Коротенко Константин Александрович



Скачать 237.94 Kb.
Дата31.10.2014
Размер237.94 Kb.
ТипДокументы

Коротенко Константин Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЯТЕН НЕФТИ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ КАСПИЙСКОГО МОРЯ

Разработана комплексная численная модель для описания переноса неконсервативных примесей в море применительно к пятнам нефти, появляющихся в результате аварийных разливов. Для численного исследования были выбраны прибрежные воды к северу от Апшеронского полуострова (Каспийское море). Модель, основанная на Монте-Карло методе, включает реальную донную топографию, а также характерную термохалинную структуру данного района. Моделируются различные аспекты воздействия на поведения нефтяных пятен, включая специфические характеристики самой нефти и гидродинамику исследуемого района. Моделирование последней выполняется на основе модифицированной, трехмерной, многоуровневой модели, известной как Принстонская Модель Океана. Динамика прибрежных вод и перенос пятен нефти изучаются для различных метеорологических условий и обсуждаются с целью получения надежной оценки риска в случаях разливов нефти.



  1. ВВЕДЕНИЕ

Открытие новых богатых месторождений нефти на шельфе морей и океанов активизировало поиски путей эффективной и безопасной транспортировки нефти в море. Наряду с традиционным способом – перевозка нефти и нефтепродуктов с помощью танкеров – в последние годы весьма интенсивно разрабатываются проекты прокладки трубопроводов по дну моря, что удешевит и, как кажется, обезопасит сам процесс транспортировки нефти. Однако как первый способ, так и второй не исключают аварийные ситуации, при которых весьма вероятны разливы нефти и загрязнение обширных акваторий моря. В связи с этим на первый план выходят вопросы эффективного и точного прогноза загрязнения морской среды и оперативной выработки предложений по ликвидации его последствий.

Процесс распространения нефтяных пятен в море является весьма сложным процессом, зависящим от большого числа факторов, определяющих как состояние окружающей среды, так и свойств самого вещества. Поэтому решение этой многофункциональной задачи требует комплексного подхода, включающего в себя как одного из важных направлений исследование структуры гидрофизических полей моря и их изменчивости под воздействием гидрометеорологических факторов. Традиционно же проблемами нефтяного загрязнения морских акваторий занимаются специалисты – нефтехимики. При этом оценки и прогнозы строятся, как правило, на достаточно высоком уровне описания свойств нефти и, часто, довольно грубых представлениях о характере движения и перемешивания вод в море. Это снижает ценность таких прогнозов, а иногда и просто ставит под сомнения ценность многих результатов и выводов [4, 6].

При постановке задачи о переносе нефтяного загрязнения в море необходимо адекватно описывать не только физико-химические свойства самой нефти и характер источников загрязнения, но и такие характеристики водной среды как течения, волнение, стратификацию, взаимодействия моря и атмосферы.
2.

МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ

Метод моделирования основан на расчете количества/концентрации нефти в пятне, остающейся по мере распространения его в море. В качестве исходной модели использована модель переноса вещества с учетом его специфических свойств и характера взаимодействия со средой. Для расчета процесса распространения вещества необходимы знания также о гидрофизических полях самой среды. Предлагаемая ниже модель универсальна и позволяет описывать не только нефтяное загрязнение, но и любую неконсервативную примесь, если известны законы ее взаимодействия со средой. В качестве конкретного района для применения модели взята прибрежная зона Каспийского моря в районе Апшеронского п-ва. Динамика вод этого района отличается значительной сложностью и изменчивостью [5], поэтому для ее моделирования необходимо применение моделей, позволяющих с высокой степенью точности описывать поля скорости течения, температуры и солености [12].



    1. Моделирование механизмов переноса нефти.

При моделировании процессов распространения нефти в море, наряду с физическими механизмами, определяющими движение слика, важное значение имеет правильное моделирование свойств самого вещества, которые определяют его устойчивость/деградацию и взаимодействие с окружающей средой, а также определение характеристик возможных источников. Нефть представляет собой классический пример неконсервативного вещества, от правильного моделирования характеристик которого зависит точность решения проблем прогноза нефтяного загрязнения акватории.

В качестве возможных причин и источников нефтяного загрязнения моря могут быть аварии танкеров и аварии на подводных трубопроводах. В первом случае нефть растекается пятном на поверхности моря. При этом в зависимости от количества нефти и скорости истечения при моделировании этот разлив может представляться либо в виде «залпового» выброса, либо в качестве непрерывного поступления нефти в течение определенного промежутка времени. В случае аварий трубопроводов происходит глубинный выброс нефти, моделирование которого представляет определенные трудности, связанные с особенностями выхода нефти на поверхность из глубинных слоев.

