Июл 10 2001

АВАРИЙНЫЙ РАЗЛИВ НЕФТИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНОГО ПЯТНА

Опубликовано в 07:56 в категории Экология Черного моря

АВАРИЙНЫЙ РАЗЛИВ НЕФТИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНОГО ПЯТНА

А.Г. Тарнопольский

Одесский государственный экологический университет, Украина

The emergeney over flow of oil and modeling

the spread of the oil slick

A.G. Tarnopolsky

The hydrodynamics model of the oil slick spread after emergency overflow is described. The transfer of the slick as whole under influence of the drift currents and the running oil on the sea surface are examined. The drift currents are calculated by author’s version of the shelf boundary layer model, and the dimensions of axis-symmetrical the oil slick are determined in consideration of three stages of the running oil.

The example of the model calculation of the slick dynamics after emergency overflow in Odessa bay by the constant east wind velocity 10 m/s is brought.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространёнными загрязняющими веществами в Мировом океане. Существует множество источников загрязнения моря нефтью. Особенно опасны разливы нефти при аварийных ситуациях на буровых установках нефтедобычи в прибрежной полосе и в открытом море, повреждении трубопроводов, проложенных вблизи дна, и при транспортировке нефти танкерами. Несмотря на принимаемые меры безопасности, ни один из способов добычи и перевозки нефти, к сожалению, не исключает аварийные случаи, когда нефтяному загрязнению могут быть подвергнуты обширные акватории моря.

Если разлив нефти всё-таки произошёл, то проводится операция по снижению негативного воздействия на морскую экосистему. Успех операции по своевременной очистке моря от загрязнения, правильный выбор технических средств и технологии сбора нефти зависят от прогноза поведения нефти в море под действием внешних факторов.

Процесс распространения нефтяных пятен в море осуществляется по сложным законам. Механическое перемещение, турбулентное перемешивание и физико-химические изменения зависят от турбулентно-циркуляционных параметров морской среды и свойств самого вещества. К основным физико-химическим изменениям нефти под воздействием внешних факторов относятся испарение, эмульгирование, растворение в воде и биохимическое окисление. Решение такой сложной многофункциональной задачи требует комплексного подхода, в котором должны сочетаться исследования гидродинамической структуры моря и физико-химических изменений нефти при её взаимодействии с окружающей средой.

По нашему мнению, эффективные методы диагноза и прогноза распространения пятен нефти в море должны разрабатываться совместно гидродинамиками и нефтехимиками. Океанологи могут корректно описать циркуляцию вод и турбулентное перемешивание, а гидрохимики – изменение физико-химических свойств нефти. К сожалению, на практике сотрудничество таких специалистов, как нам представляется, осуществляется недостаточно эффективно, особенно в нашем регионе.

В настоящей статье проблема рассматривается с позиций гидродинамики [1].

Распространение нефтяной плёнки по поверхности моря представим как суперпозицию двух условно независимых процессов: первый – перенос плёнки как целого под действием ветра, морских течений и поверхностных волн, т. е. дрейф плёнки, и второй – растекание плёнки по спокойной воде, приводящее к увеличению площади с течением времени [2, 3]. Последовательно рассмотрим влияние на динамику нефтяного пятна каждого из вышеперечисленных факторов.

Существуют три основные причины переноса нефтяной плёнки как целого:

– поверхностные дрейфовые течения, которые формируются под воздействием тангенциального напряжения приводного ветра;

– приливные, сгонно-нагонные и другие морские течения;

– волновой дрейф, создающий перенос массы по направлению распространения волны (стоков дрейф).

В реальных условиях, когда плёнки нефти распространяются на большие расстояния, на их движение может оказывать существенное влияние пространственно-временная изменчивость полей ветра, течений и волн, их случайный характер. Поэтому расчёт движения плёнки как целого существенно усложняется. Однако, при решении практических задач переноса нефти в северо-западной части Чёрного моря можно в первом приближении полагать, что определяющее влияние на скорость перемещения пятна нефти оказывает ветровой дрейф. Как известно, из-за относительной мелководности этого района моря циркуляция вод здесь характеризуется преобладанием ветровой составляющей [4].

