Совершенствование системы прогнозирования п о следствий аварийных разливов нефти в прибрежной зоне керченского пролива

На правах рукописи

Глухенький Илья Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ПОСЛЕДСТВИЙ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ

В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ КЕРЧЕНСКОГО ПРОЛИВА

Специальность 03.02.08 – Экология

(в нефтегазовой отрасли) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

«Кубанский государственный технологический университет»

Защита состоится «17» февраля 2012 г. в 10 ч 00 мин на заседании диссертационного совета ДМ 212.100.08 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350020,
г. Краснодар, ул. Красная, д. 135, в ауд. 94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета

диссертационного совета ДМ 212.100.08

кандидат химических наук, доцент Г.Г. Попова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Антропогенная деятельность человека негативно сказывается на состоянии окружающей среды. Согласно постановлениям Правительства РФ от 21.08.2000 г. №613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» и от 15.04.02 г. №240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории РФ» разрабатываются и совершенствуются системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти.

По оценкам Департамента природных ресурсов и государственного экологического контроля Краснодарского края в прибрежную зону Азовского и Черного морей ежегодно попадает около 500 т нефти: при погрузке и аварийных разливах – 38 %; из-за сбросов нефти с судов – 22 %; с речными водами – 17 %; с промышленными сточными водами – 11 %; из атмосферы – 6 %; с ливневыми водами населенных пунктов – 5 %; в результате естественного выхода из недр – 1 %. Поэтому особое внимание в настоящее время уделяется обеспечению экологической безопасности при разливах нефти в прибрежной зоне Керченского пролива.

Информационная поддержка принятия решений при аварийных разливах нефти осуществляется с использованием системы прогнозирования. Система прогнозирования последствий аварийных разливов нефти опирается на современные методы математического моделирования, учитывающие гидродинамические и климатические особенности прибрежной зоны Керченского пролива, методы экологического мониторинга, методы комплексной оценки экологической чувствительности прибрежно-морских зон к нефтяному загрязнению. Основу этих методик составляет ряд научных работ, посвященных мониторингу, контролю и управлению качеством окружающей среды (А.И. Потапов, Л.Н. Карлин, В.Н. Воробьев, А.А. Музалевский, 2006), управлению экологическими рисками (Е.А. Яйли, А.А. Музалевский, 2006) и моделированию нефтяных разливов на водной поверхности – модели, определяющие временную динамику пятна нефти, а не его форму (I. Fay, 1971;
D. Mackay, 1980); модели, в которых наблюдаемое удлинение и растекание пятна рассматривается как результат погружения и всплытия капель нефти под действием волн (O. Johansen, 1982; P. Tkalich, E. Chan, 2002; С. И. Дембицкий, А.В. Ларионов, М.Х. Уртенов 2009); модели, учитывающие изменение плотности нефти и определяющие растяжения нефти в точке разлива
(R. Belore, 2006); модели соприкосновения пятна нефти с берегом
(J. Papadimitrakis, G. Copeland, W. Thian-Yew, M. Psaltak, M. Christolis, N.Markatos, 2006); модели, в которых учитывается биоразложение
(П.Ф. Ферхюльст, Б. Гомпертц, Т. Мальтус, А. Д. Базыкин; E.O. Obi, 2009)); методики оценки экологической чувствительности прибрежно-морских зон (Y.Y. Blinovskaya, С.Ю. Монинец, 2010).

Ведущие научно-исследовательские центры и организации, такие как Одесский государственный экологический университет (Украина), Sweden's Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) (Швеция), U.S. scientific agency National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (США), Engineering, Design and Consultancy Company RAMBOL (Дания), Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering (KRISO) (Корея), разрабатывают информационные системы, позволяющие обеспечить экологическую безопасность в прибрежно-морских зонах различных государств в случае аварийных разливов нефти. Однако результаты этих исследований достаточно сложно использовать для совершенствования системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти в прибрежной зоне Керченского пролива, поскольку они учитывают особенности только тех регионов, для которых они разработаны.

Актуальность темы исследования подтверждается поддержкой оказанной работе Министерством образования и науки РФ согласно Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. – проект: «Мониторинг геохимических процессов и разработка методологических основ снижения влияния на окружающую среду шламонакопителей отходов нефтегазового комплекса» (ГК
№ П1158 от 03.06.2010).

Цель работы. Повышение экологической безопасности за счет совершенствования системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти в прибрежной зоне Керченского пролива на основе моделирования зон потенциального нефтяного загрязнения, учитывающего гидродинамические и климатические условия исследуемой территории.

Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи:

1. Установить особенности влияния гидродинамических и климатических условий, физико-химических свойств нефтяных разливов на конфигурацию зоны нефтяного загрязнения в Керченском проливе.
2. Разработать математическую модель динамики экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения акватории Керченского пролива.
3. Создать программу имитационного моделирования динамики экологически опасных зон нефтяного загрязнения и выполнить с ее помощью функциональное зонирование побережья Керченского пролива.
4. Сопоставить результаты численного с данными спутникового мониторинга Керченского пролива и разработать алгоритм решения обратной задачи по определению местоположения источников нефтяного разлива.
5. Разработать структуру информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти и рекомендации по повышению экологической безопасности в прибрежной зоне Керченского пролива.

Научная новизна

1. Установлены особенности влияния гидродинамических и климатических условий, физико-химических свойств нефтяных разливов на конфигурацию зоны нефтяного загрязнения в Керченском проливе на примере аварийных ситуаций с нефтеналивными судами. Проведен статистический анализ факторов, оказавших влияние на аварийные разливы нефтепродуктов с 2006 по 2011 г. в этой акватории.
2. Разработана математическая модель динамики экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения акватории Керченского пролива, учитывающая процессы конвективного переноса, диффузии, биологической деструкции, испарения легких фракций, направление и скорость течения, направление и скорость ветра, температуру водной поверхности. Впервые определен интервал времени оперативного реагирования по достижении нефтяным пятном береговой зоны.
3. Впервые создана программа имитационного моделирования «PROLIV» динамики экологически опасных зон нефтяного загрязнения. Выполнено функциональное зонирование побережья Керченского пролива с составлением электронных карт зон потенциальных нефтяных загрязнений, позволяющих снизить негативное воздействие нефтяного разлива на прибрежную территорию.
4. Результаты численного эксперимента по определению зон потенциального нефтяного загрязнения сопоставлены с данными спутникового мониторинга в районе фарватера Керченского пролива. Определены принципы создания электронных образов зон потенциального нефтяного загрязнения, включающие выбор масштаба, качества спутниковых фотоснимков, необходимые объемы исходных данных. Предложен алгоритм оперативного решения обратной задачи по определению местоположения источников нефтяного разлива, учитывающий различное время начала аварийного выброса нефти.
5. Впервые разработана структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти, включающая блоки оперативных и статистических данных, блок подготовки исходных данных для моделирования, нормативно-правовую базу для разработки планов ликвидации аварийных разливов нефти и блок моделирования. Впервые разработаны рекомендации по повышению экологической безопасности в прибрежной зоне Керченского пролива, на основе функционального зонирования нефтяных загрязнений.

Практическая ценность работы

1. Определены пять точек риска нефтяных выбросов. Месторасположение точек на Керчь-Еникальском канале (фарватере Керченского пролива) задано географическими координатами: 45016'40"с.ш. 36027'30"в.д., 45018'с.ш. 36029'в.д., 45020'10"с.ш. 36036'в.д., 45020'40"с.ш. 36037'10"в.д., 45023'с.ш. 36040'в.д.
2. Установлено время оперативного реагирования по достижении нефтяным пятном береговой зоны с учетом гидрометеорологических особенностей территории. Авторские математические модели динамики экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения акватории Керченского пролива позволили внести коррективы в планы ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН).
3. Составлены десять электронно-имитационных карт функционального зонирования побережья Керченского пролива, позволяющих определить динамику изменения площади, концентрации и конфигурации потенциально опасной зоны для каждой из пяти точек риска. Предложена структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти. Полученные результаты позволяют оптимизировать принятие управленческих решений по проведению ликвидационных мероприятий для данного региона.

Внедрение. Результаты диссертационного исследования рекомендуются Департаментом природных ресурсов и государственного экологического контроля Краснодарского края к внедрению аварийно-спасательным службам, занимающимся разработкой планов ликвидации разливов нефти и непосредственной ликвидацией последствий аварийных разливов нефти на водных объектах; используются профессиональной аварийно-спасательной службой ОАО «Южный региональный центр аварийно-спасательных и экологических операций» для разработки планов ликвидации разливов нефти и при ликвидации аварийных разливов нефти на водных объектах, для принятия оптимальных управленческих решений по проведению ликвидационных мероприятий; внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Достоверность результатов обеспечивается использованием современных математических методов в сочетании с новейшими компьютерными технологиями, позволяющими учитывать многокомпонентность сложных экосистем. Проверка адекватности модели проведена на основе сопоставления результатов спутникового мониторинга с имеющимися экспериментальными данными.

Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены лично автором. Диссертантом создана математическая модель для прогнозирования траектории движения нефтяного пятна и изменения его состояния на поверхности вод Керченского пролива; разработана программа имитационного моделирования «PROLIV», визуализирующая динамику и деструкцию нефтяных пятен в прибрежных водах Керченского пролива. Им лично выявлены наиболее уязвимые точки Керченского пролива и предложены рекомендации по использованию программы имитационного моделирования «PROLIV» для обеспечения экологической безопасности при аварийных разливах нефти.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Интерпретация статистических данных по гидродинамическим и климатическим условиям, оказавшим влияние на аварийные разливы нефтепродуктов в период с 2006 по 2011 гг. в Керченском проливе, позволяющая выделить факторы для определения наиболее вероятного местоположение аварийных выбросов нефти (точек риска).
2. Математическая модель динамики экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения акватории Керченского пролива, учитывающая процессы конвективного переноса, диффузии, биологической деструкции, испарения легких фракций, направление и скорость течения, направление и скорость ветра, температуру водной поверхности. Способы определения интервала времени оперативного реагирования по достижении нефтяным пятном береговой зоны.
3. Программа имитационного моделирования «PROLIV» динамики экологически опасных зон нефтяного загрязнения. Функциональное зонирование побережья Керченского пролива с составлением электронных карт зон потенциальных нефтяных загрязнений.
4. Результаты численного эксперимента по определению зон потенциального нефтяного загрязнения и их соответствие данным спутникового мониторинга на примере крушения танкера «Волгонефть-139» в 2007 году в районе якорной стоянки Керченского пролива. Принципы создания электронных образов зон потенциального нефтяного загрязнения. Алгоритм оперативного решения обратной задачи по определению местоположения источников нефтяного разлива, учитывающий различное время начала аварийного выброса нефти.
5. Структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти. Рекомендации по повышению экологической безопасности в прибрежной зоне Керченского пролива на основе функционального зонирования нефтяных загрязнений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии» (Краснодар, 2010), «Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора» (Туапсе, 2010), «Молодая наука – 2010» (Туапсе, 2010), «Экология и география материковой линии Европа-Азия на Юге России» (Краснодар, 2010), «Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий» (Чебоксары, 2011); научной конференции студентов и молодых ученых ВУЗов Южного федерального округа (Краснодар, 2009); на научных семинарах кафедр физики и технологии нефти и экологии ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Публикации результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них три статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов докторских и кандидатских диссертаций, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (140 наим.), двух приложений. Работа изложена на 173 стр., содержит 47 рисунков, 7 таблиц.

Автор выражает свою признательность доценту, кандидату химических наук А.В. Лаврентьеву за обсуждение результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены ее цели и задачи, перечислены результаты, выносимые на защиту, сформулированы научная новизна и практическая ценность исследования, определен личный вклад автора.

В первой главе «Состояние мониторинга и проблемы загрязнения экосистем Азово-Черноморского бассейна» проведены анализ и обобщение литературных данных, результатов космического мониторинга по состоянию акватории прибрежных вод Керченского пролива, источников загрязнения нефтью, особенностей гидродинамических и климатических условий исследуемой территории.

Керченский пролив мелководен. Наибольшие глубины находятся во входах в него, но и они не превышают 10 м в северном и 17 м в южном входе. К середине пролива глубины постепенно уменьшаются и к северу от мыса Еникале они менее 5 м. Поэтому в средней части Керченского пролива плавание больших судов возможно только по Керчь-Еникальскому каналу. Температура воздуха на побережье Керченского пролива в самые холодные месяцы – январе и феврале – составляет в среднем –0,2 °С, –0,7 °С, но в отдельные дни может понизиться до –24 °С, –26 °С. В самые теплые месяцы – июле и августе – средняя температура воздуха 23–24 °С, максимальная 35–38 °С. Большую часть года в районе Керченского пролива дуют северо-восточные ветры, отличающиеся значительной скоростью и продолжительностью, а зимой приносящие похолодание. Летом довольно часты ветры южных направлений. Сильные ветры наблюдаются преимущественно зимой и осенью. Штилей наблюдается мало. Течения в Керченском проливе в основном зависят от ветров, а также от стока воды из Азовского моря. Течение из Азовского моря наблюдается чаще и обычно бывает при северных ветрах, а течение из Черного моря – реже и обычно при южных ветрах. В проливе средняя скорость течения – 5–26 см/с. В узкостях при сильных ветрах скорость может достигать 154 см/с. Наиболее сильные и устойчивые течения наблюдаются в узкостях между маяком Еникальский и косой Чушка, а также между мысом Павловский и островом Тузла.

