукта образуются пары в достаточном количестве для создания воспламеняющейся смеси. Эта характеристика важна для оценки обеспечения безопасности операций при ликвидации разливов нефтепродукта.
Многие сорта свежеразлитой нефти могут легко воспламеняться, пока не испарились и не рассеялись в атмосфере ее более летучие фракции.
В работе выполнен расчет испарившейся доли нефти, содержания воды в нефтяной эмульсии, вязкости и плотности нефти для сырой нефти месторождения Статфьорд.
Расчет испарившейся доли нефти производился на основе псевдокомпонентного подхода, описанного в пункте 2.3.5. В качестве параметра испарения задавалось время Tevp - 50 ч, интервал времени, за который испаряется половина общей массы разлитой нефти. Считалось;, что процесс испарения прекращается через время 3Tevp. Таким способом в модели учитывалось изменение свойств нефти, вследствие потери легких фракций. Данные о фракционном составе сырой нефти месторождения Статфьорд заимствовался из [84]. Для расчета изменения вязкости и плотности нефти использовались формулы, описанные в пункте 2.3.9.
После начала процесса эмульгирования, скорость последнего оценивалась с помощью уравнений, приведенных в пункте 2.3.6.
Результаты модельных расчетов, а также экспериментальные данные, заимствованные из работы [92], представлены на рисунках с 12 по 15. Здесь линии - результаты проведенных расчетов, а точки - результаты измерений для нефти месторождения Статфьорд [92],
Сравнение результатов модельных расчетов с доступными результатами измерений показывает их хорошее качественное и количественное согласие. Тем не менее, как показали многочисленные расчеты, результаты моделирования процессов выветривания нефти сильно зависят от задаваемых .в расчетах значений ее основных физико-химических характеристик. Поэтому, если достоверная информация о типе разлитой нефти отсутствует, результаты моделирования могут значительно отличаться от реальности.
Стратегии реагирования на разливы нефтепродукта
Стратегия реагирования на разлив нефтепродукта должна базироваться на следующих основных положениях [107, 108]: операции по ликвидации разливов на акватории должны быть первоочередными; необходимо предпринять все меры для предотвращения выброса нефтепродукта на побережье особо охраняемых территорий, особенно в летний сезон; при особо крупных разливах нефти (50 и более тонн) в период открытой воды должно рассматриваться одновременное применение всех имеющихся средств ликвидации; в первую очередь проводят сбор толстых слоев пятна нефтепродукта, которые занимают примерно 20 % всей площади пятна и содержат до 90 % разлитого нефтепродукта; сжигание свежеразлитого нефтепродукта в разводьях льда наиболее эффективный способ ликвидации разлива в зимних условиях, если это безопасно для населения и береговых сооружений. Сжигание или возможно, если толщина пленки нефти более 3 мм и нефть находится на воде не более 3 суток. Для каждой ситуации при выборе стратегии учитывается: условия окружающей среды, т.е. время года, водные и ледовые условия, а также местоположение нефтепродукта; технологии реагирования, т.е. варианты контрмер, их осуществимость и вопросы управления отходами. В каждом случае при выборе стратегии определяют возможную технологию, т.е. либо механическое задержание, сбор, защиту, либо сжигание нефти на месте или диспергирование [6]. Ниже приводятся основные характеристики действий и их эффективность при ликвидации нефтеразливов [109]. Механическое задержание (сбор)
Эффективность механического задержания и сбора в значительной мере зависит от состояния водной поверхности и ветровых условий на месте разлива. Задержание и "Сбор нефти, как правило, невозможны при высоте волны более 3 м и скорости ветра более 35 км/ч.
В ледовый или переходные сезоны нефтепродукт иногда может быть задержан в разводьях льда, разводьях, огражденных бонами, или в естественных заводях. Хотя использование бонов в битом льду большей частью неэффективно, но иногда нефтепродукт, погрузившийся под сплошной лёд, можно задержать бонами, установленными в прорезях во льду или в разводьях льда. Для сбора нефтепродукта с поверхности воды при наличии льда до 30 % может быть использована технологическая схема, представленная на рисунке 36. Сжигание на месте
Сжигание нефтепродукта у источника разлива, или около него, может быть эффективно на открытой воде, во льду, на льду или в естественных заводях, если это безопасно для аварийного судна или объекта. Сжигание на воде возможно при толщине пленки нефтепродукта более 3 мм при высоте волн менее 3 м и скорости ветра менее 35 км/ч.
Для сбора нефтепродукта в условиях открытой воды могут использоваться любые скиммеры. В ледовых условиях нефтепродукт собирают в разводьях льда щеточными, тросовыми скиммерами, смывая его со льда струями воды. Диспергирован ие
Волны с барашками высотой более 1 - 2 м обычно препятствуют использованию механических средств сбора нефти и сжигания. При таком состоянии акватории на открытой воде или в битом льду в некоторых случаях возможно распыление диспергентов у источника разлива или около него. На сравнительно небольшой площади диспергенты можно распылить с судна, а в том случае, если необходимо охватить большие территории, то можно использовать вертолёт или самолёт. При проведении ликвидации разлива может возникнуть ряд проблем: работы по ликвидации должны происходить в безопасных для жизни и здоровья персонала условиях. При разливах нефтепродукта с высоким содержанием серы, или быстро испаряющегося нефтепродукта, возможно образование в атмосфере высоких концентраций взрывоопасных или ядовитых газов; сжигание нефтепродукта можно производить, если нефтепродукт находится на безопасном для населения расстоянии (не менее 10 км от места сжигания по направлению ветра); при ликвидации в зимних условиях специалисты должны определить прочность льда и его способность выдерживать нагрузку от находящегося на нем работающего персонала и оборудования. Частые волны (период между гребнями от 1 до 2 с) могут препятствовать успешному задержанию и сбору нефтепродукта. В этих условиях при соответствующих свойствах нефтепродукта может быть эффективным применение диспергентов.
При наличии волнения с более длительным периодом (период между гребнями более 6 с) возможны все три технологии реагирования: механическое задержание и сбор, .сжигание и диспергирование.
При дрейфе пятен нефтепродуктов необходимо незамедлительно установить задерживающие боны в направлении дрейфа пятен большой толщины. Скиммеры и установленные боновые огралсдения необходимо постоянно проверять, чтобы убедиться, что они продолжают выполнять свои функции при изменении с ходом времени свойств разлитого нефтепродукта и условий окружающей среды.
