Моделирование процессов распространения нефтяных загрязнений по акватории малых водотоков icon

Моделирование процессов распространения нефтяных загрязнений по акватории малых водотоков


Смотрите также:
Факультет географический Кафедра геоэкологии и ландшафтного планирования учебно-методический...
«Использование смс для удаления нефтяных загрязнений с поверхности водных животных»...
Моделирование и принятия решений по выбору эффективного воздействия на пзс в процессе разработки...
Р азработка технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений...
Рабочая программа моделирование процессов разработки нефтяных и газовых месторождений...
Моделирование физических процессов...
Европейская экономическая комиссия ООН...
Вторая Международная научная конференция моделирование нелинейных процессов и систем...
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 13...
Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 08 Моделирование и оптимизация...
Учебно-методический комплекс учебной дисциплины имитационное моделирование экономических...
Лекция: Моделирование бизнес-процессов средствами bpwin (часть 2): Стоимостный анализ: объект...



УДК 004.942

А.А. ПАВЛОВ, ассистент, кафедра «Промышленная экология и безопасность производства», pavlovandrey@list.ru

А.В. ЧЕРНЯЕВ, д-р техн. наук, профессор, кафедра «Промышленная экология и безопасность производства»

ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского

A.A. PAVLOV, assistant, Department «Industrial ecology and safety of production», pavlovandrey@list.ru

A.V. CHERNYAEV, Dr. Sc. of Engineering, Professor, Department «Industrial ecology and safety of production»

«MATI»-Russian Statement Technology University


^ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПО АКВАТОРИИ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ


В статье рассмотрены вопросы построения математической модели процессов растекания и переноса нефтепродуктов течением малого водотока. Особое внимание уделено совместному рассмотрению процессов происходящих во временной и пространственной областях.

Ключевые слова: разлив нефти, математическое моделирование, растекание нефти, перенос нефти, малый водоток.


^ MODELING OF SPREAD OIL POLLUTION ON SMALL RIVERS


The paper deals with a mathematical model of the processes of spreading and transport of petroleum products over a small watercourse. Particular attention is paid to the joint consideration of the processes occurring in the temporal and spatial domains.

Key words: oil spill simulation, the spreading of oil, the transfer of oil, a small watercourse.


Важность современных задач обеспечения экологической и техногенной безопасности, в частности безопасности магистральных нефтепроводов, требует интенсивного развития прикладных информационных систем. Без них практически невозможно создание эффективных систем прогнозирования, предупреждения и мониторинга аварий, рационального выбора защитных сил и средств. Все это делает актуальным задачу развития новых подходов основанных на применении математического моделирования.

Изучению и моделированию аварийных разливов нефти посвящено большое число научных работ []. Однако не существует единого подхода к описанию процессов и общепринятой системы моделей. Дополнительной принципиальной сложностью является невозможность проведения полноценных натурных экспериментальных исследований, что затрудняет проверку адекватности и точности моделей аварийных разливов нефти.

Наименее изученной в этой области является проблема совместного рассмотрения растекания нефтяного загрязнения под действием гравитации и переноса нефтяного загрязнения течением водотока [3]. Это связано с необходимостью рассмотрения процессов изменяющихся во временной области и в пространстве. Так скорость гравитационного растекания зависит от времени с начала разлива, а скорость течения водотока является пространственной характеристикой водотока.

Существующие в настоящее время модели распространения загрязнения по акваториям водотоков основаны на рассмотрении только процесса переноса нефтяного загрязнения течением водотока [2]. Согласно методике [2] прогноз времени подхода зоны загрязнения с максимальной концентрацией АХОВ к заданному створу водотока определяется по формуле: , где ^ L - длина расчетного участка реки, км; V - средняя скорость течения реки на участке, м/с; t0 - продолжительность сброса АХОВ в реку, час.

Как видно из приведенной расчетной формулы в модели, не учитывается увеличение площади нефтяного разлива вследствие гравитационного растекания, а также рассматривается только турбулентный режим течения жидкости в русле водотока, характеризующийся обобщенным значением средней скорости течения.

Необходимость построения имитационной математической модели обуславливается невозможностью проведения полномасштабных экспериментальных исследований происходящих процессов. Математическая модель, описывающие процессы распространения нефтяных разливов, необходима для построения адекватного прогноза перемещения нефтяного пятна, правильной реакции на аварийные разливы, оценки воздействия на окружающую среду, планирования чрезвычайных ситуаций и обучения персонала.

Целью настоящей работы было построить математическую модель, позволяющую рассчитывать скорость распространения нефтяного загрязнения по руслу малого водотока, вычислять время подхода нефтяного загрязнения к заданному створу и строить зависимость площади нефтяного загрязнения от времени с начала аварийного разлива.

