WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Павлов Андрей Алексеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ ПО УЧАСТКАМ ВОДОТОКОВ МАЛЫХ РЕК

Специальность 03.02.08 – Экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Черняев Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Акимов Валерий Александрович доктор химических наук, профессор Зволинский Валентин Петрович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»

Защита состоится «24» апреля 2012 г. в 14:00 час. на заседании диссертационного совета Д212.145.03 в Московском государственном университете инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ») по адресу: 105066, г. Москва, ул.

Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»).

Автореферат разослан «23» марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Е.С. Гриднева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Начиная с 1999 г. в Российской Федерации происходит заметный ежегодный прирост добычи нефти, развитие сети магистральных трубопроводов и формирование новых экспортных направлений транспортирования. Однако, как показывает практика, полностью исключить аварии, связанные с процессом транспортировки нефтепродуктов и снизить до нуля вероятность их возникновения, невозможно. Поэтому возникает необходимость осуществления более тщательного прогнозирования последствий аварийных разливов.

Вопросам изучения и моделирования распространения нефтяных загрязнений в гидросфере посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов:

Р.Н. Бахтизина, С.М. Вайнштока, И.А. Мерициди, В.И. Ларионова, В.Д. Рябова, B.M. Журбаса, Дж. Фей, П. Блоккер, Х. Шен, П. Яппа и др., а также ряд нормативно-методических документов. Однако не существует методики прогнозирования распространения и трансформации нефтяных загрязнений по малым водотокам, рассматривающей совместно процессы растекания и переноса нефтяного загрязнения, а также учитывающей осаждение нефти на береговую растительность. Создание подобной методики позволит повысить эффективность планирования и оперативного управления мероприятиями по локализации и ликвидации аварийных разливов.

Необходимость решения современных задач по обеспечению техногенной и экологической безопасности, в частности при попадании нефтяных загрязнений в малый водоток, требует построения специальных математических моделей, описывающих всю совокупность происходящих процессов, и их реализацию с помощью разработки комплексной модели.

Цель работы. Целью диссертационной работы является создание комплексной модели распространения и трансформации нефтяных загрязнений при их попадании в русла малых рек для повышения точности систем прогнозирования.

В диссертации, для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

- исследована адекватность существующих математических моделей процессов распространения аварийных разливов нефти применительно к руслам малых водотоков для систем прогнозирования последствий таких разливов;

- разработан комплекс математических моделей, описывающий процессы переноса и трансформации нефтяного загрязнения при попадании нефти в русло малого водотока;

- проведена серия экспериментов для установления зависимости объема осевшей на растениях нефти от морфологии растений;

- разработана географическая информационная система малого водотока;

- проведены: численное моделирование, отработка и практическая реализация результатов исследований.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

- комплексная модель распространения и трансформации нефтяного загрязнения при попадании нефти в русло малого водотока;

- статистическая модель зависимости объема осаждающейся на береговых растениях нефти от толщины слоя нефтяного разлива, площади поверхности прибрежной растительности, условного типа растений и площади пятна контакта нефтяного загрязнения с береговой поверхностью;

- принципы интеграции географической информационной системы (ГИС) и комплексной модели прогнозирования последствий распространения и преобразования аварийных разливов нефти, а также структурная схема такой системы;

- результаты вычислительных экспериментов, компьютерного и имитационного моделирования распространения и трансформации нефти с использованием ГИС применительно к реальным водным объектам, их сравнения с имеющимися экспериментальными данными;

Научная новизна работы. В работе решена важная научная и практическая задача прогнозирования распространения и трансформации нефти при попадании в малый водоток, а именно:

- разработана комплексная математическая модель процессов распространения и трансформации нефти при ее попадании в малые водотоки, учитывающая характер прибрежной растительности, тип берегового и донного грунта, и свойства нефти;

- установлены теоретические зависимости скорости растекания нефти для гравитационно-инерционной и гравитационно-вязкой фаз по участкам водотоков малых рек от ее объема и времени с начала разлива;

- разработана статистическая модель, описывающая процессы сорбции нефти на береговую поверхность, учитывающая морфологические особенности растительности и характеристики грунта;

- установлено значение сорбционной способности основных видов береговой растительности;

- разработанная комплексная модель позволяет учитывать больше параметров, чем в случае ранее использовавшихся методик, что повышает точность прогнозируемых значений распространения и трансформации нефтяного загрязнения в условиях малого водотока.

