CC BY
45
УДК 517.958
О НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕНОСА НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ МОРЯ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ НЕФТИ
© 2010 г. С.И. Дембицкий, А.В. Ларионов, М.Х. Уртенов
Кубанский государственный университет, Kuban State University,
ул. Ставропольская, 149, г. Краснодар, 355040, Stavropolskaya St., 149, Krasnodar, 355040,
rector@kubsu.ru rector@kubsu.ru
Предлагается анализ возможных последствий аварийных нефтяных разливов в море на основе результатов математического моделирования динамики нефтяного пятна с учетом процесса испарения. Исследование ведется для типичных гидрометеорологических условий. На примере аварийного разлива в Цемесской бухте Черного моря определяются направление и скорость движения нефтяного пятна, объем нефти, испарившейся из слика, а также вероятности выброса и экологической опасности нефтяного загрязнения различных участков береговой линии.
Ключевые слова: аварийный разлив нефти, нефтяное пятно, математическое моделирование, турбулентная диффузия, адвекция, испарение, ветровой коэффициент, загрязнение побережья.
The analysis of the eventual consequences after the accidental oil spills at sea based on the results of an oil slick dynamic' mathematical modeling subject to evaporation process is proposed in the present paper. The research is held for typical hydrometeorological conditions. As an example the accidental oil spill in Tsemesskaya Bay of Black Sea was chosen. Oil slick direction and velocity, evaporated spill volume as well as probability of emission and ecological oil pollution disaster in different coastlines are defined.
Keywords: аccidental oil spill, oil slick, mathematical modeling, turbulent diffusion, advection, evaporation, wind factor, shoreline pollution.
Нефть как природная дисперсная система жидких органических соединений, основную часть которых составляют углеводороды с различными химическими, физическими и токсикологическими характеристиками, является одним из наиболее опасных загрязнителей акваторий и прибрежной зоны морей. Доля загрязнения моря нефтью в результате нефтяных разливов при авариях танкеров составляет до 28 % от всего объема нефти, попадающей в Мировой океан при проведении различных операций с нефтью и нефтепродуктами [1]. С нефтяным загрязнением морской среды напрямую связано значительное ухудшение условий жизнедеятельности и здоровья людей, пагубное воздействие на рекреационные ресурсы морей, уменьшение численности популяций морских животных, изменение их поведения, путей миграции и т.д. [2]
Для обеспечения возможности прогнозирования поведения нефтяного загрязнения при заданных условиях окружающей среды, повышения эффективности мероприятий по организации аварийно-спасательных работ и работ по предотвращению последствий нефтяного загрязнения морских акваторий, в частности прибрежной зоны Цемесской бухты Черного моря, актуальной задачей является разработка и применение математических моделей переноса, диффузии и деструкции нефтяного загрязнения в море, а также создание программного обеспечения для выполнения соответствующих расчетов и визуального представления результатов моделирования.
При решении задачи обеспечения безопасности акватории и побережья Цемесской бухты после аварийного разлива нефти учитываются такие процессы,
как растекание нефти по поверхности моря, адвекция и диффузия нефтяного загрязнения, испарение, растворение, биодеструкция нефти и взаимодействие нефтяного пятна с берегом [3].
В настоящей работе приведены некоторые результаты исследования и математического моделирования переноса нефтяного загрязнения в прибрежной зоне моря с учетом влияния процесса испарения как наиболее интенсивного в климатических условиях Цемесской бухты процесса деструкции, в значительной степени способствующего уменьшению концентрации нефти в морской воде.
Математическая модель динамики нефтяного загрязнения с учетом переноса, диффузии и процесса испарения нефти
Испарение является важнейшим процессом деструкции в большинстве случаев аварийных разливов нефти. Интенсивность процесса испарения зависит от типа попавшей в море нефти: в первые несколько дней может испариться от 5 (для тяжелых сортов нефти) до 75 % (для легких сортов) от первоначального объема разлива. В процессе испарения осуществляется переход в атмосферу компонентов нефти, имеющих низкую температуру кипения. Процесс испарения начинается сразу же после попадания нефти в море, происходит одновременно с растеканием пятна, в более существенных масштабах продолжается во время переноса загрязнения под действием ветра и течений и вносит значительный вклад в изменение концентрации загрязняющего вещества.
