Прогнозирование загрязнения нефтью прибрежных вод республики нигерия
На правах рукописи
ОБИ Эммануэль Оду
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ
ПРИБРЕЖНЫХ ВОД РЕСПУБЛИКИ НИГЕРИЯ
03.00.16 – Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2009
Работа выполнена на кафедре физики
ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
Научный руководитель: доктор педагогических наук, кандидат физико-
математических наук, профессор
Шапошникова Татьяна Леонидовна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ясьян Юрий Павлович;
кандидат географических наук, профессор
Яйли Ервант Аресович
Ведущая организация: Морская государственная академия имени адмирала
Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск
Защита состоится 9 июля 2009 года в 1000 на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 94
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072,
г. Краснодар, ул. Московская, 2, корпус А
Автореферат разослан 9 июня 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат химических наук, доцент Г.Г. Попова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В последние десятилетия значительно увеличилось потребление сырой нефти во многих странах мира. Нефть – ценнейшее сырье, без использования которого невозможна современная цивилизация. Однако процессы добычи, транспортировки, хранения и переработки нефти и нефтепродуктов очень часто становятся источниками загрязнения окружающей среды, которое может приобретать катастрофические масштабы.
Экологические катастрофы происходят при авариях нефтепроводов, когда на значительных пространствах загрязняются нефтью почва и водные источники. Серьезное влияние на экологическую ситуацию оказывают пожары и диверсии на трубопроводах и нефтехранилищах. В результате окружающая среда (воздух, вода, почва и растительность) загрязняется нефтепродуктами, страдает животный мир, а попадание нефтепродуктов в питьевую воду непосредственно угрожает здоровью населения.
Среди многочисленных вредных веществ антропогенного происхождения, попадающих в окружающую среду, нефтепродуктам принадлежит одно из первых мест. Попадание нефти и ее компонентов в окружающую среду вызывает изменение физических, химических и биологических свойств и характеристик природной среды обитания, нарушает ход естественных биохимических процессов. В ходе трансформации углеводородов нефти могут образовываться еще более токсинные соединения, чем исходные, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами, стойкие к микробиологическому расщеплению.
Любой из классов нефтепродуктов может стать вредной примесью, загрязняющей воду. В небольших концентрациях нефтяные загрязнения могут влиять на вкус и запах воды, а при больших содержаниях они образуют гигантские нефтяные пятна и становятся причиной экологических катастроф. Легкие нефтепродукты частично растворяются в воде, но большая их часть образует с водой эмульсии различного состава, а тяжелые нефтепродукты попадают на дно водоемов и накапливаются в донных осадках. Попадающие в природные воды нефтяные загрязнения имеют тенденцию к рассеиванию и миграции. При этом в поверхностных водах состав нефтепродуктов под влиянием испарения и интенсивного протекания химического и биологического разложения претерпевает за короткий срок быстрые изменения. В подземных же водах, наоборот, процессы разрушения нефтепродуктов заторможены. Число экологических катастроф, связанных с разливами нефти при транспортировке танкерами, морском бурении и других видах деятельности человека, продолжает увеличиваться.
Добыча и транспортировка нефти – основная статья доходов Федеративной Республики Нигерия. Большая часть нефти добывается на шельфе Гвинейского залива. Нигерия экспортирует сырую нефть, а импортирует очищенные нефтепродукты. В период с 1976 по 2009 год общее число аварий и катастроф составило 9583, что оказало значительное влияние на экологию Гвинейского залива. Вопросы прогнозирования и моделирования нефтяных розливов приобретают крайнюю актуальность, так как специфика морского дна Гвинейского залива диктует строго определенный фарватер движения судов. Географическое положение залива, направление морских течений замедляет естественные процессы рассеивания даже небольших нефтяных розливов, что приводит к сокращению и гибели биологических ресурсов в территориальных водах Нигерии является одним из основных пищевых ресурсов страны. В Нигерии приблизительно двадцать рек, большинство из которых протекают через богатую нефтью Нигерскую дельту и впадают в прибрежные воды Федеративной Республики Нигерия. Если происходит разлив в результате выброса из нефтяной скважины, поврежденных нефтепроводов или по какой-либо другой причине, то в большинстве случаев эти реки выносят нефть в прибрежные воды Федеративной Республики Нигерия. Территория прибрежной зоны Гвинейского залива является одним из немногих мест отдыха, курортом с минеральными источниками, грязелечением. Загрязнение акватории моря и земель сельскохозяйственного назначения происходит при добыче нефти на шельфе и на суше.
В настоящее время государственная система экологического мониторинга Федеративной Республики Нигерия находится в стадии становления, что требует разработки экспресс-методов для определения масштабов экологических катастроф и принятия верных управленческих решений по локализации и утилизации нефтяных загрязнений для обеспечения экологической безопасности государства.
Поэтому создание математической модели, способной прогнозировать поведение и траекторию движения нефти, попавшей в море, актуально для Федеративной Республики Нигерия. Ряд научных работ посвящены моделированию динамики и деструкции нефтяного слика на акватории моря (Дембицкий С. И., Марчук Г.И., Гвоздев Р.М., Lehr W.J., Cekirge H.M., Fraga R.J., Belen M.S., Reddy G. S., Brunet M., Tkalich P., Huda M. K.), проблемам биологических популяций (модели Ферхюльста П.Ф., Гомпертца Б., Мальтуса Т., Базыкина А. Д. и др.), движению нефтяного слика на поверхности моря работы (Афанасьева Н.А., Зданьски А.К., Израэль Ю.А., Крылова Т.О., Монин А.С., Нунупаров С.М., Удодов А.И., Озмидов Р.В., Резниченко Г.Ю., Рубин А.Б., Тарасенко Л.Н., I. Fay, C. Gerlach, D. Mackay, P. Yapa и др).
