авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Моделирование и пути устранения углеводородного загрязнения природно-технической системы цемесской бухты черного моря

-- [ Страница 2 ] --

В первом разделе главы автором был проанализирован ряд математических моделей, описывающих динамику развития нефтяных разливов для различных водных территорий: Принстонская модель (Princeton Ocean Model) разлива нефти компании «ЛУКОЙЛ» для Азербайджанского сектора Каспия; модель пятна на основе исследований, проведенных Государственным Институтом Океанографии РАН для акватории Финского залива (Транзас PISCES2, 2005г.) ; математическая модель по ликвидации разливов нефти и спасению людей для Сахалина (ДВНИГМИ, 1997г.). Моделирование аварийных разливов нефти производилось также на моделях участков рек Иртыша, Оби, Волги, Невы. Рассмотрены также модели, где особое внимание было уделено моделированию физико-химическим свойствам нефтяного пятна (ВЦАН СССР,1987г.). Ряд авторов исследовали процесс движения нефти и имитировали турбулентную диффузию посредством моделирования случайного блуждания частиц нефти (Йохасен, 1995; Элиот, 1998 ).

Анализ существующих моделей аварийных нефтяных разливов позволил сделать вывод о том, что применение компьютерных технологий свидетельствует об эффективности рассчётно-имитационного метода моделирования для решения экологических проблем в случаях аварийных разливов нефти в водных объектах.

Во втором разделе главы изложены основные положения численного и аналитического решения динамического взаимодействия разливов нефти с водной средой. Для решения задач диссертационной работы соискателем совместно с Дембицким С.И., А.В. Ларионовым и М.Х. Уртеновым проводилось математическое моделирование динамического взаимодействия разливов нефти с экосистемой моря и морского побережья Цемесской бухты. В качестве основных процессов депонирования разливов нефти рассматривалось осаждение нефти на берег моря и на дно. Исследуемый процесс загрязнения экосистем описывался краевыми задачами для системы нелинейных уравнений в частных производных, включающих уравнение Невье-Стокса и уравнения физико-химических реакций в водной среде и на суше. При количественном описании разлива нефти на поверхности моря нефтяной разлив описывается как ансамбль нефтяных пятен, каждое объемом до 2 м3 нефти. При выполнении расчетов учитываются сведения о вязкости и плотности разлитой нефти, а также скорости вытекания нефти, определяющей размеры элементарного нефтяного пятна. Для описания депонирующей среды, в которую поступает разлитая нефть, в модели учитывались кинематические характеристики поверхностного течения; сведения о направлении и силе ветра; сведения о волнении моря; сведения о геоморфологии береговой линии, определяющие экспозицию и «поглощающую способность» береговой линии; координаты источника сброса.

В качестве уравнения, описывающего распространение i-той факторизованной фракции с концентрацией Ci под влиянием турбулентной диффузии, полей ветров и течений с учетом j-той физико-химической реакции или биологического окисления , принято следующее уравнение переноса и диффузии с учетом реакций деструкции нефти:

, (1)

где Ci(x, y, z, t) - концентрация загрязнения, мг/м2; x, y, z - декартовые координаты текущей точки, м; t - время, с; u, v, w - компоненты вектора скорости поверхностного течения, м/с, удовлетворяющего уравнению неразрывности

(2)

где Kx, Ky - коэффициенты турбулентной диффузии в плоскости (x,y), м2/с; Kz - коэффициенты вертикальной диффузии, м2/с; F(Ci, Rj) - функция, определяющая деструкцию i-той факторизованной фракции в результате j-той реакции Rj (испарение, растворение, биологическое окисление).

При достижении границы Г1 в зависимости от физико-химических свойств нефти и морфологической структуры побережья происходит отражение, частичное или полное прилипание нефти, а соответствующие граничные условия задавались в виде

, ((3)

где n - нормаль к границе Г1; p - коэффициент прилипания нефтепродуктов к берегу, зависящий в общем случае от координат и . Если p(x,y)=1, то условие (3) описывает полное поглощение нефти берегом в точке (x,y); если p(x,y)=0, то условие (3) называют условием непротекания, и оно означает полное отражение нефти в точке(x,y). Для свободной водной границы рассматриваемого района граничные условия для уравнения (1) записывались в виде

((4)

Это означало, что за границей области S Сн концентрации загрязнений в расчетах не учитывалась.

В третьем разделе главы приведены основные результаты численного моделирования нефтяного загрязнения. В условиях различных гидрометеорологических ситуаций были определены закономерности направления и скорости движения нефтяного пятна, а также место контакта нефти с линией берега и возможные последствия нефтяного загрязнения побережья после аварийного разлива

нефти на акватории Цемесской бухты. В качестве примера рассмотрены аварийные разливы нефти, случившиеся в точках №1 и №2 (рис. 2). Точка №1 выбрана юго-западнее мыса Шесхарис, точка №2 выбрана на входе в бухту юго-западнее мыса Пенай.