Сырая нефть и ее производные - сложная смесь нескольких тысяч компонентов, среди которых до 88 % составляют углеводороды, поэтому при изучении и математическом моделировании процесса испарения нефти с поверхности моря будем применять многокомпонентный подход, который позволяет повысить точность результатов моделирования, поскольку процесс вычислений может быть остановлен, если испарились все летучие компоненты нефти. Такой подход требует проведения более сложных и детализированных расчетов по группам углеводородов, информация о которых доступна не для всех сортов нефти, но результаты, получаемые при применении многокомпонентного подхода, хорошо сопоставимы с результатами лабораторных исследований.
Итак, будем группировать реальные компоненты нефти по физико-химическим свойствам и формировать формальные псевдофракции с характеристиками, типичными для групп рассматриваемых компонентов. Это позволит оценить поведение нефти, попавшей в море, а также степень опасности ее воздействия на окружающую среду. В данном исследовании нефть рассматривается как совокупность семи псевдофракций (табл. 1).
Таблица 1
Характеристики псевдофракций нефти
дС,. дс, дс, д2С,. ■ + u—'- + v—'- - K„
Псевдофракция Число атомов углеводорода Подвергается испарению
Газы < 5 Да
Легкая нафта 5 - 7 Да
Тяжелая нафта 8 - 10 Да
Керосин 11 - 15 Да
Легкий газойль 16 - 18 Да
Тяжелый газойль 19 - 22 Нет
Мазутный остаток > 22 Нет
dt
дх
dy
дх 2
- K
д 2C yTT
дУ
KEXPM М= 0, ' = 1..5 .
RT '
(2)
Для псевдофракций, не подверженных испарению,
имеем уравнение
дС, дС, дС, —- + u—- + v—- -
дt дх ду
- K
д 2С,
х IX2
- к
д 2С, ~ду2
■ = 0, ' = 6..7 ,
(3)
Для описания изменение количества вещества какой-либо псевдофракции сырой нефти только за счет испарения с открытой водной поверхности будем использовать уравнение, имеющее вид [4]
кЕхр Л л ят '
где Mi - количество вещества псевдофракции с номером i, моль; КЕ = 2,5 -10-3и0 78 - коэффициент массопере-
носа для углеводорода, м/с; U - скорость ветра, м/с; Xi -суммарная молярная доля компонентов псевдофракции с номером i, равная Мг- /ЕМг; - суммарное давление паров компонентов псевдофракции с номером i, Па; Я -газовая постоянная, 8,314 Дж/моль-К; Т - температура окружающей среды над поверхностью слика, К; А -площадь нефтяного пятна, м2; Xpi - парциальное давление паров псевдофракции с номером i.
Для каждой из псевдофракций (табл. 1), компоненты которой подвержены испарению, с учетом преобразованного к соответствующему виду уравнения (1) запишем уравнение, описывающее процесс переноса, диффузии и испарения:
где С(х,у,() - поверхностная концентрация загрязнения, мг/м2; / - время, с; х, у - декартовы координаты текущей точки, м; и, V - компоненты вектора скорости суммарного течения, м/с; Кх, Ку - коэффициенты турбулентной диффузии в плоскости (х,у), м2/с; i -номер псевдофракции, подверженной испарению;
М (т) - суммарная молярная масса компонентов псевдофракции; / - время, с.
В общем случае уравнения (2) и (3) задаются в некоторой ограниченной пространственной области О, описывающей шельфовую зону моря и имеющей боковую поверхность Е , основания Е 0, Е н и постоянную глубину Н. Пересечение боковой поверхности Е плоскостью моря представляет собой объединение твердой Е1 и жидкой Е 2 границ. В нашем случае уравнение рассматривается на поверхности моря 5", и задача становится двумерной.
В зависимости от постановки задачи математическая модель переноса, диффузии и деструкции нефтяного загрязнения будет определяться соответствующими начальными условиями:
а) мгновенный выброс мощности Q в точке (х0, уо) С (х, У,0) = @,3(х-х0 )з(у-Уо), где д, - средняя поверхностная плотность i-й псевдофракции нефтяного загрязнения; (х0, у0) - координаты источника загрязнения; б(х) - дельта-функция Дирака;
б) задана поверхностная плотность i-й псевдофракции нефтяного загрязнения на части поверхности
п( \ \дг, (x,
моря С1 (х, у ) = ■ , . где - средняя
[ 0, (х,у)ё Sl,
поверхностная плотность i-й псевдофракции нефтяного загрязнения; 8] - область, покрытая первоначальным неразорвавшимся пятном.