Для решения проблемы загрязнения экосистемы Азово-Черноморского бассейна проводится комплексный геоэкологический мониторинг. Он осуществляется путем анализа спутниковых изображений видимого, инфракрасного и микроволнового диапазонов, полученных с помощью 12 искусственных спутников Земли (ИСЗ): МЕТЕОР-3М, МОНИТОР-Э, ИСЗ TERRA, AQUA, NOAA, ERS-2, ENVISAT, IRS, QuikSCAT, JASON, TOPEX/Poseidon; METEOSAT-9.

Анализ положений «BLACK SEA AND SEA OF AZOV PILOT» и архивных данных по аварийным разливам нефтепродуктов с 2006 по 2011 гг. позволил определить пять наиболее опасных в навигационном отношении точек риска судоходного Керчь-Еникальского канала (фарватера Керченского пролива), которые являются наиболее вероятными местами выбросов нефти и имеют следующие координаты: 1) 45016'40"с.ш. 36027'30"в.д.,
2) 45018'с.ш. 36029'в.д., 3) 45020'10"с.ш. 36036'в.д., 4) 45020'40"с.ш. 36037'10"в.д., 5) 45023'с.ш. 36040'в.д., 6) место крушения танкера «Волгонефть-139» – 45012'30"с.ш. 36032'в.д. (рис. 1). В результате анализа данных о кораблекрушении танкера «Волгонефть-139» в 2007 году установлены координаты точки выброса нефти – 45012'30"с.ш. 36032'в.д.

Анализ причин загрязнения нефтью акватории Керченского пролива показывает недостатки существующей системы прогнозирования. Одним из важнейших является отсутствие математически обоснованных методов, основанных на физико-математических моделях, имитирующих поведение слоя разлитой на водной поверхности нефти, позволяющих прогнозировать его перемещение под действием ветра и течений. Максимально объективно спрогнозировать развитие чрезвычайной ситуации, а также разработать мероприятия по предупреждению таковой позволяет компьютерное моделирование процесса, что приобретает большую значимость в условиях повышенной экологической опасности территории Керченского пролива.

Рисунок 1 – Местоположение точек риска на фарватере в Керченском проливе

Во второй главе «Моделирование изменения состояния и движения нефтяных загрязнений в Керченском проливе» дана краткая характеристика процессов (растекание, адвекция, испарение, растворение, фотоокисление, биоразложение, седиментация, эмульгирование, диффузия, диспергирование), происходящих с нефтью, попавшей на водную поверхность; проведен сравнительный анализ наиболее распространенных на сегодняшний день моделей и программ имитационного моделирования разливов нефти; предложена модель изменения состояния и движения одного или нескольких нефтяных пятен в Керченском проливе; приведен алгоритм решения полученной системы уравнений; описана разработанная автором программа по визуализации результатов численных расчетов. В таблице 1 приведено сравнение математических моделей изменения состояния и движения нефтяных пятен.

Таблица 1 – Сравнение математических моделей динамики нефтяного пятна

В результате анализа гидродинамических и климатических условий в Керченском проливе было установлено, что для достоверного моделирования развития разливов нефти необходимо учесть при разработке математической модели процессы растекания, адвекции, испарения, растворения, биоразложения, диффузии и изменения коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии. За основу было принято полуэмперическое уравнение диффузии (1):

(1)

где Ci(x,y,t) – концентрация загрязнения, г/м2; t – время, с; x, y – декартовы координаты текущей точки, м; u, v – компоненты вектора скорости течения, м/с; Kx, Ky – коэффициенты турбулентной диффузии в плоскости (x,y), м2/с; F(Ci,Rj) – функция, которая описывает соответствующий процесс деструкции i-й факторизованной фракции в результате j-й реакции Rj, г/(м2с).

Для описания процесса испарения легкой, нейтральной и не испаряющейся псевдофракций нефтяного пятна была использована система уравнений (2):

(2)

где – значение молярной массы компонента с номером i, кг/моль; – коэффициент массопереноса для углеводорода, м/с; U – скорость ветра, м/с; Xi – молярная доля компонента с номером i, равная ; – количество вещества компонента с номером i, моль; Pi – давление паров компонента с номером i, Па; R=8,314 Дж/моль·К – универсальная газовая постоянная; T – температура окружающей среды над поверхностью пятна, К.

Для описания процесса растворения нефтяного пятна была использована система уравнений (3):

(3)

где – коэффициент массопереноса растворения; – начальное значение коэффициента массопереноса растворения; – коэффициент, зависящий от волнения моря; Si – растворимость в воде компоненты с номером i, кг/м3; A – площадь пятна нефти, м2. Изменение начальной растворимости нефти описывается уравнением где S0 – начальная растворимость нефти; t – время, с.

