Глава 6. Нефтяное и нефтепродуктовое загрязнение

В настоящем главе рассматривается комплекс вопросов, связанных с развитием аварийных процессов и оценкой последствий аварий на различных этапах добычи, транспортировки, хранения и применения нефти, нефтепродуктов, нефтяных и природных газов[85-107].

6.1. Чрезвычайные ситуации, связанные с нефтяной индустрией.

Аварийные ситуации, возникающие в процессе добычи, переработки, транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов, представляют собой наиболее массовые явления, как правило, перерастающие в чрезвычайные ситуации.

В соответствии с постановлениями Правительства РФ № 613 от августа 2000 года и № 249 от апреля 2002 года в зависимости от объема и площади разлива нефти и нефтепродуктов на местности, во внутренних пресноводных водоемах выделяются чрезвычайные ситуации следующих категорий:

локального значения - разлив от нижнего уровня разлива нефти и нефтепродуктов (определяется специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области охраны окружающей среды) до 100 тонн нефти и нефтепродуктов на территории объекта;

муниципального значения - разлив от 100 до 500 тонн нефти и нефтепродуктов в пределах административной границы муниципального образования либо разлив до 100 тонн нефти и нефтепродуктов, выходящий за пределы территории объекта;

территориального значения - разлив от 500 до 1000 тонн нефти и нефтепродуктов в пределах административной границы субъекта Российской Федерации либо разлив от 100 до 500 тонн нефти и нефтепродуктов, выходящий за пределы административной границы муниципального образования;

регионального значения - разлив от 1000 до 5000 тонн нефти и нефтепродуктов либо разлив от 500 до 1000 тонн нефти и нефтепродуктов, выходящий за пределы административной границы субъекта Российской Федерации;

федерального значения - разлив свыше 5000 тонн нефти и нефтепродуктов либо разлив нефти и нефтепродуктов вне зависимости от объема, выходящий за пределы государственной границы Российской Федерации, а также разлив нефти и нефтепродуктов, поступающий с территорий сопредельных государств (трансграничного значения).

В зависимости от объема разлива нефти и нефтепродуктов на море выделяются чрезвычайные ситуации следующих категорий:

локального значения - разлив от нижнего уровня разлива нефти и нефтепродуктов (определяется специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в области охраны окружающей среды) до 500 тонн нефти и нефтепродуктов;

регионального значения - разлив от 500 до 5000 тонн нефти и нефтепродуктов;

федерального значения - разлив свыше 5000 тонн нефти и нефтепродуктов.  Исходя из местоположения разлива и гидрометеорологических условий, категория чрезвычайной ситуации может быть повышена".

В дальнейшем рассматриваются последствия аварийных ситуаций с выходом нефти и нефтепродуктов на водные и твердые подстилающие поверхности.

6.2. Анализ аварийных ситуаций и распределение источников нефтяного загрязнения водных бассейнов.

Нефть и нефтепродукты - самые распространенные загрязнители морей и океанов.

Различают два типа нефтяного загрязнения морской среды:

• хроническое загрязнение в течение длительного времени сравнительно низкими концентрациями;

• аварийное загрязнение большими количествами нефтепродуктов за короткий промежуток времени.

Отечественные специалисты М. Нестерова, А. Смирнов и И. Немировская, критически рассмотрев различные источники информации, пришли к выводу, что наиболее реальная цифра, характеризующая ежегодное поступление нефти в Мировой океан, составляет 6 миллионов тонн. По их данным (рис. 6.2.1), источники и пути поступления нефти в моря и океаны в процентном отношении от общего поступления распределяются следующим образом:

• "эксплуатационные" причины (несанкционированные сбросы балластных вод, аварии при зачистке грузовых танков и т.д.) - 23%;

• погрузочно-разгрузочные работы на акваториях портов - 17%;

• сточные воды прибрежных промышленных объектов - 11%;

• добыча нефти на континентальных шельфах - 3%;

• вынос нефти в моря и океаны впадающими в них реками - 28%;

• аварии судов, в том числе нефтеналивных - 6%;

• атмосферные выпадения - 9%;

• естественные поступления со дна морей и океанов - 3%.