Проблема исследования заключается в разработке принципов и практических мер, направленных на охрану живой природы на экосистемном уровне в Нигерской Дельте и водах Гвинейского залива.
Цель диссертационного исследования состоит в повышении экологической безопасности прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия путем прогнозирования загрязнения нефтью вод прибрежной зоны, мониторинга динамики нефтяного разлива и создании математической модели процесса с учетом имеющихся в настоящее время данных, описывающих состояние экосистемы.
Для достижения цели исследования и проверки гипотезы автором были поставлены и решены следующие задачи:
- На примере аварийных нефтяных розливов на предприятиях добычи и транспортировки нефти установить особенности влияния гидрометеорологических и климатических условий, физических и химических свойств разлившейся нефти на форму и динамику ее распространения в береговой зоне.
- Разработать математическую модель нефтяного загрязнения прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия, учитывающую комплексное воздействие влияния добычи и транспортировки нефти на экосистемы, конвективный перенос, процессы диффузии, растекания, испарения, биологической деструкции, поверхностные течения и влияние сезона года.
- Создать программный комплекс имитационного моделирования “Slickmovement”, позволяющий произвести экспресс-оценку динамики и деструкции нефтяного пятна для принятия административных мер по минимизации антропогенного воздействия.
- Выполнить численный эксперимент для определения направления, динамики и деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Федеративной Республики Нигерия в зонах аварийных и чрезвычайных ситуаций.
- На основании результатов прогнозирования движения нефтяных загрязнений предложить комплекс работ по очистке акватории моря, обеспечивающих экологическую безопасность региона.
Научно-теоретическую основу исследования составили:
- результаты экологического космического мониторинга Федеративной Республики Нигерия;
- законы изменения радиуса нефтяного слика (Fay I., Blokker P., Зданьски, А.К., Крылова Т.О., Тарасенко Л.Н.);
- методы решения дифференциальных уравнений в частных производных (Lehr, W.J., Cekirge, H.M., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.);
- метод конечных разностей для решения дифференциальных уравнений в частных производных (Stroud, K. A., Самарский А.А. Lehr, W.J., Cekirge, H.M., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.);
- метод суммарной аппроксимации решения дифференциальных уравнений в частных производных (Stroud, K. A., Самарский А.А. Lehr, W.J., Cekirge, H.M., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.);
- методы построения явных и неявных схем (Stroud, K. A., Самарский А.А.,Lehr, W.J., Cekirge, H.M., Fraga, R.J. и Belen, M.S., Reddy, G. S. и Brunet, M., Tkalich, P., Huda, M. K., Gin, K. Y. H.).
Методы исследования: методы оценки риска, анализ научно-методической литературы и практического опыта, методы математической физики, теории специальных функций, вычислительной математики и математического анализа, теории вероятностей и математической статистики. Для программной реализации алгоритмов использован аппарат численного математического моделирования и пакеты прикладных программ компьютерной математики.
База исследования: Кубанский государственный технологический университет (Институт нефти, газа и энергетики и безопасности, кафедра технологии нефти и экологии; факультет компьютерных технологий и автоматизированных систем: кафедра физики, кафедра ВТ и АСУ); Кубанский государственный университет (факультет прикладной математики: кафедра прикладной математики); НПО «Бурение» г.Краснодар.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
- Установлены особенности влияния гидрометеорологических и климатических условий, физических и химических свойств разлившейся нефти на форму и динамику распространения нефтяного пятна в прибрежных водах Федеративной Республики Нигерия в результате аварийных ситуаций, связанных с добычей, транспортировкой, перевалкой нефти.
- Разработана математическая модель нефтяного загрязнения прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия, позволяющая моделировать динамику нефтяного пятна на поверхности моря, учитывающая конвективный перенос, процессы диффузии, растекания, испарения, биологической деструкции, гидрометеорологические условия и направления поверхностных течений Нигерской Дельты.
- Создан программный комплекс имитационного моделирования “Slickmovement”, визуализирующий динамику и деструкцию нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом физических, физико-химических, биологических, гидрометеорологических и климатических условий.
- Проведен численный эксперимент, позволяющий определить направление, динамику и деструкцию нефтяного пятна в прибрежных водах Федеративной Республики Нигерия в зонах аварийных и чрезвычайных ситуаций, выявить влияние сезона года, поверхностных течений, физических параметров и экологических факторов.
- На основе экспериментальных результатов комплексного изучения поведения нефти во время аварийных и чрезвычайных ситуаций формализован и научно обоснован подбор существующих методов для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря.
- Впервые создана модель прогнозирования развития техногенных экологических катастроф, практическое применение которой предоставляет возможность управление экологической безопасностью при чрезвычайных ситуациях и разработке превентивных мер правительством Федеративной Республики Нигерия.
Теоретическая значимость результатов работы заключается в следующем:
- Полученные результаты могут быть использованы для оценки масштабов нефтяных загрязнений с учетом изменений физических и химических свойств нефти при растекании ее на поверхности моря в прибрежной зоне с заданной картой течений.
- Математическое моделирование процессов нефтяного разлива на поверхности моря в береговой полосе позволяет произвести оценку площади загрязнения, времени движения нефтяного пятна к берегу, рассчитать минимальные сроки ликвидации.
- Разработаны методики для проведения численного эксперимента, позволяющего наблюдать за изменением нефтяного пятна в динамике, как при мониторинге загрязнения, так и в процессе его ликвидации.