Процесс конвективно-диффузионного переноса нефтяного пятна с учетом биоразложения описан с помощью системы уравнений (4):

(4)

где M – численность микроорганизмов; m – максимальная скорость роста микроорганизмов; C – концентрация нефти; Ks – коэффициент насыщения;
– скорость отмирания клеток; q – коэффициент пропорциональности между количеством бактерий и поглощенным субстратом.

Горизонтальная диффузия, создаваемая мезомасштабной горизонтальной турбулентностью, происходит значительно быстрее при наличии значительных градиентов скорости крупномасштабных течений, чем вертикальная диффузия, создаваемая мелкомасштабной турбулентностью. Поэтому в верхнем слое морских и океанических вод коэффициент вертикальной диффузии считается постоянным и принимается равным Kz=10-3 м2/с, а коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии зависит от гидродинамических и климатических условий, в которых протекает процесс. Для сложных гидродинамических и климатических условий Керченского пролива коэффициент горизонтальной турбулентной диффузии будет подчиняться закону «четырех третей» Ричардсона (5):

(5)

где L – размер диффундирующего пятна; – скорость диссипации турбулентной энергии, у поверхности имеет значения порядка 1–10-1 см2/с3 и в среднем убывает с глубиной до значений порядка 10-3–10-4 см2/с3.

При решении вышеописанных систем уравнений были приняты граничные и начальные условия для одномоментного залпового выброса:

; ,

(6)

где S0 – область, покрытая пятном; С0 – концентрация нефти в изучаемой области.

Автором на основе неявных конечно-разностных схем, показавших устойчивость при высоких скоростях поверхностных течений, были разработаны, а затем реализованы с помощью высокоуровневого языка технических расчетов программного обеспечения MathWorks MATLAB алгоритмы численного решения вышеописанных уравнений. Для визуализации проведенных численных расчетов была создана программа имитационного моделирования «PROLIV», позволяющая отслеживать движение и изменение состояния одного или нескольких нефтяных пятен.

В третьей главе «Система прогнозирования последствий аварийных разливов нефти в прибрежной зоне Керченского пролива при авариях» рассмотрены экологически опасные зоны потенциального нефтяного загрязнения с нанесением их на соответствующие карты и разработана структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти.

Численный эксперимент по определению экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения был проведен с использованием полученных ранее точек риска аварийных разливов. В результате численного эксперимента созданы электронные образы зон потенциального нефтяного загрязнения с привязкой к реальным географическим координатам. Основой создания электронных образов зон потенциального нефтяного загрязнения являются гидродинамические и метеорологические данные, выбор масштаба и качество спутниковых фотоснимков.

Гидродинамические условия в Керченском проливе сильно зависят от метеорологической обстановки, и резкое усиление ветра может значительно изменить направление течений. Поэтому проследить динамику изменения зоны потенциального нефтяного загрязнения можно лишь с использованием имитационного моделирования развития ситуации. Авторская программа «PROLIV» позволяет представить аварийную ситуацию в реальном времени. Программа имитационного моделирования «PROLIV» представляет собой диалоговую среду, выполненную в виде графического интерфейса пользователя (GUI). Использование программного обеспечения MathWorks MATLAB по сравнению с традиционными языками программирования (C/C++, Java, Pascal, FORTRAN) позволило значительно упростить разработку алгоритма программы и на порядок сократить время решения поставленной задачи. Графический интерфейс пользователя содержит командную строку, с помощью которой задаются исходные данные для моделирования, поле для визуализации численных расчетов, а также панель управления, которая позволят измерять текущие параметры пятна (площадь, координаты, условную концентрацию) и менять параметры визуализации.

На рисунке 2 представлено радиолокационное изображение с искусственного спутника Земли Radarsat-1 от 16 ноября 2007 года акватории Керченского пролива через 119 часов после крушения танкера «Волгонефть-139», на котором зафиксирован разлив нефти в максимальной стадии площадью 117,6 км2. На рисунке 2 обозначены: х – положение носовой части танкера «Волгонефть-139», 1 – мазутный шлейф от носовой части, проникающий в Керченский пролив; 2 – загрязнение, скопившееся в Таманском заливе и распространяющееся далее в пролив; 3 – пятна нефтепродуктов в Азовском море на выходе из пролива; 4 – загрязнение вдоль украинского берега пролива; 5 – загрязнение, скопившееся в Керченской бухте; 6 – старые пятна, возможно обработанные сорбентом; 7 – пятна нефтепродуктов у восточного берега косы Чушка; 8 – загрязнение в Камыш-Бурунской бухте.

На рисунке 3 представлено наложение результатов численного эксперимента, проведенного с помощью программы «PROLIV», на радиолокационное изображение с искусственного спутника Земли Radarsat-1 от 16 ноября 2007 года. Согласно проведенному моделированию максимальная площадь пятна через 119 часов с момента разлива составила 130 км2. Совпадение результатов численного эксперимента и данных на радиолокационном изображении составляет примерно 90 %, что доказывает адекватность разработанной математической модели реальным процессам распространения нефтяных загрязнений прибрежной зоне Керченского пролива.

Рисунок 2 – Загрязнение нефтепродуктами Керченского пролива на радиолокационном изображении спутника Radarsat-1 от 16 ноября 2007 года (через 119 часов с момента разлива)

Рисунок 3 – Наложение результатов численного эксперимента на радиолокационное изображение спутника Radarsat-1 от 16 ноября 2007 года (через 119 часов с момента разлива)

Выполнено функциональное зонирование побережья Керченского пролива с составлением электронных карт с обозначением зон потенциальных нефтяных загрязнений, имеющих в определенных временных условиях наибольшую/наименьшую вероятность загрязнения нефтью. Это позволяет снизить негативное воздействие нефтяного разлива на прибрежную территорию. Для создания картографической основы представления динамики зон потенциального нефтяного загрязнения использованы результаты моделирования физико-химических процессов, текущего мониторинга, данные дистанционного зондирования, что позволило разработать разные по масштабу и назначению электронные карты. На рисунке 4 приведен пример моделирования слияния двух нефтяных пятен.

Рисунок 4 – Динамика слияния двух нефтяных пятен: а) трехмерная визуализация процесса слияния; б) изолинии условной концентрации

Каркасом для последующей привязки, совмещения и координирования всех данных, необходимых для принятия решения при реагировании на чрезвычайную ситуацию, служит морская навигационная карта прибрежного масштаба 1:50.000, отвечающая требованиям Международной Ассоциации маячных служб (The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities). При моделировании программа была привязана к квадрату с координатами 4506' c.ш. – 45026' c.ш., 36023' в.д. – 36047' в.д.

Функциональное зонирование (рис. 5-8) Керченского пролива было проведено с помощью моделирования поведения нефти в прибрежной зоне Керченского пролива для двух типов течения: Северного (Азовского) и Южного (Черноморского).

Рисунок 5 – Карта функционального зонирования Керченского пролива при Северном (Азовском) типе течения

Рисунок 6 – Карта функционального зонирования Керченского пролива при Южном (Черноморском) типе течения

Исходя из грузовых характеристик танкеров, осуществляющих перевозки нефти в акватории Керченского пролива, а также на основании требований законодательства к определению максимального объема разлива нефти в отношении танкеров для моделирования объем разлива сырой нефти был принят равным 1000 т. Моделирование проводилось до момента контакта пятна с берегом.

Разработана структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти, включающая блоки оперативных (1) и статистических данных (2), блок подготовки исходных данных для моделирования (3), нормативно правовую базу для разработки планов ликвидации аварийных разливов нефти (4) и блок имитационного моделирования (5) (рис. 9).

Блок 1 (оперативных данных) предназначен для получения и обработки текущих данных о разливе нефти и гидрометеорологической обстановке в районе разлива с использованием данных наземного и спутникового мониторинга.

Рисунок 7 – Площадь нефтяных пятен при Северном (Азовском) течении в зависимости от времени, прошедшего с момента разлива. 1-6 – точки контакта пятен с берегом: 1 – район Камыш-Бурунского порта, 2 – мыс Павловский, 3 – мыс Белый и мыс Ени-Кале, 4 – мыс Белый, 5 – Порт Крым, 6 – коса Чушка	Рисунок 8 – Площадь нефтяных пятен при Южном (Черноморском) течении в зависимости от времени, прошедшего с момента разлива. 1-6 – точки контакта пятен с берегом: 1, 2 – мыс Павловский, 3 – мыс Ени-Кале, 4 – мыс Белый, 5 – коса Чушка, 6 – выход в Азовское море без контакта с берегом через 20 часов

Блок 2 (статистических данных) предназначен для компьютерного анализа имеющейся статистической информации о ранее произошедших инцидентах в Керченском проливе, связанных с разливами нефти, и их последствиями. База статистических данных содержит гидрометеорологическую информацию, картографическое обеспечение.

Рисунок 9 – Структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти

Блок 3 (подготовки исходных данных для моделирования) используется для подготовки данных при проведении моделирования развития аварийного разлива нефти, путем выборки необходимой информации из блоков 1 и 2 данных. Электронная карта течений, соответствующая текущим гидрометеорологическим условиям разлива, вместе с координатами и размерами нефтяного пятна передается в блок моделирования.

Блок 4 (нормативно-правовой базы для разработки планов ликвидации аварийных разливов нефти) предназначен для правового контроля при разработке планов ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН) и непосредственном осуществлении ликвидационных мероприятий.