Кратко остановимся на тех механизмах, которые, в общем, в большей или меньшей степени определяют поведение пятна нефти в море [11]. К ним относятся начальное формирование слика под воздействием гравитационных сил, адвективный перенос, турбулентное перемешивание, испарение, эмульгирование, диспергирование, фотоокисление, растворение, биодеградация и оседание. Некоторые из этих процессов, наряду с изменением объема, меняют также такие свойства нефти как плотность и вязкость. Рассмотрим наиболее важные из этих процессов с точки зрения изменения объема нефти и ее свойств в процессе переноса.

Гравитационное растекание. Если некоторый объем нефти V попадает в море, то силы гравитации довольно быстро приводят к формированию слика на поверхности. Площадь его A, согласно [10, 14], можно оценить по формуле

(1)

где K1 – размерный коэффициент, равный 150/с; t – время. Процесс гравитационного растекания обычно занимает короткий промежуток времени, поэтому в моделях долгосрочного прогноза поведения нефти в море его, как правило, не учитывают или по формуле (1) оценивается начальная площадь пятна.



Адвекция. Движение пятна нефти как единого целого происходит под воздействием течения, компоненты вектора Vi которого определяются совокупностью ряда составляющих:

, (2)

где Ki и Vi соответствуют ветровому и волновому дрейфу пятна, которые

в общем случае могут не совпадать по направлению, средняя скорость дрейфового течения и обозначает среднюю климатическую составляющую скорости течения. Дрейф пятна под непосредственным воздействием ветра и волн учитывался на основе соотношения для случая, когда волнение развивается в направлении ветра [18].

Турбулентная диффузия. Капли нефти, образующиеся из-за процесса диспергирования (см. ниже), находятся также под воздействием процессов горизонтального и вертикального перемешивания, эффективность которого, помимо интенсивности процессов диффузии, будет определятся также размером и плотностью капель. Некоторые большие капли могут подниматься кверху, примыкая к поверхностному слику, но если турбулентность достаточно интенсивна, то большинство их остается в толще воды, что в совокупности с поверхностным сликом составляет пятно нефти, охватывающее определенный приповерхностный слой моря.

В простейшем случае для аналитического описания распределения нефти по глубине (z) в результате турбулентного перемешивания используется полуэмпирическая формула [14]:

C = , (3)

где Cs – концентрация нефти на поверхности моря. По результатам исследования было найдено, что эффективный коэффициент вертикальной турбулентной диффузии нефти Dv – порядка 0.0126 кв. м./с. По данным [8], спустя 70 ч после выброса, нефть может занимать слой толщиной до 10 м, при этом ее концентрация во всем слое не превышает 2-4 % от начальной.



Испарение. Наиболее важной характеристикой для любой нефти является скорость ее испарения. Когда нефть выливается на поверхность моря, летучие компоненты с низкой точкой кипения (boiling point), которые входят в ее состав, будут быстро испаряться, уменьшая объем нефти. Таким образом, испарение является начальным процессом удаления нефти с поверхности моря. Этот процесс для большинства типов нефти является наиболее важным. В процессе испарения нефть может терять в первые сутки около 25-30% ее легких фракций. Более тяжелые фракции нефти более устойчивы из-за ограниченного испарения, поэтому испарение нефти может продолжаться месяцы. Для учета этого важного свойства в работе использовался так называемый псевдо-компонентный подход, предложенный в работах [19, 14]. Суть этого подхода в том, что нефть представляется в виде набора углеводородных фракций, сгруппированных по молекулярному весу и физико-химическим свойствам. В работе, как и в [24], рассматривается 8 фракций, включая основные легкие и тяжелые фракции. Такой подход более точно описывает процесс испарения каждой из фракций и смеси в целом. При этом скорость потери массы – dmi|dt каждой (i – той) из компонент в результате испарения, согласно [15], может быть рассчитана на основе известного давления ее паров Pi, молекулярной массы Mi и площади растекания А:

, (4)
где R – газовая постоянная; T oil – температура нефти; fi – доля i – той фракции и KE – коэффициент массового переноса углеводородов, связанный со скоростью ветра UA:

, (5)

Процесс испарения приводит также к увеличению вязкости нефти . Согласно [14], это изменение задается формулой = 0 (СFE), где 0 – начальная вязкость, С- коэффициент порядка 1-10, выбираемый в зависимости от типа нефти.



