Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Гидрологический режим западной части Южно-Китайского моря в связи с возможным нефтяным загрязнением

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Гидрологический режим западной части Южно-Китайского моря в связи с возможным нефтяным загрязнением"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи УДК 551.465 : 502 : 656/256.72/

НГУЕН КИМ ХОА

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ЮЖНО-КИТАЙСКОГО МОРЯ в связи С ВОЗМОЖНЫМ НЕФТЯНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ

11.00.08 — Океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре океанологии географического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

На учн ы й руководитель В. Л. Лебедев, кандидат географических наук, доцент.

Официальные оппоненты:

В. И. Кукса, доктор географических наук, старший научный сотрудник;

Е. А. Плахин, доктор географических наук, профессор.

Ведущая организация: Государственный океанографический институт.

Защита диссертации состоится « 3. . » ^У^^^М-Л992 г. в « А О- » часов на заседании специализированнаго гидрометеорологического совета /Д-053.05.30/ в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета Московского государственного университета на 21 этаже.

Автореферат разослан « .

ъ , уиэзМ

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук

I ХМ*

:ОС-

С. Ф. Алексеева

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность теми. В последние годы а шолъфовой зона Вьетнама, особенно на юге шэлы|а, ведотел добыча иофти и газа, темп 5СотороЯ постепенно растет. Морское побережье Вьетнама протянулось болоо чем на 2 тыс. километров, вдоль кого расположены млогочнслеггнне курортннэ зоны, фврмн по виращпвани» морских «квотных и растений, города и густонаселенные области. Нефтяное загрязнение в этих условиях представляет аначктоль-•луп опасность.

Физико-оксанологичвсгшо факторы оказывают существенное влкянио на поведение разлитой лофги на пояорхнооти коря. Та-кям образом с освоенном ресурсов и газа на континенталь-

ном шэльфэ проблема исследования гидрологического режима западной части ¡Окно-Китайского моря в связа о возможным кефтя»цм загрянением становится весьма актуальной.

Проведенное исследование позволило получить общую картину гидрологического рэдигла западной частя ¡Одно-Китайского моря как а зимний, так и в летний сезон. На основе гидрологического рэдхма получена оценка переноса и трансформация возможных нефтяных разливов в прябре:хноЯ зоне жшюй части Вьетнама.

Цель основные задачи работ». Цель» настоящей работы является исследование гидрологического режима, вод коря а зимний и летней сезоны и его влияния на судьбу возможного не^/гяного загрязнения в прибрежной зоне. В соответствии с этой целью з работе на основе сводного массива гидрометеорологических данных Института морских исследований СРЗ решаются следующие задачи:

- Построение трехмерной картины срвднесезонного распределения температуры и солености морскоЛ воды.

- Расчет глубины и интенсивности слоя скачка плотности, средних по вертикали значений коэффициента вертикальной турбулентной вязкости в поверхностном слое и глубины трения для

I

дрейфового переноса.

- Расчет среднесезонной геострофической циркуляции, дрейфовых течений и построение карт поверхностной суммарной циркуляции. Расчет среднесезонной картины вертикального движения вод.

- Оценка роли саморастекания разлитой нефти по морской поверхности и ее очищение от не^и за счет естественных процессов элиминации.

- Расчет возмолсного нефтяного загрязнения на южном шельфа Вьетнама путем подбора и использования адекватной численной схемы для переноса аварийных разливов нефти в зимний и летний сезон.

Научная новизна. В работе впервые на основе сводного многолетнего массива гидрометеорологических данных, составленного Институтом морских исследований СРВ и 'осредненного по сезонам и одноградусным квадратам, проведано изучение гидрологических {акторов, которые влияют на поведение нефти на поверхности моря в данном районе. Данна картина переносов возможного нефтяного загрязнения в шельфовой зоне южного "Вьетнама.

Практическое значение работы. Полученные результаты расчета могут быть использованы в охране морской окружайщей среды, в борьбе с нефтяным загрязнением, при выборе областей выращивания морских животных и растений, а исследованиях биологической продуктивности, а также при изучении возможности использования природных ресурсов моря в данном районе.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах кафедры Океанологии ЛГУ и лаборатории мониторинга загрязнений морской среды ГОШ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы страниц, включая 8"2. страниц машинописного текста, <4^ рисунков и ¿Ь таблицы, список литературы из 46С наименований, в том числе -2Л*1 на английском языке.