Рис.2. Места моделирования аварийных разливов нефти на акватории Цемесской бухты

Поскольку нефтяное пятно перемещается в том же направлении и с той же скоростью, что и поверхностный слой воды, соискателем определены скорость и наиболее вероятное направление результирующего поверхностного течения. Для этого были обобщены данные по направленности ветров через каждые 3 часа в течении 2005г. и составлены диаграммы повторяемости каждого из 8 основных направлений ветра в исследуемом районе для зимнего (декабрь - февраль) и летнего (июнь - август) периодов 2005 года. (рис.3).

Эти данные позволяют сделать выводы о наиболее вероятных возможных направлениях переноса нефтяного пятна с указанием средней скорости его перемещения. Как видно из рис.3, в зимний период наибольшей повторяемостью обладают ветры, дующие с северо-востока и юго-востока, средние скорости которых равны 10,48 м/с и 4,76 м/с соответственно.

В летние месяцы наибольшей повторяемостью обладают ветры, дующие с северо-востока и с юга, со средними скоростями 6,5 м/с и 2,26 м/с соответственно. Ветровой коэффициент при таких значениях скорости ветра равен 0,024.

а) б)

Рис. 3. Повторяемость ветра основных направлений

для зимнего (а) и летнего (б) периодов 2005 г.

Отклонение поверхностного ветрового течения вправо от направления ветра, который вызвал это течение, в точке №1 при глубинах 22-23 м составляет 30о, в точке №2 при глубинах 30-35 м – 40о.

В табл. 1 приведены результаты расчетов направления и скорости переноса Vs нефтяного пятна, а также ориентировочного времени t движения пятна от момента аварийного разлива в выбранных точках до момента контакта с определенным участком берега. Исследования проводились для зимних и летних месяцев года в соответствии с ранее указанными исходными данными о направлениях и скорости ветра Vw и расчетными данными о ветровом течении.

Таким образом, были спрогнозированы 8 наиболее типичных вариантов дрейфа и деструкции нефтяных разливов в зависимости от координат и объемов УВ выбросов, состава нефтей, гидрологических, метеорологических и геолого-геоморфологических условий Цемесской бухты:

При северо-восточном ветре после аварийного разлива нефти в точке №1 загрязнению может быть подвержен западный берег бухты, от Суджукской косы до мыса Любви, а после аварийного разлива в точке №2 - участок от поселка Мысхако до поселка Рыбачий. В последнем случае возможен перенос части нефтяного пятна вдольбереговым течением в юго-западном направлении. После контакта нефти с берегом на пляжах, сложенных галечниковым и крупногалечниковым материалом, нефть проникает глубоко и образует погребенные слои, а при больших скоплениях нефти может сформироваться твердое асфальтовое покрытие.

Развитие ситуации после аварийных разливов нефти на акватории Цемесской бухты при южном и юго-восточном ветре представляется наиболее опасным, поскольку происходит ветровой нагон поверхностных вод в бухту. После аварийного разлива нефти в точке №1 загрязнению может быть подвержена центральная часть бухты, район порта и восточный берег бухты, начиная от Восточного мола, после аварийного разлива в точке №2 - участок побережья юго-восточнее мыса Шесхарис. Попавшая на морской берег нефть проникает в песчано-галечниковый материал берега, образуя погребенные слои загрязнения. На восточном берегу бухты расположено большое количество гидротехнических сооружений, что может

способствовать образованию застойных зон и скоплений нефти и нефтяных агрегатов у самого берега.

При южном ветре в зимний период ситуация складывается аналогично, с той лишь разницей, что средняя скорость южного ветра зимой несколько выше и составляет 3,69 м/с. Северо-западный ветер способствует выносу поверхностных вод и разлитой нефти в открытое море и в этом случае нет экологической опасности для побережья бухты.

Таблица 1

Перенос нефтяного пятна из точек №№ 1,2 в различные периоды

Ветер Перенос пятна нефти
направление движения ветра скорость ветра, Vw, м/с направление переноса нефтяного пятна, скорость переноса нефтяного пятна, Vs, м/с участок берега время движения пятна t, ч
Точка №1 (зимний период)
225 (С-В) 10,48 255 0,26 4 3
315 (Ю-В) 4,76 345 0,12 7, 8 7
Точка №1 (летний период)
225 (С-В) 6,5 255 0,15 4 5,3
0 (Ю) 2,26 30 0,06 9 7
Точка №2 (зимний период)
225 (С-В) 10,48 265 0,26 1 8,5
315 (Ю-В) 4,76 355 0,12 10 3,5
Точка №2 (летний период)
225 (С-В) 6,5 265 0,15 1 14
0 (Ю) 2,26 40 0,06 10 8

Таким образом, математическое моделирование позволило охарактеризовать процессы, происходящие с нефтью в море, и изменение ее физико-химических характеристик во времени, оценить последствия разлива нефтепродуктов в Цемесской бухте. Результаты математического моделирования нефтяного загрязнения были использованы соискателем в дальнейшем для обоснования стратегии геоэкологического мониторинга по предотвращению последствий аварийных разливов УВ на акваториях и выбора берегозащитных мероприятий по минимизации ущерба геоэкосистемам внутренних морей бассейна.