Практическая значимость. Предложенные алгоритмы и комплексная модель позволяют повысить точность расчетных данных и облегчить их интеграцию в системы прогнозирования аварийных разливов.

Использование разработанных математических моделей и полученных на их основе алгоритмов, программных комплексов и расчетных результатов повышает точность систем прогнозирования и сокращает продолжительность разработки планов ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН) в руслах малых рек.

Реализация работы. Разработанные математические модели и полученные на их основе расчетные результаты использованы в ЗАО «НПФ “ДИЭМ”» для оценки и прогнозирования воздействия разливов нефти на водотоки. Ис пользование полученных результатов и разработанных на их основе программ для ЭВМ позволило существенно повысить качество и оперативность оценки ущербов окружающей среде при принятии решений по компенсационным мероприятиям.

Объект исследования. Процессы распространения и трансформации нефти при её попадании в малые водотоки.

Предмет исследования. Математические модели процессов распространения и трансформации нефти при её попадании в малые водотоки для систем прогнозирования аварийных разливов и анализа их последствий.

Методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований использованы: элементы теории математического моделирования, методы теоретической и прикладной гидродинамики, методы статистического анализа, теория планирования эксперимента. Для оценки достоверности разработанного комплексной математической модели проводился вычислительный эксперимент на основе данных аварийного нефтяного разлива. Полученные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики и геоинформационного моделирования.

Апробация работы. Изложенные в настоящей диссертационной работе материалы докладывались на: XXXIV, XXXV, XXXVI Гагаринских чтениях в 2007, 2008, 2009 гг.; Всероссийской НТК «Новые материалы и технологии НМТ-2007», Москва, 2007 г.; Седьмой Всероссийской НТК «Управление качеством», Москва, 2008 г.; 3-ей Всероссийской научно-технической Интернетконференции «Экология и безопасность», Тула, 2008 г.; 46-ой международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2008 г.; научных семинарах кафедры: «Промышленная экология и безопасность производства» МАТИ.

Публикации по теме исследования. По результатам проведенных исследований опубликовано 15 работ (список основных работ приведен в конце автореферата), в том числе 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах и включает в себя оглавление, введение, 4 главы собственных исследований, заключение, список литературы из 106 наименований и 2 Приложения. Работа проиллюстрирована 47 рисунками и содержит 21 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРАЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы цель и задачи исследования; определены научная новизна и практическая ценность, обоснована возможность реализации диссертационной работы.

В первой главе исследована предметная область и проблематика математического моделирования в задачах прогнозирования распространения и трансформации аварийных нефтяных разливов по акваториям водотоков. Проанализированы подходы, структуры информационного обеспечения прогнозирования аварийных разливов и используемые математические модели.





На схеме, иллюстрирующей процессы распространения и трансформации нефтяного разлива в акватории малого водотока (рис.1) тёмным фоном выделены процессы, для которых не были разработаны математические модели (таковые предлагаются автором в настоящем исследовании), штриховкой – переработанные и/или дополненные автором.

Рис. 1. Классификация процессов распространения и трансформации нефтяного разлива в акватории малого водотока Для математического описания физико-химических процессов в нефтяной пленке применялась модель эволюции нефтяного разлива, представленная уравнением баланса:

QПОВ(t) = Q0 - QИСП (t)- QДИС(t)- QБЕР(t)- QДНО(t)+ QЭМ (t), (1) где QПОВ(t) – объем нефти на поверхности малого водотока через время t после разлива; Q0 – общий объем разлитой нефти; QИСП(t) – объем испарившейся нефти; QДИС(t) – диспергирование нефти в водную толщу; QБЕР(t) – объем нефти, осажденной на береговой поверхности; QДНО(t) – объем нефти, осажденной на донную поверхность; QЭМ(t) – объем водонефтяной эмульсии.

К настоящему времени хорошо изученными являются следующие процессы: испарение, диспергирование, эмульгирование, растекание. Для описания процесса испарения легких фракций нефти, в настоящей модели принят подход, заключающийся в представлении нефти в виде смеси компонентов, отличающихся по температуре кипения, плотности и молекулярному весу. При этом скорость испарения каждой фракции считается пропорциональной давлению ее паров и определяется следующим уравнением [Stiver et al, 1984]:

z k Mk QИСП(t)= (2) W Dk k Pka R TВ SПОВ(t) t QПОВ(t), 15,2 Q0 _ k(t) k = где W – скорость ветра, Dk, k, Pk, k, Mk, Q0_k – коэффициент молекулярной диффузии в атмосфере, мольная доля, давление паров фракции нефти, плотность, молекулярный вес, объем, соответственно для k-ой компоненты, SПОВ(t) – площадь разлива в момент времени t, va – кинематическая вязкость воздуха, R – универсальная газовая постоянная, ТВ – температура воды, Q0_k(t) – объем нефти k-ой фракции в момент времени t.

