Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прогнозирование процессов деструкции нефтяных загрязнений в природной среде с использованием математических моделей

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Павлик, Елена Дмитриевна, Ростов-на-Дону

' . / , /> О /"' :< ■! ! ' <Л V /

- V .... V / / ■

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ

И МОНИТОРИНГУ ГИДРОХИМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПАВЛИК ЕЛЕНА ДМИТРИЕВНА

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРИРОДНОЙ СРЕДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

11.00.11. - Охрана -фужающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.г.н., проф. Ю.А.Федоров Научный консультант:

д.т.н.,уроф. Н.С.Серпокрылов

\

Ростов-на-Дону - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТАВ, СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ НЕФТИ И ЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА О КРУЖА К) ЩУ Ю СРЕДУ...................................13

1.1. Терминология......................................................................................13

1.2. Состав, свойства и строение нефти..................................................14

1.3. Воздействие нефти на окружающую среду.....................................18

1.4. Классификация нефтяного загрязнения..........................................19

Выводы по первой главе и постановка задачи исследования.............27

ГЛАВА 2. ПРИРОДНАЯ СРЕДА И ЕЕ РОЛЬ В ДЕСТРУКЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ..................................................................29

2.1. Трансформация нефти в поверхностных водах..............................30

2.1.1. Растекание нефти по поверхности воды...................................32

2.1.2. Растворимость и испарение нефтеуглеводородов...................35

2.1.3. Воздействие солнечной радиации и биохимическое окисление нефти.....................................................................................38

2.2. Трансформация нефти в донных отложениях................................43

2.3. Трансформация нефти в почво-грунтах и водоносных горизонтах.................................................................................................46

2.3.1. Основные факторы, влияющие на трансформацию нефти в геологической среде...............................................................................46

2.3.2. Основные формы нахождения нефтяного загрязнения в геологической среде...............................................................................52

2.4. Выбор показателя состояния нефти в водной среде и донных

отложениях.................................................................................................57

Выводы по второй главе..........................................................................68

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ И

M A С С О МЕРЕНО С А НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИИ В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ.............................................................................69

3.1. Математическое моделирование трансформации и миграции нефти в водной среде................................................................................71

3.2. Построение двумерной плановой математической модели распространения нефтяного загрязнения в зоне аэрации.................86

3.3. Математическое моделирование миграции нефти в

грунтовых водах и донных отложениях.............................................106

Выводы по третьей главе......................................................................112

ГЛАВА 4. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ........................................................114

4.1. Обратные задачи как метод идентификации математических моделей....................................................................................................114

4.2. Постановка и решение обратной задачи массопереноса...........116

4.2.1. Построение решения задачи I.................................................120

4.2.2. Сведение краевой задачи II к интегральному уравнению............................................................................................125

4.3. Определение обобщенного коэффициента деградации нефтяного загрязнения..........................................................................128

4.3.1. Вывод основных формул..........................................................129

4.3.2. Влияние температуры на скорость процессов деструкции нефти.....................................................................................................137

4.4. Некоторые методические рекомендации по использованию математических моделей и определению миграционных

параметров.............................................................................................139

Выводы по четвертой главе.................................................................154

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИКО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕСТРУКЦИИ НЕФТИ НА КОНКРЕТНЫХ ОБЪЕКТАХ.................................................................................................155

5.1. Определение обобщенного коэффициента деградации нефтяного

загрязнения на примере конкретных объектов..................................155

5.2. Примеры прогнозных расчетов по математическим моделям.....................................................................................................164

5.3. Экономическая оценка ущерба при экологическом

страховании.............................................................................................168

Выводы по пятой главе..........................................................................170

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................172

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ

МАТЕРИАЛОВ...........................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................188

Приложение 1 Блок-схема программы...............................................188

Приложение 2 Акты внедрения............................................................191

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами окружающей среды приняло в последние годы глобальный характер в связи с развитием в мире инфраструктур добычи, переработки и транспоргировки сырой нефти и нефтепродуктов. Развитие этой чрезвычайно важной индустрии происходит быстрыми темпами, в то время как ее экологическое обеспечение существенно отстает. К сожалению, крупные аварии и хронические утечки нефти происходят нередко. Всему миру известны недавние аварии, произошедшие в море у берегов Японии или обширные разливы нефти на северо-востоке России.

На территории аварийных или эксплуатационных разливов нефти техногенному воздействию в той или иной степени подвергаются все природные среды: атмосфера, почвы, поверхностные воды. Их загрязненность, в свою очередь, влияет на качество подземных и , прежде всего, грунтовых вод. Ухудшение качества подземных вод в окрестности источника нефтяного загрязнения вследствие инфильтрации и миграции загрязняющих веществ представляет собой большую опасность, чем физическая нехватка воды как источника питьевого и хозяйственного водоснабжения.