Блок 5 (имитационного моделирования) создан на основе математических моделей, описывающих физико-химические и биологические процессы деструкции нефтяного пятна, позволяет проводить численные эксперименты с последующей экспертной оценкой развития аварийных разливов нефти.

Использование всех пяти блоков позволяет проводить функциональное зонирование побережья Керченского пролива, а также использовать данную систему при разработке ПЛАРН и сократить сроки принятия оперативных управленческих решений при выборе ликвидационных мероприятий.

Система прогнозирования последствий аварийных разливов нефти на основе функционального зонирования побережья Керченского пролива с составлением электронных карт зон потенциальных нефтяных загрязнений, позволяет снизить негативное воздействие нефтяного разлива на прибрежную территорию. Разработанная система позволяет проводить эффективное принятие управленческих решений организациями, занимающимися ликвидацией последствий аварийных разливов нефти.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В итоге проведенных в диссертации исследований можно сформулировать следующие основные результаты и предложения:

1. Установлено влияние гидродинамических и метеорологических условий, физико-химических свойств нефтяных разливов на площадь нефтяного загрязнения, его концентрацию, интервал времени движения нефтяного пятна к береговой зоне в Керченском проливе на примере аварийных ситуаций с нефтеналивными судами. Основываясь на имеющихся архивных данных по аварийным разливам нефтепродуктов с 2006 по 2011 гг. в Керченском проливе (общее количество инцидентов составило 178), выделены факторы для определения точек риска (45016'40"с.ш. 36027'30"в.д., 45018'с.ш. 36029'в.д., 45020'10"с.ш. 36036'в.д., 45020'40"с.ш. 36037'10"в.д., 45023'с.ш. 36040'в.д.) наиболее вероятных выбросов нефти, способствующих совершенствованию системы прогнозирования последствий аварийных разливов.
2. Разработана математическая модель динамики экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения акватории Керченского пролива, учитывающая процессы конвективного переноса, диффузии, биологической деструкции, испарения легких фракций, направление и скорость течения, направление и скорость ветра, температуру водной поверхности. Определен интервал времени оперативного реагирования по достижении нефтяным пятном береговой зоны.
3. Создана программа имитационного моделирования «PROLIV» динамики экологически опасных зон нефтяного загрязнения. Выполнено функциональное зонирование побережья Керченского пролива с составлением электронных карт зон потенциальных нефтяных загрязнений, позволяющих снизить негативное воздействие нефтяного разлива на прибрежную территорию.
4. Определены принципы создания электронных образов зон потенциального нефтяного загрязнения, включающие выбор масштаба, качества спутниковых фотоснимков, необходимые объемы исходных данных. Предложен алгоритм оперативного решения обратной задачи по определению местоположения источников нефтяного разлива, учитывающий различное время начала аварийного выброса нефти. Совпадение результатов численного эксперимента и данных спутникового мониторинга доказывает адекватность разработанной математической модели реальным процессам распространения нефтяных загрязнений.
5. Разработана структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти, включающая блоки оперативных и статистических данных, блок подготовки исходных данных для моделирования, нормативно-правовую базу для разработки планов ликвидации аварийных разливов нефти, блок моделирования, блок определения места разлива нефти по динамике перемещения нефтяного пятна. Информационно-аналитическая система прогнозирования последствий аварийных разливов нефти позволяет повысить экологическую безопасность прибрежной зоны Керченского пролива на основе разрабатываемого с ее помощью функционального зонирования побережья.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Ведущие рецензируемые журналы из перечня ВАК:

1. Глухенький, И.Ю. Численное моделирование динамики распространения нефтяного слика в Керченском проливе / И.Ю. Глухенький // Экология и промышленность России.– 2010.– №2.– С. 58–59.
2. Глухенький, И.Ю. Математическое моделирование распространения нефтяных загрязнений на водной поверхности в Керченском проливе / И.Ю. Глухенький, А.В. Лаврентьев, В.Г. Миненко, К.В. Хорошун // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология.– Краснодар, 2010.– №4.– С. 115–116.
3. Глухенький, И.Ю. Моделирование аварийных разливов Нефти в Керченском проливе / И.Ю. Глухенький, А.В. Лаврентьев, Г.Г. Попова // Безопасность в техносфере.– 2011.– №6.– С. 3-6.