- Рекомендованы методы для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря, обеспечивающие снижение негативного воздействия нефтяного загрязнения на окружающую среду и учитывающие результаты исследования зависимости поведения нефти от различных факторов.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что:
- создана математическая модель, позволяющая прогнозировать траекторию движения нефтяного слика;
- разработана методика, позволяющая на основе математической модели определить площадь загрязнения моря, время движения нефтяного пятна до берега;
- в диссертационном исследовании предложен подход к проведению поставарийных мероприятий по устранению нефтяных разливов, даны рекомендации.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются использованием данных, предоставленных органами системы государственного мониторинга Федеративной Республики Нигерия, лабораториями, аккредитованными ЮНЕСКО, данных космического мониторинга, методов исследования, адекватных целям и задачам работы, репрезентативностью экспериментальных данных, корректностью проведенного численного эксперимента.
Использованы современные математические методы, учитывающие многокомпонентность экологических составляющих: физико-химических, биологических, гидрометеорологических, необходимых для более полной экологической картины. Учтены особенности взаимодействия между различными показателями экосистемы.
Основные положения, выносимые на защиту
- Результаты анализа аварийных и чрезвычайных ситуаций, связанных с загрязнением нефтью двух основных рек Нигерии – Нигера и Бенуэ, морских портов Лагоса, Харкота, Калабара, проблемы прогнозирования распространения области загрязнения с учетом влияния гидрометеорологических и климатических условий, физических и химических свойств разлившейся нефти на форму и динамику распространения ее в прибрежных водах.
- Математическая модель распространения нефтяного загрязнения по поверхности моря с учетом сложности экосистемы, естественных и искусственных способов деструкции, специфических гидрометеорологических и климатических условий исследуемой территории.
- Впервые разработанный программный комплекс имитационного моделирования “Slickmovement”, визуализирующий динамику и деструкцию нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом диффузии, конвективного переноса, биологической деструкции, скорости поверхностных течений Гвинейского залива.
- Методика численного эксперимента по определению направления, динамики и деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Республики Нигерия показывающего влияние сезона года, поверхностных течений, физических параметров и экологических факторов для зон аварийных и чрезвычайных ситуаций. Эксперимент выполнен для мест наиболее частого разлива нефти, находящихся в 20 км (6014' северной широты и 3048' восточной долготы – зона А), 30 км (6006' северной широты и 4005' восточной долготы – зона В) и 70 км (5033' северной широты и 4006' восточной долготы – зона С) от Нигерийской береговой линии.
- На основе экспериментальных результатов комплексного изучения поведения нефти во время аварийных и чрезвычайных ситуаций формализован и научно обоснован подбор существующих методов для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря и предложен порядок их использования. Рассмотрены имеющиеся в настоящее время способы и методы утилизации и ликвидации нефтяных загрязнений, дана их сравнительная характеристика с точки зрения комплексного влияния на экосистемы.
- Модель прогнозирования развития техногенных экологических катастроф в Гвинейском заливе. Алгоритм управления экологической безопасностью при чрезвычайных ситуациях и рекомендации по превентивным мерам для правительства Федеративной Республики Нигерия.
Апробация и внедрение результатов работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях по экологии: «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (г. Анапа, 2007 г.), «7-я объединенная научная конференция студентов и аспирантов компьютерных технологий и прикладной математики» (г. Краснодар, 2007 г.); обсуждались на заседаниях кафедр физики и технологии нефти и экологии. Результаты работы внедрены в учебный процесс при обучении студентов факультета КТАС Кубанского государственного технологического университета.
Публикации: По теме диссертации опубликовано девять статей: пять статей в российских изданиях и четыре статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских и кандидатских диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 140 наименований и восьми приложений. Работа изложена на 199 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 24 таблицы.
Автор выражает благодарность профессорам Дембицкому С.И. и Уртенову М.Х. за обсуждение результатов работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актульность темы исследования, сформулированы его цели и задачи, научная новизна и практическая значимость работы, организация и этапы исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Современное состояние проблемы загрязнения нефтью прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия» проведены анализ и обобщение литературных данных, касающихся состояния акватории прибрежных вод, источников загрязнения нефтью, направлений ветра и морских течений. Выявлены особенности движения нефтяных загрязнений с учетом направлений течений в Гвинейском заливе. Нигерия граничит с Республиками Нигера и Чада на Севере, с Республикой Бенина на Западе, с Республикой Камерун на Востоке и с Атлантическим океаном на Юге. Протяженность береговой линии Атлантического океана в Нигерии составляет 853 км, весь континентальный шельф занимает 46300 км2 (рисунок 1).
Прибрежные воды Республики Нигерия подвержены загрязнению из следующих источников: вынос нефти и нефтепродуктов речными стоками, аварии на нефтяных скважинах, аварийные залповые сбросы с судов. Любые загрязнения нефтью прибрежных вод Республики Нигерия неблагоприятно сказываются на морских портах Лагоса, Харкота и Калабара и затрагивают другие зоны.
В этой главе раскрыто физико-химическое и биологическое влияние нефти на экосистемы. Приведены таблицы классификации сортов нефти по удельному весу, физическим характеристикам (выбраны три сорта нефти Arabian Super light, Bonny light, Merey). Приведена графическая зависимость вязкости от температуры для сорта сырой нефти «Bonny light» – базового сорта нефти, добываемой в Нигерии в дельте реки Нигер. Особенностью данного сорта нефти является резкое уменьшение вязкости в диапазоне температур от 18 до 12 0С (температуры помутнения). При температуре около 12 0C вязкость повышается до такой степени, что нефть полностью теряет свою текучесть. У двух других представленных сортов нефти температура застывания и температура помутнения ниже 0 0C. Эта особенность нефти «Bonny light», добываемой в Нигерии, требует разработки специфических мероприятий по ликвидации разливов нефти, так как в диапазоне сезонных температур, характерных для данной климатической зоны, происходит резкое помутнение и застывание нефти.
