МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 631.618

Изучение процессов растекания легких нефтепродуктов по

поверхности и впитывания их в почву

 

М.С. Максимов – аспирант;  А.И. Голованов – д.т.н., проф.

ФГВУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Нефть – важнейшее сырье для современной цивилизации.

Нефть (от персидского нэфт) – используется человеком с VI тысячелетия до н.э. горючая маслянистая жидкость, распространенная в осадочной оболочке земли, представляющая собой сложную смесь углеводородов – цикланов, алканов, аренов, а также кислородных сернистых и азотистых соединений. По плотности различают:

Легкая нефть

0,65-0,87 г/см3

Средняя нефть

0,87-0,91 г/см3

Тяжелая нефть

0,91-1,05 г/см3

Нефтепродукты это смеси углеводородов и некоторых производных, самостоятельные химические вещества получаемые из нефти и нефтяных газов.

Потери нефти и нефтепродуктов при добыче, хранении, транспортировке, переработке и использовании приводят к загрязнению окружающей среды. Загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами – одна из важнейших экологических проблем современности.

Загрязнение это привнесение в среду или возникновение и накопление в ней новых, обычно нехарактерных для нее физических, химических, биологических или информационных агентов, приводящее к негативным токсико-экологическим последствиям.

Для четкого определения границ загрязнения различных природно-территориаль-ных образований целесообразно использовать геосистемный или ландшафтный подход.

Геосистема представляется как пространственно-временной комплекс взаимосвязанных географических компонентов, взаимообусловленных в своем размещении и развивающихся как единое целое [1].

Геосистемы (отдельные ее компоненты) могут считаться загрязненными [2], если накопившиеся в них вещества приводят к:

нарушению газообменных, окислительно-восстановительных функций биоты, вызывая потерю способности к геохимическому самоочищению;

изменению биохимического состава биоты и нарушению ее функций;

снижению биологической продуктивности;

уменьшению биологической информативности, то есть разрушению генофонда;

Загрязнение земель различного назначения нефтью и нефтепродуктами для России становится одной из крупнейших экологических проблем. Наиболее актуальной она является для таких регионов страны, как Пермский край, Башкирия, Татария, Среднее и Нижнее Поволжье, а для Западной Сибири и Северного Кавказа особенно.

При загрязнении земель нефтью и нефтепродуктами особенно сильно страдает почвенный покров, при этом тяжелые фракции нефти остаются на поверхности почвы, а легкие фракции смываются поверхностными потоками в водоисточники или проникают в нижние горизонты, попадая в грунтовые воды.

Ежегодно в России происходит около 20 крупных аварий на магистральных нефтепроводах и около 40 тыс. аварий на внутрепромысловых нефтепроводах. 96 % всех аварий на нефтепроводах и нефтепродуктохранилищах приводят к сильным или необратимым повреждениям природных комплексов. 68% всех аварий с наиболее тяжелыми последствиями для окружающей среды это нефтяные и газовые фонтаны при добыче.

Для разработки эффективных технологий защиты земель от загрязнения, рекультивации загрязненных земель, прогноза развития аварийных ситуаций при проливах нефтепродуктов необходимо иметь четкие представления о физике протекающих при этом процессов и уметь адекватно их моделировать.

Для проведения экспериментов по изучению растекания керосина по поверхности почвы в полевых условиях нами была подготовлена опытная площадка, на которой был устроен сектор из листового железа и предусмотрены простейшие приспособления для подачи керосина в сектор,  см. рис. 1.

Угол сектора 30°, радиус сектора 100 см, площадь сектора 0,275 м2, длина дуги 52,5 см.

Подача керосина в сектор в опытах  № 1, 2, 3 составила, соответственно, 250 см3 за 16 с, 250 см3 за 45 с, 250 см3 за 55 с.

Перед началом экспериментов на опытных площадках производился отбор проб почвы в горизонтах 0-10 см и 10-20 см. Отбор проб производился в четырехкратной повторности. По результатам отборов проб определялись удельный вес почвы, плотность, весовая и объемная влажность почвы. Результаты определения некоторых водно-физических параметров почвы на опытных площадках представлены в табл. 1.

После начала подачи керосина фронт его распространения в секторе фиксировался на предварительно установленную цифровую фотокамеру. Эпюры распространения керосина в секторе в опытах № 1, 2 и 3 представлены на рис. 2. Для аппроксимации опытных данных с наибольшим коэффициентом корреляции была использована степенная сплайн функция.

 

 

Рис. 1. Площадка для изучения в полевых условиях растекания легких

нефтепродуктов по поверхности почвы

 

Полученные в опытах скорости растекания керосина на поверхности почвы и функции аппроксимирующие опытные данные представлены на рис. 3-5.

 

Таблица 1

Исходная влажность почвы на опытных площадках

 

Горизонт

Плотность, г/см.куб.

