Методика прогнозирования экологических рисков аварийных нефтеразливов на водной поверхности

Согласно статистическим данным в настоящее время известно более 10 млн. химических веществ (по некоторым оценкам около 15 млн.), из которых 53 500 представляют потенциальную опасность для человека, флоры и фауны. Среди множества химических веществ выделяют те, которые производятся в крупных масштабах (более 1000 кг/год) и которые представляют особую опасность для различных экосистем. Эту группу веществ называют приоритетными загрязняющими веществами окружающей природной среды [1].

Странами ООН, участвующими в мероприятиях по улучшению и охране окружающей среды, согласован общий перечень наиболее важных (приоритетных) веществ, загрязняющих биосферу. К их числу относят соединения тяжелых металлов, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения (ХОС), фенолы, детергенты, нитраты и нефтепродукты.

Без нефтяных углеводородных соединений современную жизнь представить себе практически невозможно. В мировом энергобалансе доля нефти составляет 40%, угля — 27%, природного газа — 23%, ядерного топлива — 7.5% и гидроэнергии — 2.5%. Это топливо, освещение, транспорт, но это и аварийные разливы, загубленные пляжи, уничтоженные птицы и животные. Проблема загрязнения морских сред не теряет своей актуальности на протяжении многих лет, даже несмотря на энергетические и экономические кризисы. Пока не прекратится транспортировка нефти по морю и подводным путепроводам, пока будет проводиться разработка морских нефтегазовых месторождений, аварии неизбежны (хотя их количество в последнее время значительно уменьшилось). 5.

Запасы сырой нефти и ежегодная добыча ее распределены по территориям разных стран неравномерно (таблица 1), что обусловливает необходимость транспортировки ее из одних стран в другие (рисунок 1).

Таблица 1 — Ежегодная добыча сырой нефти в некоторых странах.

Страна Добыча, млн. баррелей Страна Добыча, млн. баррелей.

Саудовская Аравия 3039 Великобритания 961.

США 2364 ОАЭ 809.

Россия 2183 Кувейт 752.

Иран 1341 Канада 664.

Китай 1141 Египет 337.

Норвегия 1126 Индия 235.

Венесуэла 1079 Дания 75.

Мексика П р и м е ч s 1042 н и е — Нефтяной 6apf Италия юль 158.988 дм3 37.

В настоящее время нефть — самое распространенное вещество, загрязняющее природные воды. Только в Мировой океан ежегодно поступает от 11 до 16 млн. тонн нефти. Работа автотранспорта и предприятий нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, газообразные выбросы и сбросы сточных вод промышленными предприятиями, многочисленные разливы нефти и нефтепродуктов в результате аварий трубопроводов и нефтеналивных судов (танкеров), аварий и пожаров на нефтехранилищах и нефтеперегонных заводах приводят к загрязнению атмосферного воздуха, воды, донных отложений и почвы значительными количествами сырой нефти и продуктами ее переработки и создают угрозу экологической безопасности различным регионам России [2].

Рисунок 1 — Основные маршруты транспортировки нефти морем.

Транспортировка половины добываемой на мировом шельфе нефти обеспечивается танкерным флотом. Транспортировка на танкерах оценивается в 1.5 млрд. тонн в год. Неизбежным спутником любых танкерных операций были и продолжают оставаться аварии. Несмотря на явную тенденцию к снижению аварийности нефтеналивного танкерного флота, аварии танкеров до сих пор остаются одним из основных источников экологического риска [с 3 по 9].

В связи с изложенным, нет сомнения в том, что увеличение масштабов добычи нефти, интенсификация перевозок нефти и нефтепродуктов, строительство и эксплуатация новых транспортных коридоров приведут к повышению опасностей (рисков) аварийных ситуаций. Поэтому обеспечение безопасности транспортных коридоров является задачей первостепенной важности. Для успешного решения этой задачи необходимо создание активно взаимодействующих систем, выполняющих следующие функции: а) прогноз опасностей и их проявлений- 7 б) обеспечение техники безопасности (систем защиты) — в) мониторинг окружающей среды и оперативное оповещениег) чрезвычайное реагирование при возникновении аварии.

В данной функциональной последовательности начальным звеном, определяющим функционирование остальных систем, является система прогнозирования, осуществляющая анализ, оценку и управление рисками аварийных ситуаций.

Проблема состоит в необходимости повышения эффективности мониторинга и ликвидации последствий нефтеразливов в специфических физико-географических условиях, характерных для различных акваторий Мирового океана.

Решаемая в работе задача, как часть этой проблемы, состоит в разработке аппарата прогнозирования экологических последствий нефтеразливов (риска нефтеразливов).

Для разработки мер по борьбе с загрязнением Мирового океана нефтепродуктами необходимо определить их источники, физико-химические и механические свойства, пространственное распространение и глубину проникновения. До сих пор не систематизированы результаты наблюдений за токсичностью загрязняющих веществ и длительностью их воздействия на физико-химические свойстза морской воды [10].