Эмульгирование. Под механическим воздействием волн капли воды могут захватываться нефтяным пятном, образуя эмульсии типа «вода в нефти». По вязкости такие эмульсии могут быть в широком диапазоне и характеризоваться высокой вязкостью и устойчивостью к действию химических диспергаторов. Образование сильно разбросанных мест высоковязкой нефти или эмульсий затрудняет механический сбор загрязнения.

Процесс, управляющий образованием эмульсии, не совсем ясен, поэтому для оценки скоростей эмульгирования используются различные эмпиричекие формулы. Следуя [14], изменение водосодержания нефти Yw часто представляется в следующем виде:



dYw = KA (1 + UA)2 (1 – KBYw), (6)

dt

где KA – величина, обратная максимальному водосодержанию Yw в эмульсии (0.8), а KB – подгоночный коэффициент порядка 1.43, значение которого подбирается в зависимости от скорости ветра.



Формула (6) показывает, что практически любая нефть, в конечном счете, эмульгирует до одной и той же степени (т.е. до водосодержания 80%) и это происходит с одной и той же скоростью. Есть, однако, доказательства, что разные типы нефти связывают разный объем воды, и скорость этого процесса меняется в зависимости от типа нефти. Однако отклонение от (6) при этом не велико. Следует отметить, что легкие вещества, такие как бензин и керосин, не образуют эмульсий.

Процесс эмульгирования так же, как и процесс испарения, сопровождается увеличением вязкости нефти. Согласно [14]:



2.5Yw

= 0 exp 1.0 – 0.65Yw , (7)

Диспергирование. Диспергирование является процессом, в результате которого нефть или эмульсия удаляется с поверхности морской воды под воздейтсвием турбулентного перемешивания и воздействия поверхностных волн. Этот процесс включает в себя образование нефтяных капель, размер диаметра которых находится в диапазоне от 1 до 500 м и которые находятся в вертикальном движении. Характерно, что капли диаметром менее 70м будут оставаться в диспергированном состоянии почти в любых морских условиях. Движение таких капель происходит под воздействием турбулентной диффузии, конвекции и сил плавучести и, если они остаются ниже поверхности воды, то считаются диспергированными. При этом, в отличие от испарения, процесс диспергирования идет с одинаковой скоростью, вне зависимости от фракционного состава нефти.

Согласно [20], увеличение массы капель благодаря ветровому воздействию можно описать формулой

dm = 0.4m W2

dt W02e –0.5t . (7а)

Процесс диспергирования можно трактовать как работу непрерывно действующего источника, распределенного на поверхности и поставляющего частицы (капли) нефти в нижние слои моря. В этом смысле процесс переноса нефтяных загрязнений следует трактовать как существенно трехмерный. При этом для практических целей часто используются оценки потока массы нефтяных капель (droplets) QR. Согласно [9], для выражения потока QR используется следующая эмпирическая формула:

QR (d0) = C (0) DBA 0.57 SCOV FWCd 0.7 d, (8)

где QR(d0) – поток массы капель с размером в интервале d0 + d; FWC = cb (UA – Uwi) Tw – доля поверхности моря, покрытая опрокидывающимися волнами; Tw – период волны; Uwi – начальная скорость ветра, при которой начинается опрокидывание (5 м/с); cb – константа (0.32 с/м); S COV – доля водной поверхности, покрытая нефтью; DBA = 0.0034pwgH2RMS – средняя энергия диссипация опрокидывающихся волн со среднеквадратичной высотой H; g – ускорение свободного падения; С(0) – эмпирический коэффициент, зависящий от вязкости нефти: С(0) [(TOIL)] –1 и pw – плотность воды.






Время, ч

1000 10000




100


10

Фотоокисленне

Биодеградация

Растворение

Осаждение

Формирование "Таг-Ваlls"


Рис. 1. Соотношения вкладов основных процессов в изменение количества нефти во времени (модификация по [23]).

Изменение плотности. В результате испарения и эмульгирования нефти ее плотность может существенно меняться. Некоторые сорта нефти в результате этих процессов могут становиться плотнее воды и тонуть, но большинство все же остается на поверхности моря, хотя их плотность становится близкой к плотности воды. Изменение плотности нефти, согласно [14], можно записать в виде
PE = YWPW + (1 – YW)(pc + CpFE), (9)
где ре — плотность эмульсии; рс плотность сырой нефти и Ср - константа, зависящая от сорта нефти (0.2рг).

