Моделирование аварийного разлива нефти в Печорском море для оценки зоны поражения акватории с учетом направления и скорости ветра

Природа Арктических регионов крайне уязвима и чувствительна к антропогенным воздействиям. В связи с освоением ресурсов углеводородов Арктической зоны растет угроза возникновения аварийных разливов нефти. Особенно опасны разливы на акваториях, поскольку способны быстро распространяться на большие расстояния, нанося урон морским и береговым экосистемам. Их ликвидация осложнена сложными природноклиматическими условиями и недоступностью региона для людей и техники. В связи с этим минимизация экономического и экологического ущерба от разливов нефти является одной из важнейших задач.

Для защиты природы Российской Арктики от последствий аварий требуется разработка мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов. Для этого необходимо знать траекторию дрейфа нефтяного пятна на поверхности, процессы выветривания нефти и другие данные. Методы математического моделирования позволяют спрогнозировать развитие аварии и получить необходимую информацию. Одной из наиболее мощных и известных моделей распространения нефтяных разливов на водной поверхности является программа OSCAR, разработанная норвежской компанией SINTEFF. Она предоставляет пользователю много возможностей для эффективного моделирования разлива с учетом имеющихся исходных данных: объема и характера утечки, положения источника, состава нефти, течений, ветра, температуры и др.

Для моделирования разлива необходимо определить потенциальный источник утечки. Им может стать нефтеналивной танкер, подводный трубопровод, эксплуатационная или буровая морская платформа. К крупнейшим объектам нефтегазового комплекса, расположенным в западном секторе Российской Арктики, относится Варандейский нефтяной терминал. Он состоит из берегового резервуарного парка (БРП), осуществляющего приемку нефти, и стационарного ледостойкого отгрузочного причала (СМЛОП), расположенного в море в 22 км от берега. СМЛОП связан с береговым

парком двухниточным трубопроводом диаметром 820 мм.

Исходные данные сценария

В качестве возможного сценария разлива принята утечка нефти в объеме 530 т на СМЛОП при ее перекачке в танкер. Продолжительность истечения нефти в результате повреждения погрузочного шланга (гибкого трубопровода) принята равной 4 минутам.

Необходимо отметить, что программа OSCAR не обладает необходимым функционалом для учета ледовых условий. Проблема прогнозирования движения нефти на поверхности, покрытой льдом, остро стоит в области моделирования аварийных разливов, Ни одна модель не способна дать точный

Нефть на поверхности

Дни ---5 м/с ------10 м/с--15 м/с *••*••• 20 м/с результат, и этот вопрос является предметом дальнейших исследований. В связи с этим, в данной работе предполагается, что морская поверхность свободна ото льда в границах распространения разлива.

Ветер имеет наибольшее влияние на скорость и направление движения нефтяного пятна. Для оценки процессов выветривания и поведения нефти в зависимости от ветра было проведено экспериментальное моделирование разлива на открытой воде (без выброса нефти на берег) при разных скоростях ветра. Результаты проиллюстрированы на Рис. 1.

а

20 м/с

--5 м/с ----- 10 м/с--15 м/с

б

Рис. 1 - Параметры разлива при разных скоростях ветра: а - количество нефти на поверхности; б - количество нефти в толще воды; в - количество испарившейся нефти; г - расстояние распространения разлива за 7 суток в зависимости от скорости ветра

Для моделирования необходимо выбрать наиболее неблагоприятный сценарий, то есть ту скорость ветра, при которой возможный ущерб будет наибольшим. Из Рис. 1-а видно, что наибольшее количество нефти на поверхности наблюдается при скорости ветра 5 м/с. При скорости 10 м/с значение резко уменьшается и дальнейшее увеличение скорости не меняет существенно этот показатель. Эго связано с тем. что скорость ветра напрямую влияет на интенсивность испарения нефти (Рис. 1-6) и дисперсии в толщу воды (Рис. 1-в). При высокой скорости ветра усиливается волнение на поверхности, что приводит к разбиванию пленки и перемешиванию поверхностных слоев. Значительные объемы нефти при этом проникают в толщу воды. Затем частицы нефти покрываются взвешенными частицами, находящимися в толще воды, и погружаются на дно. образуя осадок [2].