Таким образом, достижение поставленной цели сопряжено с решением следующих задач: построить модель растекания нефтяного загрязнения по акватории малого водотока, разработать совокупную модель растекания и переноса нефтяного загрязнения в условиях турбулентного и ламинарного режимов течения. Нами для решения данных задач была построена математическая модель русла малого водотока [4], а также разработана модель распространения нефтяного загрязнения под действием гравитационного растекания и переноса течением водотока. Ниже изложены базовые подходы, использованные при разработке модели, а также результаты определения основных характеристик и параметров, необходимых для численной реализации модели.

^ Модельное представление движения воды в русле водотока

Русло водотока может быть представлено набором линейных участков и элементарных площадок. Под линейными участками понимается площадь поверхности водотока прямоугольной формы, выбранная перпендикулярно оси течения русла водотока. Каждый линейный участок характеризует скорость течения водотока в случае турбулентного режима течения [4]. В случае ламинарного режима движения жидкости в водотоке, линейный участок разбивается на множество элементарных площадок, каждая из которых характеризует скорость течения водотока [4]. Таким образом, задаются параметры, характеризующие скорость течения в русле водотока.

^ Модельное представление растекания нефтепродуктов в стоячей воде русла водотока Рассмотрим процесс растекания нефтепродуктов по руслу водотока в стоячей воде, т.е. при отсутствии течения. Как было показано в работах Фея [5], площадь нефтяного разлива зависит от времени с момента начала растекания. Для гравитационно-инерционной фазы растекания, площадь пятна может быть вычислена по следующей формуле: , где А1 – площадь разлива, Q0 – объем нефтяного разлива; ρB, ρH – плотность воды и нефти соответственно; g – ускорение свободного падения; t – время с начала разлива; с1=1,3 – эмпирический коэффициент; νB – кинематическая вязкость воды;. Для гравитационно-вязкой фазы растекания, зависимость площади нефтяного разлива от времени имеет следующий вид: , где А2 – площадь разлива; с2=0,96 – эмпирический коэффициент.

В опытах Фея растекания нефти происходило на «свободной воде». Пятно нефти имело форму окружности. Таким образом, зависимость площади поверхности от времени может быть представлена в следующем виде:

,

(5)

Откуда, зависимость радиуса нефтяного пятна от времени:

,

(6)

Продифференцировав данное выражение по времени, получим скорость увеличение радиуса нефтяного пятна, т.е. скорость растекания нефтяного пятна.

,

(7)

Ввиду того, что русло водотока в данной математической модели описывается линейными участками и элементарными площадками прямоугольной формы, возникает необходимость перехода от рассмотрения растекания нефтепродуктов на «свободной воде» в виде окружности к рассмотрению растекания нефти в условиях русла водотока в прямоугольнике. В случае, когда растекание нефти происходит в форме прямоугольника, зависимость скорости растекания от времени может быть получена из следующего выражения. Площадь прямоугольника . Введем коэффициент пропорциональности между сторонами прямоугольника .

Таким образом, зависимость площади поверхности прямоугольника имеет вид:

,

(8)

,

(9)

,

(10)

Аналогично, для гравитационно-вязкой фазы растекания:

,

(11)

Откуда скорость растекания:

,

(12)

^ Совместное рассмотрение процессов растекания и переноса током реки

В случае, когда мы рассматриваем водоток, растекание нефтяного разлива будет происходить вниз и вверх по течению водотока с различными скоростями. Так скорость перемещения вниз по течению водотока будет складываться из скорости течения водотока и скорости растекания нефтяного разлива.



(13)

А скорость перемещения нефтяного пятна при его движении вверх по течению реки есть разница между скоростью растекания и скоростью течения реки.



(14)

Таким образом, скорость движения вниз по течению реки, будет характеризовать движения переднего фронта нефтяного разлива, а скорость движения вверх по течению реки – скорость движения «хвоста» нефтяного разлива.

Рассмотрим распространение нефтяного разлива в случае турбулентного режима течения жидкости в русле водотока. В этом случае, скорость течения водотока является средней скоростью движения жидкости в рассматриваемом линейном участке – VCP(x). Скорость растекания – VРАСТЕК(t0) для первого расчетного такта вычисляется через интервал времени t0, определяемый пользователем модели, и определяющий точность моделирования. Для того, чтобы соотнести перемещение нефтяного разлива с линейными участками русла водотока, был предложен следующий подход. Сущность подхода заключается во введении расчетного такта, характеризующего перемещение нефтяного разлива на один линейный участок, в случае турбулентного режима течения и на одну элементарную площадку в случае ламинарного режима течения. Таким образом, время с начала разлива «привязывается» к расчетному такту с помощью учета интервалов времени – tПЕРЕМЕЩ_ВНИЗ, необходимых для прохождения характерных расстояний (линейный участок, элементарная площадка).

,

(15)

где L – длина линейного участка. А соответственно «привязывается» к расчетному такту и скорость растекания нефтяного разлива, зависящая от времени с начала разлива.



(16)

В тоже время, так как расчетный такт характеризует время прохождения определенного линейного участка, с определенной скоростью течения, то таким образом, расчетный такт «привязан» и к скорости течения русла – VCP(T). Площадь нефтяного загрязнения, распространяющегося вниз по течению реки можно вычислить с помощью следующего соотношения:



(17)

Аналогичным образом, вводится расчетный такт для части нефтяного разлива, движущейся вверх по течению водотока.