На рис. 1 представлена структура вкладов различных процессов в изменение массы нефти на определенных этапах развития процесса переноса. Видно, что вначале основное влияние оказывают испарение, эмульгация и диспергирование, в то время как окисление, растворение, биодеградация и осаждение начинают оказывать существенное воздействие спустя 30—40 сут. Это позволяет при постановке конкретной задачи и периода прогноза загрязнения задавать те конкретные процессы, которые необходимо учитывать, опуская второстепенные.



2.2. Модель переноса вещества. В основе модели переноса вещества лежит метод Монте-Карло [2,13, 17,21,22]. Суть этого метода состоит в прямом моделировании движения частиц, поступающих от источников в исследуемую среду. При моделировании [ 13] вся траектория движения каждой частицы представляется из отрезков, которые она проходит за выбранный шаг по времени. При этом перемещение частицы за единичный интервал составляется из детерминированного движения, благодаря осредненному полю скорости течения, и случайного - за счет турбулентности. Алгоритм расчета приращения координат(xi)jk| для k-й частицы в j-й промежуток времени tj можно записать в виде
(x)j k = Vji tj + (ni)j k (10)

(i = 1,2; j = 1,2…, Nt; k = 1,2,…, N),


(x3 ) j k = (V3 )jk tj + (n3)j k , (11)
где (x)j k - проекция на ось xi приращения k-й частицы за j-й шаг по времени, Nt - число шагов по времени; N - число частиц, V j i - проекции на ось xi вектора скорости течения и (ni)j k случайные приращения координат xi во время j-го шага.

Первый член в (10) и (11) определяет движение частицы под воздействием осредненного (за tj) поля скорости течения, а второй описывает влияние пульсаций скорости течения на движение частицы. Уравнение для вертикальной компоненты приращения (11), в отличие от обычных моделей на базе метода блуждающих частиц, выделено в связи с тем, что детерминированнное вертикальное приращение радиус-вектора k-й частицы в общем случае будет определятся не только вертикальной компонентой осредненного поля скорости течения, но и (причем часто в большей степени) оседанием или подъемом частиц многокомпонентной примеси. Из-за этого – зависимость результирующей вертикальной скорости от номера частицы. Следует отметить, что поскольку размеры и плотность частиц являются величинами, зависящими от состава нефти, и могут меняться в процессе переноса, то каждая частица в процессе переноса должна хранить и обновлять соответствующую информацию.

Исходя из уравнений (10) и (11), траектории частиц можно рассчитать, если известны поле средней скорости течения и закон распределения (ni ) j k как функции координат и времени, а также законы, отражающие состояние каждой частицы. Вид закона распределения (ni )jk определяется статистической структурой отклонений (пульсаций) скорости от среднего значения за время расчетного шага по времени. Если предположить, что эти пульсации являются слабозависимыми величинами, то можно считать закон распределения (ni ) j k близким к нормальному. В этом случае (ni ) j k представляется в виде (ni ) j k = Y j k Xi2




Рис. 2. Блок-схема комплексной модели для расчета поля концентрации примеси методом Монте-Карло.

Кроме того, с учетом связи дисперсий Xi2 случайно блуждающих частиц с коэффициентами диффузии Ki = закон распределения (ni ) j k может быть представлен в виде (ni ) j k = Y j k (2K j k tj )1/2 , где Yjk - случайный вектор, нормально распределенный с нулевым матожиданием и дисперсией, равной единице, Xi2 - дисперсия перемещения частиц вдоль оси xi, а Kjk - коэффициент диффузии во время расчетного шага tj. Таким образом, для функционирования численных алгоритмов (9) и (10), помимо поля средней скорости течения, необходимо определить Xi2 (или Kjk, что требует создания соответствующих блоков модели или/и привлечения дополнительных данных.

На рис. 2 представлена блок-схема основных элементов комплексной модели для расчета пространственно-временного распределения частиц, поступающих в воду от непрерывного источника, и расчета их концентрации. В качестве исходных данных (блок 1) вводятся размеры исследуемой пространственной области Li и шаги по пространству li, координаты источника, число частиц, поступающих в воду в единицу времени (мощность источника Q) и расчетные шаги по времени tj, а также основные параметры вещества.