Некоторые компоненты нефти и продукты ее переработки характеризуются токсичными, мутагенными и канцерогенными свойствами и наносят существенный вред природной среде не только в месте разлива, но и по пути миграции. Проблема нефтяного загрязнения имеет ярко выраженные экономические последствия, поскольку теряется большое количество нефти, на разведку, добычу и транспортировку которой, а также на ликвидацию разливов и реабилитацию территорий затрачиваются огромные средства.

Все это сделало исследование процесса деградации нефти и нефтепродуктов чрезвычайно актуальным в связи с возрастающей необходимостью получения более точных оценок степени и характера загрязнения ими окружающей природной среды, а также разработки критериев для расчета экологического и экономического ущерба.

Большой вклад в исследование проблемы загрязнения нефтью и нефтепродуктами природных сред внесли российские ученые Гольдберг В.М., Закруткин В.Е., Каплин В.Т., Мироненко В.А., Семенов А.Д., Серпокрылов И.С., Симонов А.И., Страдомская А.Г., Тарасов М.Н., Федоров Ю.А. и др. Несмотря на огромное количество публикаций, посвященных загрязнению окружающей среды нефтью и нефтепродуктами, многие вопросы, связанные с поведением поллютанта в природных системах: поверхностные воды, донные отложения, почв о-грунты, подземные воды, остались до конца неизученными. Между тем, познание процессов, происходящих в этих средах, имеет не только теоретическое, но и прикладное значение. Скорость распространения нефти в различных средах, способность ее к естественной деструкции играет большую роль при оценке масштабов загрязнения и расчете экономического ущерба.

Способность к самоочищению от нефти - уникальное свойство природной среды. Под самоочищением, по определению А.И.Симонова [58], необходимо понимать совокупность физических, химических, биохимических и гидробиологических процессов, обусловливающих разложение, утилизацию загрязняющих веществ и ведущих к восстановлению естественных характеристик среды.

Анализ многочисленных теоретических, лабораторных и натурных исследований деградации нефти, выполненных российскими и зарубежными учеными, показал несколько слабо освещенных вопросов этой проблемы:

- отсутствие длительных наблюдений разрушения нефти в естественных условиях;

- наличие, в основном, кинетических характеристик деструкции не нефти в целом, а входящих в ее состав компонентов, количество которых достигает 1500;

- не достаточно обоснован выбор показателя, адекватно отражающего деградацию нефти;

- дефицит экспериментальных данных, количественно описывающих влияние на деструкцию нефти физико-химических, биологических и климатических характеристик среды;

- недостаток математических моделей, адекватно описывающих процессы трансформации нефти.

Количественное описание процессов естественной деградации нефти позволит в некоторых случаях избежать неоправданно высоких затрат на реабилитацию загрязненных нефтепродуктами территории.

В настоящее время при решении задач, связанных с экологическими аспектами, широко применяется системный подход, как общий методологический принцип. Исследование воздействия нефтеуглеводородного (НУ) загрязнения должно основываться на всестороннем учете и изучении всех процессов, отражающих систему взаимосвязей между поллютантом и природными средами.

Системный подход требует рассмотрения исследуемого природно-техиогенного объекта как единого, целостного и сложного множества, имеющего всесторонние и многообразные связи и взаимоотношения внутри себя и с другими объектами. Центральным элементом этого множества является сам источник нефтяного загрязнения, объем его поступления в окружающую среду, площадь разлива нефти, химический состав нефти, токсичность для живых организмов, способность к биодеградацип и т.д. К числу других элементов системы

можно отнести климатические , гидрогеологические условия и геологическое строение региона, миграционные параметры среды, физическое и химико-биолошческое взаимодействие загрязняющего вещества с природными средами и т.д.

Высокая степень сложности рассматриваемой системы определяет плохую предсказуемость трансформации НУ и их миграцию в природных средах. Поэтому для решения практической задачи по прогнозу и, тем более, по искусственному воздействию на миграционные процессы недостаточно использовать только методы картирования и статистики. Нелинейный, динамический характер сложной природно-техногенной системы требует более эффективных методов и инструментов - разработку адекватных математических моделей и программных средств для вычислительных экспериментов.

Надежность расчетов и результаты моделирования миграционных процессов определяются параметрами реальной системы: нефтяное загрязнение - природная среда. Получение этих параметров для многих загрязняющих компонеитов-сложная и до сих пор нерешенная задача.

В данной работе уделено особое внимание выработке методики получения миграционных параметров с помощью решения обратных задач влаго-массопереноса.

Целью диссертационной работы является:

- исследование в рамках системного подхода закономерностей поведения нефтяного загрязнения в различных природных средах, анализ и обобщение имеющихся экспериментальных и теоретических результатов с учетом взаимовлияния элементов системы;

- использование математического аппарата для ко л ич е ств енн ог о описания процессов миграции и трансформации нефти в природных средах.

