Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Закономерности распространения нефтяного загрязнения в Каспийском море

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Асадов Сабир Бахман Оглы

Введение.

1 Физико-географическая характеристика Каспийского моря.

1.1 Геоморфологическая характеристика.

1.1.1 Характер берегов.

1.1.2 Рельеф дна и донные отложения.

1.2 Климатическая характеристика.

1.2.1 Ветер.

1.2.2 Температура воздуха.

1.3 Тепловой баланс.

1.4 Гидрологическая характеристика.

1.4.1 Водный баланс и уровень.

1.4.2 Течения Каспийского моря.

1.4.3 Волнение.

1.4.4 Температура воды.

1.5 Соленость воды.

1.6 Плотность воды.

1.7 Гидрометеорологическая характеристика исследуемого года

Каспийского моря.

2 Характерные особенности нефтяного загрязнения.

2.1 Химический состав и основные характеристики нефти и нефтепродуктов.

2.2 Плотность.

2.3 Вязкость.

2.4 Межповерхностное натяжение и растворимость в воде.

2.5 Физико и биохимическое окисление в морской воде.

2.6 Формирование эмульсий.

2.7 Испарение.

2.8 Дисперсия в реальных условиях.

2.9 Влияние нефти и нефтепродуктов на биоту.

2.10 Нефтяные месторождения Каспийского моря.

2.11 Экологическое состояние Азербайджанской акватории Каспийского моря.

2.12 Анализ аварийных ситуаций на Каспийском море, связанных с загрязнением моря нефтепродуктами.

3 Гидродинамические модели для расчета растекания нефти и нефтепродуктов в Каспийском море.

3.1 Моделирование начальных стадий растекания нефти.

3.2 Лагранжев подход к расчету дрейфа нефтяного пятна.

3.3 Расчет нефти и нефтепродуктов с помощью программной системы CARDINAL в Каспийском море.

3.3.1 Уравнения гидродинамики и переноса примеси.

3.3.2 Уравнения гидродинамики и переноса примеси в криволинейных координатах.

4 Распространения нефти и нефтепродуктов в Каспийском море.

4.1 Результаты расчета начальных стадий растекания нефти на поверхности Каспийского моря.

4.2 Результаты расчета дрейфа нефтяного пятна на поверхности

Каспийского моря с помощью метода маркеров.

4.3 Результаты расчета переноса нефти и нефтепродуктов в

Каспийском море с помощью программной системы CARDINAL.

4.4 Рекомендации по оперативному прогнозированию нефтяного загрязнения в Азербайджанском секторе Каспийского моря.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Закономерности распространения нефтяного загрязнения в Каспийском море"

Общеизвестно огромное значение Каспийского моря для экономики всех прибрежных государств моря, в частности для Азербайджана, как одного из самых богатых природными, минеральными и биологическими ресурсами водоемов мира. Кроме того, это наиболее удобная транспортная магистраль, водная часть древнего шелкового пути, кратчайшая связь между континентами Европы и Азии. В то же время Каспий отличается высоким уровнем техногенной загрязненности, особенно усилившимся в последние десятилетие по мере освоения морских месторождений нефти и газа. Развитие нефтедобычи, увеличение объемов перевозок, развитие работ по освоению шельфа сопровождается все более интенсивным использованием водных ресурсов, включая воду моря. При этом особую роль приобретает качество воды, то есть ее свойства. Оно во многом определяется количеством веществ не свойственных воде в естественном состоянии, которые могут быть растворены в воде, находиться в ней в виде отдельных твердых, жидких или газообразных объектов сравнительно небольшого объема. В дальнейшем будем называть такие вещества примесями. Примеси можно разделить на две категории: активные и пассивные. К пассивным примесям относят те, физические характеристики которых (плотность, вязкость, поверхностное натяжение) не отличаются от соответствующих характеристик воды, к активным примесям те, у которых физические характеристики отличаются от соответствующих характеристик воды.

Это отличие обычно существенно влияет на процессы распространения примеси в водной среде. Сама проблема распространения является центральной в задачах, которые приходится решать в связи с охраной окружающей среды.

