Система уравнений, описывающая изменение численности популяции нефтеокисляющих микроорганизмов при условии ограниченности по субстрату, конвективного переноса и диффузии нефтяного загрязнения с учетом изменения концентрации нефти при микробном окислении для искомых функций ,, и ,, имеет вид:

; (1)

;

;

;

.

В уравнениях , - компоненты вектора скорости поверхностного и глубинного течений, удовлетворяющие уравнению неразрывности; - коэффициенты турбулентной диффузии на границе раздела фаз воздух/вода; - коэффициенты диффузии нефти в водной среде; - скорости естественного отмирания -того вида нефтеокисляющих микроорганизмов; - максимальная скорость роста -того вида нефтеокисляющих микроорганизмов при деструкции -той фракции; - коэффициент насыщения -того вида микроорганизмов, имеющий ту же размерность, что и субстрат; - коэффициент пропорциональности между количеством бактерий -того вида и поглощенным субстратом для -той фракции нефти.

Предположим, что в начальный момент времени t распределение концентрации и нефтеокисляющих микроорганизмов известны и задаются функциями :

; (2)

Далее рассматривается постановка различных граничных условий для трёх случаев. В первом случае нефтяное загрязнение находится достаточно далеко от берега, так что, используя биологические препараты, удается ликвидировать нефтяное загрязнение до того, как оно приблизится к берегу, тогда влиянием берега можно пренебречь. В этом случае для системы уравнений (1)-(2) ставятся только начальные условия, и получаем для определения искомых функций задачу Коши. Во втором случае нефтяное загрязнение удерживается боновыми заграждениями, причем протечками нефти за пределами боновых заграждений можно пренебречь. В третьем случае пятно расположено достаточно близко к берегу и возможен выброс на берег. Тогда постановка граничных условий, связанных с берегом, зависит от физико-химических свойств нефти и морфологической структуры побережья. В этом случае происходит отражение, частичное или полное прилипание нефти к отложениям побережья.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

а) б)

в) г)

Рис.4. Изменение концентрации нефти с течением времени в безразмерном виде

а) , б) , в) , максимальное значение равно 0.002, г) , максимальное значение равно 0.0000026

В третьем и четвёртом разделах главы приводится алгоритм численного решения краевой задачи, производится переход к безразмерному виду, оценивается величина безразмерных параметров, приводится алгоритм численного анализа. В следующем разделе главы приводится краткое описание программы.

В шестом разделе главы исследуются основные закономерности динамики нефтяного загрязнения Азовского моря. Для этого соискателем было проведено большое количество вычислительных экспериментов с использованием предложенных алгоритмов численного решения краевой задачи, которые позволили выявить ряд основных закономерностей деструкции нефтяного загрязнения с учетом особенностей Азовского моря. Приведём основные из них.

Предположим, что разлилось небольшое количество нефти и образовалось нефтяное пятно. Как показано на рис. 4 на примере поверхностной концентрации нефти - это пятно переносится по течению и одновременно за счет диффузии, испарения, выпадения в осадок и микробиологического окисления концентрация нефти на поверхности и растворенной в глубине водной среды убывает (рис. 4).

На рис. 5 даны линии уровня поверхностной концентрации при увеличенном значении коэффициентов турбулентной диффузии против реального значения для наглядного представления процесса диффузии нефти. В реальности процесс диффузии происходит примерно в 100 раз медленнее процесса переноса и его влияние проявляется при больших интервалах времени.

а) б)

в) г)

Рис.5. Линии уровня изменения концентрации нефти с течением времени в безразмерном виде а) , б) , в) , г) .

Рис. 6. Изменение концентрации нефти (а, б, в) и нефтеокисляющих микроорганизмов (г) в центре нефтяного загрязнения в безразмерном виде с течением времени.

