Моделирование и пути устранения углеводородного загрязнения природно-технической системы цемесской бухты черного моря
Скачать 497.63 Kb.
|
| Глава 2. Исследование динамики распространения нефтяных разливов на акватории Цемесской бухты В настоящее время одним из наиболее экспрессных и информативных методов для исследования динамики углеводородных загрязнений является математическое моделирование (Г.И. Марчук, Л.Н. Тарасенко). 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
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
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 н  ефти 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
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
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.  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
В качестве элементов, которые характеризуют природную систему акватории, выступали следующие статические параметры: геологические (вещественный состав, структура и текстура флишевых пород, слагающих береговую часть акватории); геоморфологические (характер линии побережья и рельеф внутренней части бухты); петрофизические (плотность, пористость, проницаемость, удельная поверхность пород); неотектонические ( современная геодинамика Новороссийского района) и динамические параметры: гидрологические (режим подводных и поверхностных течений, температура воды); климатические ( температура воздуха, скорость и направление ветра). В результате характеристики степени восприимчивости береговой зоны к антропогенному углеводородному загрязнению, все побережье бухты было разграничено на 10 участков (табл. 4). Геологические особенности берега оказывают значительное влияние на процессы, происходящие при воздействии углеводородов на природно-техническую систему бухты. Таблица 4 Градация побережья в зависимости от состава морских и аллювиальных отложений
Береговая зона и дно Цемесской бухты сложены флишевыми отложениями верхнего отдела меловой системы, которые принадлежат Новороссийскому синклинорию Северо-Западного Кавказа. При этом можно выделить следующие участки(рис. 4):  Рис. 4 Схематические разрезы свит Мысхако (а), Куниковской (б) и Бединовской (в) 1- песчаник; 2- алевролит; 3- изв. мергель; 4- мергель; 5-глин. мергель; 6- известняк ; 7- зел.-сер. глины 1. Береговая зона от пос. Мысхако до щ. Вербовой, которую слагают породы свиты мысхако (K2ms) нижне-маастрихского яруса и представляют собой чередование известковых мергелей, известняков, песчаников и алевролитов. Согласно имеющимся данным (Любимова, 2001) плотность пород здесь варьирует от 2, 29 до 2, 53 г/см3, средняя проницаемость составляет 10,02 мДс. 2. Весь внутренний рейд акватории сложен породами куниковской свиты (K2kn) и представлен переслаиванием глинистых мергелей, известняков и алевролитов. Плотность пород изменяется от 2, 32 г/см3 до 2, 43 г/см3, средняя проницаемость составляет 704 мДс. 3. Восточная часть внешнего рейда акватории бухты, включая мыс Дооб, сложена породами бединовской свиты (K2bd) верхнее-кампанского яруса, которые представляют собой переслаивание мергелей, известняков, песчаников и алевролитов. Плотность пород изменяется от 2,42 до 2,58 г/см3, средняя проницаемость пород составляет 8,6 мДс (рис. 5). На этой основе была проведена типизация береговой зоны Цемесской бухты путем выделения 3 геологических тел, характеризующихся литологической однородностью.  Рис. 5 Сводная петрофизическая характеристика пород изучаемой территории, составленная с использованием данных Любимовой Т.В. (2001). Таким образом, наибольшую плотность до 2,58 г/см3 имеют породы восточной части внешнего рейда акватории, наименьшую плотность 2,29 г/см3 и наибольшую пористость до 15% - береговая зона от пос. Мысхако до щ. Вербовой. Проницаемость пород варьирует от 5,06 мДс в отложениях бединовской свиты до 12,7 в отложениях свиты мысхако. Удельная поверхность пород являлась важной характеристикой, определяющей проницаемость и адсорбционную способность пород. Для оценки удельной поверхности фильтрующих пор соискателем использовалась известная зависимость Козени-Кармана, связывающая пористость пород Кп, их проницаемость Kпр и удельную поверхность фильтрации Sф: Sф2= Кп 3/2Кпр (5) В общем случае, распределение пористости и удельной поверхности фильтрации по свитам, слагающим береговую зону акватории Цемесской бухты представляется следующим образом (рис.6).  