Аренда офисов в Мурманске

 

Главная Обзор современных подходов моделирования разливов нефти
Обзор современных подходов моделирования разливов нефти Печать E-mail

модели разливов нефти предполагают использование более точных и физически верных математических формулировок


КУЛЫГИН В.В. Южный научный центр РАН, Россия

За последние три десятилетия упрощенные эмпирические формулы способствовали росту числа моделей, описывающих поведение пятна нефти. В последние годы упрощенные подходы семидесятых и восьмидесятых годов все еще популярны в области моделировании разливов нефти. Предпочтение часто отдается простым, но менее точным методам. В настоящее время, благодаря современным разработкам в вычислительной и экологической областях, модели разливов нефти предполагают использование более точных и физически верных математических формулировок.

Моделирование разливов нефти весьма проблематично из-за большого числа факторов, влияющих на передвижение и эволюцию разлившейся нефти в водной среде. К ним относятся изначальный объем и физико химические характеристики разлившейся нефти, характеристики региона разлива, состав и циркуляция воды под пятном нефти и вокруг него, ветровое поле над поверхностью разлива, и некоторые физико химические и биологические процессы: перенос пятна, турбулентная диффузия, гидродинамическое рассеивание, растворение, фотоокисление, погружение и всплытие и др. Все эти процессы и характеристики взаимосвязаны и должны рассматриваться вместе для получения более точных оценок поведения нефти.

Источником нефтяного пятна может быть как прорыв подводного нефтепровода (с содержанием или отсутствием газа, с кратковременной или долговременной утечкой), так и единовременный выброс нефти на поверхность с перевозящего судна или при перегрузке.

Характеристики источника разлива во многом влияют на дальнейшее поведение пятна. Соответственно разработаны модели, как описывающие отдельные источники разливов, так и позволяющие моделировать различные источники. Например, Reed M., (2006) описывает образование пятна нефти при прорыве нефтепровода и не рассматривающие поведение пятна после его образования.

Модель SLROSM позволяет моделировать перечисленные выше источники выброса. Начальная область разлива, толщина пятна и свойства нефти определяются для различных сценариев разлива, а затем основная модель поведения нефти используется для расчета поведения нефти на поверхности воды. SLROSM также позволяет одновременно моделировать поведение нескольких пятен, расчет которых, осуществляется раздельно, т.к. у разных пятен, в виду различного времени образования, различная ветровая динамика.

Многие современные модели опираются на ранние работы Fay (1971) и Mackay (1980) с некоторой их модификацией, К примеру, Belore R использует модификацию, учитывающую изменение плотности нефти и определение растяжения нефти в точке разлива. Что касается вертикальной динамики, то чаще всего используется модель всплытия Delvigne (1988).

Для более адекватного описания поведения пятна нефти рассматриваются трехмерные модели, описывающие передвижение пятна нефти по поверхности воды и вертикальное взаимодействие с водным столбом. Ранние модели (Fay, 1971; Mackay, 1980) определяли временную динамику пятна нефти, а не его форму (предполагалось, что форма окружность или эллипс). Johansen (1982) и Elliott (1986) предложили гипотезу, что наблюдаемое удлиннение (растекание) пятна возникает как результат погружения и всплытия капель нефти. На основании чего была разработана кинетическая модель вертикального смешения капель нефти под действием волн (Tkalich and Chan, 2002).
 
Основные характеристики нефти, разрушающих волн и водного столба собраны в единый «фактор смешивания», определяющем доли распределения нефти в пленке и водяном столбе. Он включает вязкость нефти, зависимость от высоты волн, коэффициент напряжения между поверхностями и плотность нефти. Этот подход обобщает модель всплытия Delvigne.

Одной из наиболее полных является следующая трехмерная модель (Tkalich, 2004). В ней одновременно рассчитываются несколько переменных состояний нефти: толщина пятна на поверхности воды, концентрация растворенной, рассеянной (в виде капель) и эмульгированной нефти в водном столбе, концентрация растворенной и эмульгированной нефти в донных отложениях.

Модель представляет собой систему уравнений. Уравнения LNS управляют горизонтальным перемещением пятна, связанным с объединенным влиянием ветра и поверхностных течений, а также растеканием пятна под действием гравитационных сил и вязкости. Набор уравнений адвекции-диффузии описывают перемещение нефти в водном столбе, которые определяют обмен между рассеянной, растворенной и эмульгированной фазах нефти согласно определенной кинетики. Для адекватного описания вертикальной динамики капель нефти, вводится слой смешивания, находящийся сразу под пятном нефти. Находясь в этом слое большие капли нефти могут возвращаться назад в пятно, а могут погружаться в водный столб.

Являясь наиболее подробной, эта модель требует значительного объема данных, которые не всегда имеются в наличие. Выбор степени подробности модели исходит из ее назначения, требований и имеющихся данных, К примеру, в зависимости от типа нефти рассматриваемой в модели испарение либо учитывается, либо нет; в мобильных системах прогноза, из-за скорости жертвуют глубинным разрешением (Copeland G., Thian-Yew W, 2006).

К сожалению, в настоящее время нет сколько нибудь адекватного моделирования поведения нефти после соприкосновения с берегом. Чаще всего предполагается, что нефть остается на берегу и рассчитывается только ее объем (Papadimitrakis J., 2006; Copeland G., Thian-Yew W., 2006).

В заключении следует отметить, что современные знания о поведении разлившейся нефти весьма ограничены. Поэтому главной задачей в настоящее время является разработка «скелета» модели и вычислительной структуры, позволяющих включение других существенных феноменов (пока не обнаруженных, или не формализованных) на более поздних стадиях.

Литература
Copeland G., Wee Thiam-Yew Current data assimilation modelling for oil spill contingency planning // Environmental Modelling & Software. 2006. 21. 142-155
Delvigne, G.A.L., Sweeney, C.E. Natural dispersion of oil // Oil and Chemical Pollution. 1988.4.281-310.
Elliott, A.J. Shear diffusion and the spread of oil in the surface layers of the North Sea // Deutsche Hydrographische Zeitschrift. 1986.39. 113-137.
Fay, J.A Physical Processes in the Spread of Oil on a Water Surface // MIT. NTIS report #AD726281. 1971.
Johansen, O. Dispersion of oil from drifting slicks // Spill Technology Newsletter. 1982. 134-149.
Mackay, D., Buist, I., Mascarenhas, R, Paterson, S. Oil Spill Processes and Models // Report EE8. Environment Canada, Ottawa. 1980.
Papadimitrakis J., PsaltakM., Christolis M., Markatos N.C. Simulating the fate of an oil spill near coastal zones: The case of a spill (from a power plant) at the Greek Island of Lesvos // Environmental Modelling & Software 2006. 21.170-177
ReedM., EmilsenM. H., HetlandB., Johansen O., Buffington S., HoverstadB. Numerical model for estimation of pipeline oil spill volumes // Environmental Modelling & Software. 2006. 21. 178-189
Tkalich P.A. CFD solution of oil spill problems // Environmental Modelling & Software 2006.21.271-288
Tkalich, P., Chan, E.S. Vertical mixing of oil droplets by breaking waves // Marine Pollution Bulletin. 2002. 44 (11), 1219-1229.

МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ "НЕФТЬ И ГАЗ АРКТИЧЕСКОГО ШЕЛЬФА - 2006" 

Еще статьи по теме "Нефть":

«Газпром нефть шельф» боится независимой экспертизы?

Нефть и газ арктического шельфа-2008: материалы конференции

Нефть и газ арктического шельфа: перспективы

Нефть будет

Нефть и газ арктического шельфа, позиция экологических неправительственных организаций

Приграничная нефть и газ: спасение Америки в Баренцевом море


busy
 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Язык сайта:

English Danish Finnish Norwegian Russian Swedish

Популярное на сайте

Ваш IP адрес:

178.154.171.17

Последние комментарии

При использовании материалов - активная ссылка на сайт https://helion-ltd.ru/ обязательна
All Rights Reserved 2008 - 2017 https://helion-ltd.ru/

@Mail.ru Яндекс.Метрика
Designed by Helion LTD