На Рис. 1-г показано примерное расстояние, на которое распространяется пятно за 7 суток. Оно увеличивается с возрастанием скорости ветра. Однако, как было сказано выше, выветривание и дисперсия в толщу воды делают нефть менее опасной, поскольку ее количество на поверхности воды снижается, и она становится менее токсичной.

Исходя из указанного, наиболее неблагоприятным из рассмотренных сценариев была выбрана скорость ветра 10 м/с. При этом на поверхности остается значительное количество нефти, которая при движении в сторону суши будет выброшена на берег. Расстояние распространения разлива в 150 км охватывает большую площадь, включая берег Югорского полуострова и остров Вайгач на востоке и северо-востоке, а также группу островов Гуляевские Кошки и акваторию Печорской губы на западе.

В данной работе построено 8 моделей для оценки, направление ветра в которых менялось по «рабочим» румбам от 1 до 8. Для упрощения моделирования и интерпретации результатов можно принять скорость ветра одинаковой на всей рассматриваемой территории и постоянной на протяжении расчетного периода [3].

В меньшей степени на движение нефтяного пятна влияют течения. В данной работе течения моделируются упрощенно. Скорость и направление течения, аналогично ветру, приняты одинаковыми на всей рассматриваемой территории и постоянными на протяжении расчетного периода. Течение задано в направлении с запада на восток со скоростью 5 см/с, что соответствует схеме постоянных течений для безледного периода [1].

Основные исходные данные сценария приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные сценария

Параметр	Значение
Количество нефти	530 т
Время истечения	4 мин
Температура воздуха	5 °C
Температура воды в поверхностном слое	3°С
Соленость воды	35 %о
Плотность нефти	0,863 г/сма
Содержание парафинов в нефти	8,14%
Содержание асфальтенов в нефти	1,49%

Результаты

По результатам моделирования составлена карта (Рис. 2), на которой отмечены зоны загрязнения нефтью через 1 сутки, 3 суток и 5 суток. На карте указаны особо охраняемые природные территории (ООПТ), цифрами от 1 до 5 отмечены берега, подверженные загрязнению при разных направлениях ветра.

В таблице 2 приведены данные о количестве нефти, выброшенной на берег при разных направлениях ветра.

Наиболее негативным последствием аварийных разливов нефти является загрязнение берегов.

Количество нефти, выброшенной i

Территория вдоль береговой линии является местом обитания различных видов птиц. Нефть загрязняет перьевой покров, который играет значительную роль в организме птицы, обеспечивая теплоизоляцию и плавучесть. Загрязнение оперенья способно привести к переохлаждению, голоданию или утоплению особей. Токсичные вещества, входящие в состав нефти, попадают внутрь организма птицы, и могут вызвать смерть или снижение репродукции [9].

Наибольший ущерб береговой линии нанесен при северном и северо-западном ветре, то есть при направлении ветра к ближайшему берегу (Рис.2 - [1]).

Таблица 2

берег при разных направлениях ветра

Направление ветра	Количество нефти, выброшенной на берег
Северное	260,76 т
Северо-восточное	186,56 т
Восточное	1,59 т
Юго-восточное	0 т
Южное	0 т
Юго-западное	99,11т
Западное	10,07 т
Северо-западное	297,86 т

В этом случае около половины разлитой нефти попадет на берег в течение первых суток после разлива, при этом пятно достигнет берега в течение первых суток после аварии. Данная территория не относится к ООПТ, однако Союз охраны птиц России относит ее к Ключевой орнитологической территории

России (КОТР). Программа КОТР ведется в нашей стране с 1994 г., ее основные задачи:

• -    выявление КОТР;

• -    организация охраны КОТР;

• -    мониторинг КОТР, контроль над сохранностью птиц и их мест обитания;

• -    принятие мер в случае угрозы КОТР.