Морские экологи считают, что первой аварией, открывшей счет катастрофам нефтеналивных судов, была гибель американской 12-ти мачтовой парусной шхуны "Томас Лоусон" 19 ноября 1907 г. Трюмы шхуны были загружены 12000 тоннами керосина. После гибели шхуны у островов Силли (Ла-Манш) радужная керосиновая пленка расползлась по морской поверхности, вызывая гибель его обитателей.

Однако первое серьезное предупреждение человечеству, заставившее задуматься над проблемой защиты океана от нефтяного загрязнения, прозвучало в марте 1967 года, когда погиб супертанкер "Торри Каньен", построенный в США в 1959 году. Катастрофа произошла на скалах Севен Стоунз недалеко от британских островов. В грузовых танках "Торри Каньен" находилось 119328 тонн сырой нефти.

Р ис. 6.2.1. Распределение источников поступления нефти и нефтепродуктов в моря и океаны [1].

Английские биологи сразу зарегистрировали опустошение и мор всего живого в зоне катастрофы. У крабов отпали конечности, и они умирали. Часто наблюдались мертвые омары, морские ежи и моллюски. Рыбы понесли сокрушительный урон, причем не столько от нефтяного загрязнения, сколько от применявшихся для локализации нефтяного пятна высокотоксичных детергентов, которых в море было вылито более 13.5 тысяч тонн.

Из-за большой осадки загрузка и разгрузка "суперов" часто происходит на больших глубинах далеко от берега у "морского острова" - искусственного сооружения или швартового буя, соединенного с береговым нефтехранилищем специальными трубопроводными системами. Таких нефтеналивных швартовых буев насчитывается более ста. В последнее время появились крупные глубоководные распределительные нефтяные базы - терминалы также расположенные в открытой части заливов или бухт, способные осуществлять загрузку и выгрузку крупнотоннажных танкеров.

У берегов Франции в 30 км от Гавра имеется мощный нефтяной терминал Антифер с двумя причалами для супертанкеров дедвейтом 500…700 тысяч тонн. В комплекте сооружений Антифера имеется защищающий нефтегавань мол длиной 3.2 км с причалом длиной 420 м, который обеспечивает разгрузку двух танкеров с осадкой до 31.8 м. На берегу порта расположены нефтяные резервуары по 150 тысяч тонн каждый.

США - это одна из крупнейших стран-импортеров нефти, но запоздавшая со строительством глубоководных портов. Из-за этого арабская нефть доставляется в нефтяные порты Канады, Бермудских или Багамских островов, откуда нефть транспортируется в порты США небольшими танкерами.

Особую значимость в экономике России имеет Балтика. Балтийское море представляет собой полузамкнутое море площадью 415 000 км² и максимальной глубиной 460 м. Водосборный бассейн моря охватывает более 1.7 млн. км² и доставляет в море в среднем 480 км³ пресной воды в год. Почти половину стока обеспечивают семь крупнейших рек: Нева, Висла, Даугава, Неман, Кемийоки, Одер, Гете-Эльв.

Балтийское море внутреннее, и загрязняется нефтью и нефтепродуктами в значительно большей степени, нежели воды Мирового океана. Так, несмотря на то, что на Балтику приходится всего 0.1% от площади Мирового океана, в ее воды поступает до 50000 т нефтепродуктов в год. Столь высокий уровень загрязнения объясняется не только интенсивным судоходством, но и тем, что на берегах Балтийского моря расположены промышленно развитые страны.

Вследствие хронического загрязнения в воды Балтийского моря ежегодно поступает со сточными водами от 20000 до 40000 тонн нефтепродуктов, а в результате аварий - от 5000 т до 10000 т. Однако именно аварийные разливы наносят наибольший экологический и экономический ущерб, способствуют созданию чрезвычайных ситуаций.