Поэтому для оценки скорости морских течений воспользуемся математической моделью шельфового пограничного слоя (ШПС), разработанной автором и описанной в [5-7]. Изложим ее основные отличительные особенности. Сконструирована двухпараметрическая гидродинамическая модель ШПС, основанная на К-теории. Для замыкания системы уравнений движения привлекаются уравнения баланса кинетической энергии турбулентности b и для скорости ее диссипации e, а также соотношение Колмогорова, связывающее коэффициент вертикального турбулентного обмена k c b и e. Такой подход позволяет характеристики вертикального турбулентного обмена рассматривать как внутренние параметры задачи и рассчитывать их совместно с морскими течениями. С помощью задания граничных условий одновременно описывается воздействие атмосферы, дна и берега на структуру ШПС, что в наибольшей степени отражает реальные гидрофизические условия прибрежной зоны моря. Решаемая нами задача постепенно усложнялась. Сначала предполагалось, что море является стационарным, горизонтально-однородным и безразлично стратифицированным [5], затем учитывались стратификация вод [6] и влияние берега [7]. Численные эксперименты показали, что структура ШПС, в основном, формируется под воздействием ветра W, шероховатости морского дна zo , глубины моря H и силы Кориолиса, зависящей от широты места j. Тогда при фиксированных j и zo вектор скорости поверхностного дрейфового течения V является функцией только от скорости приводного ветра W и глубины моря H (таблица). В дальнейшем будем полагать, что центр тяжести нефтяного пятна перемещается по поверхности моря со скоростью V.

Рассмотрим теперь растекание нефти после аварийного разлива по поверхности спокойной воды и оценим зависимость размера пятна нефти от времени t, прошедшего с момента аварии. Предположим, что пятно осесимметрично с радиусом r=r(t), а свойства нефти и ее объем t не зависят от t, т.е. t » r2h = const, где h(t) - толщина пленки. В естественных условиях пятно растекается неравномерно и принимает форму эллипса.

Согласно теории Фэя, изложенной в [2,3], весь процесс растекания нефти по поверхности моря можно условно разделить на три стадии в зависимости от того, какие силы определяют динамику пятна.

Первая (инерционная) стадия при малых временах определяется приближенным равенством сил гидростатического давления (основной движущей силы) и инерции. Приравнивая силу давления силе инерции, получим:

                                             (1)

где ,  и  –плотности морской воды и нефти,  – ускорение свободного падения, Ci. – безразмерная постоянная.

Таблица . Модуль вектора поверхностного дрейфового течения V (см/с) (числитель) и угол его отклонения вправо Dy (град.) от направления скорости приводного ветра (знаменатель) для безразлично стратифицированного моря (j = 46о с.ш., zo = 0,1 см)