Рисунок 1 – Нигерская Дельта, ее реки, штаты и растительность
Анализ числа нефтяных разливов в Нигерии (с 1976 года по 2005 год общее число инцидентов превысило 9092) показывает, что в окружающую среду попало 3097806,5 баррелей нефти. В этой же главе приводится характеристика аварий и катастроф, связанных с разливами нефти и дистанционные методы идентификации нефтяных разливов на поверхности моря.
Во второй главе «Математическое моделирование нефтяного загрязнения в прибрежных водах Гвинейского залива» рассмотрены особенности моделирования сложных экосистем, предлагается система математических моделей динамики и деструкции нефтяного пятна с учетом физико-химической реакции и биологического окисления.
Уравнение, описывающее распространение i-го фактора фракции с концентрацией Ci под влиянием турбулентной диффузии, ветров и течений с учетом j-й физико-химической реакции или биологического окисления 
имеет вид:
, (1)
где 
– концентрация загрязнения, мг/м2; t – время, с; x, y, z – декартовые координаты текущей точки, м; ось z направлена вертикально вниз; u, v, w – компоненты вектора скорости течения, удовлетворяющего уравнению неразрывности 
, м/с; Kx, Ky – коэффициенты турбулентной диффузии в плоскости (x,y), м2/с; Kz – коэффициент вертикальной диффузии, м2/с; 
– функция, определяющая деструкцию i-го фактора фракции в результате j-й реакции 
(испарение, растворение, биологическое окисление).
Турбулентность считается гомогенной и изотропной в плоскости (x,y), т.е. Kx = Ky = const и Kz = const, поскольку такой вариант наиболее приближен к реальным условиям, которые обычно рассматриваются при океанографических расчетах.
В общем случае уравнение задается в некоторой ограниченной пространственной области G, описывающей шельфовую зону моря и имеющей боковую поверхность 
, основания 
, 
и постоянную глубину H. Будем считать также, что пересечение боковой поверхности 
плоскостью моря представляет собой объединение твердой границы 
и жидкой границы 
. Для ряда процессов уравнение рассматривается на поверхности моря S, и задача становится двумерной.
Начальные условия в зависимости от содержания задачи могут быть сформулированы следующим образом:
1) мгновенный выброс продукта Q в точке (x0, y0, z0)
, (2)
где 
– средняя поверхностная плотность i-й фракции нефтяного загрязнения; (x0, y0, z0) – координаты источника загрязнения; 
– дельта-функция Дирака;
2) поверхностная плотность i-й фракции нефтяного загрязнения на части поверхности моря задана как
(3)
где 
– средняя поверхностная плотность i-й фракции нефтяного загрязнения; S1 – область, покрытая первоначальным нерастекшимся пятном.
При достижении границы 
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
, (4)
где n – нормаль к линии берега 
; p – коэффициент прилипания нефтепродуктов к берегу, зависящий в общем случае от координат и 
. Если p(x,y) = 1, то условие (4) описывает полное поглощение нефти берегом в точке (x,y); если p(x,y) = 0, то условие (4) называют условием неприлипания, и оно означает полное отражение нефти в точке (x,y).
Для свободной водной границы рассматриваемого района граничные условия для уравнения (1) записываются следующим образом:
. (5)
Это означает, что за границей области S концентрация нефти в расчетах не учитывается.
Оператор деструкции 
строится моделированием соответствующей реакции 
, при этом к уравнению (1) добавляется уравнение, описывающее соответствующую реакцию, и полученная система уравнений совместно с начальными и краевыми условиями описывает математическую модель динамики i-го фактора фракции при учете реакции 
.
Заметим, что предположение о независимости деструкции каждой фракции в первом приближении позволяет получить распадающуюся систему уравнений для 
.
В этой же главе представлены уже использованные ранее другими авторами математические модели, такие как многофазная модель нефтяного пятна, модель численного прогнозирования движения нефтяного слика и двумерная численная модель. Эти модели очень популярны и используются во многих коммерческих и образовательных программах. Проведено сравнение полученных значений физических, химических и биологических параметров разлива в различных моделях и дана оценка результатов.
В этой же главе автором строится математическая модель нефтяного загрязнения на шельфе Гвинейского залива (прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия) при следующих предположениях.
- Прибрежные воды Федеративной Республики Нигерия подвержены загрязнению как было указано в главе 1.
- Разрушения нефтяного загрязнения происходит как за счет естественных (испарение, растворение, эмульгирование, осаждение и т.д.), так и искусственных причин (мер борьбы с загрязнениями: сбор нефтепродуктов, использование боновых заграждений, разложение нефтепродуктов биологическими методами).
Математическая модель нефтяного загрязнения поверхности моря с учетом указанных выше естественных и искусственных способов деструкции нефтяного пятна описывается полуэмпирическим уравнением диффузии:
(6)
здесь C – концентрация нефти, кг/м2; t – время, с; u,v – компоненты вектора скорости течения, в общем случае зависящие от времени, м/с2; x,y – декартовы координаты; Kx, Ky – коэффициенты турбулентной диффузии вдоль осей координат x и y соответственно, м2/с. Функция f(C) описывает соответствующий процесс деструкции и в зависимости от характера процесса деструкции имеет вид:
(7)
i =1, i =2
(8)
где 
описывает уменьшение нефти только за счет испарения, ; t – время, с; KE – коэффициент массопереноса для углеводорода, м/с; Xi – молярная доля компонента с номером i, равная 
; Pi – давление паров компонента с номером i, Па; R – газовая постоянная, 8,314 Дж/моль·К; T – температура окружающей среды над поверхностью слика, К; значение молярной массы 
компонента с номером i определяется по периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
Таким образом, система уравнений, описывающая перенос, деструкцию и растворение нефтепродуктов, имеет вид
(9)
(10)
где t– время, с; KD – коэффициент массопереноса для углеводорода, м/с; Xi – молярная доля компоненты с номером i, равная 
; Si – растворимость в воде компоненты с номером i, кг/м3.
