МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗЛИВА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

/68 "Civil SecurityTechnology", Vol. 20, 2023, No. 1 (75) УДК 614.8

Safety in emergencies

EDN: BGHOAH

Математическая модель для прогнозирования последствий разлива нефти и нефтепродуктов

ISSN 1996-8493

D01:10.54234/CST. 19968493.2023.20.1.75 © Технологии гражданской безопасности, 2023

В.А. Акимов, Е.О. Иванова, А.В. Мишурный

Аннотация

В статье представлено математическое описание основных прогнозных параметров разлива нефти и нефтепродуктов: прогнозируемая площадь разлива; прогнозируемая масса вылившейся нефти; прогнозирование загрязнения водного объекта.

Ключевые слова: разлив нефти и нефтепродуктов; прогнозно-аналитическая модель; основные исходные данные; прогнозируемая площадь разлива; прогнозируемая масса вылившейся нефти; байесовский классификатор.

Mathematical Model for Predicting

the Consequences of Oil and Petroleum Products Spill

ISSN 1996-8493

D01:10.54234/CST. 19968493.2023.20.1.75 © Civil Security Technology, 2023

V. Akimov, E. Ivanova, A. Mishurny

Abstact

Article presents mathematical description of the main forecast parameters of the oil and petroleum products spill: projected area of spill; projected mass of spilled oil; prediction of the water bodypollution.

Key words: oil and petroleum products spill; predictive and analytical model; basic initial data; projected spill area; projected mass of spilled oil; Bayesian classifier.

03.03.2023

Введение

Ежегодно в России происходят десятки тысяч разливов нефти и нефтепродуктов (РНН), которые наносят колоссальный ущерб окружающей среде, экономике и населению. Нефтяные разливы приводят к нарушению естественных процессов и взаимосвязей, существенно изменяя условия обитания всех видов живых организмов и деформируя структуры биоценозов [1].

В общем случае процесс разработки прогнозно-аналитической модели для прогнозирования последствий РНН включает: сбор исходной информации

и формирование базового обучающего множества; выбор байесовского классификатора; подготовку методов анализа и интерпретации результатов статистической обработки [2].

Основными исходными данными, описывающими характеристики РНН, являются: входные данные, характеризующие основные параметры РНН; входные данные, характеризующие резервуары хранения нефти и нефтепродуктов (НН); входные данные, характеризующие метеорологическую обстановку; входные данные, характеризующие свойства хранимых НН; входные данные, характеризующие участок местности возможного РНН [3].

Безопасность в чрезвычайных ситуациях «Технологии гражданской безопасности», том 20, 2023, № 1 (75)

Основными прогнозными параметрами РНН являются: прогнозируемая площадь РНН через время, соответствующее шагу прогноза; прогнозируемая масса вылившихся НН через время, соответствующее шагу прогноза; прогнозирование загрязнения водного объекта, возникновения пожара, взрыва [4].

1. Прогноз площади разлива нефти и нефтепродуктов

Прогнозируемая площадь РНН определяется с использованием байесовского классификатора с учетом параметров: расчетной массы и расчетной площади разлива НН [5].

Масса нефти, вылившаяся из резервуара (Мр, кг), определяется по формуле:

мр ^ ) = ау tе, (1)

А

где:

О(() — массовый расход в момент времени, кг/с; / — период времени истечения, с.

Массовый расход НН, проходящих через аварийное отверстие (Оад, кг/с) за время рассчитывается по следующей зависимости:

г _ г рРР ■ & • # ■ 4ы ,

г) _ го--а--

(2)

где:

О0—массовый расход НН через аварийное отверстие в начальный момент времени, кг/с;

рНр — плотность НН при температуре хранения в резервуаре, кг/м3;

g — ускорение свободного падения, м/с2, g = 9,81 м/с2;

^ — коэффициент истечения, ^ = 0,61;

Лш — площадь аварийного отверстия, м2;

Лк — площадь основания резервуара, м2.

Массовый расход НН в начальный момент времени (О0, кг/с) следует определять по формуле:

Go =И-Рнн ■ Аы ■ , (3)

где:

к0 — начальная высота столба жидкости в резервуаре, м;

кы — высота расположения аварийного отверстия,

м.

Начальная высота столба НН в резервуаре (Н0, м) рассчитывается по следующей формуле:

(4)

где d—диаметр резервуара, м.

Полное время истечения (1, с) НН через аварийное отверстие резервуара определяется по следующей зависимости:

2 Л (л/^0 -у/ь,

полн. , Г2

. (5)

ИАаЫ 2ё

2. Прогноз массы вылившейся нефти

Масса НН (Моб, кг), перелившаяся за пределы обвалования за период времени, рассчитывается по формуле:

М06 = Мр ^)- у06в-Рнн,

(6)

где V — объем площадки обвалования, м3.

Радиус разлития (пятна) НН на подстилающей поверхности при разгерметизации определяется по формуле:

1р = 0,463

Ют

Р«

( Ют

§ т рн

ч 0,08 (

ЮтТ

Р

нн у

,(7)

где:

Ьр — радиус разлития (пятна) НН, представленного в виде приведенного круга, м;

О — массовый расход жидкости через поврежденное отверстие по состоянию на момент времени 1 после разгерметизации резервуара, кг/с;

т — продолжительность истечения, принимается равной шагу прогнозирования, с;

g — ускорение свободного падения, принимается равным 9,81 м/с2;

V — кинематическая вязкость жидкости, при температуре грунта за пределами обвалования, м2/с;

т и п — показатели степени, учитывающие условия растекания нефти (т = 0,08, п = 0,06);

рТ — плотность НН при температуре грунта за пределами обвалования, кг/м3.

При уклоне местности до 1% площадь РНН при разгерметизации резервуара, расположенного на наблюдаемой территории (НТ), рассчитывается по формуле:

£ = п. Ь 2.

пр р

(8)

При уклоне от 1 до 3% площадь РНН при разгерметизации резервуара, расположенного на НТ, определяется площадью эллипса по формулам:

JК • S ж

а =

зр

4Л«

я- Ь„

(9) (10)

где:

Ь — большая полуось эллипса;

зр ^

а — малая полуось эллипса;

зр

/70 "Civil SecurityTechnology", Vol. 20, 2023, No. 1 (75)

Safety in emergencies

Кук — коэффициент, характеризующий уклон местности, принимается равным 8.

При уклоне более 3% площадь РНН при разгерметизации резервуара, расположенного на НТ, определяется по формулам (9) и (10); при этом коэффициент, характеризующий уклон местности, принимается равным К = 16.

ук

Плотность НН при заданной температуре (//, кг/м3) грунта за обвалованием определяется по формуле Д. И. Менделеева:

il = Ао/(1 + ß <Тгр - 20)),

(11)

где:

р20 — плотность НН при 200 °С, кг/м3; Тр — температура поверхности грунта за обвалованием резервуара, °С;

в — коэффициент объемного расширения, принимаемый в зависимости от плотности НН при температуре 20 °С, 1/°С.

Кинематическая вязкость НН (утнн, м2/с) при заданной температуре грунта за обвалованием резервуара определяется по формуле Рейнольдса-Филонова:

Т

v = v ■ е

нн хр

(12)

Ухр — кинематическая вязкость при температуре хранения НН в резервуаре Н м2/с;

и — показатель крутизны вискограммы, 1/К.

Показатель крутизны вискограммы (и, 1/К) рассчитывается по формуле:

U = 1/ (Т -Тхр).ln-р

(13)

где:

где Т — температура хранения НН в резервуаре на момент РНН, К.

Заключение

Таким образом, в статье представлено краткое описание математической модели для прогнозирования последствий разлива нефти и нефтепродуктов с использованием метода Байеса [6].

Другие прогнозные аналитические модели в области техногенных угроз безопасности жизнедеятельности населения рассмотрены в [7, 8], а модель для прогнозирования последствий сброса жидких технологических отходов и модель для прогнозирования последствий выброса опасных химических веществ будут представлены в следующем номере журнала.

V

Hh

Литература

1. Воробьев Ю. Л. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов. Изд. 2-е, стер. М.: Ин-т риска и безопасности, 2007. 375 с. 1БВЧ978-5-89635-055-2. EDN: QKQRCD.

2. Прогнозно-аналитические решения по природным, техногенным и биолого-социальным угрозам единой системы информационно-аналитического обеспечения безопасности среды жизнедеятельности и общественного порядка «Безопасный город» / В. А. Акимов, А. В. Мишурный, О. В. Якимюк [и др.]. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2022. 315 с. 1БВЧ978-5-93970-278-2. EDN: MGXNYI.

3. Акимов В. А., Иванова Е. О., Мишурный А. В. АПК «Безопасный город»: исходные данные для прогнозирования последствий разлива нефти и нефтепродуктов в гидросферу // Гражданская защита. 2022.№ 8 (564). С. 35-36.

4. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации ПНСТ 775-2022 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Безопасный город. Прогнозирование последствий

разлива нефти и нефтепродуктов. Общие требования» (утвержден приказом Росстандарта от 29 ноября 2022 г. № 126-пнст).

5. Методика прогнозной и аналитической модели «Разлив нефти и нефтепродуктов». М.: ООО НЦИ, 2021. 109 с.

6. Предварительный национальный стандарт Российской Федерации ПНСТ 762-2022 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Безопасный город. Типовая прогнозная аналитическая модель с использованием метода Байеса. Общие требования» (утвержден приказом Росстандарта от 18 ноября 2022 г. № 118-пнст).

7. Акимов В. А. Аварии на системах электроснабжения: определение индекса приоритета восстановления электроснабжения / В. А. Акимов, А. В. Мишурный // Технологии гражданской безопасности. 2022. Т. 19, № 4 (74). С. 44-47. EDN: RWBXUK.

8. Иванова Е. О. Аварии на системах теплоснабжения: вероятностная оценка развития последствий отказов на тепловой сети / Е. О. Иванова, А. В. Мишурный // Технологии гражданской безопасности. 2022. Т. 19, № 4 (74). С. 48-50. EDN: ZYZBAW.

Сведения об авторах

Акимов Валерий Александрович: д. т. н., проф., засл. деятель науки РФ, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), гл. н. с. института. Москва, Россия. БРИЧ-код: 8120-3446.

Иванова Екатерина Олеговна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с. науч.-исслед. отдела. Москва, Россия. БРИЧ-код : 5483-4886.

Мишурный Андрей Викторович: АО «Объединенная приборостроительная корпорация», руковод. проектн. офиса «Безопасный город». Москва, Россия. БРИЧ-код: 2799-6308.

Information about authors

Akimov Valery A.: ScD (Technical Sc.), Professor, Honored Scientist of the Russian Federation, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Chief Researcher of the Institute. Moscow, Russia. SPIN-scientific: 8120-3446.

Ivanova Ekaterina O.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Senior Researcher, Research Department.

Moscow, Russia. SPIN-scientific: 5483-4886.

Mishurny Andrey V.: JSC «United Instrument-Making Corporation», Head of the Project Office «Safe City». Moscow, Russia. SPIN-scientific: 2799-6308.