I

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во пведении обосновывается актуальность исследования гидрологического режима западной части Южно-Катойского моря в связи е возможным нефтяным загрязнением, формулируются цель п задачи исследования.

В первой главе приводятся расчеты и картирование гидрологических характеристик, которые влияет на судьбу разлитой нефти на поверхности моря.

Иостроэиы карты горизонтального в профили вертикального распределения температуры я солености вод. Эти характеристики влияют на процессы кероноса нефти / через ноле плотности /, а такяо на процессы деотрукцш: нефти па'поверхности моря, Особенно ваяна температура, которая играет вашу» роль в процессах пспарония к растекания нефти.

Средняя температура к соленость летом» в самые жаркие месяцы, соетатаза» 2Ô.94°C к 33.055?. , £ araofi, в наиболее холодные месяцв, - 25.03и 33,88»« соогвстствешю. Mi глубине 500 м перепеки темкературы и солености как в зкшкй, так к в летний osdojî очо-пъ малы { 0.06°С и 0.0I& соответственно ).

В обоих сезонах оук» стелет- полоса вод, проходящая от района Куроско [ Скрипош», 1864 г, Фа!! Ван Хсак, 1985 г. с температурой 24 - 26°С к оэлеиостьо 33.50 - 34,00"'. erre.';, е характерной соленостью 33.75^ летом. Эта полоса елико* к& гидрологические условия галета Бакбо к пркбрэпгей- зоаи- центральной части Вьетнама,

По температура к солености рассчитаны глубина к интенсив-кость слоя скачка плоткости. SiîmoK благодаря ¿штекоивкску к

конвективному перемешиванию из-за понижения температуры на поверхности акватории, глубина слоя скачка плотности имеет значения большие, чем летом. У побережья центральной части Вьетнама глубина слоя скачка плотности достигает ^125 м, в открытом море <л) 75 м, в заливе Бакбо и у района устья р .Меконг -10 - 20 м. Летом из-за повышения солнечной радиации, понижения интенсивности Еетрового перемешивания и затухания конвективного перемешивания глубина слоя скачка плотности уменьшается. Ее значения вдоль берега Вьетнама составляют 10 - 20 м, с удалением от берега возрастает до 75 м.

По среднесеэонным полям ветра и плотностной стратификации проведен расчет средних по вертикали коэффициента вертикальной турбулентной вязкости в поверхностном слое. Коэффициенты вертикальной турбулентной вязкости рассчитаны по формулам: + в верхнем слое (5f,» 10 м )

К* - Ко , ' (l)„

. % у-

где Ко =» i cn^.o""*,

эе в 0.4 - постоянная Кармана,,

- скорость трения (динамическая скорость ). + в нижележащих слоях ( до глубины 75 м )

Ч.= к*/(4 Ь <г)

где I = .1,2,3,4,5 соответственно с глубачи 10,20,30,40,50, 75 м, S6fc ,Sz - разность условной плотности и глубины между горизонтами 1+1 и соответственно.

Средний по вертикали коэ&фйциент вертикальной турбулентной вязкости на большей части акватории в зимний сезон имеет значения около 80 - 100 ci^.c-1. \

€

Летом в северной части рассматриваемого района значения среднего по вертикали коэффициента вертикальной турбулентной вязкости составляют 10 - 20 см^.с""*, в южной части акватории - 40-60 см2.с-1.

По полученным значениям средних по вертикали коэффициента ( Кх) вертикальной турбулентной вязкости рассчитана глубина трения в дрейфовом течении по формуле:

Ар = л , (з)

где ^ - параметр. Корхолиеа.

Кз-за смытой интенсивности перемешивания в зккз-шЗ сезон почти во всей акватории значение глубины трения достигает 60 - 70 м. Вдоль берега залква Бакбо и берега южной чаете Вьетнама глубина трения проникает до дна.

3 летний сезон в северной части акватории значение глубины трзния меньше ( 20 - 30 м), чем в шной частя (50 - 60 м ). В прибрежной зоне хгкной части глубина трения,залегает на дне.

Во второй главе проведены расчеты геострофических, поверхностных ветровых и поверхностных суммарных течений в зимний и летниЛ сезон.

Вычислены среднесезонкне геострофическу течения по про- ■ грамме из пакета программ кафедры Океанологии. Расчет проведен относительно отсчетной поверхности 500 м с приведением глубины мелководных участках, по сетке с шагом 1°. Карты гео-строфическ'их течений, построены .для всех стандартных горизонтов. Однако, поскольку работа ориентирована на услозкя переноса поверхностного загрязнителя,, в тексте приводятся картн только для поверхности, а глубинные характеристики упоминаются

для сравнения.