Математическое описание процесса диспергирования, т.е. растворения нефти в водной среде, осуществляется с помощью следующего выражения [Mackay et al, 1980]:

0,11QПОВ (t) (1 + W )QДИС (t)=, (t (3) 1 + 50 G QПОВ -1) µН SРАЗЛ (t) где µН – динамическая вязкость нефти, G – поверхностное натяжение, W – скорость ветра.

Для моделирования процесса эмульгирования, т.е. образования эмульсии воды в нефти, использовалось соотношение [Stiver et al, 1984]:

2 W g H QЭМ (t)= 0,07 t QПОВ(t -1) 2 , (4) g W где H – глубина водотока.

Для математического описания процесса растекания под действием сил гравитации в рамках данной работы были использованы доработанные автором формулы модели [Fay, 1971]. Принимая во внимание, что временная граница прогнозирования составляет 14 дней, нами были учтены лишь первые две фазы растекания: гравитационно-инерциальная и гравитационно-вязкая. Скорость растекания для обеих фаз и их продолжительность показана в табл. 1.

Табл. 1. Скорость растекания нефти и продолжительность фаз.

Фазы растекаСкорость растекания Продолжительность ния гравитацион3,4 g QПОВ(t) QПОВ (t) VРАСТЕК _1(t) = t1 = но3 b t g B инерциальная 1/ B (g ) QПОВ (t)2 / g H QПОВ(t) B гравитационt2 = VРАСТЕК _ 2 (t) = G но-вязкая 16 t5 b2 B B где g – ускорение свободного падения, t – значение времени с момента разлива, B - H = ; В – плотность воды, Н – плотность нефти, b – ширина русла водоB тока, t1, t2 – продолжительность первой и второй фаз растекания, соответственно; В – кинематическая вязкость воды; G – тензор напряжений, определяемый силами трения на границе вода-нефть.

Для моделирования переноса нефтяного пятна током малого водотока была использована следующая модель водотока. Русло малого водотока разбивалось на элементарные площадки, характеризующиеся следующими параметрами: гидравлический уклон i, гидравлический радиус RG, коэффициент шероховатости донной поверхности K, коэффициент кинематический вязкости воды В. После чего для каждой элементарной площадки проводился расчет средней скорости перемещения воды и определялся режим течения жидкости, посредством использования системы уравнений Кольбрука-Уайта. При этом в модели рассматривалось два режима течения - ламинарный и турбулентный. В случае ламинарного течения в данной работе рассматривается распределение скоростей в проекции, перпендикулярной направлению движения жидкости, для случаев сечений эллиптической, прямоугольной, треугольной и трапециидальной формы.

Во второй главе описана разработанная автором комплексная модель распространения и трансформации нефтяного разлива. А именно, рассмотрено модельное представление русла водотока. Русло водотока может быть представлено набором линейных участков и элементарных площадок. Рассмотрим совместно процессы растекания и переноса нефтяного загрязнения течением реки. В случае попадания нефтяного загрязнения в акваторию водотока распространение будет происходить вниз и вверх по течению водотока. В рамках данной модели было принято допущение, согласно которому половина объема нефти движется вверх по течению водотока, а вторая половина вниз. Скорость перемещения вниз по течению водотока будет складываться из скорости течения водотока и скорости растекания нефтяного разлива.

VПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ(x, y,t) = V (x, y) + VРАСТЕК (t) (5) Скорость перемещения нефтяного пятна при его движении вверх по течению реки рассчитывается как разница между скоростью растекания и скоростью течения реки.

VПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x, y,t) = V(x, y)-VРАСТЕК (t) (6) Скорость движения вниз по течению реки, будет характеризовать движения переднего фронта нефтяного разлива, а скорость движения вверх по течению реки – скорость движения «хвоста» нефтяного разлива. При этом основная сложность моделирования заключается в необходимости совместного рассмотрения процессов, описание которых лежит в пространственной и временной области. В случае, ламинарного режима течения водотока, линейный участок представляется набором протяженных вдоль оси русла элементарных площадок. Т.е. в этом случае русло водотока представляется как набор параллельно перемещающихся областей жидкости. При этом принимается допущение о том, что растекание нефти в поперечном направлении из одной области жидкости в другую не происходит.