При достижении границы Е1 в зависимости от физико-химических свойств нефти и морфологической структуры побережья происходит отражение, частичное или полное прилипание нефти. Соответствующие граничные условия можно задать в виде
= РС,, (4)
Г1
где п - нормаль к линии берега Е1; р - коэффициент прилипания нефтепродуктов к берегу, зависящий в общем случае от координат и 0 < р < 1. Если р(х,у)=1, то условие (4) описывает полное поглощение нефти бере-
дп
гом в точке (ху); если р(х,у)=0, то условие (4) означает полное отражение нефти в точке (х,у).
За границей области концентрация нефти в расчетах не учитывается, т.е. для свободной водной границы рассматриваемого района граничные условия для уравнения (2) и (3) записываются следующим образом СI (х, у, /= 0.
Процесс испарения оказывает существенное влияние на изменение физико-химических и токсических свойств сырой нефти, что, с одной стороны, благодаря переходу в атмосферу ароматических соединений свежей нефти, оказывающих токсичное действие на нефтеокисляющие микроорганизмы, способствует началу процесса биологической деструкции нефтяных углеводородов, но с другой - при длительном испарении приводит к увеличения вязкости остатка нефти и образованию в воде нефтяных агрегатов в виде смоляных комков.
Анализ возможных последствий
аварийного разлива нефти на акватории моря
В качестве примера рассмотрим аварийный разлив нефти, произошедший в некоторой точке акватории Цемесской бухты Черного моря (рисунок). Тип разлива - залповый однократный выброс нефти мощностью 10000 кг; тип разлитой нефти - легкая нефть, имеющая плотность 803 кг/м3.
Исследуемый район акватории и точка аварийного разлива
При моделировании распространения нефтяного загрязнения в море под действием ветра и течений вектор скорости результирующего поверхностного течения будем определять как сумму векторов скоростей стационарного и ветрового течения следующим образом: Уу = УС + , где Уу - вектор скорости результирующего течения; УС - вектор скорости осредненного постоянного течения; У - вектор скорости ветрового течения. Зависимость скорости ветрового течения Ууж от скорости ветра Уж описывается посредством ветрового коэффициента V е [0; 0,0б] и имеет вид = кш.
Поле скоростей постоянного течения будем задавать при помощи карты течений исследуемого района с учетом допущения о том, что постоянное течение
всюду направлено параллельно ближайшей линии берега, всегда против направления движения часовой стрелки. Известно также, что скорость постоянного течения на входе в бухту выше скорости течения в самой бухте, а наиболее вероятные значения скорости в весенне-летний сезон находятся в диапазоне от 0,05 до 0,1 м/с; в осенне-зимние месяцы наиболее вероятны скорости 0,1-0,15 м/с [5].
В табл. 2 приведены результаты расчетов наиболее вероятных (Р, %) направлений движения нефтяного пятна (наиболее уязвимых участков берега), степени деструкции пятна (Е, % от объема, - кол-во испарившейся из разлива нефти), а также ориентировочного времени / движения пятна от момента аварийного разлива в выбранной точке до момента контакта с участком берега в условиях гидрометеорологических ситуаций, характерных для каждого из четырех времен года, с учетом осредненного значения температуры воздуха Т, средней скорости V и направлений Я ветров, наиболее часто повторявшихся в исследуемом районе по данным наблюдений за 2008 г. [6].
Таблица 2
Перенос нефтяного пятна из точки аварии
Ветер T, oC Уязвимость берега E, %
R \V, м/с Участок берега 11, ч:мин | P, %
Зима
С-В 11,27 +4 пос.Рыбачий 6:40 53 1,07
Ю 3,87 +4 мыс Шесхарис -мыс Дооб 8:30 17 1,20
Весна
С-В 7,45 +13 пос. Мысхако -пос. Рыбачий 10:15 30 4,24
Ю 2,93 +13 мыс Шесхарис -мыс Пенай 11:20 32 4,40
Лето
С-В 5,9 +29 пос. Мысхако -пос. Рыбачий 14:15 46 9,18
Ю 2,38 +29 мыс Шесхарис -мыс Пенай 12:35 24 8,44
Осень
С-В 8,17 +16 пос. Мысхако -пос. Рыбачий 9:30 52 5,49
Ю 2,49 +16 мыс Шесхарис -мыс Пенай 11:40 12 5,84
В табл. 3 представлена информация о геоморфологической структуре, характере и последствиях нефтяного загрязнения участков побережья рассматриваемого района, указанных в табл. 2.