На рис. 6 приведено изменение концентрации нефти (а, б, в) и нефтеокисляющих микроорганизмов (г) в центре нефтяного загрязнения с течением времени, причем для удобства интерпретации результатов форма загрязнения предполагается простой, а именно - кругом. Как видно из рис.6 а, б - концентрация нефти, как на поверхности, так и на глубине водной среды уменьшается, а количество выпадающей в осадок нефти - увеличивается и постепенно стабилизуется (рис.6, в). Одновременно, концентрация нефтеокисляющих микроорганизмов сначала растет по экспоненциальному закону, затем стабилизируется, а потом убывает по линейному закону (рис. 6, г). Таким образом показано, что разработанную математическую модель можно использовать для мониторинга поведения нефти в море при решении широкого круга задач по предупреждению и ликвидации реальных аварийных разливов нефтепродуктов в Азовском море при проведении буровых работ и транспортировке жидких углеводородов.

Глава 4. Обоснование методов ликвидации углеводородного загрязнения береговой линии Азовского моря

В этой главе соискателем проанализированы особенности рельефа, геоморфологии, вещественного состава комплекса пляжевых осадков и условий их формирования береговой линии Азовского моря, проведено ранжирование побережья по степени чувствительности к углеводородному загрязнению. Предложена матрица рекомендаций по очистке побережья Азовского моря от такого загрязнения.

В первом разделе главы автором проанализированы современные подходы к разработке стратегии защиты берега от загрязнения, которые выводят на новый уровень требования к системам экологической безопасности. Прежде всего, выделим основные из них:

а) комплексность используемой информации - необходимо учитывать всё возрастающие объёмы самых разнообразных данных;

б) интерактивность - информация должна обновляться максимально приближенно к реальному времени;

в) оперативность принятия решения - система должна позволять быстро производить комплексный анализ, выдавая наиболее эффективные результаты.

Рис.7. Место карт чувствительности в системе обеспечения экологической безопасности

Эффективным решением, учитывающим вышеперечисленные требования, являются интерактивные карты чувствительности (, 2008 г), в основу которых ложится широкий набор информации по рекомендованным для данной местности методам ликвидации загрязнений. В основе индексации лежит выявление связи между строением и структурой берега и физическими процессами, происходящими при попадании нефти на берег. Индекс позволяет определить наиболее ранимые и максимально устойчивые к загрязнению районы и впоследствии облегчить процесс выбора приоритетных участков при ликвидации загрязнения. Комплексная характеристика структуры побережья и его гидродинамических особенностей находят свое выражение в индексации побережья по десятибалльной шкале (1 – минимальная, 10 – максимальная), когда каждому участку береговой зоны присваивается собственный индекс чувствительности.

Далее автором анализируется место интерактивных карт чувствительности в системе обеспечения экологической безопасности. Показано, что они позволяют выработать стратегию реагирования при планировании мероприятий по ликвидации разливов нефти. Это один из основных ресурсов, на которые опираются руководящие и исполняющие органы при принятии решений, оценке последствий разлива, а также расчете необходимых средств реагирования и мест их дислокации, исходя из типичных для данного района условий (рис. 7).

Таким образом, на основе выполненных исследований автором делается вывод, что для разработки технологии ликвидации углеводородного загрязнения с учётом особенностей Азовского моря целесообразно использовать карты чувствительности, включающие районированное по степени уязвимости для загрязнения нефтью побережье совместно с матрицей рекомендаций по методам очистки.

Во втором разделе главы проводится характеристика рельефа, геоморфологии и вещественного состава комплекса пляжевых отложений Азовского моря. Автором делается вывод, что малая площадь Азовского бассейна, а также существующая на его акватории сложная система разнонаправленных ветровых течений, позволяют допустить высокую вероятность воздействия неблагоприятных факторов освоения нефтегазоносных площадей практически на всём побережье Азовского моря.

По классификации , , В С. Медведева, побережья Азовского моря входят в группу равнинных, сложенных толщей рыхлых четвертичных отложений с долинным и овражно-балочным рельефом, и отнесены к типу «лиманных», в пределах которых наиболее распространён абразионно-бухтовый тип берега. Общая протяжённость береговой линии– 2686 км, коэффициент извилистости значителен и составляет 3,84, что определяется обширностью береговой линии лиманов, мысов и кос. Аккумулятивные формы и разделяющие их участки коренного берега – это особенность геоморфологии водоёма, позволяющая выделить обширные области побережий, обладающие внутренним единством.