Для вычисления скорости распространения нефтяного загрязнения при ламинарном режиме течения использовался следующий подход. Среди массива элементарных площадок, выбирались имеющие максимальную скорость течения водотока, которые для определенности были названы центральными. Так как скорость растекания нефтяного разлива зависит только от времени, то распространение нефтяного разлива будет происходить с наибольшей скоростью по центральным площадкам. При построении математической модели использовалось два блока. В одном проводилось моделирование распространения нефтяного загрязнения вниз по течению водотока, в другом - вверх по течению.

При этом для соотнесения процесса растекания нефтяного загрязнения и переноса током водотока была введена переменная – расчетный такт, представляющая собой интервал времени – tПЕРЕМЕЩ_ВНИЗ, необходимый нефтяному разливу для прохождения одной центральной площадки вниз по течению водотока, равный.

L tПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T )=, (7) V(x, y)+ VРАСТЕК (T) где T – порядковый номер расчетного такта, L – длина линейного участка. Таким образом, удалось соотнести время с момента начала разлива с положением нефтяного разлива в русле водотока. В то же время использование расчетного такта позволило рассчитывать актуальное значение скорости растекания нефтяного загрязнения в рассматриваемый момент времени:

T - VРАСТЕК (T ) = VРАСТЕК (i) (8) tПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ i=1 Так как расчетный такт характеризует время прохождения y-ого центральной площадки x-го линейного участка, то он соотнесен и со скоростью течения в линейном участке русла – V(x,y). Приращение площади загрязнения для центральных площадок при распространении вниз по течению водотока, вычисляется из следующего соотношения:

SВНИЗ _ Ц (x, y,T )= L T B c (9) где с – количество элементарных площадок в линейном участке.

Для не центральных элементарных площадок скорость распространения разлива вниз по течению вычисляется следующим образом. В случае, когда за расчетный такт нефтяной разлив не проходит границу элементарной площадки, пройденное разливом расстояние вычисляется из следующего соотношения:

LПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (x, y,T )= (V(x, y)+ VРАСТЕК (T )) tПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) (10) При этом приращение площади нефтяного разлива вычисляется:

SВНИЗ (x, y,T )= LПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (x, y,T ) B c, (11) где с – количество элементарных площадок в линейном участке.

В случае, когда за расчетный такт, нефтяной разлив проходит границу yой элементарной площадки, вычисляются два расстояния: одно – пройденное в элементарной площадке x-го линейного участка, второе – пройденное в элементарной площадке линейного участка x+1. Расстояние, пройденное разливом в элементарной площадке x-го линейного участка, вычисляется как разница между длинной элементарной площадки и расстоянием, пройденным нефтяным разливом за предыдущий расчетный такт. А время, необходимое для прохождения нефтяным разливом y-ой элементарной площадке x-го линейного участка L - LПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (x, y,T ) tВНИЗ _ y (x, y,T )= (12) V(x, y)+ VРАСТЕК (T ) Расстояние, пройденное в элементарной площадке x+1-го линейного участка, может быть вычислено по следующей формуле:

LПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (x + 1, y,T )= (VРАСТЕК (T )+ V(x + 1, y))(tПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T )- tВНИЗ _ y (x, y,T)) (13) Приращение площади нефтяного разлива может быть вычислено из следующего соотношения:

SВНИЗ (x + 1, y,T )= (L - LПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (x, y,T )+ LПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (x + 1,T )) B / c (14) Аналогично, для распространения загрязнению вверх по течению водотока. В случае, когда за расчетный такт, нефтяной разлив не проходит границу линейного участка, пройденное расстояние вычисляется из следующего соотношения:

LПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x, y,T )= (V(x, y)- VРАСТЕК (T )) tПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T ) (15) При этом приращение площадь нефтяного разлива равно:

SВВЕРХ (x, y,T )= LПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x, y,T ) B c (16) В случае, когда за расчетный такт нефтяной разлив проходит границу линейного участка вверх по течению водотока, время, необходимое для прохождения разливом x-го линейного участка:

L - LПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x, y,T ) tВВЕРХ _ y (x, y,T )= (17) V (x, y) - VРАСТЕК (T ) Расстояние, пройденное в x+1-ом линейном участке, вычисляется по следующей формуле:

LПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x + 1, y,T )= (V (x + 1) - VРАСТЕК (T ))(tПЕРЕМЕЩ _ ВНИЗ (T )- tВВЕРХ _ y (x, y,T )) (18) Приращение площади нефтяного разлива может быть вычислено из следующего соотношения:

SВВЕРХ (x, y,T )= (L - LПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x, y,T )+ LПЕРЕМЕЩ _ ВВЕРХ (x + 1, y,T )) B c (19) В случае турбулентного режима течения жидкости в водотоке, стратификации скоростей течения в линейном участке не происходит, в этой связи для описания распространения нефтяного загрязнения была использована математическая модель ламинарного режима с редуцированной y переменной.

Модельное представление осаждения нефти на донную поверхность.

Под процессом осаждения нефти на донную поверхность понимается процесс погружения фракций нефти, имеющих плотность большую, чем плотность воды. Осаждение нефти объясняется тем, что, вследствие испарения легких фракций нефти, усредненное значение плотности пятна увеличивается. Объем осевшей на донную поверхность нефти может быть вычислен с помощью следующего соотношения:

N N B (i,T)QКОМП (Pn(i) QКОМП (i,T )) i=1 i=QДНО(T)=, (20) m Pn(i) i=где QДНО(T) – объем осевшей нефти на T-ом расчетном такте, m – количество компонентов нефти с плотностью большей плотности воды, Pn – массив, элементы которого содержат значения плотности фракции нефти, Q КОМП(i, T) – объем i-й фракции нефти во время T-го расчетного такта времени, N – количество рассматриваемых фракций нефти.

Комплексная модель распространения и трансформации нефтяного загрязнения представлена следующей блок-схемой (рис. 2).

Рис. 2. Блок-схема комплексной модели распространения и трансформации нефтяного загрязнения Блок-схема комплексной модели состоит из 13 блоков. В блоке 2 происходит вызов функции ввода массивов исходных данных. Затем в блоке 3 происходит обращение к функции расчета гидравлических параметров русла водотока, результатом работы которой является зависимость скорости течения водотока от местоположения элементарной площадки на поверхности водотока – V(x,y). В блоке 4 выполняется проверка условия характера течения жидкости в водотоке. В случае, когда течение ламинарное, выполнение программы передается в блок 5, в противном случае в блок 6. В блоках 5 и 6 производится вызов функции расчета распространения нефти в ламинарном и турбулентных режимах соответственно, результатом работы которых является значение приращения площади нефтяного разлива за T-ый расчетный такт, распространившегося вверх и вниз по течению водотока, координаты фронта и «хвоста» нефтяного разлива в русле водотока и общая продолжительность времени распространения нефтяного разлива. Затем в блок 8 вызывается функция расчета объема испарившихся фракций нефти, результатом работы которой является объем испарившихся фракций нефти, обновленное значение объема нефтяного загрязнения на поверхности водотока и усредненное значение плотности нефтяного загрязнения. После чего в блоке 9 происходит обращение к функции расчета объемов диспергированной нефти и водонефтяной эмульсии, результатом работы которой является обновленное значение объема нефтяного загрязнения на поверхности водотока. В блоке 10 вызывается функция расчета объема нефти, фильтрующейся в грунт береговой поверхности, результатом работы которой является объем нефти, инфильтрировавшей в грунт береговой поверхности, координаты загрязненной береговой поверхности, обновленное значение объема нефтяного загрязнения на поверхности водотока. В блоке 11 происходит обращение к функции расчета объема нефтяного загрязнения, осаждающегося на дно водотока. Результатом работы функции является объем осевших на дно водотока фракций нефти и обновленное значение объема нефтяного загрязнения на поверхности водотока и усредненной плотности нефтяного разлива. В блоке 12 выполняется проверка условия рассмотрения последней элементарной площадки. В случае, когда условие не выполняется, выполнение программы передается в блок 7, в котором производится переход к следующему расчетному такту. В противном случае, выполнение алгоритма заканчивается.

В третьей главе разработана модель осаждения нефти на растительность береговой поверхности, а также рассмотрены подходы к формированию географической информационной системы малого речного водотока.

