CC BY
507
УДК 551.511.42.001 В.Ф. Рапута
ИВМ и МГ СО РАН, Новосибирск
Б.С. Смоляков
ИНХ СО РАН, Новосибирск
АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ИОННОГО СОСТАВА СНЕГА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО ФАКЕЛА
Введение
При добыче и переработке нефти и газа возникают некондиционные газоконденсатные смеси, для дожигания которых используют факельные установки. В атмосферу при этом поступают различные экотоксиканты, включая соединения серы и азота. Для математического описания процессов их распространения в атмосфере и миграции в объектах окружающей среды могут быть использованы различные подходы. В методах, основанных на прямом моделировании переноса и диффузии загрязняющих примесей, как правило, предполагается решение осредненных по времени уравнений движения и массобмена, либо использование эмпирических соотношений [13]. При этом необходимо предварительно задать текущие поля скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы, эффективную высоту выброса и интенсивность эмиссии вредных веществ, а также учесть процессы физико-химической трансформации примесей в атмосфере. На практике вышеперечисленные условия, как правило, трудновыполнимы, что приводит к необходимости привлечения разнообразной дополнительной информации, включая, например, измерения концентраций в ограниченном числе точек наблюдения. При этом возникают определенные противоречия с исходной прямой задачей, которые могут быть сняты с использованием компромиссов в рамках постановки обратных задач переноса примеси в атмосфере [4] и применения математического аппарата планирования эксперимента [5, 6].
Для изучения процессов длительного загрязнения весьма перспективным является использование снежного покрова в качестве естественного планшета накопителя. При образовании снежного покрова из-за процессов сухого и влажного выпадения примесей концентрация загрязняющих веществ в снеге оказывается на 2 - 3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому измерения их содержания могут производиться более простыми методами с высокой степенью надежности [7, 8]. Загрязнение снежного покрова нитратами и сульфатами, образующимися в нефтегазовых факелах, представляет особый интерес в связи с тем, что эти компоненты могут быть причиной “кислотных выпадений” [9].
1. Методика отбора и анализа снеговых проб. В конце зимнего сезона возле одной из факельных установок севера Западной Сибири были проведены маршрутные снегомерные наблюдения. В 30 километрах от района отбора проб снега находится метеостанция. Согласно данным этой станции, средняя продолжительность снежного покрова в данной местности составляет более 7 месяцев. Он появляется преимущественно в начале
октября, а начинает разрушаться в середине мая. В зимнее время преобладают ветра южного и юго-западного направлений.
Местность в районе факела довольно ровная, покрыта невысокими деревьями. Глубина снега в точках отбора достигала одного метра. Высота факельной трубы равна 30 метрам. Температура выбрасываемой газоаэрозольной смеси около 700° С, что приводит к существенному дополнительному увеличению высоты выброса, особенно при слабом ветре. При размещении точек пробоотбора учитывалось взаимное положение промплощадки и факельной установки, система подъездных путей, информативность точек измерения.
В табл. 1 содержатся основные сведения о проведенных измерениях и
Л
данные химического анализа. Площадь пробоотбора составляла 0.05 м .
Таблица 1. Данные снегосъемки и химического анализа
Номер пункта отбора Расстояние, м Вес пробы, кг Удельное содержание, мг/л
сч о 00 N03"
1 200 12 0.43 1.4
2 420 11 0.57 1.77
3 600 7 0.61 1.53
4 650 7 0.34 0.54
5 800 8 0.49 1.04
6 870 7.5 0.57 0.89
После отбора проб снег растапливали и в снеготалой воде определяли концентрацию нитратов и сульфатов методом ионной хроматографии (сорбент ХИКС-1, карбонат-бикарбонатный элюент, кондуктометрическое детектирование). Предел обнаружения нитратов составлял 0.1, сульфатов -
0.2 мг/кг.
2. Восстановление аэрозольного загрязнения снега по данным наблюдений.
Интерпретацию данных измерений ионного состава проведем с помощью регрессионной зависимости [4]:
—— 2 гтах
Ч (г ,Р,&) = Чо + вх • р(р) • г6 • е г , (1)
где д(г, р, 6) - удельное содержание примеси в снеге; г, р - полярные
координаты, начало которых совпадает с положением источника; — = ( ви92 ) - вектор оцениваемых параметров; - фоновое содержание в снеге исследуемого компонента (Б04 ' или Ы03'); р(р) - среднезимняя вероятность противоположного р направления ветра; гтах - расстояние от источника, на котором достигается максимальная приземная концентрация для невесомой примеси. Значение гтах определяется параметрами выброса: высотой, диаметром трубы, температурой и скоростью истечения газоаэрозольной смеси, среднезимней скоростью ветра [2]. В данном случае гтах составляет около 400 метров. Зависимость (1) получена с использованием
аналитических решений полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы для оседающей примеси. Параметр в1 пропорционален мощности эмиссии, скорости оседания аэрозольных частиц, климатических характеристик ветра и турбулентного обмена в приземном слое атмосферы. Величина в2 имеет вид
в2 =-2 ----77, в2<
к (п +1)
2
(2)
где w - скорость седиментации частиц аэрозоля; к - коэффициент вертикальной турбулентной диффузии на высоте 1 м; п - показатель степени в аппроксимации вертикального профиля горизонтальной компоненты скорости ветра степенным законом. Случай в2 = - 2 соответствует невесомой примеси.