В блоке 3 определяются текущие координаты каждой из выпущенных частиц, при этом приращения координат x, y, z во время движения частицы на шаге tj определяются как сумма адвективного переноса за счет скорости среднего течения, собственной скорости частицы (блок 4) и случайных приращений (ni )jk, определяемых в блоке 5 с помощью генератора случайных чисел (блок 6), равномерно распределенных на отрезке [0,1], с последующим их преобразованием в блоке 5 в нормальный закон. Компоненты V j i , а также плотность воды, необходимые также для расчета коэффициентов турбулентного обмена, определяются либо в гидродинамическом блоке 8, либо в блоке 2 при обработке натурных данных..

Следует заметить, что блоки 2, 8-10 выделены условно. В случае использования в модели динамического блока на основе РОМ эти блоки являются составными частями последней. В случае; когда используются экспериментальные данные (скорость течения и плотность), коэффициенты горизонтального турбулентного обмена Kx и Ky определяются в блоке 9, а коэффициент вертикального турбулентного обмена Ky находится на основе модели турбулентности с замыканием на уровне третьего порядка, т.е. -модели (блок 10). Отметим также, что на рис. 2 показаны составляющие части модели, обеспечивающие механический перенос примеси за счет адвекции и турбулентности. Из алгоритмов, описанных в п. 2.1 и отражающих изменение свойств примеси (нефти) во времени, используются те, которые описывают процессы испарения, диспергирования и эмульгирования. В псевдокомпонентном подходе, который использован при моделировании переноса нефти, ее начальное количество, выходящее из источника, делится на 8 частей, включающих частицы определенной группы/фракции. Разброс частиц по давлению паров и молекулярной массе-характеристики, которые управляют процессом испарения - распределяются случайным образом (экспоненциальный закон) внутри каждой группы. В ряде случаев, в зависимости от типа нефти и состава групп, эти характеристики могут перекрываться, тем самым описывая процесс испарения, непрерывный во времени. Такой подход более точно отражает процесс потери массы нефтью, нежели те, которые используют одну-две группы частиц с заданием времени их "полураспада" [1, 17, 22]. Моделирование проводилось для нефти, близкой к образцам из Тенгизского месторождения с плотностью рс = 978 кг/м3.

Результаты моделирования выводятся либо как пространственное распределение частиц (блок 7), либо в виде изолиний количества или концентрации вещества. Последняя определяется как число частиц, находящихся в расчетной ячейке объемом x,y,z.

23. Гидродинамический блок. Гидродинамический блок построен на основе модифицированной Принстонской модели циркуляции океана (Princeton Ocean Model – «РОМ») [7, 16]. Модель использует так называемую а координатную систему x*, y*,, преобразование в которую из обычных пространственных координат x, y, z проводится, согласно [7], по формуле

x=x*,y=y*=[z –n(x*, y*)] / [H(x*,y*) + n(x*, y*)], где H(x*,y*) – рельеф дна, n(x*,y*)- возвышение уровня моря.




0 10 20 30 40 50 60 70





10 20 30 40 50 60 70 80

x/ЗОО м

Рис.3. Установившееся поле скорости на поверхности моря под воздействием северо-восточного (а) и северо-западного (б) ветров со скоростью 10 м/с.


Модификация модели, используемая в настоящей работе, главным образом касалась сопряжения определяющих параметров и временных циклов для численного счета с аналогичными характеристиками для расчета пространственно-временного распределения частиц. Аналогичный блок использовался в работе [3] для расчета температурной аномалии в прибрежной зоне Каспийского моря, в зоне сброса воды Северной ГРЭС.

В модели циркуляции для оценки вертикального турбулентного обмена используется численная схема Меллора-Ямады. Для оценок горизонтальной вязкости используется формула Смагоринского Ам = Csм xy |V + (V)T |, где |V + (V)T |/2= [(ди/дх)2 + (дv/ду)2 + (дv/ду)2]1/2, а значение параметра Сsм выбирается из диапазона 0.10-0.20 в зависимости от шагов расчетной сетки x и y.

В модели с помощью РОМ рассчитывалось дрейфовая Vid составляющая скорости течения – см. (2). Среднеклиматическая компонента Vic для данного района бралась из работы [5].







50° 10'


50° 15'

40°30'


Рис. 4. Пример текущего распределения частиц в облаке в одном из численных экспериментов.

Непосредственное воздействие ветра и волн на поведение нефтяного слика на поверхности моря задается в модели переноса вещества, в блоке 3.

Расчетные шаги по времени и пространству в модели выбирались следующими: 6 с и 30 с - для внешнего и внутреннего циклов в динамическом блоке (РОМ), 360 с - в блоке переноса, x =y =300 м - в РОМ и блоке переноса. Число узлов по горизонтали в обоих блоках составляло 49 и 75 соответственно по x и y, при этом РОМ использовалась с 11-ью уровнями по вертикали. Шаг по вертикали в блоке переноса составлял 0.1 м, число узлов - 200. Отметим, что модель переноса, в отличие от РОМ, имеет обычную z-координатную систему, что предполагает использование дополнительной процедуры конвертирования данных из -координатной системы.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ

Моделирование процессов формирования структуры поля скорости течения и переноса пятен нефти проводилось для прибрежной зоны Каспийского моря к северо-востоку от Апшеронского полуострова. При этом в качестве начальных данных по температуре и солености использовались интерполированные климатические данные, полученные на трех стандартных разрезах: о. Дивичи - бухта Кендырли, о. Жилой - маяк Куули, о. Куринский Камень - о. Огурчинский.



Поле скорости течения. На рис. 3 представлены расчетные распределения скорости течения в поверхностном слое моря при двух наиболее вероятных для всех сезонов направлениях ветра (северо-западном и северо-восточном). После скорости течения в значительной степени определяется направлением и силой ветра, при этом определяющую роль в формировании структуры течения играют рельеф дна и конфигурация берега. Как видно из рис. 3, в обоих случаях возникает система вдольбереговых струйных течений. При этом на мелководье наблюдается значительное усиление течения. Как показали расчеты, установление дрейфового течения в основном происходит за 2 сут.

Поведение пятен нефти. На рис. 4 показан пример распределения частиц в облаке в одном из опытов (при западном ветре) моделирование распространения пятна нефти. Хорошо видна классическая кометообразная структура пятна с высококонцентрированной головной частью - на рис. 3 справа - и хвостовой частью, наблюдающейся в виде шлейфа. По мере движения пятна нефти определяется количество испарившейся и диспергированной фракций, а также той части вещества, которая осталась на берегу и/или дне.

На рис. 5-7 представлены последовательные фазы распространения нефтяного пятна в Северном Апшеронском заливе при разных направлениях ветра со скоростью 10 м/с. На рис. 5 показано распределение количества нефти (в куб. м.) в пятне, движущемся при северо-восточном ветре. Фазы пятна даны в режиме наложения по мере того, как пятно диффундирует в море, поэтому можно наблюдать всю картину движения пятна и последовательность перемещения точки максимальной концентрации. Заметны различия в форме и уровне концентрации вещества на разных горизонтах. Поскольку в поле скорости течения в прибрежной зоне моря всегда имеются довольно большие сдвиги скорости, то форма показанного пятна отличается довольно сильной асимметрией. При северо-восточном ветре со скоростью 10 м/с пятно примерно за сутки достигло берега, причем расхождение течения в районе ГРЭС привело к тому, что одна часть пятна пошла вдоль берега к западу, а другая — на юго-восток в Северный Апшеронский залив. Опыт проведен для летнего периода, поэтому довольно интенсивное испарение привело к быстрому падению количества нефти, начиная с первых часов распространения.


На рис. 6 даны распределения количества нефти в пятне, движущемся по направлению к о. Артема при северо-западном ветре. Последовательность фаз движения дана для 3,6 и 9 ч поле разлива. Последняя фаза соответствует тому, что практически вся оставшаяся в море нефть достигла берега. Опыт проведен для зимнего периода, поэтому испарившаяся фракция составила за это время всего 15% от общего количества нефти.

На рис. 7 даны распределения нефти в пятне, движущемся при юго-восточном ветре 10 м/с. точка выпуска находится в Северном Апшеронском заливе. Сильные сдвиги и сложная структура скорости течения приводят к тому, что пятно вначале значительно удлиняется вдоль направления основного течения, а затем, выходя из залива, расширяется и смещается к западу. Часть нефти порядка 20% испарилась, а часть ее попала на берег. Сильное вдольбереговое течение, служащие своего рода экраном, препятствует выходу нефти на берег. Поэтому основная ее часть, несмотря на близость берега, уносится в открытое море. За 28 ч после выпуска концентрация нефти понизилась на два порядка.






Рис. 5. Последовательные фазы распространения нефтяного пятна в заливе при северо-восточном ветре 10 м/с.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Движение нефтяных пятен в море, а также изменение количества нефти в процессе переноса в значительной мере определяется полем ветра, температурой и состоянием водной поверхности,



структурой гидрофизических полей приповерхностного слоя моря, а также собственными свойствами нефти, контролирующими характер ее взаимодействия с окружающей средой. Применение метода Монте-Карло для описания процесса переноса нефти в водной среде имеет ряд преимуществ по сравнению с методами, основанными на оценках средней концентрации вещества [17, 22]. Этот метод позволяет следить за свойствами как каждой отдельной частицы или элементарного объема вещества, так и за поведением определенной группы частиц и их взаимодействием с окружающей средой. При этом совокупность этого метода с высокоразрешающими моделями циркуляции моря позволяет решать сложные задачи, связанные с описанием качественного и количественного изменения пятна или струи любой неконсервативной примеси по мере ее распространения в море с детальным описанием структуры гидрофизических полей моря, что особенно важно для динамики прибрежных вод, отличающейся значительной сложностью и изменчивостью.






ч



Рис. 6. Последовательные фазы распространения нефтяного пятна при северо-западном ветре 10 м/с.







>80 >70 >60 >50 >40 >30 >20



Рис. 7. Последовательные фазы распространения нефтяного пятна в Северном Апшеронском заливе при юго-восточном ветре 10 м/с.


4*





СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.



  1. Аникиев В. В. Короткопериодные геохимические процессы и загрязнение океана. М.: Наука, 1987. 180 с.

  2. Галкин Л. М. Решение диффузионных задач методом Монте-Карло. М.: Наука, 1975. 96 с.

  3. Коротенко К. А., Мамедов Р. М. Моделирование процесса формирования температурной аномалии от непрерывного источника в прибрежной зоне моря //Океанология. 2000. Т. 20 (в печати).

  4. Корпс Д. М., Льюис А. Д. Стохастическое моделирование с использованием ИСНП – Чирагская платформа/трубопровод. АЕАТ 2180. 1997. Вып. 1. 80 с.

  5. Леднев В. А. Течения Северного и Среднего Каспия. М.: Морск. Транспорт, 1943, 128 с.

  6. Рай Г. И., Брэндвик П. Д. Проверка моделей подводных разливов нефти // Материалы международной конференции по ликвидации нефтяных разливов. Повышение экологической защиты – прогресс, проблемы, ответственность / Ред. Рай Г. И. 1997. С. 23-25.

  7. Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model // Three-Dimensional Coastal Ocean Models. № 4 / Ed. Heaps N. Washington: AGU. 1987. 208 c.

  8. Cretney W. J., Macdonald R. W., Wong C. S. et al. Biodegradation of a chemically dispersed crude oil // Proc. 1981 Oil Spill Conference. March 29-5, 1981.USA. Atlanta. 1981. P. 37-43.

  9. Delvigne G. A. L., Sweeney C. E. Natural dispersion of oil // Oil and Chemical Pollution. 1988. V. 4. P. 281-310.

  10. Fay J.A. Physical processes in the spread of oil on a water surfase // Proc. 1971 Oil Spill Conference. American Petroleum Inst. Washington DC. P. 463-467.

  11. Geyer R. A.(Ed.) Marine Environmental pollution. V. I, Hydrocarbons. N. Y. Elsevier Scientific Publishers, 1980. 320 p.

  12. Ibraev I. R., Ozsoy E., Ametistova L. E. et al. Seasonal Variability of the Caspian Sea dynamics: barotropic motion driven by climatic wind stress and Volga River discharge // Abstracts of Konstantin Fedorov Memorial Symposium, Sankt-Petersburg, Pushkin, 18-22 May, 1998. St. Petersburg, 1998. P. 65.

  13. Korotenko K. A. The random Walk concept in modelling matter transport and dispersion in the sea // J. Moscow Phys. Soc. Allerton Press, 1994. N. Y. V. 4. P. 335-358.

  14. MacKay D., Bouist I., Mascarenhas R., Paterson S. Oil spill processes and Envoronmental Canada, Ottawa, Ontario, 1979. 120p.

  15. MacKay D., Stiver W. Testing of crude oil and petroleum products for environmental purposes. Proc. 1983 Oil Spill Conference. Washington DC: American Petroleum Inst, 1983. P. 331-337.

  16. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Rev. Geophys. Space Phys. 1982. V. 20. P. 851-857.

  17. Proctor R., Flather R. A., Elliot A. J. Modelling tides and surface drift in the Atabian Gulf – application to the Gulf Spill // Cont. Shelf Res. 1994. V. 14. № 5. P. 531 – 545.

  18. Reed M., Gundlach E., Kana T. A Coastal zone spil model: development and sensitivity studies // Oil and Chemical Pollution. 1989. V. 5. P. 441-449.

  19. Sebastiao P., Guedes Soares C. Weathering of oil spills for oil components // Oil and Hydrocarbon Spills. Modelling Analysis and Computing / Eds Garsia-Martinez R. Brebbia C. A. Computation Mechanics Publications. Southampton UK, 1998. 182 p.

  20. Spalding M. L., Anderson E., Jayko K. Hindcast of the Agro Merchant spill using the URI (ASA) oil spill fates model // Ocean Engineering. 1982. V. 9. № 5. P. 455-482.

  21. Van Dam G. C., Ozmidov R. V., Korotenko K. A., Suijlen J. M. Eddy structure of horizontal water movement in shallow seas with a spesial reference to the North Sea // J. Marine Systems. 1998. V. 21. № 104. P. 207-228.

  22. Varlamov S. M., Yoon J.-H., Hirose N., Kawamura H. Oil and hydrocarbon spills // Modelling Analysis and Computer / Eds Garsia-Martinez R.Brebbia C. A. Computation Mechanics Publications. Southampton UK, 1998. 182 p.

  23. Wheeler R. B. The fate of petroleum in the marine environment // Special report. N. Y. Exxon Production Research Co. 1978. 120 p.

  24. Yang W. C., Wang H. Modelling of oil evaporation in aqueous environment // Water Reasearch. 1977. V. 11. P. 879-887.

Modeling of Oil Patch Transport Processes in the Coastal Zone of the Caspian Sea K. A. Korotenko, R. M. Mamedov



A complex numerical model was developed to predict behavior of nonconservative tracers in the sea with spesial attention to oil patches resulting from accidental discharges of oil. Coastal waters north of the Apsheron Peninsula (the Caspian Sea) were chosen as an example for the numerical study. Our model is based on the Monte-Carlo method, it includes real bottom topography, as well as characteristicb thermohaline profiles of this region. Various factors influencing the oil patch evolution, such as specific properties of oil and the hydrodynamic features of the region are modeled. The latter are simulated by means of a modified, 3-dimensional, multi-layered, primitive equation model known as the Princeton Ocean Model. The coastal water dynamics and oil patch transport are studied for various meteorological conditions and discussed with the objective to provide a reliable risk assessment of oil discharge impacts.

Похожие:

Коротенко Константин Александрович iconАстрофизика Начало в 15. 15 в конф зале гаиш предс проф. Постнов Константин Александрович
Развитие моделей переноса в верхних слоях атмосферы Земли. Метод нейронных сетей
Коротенко Константин Александрович iconПрограмма «Чистая вода»
Руководитель партийного проекта – Иванов Константин Александрович – заместитель главы Златоустовского городского округа по инфраструктуре,...
Коротенко Константин Александрович iconКонстантин Александрович Хвещенко Преступность в Центральном федеральном округе: состояние и особенности
Федерации, Южного – 13, Сибирского – 12, Северо-Западного – 11, Дальневосточного – 9, Уральского – По состоянию на 1 января 2008...
Коротенко Константин Александрович iconНиколай Александрович Бердяев Константин Леонтьев
Во вторую половину жизни он решает эту проблему под знаком искания спасения от гибели. Эстетическая упоенность жизнью и религиозный...
Коротенко Константин Александрович iconЛидерство: издержки профессии Константин Коротов
Константин Коротов — PhD, профессор Европейской школы менеджмента и технологий(Берлин)
Коротенко Константин Александрович iconПрограмма Escape (Валерий Айзенберг, Константин Аджер) Константин Звездочетов Марина Звягинцева Юрий Злотников
Людмила Василовская, Анна Редькина (кураторы проекта «Невеселые картинки из гулага»)
Коротенко Константин Александрович iconКонстантин Свечников: уроки жизни
Таким человеком запомнился коллегам Константин Леонидович Свечников, 14 лет возглавлявший Казанскую психиатрическую больницу специального...
Коротенко Константин Александрович iconДмитрий Сергеевич Лихачёв, Борис Александрович Рыбаков, Алексей Александрович Шахматов. Древнерусская литература

Коротенко Константин Александрович iconБальмонт Константин Дмитриевич
Константин Дмитриевич Бальмонт (3 (15) июня 1867(18670615), деревня Гумнищи, Шуйский уезд, Владимирская губерния — 23 декабря 1942,...
Коротенко Константин Александрович iconКонтрольная работа по теме: «россия при николае I. Русская культура 1 пол. XIX века»
Павла I; б по завещанию своего брата Александра I; в по требованию декабристов; г его старший брат Константин отрёкся от престола;...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org