Автором были проведены исследования по определению площади поверхности береговых растений малых водотоков на 10 контрольных площадках в Ленинском, Дмитровском, Мытищинском и Раменском районах Московской области. Были выбраны характерные растения прибрежной зоны (осока и рогоз), произведен подсчет количества растений, произрастающих на элементарном участке, измерены их высота и площадь поверхности. Это позволило построить зависимость площади поверхности характерных растений от количества побегов и их высоты над уровнем земли (или воды). Так, площадь поверхности осоки вычисляется следующим образом:

S (T, hРАСТ ) = (- 40,1348 hРАСТ +19,5998 hРАСТ - 0,4208)1,8 SОСОКА _ ПОБЕГ NОСОКА, (21) ПОВ _ РАСТ Для расчета площади поверхности рогоза используется формула:

SПОВ _ РАСТ (T, hРАСТ ) = (- 40,1348 hРАСТ +19,5998 hРАСТ - 0,4208) 6,236 SРОГОЗ _ ПОБЕГ NРОГОЗ, (22) где SПОВ_РАСТ – площадь поверхности растений укоса, м2, hРАСТ – высота растений над уровнем земли, м, SОСОКА_ПОБЕГ, SРОГОЗ_ПОБЕГ – усредненная площадь поверхности побега осоки или рогоза соответственно, NОСОКА, NРОГОЗА – количество побегов осоки и рогоза соответственно.

Для оценки объема осевшей на береговых растениях нефти автором была проведена серия экспериментов, в ходе которых в емкость, наполненную нефтью плотностью 860 кг/м3, на разную глубину погружали осоку и рогоз, после чего определяли массу осевшей на растениях нефти и площадь поверхности этих участков растений. В результате, были построены зависимости массы осевшей на растениях нефти от площади поверхности и глубины погружения и толщины слоя осевшей нефти.

Обобщенная зависимость объема нефти, осевшей на осоке, имеет вид:

24,55 +13,86 hПОГРУЖ +12,13 SОСОКА_ ПОБЕГ 2, QН _ РАСТ = (- 40,1348 hРАСТ +19,5998 hРАСТ - 0,4208)1,8 NОСОКА SБЕРЕГ (23) 1000 Н где n – плотность нефти, Sберег – площадь береговой поверхности, покрытой растительностью. Для рогоза:

15,14 + 8,55 hПОГРУЖ + 7,48 SРОГОЗ _ ПОБЕГ 2, QН _ РАСТ =(- 40,1348 hРАСТ +19,5998 hРАСТ - 0,4208) 6,236 NРОГОЗ SБЕРЕГ (24) 1000 Н SРОГОЗ _ ПОБЕГ Полученные соотношения позволяют производить оценку объема нефти, осевшей на растениях береговой поверхности.

Для наглядного отображения результатов моделирования распространения и трансформации нефтяного загрязнения по акватории малого водотока была построена географическая информационная система (ГИС) малого водотока на основе системы настольной картографии MapInfo. Технологии ГИС объединяют традиционные операции при работе с базами данных с преимуществами визуализации и географического анализа, которые предоставляет карта. Информационное содержание цифровой географической основы в ГИС организовано в виде множества слоев, функциональным назначением которых является объединение информации о пространственных объектах, имеющих какие-либо общие свойства.

Задание параметров слоев осуществляется с помощью таблиц атрибутивных данных. Каждый слой содержит разные виды информации как с точки зрения их содержательного наполнения (гидрологические объекты, населенные пункты, растительность и т.д.), так и с точки зрения их графического представления (замкнутые области, точки, линии). Слои ГИС по значению для дальнейшего моделирования подразделяются на 2 блока: основные, непосредственно используемые при моделировании и вспомогательные, представляющие общую картину исследуемой территории (рис. 3).

В связи с тем, что исследуемые загрязнения носят разномасштабный характер и могут распространяться вниз по течению на большие расстояния, использовано многоуровневое представление данных на картах разных масштабов.

В зависимости от цели моделирования, используются несколько вариантов представления результатов:

- отображение результатов расчета распространения и трансформации нефтяного загрязнения через определенные интервалы времени;

- отображение максимально возможного ареала распространения загрязнения;

- интервалы времени, необходимые для достижения заданных створов.

Рис.3. Структура слоев ГИС Графическое представление отображения результатов моделирования в ГИС показано на рисунке 4, где градациями серого цвета показаны степень загрязнения береговой поверхности, и объем испарившейся нефти в течение времени Ti после начала разлива. Для мелкомасштабных карт отображение результатов моделирования показано в левой части рисунка, для крупномасштабных – в правой.