Рис.6. Распределение коэффициента пористости Кпнас (а) и площади удельной поверхности Sф морских и аллювиальных отложений береговой линии Цемесской бухты 1-2 –бединовская свита ; 2-3 куниковская свита; 3-4 свита мысхако В результате на основании комплексирования результатов проведенных геологических исследований и данных, полученных при математическом моделировании нефтяных разливов, осуществлено районирование прибрежной составляющей акватории Цемесской бухты по степени восприимчивости к углеводородному загрязнению от самого восприимчивого (степень 5) до наиболее устойчивого участка (степень 1). Установлено, что самыми вос- приимчивыми участками к УВ загрязнению в акватории Цемесской бухты являются районы пос. Мысхако и центральная часть внутреннего рейда порта. При нефтяном загрязнении западной береговой части акватории все участки имеют неодинаковое время размыва подветренной части, и, следовательно, процесс самоочищения при всех других одинаковых особенностях побережья будет протекать с различной интенсивностью. По степени максимальной скорости по сравнению с другими участками процесс самоочищения бухты будет наблюдаться со стороны следующих подветренных участков: района железо-бетонного пирса, центральной части Суджукской косы, район рыбзавода «Новороссийского», северная сторона мыса Любви, центральных пирсов, Западного мола порта. Минимальная скорость процесса самоочищения береговой части акватории характерна для участков южной и северной части Суджукской косы, центральной части пляжа «Нептун», а также участков, входящих в состав зоны центрального городского пляжа. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Шарм-эль-Шейха, на роскошном песчаном пляже бухты Набк, в 8 км от международного аэропорта и 22 км от бухты Наама, с видом на залив... |  | «Экономические аспекты решения экологических проблем в странах Черноморского региона»* Данный доклад основан на документах Комиссии по Защите Черного Моря от Загрязнения, компетентных нпо, научных исследованиях и соответствующих... |
| Концепция федерального закона «О предотвращении загрязнения моря нефтью» Заведующий лабораторией Законодательство, предотвращение загрязнения, разливы нефти, нормативная база, федеральный закон | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Городская викторина в рамках экологического мероприятия «День моря», посвященного Международному Дню Черного моря и закрытию Года... |
| Вопросы к брейн-рингу Интеллектуальная игра "Умники и умницы" "Знатоки органического мира Черного моря" | | Мечтаешь побывать в лучшем детском центре мира? Проект с 3 по 7 ноября2014 года проходит во вдц «орлёнок», в Краснодарском крае, на берегу Чёрного моря |
| Проблемы бассейна Аральского моря и пути их решения Аральского моря из кризиса. Показана реальная возможность улучшения экологических, социальных и экономических условий до уровня,... | | Доклад О. Атагельдыева Туркменистан обладает огромным потенциалом доказанных, вероятных, возможных запасов и ресурсов углеводородного сырья. Они распределены... |
| Конкурс мастерства «Мой лучший урок» «Черное море моё» (внеклассное занятие ) Слайд 13-18. Дельфины самые крупные обитатели Черного моря, доброжелательны к человеку, легко | | Конспект урока по кубановедению 5 класс тема урока: Греческие колонии... А. А. Вигасин, Г. И. Годер, И. С. Свенцицкая: История Древнего мира, Просвещение, 2008г |
| Тема: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды» Установить отрицательные влияния применения тд на окружающую среду и пути их устранения | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Отель расположен в 17 км от аэропорта г Краби, на окруженном горами и доступном только с моря плато. Имеет выход в три бухты. Защищен... |
| «Защита окружающей среды Черного моря: новые требования» * Пачэс постоянно уделяет внимание защите окружающей среды. Ее действия в этом направлении осуществляются в рамках концепции устойчивого... | | Озеро Байкал Многие люди не обращают внимания на главную причину загрязнения зарождающегося моря. На всём свете нет такого озера, как Байкал |
| Озеро Байкал Многие люди не обращают внимания на главную причину загрязнения зарождающегося моря. На всём свете нет такого озера, как Байкал | | Реферат Алаева В. С. Расчет и моделирование системы электросвязи.... Целью курсовой работы является расчёт и моделирование системы электросвязи в системе схемотехнического моделирования micro-cap 9 |