Характерными и широко распространенными представителями активных примесей являются нефть и нефтепродукты (НП). Они являются одним из наиболее массовых и токсичных видов загрязняющих веществ. Масштабы загрязнения НП в последние десятилетия увеличились в связи с нефтедобычей в шельфовой зоне Каспийского моря. НП могут существовать в водной среде в трех состояниях: растворенном, дисперсном (в виде отдельных капель в толще воды) и в виде пленки, плавающей на поверхности воды. У каждых состояний свои особенности распространения в водной среде. Учитывая масштабы загрязнения, токсичность для водной среды, особенности распространения, обусловленные изменением свойств НП и взаимодействием их с потоком, представляется целесообразным выделить их в качестве отдельного объекта для изучения. В основу работы положено предположение о том, что состояние, в котором находятся НП в водной среде, зависит от действующих гидрометеорологических факторов. Переход НП из одного состояния в другое обусловлен изменением этих факторов. Содержащиеся в НП токсичные вещества приводят к появлению целых популяций рыб с измененными видовыми (внешними и внутренними) признаками. Влияние НП сказывается и на других представителях гидробиоценозов. Таким образом, НП находящиеся в водной среде, оказывают непосредственное влияние на здоровье населения либо непосредственно при попадании НП в питьевую воду, либо косвенно при употреблении в пищу рыб, моллюсков и других морских продуктов.

Прогноз распространения НП необходим с точки зрения обеспечения безопасности экологически наиболее ценных и уязвимых участков и акваторий, а также для ликвидации последствий разлива. Практика показывает, что повышение эффективности очистки сточных вод НП дается с большим трудом, требует больших капиталовложений. Полная очистка по современным понятиям находится за пределами человеческих возможностей, по крайней мере с экономической точки зрения. Поэтому имеет смысл говорит об оптимизации расположения выпусков сточных вод с целью наилучшего использования природных факторов для нейтрализации токсичных веществ. Из всего вышеизложенного вытекает актуальность данной диссертационной работы.

Целью работы является исследований закономерностей нефтяного загрязнения Каспийского моря с более детальным рассмотрением Азербайджанского сектора в соответствии с интересами республики. Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач: а) Сформулировать информационную базу гидрометеорологических данных, приспособленную для исследования процессов нефтяного загрязнения в Каспийском море и в его Азербайджанском секторе. б) Исследовать особенности нефтяного загрязнения и его проявлений в Каспийском море, в частности в Азербайджанском секторе. в) Сформулировать математические модели растекания нефтяного пятна при техногенных авариях. г) Приспособить для Каспийского моря модель дрейфа нефтяных пятен, возникших вследствие аварийных разливов под влиянием ветрового воздействия. д) Исследовать закономерности дрейфа нефтяных пятен в Азербайджанском секторе Каспийского моря в зависимости от типовых гидрометеорологических условий. е) Исследовать закономерности дрейфа нефтяных пятен в сезонном масштабе изменчивости в Азербайджанском и Казахском секторах Каспия. ж) Исследовать закономерности распространения по акватории Каспийского моря нефти за счет выноса из основных рек Каспия. з) Исследовать закономерности распространения по акватории Каспийского моря нефти в случае аварийных разливов. и) Выработать рекомендации по уменьшению нефтяного загрязнения Каспийского моря. При этом более подробно остановиться на Азербайджанском секторе.

В ходе проведенного в диссертации исследования были получены следующие новые результаты:

Впервые выполнено подробное комплексное исследование нефтяного загрязнения для Каспийского моря.

Рассмотрены на примере Каспийского моря различные виды нефтяного загрязнения на всех стадиях трансформации нефти под влиянием внутренних механизмов и внешних действующих факторов.

Применен для Каспийского моря лагранжев подход для исследования дрейфа нефтяных пятен при различных гидрометеорологических условиях как стационарных, так и нестационарных.

Для Каспийского моря применена моделирующая система "Cardinal" для расчета течений и переноса примеси на основе двух- и трехмерной постановок. Одно из преимуществ модели в том, что она позволяет учесть сложную береговую конфигурацию.

Полученные в диссертации результаты имеют большое практическое значение и могут быть использованы органами государственной власти Азербайджана, занимающимися ликвидацией нефтяного загрязнения и охраной ресурсов Каспийского моря, а также в организациях, связанных с добычей и использованием морских ресурсов. Практическая ценность работы состоит в том, что с помощью математических методов, сформулированных в диссертации, можно оперативно прогнозировать распространения нефти и нефтепродуктов, а также исследовать влияние на процесс распространения гидрометеорологических факторов в Каспийском море, а также в возможности оперативной выработки предложений по ликвидации последствий нефтяного загрязнения.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Асадов Сабир Бахман Оглы

Заключение

Сформулируем основные результаты, полученные в работе.

1) Произведена обобщенная физико-географическая характеристика Каспийского моря с учетом факторов, влияющих на нефтяное загрязнение акватории. При этом сделан подробный анализ гидрометеорологических характеристик 1997 года - как модельного года для исследования. Более детальный анализ выполнен для Азербайджанского сектора Каспия, как имеющего наибольшее значение для экономики республики Азербайджан.