А Б Рис. 4. Представление результатов моделирования для мелкомасштабной (А) и крупномасштабной (Б) карт.

В четвертой главе представлена методика проведения моделирования и вычислительных экспериментов, выполнено имитационное моделирование, верификация комплексной модели и проверка её адекватности, представлено отображение результатов моделирования с помощью ГИС, разработаны рекомендации по составлению ПЛАРН и исследованы особенности распространения нефтяного загрязнения по участкам водотоков малых рек.

Для верификации модели и проверки её адекватности было проведено имитационное моделирование нефтяного загрязнения по акватории ручья Безымянный, где в результате повреждения нефтепровода «Возей – Уса» в течение 87,5 минут вылилось 2685 м3 нефти. В качестве исходных данных, для моделирования русла водотока, были использованы картографические материалы в масштабе 1:100000, а также космические изображения, взятые из ГИС Google Earth. Параметры окружающей среды были взяты из архивных данных Росгидромета, а параметры нефти - усредненные значения сырой нефти, добываемой в Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.

Для верификации комплекса моделей было проведено сравнение прогноза распространения и трансформации нефтяного загрязнения с известными наблюдениями, а также с результатами расчетов, выполненных по следующим утвержденным МЧС и Минприроды РФ методикам:

- методика 1 - «Методика прогнозной оценки загрязнения открытых водоисточников аварийно химически опасными веществами в чрезвычайных ситуациях», позволяющая производить оперативные расчеты по определению основных характеристик загрязнения водотоков и водоемов при аварийных сбросах в них опасных химических веществ.

- методика 2 - «Методика исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства», применяющаяся для исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства, в том числе аварийные разливы нефти.

Результаты валидации комплексной модели представлены в таблице 2.

Таблица 2. Валидация комплексной модели параметры площадь время объем объем объем величина нефтяного нефтя- подхода к нефти, нефти, испа- экологиразлива ного за- заданному на по- осевшей рив- ческого грязне- створу, с верхно- на берего- шейся ущерба, ния, м2 сти во- вой по- нефти, млн. руб.

ды, м3 верхности, ммнаблюдения 130500 3530 нет дан- 47 нет нет данных данных ных предлагаемая 132491 3342 2599 52 12,24 4080,модель методика 1 121532 7181 нет дан- нет дан- нет нет данных ных данных ных методика 2 109739 нет дан- 2634,86 40 11,14 4070,ных Для проверки адекватности комплексной математической модели на основе ретроспективных данных были построены регрессионные модели, характеризующие зависимости пройденного нефтяным разливом расстояния от времени, скорости распространения и площади нефтяного разлива, представленные уравнениями регрессии, а также уравнениями верхней и нижний границ доверительного интервала при уровне значимости 95%. При этом, результаты расчетов параметров распространения нефтяного загрязнения, выполненные по предлагаемой модели, укладываются в доверительные интервалы регрессионных моделей, что свидетельствует об адекватности предлагаемой комплексной модели.

Построенный на основе предлагаемой комплексной модели прогноз распространения нефтяного загрязнения позволяет разработать рекомендации по составлению ПЛАРНа: предложено место проведения работ по локализации и ликвидации аварийного разлива нефти - пересечение ручья Безымянный с дорогой Харъяга-Усинск, рассчитано максимально возможное время до прибытия аварийных служб и развертывания ими боновых заграждений, составляющее минут, рассчитана длина боновых заграждений – 27 метров, производительность нефтесборщиков - 74 м3/ч, объем емкостей для хранения собранной водонефтяной эмульсии - 2659 м3.

Проведенный анализ особенностей распространения и трансформации нефтяного разлива применительно к акваториям водотоков малых рек, показал, что имеет место большая скорость растекания нефтяного разлива, по сравнению со средними и большими реками, что приводит, при прочих равных условиях, к более быстрому увеличению площади нефтяного разлива и обуславливает увеличение объема испарившейся нефти. Другой особенностью является то, что при одинаковой площади нефтяного загрязнения протяженность пятна контакта загрязнения с береговой поверхностью оказывается больше, а толщина нефтяного разлива оказывается выше. Это обуславливает осаждение большего объема нефти на береговой поверхности малых водотоков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Разработана комплексная математическая модель прогнозирования распространения нефтяных загрязнений по участкам водотоков малых рек, описывающая процессы растекания и переноса нефтяного загрязнения течением водотока, учитывающая процессы испарения, эмульгирования, диспергирования и осаждения на береговую и донную поверхность.