Далее соискателем анализируются особенности северного, западного, южного и восточного берега моря. Северный берег Азовского моря – плоский и однообразный, террасовидным уступом круто обрывается к морю, образуя у своего основания узкое побережье. Побережье – узкая низменная береговая полоса от основания уступа коренного берега до уреза воды. Ширина её колеблется от единиц до десятков метров, значительно возрастая лишь в районе низменных кос – Федотовой, Обиточной, Бердянской, Кривой, Беглицкой и др. Основной породой кос является песок с обильным включением ракуши. Пески залегают на тёмно-серых илах. Встречаются древние песчано-ракушечные валы, межваловое пространство местами заилено. Растительный покров кос скуден, низины заболочены. Западный берег Азовского моря от Акманай переходит в Арабатскую стрелку– низменную песчаную косу, в виде вала, отделяющую Азовское море от оз. Сиваш, или Гнилого моря. От коренного берега полуострова она отделена узким мелководным проливом. На юге стрелка сложена из наносов ракуши. В северной её части наблюдаются выходы лёссовидных суглинков, соединённые ракушечными наносами.

Восточный берег моря по своему строению подразделяется на три района: северо-восточный и южный берега Таганрогского залива и восточный берег Азовского моря. Северо-восточным берегом залива являются низменные острова приморской части дельты р. Дона. Пески со сложными прослойками пылеватых и илистых грунтов являются характерными породами дельты. Южный берег Таганрогского залива – возвышенный. Он спускается крутым террасовидным уступом к плоскому побережью. Побережье – намывная полоса между урезом воды и основанием материкового берега. Оно загромождено обломочными породами и покрыто песчаными наносами. Берега Ейского лимана, защищённые от моря косами Найденной и Ейской, пологи, невысоки и покрыты степной растительностью. Косы приурочены к восточной половине. Среди них выделяются косы Очаковская, Чимбурская и Сазалицкая. К югу от Ахтарей к берегу Азовского моря примыкает сильно заболоченная обширная низменная дельта Кубани (Приазовские плавни). Южный берег Азовского моря в восточной половине представлен Таманским полуостровом, уступ берега которого – крутой, покрыт осыпями третичных отложений.

Далее, с учётом особенностей рельефа, геоморфологии и вещественного состава комплекса пляжевых осадков и условий их формирования автором проведено районирование береговой зоны Азовского моря. Выделено 39 участков, проводится подробный анализ особенностей каждого участка.

Таблица 1. Индексация побережья Азовского моря по степени

чувствительности к углеводородному загрязнению

Ин-декс

Тип берега

Характеристика

1

Открытые выходы непроницаемых коренных пород

Грунт непроницаем, естественные процессы способствуют быстрому удалению нефти. Уборка нефти не требуется.

2

Скально-глыбовые развалы

Нефть удаляется естественным путем. Уборка рекомендуется только загрязненных обломков.

3

Мелкопесчаные пляжи

Степень проникновения нефти не высокая. Уборка упрощена наличием плотного грунта.

4

Крупнопесчаные и мелкодетритовые пляжи

Уборка затруднена в связи с большой подвижностью осадка. Высокая степень проникновения и захоронения нефти.

5

Песчано-гравийные и песчано-ракушняковые пляжи

Высокая проницаемость, что приводит к разрушению поверхностного слоя во время уборки.

6

Ракушняковые, гравийные и щебнистые пляжи

Породы позволяют нефти просачиваться довольно глубоко, естественные процессы удаления нефти замедлены. Удаление загрязненного грунта крайне нежелательно.

7

Осыхающие отмели

Осадки насыщены водой, низкая степень проникновения нефти. При сухом побережье степень проникновения нефти высока. Нефть плохо закрепляется или просачивается, попадая на плотные, водонасыщенные отложения песка. Уборка нефти затруднена из-за возможности смешивания нефти с песком.

8

Закрытые песчано-детритовые, ракушняковые, галечные пляжи, скально-глыбовые развалы и антропогенные сооружения

Разлитая нефть покрывает поверхности горной породы в защищенных местах и может сохраняться на них долгое время. Уборка этих береговых линий всегда трудоемкая и может оказать негативное воздействие на биологические сообщества.

9

Защищенный осыхающий берег лиманов

Отложения насыщены водой, обычны заросли водной растительности. Степень естественной очистки низкая. Уборка нефти приводят к перемешиванию с илом.