Глубина

Скорость приводного ветра W, м/с

H, м

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

5

3,8

28,0

6,0

44,0

15,7

46,6

25,8

38,9

33,2

31,5

39,3

25,2

44,6

20,2

48,7

16,2

10

3,9

22,6

6,7

31,4

10,8

44,5

18,9

53,6

28,3

53,7

38,3

49,4

47,7

43,3

56,1

37,1

15

3,9

22,4

6,7

26,7

9,8

35,9

15,0

48,5

21,7

55,9

30,6

58,6

41,0

57,2

51,7

53,2

20

3,9

22,4

6,9

25,6

9,8

31,3

13,7

41,8

18,4

51,0

25,1

57,8

33,7

61,1

44,0

61,2

25

3,9

22,4

6,9

25,6

9,9

29,2

13,4

37,2

17,1

45,6

21,9

53,7

28,7

59,8

37,4

63,1

30

3,9

22,4

7,0

25,8

10,0

28,3

13,4

34,2

16,5

41,3

20,5

49,1

25,6

56,4

32,7

61,8

40

4,0

22,5

7,0

25,9

10,2

28,1

13,6

31,4

16,4

36,1

19,4

42,2

23,0

48,9

27,6

55,7

50

4,0

22,5

6,9

25.9

10,2

28,5

13,8

30,6

16,6

33,6

19,3

38,1

22,2

43.5

25,7

49,6

75

4,0

22,6

7,0

25,9

10,2

28,7

14,1

31,0

17,1

32,5

19,8

34,5

22,4

37,2

25,0

41,0

100

4,0

22,6

7,0

25,9

10,2

28,7

14,1

31,2

17,3

32,9

20,2

34,1

23,0

35,6

25,5

37,7

На второй стадии разлива (гравитационно-вязкой) при несколько больших временах, когда толщина пленки становится сравнимой с  силы вязкости начинают преобладать над силами инерции. Приравнивая силу давления силе вязкости, найдем

,                                      (2)

где  – коэффициент кинематической вязкости,  – безразмерная постоянная.

Наконец, при еще больших временах, а значит, и меньших толщинах пленки, выделяют третью стадию, которую называют стадией поверхностного натяжения. В этот период растекание нефти происходит под действием двух основных сил - поверхностного натяжения и вязкости, а силы давления и инерции оказываются незначительными. Приравнивая силу вязкого сопротивления силе поверхностного натяжения, получим

                                        (3)

где К –коэффициент растекания, равный для большинства типов нефти  Н/м, Ck – безразмерная постоянная.

Так как процесс растекания нефтяного пятна разделен на три стадии, то продолжительность существования каждой стадии определяется из условий равенства размеров пятна на временных границах рассматриваемых периодов.

Подробный вычислительный алгоритм решаемой задачи изложен в [1]. Приведём пример модельного расчёта динамики нефтяного пятна после аварийного разлива с использованием данных таблицы и формул (1) – (3). Рассмотрим следующий сценарий: в 25 км южнее порта Южный (южнее Одесской банки) произошёл аварийный разлив 10000 м3 нефти, глубина моря в указанном районе 22 м, в течение двух суток после аварии дул устойчивый восточный ветер со скоростью 10 м/с. После разлива нефти в Одесском заливе пятно начнёт перемещаться к берегу в сторону Одессы. Через 6 и 12 часов его радиусы достигнут соответственно 1170 и 1400 м. После 42 часов с момента разлива западный край пятна коснётся берега в районе Ланжерона, если не будут приняты оперативные меры для локализации нефтяного поля и сбора нефти.

Таким образом, задачи сводится к расчёту скорости морских течений, определению траектории центра тяжести пятна нефти и его растеканию в горизонтальной плоскости.

По нашему мнению, выполненное исследование можно рассматривать как гидродинамический блок экспресс-методики расчёта динамики нефтяного пятна и теоретическую основу для поддержки принятия хозяйственных решений по ликвидации разливов нефти.

Рисунок – Динамика нефтяного пятна (заштрихованная область) при восточном ветре 10 м/с. Изобаты – точечная линия (м), числа в центре пятна – время (ч) после аварийного разлива

Литература

1. Тарнопольский А. Г. Моделирование распространения нефтяной плёнки по поверхности моря после аварийного разлива // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2001. – Вип. 43. – С. 198 – 210.

2. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 376 с.

3. Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 280 с.

4. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. IV. Черное моря. Вып. 1. Гидрометеорологические условия / Под ред. А.И. Симонова, Э.Н. Альтмана. - С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1991. - 430 с.

5. Тарнопольский А.Г. Турбулентность шельфовой зоны моря // Морской гидрофиз. журн. - 1991. - № 1. - С. 29-35.

6. Тарнопольский А.Г. Вертикальная структура неглубокого турбулентного моря // Труды ГОИН. - 1991. - Вып. 202. - С. 99-109.

7. Тарнопольский А.Г. Моделирование гидрофизических процессов шельфовой зоны моря. - В сб.: Диагноз состояния морской cреды Азово-Черноморского бассейна. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 1994. - С. 145-151.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.