При анализе опасностей аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефти и нефтепродуктов, необходимо учитывать, по крайней мере в первом приближении, пять основных аспектов [11, 12] (рисунок 2).

Рисунок 2 — Основные аспекты анализа рисков при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов.

Величины опасностей тесно связаны также с количеством разлитых веществ, режимом сброса (одномоментный или продолжительный), гидрометеорологическими условиями, морфометрией акватории и видами населяющих ее гидробионтов.

Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью совершенствования системы борьбы с разливами нефтяных углеводородов при авариях танкерного флота на морских акваториях с учетом природно-климатических условий.

Цель диссертационного исследования заключалась в разработке методики комплексной оценки риска для водных экосистем при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: а) собрать, обобщить и проанализировать данные о нефтеразливах при авариях танкерного флотаб) выявить закон распределения аварий танкеров по их причинамв) выявить основные аспекты комплексного анализа риска природным ресурсам морских экосистем при аварийных разливах нефтяных углеводородовг) уточнить формулу Фэя для расчета площади нефтяного пятна, образующегося в фазе «поверхностного натяжения" — д) разработать методику оценки риска при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов на морских акваториях на основе мультипликативного подхода.

Научная новизна работы а) развиты методические основы комплексного анализа риска для водных экосистем при аварийных разливах нефтяных углеводородовб) выявлена закономерность распределения причин аварий танкеров, описываемых гиперболическим распределением в ранговой формев) выявлена закономерность распределения доли аварий танкеров на различных акваториях наиболее судоходных районов, описываемых гиперболической зависимостью в ранговой форме. г) уточнена формула Фэя для расчета площади пятна нефти, образующегося в фазе «поверхностного натяжения», учитывающая температуру и соленость морской воды. д) уточнены соотношения и методика расчетов ущербов при аварийных нефтеразливах на морских акваториях. Практическая значимость результатов работы.

Разработанная методика может быть использована для определения величин рисков природным ресурсам морских акваторий при аварийных разливах нефтяных углеводородов. Методика может быть использована в качестве алгоритма для написания программного модуля расчета рисков в тренажерах, моделирующих аварийные разливы нефти и нефтепродуктов на морских акваториях. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при преподавании дисциплины «Техногенные системы и экологический риск». На защиту выносятся: а) методические основы комплексного анализа риска для водных экосистем при аварийных разливах нефтяных углеводородовб) модель распределения аварий на различных акваториях, описываемых гиперболической зависимостью в ранговой формев) количественные соотношения для расчетов рисков при аварийных разливах нефтяных углеводородов на морских акваториях в зависимости от природно-климатических условий, расстояния до береговой линии, экологических факторов, времени неприятия мер по ликвидации и массы разлитой нефтиг) методика оценки риска аварийных разливов нефтяных углеводородов на основе мультипликативного подхода.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена непротиворечивостью результатов описанных литературных источников корректным применением современных методов математико-статистической обработки исходных данных.

Личный вклад автора заключается в формулировке задач, методическом обеспечении их решения и анализе полученных результатов.

Апробация работы.

Результаты исследования докладывались и обсуждались: на Итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (Санкт-Петербург, 27−28 января 2009 г.- 26−27 января 2010 г.) — на Международной научной конференции «Современные проблемы морской инженерной экологии (изыскания, ОВОС, социально-экономические аспекты)» (г. Ростов-на-Дону, 9−11 июня 2008 г.- на Межвузовской конференции «География и смежные науки. LX1 Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, 24 — 25 апреля 2008 г.) — на Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию создания Географического института в Петрограде и 90-летию отечественного высшего географического образования (Санкт-Петербург, 3 -4 декабря 2008 г.) — на Международном экологическом форуме «День Балтийского моря» (Санкт-Петербург. 17—19 марта 2009 г.) — на Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2009» (Москва, 21 мая 2009 г.) — на IX Международном семинаре «Геология, геоэкология, эволюционная география» (Санкт-Петербург, 18−19 декабря 2009 г.) — на Международном семинаре Россия-Эстония-Финляндия «Современное состояние Финского залива» (Хельсинки, 1 — 2 декабря 2009 г.). Материалы изложены в 8 публикациях, в том числе в журнале «Современные проблемы науки и образования», рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена «на 113 страницах машинописного текста, включает 43 таблицы, 35 рисунков.

Список использованных источников

содержит 83 публикации.

4.3 Выводы по главе 4 — Использование модели в виде.

У = #вг^Е-0.5048-т0'3292(18.804 + 0.195-М) позволяет прогнозировать величину ущерба в зависимости от времени года (коэффициент ЛвгХ экологических факторов (коэффициент Ке), длительности негативного воздействия при неприятии мер по ликвидации нефтеразлива (т) и объема разлитой нефти (.М).

— Для расчетов рисков ® величины ущербов (У), имеющих размерность в миллионах рублей, целесообразно преобразовать к безразмерному виду путем деления рассчитанных величин ущербов (У) на максимально возможные значения этих величин (Умакс.) Для рассматриваемых акваторий.

— Для шести рассмотренных бассейнов (Балтийский, Черноморский, Азовский, Западный сектор Арктики, Каспийский, Дальневосточный) максимальные величины ущербов варьируют от 926 млн. рублей (Каспийский бассейн) до 3639 млн. рублей (Дальневосточный бассейн).

— Мультипликативная методика оценки риска позволяет прогнозировать величины рисков при аварийных разливах нефтяных углеводородов как в открытом море, так и в опасных местах. Прогнозируемые в 2010 году величины рисков на 1000 рейсов с учетом среднего объема разлива в портах России варьируют от минимального значения 0.068 (порты Архангельск, Владивосток, П.-Камчатский) до максимального значения 0.250 (порты Приморск, Мурманск, о. Сахалин, Астрахань, Махачкала, Темрюк).

— В соответствии с разработанной нами классификацией, риск, меньший 0,05, характеризуется как приемлемый. Это условие может быть достигнуто лишь в случае Уотн< 0.20. Для Балтийского региона это условие выполняется при У< 606 млн. рублей (на 1000 рейсов).

— Разработанная методика может быть использована при решении ряда теоретических и прикладных задач, и, в частности, для определения требований к минимальной оснащенности бассейновых служб ликвидации разливов регионального значения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты, полученные в дисертации:

— Обобщены данные по статистике аварийности танкерного флота.

— Доказана приемлемость применения рангового гиперболического распределения доли аварий по их причинам.

— Выявлены основные факторы, определяющие модель формирования нефтеразливов и миграционные формы нефти в морской среде.

— Уточнена модель Фэя для оценки растекания нефтяного пятна постоянного объема идеализированной конфигурации в покоящейся среде путем учета температуры и солености морской воды в широком диапазоне варьирования переменных.

— Выведена формула для прогнозирования величины ущерба ресурсам водной экосистемы в зависимости от времени года, экологических факторов, длительности негативного воздействия при неприятии мер по ликвидации нефтеразлива и объема разлитой нефти.

— Проведено прогнозирование рисков нефтеразливов в 2010 году для 16-ти портов Российской Федерации.

— Разработана мультипликативная методика оценки риска для прогнозирования величин рисков при аварийных разливах нефтяных углеводородов на различных акваториях Мирового океана.

— В работе получены новые результаты, развивающие теоретико-методические основы комплексного анализа риска для водных экосистем при аварийных разливах нефтяных углеводородов: При комплексном анализе риска для водных экологических систем при аварийных разливах нефтяных углеводородов необходимо рассмотрение пяти основных аспектов (математико-статистического, физико-химического, токсикологического, эколого-токсикологического и эколого-экономического).

— Аварии танкеров, как правило, описываются резко асимметричными распределениями. Доли аварий танкеров на различных акваториях наиболее судоходных районов (Мексиканский залив, прибрежные районы США и Японии, Персидский залив, Средиземное море, Балтийское море и др.) описываются статистически значимой гиперболической зависимостью от их рангов.

— Для расчетов площади пятна нефти, образующегося в фазе «поверхностного натяжения», формула Фэя была уточнена путем учета температуры и солености морской воды, по поверхности которой происходит растекание нефтяного пятна. Максимальное время растекания нефтяного пятна будет тем больше, чем меньше коэффициент растекания (суммарное поверхностное натяжение).

— Применение мультипликативного подхода к оценке риска для морских экосистем (произведение вероятности опасности на относительный ущерб) позволяет учесть вероятность аварии танкера, экологические факторы состояние водных объектов), природно-климатические условия в зависимости от времени года, расстояние места разлива до береговой линии, длительность негативного воздействия и массу разлитых нефтяных углеводородов.

— Получены соотношения для расчетов рисков при аварийных разливах нефтяных углеводородов на морских акваториях. Прогнозируемые в 2010 году величины рисков варьируют от минимального значения 0.068 (порты Архангельск, Владивосток, П.-Камчатский) до максимального значения 0.250 (порты Приморск, Мурманск, о. Сахалин, Астрахань, Махачкала, Темрюк). V.

— Дальнейшие исследования следует направить на сбор и анализ данных об аварийных нефтеразливах на морских акваториях Республики Йемен, разработку методов прогнозирования и способов снижения ущерба, наносимого экосистемам прибрежных регионов Республики Йемен. Реализацию полученных результатов можно рекомендовать:

— в научных организациях (Центральный научно-исследовательский и проект! Iо-ко11 сгрукторский институт морского флота, ЦНИИ им. А. Н. Крылова, Институт повышения квалификации «Прикладная экология», Институт озероведения РАН) при выполнении исследований, направленных на прогнозирование и оценку последствий нефтеразливов;

— в административных структурах Республики Йемен при разработке руководящих документов по организации ликвидаций нефтеразливов;

— в учебном процессе РГГМУ и других учебных.