мая 27 2003

оптимизация расположения возможных источников нефтяного загрязнения

Опубликовано в 23:26 в категории Проблемы Черного моря

оптимизация расположения возможных источников нефтяного загрязнения

(Программа “OilModel”)

В. Н. Коморин

Украинский научный центр экологии моря, Одесса

Морские экосистемы Черного и Азовского морей находятся под значительным антропогенным влиянием, в первую очередь проявляющимся в физическом, химическом и биологическом загрязнении морской среды [1]. Одними из наиболее распространенных и опасных видов химического загрязнения в Черном море являются нефтепродукты [2]. 

Актуальность темы нефтяного загрязнения для украинской части Черного моря (в особенности для ее шельфовой зоны) обусловлена резким возрастанием объемов перевозок нефти на традиционных маршрутах и открытием новых маршрутов нефтяных потоков. Рост риска нефтяного загрязнения увеличил роль экологического страхования в экономике страны. В значительной степени данная проблема касается северо-западной части Черного моря, экосистема которой, с одной стороны, наиболее чувствительная для антропогенной нагрузки, а с другой имеет наибольшее антропогенное влияние. Для решения на высоком уровне задач, связанных с экологическим риском нефтяного загрязнения, одной из которых является оптимизация расположения возможных источников нефтяного загрязнения, требуется привлечение математических имитационных моделей.

Краткое описание модели распространения нефтяного слика на поверхности моря. В модели используется эйлерово-лагранжевый подход, который был выработан на основании работ Беляева В. И. [3], Овсиенко С. Н. и Зацепы С. Н. [4, 5], Fay J. A. [6], Озмидова Р. В. [7].

Для решения задачи оптимизации расположения возможных источников нефтяного загрязнения подготовлена отдельная реализация модели, основанная на решении сопряженной задачи по методу Марчука Г. И. [8]. Рассматриваемая модель состоит из двух субмоделей: модели динамики моря в эйлеровой системе координат и модель динамики нефтяного пятна в лагранжевой системе координат.

Гидродинамическая модель построена на базе теории мелкой воды, с возможностью получить вертикальный профиль скоростей течений в интересующий исследователя момент времени [9, 10].

Нефтяное пятно в лагранжевой системе координат представлено в виде значительного количества частиц, имеющих определенную массу. Частицы поступают в море со скоростью, равной скорости поступления нефти. В дальнейшем частицы перемещаются под действием ветра, течений, сил плавучести и поверхностных напряжений. Масса частиц меняется в результате процессов испарения и захватом части нефти береговой чертой.

Входными данными модели являются: координаты и объем нефтяного сброса (режим сброса, траектория движения источника загрязнения), тип нефти (нефтяных продуктов), ветровой режим в районе разлива (модуль, направление), течения на поверхности моря (которые могут быть рассчитаны с помощью гидродинамической модели), а также тип береговой черты (для случая, когда разлив произошел вблизи берега).

Рассмотрим случай мгновенного выброса 100 т нефти в районе п. Южный. Поскольку наибольшую опасность представляет перенос нефтяного пятна в направлении Одесской рекреационной зоны, то в качестве входных данных зададим ветер, при котором существует наибольшая вероятность этого события: юго-восточный ветр с силой 10 м/с. Поля установившихся течений для заданного ветра предварительно были рассчитаны по гидродинамической модели, описанной выше. Полученные результаты расчета динамики пятна представлены на рис. 1. Они хорошо согласуются с данными, приведенными по аналогичному численному эксперименту в работе [11].

Сопряженная задача распространения нефти по поверхности моря. Решение задачи оптимизации расположения возможных источников нефтяного загрязнения связано с решением сопряженной задачи распространения нефти на поверхности моря [8, 11]. В соответствии с [8] формулировка сопряженной задачи вытекает из двойственного представления функционала:

,

где C, f  - концентрация нефти и источник загрязнения прямой задачи, а  С’ и р – концентрация и заданная функция обратной задачи.