Таким образом, система уравнений, описывающая бактериальное разложение нефтепродуктов, имеет вид
(11)
где k – коэффициент пропорциональности между количеством бактерий и поглощенным субстратом; m – максимальная скорость роста микроорганизмов; Ks – коэффициент насыщения; M – численность популяции бактерий.
Граничные и начальные условия зависят от способа загрязнения:
Для одномоментного залпового выброса граничные и начальные условия имеют вид:
(12)
(13)
где S0 – область, покрытая пятном,
С0 – концентрация нефти в изучаемой области.
Автором разработаны и реализованы алгоритмы численного решения вышеописанных краевых задач. Создан программный комплекс 'Slickmovement' на основе неявной схемы, устойчивой для всех скоростей поверхностного течения. Приведена методика использования программного комплекса «Slickmovement» для численных расчетов, визуализации и анализа результатов моделирования на примере нефтяного загрязнения прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия. Показана структура программного комплекса. Рассмотрены его функциональные возможности. Представлены основные экранные формы и пример работы программы.
Численный эксперимент для прибрежных вод Республики Нигерия. Для изучения разлива нефти были выбраны места, расположенные в 20 км (6014' северной широты и 3048' восточной долготы), 30 км (6006' северной широты и 4005' восточной долготы) и 70 км (5033' северной широты и 4006' восточной долготы) от Нигерийской береговой линии. Имитации были проведены для двух сезонов, так как Нигерийская прибрежная зона находятся в тропическом климате, состоящем из сезона дождей (с апреля до ноября) и сухого сезона (с декабря до марта).
Поверхностное течение (определяемое морским течением и направлением ветра) в прибрежных водах Федеративной Республики Нигерия в сезон дождей имеет скорость 30 см/с и достигает морского дна в местах с глубинами менее 50 м. Сезонные направления Гвинейского течения выбраны согласно данным международной организации Mariano Global Surface Velocity Analysis (MGSVA). В сухой сезон нефтяное пятно перемещается течением Benguela. Приведена информация о поверхностной скорости из предыдущих исследований и получено значение средней скорости течения Benguela – 17 см/с. Wedepohl определено, что средние скорости течения изменяются от 11 см/с до 23 см/с.
Численный эксперимент зоны А проведен для сухого и дождливого сезона. Место загрязнения показано на рисунке 2. Данная зона выбрана, потому что танкеры из США или Европы, транспортирующие сырую нефть с экспортного терминала Escravos (5037' северной широты и 50 11' восточной долготы), проходят через эту точку. Эта точка расположена на расстоянии
30 км от побережья Федеративной Республики Нигерия. Площадь разлива нефти принимается равной 314 км2.
Основные параметры программы при моделировании (шаг времени и концентрация) задаются в безразмерной форме. Переход от безразмерных величин к реальным осуществляется с использованием безразмерной теории.
При проведении численного эксперимента с помощью программного комплекса «Slickmovement» считаем среднюю скорость течений в прибрежных водах Республики Нигерия в сухой сезон равной 21 cм/c. Программно учитываем карту течений для сухого сезона. Входные данные, использованные для имитирования нефтяного разлива в сухой сезон в Республике Нигерия: размер сетки – 100; шаг времени – 0.00005; потеря нефти из-за испарения – 0.1; коэффициент турбулентной диффузии – 1/150; скорость перемещения нефтяного слика – 21 см/с. На рисунках 2 и 3 представлены фрагменты распространения нефтяного пятна в контурных изображениях, полученные в ходе моделирования с помощью программного комплекса для сухого сезона.
 |  |
| Рисунок 2 – Положение нефтяного пятна зоны А в момент обнаружения разлива (сухой сезон) | Рисунок 3 – Смещение нефтяного пятна спустя 29 часов с момента разлива для сухого сезона |
На рисунке 3 показано место, в котором нефтяной разлив достигает побережья (60 20' северной широты и 40 26' восточной долготы). Траектория нефтяного разлива совпадает с направлением движения поверхностных течений. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Аналогично рассмотрена динамика пятна в зоне А для дождливого сезона (расстоянии 30 км от побережья; площадь разлива нефти – 314 км2). Для имитирования использовались следующие входные данные: размер сетки – 100; шаг времени – 0.00005; потеря нефти из-за испарения – 0.1; коэффициент турбулентной диффузии – 1/200; скорость перемещения нефтяного слика – 28см/с.
Координаты места, в котором нефтяной разлив достигает побережья, будут следующими: 60 20' северной широты и 40 26' восточной долготы. Следует отметить, что траектории нефтяного пятна для сухого и дождливого сезонов совпадают. Это происходит вследствие того, что направление движения поверхностных течений от места загрязнения до побережья в сухой и дождливый сезоны не изменяется. Результаты численного эксперимента для дождливого сезона представлены в таблице 2.
