МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНОГО РАЗЛИВА В МОРЕ, ПОКРЫТОМ ЛЬДОМ Пархоменко В.П.

Вычислительный Центр им. А.А. Дородницына РАН (Москва)


Номер: 10-
Год: 2014
Страницы: 463-466
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

распространение нефтяного разлива, морской лед, oil spill, sea ice

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В работе анализируются подходы к моделированию распространения нефтяного разлива в море, покрытом льдом, и на основе этого предлагается соответствующая модель. Предполагается ее использовать вместе с моделью эволюции морского льда.

Текст научной статьи

Проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды в результате нефтяных разливов привели к необходимости разработки математических моделей, описывающих процесс переноса и трансформации нефтяных разливов. Они необходимы для определения прогноза перемещения нефтяного пятна, правильной реакции на аварийные разливы, оценки воздействия на окружающую среду, планирования чрезвычайных ситуаций и обучения персонала. Поведение нефтяного разлива при наличии ледового покрова в значительной степени определяется сплоченностью льда (то есть доли ледового покрова на единице площади поверхности моря) в случае разломанного льда, процессов инкапсуляции (вмерзания) и последующего перемещения в случае сплошного льда. Каждый сезон имеет свои особенности ледового покрытия: периоды замерзания, разлома, торошения, дрейфа льда, что и определяет эволюцию нефтяного разлива. Эти проблемы интенсивно изучались в Соединенных Штатах, Канаде и Норвегии в течение последних 20 лет [1-3] в том числе и с проведением больших полевых экспериментов. Физическое распределение и условия разлива нефти под, в или на лед играют важную роль в определении наиболее эффективных методов очистки на различных стадиях сезонной эволюции ледового покрова. В разломанном льду нефтяные разливы имеют тенденцию распространяться гораздо меньше и оставаться сконцентрированными в больших толщинах, чем в свободных ото льда водах. При сплоченности льда большей, чем плотно упакованная структура (более 6/10), льдины физически ограничивают нефтяное распространение. Когда площадь открытой воды увеличивается, распространение нефти постепенно также растет, пока не достигнет близкого к открытому состоянию воды при свободном дрейфе льда (при сплоченности льда меньше чем 4/10). Имеется ряд простых эмпирических моделей, которые предсказывают распространение нефти в разломанном льду путем модификации соответствующего закона для открытой воды [4] введением зависимости от сплоченности льда. Даже большие разливы (тысячи тонн) сырой нефти под или на верхней поверхности сплошного льда будут обычно содержаться на расстоянии сотен метров от источника выброса, в зависимости от подледных течений и шероховатости льда. Естественные изменения в толщине однолетнего льда обеспечивают огромные естественные резервуары для нефти, разлитой подо льдом внутри маленькой области. Для определения движения пятна используется метод суперпозиции. Скорость его дрейфа представляется в виде суммы скорости ветра Vc, взятой с определенным процентом, и скорости течений W [1]: . Для учета силы Кориолиса полученная скорость отклоняется вправо от направления ветра примерно на 15°. Предполагается, что после того как разлив достигает максимальной площади, обусловленной процессами растекания, основное влияние на процесс распространения нефти оказывает турбулентная диффузия и перенос. Нефть, разлитая среди разломанного льда, будет двигаться вместе с ним. И льдины, и нефть будут перемещаться со скоростью, составляющей маленький процент от скорости ветра. Значение 3% обычно используется как общее правило для оценки скорости дрейфа, но эксперименты, прослеживающие скорости льдин, показали, что значение 5-7% - не редкость для прибрежных районов [4]. Учет эффекта Кориолиса приводит к повороту на угол 10-20О направо по отношению к скорости ветра и может применяться, чтобы лучше оценить направление дрейфа нефти, перемещающейся с высокими концентрациями льда. Нефть, заключенная внутри сжимающихся полыней, будет утолщаться с увеличением сплоченности льда; в критических случаях быстрое сжатие может вынудить часть нефти в воде попасть под или на верхние части смежных граней льдин. Большая часть нефти, которая плавала на воде или талом льду между льдинами до сжатия, будет включена в торосы, поскольку льдины входят в контакт и размалывают друг друга при сгенерированном ветром давлении [4]. Будем предполагать, что разлив нефти в море произошел при наличии ледового покрова, характеризуемого сплоченностью C и толщиной слоя льда hi, а также другими величинами для более детального описания ледового покрова. Полагаем, что независимо от величины сплоченности лед разломан на отдельные плавающие льдины с характерной площадью Afl .Если лед сплошной, то, естественно, разлив нефти на открытую воду невозможен. Здесь рассматриваются только процессы переноса (адвекции) и растекания нефтяных разливов при наличии разломанного льда. Процессы выветривания не рассматриваются, так как они могут быть учтены аналогично случаю открытой воды. Анализ данных наблюдений показывает, что нефть и лед перемещаются в значительной степени вместе при сплоченности льда, большей некоторого критического значения [2,5]. При меньших значениях нефть движется подобно разливу на открытой воде. Это позволяет предложить, например, следующую формулу для средней скорости движения нефтяного слика (пятна) [6]: где vw - скорость переноса нефти в открытой воде, vi - скорость переноса льда. Эти величины здесь предполагаются известными. Рассмотрим теперь процессы растекания нефти при наличии льда. Они сильно зависят от сплоченности льда [7,8]. Кроме того, существуют довольно значительные расхождения между результатами моделирования и данными натурных и лабораторных наблюдений [2,7]. Поэтому имеет смысл использовать некоторые эмпирические соотношения и закономерности, выведенные на основе последних [5]. Площадь распространения разлива A вычисляется следующим образом при малых концентрациях льда (C<0.3): , где V - полный объем разлива нефти, Tw - равновесная толщина (мм) слоя нефти в холодной воде:, а - вязкость нефти. При средних сплоченностях льда () часть нефти (объем Vui) «забивается» под лед: , где - объем нефти, который может удержаться подо льдом толщиной hi. Другая часть нефтяного разлива осаждается на поверхность тающего или ломающегося льда. Объем этой нефти: , где - равновесная толщина пленки нефти на льду (мм), As - площадь такого льда (варьируемый параметр). Оставшийся объем нефти: доступен для растекания по чистой поверхности моря. В этом случае площадь разлива: . При высокой сплоченности льда ситуация несколько усложняется. Плотно упакованные льдины не позволяют свободно растекаться нефти. В промежутках между ними толщина слоя нефти h0 из гидростатических соображений, составляет [5]: при (лед плавает в нефти), при (лед погрузился в нефть). Обозначим через h толщину слоя нефти подо льдом (т.е. при ) или на льду (т.е. при ). Тогда полный объем разлитой нефти: и объем нефти между льдинами: . Площадь разлива дается формулой: . Запишем эту формулу в виде: , где [6]: Вторые слагаемые в этих формулах определяют равновесную толщину пленки нефти h соответственно на нижней или верхней поверхности льдин. Для расчетов по этой модели кроме характеристик нефтяного разлива необходимо знать скорость переноса нефти в открытой воде, а также характеристики ледяного покрова, которые определяются из имеющейся модели эволюции морского льда или из данных наблюдений. Модель легко применима на практическом уровне для прогноза перемещения нефтяного пятна, правильной реакции на аварийные разливы, оценки воздействия на окружающую среду, планирования чрезвычайных ситуаций и обучения персонала.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.