CC BY
18
/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.