Таблица 1 – Результаты численного эксперимента для сухого сезона
| Смеще-ние центра нефтя-ного пятна, км | Смеще-ние края нефтяного пятна, км | Концен-трация в центре нефтяного пятна | Концен-трация на краю нефтя-ного пятна | Безраз-мерное время | Реаль-ное время, час | Радиус нефтя-ного пятна, км | Площадь, загряз-ненная нефтяным пятном, км2 |
| 0.00 | 14.10 | 1.00 | 1.000 | 0.00 | 0.0 | 10.00 | 314 |
| 1.75 | 16.95 | 0.89 | 0.094 | 1.17 | 2.2 | 10.50 | 346 |
| 3.50 | 19.80 | 0.80 | 0.063 | 2.33 | 4.3 | 11.00 | 380 |
| 5.15 | 21.90 | 0.72 | 0.059 | 3.45 | 6.4 | 11.50 | 415 |
| 6.80 | 24.00 | 0.64 | 0.054 | 4.56 | 8.4 | 12.00 | 456 |
| 8.35 | 26.15 | 0.58 | 0.050 | 5.73 | 10.6 | 12.50 | 491 |
| 9.90 | 28.30 | 0.51 | 0.046 | 6.89 | 12.8 | 13.00 | 530 |
| 11.30 | 29.70 | 0.46 | 0.043 | 7.95 | 14.8 | 13.25 | 551 |
| 12.70 | 31.10 | 0.40 | 0.040 | 9.01 | 16.7 | 13.50 | 572 |
| 14.15 | 33.25 | 0.36 | 0.036 | 10.17 | 18.8 | 13.75 | 594 |
| 15.60 | 35.40 | 0.32 | 0.031 | 11.32 | 20.9 | 14.00 | 615 |
| 17.35 | 37.50 | 0.29 | 0.026 | 12.42 | 23.0 | 14.25 | 638 |
| 19.10 | 39.60 | 0.25 | 0.021 | 13.52 | 25.0 | 14.50 | 660 |
| 20.85 | 41.00 | 0.23 | 0.021 | 14.67 | 27.2 | 14.75 | 683 |
| 22.60 | 42.40 | 0.20 | 0.020 | 15.82 | 29.3 | 15.00 | 706 |
Таблица 2 – Результаты численного эксперимента для дождливого сезона
| Смеще-ние центра нефтяного пятна, км | Смеще-ние края нефтяного пятна, км | Концен-трация в центре нефтяного пятна | Концен-трация на краю нефтяного пятна | Безраз-мерное время | Реальное время, час | Радиус нефтя-ного пятна, км | Площадь, загряз-ненная нефтяным пятном, км2 |
| 0.0 | 14.1 | 1.00 | 1.000 | 0.00 | 0.0 | 10.0 | 314 |
| 2.1 | 17.65 | 0.86 | 0.082 | 1.52 | 2.2 | 11.0 | 380 |
| 4.2 | 21.2 | 0.74 | 0.062 | 3.03 | 4.2 | 12.0 | 452 |
| 6.35 | 24.01 | 0.645 | 0.053 | 4.545 | 6.3 | 12.5 | 491 |
| 8.5 | 26.9 | 0.55 | 0.046 | 6.06 | 8.4 | 13.0 | 530 |
| 10.6 | 29.0 | 0.475 | 0.045 | 7.575 | 10.5 | 13.5 | 572 |
| 12.7 | 31.1 | 0.40 | 0.044 | 9.09 | 12.6 | 14.0 | 615 |
| 14.85 | 33.95 | 0.35 | 0.037 | 10.55 | 14.65 | 14.25 | 638 |
| 17.0 | 36.8 | 0.30 | 0.027 | 12.01 | 16.7 | 14.5 | 660 |
| 19.1 | 39.25 | 0.255 | 0.0256 | 13.515 | 18.8 | 14.75 | 683 |
| 21.2 | 41.7 | 0.21 | 0.024 | 15.02 | 20.9 | 15.0 | 706 |
Численный эксперимент зоны В представляет собой моделирование разлива нефти, произошедшего на расстоянии 20 км (6014' северной широты и 3048' восточной долготы) от побережья Федеративной Республики Нигерия. Эта точка выбрана, потому что танкеры, перевозящие нефть с экспортного терминала Escravos в соседние африканские страны, проходят через эту точку. Площадь разлива нефти была принята равной 78.5 км2. Эксперимент проведен для сухого и дождливого сезонов. Отличительной особенностью данной зоны является наличие точки изменения направления морского течения, что сказывается на уменьшении времени достижения пятном береговой линии (в сухой сезон – 23 часа с момента разлива, в дождливый – 17 часов). Изменение направления морского течения более выражено в сухой сезон (рисунки 4, 5).
 |  |
| Рисунок 4 – Траектория движения нефтяного пятна в сухой сезон | Рисунок 5 – Траектория движения нефтяного пятна в дождливый сезон |
В зоне В наблюдается не только изменение траектории перемещения пятна, обусловленное течением, но и значительное увеличение площади распространения разлива с одновременной деформацией формы пятна из-за усиления турбулентности потоков при изменении направления течения. Размер загрязнения береговой полосы в случае выброса нефти на берег составляет 24 км в сухой сезон и 19 км в дождливый сезон.