Научная новизна.

Установлен качественный обобщенный показатель, позволяющий идентифицировать "старые" и "свежие" нефтяные загрязнения в водной среде и донных отложениях. Проанализированы многочисленные данные лабораторных и натурных исследований по трансформации нефти, подтверждающие верность высказанной гипотезы.

Предложены математические модели, позволяющие описать эволюцию нефтяного загрязнения в различных природных средах. В некоторых частных практически важных случаях получены аналитические решения.

Дана постановка и решение обратных задач массопереноса для определения миграционных характеристик: коэффициента гидродисперсии и обобщенного коэффициента скорости деструкции нефтяного загрязнения, которые оказывают наиболее существенное влияние на распространение и трансформацию нефти в природных средах. Предлагаемая методика получения этих характеристик и возможность проведения многовариантных компьютерных расчетов с помощью математического моделирования позволит компенсировать традиционный недостаток гидрогеологической изученности конкретного объекта, планировать и оптимизировать опытно-экспериментальные работы.

Решена важная практическая задача о вторичном источнике загрязнения зоны аэрации. Получена формула, позволяющая определить время, за которое концентрация нефтяного загрязнения за счет растворения адсорбированных на твердой фазе нефтепродуктов достигнет опасной величины. При этом можно количественно оценить роль процессов биодеградации, егю со б ству ющих самоочищению почво-грунтов.

Для конкретных объектов, подвергшихся нефтяному загрязнению, получены количественные оценки как пространственного ра спр о сгр а 11 сния нефтяного загрязнения, так и способности природной среды к самоочищению.

Практическое значение диссертации.

Предложен критерий для оценки "возраста" нефтяного загрязнения в водной среде, который позволяет выделять из общего НУ-загрязнения участки "старых" и "свежих" разливов нефти. Такая информация в совокупности с данными по изотопному составу углерода и соотношением определяемых компонентов нефти может помочь природоохранным органам взыскать с истинных виновников компенсацию за экологический ущерб.

Полученные в работе результаты могут быть использованы для решения широкого круга практических задач, связанных с прогнозной оценкой экологических последствий нефтяного загрязнения природных сред, а также для принятия научно-обоснованных пр ир о до охра иных решений.

Даны рекомендации природоохранным органам по исчислению ущерба от нефтяного загрязнения.

Результаты работы быт внедрены в НТК "Геос" при Ростовском государственном университете при подготовке "Методических рекомендаций по снижению возможного ущерба, наносимого окружающей среде при разливе нефти" для АО "Магистральный нефтепровод "Дружба", в Донской устьевой станции Росгидромета РФ при изучении путей миграции нефти и нефтепродуктов в нижнем течении р.Дон и Таганрогского залива, в учебном процессе при чтении курсов лекций по специальностям "Гидрохимия", "Охрана подземных вод от загрязнения и истощения" на геолого-географическом факультете Ростовского I осударственного университета.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались на конкурсе молодых ученых по экологии в Донском государственном техническом университете, на Национальных школах-семинарах по фундаментостроению и охране геологической среды, проводимых НИИ механики и прикладной математики Ростовского го су дар ств енного университета, (Ростов-на-Дону, 1996, 1998 г .г.) на III Интернациональном Конгрессе по геоэкологии в Португалии (Лиссабон, 1998 г.), на Международной конференции "Oil spill" в Великобритании (Лондон, 1998 г.), , на М ежду нар одной конференции"Tailing and mine waste" в США ( штат Колорадо, 1999г.). Научная работа по теме диссертации удостоена первой премии на открытом конкурсе научных работ студентов и аспирантов по проблемам экологии "Экология-безопасность-жизнь" в Донском государственном техническом университете в 1996 г.

Публикации. По результатам исследований, приведенных в диссертации, опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Всего объем диссертации составляет 172 страницы, включая 22 рисунка и 25 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 124 наименования.

Исследования выполнены автором в Гидрохимическом институте Росгидромета РФ в лаборатории изотопного мониторинга качества вод по теме № 4.4 "Комплексный и фоновый мониторинг загрязнения окружающей природной среды. Методы оценки и прогноза загрязнения окружающей природной среды"' , входящей в целевую научно-техническую программу Росгидромета № 4 "Мониторинг загрязнения природной среды". Отдельные положения диссертационной работы получены при выполнении исследований в рамках программ проектов № 97-05-64293 и 96-15-98353 (Ведущие

научные школы России), финансируемых Российским фондом фундаментальных исследований.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Ю.А. Федорову и научному консультанту д.т.н., профессору Н.С. Серпокрылову за помощь в работе над диссертацией, д.х.н. А.Г. Страдомской за предоставлен!гые результаты химических анализов проб воды и донных отложений,