2) Проанализированы физико-химические свойства нефти, характерные для каспийских месторождений. Показано, что нефть обусловливающая загрязнения Каспия характеризуется следующими отличительными свойствами: в основном, нефти по составу малосернистые и масляные. Наряду с этим преобладающим типом в ряде месторождений являются нефти нафтено-метановые, метано-нафтеновые и метановые. В отличие от месторождений Апшеронского п-ова, анализ имеющихся данных по морским месторождениям показывает отсутствие четкой закономерности в изменениях содержания серы и азота.

3) Выполнен анализ влияния нефтяного загрязнения на экологическое состояние Каспийского моря. Установлены основные источники поступления нефти и нефтепродуктов в Каспийское море: вынос с речным стоком (Волга и Кура); промышленные, сельскохозяйственные и коммунально-бытовые стоки городов; аварийные разливы. Осуществлена оценка вклада различных государств в нефтяное загрязнение, а также различных городов Азербайджана. Показано, что наибольший вклад в загрязнение моря вносят сбросы из Российской и Азербайджанской акватории.

4) Выполнен анализ распространения нефтяного загрязнения на различных этапах эволюции. Проанализированы математические модели, воспроизводящие распространение нефти и нефтепродуктов на различных стадиях.

5) Усовершенствован метод расчета растекания нефти на начальных стадиях его распространения: в режимах инерционном, гравитационно-вязком и режиме поверхностного натяжения. Путем математического моделирования установлены закономерности растекания пятна для модельных ситуаций аварийных разливов, которые могут иметь место в Каспийском море. Показано, что для характерных источников загрязнения в Каспийском море характерное время (для объема нефти 100 м3) в инерционной фазе равно 480 с, в гравитационно-вязкой фазе - 1.5 ч, в режиме поверхностного натяжения - 31 ч, а пространственный масштаб пятна 76, 155 и 1000 м соответственно. Для больших объемов нефти (1000 м3) характерное время в инерционной фазе равно 880 с, в гравитационно-вязкой фазе - 7 ч, в режиме поверхностного натяжения - 145 ч, а пространственный масштаб пятна - 190, 490 и 3000 м соответственно.

6) Приспособлена для условий Каспийского моря модель дрейфа нефтяного пятна с использованием лагранжевого подхода. По модели осуществлены численные эксперименты, позволившие установить климатические закономерности дрейфа нефтяных пятен по поверхности Каспийского моря, а также в условиях конкретных (для модельного года) гидрометеорологических условий.

7) С помощью программной системы Cardinal разработаны двух и трехмерные модели Каспийского моря. С помощью этих моделей выполнены расчеты распространения нефтяного загрязнения на заключительной стадии в виде растворенных нефтепродуктов. Установлены путем математического моделирования закономерности распространения растворенных нефтепродуктов в Каспийском море от постоянно действующих источников - Нефтяные Камни, Бахар, Сумгаит, Челекен и Форт-Шевченко, а также из устьев рек Волга и Кура. Установлены зоны повышенных концентраций нефтяного загрязнения, формирующиеся под действием гидрометеорологических факторов при постоянно действующих источниках.

8) Результаты, полученные в трехмерной модели, показали, что почти для всех рассчитанных месяцев растворенные нефти из рек Волга и Кура далеко не распространились -находились вблизи устья рек. Только в марте нефть из реки Волга распространилась до Кизлярского залива. В двухмерной модели нефть из реки Волги больше распространяется в открытую часть моря, а из реки Куры она распространилась на юг и на север. В целом, результаты, полученные в двухмерной модели, отличаются значительно, и в дальнейшем следует пользоваться двухмерной моделью.

9) Сравнение результатов, полученных с помощью метода маркеров и моделирующей системы Cardinal, показало, что направление дрейфа нефти от источников Нефтяные Камни и Форт-Шевченко в обеих моделях близко друг к другу, а от источника Бахар оно несколько отличается. Работа с двумя методами показала, что моделирующая система Cardinal имеет некоторые преимущества. В частности, она позволяет определить не только направление дрейфа растворенной нефти, но и концентрацию нефти.

10) На основе математических моделей выработаны рекомендации по уменьшению нефтяного загрязнения. Показана возможность оперативного прогнозирования зон повышенного нефтяного загрязнения при аварийных разливах и иных ситуациях, по прогнозу гидрометеорологической ситуации на акватории Каспия. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Асадов Сабир Бахман Оглы, Санкт-Петербург

1. Каспийское море. Гидрология и гидрохимия/ Под ред. С.С. Байдина и А.Н. Косарева. М.: Наука, 1986.-264 с.

2. Мамедов P.M. Изменчивость гидрофизических полей и распространение загрязнителей в Каспийском море. Баку.: Елм, 2000. - 184 с.

3. Мадат-заде А. А. Основные типы атмосферных процессов, обусловливающих поле ветра на Каспийском море // Тр. Океанографической комиссии АН СССР,- 1959.-Т. 5 С. 140 -- 145.