Численный эксперимент зоны С проведен для точки, удаленной на 70 км от побережья Федеративной Республики Нигерия, где находятся нефтеналивные танкеры из США и Европы, перевозящие сырую нефть с терминала Forcados и проходящие через эту точку. Площадь разлива нефти принята равной 78.5 км2. Исходные данные моделирования аналогичны предыдущим экспериментам. В результате моделирования получены траектории нефтяного пятна для сухого и дождливого сезонов (рисунки 6, 7).
 |  |
| Рисунок 6 – Траектория движения нефтяного пятна в сухой сезон | Рисунок 7 – Траектория движения нефтяного пятна в дождливый сезон |
Отличительной особенностью зоны С является наличие критической точки резкого изменения направления поверхностного течения, обусловленного особенностями географического строения береговой зоны. Это сказывается на значительной деформации формы пятна нефти и увеличении площади загрязнения после достижения критической точки (рисунки 8,9).
 |  |
| Рисунок 8 – Смещение нефтяного пятна через 62 часа с момента разлива (сухой сезон) | Рисунок 9 – Смещение нефтяного пятна через 28,6 часа с момента разлива (дождливый сезон) |
В третьей главе «Методология принятия решений по управлению экологической безопасностью на основе экспресс-прогнозирования развития поставарийной ситуации» приводится оценка уровня загрязненности и методы организации работ по ликвидации разливов нефти. Дана общая оценка степени загрязненности в баллах, проведен сравнительный анализ существующих методов очистки от нефтяных загрязнений. Подробно рассмотрены технические средства для очистки акваторий, включающие средства для сбора плавающих на поверхности воды нефти и мусора; для ограждения загрязненных участков акваторий портов и локализации разливов нефти; для удаления, утилизации или уничтожения собранных с акватории порта загрязняющих веществ; вспомогательные. Основные методы очистки нефтяных разливов заключаются в использовании материалов, поглощающих нефть. Сорбент, пропитанный нефтью, удаляется из воды. Методы очистки поверхности моря от нефтяного пятна включают: механический метод, удаляющий нефть с поверхности моря с использованием боновых заграждений и кораблей-нефтесборщиков; химический, использующий химические вещества, способствующие рассеиванию нефти; методы сжигания и естественных деградаций. Доказано, что механический метод очистки нефтяного разлива является наиболее эффективным. Однако этот метод применим только в спокойных водах. Типичный нефтезадерживающий бон плавает на поверхности воды. Последовательность удаления нефтяных пятен при использовании боновых заграждений и кораблей-нефтесборщиков следующая: определяются местоположения и размеры слика; проводится отделение слика (или множество сликов) от чистой воды специальными нефтезадерживающими бонами; проводится сбор нефти на специальные суда-нефтесборщики. Версия этой системы для сбора нефти, показана в рисунке 10.
Химические вещества, способствующие рассеиванию нефти, увеличивают естественную дисперсию, уменьшая граничную напряженность между нефтью и водой, и способствуют растворению нефти в воде. Химический метод позволяет разбить нефтяное пятно на миллионы корпускул нефти. Корпускулы перемещаются по поверхности моря более легко, чем нефтяной слик, что является недостатком химического метода очистки. Преимущество этого метода: быстрая очистка большой области загрязнения нефтью моря, расположенной на значительном расстоянии от береговой линии; независимость от погодных условий. Метод сжигания применяют для ликвидации нефтяных пленок минимальной толщиной 3 мм. Недостатком метода является загрязнение атмосферы токсичными веществами и, как следствие, применение его в открытом море далеко от побережья. Биодеструкционный метод очистки нефти связан с применением нефтеокисляющих микроорганизмов и предназначен для разрушения тонкой нефтяной пленки.
Технология ликвидации разливов нефти определяется размерами и состоянием пятна и его местонахождением. Ликвидационные мероприятия значительно усложняются при достижении нефтью береговой линии.
Для обоснования сроков принятия экологически эффективных управленческих решений при ликвидации разливов нефти в критических зонах (А, В, С) прибрежных вод Федеративной Республики Нигерия рассмотрена интенсивность протекания процессов деструкции нефти во времени (2,2; 8,4; 14,7; 20,9 часов). В таблице 3 представлены данные численного эксперимента.
Таблица 3 – Данные численного эксперимента
| Номер концентра-ционной карты | Реальное время, ч | Радиус нефтяного пятна, км | Площадь, загрязненная нефтяным пятном, км2 | Смещение края нефтяного пятна, км | Концент- рация в центре нефтяного пятна | Концент- рация на краю нефтяного пятна |
| II | 2.2 | 11.0 | 380 | 17.7 | 0.86 | 0.082 |
| III | 8.4 | 13.0 | 530 | 26.9 | 0.55 | 0.046 |
| IV | 14.7 | 14.3 | 638 | 34.0 | 0.35 | 0.037 |
| V | 20.9 | 15.0 | 706 | 41.7 | 0.21 | 0.024 |
Анализ табличных данных показывает, что в течение первых 20 часов диаметр пятна увеличивается в два раза, площадь – в четыре раза, концентрация нефти в центре пятна значительно изменяется в первые восемь часов и слабо в последующие 14-20 часов, в то время как концентрация растекающихся по поверхности углеводородов в центре пятна изменяется от 0,83 до 0,20 г/дм3, по краю пятна от 0,08 до 0,02 г/дм3, т.е. уменьшается в четыре раза.
Разработанная авторская программа «Slickmovement» позволяет моделировать динамику нефтяного загрязнения в критических зонах Гвинейского залива и оперативно разрабатывать мероприятия по управлению экологической безопасностью в определенные значения времени. Программа дает возможность рассчитать географические координаты направления сил и техники для ликвидации загрязнения. Анализируя поведение нефтяного пятна в критических зонах видно, что наибольшую опасность с точки зрения площади загрязнения представляет зона С после 40,9 часа с момента разлива, так как в течение этого времени пятно достигает критической точки изменения направления течения. Поведение нефтяного пятна в зоне С значительно отличается от поведения его в зонах А и В. В этом случае траекторию движения можно разделить на два явно обозначенных участка. Сначала пятно движется по направлению течения, максимально приближается к берегу, после чего направление меняется, практически под углом 90 градусов, при этом круто изменяется траектория. Пятно изменяет форму, а площадь его увеличивается. В зоне изменения траектории не исключено движение загрязнений к береговой линии, где происходит первичное загрязнение берега. На втором участке пятно движется на близком расстоянии вдоль берега, нанося вторичное загрязнение значительной части береговой зоны.