Статьи и тезисы в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в сборниках научных трудов:

4. Глухенький, И.Ю. Минимизация негативного воздействия нефтяных разливов на экосистемы Керченского пролива / И.Ю. Глухенький,
   А.В. Лаврентьев // Комплексное использование биоресурсов: малоотходные технологии: материалы Международной научно-практической конференции.– Краснодар: Издательский Дом – Юг, 2010.– С. 54–57.
5. Глухенький, И.Ю. «PROLIV» – программа моделирования движения нефтяного пятна для прогнозирования последствий разливов нефти / И.Ю. Глухенький, А.В. Лаврентьев, Т.Л. Шапошникова // Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора: материалы Международной научно-практической конференции.– Туапсе, 2010.– С. 47–49.
6. Глухенький, И.Ю. Прогнозирование распространения аварийных разливов нефти в зоне Керченского пролива, как условие экологической безопасности и устойчивого развития региона / И.Ю. Глухенький, Т.Л. Шапошникова, Г.Г. Попова, А.В. Лаврентьев // Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора: материалы Международной научно-практической конференции.– Туапсе, 2010.– С. 49–51.
7. Попова, Г.Г. Влияние шламонакопителей отходов нефтегазового комплекса Краснодарского края на экологическую безопасность рекреационных территорий / Г.Г. Попова, С.Ю. Ксандопуло, И.Ю. Глухенький, А.С. Каськов, А.Н. Мананкина // Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора: материалы Международной научно-практической конференции.– Туапсе, 2010.– С. 136–138.
8. Хорошун, К.В. Разработка программы для моделирования движения пятна при разливах нефти / К.В. Хорошун, И.Ю. Глухенький, А.В. Лаврентьев // Молодая наука – 2010: материалы открытой Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне.– Туапсе, 2011.– С.47–48.
9. Глухенький, И.Ю. Прогнозирование и предупреждение чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефти в Керченском проливе /
   И.Ю. Глухенький, Г.Г. Попова, А.В. Лаврентьев // Экология и география материковой линии Европа-Азия на Юге России: сборник научных докладов 3-й Международной конференции.– Краснодар, 2010.– С. 51–57.
10. Попова, Г.Г. О состоянии проблемы влияния источников накопления и хранения отходов нефтегазового комплекса на окружающую среду / Г.Г. Попова, С.Ю. Ксандопуло, И.Ю. Глухенький, А.С. Каськов // Экология и география материковой линии Европа-Азия на Юге России: сборник научных докладов 3-й Международной конференции.– Краснодар, 2010.– С. 118–123.
11. Глухенький, И.Ю. Математическая модель динамики распространения нефтяных пятен в Керченском проливе / И.Ю. Глухенький, А.В. Лаврентьев, Г.Г. Попова // Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий: сборник научных статей I Международной научно-практической конференции.– Чебоксары, 2011.– С. 185–186.
12. Глухенький, И.Ю. Программа «PROLIV», как средство для прогнозирования последствий разливов нефти / И.Ю. Глухенький, Г.Г. Попова, А.В. Лаврентьев // Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий: сборник научных статей I Международной научно-практической конференции.– Чебоксары, 2011.– С. 187–188.
13. Глухенький, И.Ю. Поведение нефти на поверхности воды /
    И.Ю. Глухенький, А.В. Лаврентьев // XXXVI научная конференция студентов и молодых ученых ВУЗов Южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризма: тезисы докладов, часть 2.– Краснодар, 2009.– С. 39–40.
14. Глухенький, И.Ю. Крупные разливы нефти / И.Ю. Глухенький,
    Т.Л. Шапошникова, А.В. Лаврентьев // XXXVI научная конференция студентов и молодых ученых ВУЗов Южного федерального округа, посвященной 40-летнему юбилею Кубанского государственного университета физической культуры, спорта и туризма: тезисы докладов, часть 2.– Краснодар, 2009.– С. 40–41.
15. Хорошун, К.В. Влияние строительства Тузлинской дамбы на гидродинамические условия в Керченском заливе / К.В. Хорошун, М.А. Барачина, И.Ю. Глухенький // XXXVII студенческая научная конференция КубГТУ: сборник трудов.– Краснодар: Издательский Дом – Юг, 2010.– С. 15–17.
16. Лаврентьев, А.В. Разработка программы для моделирования движения нефтяного загрязнения в водах Керченского пролива / А.В. Лаврентьев, И.Ю. Глухенький, Р.А. Журавлев // Сборник научных трудов факультета КТАС КубГТУ. – Краснодар: Издательский Дом – Юг, 2010.– С. 94–99.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ:

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617744. Программа имитационного моделирования движения нефтяного пятна на водной поверхности «PROLIV» / Т.Л. Шапошникова, Р.В. Терюха, А.В. Лаврентьев, И.Ю. Глухенький, В.Г. Чередниченко,
    Г.Г. Попова.; правообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет». – № 2010615889; заявл. 27.09.10; зарег. 23.11.10, Реестр программ для ЭВМ.