4. Архипова Е.Г. Тепловой баланс Каспийского моря //Тр. ГОИН. 1957. -Вып. 35. - С. 3 --102.

5. Комплексные гидрометеорологические атласы Каспийского и Аральского морей / Под ред. B.C. Самойленко. JL: Гидрометеоиздат, 1963. - 179 с.

6. РейфманР.Л. Радиационный баланс Южного Каспия: Дис. канд. геогр. наук. Баку: АН АзССР, 1965

7. Расчет турбулентных потоков тепла, влаги и количества движения над морем. Методические указания. Л.: Изд. ГГО, 1981. 56 с.

8. Рекомендации по расчету составляющих радиационного баланса поверхности океана. -Л.: Изд. ГГО и МФ ААНИИ, 1982. 92 с.

9. Воейков А.И. Климаты земного шара и в особенности России // Избр. соч. Т. 1.- М., Л., 1948.-750 с.

10. Зайков Б.Д. Сток воды из Каспийского моря в залив Кара-Богаз-Гол //Тр. НИУ ГУГМС-1941.-Сер. 8, вып. 1,- С. 155 160

11. Зайков Б. Д. Водный баланс Каспийского моря в связи с причинами понижения его уровня

12. Тр. НИУ ГУГМС.- 1946,-Сер. 4, вып. 38,-С. 5 50.

13. Ремизова С.С. Водный баланс // Каспийское море. -М.,1969- С. 107 138.

14. Крицкий С.Н., Коренистов Д.В., Раткович Д.Я. Колебания уровня Каспийского моря,- М.:1. Наука, 1975. 159 с.

15. Георгиевский В.Ю. Водный баланс Каспийского моря по данным наблюдений // Тр.

16. ЛГМИ. -Вып.79- С. 129 136.

17. Месхетели A.B. Условия формирования и количественная оценка подземного стока в Каспийское море // Бюл. МОИП. Отд. геол.- 1975.-Т.50, вып.5. 137 с.

18. Косарев А.Н., Тужилкин B.C. О многолетних изменениях термогалинного режима вод Каспийского моря // Каспийский Плавучий Университет: Научный бюллетень.-2000 №1 .- С. 26 - 40.

19. Rodionov S.N. Global and regional climate interaction: The Caspian Sea experience.- Kluver Academic Publishers, 1994, 243 p.

20. Косарев A.H. Мамедов Г.М. О диагностических картах Каспийского моря // Вестник МГУ. Сер, 5, география,- 1967. -№6. С. 80 - 86.

21. Бадалов А.Б. Ржеплинский Д.Г. Синоптическая трехмерная циркуляция верхнего слоя Каспийского моря// Морской гидрофизический журнал 1986 - №1.- С. 15 - 19.

22. Ахвердиев И.О., Демин Ю.Л. О структуре синоптических течений Каспийского моря в летний сезон по результатам диагностических расчетов // Каспийское море (Структура и диагностика вод)-М.: Наука, 1990. С. 5 -15.

23. Компаниец Ю.Г. Схема течений Северного Каспия // Океанография 1973 -Т. 13, вып.4-С. 591 -596.

24. Скриптунов И.А. Течения западной части Северного Каспия// Тр. ГОИН. 1974. Вып. 118. -С. 83 - 111.

25. Клевцова Н.Д. Течения у западного побережья Среднего и Южного Каспия (от о-ва Чечень до устья р. Куры) // Сб. работ Бакинской ГМО- 1968 Вып. 4. - С. 153 - 159.

26. Клевцова Н.Д. К вопросу о зависимости между скоростями ветра и течений// Сб. работ Бакинской ГМО. 1966,-Вып. 2. - С. 19 - 27.

27. Клевцова Н.Д. Поверхностные течения в средней и южной частях Каспийского моря при различных полях ветра // Океанология. 1966.-Т. 6, вып. 1- С. 82 - 88.

28. Клевцова Н.Д. Режим течений у восточного побережья Среднего и Южного Каспия// Сб. работ Бакинской ГМО. 1967. Вып. 3,- С. 44 - 49.

29. Цицарев А.Н. Особенности дрейфовых течений на акватории взморья р. Куры// Сб. работ Бакинский ГМО,- 1967,- Вып.З,- С. 50 57.

30. Атлас волнения и ветра Среднего и Южного Каспия / Сост. Л.П. Тамбовцева. JL: Гидрометеоиздат, 1968. - 92 с.

31. Книпович Н.М. Гидрологические исследования в Каспийском море в 1914 1915 гг. // Тр. Касп. эксп. 1914- 1915 гг. Т. 1.-Петербург, 1921.-943 с.

32. Книпович Н.М. Гидрология морей и солоноватых вод.- М.; JL: Изд. ВНИРО, 1938. 513 с.33