Следующей по экологической опасности зоной разлива нефти в Гвинейском заливе является зона В в дождливый сезон, так как усиление скорости течения и близость расположения разлива к береговой полосе определяют минимальное время достижения нефтью берега, равное 16,7 часа.
ВЫВОДЫ
- Анализ литературных источников, теории и мировой практики борьбы с нефтяными загрязнениями на поверхности моря показал, что стратегия борьбы за экологическую чистоту региона должна базироваться на широком использовании современных методов математического моделирования, математической статистики современных технологиях и системах технической очистки загрязнений. Создание адекватных математических моделей и их использование в практике предотвращения экологических катастроф в Гвинейском заливе (Федеративная Республика Нигерия) необходимо и своевременно.
- Установлено, что при аварийных и чрезвычайных ситуациях, связанных с загрязнением нефтью двух основных рек Нигерии – Нигера и Бенуэ, морских портов Лагоса, Харкота, Калабара, затоплением нефтеналивных танкеров вблизи берегов Нигерии, основными факторами, влияющими на форму и динамику распространения нефтяного пятна в прибрежных водах Нигерии, являются гидрометеорологические и климатические условия, физические и химические свойства разлившейся нефти.
- Разработана математическая модель нефтяного загрязнения поверхности моря с учетом естественных и искусственных способов деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Федеративной Республики Нигерия с учетом специфических гидрометеорологических и климатических условий Нигерской Дельты.
- Программный комплекс имитационного моделирования “Slickmovement” визуализирующий динамику и деструкцию нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом диффузии, конвективного переноса, биологической деструкции, скорости поверхностных течений Гвинейского залива. “Slickmovement” автоматизировал процессы обработки данных по распространению нефтяных пятен и позволил проводить быстрый поставарийный мониторинг.
- Численный эксперимент по определению направления, динамики и деструкции нефтяного пятна в прибрежных водах Республики Нигерия показал влияние сезона года, поверхностных течений, физических параметров и экологических факторов для зон аварийных и чрезвычайных ситуаций. Время, необходимое нефтяному пятну, чтобы достигнуть побережья Республики Нигерия, при выбросе на расстоянии 30 км (6006 северной широты и 40 05 восточной долготы) от берега, составило 29 часов, чтобы достичь берега в точке примерно 60 20 северной широты и 40 26 восточной долготы в сухой сезон и 21 час в точке примерно 60 20 северной широты и 40 26 восточной долготы в сезон дождей. В Республике Нигерия, за один и тот же период времени, нефтяной разлив загрязняет большую область моря в сезон дождей, чем в сухой сезон. Концентрация нефтяного пятна уменьшается быстрее в сезон дождей, чем в сухой сезон. Основной причиной этого являются различия поверхностных течений в сухой сезон и сезон дождей.
- Построенная математическая модель позволяет дать прогноз динамики разлитой нефти и для выбора необходимых ликвидационных мероприятий. Методы очистки нефтяного загрязнения на поверхности моря состоят из механического метода, удаляющего нефть с поверхности моря с использованием боновых заграждений и кораблей-нефтесборщиков, химического метода, использующего химические вещества, методов сжигания и естественных деградаций. На основе экспериментальных результатов комплексного изучения поведения нефти во время аварийных и чрезвычайных ситуаций предложены рекомендации по использованию методов для очистки нефтезагрязненных областей на поверхности моря и порядок их использования.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРИВЕДЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ
ПУБЛИКАЦИЯХ:
Список научных публикаций по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК
- Оби Э.О, Чередниченко В. Г. Моделирование динамики нефтяного пятна в прибрежной области//Экология и промышленность России. - 2009.- С.34-35.
- Оби Э. О. Математическое моделирование динамики и деструкции нефтяного пятна на поверхности моря// Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2008.- №2-3.- С. 112-114.
- Оби Э. О. Воздействие нефтяного пятна на окружающую среду// Известия высших учебных заведений. Пищевая технология.- 2008.- № 4.- С. 102-103.
- Оби Э. О. Сравнительный анализ математических моделей динамики и деструкции нефтяного пятна на море//Научно-технические ведомости, Санкт-Петербург. - 2008. -№3(60).- С. 211-214.
Другие научные работы
- Оби Э. О., Шапошникова Т. Л. Математическое моделирование нефтяного загрязнения прибрежных вод Республики Нигерия//Журнал научных публикации аспирантов и докторантов. - 2008. -№4.-С. 168-171.
- Чередниченко В. Г., Оби Э.О. Моделирование динамики нефтяного пятна в прибрежной области//Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.- 2008.- № 6.- С. 94-98.
- Оби Э. О., Шапошникова Т. Л. Математическое моделирование динамики и деструкции нефтяного пятна на акватории моря//Материалы VII объединенной научной конференции студентов и аспирантов факультета компьютерных технологий и прикладной математики, Краснодар, 18-23 апреля 2007г.
- Оби Э.О., Шапошникова Т.Л. Анализ математических моделей динамики и деструкции нефтяного пятна на море. Материалы конференции «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах». – Краснодар, 2007. С. 45-46.
- Оби Э. О., Шапошникова Т. Л. Математическое моделирование динамики распространения нефтяного пятна на поверхности моря//ГеоИнжиниринг. Аналитический научно-технический журнал. – 2009.-№2.- С. 78-81.