Рис. 1 - Динамика смещения нефтяного слика в случае мгновенного сброса 100 т нефти в районе п. Южный при действии юго-восточного ветра 10 м/с: 3 ч (а), 6 ч (б), 12 ч (в), 24 ч (г). Расчеты проведены с помощь программы Oil Model

Оптимальными для размещения возможных источников нефтяного загрязнения будут являться точки, соответствующие областям минимума функционала J.

В качестве примера рассмотрим задачу, представленную в работе [11]. Пусть необходимо расположить возможные источники загрязнения  нефтью таким образом, чтобы предотвратить (или минимизировать) загрязнение в зонах, приведенных на рис. 2 (а).

Функцию р(x, y) зададим в виде:

                             (9)

Основным фактором, определяющим циркуляцию вод в СЗЧМ, является ветер. Поля установившихся течений для типовых синоптических ситуаций предварительно были рассчитаны по гидродинамической модели.

Результаты расчета функционала J, где светлые области соответствуют более благоприятному расположению возможных источников нефтяного загрязнения в соответствии с заданными начальными условиями, представлены на рис. 2.

Поскольку использование сложных математических моделей зачастую сопровождается значительными трудностями, то для возможности задать начальные условия и влияющие факторы, запустить модель для расчетов и визуализировать результаты была создана программа “OilModel”. Данная программа может служить в качестве математического инструмента при проведении ОВОС, экологического страхования и экологических экспертиз финансово-емких и рискованных в экологическом отношении технических проектов, реализация которых в той или другой мере связанная с влиянием нефтяного загрязнения на территориальные воды Украины.

Рис. 2 - Расположение задаваемых районов природоохранных зон (а) и результаты расчета функционала J (б). Расчеты проведены с помощь программы Oil Model.

Список литературы

1.Беляев В. И. Моделирование геохимических процессов в морском прибрежном экотоне. Київ”Наукова думка” 240 с. 1993 г.

2. Орлова И. Г., Коморин В. Н. Оценка общего уровня химического загрязненности экосистем Черного и Азовского морей. // Наукові записки. Серія: біологія. Періодичне видання Тернопільського педагогічного університету №4(15), 2001. C. 141 - 142

3. Беляев В. И. Кинетическая теория систем, состоящих из макроскопических частиц и ее приложение к задачам экологии. МГИ НАН Украины. – Севастополь, 1998. – 236 с.

4. Зацепа С. Н., Овсиенко С. Н. «Численное моделирование распространение нефти в море»/ Методология прогнозирования загрязнения океанов и морей. –М.: Гидрометеоиздат. 1986. с. 152 – 154.

5. Зацепа С. Н., Овсиенко С. Н. «Особенности численного моделирования начальных стадий распространения нефти в море»/ Океанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений. – М.: Московское отделение Гидрометеоиздата. 1990. с. 34 – 38

6. Fay J. A. Physical processes in the spread of oil on a water surface. – Proc. Joint Conf. Prevention and Control Oil Spills, Washington, D. C., Amer. Petrol. Inst. 1971. p. 463 –467

7. Озмидов Р. В. Диффузия примеси в океане. –Л.: Гидрометеоиздат. – 1986. 280 с.

8. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. - М.: Наука, 1982. -320 с.

9. Коморин В. Н., Тучковенко Ю. С. Использование численной гидродинамической модели для прогноза сгонно-нагонных колебаний уровня моря в портах северо-западного шельфа Черного моря// Метеорологія, кліматологія та гідрологія. Одеса: ТЄС. - 2002 г. С. 324 - 331

10. Коморин В. Н., Тучковенко Ю. С. Использование численной модели, построенной на базе теории мелкой воды, для решения задач диагноза и прогноза параметров морской среды Черного моря// Екологічні проблеми Чорного моря. Попередні результати реалізації Стратегічного плану дії по відновленню і охороні чорного моря (1996 - 2001). - ОЦНТЕІ, Одеса 2001. С. 135 - 140

11. Лонин С. А., Рясинцева Н. И., Тучковенко Ю. С. К вопросу размещения нефтеперевалочного комплекса в прибрежной зоне Черного моря в районе г. Одессы// Диагноз состояния среды прибрежных и шельфовых зон Черного моря. Сб.науч.тр НАН Украины, МГИ.-Севаст.,1996. -С.162-171.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.