Глава 3. Эколого-геологические особенности природно-технической

системы Цемесской бухты

В первом разделе главы соискателем обоснована комплексная модель природно-технической системы Цемесской бухты, представляющая собой открытую динамическую систему, в которой в качестве подсистемных элементов выступают источник воздействия и геологический компонент природной среды, тесно связанные причинно-следственными связями. Соискателем были определены пространственная, временная и структурная границы системы посредством выделения элементов техногенного и литосферного блоков, воздействие которых определяет изменение экологических функций природно-технической системы.

Далее дана характеристика техногенного блока, основным компонентом которого является транспортный комплекс, представленный, главным образом, трубопроводным и погрузочно-разгрузочным видами транспорта. Автором была составлена база данных по сведениям 104 случаев выбросов антропогенных углеводородов в водную часть акватории за период с 1998 по 2004 г. (табл.2). Каждый из аварийных выбросов содержит информацию о дате, месте разлива, типе и количестве разлившейся нефти, а также о мерах, которые были предприняты для устранения последствий аварийного разлива. Анализ фактических данных позволил классифицировать следующие варианты загрязнения акватории: однократный залповый выброс нефти на поверхность моря; протяженный во времени выброс нефти на поверхность моря; загрязнение моря сбросами УВ мелких предприятий.

В каждом из этих случаев влияние антропогенного углеводородного загрязнения на акваторию имеет свою специфику. Наиболее опасным, в связи со значительным объемом пролитой нефти, является первый вариант, где интоксикации подвержены все составляющие акватории.

Таблица 2

Выбросы УВ в водную часть акватории Цемесской бухты

Годы 1997 1998 1999 2000 2002 2003
Количество выбросов 19 24 17 16 20 13
Объёмы выбросов, т 0,01–497 25–400 10–300 20–500 80–300 25–200

Далее соискателем определены объекты различного хозяйственного назначения с поперечной пространственной ориентировкой по отношению к береговой линии, значительно влияющие на процессы техногенного загрязнения.

Для определения влияния поперечных сооружений на характер распределения наносов автором была использована методика Е.С. Цайтца, позволяющая определить динамику вдольбереговых наносов в зависимости от объема их заносимости Vm, глубины Нм, критической глубины Нкр и стока наносов вдоль берега Qxt. По этой методике был рассчитан объем заносимости в 51 пунктах вдоль всей акватории Цемесской бухты, позволяющий сделать вывод, что в общем случае объем заносимости наносов превышает величину годового сноса наносов на западной части акватории от 0,2•Qxt (западная часть Суджукской косы ) до 33,8 Qxt (центральная часть пос. Рыбачий).

Далее выделены основные компоненты природной среды, подверженные техногенному воздействию, в качестве которых выступают геологические объекты верхней части литосферы изучаемой площади, состоящей из двух компонент - коренных отложений флишевой формации и современных морских и аллювиальных отложений (рис. 3).

Был сделан вывод, что углеводородному загрязнению потенциально могут быть подвержены 2 стратиграфо-генетических комплекса, представленные соответственно скальными и дисперсными массивами горных пород.

Автором проведено районирование береговой зоны Цемесской бухты по степени экологической опасности нефтяного загрязнения, для чего соискатель проводил естественные геолого-геофизические наблюдения и математическое моделирование.

Геологические исследования проводились в полевых условиях и включали изучение береговой зоны Цемесской бухты и характеристику мест нефтяного загрязнения по комплексу характеристик: типа берегов, состава морских и аллювиальных отложений, растительности, динамики волновых движений в прибойной зоне (табл. 3).

Естественные методы включали геологическое исследование территории и анализ петрофизических характеристик морских и аллювиальных отложений.

 истограммы статистической обработки морских и аллювиальных отложений-10

Рис. 3 Гистограммы

статистической обработки морских и аллювиальных отложений Мысхако (а), Куниковской (б) и Бединовской (в) свит

Условные обозначения:

Гранулометрический состав: 1- 0,06-0,15м; 2- 0,04-0,06м; 3- 0,02- 0,04м.4- менее 0,02м Цветовая гамма: 5-темноцветные; 6-бурые; 7-светлые. Минеральный состав: 8- мергель; 9- известняк; 10- глинистый мергель; 11-песчаник; 12- известк. мергель

На основе этого комплекса параметров осуществлялась оценка индекса восприимчивости данного участка побережья по отношению к нефтяному загрязнению.

Таблица 3

Расчет индекса восприимчивости побережья к нефтяному загрязнению

Комплекс составляющих береговую зону Индекс восприимчивости побережья к нефтяному загрязнению
4 3 2 1
Тип берегов Закрытый берег Пляж Эродированный берег Открытый мыс
Гранулометрический состав береговых отложений 0,06-0,15м 0,04-0,06м 0,02- 0,04м Менее 0,02м
Минеральный состав морских и аллювиальных отложений Песчаник, алевролит Глинистый мергель Мергель, известковый мергель Известняк
Динамика волновых движений Слабая Умеренная Средняя Постоянная


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.