Таким образом, можно сделать вывод, что аварийный разлив нефти в Цемесской бухте при северовосточном и южном направлениях ветра влечет за собой опасные экологические последствия загрязнения побережья в силу особенностей геоморфологической структуры берега. Дополнительно следует отметить, что на восточном берегу бухты расположено множество гидротехнических сооружений, способствующих накоплению нефтяного загрязнения и образованию застойных зон непосредственно у берега. Уровень экологической опасности и масштаб загрязнения побережья значительно возрастает зимний период, поскольку процесс испарения нефти протекает значительно медленнее, чем в летние месяцы, вследствие чего берега достигает большее количество нефти.
Таблица 3
Характер загрязнения участков побережья исследуемого района
В ходе проведенного авторами исследования построены математические модели переноса, диффузии и деструкции нефтяного загрязнения после разлива нефти в результате залпового аварийного выброса нефти в прибрежной зоне акватории моря, а также разработано специальное программное обеспечение для автоматизации расчетов, визуализации и анализа результатов [7], полученных при помощи соответствующих математических моделей.
Поступила в редакцию_
Результаты исследования могут быть использованы для изучения поведения нефти в море при реальном аварийном разливе, оценки масштабов последствий загрязнения акватории нефтью, принятия превентивных мер по предотвращению последствий аварийных разливов нефти и защите от загрязнения рекреационных зон побережья и береговых сооружений, а также для повышения эффективности мероприятий по организации аварийно-спасательных работ и работ по минимизации степени нефтяного загрязнения морских акваторий и береговой линии.
Литература
1. Oil tanker spill statistic: 2008. URL: http://www.itopf. com/information-services/data-and-statistic/statistic/ (дата обращения : 30.04.2009).
2. Нельсон-Смит А. Загрязнение моря нефтью. Л., 1973. 124 с.
3. Математические модели динамики и деструкции нефтяного слика на акватории моря / С.И. Дембицкий [и др.]. Краснодар, 2003. 71 с.
4. Mackay D., Leinonen P.J. Mathematical model of the behavior of oil spills on water with natural and chemical dispersion. Report. EPS-3-EC-77-17. Ottawa, Canada, 1977.
5. Техногенное загрязнение и процессы естественного самоочищения Прикавказской зоны Черного моря / гл. ред. И.Ф. Глумов, М.В. Кочетков. М., 1996. 502 с.
6. Архив синоптических сводок центра ФОБОС. URL: http://www.gismeteo.ru/synarc.htm (дата обращения: 28.04.2009).
7. Дембицкий С.И., Ларионов А.В., Уртенов МХ. Программный комплекс автоматизации расчетов и визуализации результатов при моделировании аварийного разлива нефти в море // Компьютерные учебные программы и инновации. М., 2005. № 12. С. 44.
15 сентября 2009 г.
Геоморфология берега | Характер загрязнения
Мыс Мысхако - пос. Рыбачий
Крупногалечниковый и глыбовый материал, сложенный преимущественно из известняка и известкового мергеля Нефть проникает глубоко и образует погребенные слои; при больших скоплениях нефти может сформироваться твердое асфальтовое покрытие
Пос. Рыбачий
Галечниковый, мелкогалечниковый материал Нефть проникает глубоко и образует погребенные слои; при больших скоплениях нефти может сформироваться твердое асфальтовое покрытие
Мыс Шесхарис - мыс Пенай
Отвесные скальные отроги При сильном волнении обычно не загрязняются, нефть удерживается на некотором расстоянии от берега
Крупногалечниковый и глыбовый материал, галька, щебень Нефть проникает глубоко и образует погребенные слои; при больших скоплениях нефти может сформироваться твердое асфальтовое покрытие