В обоих сезонах - зимой и летом, около берега центральной части Вьетнама наблюдается течение, которое имеет юченое направление. Зимой оно выражается лучше, чем летом. Ка поверхности

скорость этого прибрежного геострофического течения мо;*нт дос-

1 1 тигать 40 см.с А в зимний сезон, и - 30 см.с летом.

В летнее время около южного берега центрально.'! пасти Вьетнама наблюдается течение, которое разделяется на два потока: - поток с северо-северо-'восточным направлением имеет среднюю скорость 30 см.с-*, - второй поток имеет восточно-северовосточное направление, его скорость превышает 50 см.с-1.

В общем, как зимой, так и летом скорость геострофическях течений достигает наибольших величин на поверхности акватории, и уменьшается с глубиной. В глубоководных зонах часто наблюдаются значения скорости 30 - 40 см.с"1- на поверхности моря.

Прй расчете поверхностных дрейфовых течений лспо :ькована модель Мадсена [ 'М<яс1$т. ,1977 г.], составляющие скорости в которой записываются:

и5в ^Л . о* в ^ ГЦ*Л - <и5 ] 5

хъ I (4)

где Ч * 0.04 ( ?*/?*) \о,

Я « « ,

- составляющие скорости на поверхности - совпадает с ветром ),

- скорость трения в воде (динамическая скорость ) , Цо- скорость ветра на высоте 10 м, Ж =0.4 - постоянная Кармана $ - .параметр Кориолиса,

3 .

- параметр шероховатости, §а> - Плотность воздуха и вод« соответственно.

■ Зимой в большей части центральной и, юго-зосточной акватории скорость дрейфа достигает наибольших значений 21 - 25 см.с-1. Такая скорость также наблюдается в заллве Бакбо, в остальных районах скорость дрейфовых течений около 16 - 20 см.с-1. Направление дрейфа отклоняется направо от направления ветра на 8 - 9°,

В летний сезон угол отклонения дрейфовых течений направо от ветра составляет около 9 - 10°. На юге центральной части

л

скорость дрейфа колеблется в пределах 16 - 20 см.с . Наибольшие значения скорости наблюдаются у берегов юго-эапаца Вьетнама (^20 см.с~* ) . В заливе Бакбо и на севере акватории ско-

■ рость дрейфа имеет малые значения (1 - 5 см.с-1 ).

Получена суммарная циркуляция на поверхности моря путем сложения векторов геострофических и дрейфовых течений.

Здоль-прибрежной зоны центральной части Вьетнама в зимний

■ сезон хорошо выражено южное прибрежное течение.'Благодаря сложению геострофического и дрейфового переноса его скорость ' " возрастает до 50 см.с-1. 3 центральной части открытого моря в

. нескольких местах наблюдаются значения скооости выше 50см. в юго-восточной части преобладают скорости 20 - 30 см.с . большей части севера к юга акватории направление поверхностной суммарной циркуляции юго-западное.

Летом в центральной части моря картина суммарных течений мало отличается от гвострофической. Северо-северо-восточный. поток может достигать скорости выше 50 см.с~*. В северной час?, моря скорость суммарной циркуляции мала (1 - 10 см.е"*) .

По среднееезошшм данным ветра проведены расчеты вертикального движения вод. Вертикальные скорости вод рассчитаны по формулам:

Jb.vTQ ^-J-AotK , (5 У

U

где Wj - вертикальная скорость вод на глубине-трения % - полный поток дрейфового течения, V - скорость ветра на высоте 10 м, *£ - трение ветра, и - плотность воздуха. При расчетах была использована непрерывная функциональная зависимость коэффициента трения от скорости ветра согласно работе [ Po£>¿ у. К.,Mail Сел O.S, 1991 г.]

Cd e (öS + o.o6S\v\). / " (8)

где V в м.с-*-.

Отчетливо видна сезонная смена знака вертикальных движений вод, что связанно со сменой направления зимнего северо-восточного муссона на противоположно направленный летний муссон. Особенно сильный апвеллияг и даунвеллинг развиваются у берега за счет дивергенции или конвергенции ветровых течений.