2. Установлены теоретические зависимости скорости растекания нефти для гравитационно-инерционной и гравитационно-вязкой фаз в условиях малых водотоков.

3. Установлено значение сорбционной способности основных видов береговой растительности.

4. Построена статистическая математическая модель, характеризующая зависимость объема осевшей на береговой поверхности нефти от толщины нефтяного разлива, высоты и типа грунта.

5. Разработана ГИС малого водотока, позволяющая вводить исходные данные и представлять результаты моделирования.

6. На базе предложенных моделей разработан алгоритм расчета скорости распространения аварийного разлива и объема образовавшейся водонефтяной эмульсии, выбора мест приоритетной защиты береговой поверхности малого водотока.

7. На базе разработанных моделей была реализована комплексная модель, апробированная при проектировании информационных систем прогнозирования аварийных разливов нефти. Применение разработанной комплексной модели позволяет повысить точность прогнозирования процессов распространения и трансформации нефтяных загрязнений в руслах малых водотоков.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование процессов осаждения нефтяных загрязнений на береговую поверхность малых рек // Информационные технологии, Москва. - 2009. - № 11. - С. 37-40. (список ВАК) 2. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование процессов трансформации нефтяных загрязнений при разливах нефтепродуктов на акваторию малых рек // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер.

Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. - 2009. - № 6. - С. 23-27. (список ВАК) 3. Павлов А.А. Моделирование распространения нефти по руслу малого водотока при турбулентном режиме течения // Экология урбанизированных территорий. - 2011. - № 3. - С. 52-57. (список ВАК) 4. Черняев А.В., Павлов А.А. Построение модели растекания нефти по руслу малого водотока при ламинарном режиме течения // Вестник БГТУ им. В.Г.

Шухова. – 2012. - № 1. С. 149-152. (список ВАК) 5. Дмитренко А.В., Павлов А.А., Черняев А.В. Комплексная модель для компьютерного анализа последствий аварийных разливов нефти из трубопроводов // Информационные технологии моделирования и управления. - 2007. - № 8. - С. 970-975.

6. Павлов А.А. Применение ГИС для построения модели аварийных разливов нефтепродуктов на акваториях рек // Научные труды XXXIV международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения». Москва.

- 2007. - Т.8. - С. 40-41.

7. Павлов А.А. Учет особенностей распространения нефтяного загрязнения при анализе экологического риска // Информационные технологии моделирования и управления. - 2008. - № 4. - С. 447-453.

8. Павлов А.А. Структура модели аварийных разливов нефтепродуктов на акватории рек // Сб. материалов 46 международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск. -2008. - С. 98100.

9. Павлов А.А. Моделирование последствий аварийных разливов нефтепродуктов в акваторию водотоков // Третья всероссийская научно-техническая Интернет-конференция «Современные проблемы экологии и безопасности». Тула.

- 2008. - С. 224-226.

10. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование аварийных речных разливов нефтепродуктов для систем качества магистральных нефтепроводов // Сб. материалов Седьмой всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством». Москва. - 2008. - С. 151-152.

11. Павлов А.А. Моделирование последствий аварийных разливов нефтепродуктов в акваторию малых рек // Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях. Воронеж. - 2008.- С. 250-252.

12. Павлов А.А. Учет влияния разновидностей береговой поверхности при моделировании нефтяных загрязнений малых рек // Доклады всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий». Тула. - 2009. - С. 19.

13. Павлов А.А. Построение модели мониторинга аварийных разливов нефти на акваторию водотоков // Сборник научных трудов МАТИ. - 2009. - С. 468 – 472.

14. Павлов А.А. Математическая модель распространения нефтяного загрязнения при разливах нефтепродуктов на акваторию малых водотоков // Современные проблемы информатизации в экономике и обеспечении безопасности. Воронеж. - 2011. - С.112-117.

15. Павлов А.А. Верификация модели распространения и трансформации нефтяного разлива по акватории малого водотока на основе ретроспективных данных аварийных нефтяных разливов // Научные труды XXXVII международной молодежной научно-технической конференции «Гагаринские чтения», Москва.

- 2011. - Т.9. – С. 85-86.

Подписано в печать 22.03.Формат 60Х84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе МГУИЭ 105066 Москва, ул. Старая Басманная,21/






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.