Оценка вектора неизвестных параметров 9 может быть получена по данным измерений удельного содержания примеси в снеге не менее чем в двух определенных точках местности. Например, методом наименьших квадратов. Выбор оптимальной пары точек наблюдений производился в соответствии с рекомендациями работы [5].
Соотношение (1) позволяет провести также оценку М суммарного содержания аэрозольной примеси в снежном покрове по формуле
К х
М = J J Л(г, р) ■ д| г,р, 9 \rdrdp , (3)
0 0
где X (г,р) - влагозапас в точке (г,р); К - расстояние, до которого проявляется существенное влияние аэрозольного источника.
Данные табл. 1 позволяют провести оценки вектора параметров 9 для Б04 - и Ы03'. Соотношение (2) может быть использовано для определения относительных эффективных скоростей оседания при изучении различных аэрозольных примесей. Результаты восстановления нормированного на повторяемость ветра удельного содержания этих веществ приведены на рис.
1.
'У
Рис. 1. Удельное содержание SO4 - (а) и N03 (б) в снеговом покрове, нормированное на среднезимнюю повторяемость направлений ветра. Кривая - расчёт, 1-6 - опорные и контрольные точки наблюдения
Точки 1 и 5 использовались для определения параметров регрессии (1) и обозначены светлыми кружочками. Темные кружочки являются контрольными и характеризуют вполне удовлетворительную степень соответствия расчета наблюдениям. Большая часть контрольных точек находится вблизи от расчетных кривых, что указывает на тесную связь отложений в снеге сульфатов и нитратов с выбросами нефтегазового факела.
В табл. 2 приведены оценки параметров 61 и 62 с учетом небольших поправок на фоновое содержание сульфатов и нитратов. Согласно (2), оценки 62 указывают на сравнительно невысокую скорость аэрозольных выпадений 804 и N0/. Следует отметить при этом, что скорость седиментации аэрозолей, содержащих Б04 - , приблизительно в два раза ниже, чем для Ы03.
Таблица 2. Оценки параметров регрессии (1) и суммарного содержания в
снеге сульфатов и нитратов
Анион Фон, мг/кг 61 62 Суммарное содержание, кг
ю42- 0.15 3.35 -2.27 310
N03 0.2 6.8 -2.63 570
На рис. 2 представлены изолинии удельного содержания N03 в окрестности факела. Эта картина получена с использованием среднезимней розы ветров, данных таблицы 2 и регрессионной зависимости (1). Анализ рис. 2 показывает существование зоны повышенной концентрации к северу от факела, что связано с наиболее высокой повторяемостью ветров южного направления.
Рис. 2. Поле удельного содержания N03- (мг/кг) в снегу в окрестности факела. Звёздочкой помечено положение источника
Анализ рис. 2 показывает существование зоны повышенной концентрации к северу от факела, что связано с наиболее высокой повторяемостью ветров южного направления.
Определяя с помощью табл. 1 среднюю величину влагозапаса и интегрируя соотношение (3), приходим к оценкам суммарного содержания Б04 и N03' в окрестностях газонефтяного факела, представленным в
последнем столбце табл. 2.
Заключение
Применение методов анализа и планирования маршрутных наблюдений за содержанием примесей в снежном покрове в окрестности газового факела позволило восстановить картину загрязнения местности сульфатами и нитратами, провести контроль точности восстановления, оценить суммарные выбросы Б04 ' и N03' за зимний сезон. Численный анализ данных мониторинга загрязнения снегового покрова показывает существование достаточно простых закономерностей формирования полей длительного загрязнения местности. Процедура агрегирования неизвестных параметров существенно повышает эффективность решения обратных задач переноса примесей.
Используемый подход является достаточно экономичным, поскольку допускает на основе двух-трёх точек наблюдения определять с высокой точностью уровни загрязнения снега. В дальнейших исследованиях
техногенной нагрузки на окружающую среду в зимний период представляется перспективным проведение регулярного мониторинга
закисления снежного покрова выбросами отдельных источников и
промышленных площадок.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы
фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 16.11; РФФИ -ОБЬ, грант 05-05-98006.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей. / Под редакцией Ф.Т.М. Ньистада и Х. Ван Допа. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.
2. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.
3. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выбросе площадок для атомных электростанций // Руководство по безопасности АЭС. Международное агентство по атомной энергии. - Вена, 1980. - 139 с.
4. Рапута В.Ф. Реконструкция выпадений бенз(а)пирена в окрестностях Новосибирского электродного завода / В.Ф. Рапута, А.П. Садовский, С.Е. Олькин // Метеорология и гидрология, 1997. - № 2. - С. 33-41.
5. Федоров, В.В. Теория оптимального эксперимента / В.В. Федоров. - М.: Наука, 1971. - 312 с.
6. Крылова А.И. Планирование и анализ подфакельных наблюдений примеси в атмосфере / А.И. Крылова. - Метеорология и гидрология. - 1993. - № 5. - С. 5-13.
7. Василенко В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.
8. Бояркина А.П. Аэрозоли в природных планшетах Сибири / А.П. Бояркина. -Томск: Изд-во Томского Ун-та, 1993. - 158 с.
9. Кислотные дожди / Ю.А. Израэль и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 269 с.
© В.Ф. Рапута, Б.С. Смоляков, 2007