Пористость, при удельном весе 2,6

Влажность весовая

Влажность, в долях от объема

Влажность, в долях от пористости

Опыт №  1

0-10 см

1,527

0,413

0,174

0,265

0,643

10-20 см

1,657

0,363

0,140

0,231

0,640

Опыт № 2

0-10 см

1,393

0,464

0,266

0,370

0,798

10-20 см

1,603

0,383

0,170

0,273

0,712

Опыт № 3

0-10 см

1,375

0,471

0,096

0,131

0,279

10-20 см

1,648

0,366

0,074

0,121

0,332

 

Анализ результатов полевых экспериментов показал, что впитывание керосина в почву при наличии бокового растекания с использованием степенной аппроксимации данных с коэффициентом корреляции R2 = 0,84-0,87 может быть описано зависимостью вида

,

где  Vвпит.кер. – скорость впитывания керосина в почву;   А, a – полуэмпирические коэффициенты отражающие влияние бокового растекания и физических свойств почвы на процесс впитывания;   t – время.

 

 

    

 

Опыт № 1

 

 

 

 

Опыт № 2

 

 

 

Опыт № 3

 

Рис. 2.  Эпюры растекания керосина в секторе

 

 

Рис. 3. Скорость растекания керосина по поверхности почвы в опыте № 1

 

 

Рис. 4. Скорость растекания керосина по поверхности почвы в опыте № 2

 

 

 

Рис. 5. Скорость растекания керосина по поверхности почвы в опыте № 3

 

Для установления связи параметров А и a с характеристиками отражающими физические свойства почвы мы выполнили серию расчетов с использованием математической модели А.И. Голованова [1].

По предложению А.И. Голованова, для описания процесса впитывания керосина в почву используются уравнения движения двух несмешивающихся жидкостей в пористой среде.

Для воды

,

Для нефтепродуктов

,

где  m пористость;   емкостные коэффициенты;  напоры нефтепродуктов и воды;   коэффициент фильтрации нефтепродуктов и воды;  коэффициенты относительных фазовых проницаемостей.

В расчетах при численном моделировании принимались следующие значения параметров, определяющих динамику многофазных жидкостей в пористой среде:

коэффициент относительной фазовой проницаемости воды при полном насыщении в почве – 0.45 м/сут;

коэффициент относительной фазовой проницаемости воды при полном насыщении в почве;

скачек капиллярного давления на границе раздела фаз:

вода-керосин 0,11,

вода-воздух – 0,17,

керосин-воздух – 0,15;

пористость почвы 0,5;

насыщенность почвы водой, соответствующая ее гидравлически неподвижному количеству 0,15;

насыщенность почвы керосином, соответствующая ее гидравлически неподвижному количеству – 0,1.

Для определения значений коэффициентов аппроксимирующей функции для модельных расчетов также использовалась степенная сплайн-функция. Результаты расчета по модели и результаты аппроксимации модельной кривой представлены на рис. 6, 7.

Для математического описания процесса растекания керосина по поверхности в нашей работе было использовано балансовое уравнение, которое при постоянной подаче керосина имеет вид

                                                  ,                                               (1)

 

где   Q – подача керосина;   S   площадь кольца в секторе;   r – радиус сектора;

t – время отсчитываемое от начала подачи керосина.

 

Решение этого уравнения осуществлялось конечно-разностным методом. Перейдя к конечно-разностному виду балансового уравнения и решив его относительно r, для любого i-го момента времени, получим

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Результаты расчета впитывания керосина в почву и определение параметров

характеризующих физические свойства почвы. Слой впитавшегося керосина

 

 

 

 

Рис. 7. Результаты расчета впитывания керосина в почву и определение параметров

характеризующих физические свойства почвы. Скорость впитывания керосина в почву

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 8. Расчетная схема к решению балансового уравнения для растекания

керосина по поверхности

 

На приведенной расчетной схеме:

L – длина дуги сектора

;

площадь сектора

.

Если L = r, то  a = 57,3°, тогда

;

площадь кольца, образованного радиусами  ri+1 и  ri

,

где    ri, ri+1 – радиус растекания керосина на начало и конец интервала времени Dti.

Результаты численного эксперимента при решении уравнения баланса массы представлены на рис. 9, 10.

 

Рис. 9. Скорость растекания керосина в секторе, (модельный эксперимент)

 

Рис. 10. Радиус растекания, (модельный эксперимент)

 

 

 

 

Выводы

 

Было установлено, что полученная в результате эксперимента скорость впитывания из колец при наличии бокового растекания и переменном уровне хорошо аппроксимируются зависимостью вида

В результате математического моделирования процесс впитывания керосина установлена связь между параметрами впитывания и физическими свойствами почвы. Вертикальная составляющая скорости впитывания

.

Разработана математическая модель процесса растекания легких нефтепродуктов по поверхности почвы с учетом впитывания.

 

Библиографический список

 

1.         Голованов А.И. и др. Основы природообустройства. М.: Колос, 2001.

2.        Голованов А.И., Пестов Л.Ф., Максимов С.А. Геохимия техноприродных ландшафтов. М.: МГУП, 2005.