Воздействие нефтяного загрязнения на экосистему Балтики гораздо сильнее, в сравнении с иными открытыми водоемами. Балтийское море соединено с Северным морем сравнительно узкими и мелководными проливами, что обусловливает замедленный водообмен Балтики. Например, время обновления вод Балтийского моря составляет 25…35 лет, тогда как Северного моря - 2…3 года. Кроме того, для Балтийского моря характерна явно выраженная неравномерность распределения температуры воды по глубине. Все это приводит к накоплению в водах Балтики остатков нефти и нефтепродуктов.

Существенное влияние на загрязнение Балтийского моря окажет реализация программы строительства российских нефтеналивных портов в восточной части Финского залива.

Финский залив является крупнейшим водным объектом Ленинградской области и занимает примерно 7% общей площади Балтийского моря.

Основные характеристики Финского залива: площадь 29500 км²; средняя глубина 38 м; максимальная глубина 115 м; объем воды 1125 км³; соленость 3.5%о;преимущественное направление течений в поверхностном слое – против часовой стрелки ;доля реки Нева от общего поступления воды по рекам Финского залива составляет 70%, (расход воды в устье равен 2530 м³/с).

Крайнюю северо-восточную часть Финского залива называют Невской губой, имеющей следующие характеристики: длина 21 км; наибольшая ширина около 15 км;площадь водяного зеркала 329 км²;средняя глубина 3.7 м;

Невская губа представляет собой мелкий водоем с сильной проточностью, обусловленной поступлением невской воды.

В Ленинградской области успешно реализуется строительство портового комплекса в г. Приморске. Комплекс должен состоять из четырех основных терминалов, предназначенных для приема, хранения, перегрузки и отправления: сырой нефти, нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов, генеральных грузов.

Общий планируемый грузооборот терминалов морского порта в районе г. Приморска приведен в сводной табл. 6.2.1.

Сырая нефть по плану должна поступать на нефтебазу по нефтетрубопроводу. Отгрузка нефти будет осуществляться в танкеры дедвейтом до 100…150 тыс. тонн[86].

Нефтепродукты должны поступать на терминал по железной дороге, и отгружаться в танкеры различной грузоподъемностью (от 5000 т, до 50000 т).

Сжиженные газы будут поступать в порт по железной дороге, и их отгрузка будет осуществляться в танкеры дедвейтом от 12 до 40 тыс. тонн. Широкая фракция легких углеводородов под давлением будет отгружаться в танкеры грузоподъемностью до 20 тыс. тонн.

Общие объемы хранения грузов в резервуарных парках порта в Приморске должны составить: сырой нефти 1 100 000 м³,- нефтепродуктов 283 300 м³, сжиженных газов 60 000 м³.

Таблица 6.2.1.

Общие показатели грузооборота портового комплекса г. Приморска.

Наименование груза	Первая очередь, млн. тонн			Полное развитие, млн. тонн
	экспорт	импорт	итого	экспорт	импорт	итого
1. Наливные грузы всего	27	1.0	28.0	42.0	2.0	44.0
1.1. Нефть	19.0	-	19.0	29.0	-	29.0
1.2. Нефтепродукты	7.0	1.0	8.0	8.0	2.0	10.0
1.3. Сжиженные газы (углеводородные, в перспективе – природные)	1.0	-	1.0	4.0	-	4.0
1.4. Жидкие химические	-	-	-	1.0	-	1.0
2. Генеральные грузы	0.4	0.6	1.0	0.4	0.6	1.0
Всего по порту	27.4	1.6	29.0	42.4	2.6	45.0

Загрязнению нефтепродуктами подвержены не только морские, но и пресноводные водоемы.

Например, 8 мая 2001 г. на Сенгилеевском водохранилище (Ставропольский край) обнаружено нефтяное пятно длиной 5 км и шириной 1 км. Предположительно, загрязнение явилось результатом смыва нефтепродуктов с прибрежной территории водохранилища.

11 мая 2001 г. на подводном переходе нефтепровода Александровское-Анжеро-Судженск в районе устья р. Томь (Томская область) обнаружена утечка нефти (до 0.5 т). Площадь загрязнения составила 0.5 км². Для локализации загрязнения устанавливались боновые заграждения. Авария была ликвидирована только 13 мая.

В мае 2001 г. в результате наводнения на р. Лена было повреждено 89 резервуаров с нефтепродуктами на Лесной нефтебазе Республики Саха (Якутия). По имеющимся данным в р. Лена попало более 12 тыс. т нефтепродуктов.

Нефтяная пленка - одна из самых распространенных форм существования нефти как загрязняющего водную поверхность вещества. Отличительная особенность нефтяных пленок, в частности, состоит в том, что они никогда не растекаются до мономолекулярной толщины. Минимальная толщина нефтяной пленки, которую удалось измерить, составила 0.15 микрона (1.510 ^-7 м).

Растекание нефтяной пленки по воде представляет собой совокупность двух явлений: а) дрейф пленки под действием ветра и течения как единого целого; б) растекание пленки под действием гравитационно-вязкостных сил и сил поверхностного натяжения.

Задача определения масштабов нефтяного загрязнения становится особенно сложной при попытке корректного учета процессов испарения, разложения нефти, ее оседания на дно и повторного всплытия на поверхность.

На рис. 6.2.2 показана система основных процессов, происходящих с нефтепродуктами при их растекании по водной поверхности.

Пленка плавающего нефтепродукта

Рис. 6.2.2. Основные виды воздействия на среду плавающими нефтепродуктами.

6.3. Методы расчета параметров растекания нефтяного пятна по водной поверхности.Теоретически при оценке распространения пятна аварийного разлива нефти и нефтепродуктов на поверхности воды включают в рассмотрение четыре стадии: инерционная; гравитационно-вязкостная; поверхностного натяжения; диффузионная.

Первые три стадии (табл. 6.3.1) относятся к процессу растекания нефтепродуктов по поверхности водной среды и описываются приближенными аналитическими выражениями. Параметры растекания на этих стадиях зависят от объема вылива, плотности нефтепродуктов и т.д. и мало зависят от гидрологических особенностей района.

Четвертая (диффузионная) стадия распространения нефтепродуктов непосредственно связана с динамическими процессами в районе разлива и поддается исследованию только с помощью методов математического моделирования.

Таблица 6.3.1.

Типовые режимы распространения нефтяного загрязнения на трех стадиях развития процесса растекания пятна нефти при отсутствии ветрового воздействия.

Объем вылива нефти м3	Граничный переход от стадии 1 к стадии 2			Граничный переход от стадии 2 к стадии 3			Окончание 3 стадии
	Время мин.	Радиус м	Толщ. плен. мм	Время мин.	Радиус м	Толщ. плен. мм	Время час.	Радиус м	Толщ. плен. мм
5	6.7	37.2	1.15	7.7	38.5	1.1	1.58	252.4	0.025
15	9.6	58.8	1.38	16.1	66.7	1.1	3.29	437.1	0.025
25	11.4	72.7	1.51	22.6	86.1	1.1	4.63	564.3	0.025
42.93	13.7	91.0	1.65	32.4	112.8	1.1	6.63	739.5	0.025
50	14.4	97.0	1.69	35.9	121.7	1.1	7.34	798.1	0.025
75	16.4	114.9	1.81	42.1	149.1	1.1	9.62	977.5	0.025
100	18.2	129.7	1.89	57.0	172.2	1.1	11.66	1128.7	0.025

При моделировании аварий, вследствие которых происходит разлив нефти или нефтепродуктов по водной поверхности, как правило, рассматривают две разновидности аварийного процесса.

Один из них - залповый сброс нефти, при котором практически мгновенно на поверхности водоема оказывается заданное количество нефти или нефтепродукта. Такие аварии являются следствием взрыва танкера, его разлома на рифах, значительных размеров пробоины при столкновении судов и т.д.

Второй разновидностью аварийного процесса разлива нефтепродуктов на водной поверхности является постепенный вылив нефти через пробоину определенных размеров в корпусе танкера.

Существо задачи состоит в определении размеров нефтяного пятна на водной поверхности в виде зависимости радиуса и скорости дрейфа от времени.

Залповый (почти мгновенный) сброс нефтепродуктов в воду.

В основе оценок по растеканию нефти и нефтепродуктов по водной поверхности (упрощенный вариант для случая несжимаемой и невязкой жидкости) лежит уравнение:

, (6.3.1)

где =1.34 –коэффициент,

_ж – плотность растекающейся жидкости (нефти или нефтепродукта),

_в – плотность воды водоема (моря),

h – высота цилиндра разлива нефти.

Значение коэффициента , учитывает степень погружения нефтепродукта в воду.

Допуская, что вся вылитая нефть объемом V принимает на поверхности моря (водоема) форму цилиндра высотой h и радиусом r (рис. 6.3.1), имеем:

Поверхность воды

r

Рис. 6.3.1. Модель "залпового" сброса нефти на водную поверхность.

Подставив в уравнение (6.3.1) вместо высоты цилиндра разливающейся жидкости ее значение, выраженное через интересующий радиус пятна и объем общего разлива нефти или нефтепродукта, получим:

(6.3.2)

После разделения переменных уравнение (6.3.2) принимает вид:

(6.3.3)

После интегрирования уравнения (6.3.3) при начальном условии r=0 при t=0, получим: (6.3.4).

Откуда окончательно получаем зависимость радиуса пятна нефти (нефтепродукта) от объема залпового сброса и времени распространения:

(6.3.5)

Центр нефтяного пятна дрейфует под действием ветра и течения.

Если скорость ветра над поверхностью воды v_в и скорость течения v_т, то скорость v_ц дрейфа центра нефтяного пятна при совпадении направления ветра и течения определяется соотношением:

(6.3.6)

При несовпадении направления ветра и течения необходимо решение задачи для каждой интересующей точки границы нефтяного пятна в векторной постановке с учетом разложения вектора скоростей собственно растекания пята, его дрейфа под действием ветра и под действием течения.

Непрерывное истечение нефтепродуктов на водную поверхность.

При непрерывном разливе нефти или нефтепродукта на водную поверхность принимается допущение, что пробоина в корпусе танкера расположена на ватерлинии, а высота верхнего уровня нефти (нефтепродукта) в танке над пробоиной равна Н.

При таком допущении объем V нефти на поверхности воды для заданного момента времени t:

, (6.3.7)

где Q – расход нефтепродукта , м³/с, определяемый по формуле:

, , (6.3.8)

где S – площадь пробоины, м²

w – линейная скорость истечения, м/с.

  [0,1] - коэффициент сопротивления истечению нефтепродукта через отверстие, приведенное к круглому сечению.

Приравнивая (6.3.8) и (6.3.7) для произвольного t, получим:

Тогда, подставив это выражение в уравнение (6.3.1), имеем:

(6.3.9)

(6.3.10).

После интегрирования в начальных условиях (r=0 при t=0 и Q=const), получим:

(6.3.11)

(6.3.12)

(6.3.13).

При медленном истечении время растекания пятна практически ограничено временем истечения нефти или нефтепродуктов из танкера.

Дифференциальное уравнение, описывающее процесс истечения жидкости из сосуда постоянного сечения при отсутствии стороннего притока жидкости и при постоянном давлении, имеет вид:

(6.3.14),

где F - площадь поперечного сечения резервуара (зеркала жидкости), м²;

s - сечение аварийного сливного отверстия, м²;

h – текущее значение высоты уровня жидкости над отверстием, м;

 - коэффициент расхода системы, зависящий от вязкости жидкости.

Интегрирование уравнения (6.3.14) (при начальных условиях: h=H₁ при t=0, где Н₁ - исходная высота зеркала жидкости над центром аварийного отверстия) дает возможность определить максимальное время истечения жидкости их танкера:

(6.3.15),

где Н₂ – конечное значение высоты зеркала жидкости над центром аварийного отверстия.

В том случае, когда объем V жидкости задан, расчет времени истечения может производиться по формуле:

(6.3.16),

где Q_ср– средняя пропускная способность системы:

Q_max – расход жидкости (пропускная способность системы) при максимальной высоте столба жидкости;

Q_min – расход жидкости (пропускная способность системы) при минимальной высоте столба жидкости.

Если слив происходит под действием избыточного давления инертной среды (азота, водяного пара, двуокиси углерода и т.п.), формула определения времени опорожнения постоянного по высоте резервуара приобретает вид:

(6.3.17)

где Р₀ - атмосферное давление; Р₁ - давление в сосуде при высоте жидкости над отверстием Н₁; Р₂ - давление в сосуде при высоте жидкости над отверстием Н₂.

Некоторое повышение корректности расчетов параметров нефтяного пятна на водной поверхности может быть достигнуто за счет учета испарения или выгорания нефтепродуктов. В табл. 6.3.2 приведены данные по относительной доле расхода нефтепродуктов в процессе их растекания по водной поверхности.

Таблица 6.3.2.

Испарение, растворение и окисление нефтепродуктов при растекании пятна на акватории от исходного объема (%).

Наименование нефтепродуктов	Причина изменения начального объема			Остаток
	Испарение	Растворение	Фотохимическое окисление
Нефть сырая	30	10	1	59
Дизельное топливо	40	10	1	49
Моторное топливо	12	10	1	77
Мазут	10	10	1	79
Бензин	95	5	-	-
Керосин	65	5	-	30

Особенности распространения нефтяного пятна в ледовой обстановке.

Особенностью взаимодействия нефти со льдом [87-89] является многообразие форм и параметров льда, их изменение во времени и их зависимость от температуры воды и воздуха. Так, например, характеристика арктического пакового льда существенно отличаются от характеристик морского льда, которые, в свою очередь, весьма отличны от параметров льда пресноводных водоемов. Изменение характеристик льда определяет изменение степени взаимодействия нефти (нефтепродуктов) со льдом, т.е. меняет условия распространения нефтяного пятна по водной поверхности при наличии льда.

Существенное влияние оказывает также внутренняя структура льда. Формируемый на начальном этапе замерзания воды лед толщиной порядка 10 см состоит из кристаллов произвольной ориентации. По мере увеличения толщины льда, когда намерзание происходит медленнее, структура льда становится более упорядоченной.

При замерзании морской воды происходит выдавливание соли по вертикальным «тоннелям», образуя каналы на расстоянии 0.5…10 мм друг от друга. По этим каналам из льда выходит вода с повышенной концентрацией солей. Движение воды по каналам неустойчивое и определяется разностью плотностей рассола и морской воды. В ряде случаев по этим каналам нефть (при сравнительно низкой ее вязкости) может подниматься по толще льда, не достигая, однако, его поверхности, до тех пор, пока лед не начнет таять.

При таянии размеры каналов увеличиваются и нефть выделяется на поверхности льда, образуя нефтяные лужи. Эти лужи меняют альбедо и ускоряют процесс таяния льда.

Лед пресноводный не имеет каналов рассола и подъем нефти на его поверхность возможен только по трещинам или полыньям, если таковые имеются.

Присутствие нефти изменяет скорость нарастания льда, поскольку теплопроводность нефти в 12…16 раз меньше, чем льда. При этом возможно вмерзание капель или скоплений нефти в лед.

На процесс распространения нефти наибольшее влияние оказывает скорость перемещения нефти относительно нижней поверхности льда. Скорость течения воды, при которой нефть начинает двигаться относительно нижней поверхности льда (скорость трогания), составляет 3.5 см/с, но при возрастании вязкости нефепродуктов свыше 1.0 Ст, эта скорость течения повышается до 7 см/с. После начала движения скорость нефти составляет около 40% от скорости течения. При повышении шероховатости нижней поверхности льда скорость нефти уменьшается.

Разбитый лед или отдельно плавающие льдины по иному взаимодействуют с нефтью. Последняя поднимается к свободной поверхности, которая имеется между льдинами, перемешиваясь с шугой.

Поскольку плавающие льдины возвышаются над поверхностью воды, они действуют как барьер, препятствуя распространению нефти. Вязкие сорта нефти остаются в пределах площади, ограниченной разбитым льдом, тогда как легкие, маловязкие сорта быстро распространяются как по свободной поверхности воды между льдинами, так и по нижней поверхности плавающего льда, достигая толщины пленки, соответствующей толщине пленки нефти на свободной ото льда акватории.