10

Зарастающие, заболоченные земли лиманов и плавней

Очистка затруднена из-за труднопроходимости и вследствие высокой степени проникновения нефти вглубь лиманов и плавней.

В третьем разделе главы соискателем проводится районирование побережья Азовского моря по степени чувствительности к нефтяному загрязнению. За основу была взята система ранжирования, использованная Блиновской Я. Ю. при создании карт чувствительности для Дальнего Востока. Система ранжирования, адаптированная соискателем к условиям Азовского моря, представлена в табл. 1. Итоговая система индексации участков береговой линии по степени чувствительности к нефтяному загрязнению сочетает в себе данные о качественной характеристике побережья Азовского моря и процессах, происходящих при попадании нефти на берег.

Затем, согласно адаптированной системы индексации, соискателем была проиндексирована районированная береговая линия Азовского моря. Результаты для каждого участка берега представлены в таблице 2. Количество участков для каждого из десяти присвоенных индексов наглядно представлено на диаграмме (рис. 8, а). Из приведённой диаграммы видно, что большинство участков имеют индексы в диапазоне 2-6. Однако одно лишь соотношение количества индексов плохо характеризует экологическую уязвимость элементов береговой линии. Гораздо большую репрезентативность (от фр. имеет соотношение суммарных длин участков, имеющих одинаковый индекс экологической чувствительности (рис.8, б).

Из приведённых диаграмм видно, что на индексы экологической чувствительности, равные 3, 4 и 5, приходится наибольшая протяженность береговой линии Азовского моря, а именно 1991,89 км пляжей. А на долю чрезвычайно уязвимых участков, имеющих индексы 9 и 10, приходится 279,22 км береговой линии.

Таблица 2. Индексация участков береговой линии Азовского моря

по степени чувствительности к углеводородному загрязнению

Наименование и номера участков

Индекс(ы) чувствительности

Между устьем р. Мёртвый Донц и г. Таганрог (№1) и между Миусским лиманом и косой Кривой (№3)

9, 3

Между г. Таганрог и Миусским лиманом (№2)

9, 3, 2

Косы Кривая (№4), Белосарайская (№6), Бердянская (№8), Обиточная (№10), Ясенская (№28), Камышеватская (№30), Должанская (№32), Ейская (№34), Сазальницкая (№37), Бирючий остров и Федотова коса (№12)

5, 6

Между косами Кривая и Белосарайской (№5)

9, 3, 5

Между косами Белосарайская и Бердянская (№7), Берег Бердянского залива (№9), Берег Обиточного залива (№11).

4, 5

Побережье Утлюкского лимана (№13), Ахтанизовский участок (№23) и Берег Ясенского залива (№29)

4, 3

Северный участок Арабатской стрелки (№14)

4

Центральный участок Арабатской стрелки (№15) и Южный участок Арабатской стрелки (№16)

5

Арабатский залив, Краснокутский участок (№17)

2, 3

Плато и мыс Казантип (№18)

2, 4

Чокракский участок (№19) и Керченский участок, от м. Зюк до м. Фонарь (№20)

1, 2, 3

Каменномысский участок, от м. Ахиллеон до м. Пеклы (№21)

2, 5

Кучугурский участок (№22)

2, 4

Петрушинский участок (№24)

5, 7

Перекопский участок (№25)

5, 6, 10

Ачуевский участок (№26)

4, 6, 7, 10

Приморско-Ахтарский участок (№27)

3, 4, 8

Между косами Камышеватская и Должанская (№31), Должанская и Ейская (№33), Глафировской и Сазальницкой (№36), Сазальницкой и Очаковской (№38) и между Очаковской косой и г. Азовом (№39)

3

Ейский лиман (№35)

9, 3

Далее автором, с использованием программы ArcGIS 9.3, была проведена визуализация индексации побережья (рис. 9). При этом было сделано следующее упрощение. Если одному и тому же участку присвоено несколько индексов чувствительности, то итоговый индекс участка принимается равным максимальному из присутствующих. Как видно из рисунка, наиболее протяженные экологически уязвимые участки побережья Азовского моря расположены между Кучугурским участком и Приморско-Ахтарским.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3