Рассмотрим распространение нефтяного разлива в случае ламинарного режима течения жидкости. В этом случае имеет место слоистое перемещение водных масс без перемешивания, т.е. скорости течения водотока различны для элементарных площадок, входящих в линейный участок. Это обуславливает невозможность применения подхода, использовавшегося для турбулентного режима движения жидкости.

Для вычисления скорости распространения нефтяного в случае ламинарного режима течения был использован следующий подход. Сущность подхода заключается в том, что среди массива элементарных площадок, выбираются площадки, имеющие максимальное значение скорости течения водотока. Так как скорость растекания нефтяного разлива зависит от времени, то распространение нефтяного разлива в условиях ламинарного режима течения будет происходить с наибольшей скоростью по выбранным элементарным площадкам. Для определенности назовем эти площадки – центральными. Скорость распространения нефтяного разлива в центральных площадках рассчитывается так же, как и для случая турбулентного режима течения. Для прочих элементарных площадок скорость распространения нефтяного разлива может быть вычислена следующим образом. В случае, когда за интервал времени, необходимый нефтяному разливу для прохождения центральной площадки, нефтяной разлив не проходит границу элементарной площадки, пройденное разливом расстояние может быть вычислено из следующего соотношения:



(18)

При этом, площадь нефтяного разлива вычисляется из следующего соотношения:

,

(19)

где с – количество элементарных площадок в линейном участке.

В случае, когда за интервал времени, необходимый нефтяному разливу для прохождения центральной площадки, нефтяной разлив проходит границу элементарной площадки, вычисляются два расстояния: одно – пройденное в элементарной площадке i-го линейного участка, второе – пройденное в элементарной площадке линейного участка i+1. Расстояние, пройденное разливом в элементарной площадке i-го линейного участка, вычисляется как разница между длинной элементарной площадки и расстоянием, пройденное нефтяным разливом в предыдущий расчетный такт. А время, необходимое для прохождения нефтяным разливом элементарной площадке i-го линейного участка



(20)

Расстояние, пройденное в элементарной площадке i+1-го линейного участка, может быть вычислено по следующей формуле:



(21)

Приращение площади нефтяного разлива может быть вычислено из следующего соотношения:



(22)

Выводы. В рамках данной работы была предложена модель прогнозирования распространения нефтяного загрязнения по поверхности водотока, позволяющая рассчитывать скорость распространения нефтяного загрязнения по руслу, вычислять время подхода нефтяного загрязнения к заданному створу и строить зависимость площади нефтяного загрязнения от времени с начала аварийного разлива. Была построена математическая модель движения жидкости в русле водотока, разработана совокупная модель растекания и переноса нефтяного загрязнения в условиях турбулентного и ламинарного режимов течения.


^ БИБЛИОГРАФИЧЕCКИЙ СПИСОК

1. Ларионов В. А. Моделирование аварийных разливов нефти на суше с применением ГИС-технологий: методика. М.: МНТЦ БЭСТС, 2004. С.11-13.

2. «Методика прогнозной оценки загрязнения открытых водоисточников аварийно химически опасными веществами в чрезвычайных ситуациях», М.: ВНИИ ГОЧС, 1996. С.4-12.

3. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование процессов трансформации нефтяных загрязнений при разливах нефтепродуктов на акваторию малых рек. Известия Волгоградского государственного технического университета, сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах, 2009, №6, с. 23-27.

4. Павлов А.А., Черняев А.В. Моделирование процессов осаждения нефтяных загрязнений на береговую поверхность малых рек. Информационные технологии, Москва, 2009, №11, с. 37-40.

5. Fay J.A. The spread of oil slicks on a caim sea. In Oil on the Sea, edited by D.Hoult, p.53 64, Plenum, New York, 1969.


REFERENCES

1. Larionov, VA Simulation of oil spills on land using GIS technology: a methodology. MM: ISTC BESTS, 2004. P.11-13.

2. Pavlov AA, Chernyaev AV Simulation of the transformation of oil pollution spills of petroleum products into the waters of small rivers. Proceedings of the Volgograd State Technical University, Ser. Actual problems of control, computing and informatics in technical systems, 2009, № 6, pp. 23-27.

3. Methodology for predictive assessment of pollution of open water sources of emergency chemically hazardous materials in emergency situations ", Moscow: VNII GOChS, 1996. C.4-12.

4. Pavlov AA, Chernyaev AV Simulation of the deposition of oil pollution on the coastal surface of small rivers. Information Technologies, Moscow, 2009, № 11, pp. 37-40

5. Fay J.A. The spread of oil slicks on a caim sea. In Oil on the Sea, edited by D.Hoult, p.53 64, Plenum, New York, 1969.








Скачать 113.28 Kb.
оставить комментарий
Дата24.09.2011
Размер113.28 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх