Моделирование процессов трансформации нефтяных загрязнений при разливах нефтепродуктов на акваторию малых рек

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ
УДК 004. 942
А. А. Павлов, А. В. Черняев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПРИ РАЗЛИВАХ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АКВАТОРИЮ МАЛЫХ РЕК
& quot-МАТИ"- - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского
pavlovandrey@list. ru
В статье рассмотрены физико-химические процессы преобразования нефтепродуктов, при их попадании в русло водотока. В частности построена математическая модель следующих процессов преобразования: испарения, осаждения на донную и береговую поверхности.
Ключевые слова: Разлив нефти, математическое моделирование, трансформация нефтяных разливов, загрязнение водотоков.
A. A. Pavlov, A. V. Chernyaev
MODELLING OF PROCESSES OF TRANSFORMATION OF OIL POLLUTION AT FLOODS OF MINERAL OIL ON WATER AREA OF THE SMALL RIVERS
In article physical and chemical processes of transformation of mineral oil are considered, at their hit in a waterway channel. In particular the mathematical model of following processes of transformation is constructed: evaporations, sedimentation on ground and coastal surfaces.
Oil flood, mathematical modelling, transformation of oil floods, pollution of water currents.
Введение
Основной сложностью при моделировании трансформации нефтяного загрязнения по акватории малых рек является необходимость учета следующих особенностей:
— оседание нефтяного загрязнения на береговой поверхности и произрастающей растительности-
— испарение легких фракций углеводородов-
— диспергирования и эмульсификации нефтяных загрязнений-
— осаждение тяжелых фракций.
Существующие в настоящее время модели
распространения загрязнения по водотокам основаны на использовании эмпирических формул вида Vp = (l — exp (- Kt * L)*V, где Vp — объем
нефти, который будет потерян при прохождении каждого участка реки длиной L, V — объем нефти, попавшей в начало данного участка реки- K -интегральный коэффициент, зависящий от ширины реки, сорбционной способности береговой поверхности и физико-химических процессов преобразования нефтяного пятна.
Как видно из приведенной расчетной формулы в модели, не учитываются физико-химические процессы преобразования нефтяного пятна, а также влияние сорбционной способности основных видов береговой растительности и грунтов.
Необходимость построения имитационной математической модели обуславливается невозможностью проведения полномасштабных экспериментальных исследований происходящих процессов. Математические модели, опи-
сывающие процессы трансформации нефтяных разливов, необходимы для построения прогноза перемещения нефтяного пятна, правильной реакции на аварийные разливы, оценки воздействия на окружающую среду, планирования чрезвычайных ситуаций и обучения персонала.
Целью настоящей работы является разработка математической модели, позволяющей получить количественные оценки процессов преобразования нефтепродуктов при аварийных разливах на акваториях малых рек.
Трансформация нефтяного загрязнения
Трансформация и перенос нефтяного разлива в воде подчиняется набору сложных, взаимосвязанных, физико-химических процессов, которые зависят от свойств нефти, гидродинамических свойств и условий окружающей среды. На рис. 1 показаны физические, химические и биологические процессы, действующие на нефтяной разлив после попадания в водную среду [1].
О
испарение
Bcipouoti сиос
перенос адвекция
^ • диффузия
V • растекание
ггворен ие Ж г
V Ё
выветривание
Эмульгирование Окисление
: ение
(Волновой Cti& amp-t
Выветривание биоразл ц^кение
Смешивание
• ПофужениеЛатоиление
• Выпаление в осалок
Рис. 1. Поведение нефтепродукта на воде
Независимо от способов попадания нефти в водную среду (в виде поверхностного или подповерхностного разлива), она существует в ней в виде плавающего поверхностного пятна и взвешенных в водной толще капель. Происходит непрерывный обмен между поверхностной и взвешенной нефтью. Нефтяное пятно на водной поверхности подвержено, с одной стороны, переносу под действием течений, а с другой стороны — множеству процессов трансформации. Трансформация нефти выражается в растекании в результате действия гравитационных, инерционных, вязких сил и сил поверхностного натяжения. Также трансформация нефти происходит в результате совокупности процессов, обозначаемых термином выветривание и приводящих к изменению физико-химических свойств нефти. Эти процессы включают:
— постепенное испарение наиболее летучих фракций,
— эмульсификацию — образование эмульсии воды в нефти, в результате чего она приобретает коричневый оттенок, возникает & quot-шоколадный мусс& quot-,
— диспергирование (вовлечение) — проникновение капель нефти в воду в результате обрушения ветровых волн,
— растворение нефти в воде.
Кроме того, происходит сорбирование нефти твердыми частицами и осаждение на дно, взаимодействие с береговой линией, фотохимические реакции и биодеградация. Последние могут изменять свойства и уменьшать количество нефти за длительный период времени.
В данной модели приняты следующие допущения:
— водоток представляется набором прямых участков, с неизменными значениями его профиля, шириной и глубиной, гидравлическим уклоном, типом грунта и разновидностью береговой растительности-
— при рассмотрении модели водотока не учитывается влияние погодно-климатических условий на изменение его параметров.
— нефть представляется в виде смеси углеводородов, различающихся различной плотностью и температурой кипения.
— при перемещении нефтяного пятна вдоль русла реки влияние направления ветра и наличие волнения не учитывается.
— первоначальный размер нефтяного пятна принимаем равным ширине речного русла и имеющего форму окружности.
Моделирование процесса трансформации нефтяного загрязнения
Для описания физико-химических процессов в нефтяной пленке применялась эволюционная модель нефти, разработанная в ТОИ под руководством В. Ф. Мишукова и верифицированная в ходе натурных и лабораторных экспериментов [1]. В общем виде модель представляется уравнением баланса:
ОБ () = бо — О-ЕУ () — О01Б () — ОЬОБТ ()
ОШ () = СШО * ОЕМ () ,
0 ()= О ()+ Ош () где О () — объем нефти на поверхности водоема через время t после разлива- Оо — общий объем разлитой нефти- 0ЕУ (^ - объем испарившейся нефти- Оо^^) — диспергирование нефти в водную толщу- ОшТО — объем нефти осажденной на береговой поверхности- Ош^) — объем воды в эмульсии вода-нефть- СШО — коэффициент максимального эмульгирования воды в нефть- Ош (0 — объем нефти в эмульсии вода-нефть- О/0 — полный объем нефти и эмульсии.
Испарение нефтепродуктов
Испарение — один из самых важных процессов, которым подвергается нефть в процессе разлива. В течение нескольких суток легкие сырые нефти испаряют до 75% нефти, средние нефти до 40%, тяжелые нефти могут испарять до 1о %. Другая важная роль процесса испарения заключается в изменении физических и химических свойств нефти (в частности, ее плотности, вязкости, содержания воды и т. д.).
В настоящей модели принят подход, предложенный в работе [2], пример использования этих формул приводится в [3]. В этом подходе исходная нефть представляется в виде смеси компонентов (т.), отличающихся по температуре кипения, плотности и молекулярному весу.
Лт
ИСП _}
К. * А *? * ц. * р.
Л Я * Т
где А/ - площадь разлива в /-й момент времени,? — доля нефти определенной компоненты- Р. -давление пара. -й компоненты- Я — универсальная газовая постоянная, Т — температура окружающей среды- К. — коэффициент испарения. -го компонента нефтепродукта.
К= 0,029* Ш0,78 *
4* А
-Бе —
где Ш — скорость ветра, Бе — число Шмидта, ц/ -молекулярный вес /-й компоненты.
-0,11
*
п
Диспергирование и растворение является еще одним вариантом удаления нефти из поверхностного пятна, отличным от испарения. В отличие от испарения предполагаем, что диспергирование происходит одинаково для всех компонент нефти с различными температурами кипения. Растворение не рассматривается явно в отдельности от диспергирования.
В модели используется алгоритм расчета вовлечения, предложенный в работе [4]:
= 0,11 т * -------(Щ2------),
Л (1 + 50ця0'5* к * с)
где т — масса разлившейся нефти, Ш — скорость ветра, ця — динамическая вязкость нефти, к -толщина нефтяного пятна, о — поверхностное натяжение.
Эмульсификация, т. е. образование эмульсии воды в нефти является еще одним важным процессом, влияющим на трансформацию нефтяного загрязнения. В противоположность испарению эмульсификация создает положительный поток массы, соответствующий вовлечению воды в поле нефтяного загрязнения. При этом вязкость ця может увеличиваться. В модели используются формулы из [2]:
ЛК-
ШС
Л
= 2 * 10−6 * - +1)2 * ^
0,7
где? ШС — доля воды в нефти,
Ш — скорость ветра.
Предполагается, что бензин, керосин и легкие дизельные топлива не формируют эмульсий с водой.
Результирующая вязкость в разливе определяется на основе уравнения Муни [3]:
(
Ц = Ц0 * ехР
2,5^
Л
где ц — динамическая вязкость нефтяного пятна- Реуар — массовая доля испарившейся нефти.
Осаждение нефтепродуктов на донную поверхность
При рассмотрении процесса испарения нами подразумевалось, что нефть состоит из псевдокомпонентов, каждый из которых имеет определенную плотность, вязкость и температуру кипения.
Р ПЯТНА * УПЯТНА = 2 Р. *У. ,
. =1
где. — количество учитываемых углеводородных фракций нефти- р. — плотность. -й компоненты- У. — объем. -й компоненты.
При испарении, масса легких фракций нефтепродукта уменьшается, что приводит к увеличению общей плотности оставшегося пятна нефтяного загрязнения. Что в свою очередь приводит к осаждению на дно тяжелых фракций. Исходя из того, что суммарная плотность нефтяного пятна остается меньше 1, находим объем нефтяной фракции, осевшей на донную поверхность. При этом предполагаем, что в первую очередь на дно оседают те фракции нефти, которые имеют наибольшую плотность.
Осаждение нефтепродуктов
на береговую поверхность
При распространении пятна загрязнения неизбежно возникает соприкосновение нефтяного загрязнения с береговой поверхностью водотока. Что приводит к осаждению части нефтепродукта на растительности и инфильтрации в грунт.
Объем нефти впитавшейся, в грунт вычисляется по формуле:
К * у
у = т * В * t * 0 /
УБ ГРУНТ _ ^ п 1 ?
ц н
где Т — протяженность нефтяного разлива, В -ширина пятна нефтяного контакта разлива с береговой поверхностью, t — время с момента начала разлива, К0 — коэффициент проницаемости грунта, у — удельный вес нефтепродукта, ця -динамическая вязкость нефти.
Объем нефти, осаждающейся на береговой поверхности можно вычислить по следующей формуле:
УБ_РАСТ = рРАСТ * -В * 0,2) * 2 * КРАСТ ,
где рРАСТ — количество растений на единицу площади, В — протяженность нефтяного разлива, КРАСТ — нефтеемкость единицы растительного покрова.
Пример расчета
Пример расчета трансформации нефтяного загрязнения с учетом следующих физико-химических процессов: испарения, адсорбции, осаждения. В качестве исходных значений примем значения, представленные в табл. 1.
Расчет массы испарившейся нефти.
В течение первого интервала времени испарится:
т
(К * А/ * ?
ИСП 1
ц. * Р. ^
} Г]
я * Т
В течение второго и третьего, соответственно:
тИСП 2 = 317,4 — тиСП 3 = 1475,8 —
Таблица 1
Исходные значения
Обозна- чение Задаваемый параметр Значение
М Масса разлившейся нефти 10 000 (кг)
Т Температура воздуха 20 (°С)
Ї Температура воды 10 (°С)
Рн Плотность нефти 860 (кг/м3)
& amp- Молекулярный вес 114
Ж Скорость ветра 0,5 (м/с)
8е Число Шмидта 65
Я Универсальная газовая постоянная 8,31
гь, *3 Время с момента разгерметизации *1 = 1 © г2 = 60 © Г3 = 600 (с)
Р Давление насыщенного пара 70 (кПа)
& amp-Н Динамическая вязкость нефти 1,5 (мПа)
а Поверхностное натяжение 26 * 10−3 Н/м
В Ширина пятна нефтяного контакта разлива с береговой поверхностью 0,15 (м)
К Коэффициент проницаемости грунта 0,06
У Удельный вес нефтепродукта 8330 (Н/м3)
КРАСТ Нефтеемкость единицы растительного покрова 0,002 (г/м2)
Sl Площадь разлива в момент времени ^ 107 (м2)
й Площадь разлива в момент времени 2297 (м2)
3 Площадь разлива в момент времени 12 917 (м2)
Расчет массы адсорбированной нефти. Рассчитаем массу диспергированной в воде нефти в момент времени:
(/1. тг2 Л
т
ДИСП1
0,11 т *
(1 + Ж)2
(+ 50 цн0'5 * к * а)
Ч1 — 1141-
В момент времени и Ь3 соответственно: т = 1115* т = 959 6 *
тДИСП2 1 А ' тДИСП3 5
Рассчитаем массу эмульсифированной нефти в момент времени:
РШС = [ехр-2 • 10−6 — +1)2 + 0,7)+1]. 0,7 = 2,1-
тЭ
'ЗМУЛ1 = тДИСП1 ± ШС
В момент времени и Ь3 соответственно:
тЭМУЛ2 = 23 — тЭМУЛ3 = 20 —
Таким образом, масса адсорбированной нефти в моменты времени, и Ь3 равны соответственно:
1 = 1165-
= 980-
¦її - 24 •
1 ТЛ/С — •& gt-
тАДСОРБ1 — тДИСП1 + тЭМУЛ
тАДСОРБ2 — 1138 — тАДСОРБ3
Расчет массы осажденной нефти.
Рассчитаем массу нефти, осевшей на береговой поверхности в момент времени:
(V * л. * +
т.
ОСАЖД1
— 2Ь* В * ря
Ко*У **1 Ц н
+ К
РАСТ
— 0,3-
В момент времени ї2 и соответственно:
т — 10 9 • т — 549 2 •
тОСАЖД2 А^'^ ' ОСАЖД3 -& gt-^у^ ,
Полученные нами результаты расчетов трансформации нефтепродуктов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетов
Преобразование нефти За время *і, кг За время *2, кг За время *3, кг
Масса испарившейся нефти 3,4 317,4 1475,8
Масса адсорбированной нефти 1165 1138 980
Масса осевшей нефти 0,3 10,9 549,2
Масса нефти, оставшаяся на поверхности водоема 8831,3 8533,7 6995
Полученные результаты хорошо согласуются с данными [5]. Однако в рамках данной математической модели была осуществлена попытка дать физическую интерпретацию процессам происходящим при трансформации нефтяного загрязнения. Рассмотрение процесса трансформации нефтяного загрязнения как суперпозицию трех процессов позволило построить более точную прогнозную модель поведения нефтяного загрязнения.
Выводы
В рамках данной работы была предложена модель прогнозирования распространения нефтяного загрязнения по поверхности водотока. Отличительной особенностью модели является учет влияния особенностей русла реки и его береговой поверхности, а также влияние процессов преобразования нефтяного загрязнения на процесс распространения нефтяного загрязнения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аникиев, В. В. Двумерная модель растекания и формирования неоднородностей нефтяной пленки на поверхности моря // Доклады А Н СССР. — 1984. — т. 278, № 1. — С. 215−219.
2. Архипов, Б. В. Математическое моделирование распространения нефтяных разливов в морской среде // М.: ВЦ РАН, 2001. — 54 с.
3. Дмитренко, А. В. Комплексная модель для компьютерного анализа последствий аварийных разливов нефти из трубопроводов / А. В. Дмитренко, А. А. Павлов, А. В. Черняев // Информационные технологии моделирования и управления. 2007. — № 8. — С. 970−975.
4. Морские гидрологические прогнозы: под. ред. З. К. Абузярова // Л.: Гидрометеоиздат, 1986. — 104 с.
5. Ларионов, В. А. Моделирование аварийных разливов нефти на суше с применением ГИС-технологий: методика // М.: МНТЦ БЭСТС, 2004. — С. 11−13.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой