Моделирование и методы ликвидации аварийных разливов нефти в арктике
Программы для моделирования разливов нефти
Лекция посвящена обзору существующих программных продуктов, комплексов, систем, позволяющих создавать модели распространения разливов нефти в море
*Рабочая программа и материалы дисциплины разработаны в рамках проекта «Обеспечение промышленной и экологической безопасности при нефтегазовом освоении Арктики», реализуемого победителем грантового конкурса для преподавателей магистратуры 2021/2022 Стипендиальной программы Владимира Потанина.
Разливы нефти - общепризнанная форма аварийных загрязнений. Источником этих разливов в морской среде являются в основном аварии при транспортировке, утечки на трубопроводах, а также аварийные выбросы во время бурения скважин и добычи нефти.
Благодаря повышению сознательности в отношении правил техники безопасности и использованию более совершенных технологий, количество разливов и их объемы с каждым годом снижаются. Но по-прежнему, ежегодно происходит несколько крупных аварий с танкерами, что очередной раз доказывает необходимость постоянного контроля и совершенствования безопасности.

В целях обеспечения эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, защиты населения и окружающей среды от их вредного воздействия Правительством Российской Федерации было разработано и утверждено
  • 21 августа 2000 г. постановление № 613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов». (устарел)
затем пересмотрено и обновлено:
и отдельные правила были разработаны для континентального шельфа.
Во исполнение требований этих документов Каждое предприятие должно иметь: планы ликвидации аварийных разливов, которые должны содержать (пункт "III.5.г") прогнозируемые зоны распространения разливов нефти и нефтепродуктов.
И в данном лонгриде мы рассмотрим несколько программ (приложений, алгоритмов), при помощи которых можно спрогнозировать зоны распространения разливов.
И правильнее будет начать с предыстории...
у побережья Испании разломился и затонул танкер Prestige
В журнале Neftegaz.ru в 2010 году была опубликована статья о 10 крупнейших разливов нефти в истории человечества. Чтобы не повторять статью, предлагаю ее прочесть из первоисточника. Ссылка на статью.
Однако разливы нефти и нефтепродуктов на этом не закончились, но объемы их несколько меньше, чем те, что были рассмотрены в статье.

Огромный резонанс в 2020 году вызвал разлив нефтепродукта под Норильском. Опять же, не претендуя на авторство, предлагаю ознакомиться с официальной статьей на rbk.
ЧС с разливом дизеля в Норильске. Что важно знать
Вот с этого момента, а точнее с Аварии в Мексиканском заливе началась активная жизнь у программных продуктов, позволяющих прогнозировать распространение пятен нефти и даже предлагать наиболее оптимальные способы ликвидации этих последствий.
Но, если говорить о моделирующих программах, то правильнее будет сперва рассмотреть понятие АСЭВ (Анализ суммарной экологической выгоды). АСЭВ - это подход, методика, алгоритм принятия решений заинтересованными сторонами при планировании готовности и реагирования на разливы нефти.
АСЭВ позволяет сравнить экологическую пользу от возможного применения методов ликвидации разливов нефти и определить, какие из данных методов уменьшат воздействие нефтяного разлива на окружающую среду.
Цель АСЭВ: выбор согласованного метода реагирования на разлив
Первое ясное понимание роли АСЭВ пришло в ходе ликвидации последствий аварии танкера Exxon Valdez у берегов Аляски в 1989 году при оценке предложения по крупномасштабной механизированной очистке скалистого берега, которая подразумевала удаление с береговой линии большой массы грунта загрязнённой нефтью.
Этапы АСЭВ
Системным изложением метода АСЭВ являются практические рекомендации для персонала, отвечающего за управление и ликвидацию чрезвычайных ситуаций «Определение методов ликвидации разлива нефти на основе анализа суммарной экологической выгоды (АСЭВ)», изданные международной ассоциацией представителей нефтегазовой отрасли по охране окружающей среды и социальным вопросам (IPIECA) в 2015 г.

У IPIECA разработано более 50 качественных практических пособий/рекомендаций для нефтегазовой промышленности (хорошие алгоритмы, иллюстрации, опыт - переводим и пользуемся с удовольствием).
Вдруг ссылка на сайт на русском языке не открылась, то вот она же, но уже на английском (оформление сайта отличается, но свежие новости и несложный английский - любопытно полистать).
ссылочка на источник
Вышеописанные этапы АСЭВ применимы для всех видов разливов. И моделирующие программы (ведущие мировые точно) взяли на себя выполнение двух этапов (1- сбор и оценка данных, 2 - прогноз вероятного воздействия).
Ниже будут рассмотрены несколько таких моделирующих программ.
Программы для моделирования разливов нефти
Выборка исключительно субъективная, программ на самом деле довольно много.
ERMA
Система управления реагированием на загрязнение окружающей среды
ERMA — это web–ориентированная геоинформационная система, содержащая статистические данные и данные реального времени, обеспечивающие поддержку принятия решения специалистами по реагированию в чрезвычайных ситуациях . ERMA была разработана Национальным управлением по вопросам океана и атмосферы (NOAA) США и университетом Нью–Хэмпшира совместно с Агентством по охране окружающей среды, Береговой охраной США и Министерством внутренних дел США.

Апробацию ERMA прошла, в том числе при аварии в Мексиканском залив в 2010 году. В последствии была адаптирована и для арктических условий (Arctic ERMA).
Преимущества и особенности
  • ОКР
    формирование общей картины реагирования (ОКР)
  • визуализация
    быстрая визуализация аварийной ситуации
  • текущая обстановка
    учет текущей (не только статистической) природной обстановки
  • учет многочисленных параметров
    Отслеживает местоположение судов, поверхностные течения, индексы чувствительности побережья (ESI), ареалы обитания уязвимых видов животных, птиц, рыб.
  • WWF
    WWF России поддерживает внедрение ERMA
  • доступ с любого устройства
    Web-ориентированная платформа. Доступ возможен с любого компьютера и смартфона, через любой браузер.
Данные в ERMA
какие основные данные мы можем вводить и отслеживать
  • -1-
    Информация об инциденте
    • место ЧС;
    • положение судов (поможет специальная система слежения за судами AIS);
    • места применения диспергентов;
    • места сжигания нефти;
    • установленные боновые заграждения.
  • -2-
    Данные об окружающей среде
    • места обитания редких видов животных, птиц, рыб;
    • зоны воздействия нефтепродуктов и зоны риска такого воздействия;
    • районы, наиболее чувствительные к такому загрязнению;
    • данные обследования побережья.
  • -3-
    Оперативная информация
    • траектория движения пятна (возможен экспорт из других ГИС);
    • погодные условия (волнение, ветер, осадки). Часть из них не доступна для России, тк предоставляется Национальной службой США.
    • навигационные опасности (рифы, скалы, отмели).
Нужно отметить, что проекты ERMA ориентированы на конкретные области — Мексиканский залив, Атлантику, Новую Англию, Тихоокеанские острова, северо–запад Тихого океана, юго–запад, Арктику, Карибский бассейн и Великие озера.
Территориальное распространение проектов ERMA
ERMA призвана облегчать работу специалистов на всех этапах реагирования: ликвидация аварийного разлива, оценка последствий, восстановление. На каждом этапе существует своя специфика работы с данными, причём где–то более важное значение приобретает не их получение с серверов, а наоборот: добавление оперативной информации на сервер от специалистов, работающих на месте ликвидации.
На случай, если вы заходите поработать в ERMA, во даю ссылку на хорошую методичку. Собственно, большую часть информации об этой программе я взяла именно из нее. Ссылка (Д. С. Задоя ERMA И МОДЕЛИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ)
вернуться к списку программ
OSCAR
Информационная система для имитационного моделирования разливов, разработанная норвежской компанией SINTEFF.
(рисунок из статьи Губайдуллин, Березкин)
OSCAR представляет собой систему 3D-моделирования мер предупреждения и ликвидации разливов нефти. OSCAR отличается от других систем тем, что пользователь для представления нефти и продуктов ее разложения может конкретизировать огромное (относительно) число дискретных компонентов, псевдокомпонентов или метаболитов. Каждый компонент связан с целым рядом параметров, которые задают интенсивность процесса: растворимость, давление паров, темп трансформации (первого этапа разложения), плотность, коэффициент распределения адсорбции-десорбции, токсикологические параметры нефти и нефтепродуктов.
Система моделирования OSCAR специально разработана для оказания содействия в принятии решений, касающихся предупреждения разливов. Она направлена на изучение потенциального воздействия разлива нефти на всю толщу воды.
Интеграция OSCAR в систему прогнозирования
Преимущества и особенности
Ключевыми компонентами системы являются:
  • программа моделирования изменений нефти при атмосферном воздействии, основанная на соответствующих данных;
  • программа моделирования мер предупреждения и ликвидации разливов;
  • инструменты для оценки внешнего воздействия в рамках полигонов GIS (для очерчивания, например, ареалов распространения экочувствительных природных объектов).
  • OSCAR работает в рабочей среде моделирования экологии моря MEMW (the marine environmental modeling workbench), которая является графическим пользовательским интерфейсом, применяющимся во всем мире.
  • позволяет создавать плоские изображения распределения концентраций нефти (по широте и долготе), гидрометеорологических данных, векторов скоростей, пространственного распределения загрязняющих веществ, глобальных массовых балансов нефтяной смеси (для ее отдельных компонентов и нефти как единого целого),
  • позволяет создавать изменяющиеся во времени анимационные изображения этих параметров.
  • возможность создавать вертикальные разрезы для моделирования распределения концентраций нефти в толще воды, а также положений лангранжевых частиц.
  • дает возможность моделировать детерминистские сценарии нефтяных разливов,
  • создавать наборы стохастических сценариев с возможностью выбора времени начала разлива.
Пример использования (порядок работы в программе)
В данной программе было выполнено моделирование сценариев возможных разливов
для МЛСП Приразломная (Журавель В.И.)

1) Исходными данными были три варианта событий:

  • фонтанирование скважины - 72 часа (общий объем разлившейся нефти 1500 тонн);
  • авария на танкере - 120 часов (общий объем - 10 000 т);
  • нарушение герметичности временного хранилища (в основалии МЛСП) - 120 часов (общий объем - 15 000 т).

2) Состав нефти был принят по Справочнику "Нефти и газовые конденсаты России" (под ред. Демиденко, М., Тезника, 2000.)

Плотность, вязкость, температура застывания, газовый фактор, сера, парафины, смолы, асфальтены, детальный фракционный состав).


3) Реанализ NCEP/NCAR за 10 лет, разрешение 12х34 км.


4) Расчет полей приводного ветра производился по атмосферному давлению по методике Росгидромета (Попов, Лобов), сетка 5 х 5 км.


5) Учтены сезоны: ледовый (январь - май) и безледный (июль - ноябрь). Учтено 36 240 ситуаций.


6) Ледовые условия готовили специалисты ААНИИ из Глобальной сети усвоения данных (GDAS).

Ниже в галерее лишь часть презентации исследования и моделирования, выполненного Журавель В.И. Настоятельно рекомендую просмотреть полную версию.
вернуться к списку программ
PHOENICS
программное обеспечение для моделирования потоков жидкости, тепла или массопереноса, а также химических реакций и процесса сжигания материалов. Данное программное обеспечение может применяться для решения задач различных направленностей во многих сферах деятельности.
Создание модели распространения нефтепродуктов в водной среде в программе PHOENICS.


Первый этап. Выбираются геометрические и физические параметры области водоема: длина , ширина , глубина ; плотность воды.

Второй этап. Задается источник загрязнения на дне водоема с определенными характеристиками. Центр площади свища находится по координатам: по х1 , по х2 , по х3 . Плотность нефти ρ2 . Концентрация нефти задается единицей, это означает, что во всем объеме 40 воды концентрация нефти будет распределяться от 0 до 1. Перед транспортировкой нефть чаще всего подогревают в специально предназначенных пунктах. В данном случае обозначили температуру нефти в момент ее вытекания из трубопровода: в первом случае – tн1 = 5℃, во втором – tн2 = 15℃. Задали скорость истечения нефтепродуктов из трубопровода по х3 w = 0,6 м/с.

Третий этап. Устанавливаются внешние факторы, влияющие на распространение веществ: температура воды tв = 10℃. Скорость течения реки в первом случае – v1 = 0,5 м/с, а во втором v2 = 1 м/с. Задается также гравитация. Испарение нефти с поверхности воды в этой модели не учитывается.

Четвертый этап. Настраивается плотность сетки и размер контрольных объемов и устанавливается время счета задачи t = 20 сек.

Пятый этап. Производятся расчеты распределения концентрации нефти и скоростей.
И вот, что в итоге получилось. Ссылка на работу - первоисточник данного расчета и моделирования
вернуться к списку программ
HyperSuite
программное обеспечение Integrated Fluid Dynamic
Simulation System (HyperSuite). Данное программное обеспечение рассчитывает
значения методом контрольных объемов
Данная программа не имеет такого широкого распространения 1 и 2 рассмотренные. Однако есть опыт моделирования коллективом авторов, результаты которого представлены В статье. Авторы описывают разработку методики оценки динамики, связанной с распространением углеводородов в море и их воздействие на окружающую среду. В трехмерной численной модели разработаны гипотетические сценарии разливов в результате аварий на платформе и на судне. В данном исследовании авторам удалось смоделировать сложную морскую среду, влияющую на процесс рассеивания. В результате анализа сценария выброса нефти, ее распространение под водой происходило не интенсивно и в течение длительного времени. Однако при анализе сценария аварии рассеивание ускорилось за короткий промежуток времени. Исследование было направлено на то, как углеводороды нефти способны взаимодействовать с водой.
В алгоритме HyperSuite применяются:
  • усредненное по Рейнольдсу уравнение Навье-Стокса для несжимаемых жидкостей;
  • уравнение свободной поверхности;
  • уравнение температурного поля (с учетом эффекта температурной стратификации);
  • уравнение солености ( с учетом растворимости солей);
  • уравнение массопереноса (учитывая растворимость и испарение легкой фракции).
УЧТЕНЫ:
  • соленость воды,
  • скорость и направление ветра,
  • скорость и направление течения,
  • изменение температуры с глубиной,
  • характер утечек.
Слайды (ниже) полностью взяты из статьи.
вернуться к списку программ
в завершении этой лекции
Несколько статей и уч.пособие с результатами моделирования разливов
Made on
Tilda