Зимой северо-восточный муссон приводит к сгону вод у юго-западных берегов залива Бакбо, в результате чего возникает апвеллинг.со скоростью до 6.10"*см.с-*. У остальных берегов происходит нагон вод. Особенно сильный нагон наблюдается у

южных берегов Вьетнама, где скорость погружения вод имеет порядок 10~^см,с~^, а у северных берегов зам за Бакбо скорость нисходящих вод составляет 5Л0~^см,с~^. На юго-востоке акватории также наблюдается апвеллинг, но его скорость там мала.

Летом за счет воздействия юго-западного муссона сильный ■ даунвеллинг'в'области, примыкающей к устью р.Меконг, сменяется хорошо выраженным апвеллкнгом, со скоростью подъема вод. 5.10"^ см.с~Ч Как зимой, так к летом вертикальная скорость вод уменьшается с удалением от берега. На юго-востоке открытого моря наблюдается область погружения вод с малой скоростью.

В третьей главе проведен обзор и сопоставление литературных теоретических и экспериментальных данных по саморастеканию нефти на спокойной поверхности зоды и процессам ее удаления с водной поверхности. Процесс саморастекания нефти на разных стада своего развития определяется различными факторами. На пер« вом этапе, когда толщина слоя нефти достаточно велика, движение нефти по поверхности воды происходит за счет гравитационных сил, которым препятствуют силы, возникающие благодаря инерции ' массы вещества. По мере уменьшения толщины слоя н<Цти, действие гравитационных сил ослабляется и постепенно главную роль в растекании начинают играть силы поверхностного натя-жегчя, стремящиеся раздвинуть границы нефтяного пятна. На этом этапе скорость движения нефтяного пятна зависит от ее вязкости. На конечном этапе, при некоторой минимальной толщине нефтяной пленки, различной для разных сортов нефти, сила, возникающая за с .¿т различных значений поверхностного натяжения на границах раздела, меняет направление свеого действия на обратное и растекание прекращается. Далее размеры пленки

увеличкчаются за счет процессов турбулентной диффузии, развивающейся под действием ветра и течений. Под влиянием турбулентной диффузии толщина пленки уменьшается теоретически до мономолекулярной. Однако из-за турбулентной пульсации скорости и возцей- • ствия волнения топка гораздо раньие распадается на отдельные пятна и распространяется а лиде сликоз, либо образует с водной эмульсии. Одновременно с процессом растекания происхояятся испарение, растворенье и т.д., в результате чего нефть становится ■алотнее и может тонуть.

Согласно приведенным оценкам растекания пятна ,1969 г,

Нои^ ,1972 г.] средняя скорость его расширения до радуса ' 10 км при объеме разлива 104 тонн, составляет меньше 1 см.с~*. Следовательно при шаге сетки более 10 км и ограниченных объемах разлива скорость саморастекания можно не учитывать в ура'вконии численного счета.

3 четвертой главе проводится численное моделирование поведения разлитой кефги (перенос течением я диффузией и удаление с поверхности воды естественным путэм ) в условиях зимнего и летнего сезона.

Уравнение эволюции поля нефтяного загрязнения на поверхности моря мота? быть записано в виде:

- _ иЪ. - ^гИ. + КнД^Б-ГБ + ф , (9)

где 5 - концентрация нефти,

Ц., 'У - компоненты скорости переноса нефти течением, К«- коэффициент горизонтальной диффузии, б" - константа разнообразных процессов удаления элиминации нефти с морской поверхности

ф - источник нефтяного загрязнения.

Расчеты предваряются выбором расчетной схемы с анализом ошк^ок, вносимых схемной диффузией и счетной дисперсией в раз- • личные схемы. Проведены численные эксперименты по перекосу пятка загрязненийй с исключением схемной диффузии методом прямого внесения поправок, методом вложенных сеток и методом * антидиффузионной скорости Выбор деляется на методе Смоларкевича -■ явной схеме направленных разностей с использованием "антидиффузионной с• прости" и итерационным введением поправок £ Smo&xrkie-' wíc2 , 1986 г.] .

Для уменьшения схемной диффузии каждая ячейка сетки (1°)бнла>-разделена на 16 ячеек с шагом 28 км. Чтобы не вводить неоправданной информации мелкие ячейки сохраняли значения скорости среднее для большой ячейки. Для обеспечивания устойчивости математического алгоритма шаг по времени выбран 9 час.

С гетом гидрологических условий района приняты следующие константы элиминации, входящие в уравнение (9) :

- константа испарения нефти из поверхностного микрослоя в среднем равна 0.007 для зимнего и летнего сезона [Проблемы химического загрязнения вод Мирового океана, т.1: Динамка и • прогноз загрязнения океанических вод, 1985 г. 3".

• константа деструкции нефтепродуктов принята зависящей от , темпепатуры воды и равной 0.0157 сут~* для зимнего и 0.0207сут~* для летного сезона £ там же *

При расчетах было использовано значение коэффициента горизонтальной диффузии, определенное по масштабу сетки по закону "4/3" и принятое равным 104см"%с*"^.

Численные расчеты проведены для аварийного разлива нефти у крупнейшей скважины "Белый Тигр".

В зимний сезон средняя скорость переноса ядра загрязнений

около 20 см.с~*. Форма пятка напоминает эллипс, вытянутый поперек течения, что свидетельствует о конвергенции скорости. Ой этом же говорит и замедленно в переносе пятна, а такие карта суммарных течений. Дрейф пятна проходит на юго-запад от месторождения в зоне даунвеллкнга, где развивает нагон вод к берегу. Зимний разлив нефти наиболее опасен.

Лотом пятко движется со средней скорость» 25 - 30 см. с~\ на северо-восток через зону апвеллкнга - от месторождения в откри- .' тое моро. Апвеллинг, связанный с оттоком воды от берега, препятствует выходу нефти на берег.

Проведенные расчеты дают ориентировочные представления о поведении, разлитой нефти для средних гидрше то орол ог'нче ских условий за 312-шиЯ и летний созоп. На их с rare ногут быть построены оперативные расчеты переноса нефти по текущей гпфомэтаорологп-чзской информация.

В заключении формируются сскоплиэ результаты Есследо~шшя. 1 По новому массиву данных получена тражгрная картина структур» и динамики вод исследуемого района за, лвтикй и згкиий сезон о связи с воэмогхным нефтяным загрязнением. Eg кишойпив ' ■ черти выражаются о слодуяао:-.?:

1. Согласно расчета».! по полю ветра в зешшй ееьоп вдоль это-

восточного побережья Вьетнеыга хорошо развита зека даунЕзллкнгй.

шириной 1С0 км к npo?ft',-G5iHocTLD более 1000 ш с вертикальной

-Ч -1

скорость» погрутпт под более 10 см. с . Центр зоны расположен сег.еро-всстсчцео устья р.Мзг.сиг, примерно в 150 ш. Р эту зону попадает осиозаоо место добычи кефти. При даунволлкнгв характэраи приток поверхностных вод к берегу, поэтому тйроои нефти особенно опасны в эииивв время.

2. Зимой зона апвеллинга формируется у северо-восточного по-б^пежья залива Бакбо. Бе ширина около 100 км, протяженность

о

около 500 км. Вертикальная скорость имеет порядок 10 -10~4см.с-1.

Создаются также центры подъема вод меньшей интенсивности-в открытом море, в юго-восточной части акватории.

3. В летний сезон даунвеллинг юго-восточного побережья района у р.Мек г сменяется хорошо развитым апвеллингом приблизительной о теми же границам и расположением центра. Вертикальная

О _1

скорость подъема вод около 10 см.с .

4. Летом из-за повышенного прихода пресных вод и солнечной радиации вертикальная устойчивость поверхностных вод повышена и достигает в заливе Бакбо 15000 10® и 8000 в районе нефтедобычи вблизи устья р.Меконг. Зимой устойчивость у поверх-но1 I моря уменьшается в пять ра'з в заливе Бакбо и в десять раз, местами -переходя нулевые значения, в районе основной нефтедобычи.

5. Глубина проникновения дрейфовых течений глубина трения , рассчитанная с учетом плотностной стратификации и в^-рового перемешивания, испытывает существенные пространственные изменения - на 20 и более метров в соседних узлах расчетной сетки. Это должно влиять на формирование конвергенции ветрового переноса.

6. Суммарные поверхностные течения изменяют направление по сезонам таким образом, что перенос нефтяных загрязнений направлен в"зимний оазон.к юго-западу от главного месторождения и проходит вдоль берега через зону даунвеллинга, При средних гидрометеорологических условиях дрейфующее пятно нефти достигает

берега через 10 дней. В летнее время, когда нагону нефти на побережье препятствует апвеллинг, разлив нефти дрейфует к северо-востоку, отклоняясь от берега в открытое море.

По результате диссертации депонирована одна статья " Сезон-' ный апвеллинг у берегов Вьетнама " через Вестник Московского университета, серия География, № 5, 1992 г. '•