  

  [х] Источник разлива

  1 сутки

  северо-восточный

  
  

  Загрязнение берегов в зависимости от ветра:

  
  
  
  

  юго-западный

  
  
  
  
  
  

  западный

  
  
  

  восточный

  
  

  5 суток

  
  

Рис. 2 - Результаты моделирования

Данные о КОТР применяются в подготовке предложений по организации ООПТ, проектировании ООПТ, созданию планов природоохранных мероприятий по редким видам птиц, а также при проведении общественных экологических экспертиз различных проектов [8]. Союз охраны птиц России относит это побережье (Рис.2 - [1]) к КОТР Варандейская Лапта. Исследованиями выявлено гнездование и линька множества видов птиц: морской чернети, морянки, гаги-гребенушки, свиязи и шилохвости. Территория служит руслом и местом массовых остановок и отдыха мигрирующих гусей, лебедей, черной казарки, различных видов куликов и чаек [7].

Северо-восточное направление ветра также представляет опасность. В этом случае значительными объемами нефти может быть загрязнено побережье Паханческой губы (Рис. 2 - [2]) в течении 2 суток после разлива. Данная территория относится к Водно-болотным угодьям, внесённым в Перспективный список Рамсарской конвенции («Теневой список» водно-болотных угодий, имеющих международное значение) [4]. Конвенция о водно-болотных угодьях (1971 год) является межправительственным договором, цель которого — «сохранение и разумное использование всех водноболотных угодий путём осуществления местных, региональных и национальных действий и международного сотрудничества, как вклад в достижение устойчивого развития во всем мире». Так называемый «Теневой список» представляет собой перечень территорий, рекомендованных для внесения в список водно-болотных угодий, охраняемых Рамсарской конвенцией [6]. Территория является руслом пролёта водоплавающих птиц, местом остановка мигрирующих гусей (десятки тысяч) и чёрной казарки [4].

При восточном ветре ожидается загрязнение побережья островов группы Гуляевские Кошки (Рис. 2 - [5]). Объемы нефти при этом сценарии относительно небольшие, разлив достигнет берега в течение 5 суток. Данные территории включены в Государственный природный заповедник «Ненецкий». Континентальная часть заповедника

(западное побережье Печорской губы) не пострадает. К представителям птиц, населяющим заповедник, относят, например, гагу обыкновенная и гребенушку, черную казарку, синьгу, морянку, разнообразные виды куликов [5].

В случае западного ветра умеренному загрязнению в течение 2 суток подвержен полуостров Медынский Заворот и остров Большой Зеленец (относится к заповеднику «Ненецкий»), При дальнейшем движении нефтяного пятна в течении 5 суток разлив достигнет западного побережья полуострова Югорский (Рис. 2 - [4]), но значительное загрязнение не ожидается по причине малого количество нефти, которое достигнет берега.

При юго-западном направлении основной объем нефти будет выброшено на остров Долгий, относящийся к заповеднику «Ненецкий» (Рис. 2 -[3]). Из-за близости к источнику разлива и формы острова можно ожидать значительное загрязнение береговой линии. Пятно достигнет берега в течение 2 суток. При этом остров предотвратит продвижение пятна дальше на северо-восток к берегам полуострова Югорский и южной части острова Вайгач.

При южном направлении ветра, согласно результатам симуляции, поражение берегов не ожидается. Моделирование промежуточных направлений не проводилось, однако можно предположить, что в случае ветра между южным и юго-западным направлениями, в течении 2 суток разлив достигнет Матвеева острова, и далее в течении 5 суток - берегов острова Вайгач, в том числе территорий Государственного регионального комплексного природного заказника «Вайгач».

Заключение

Таким образом, было выполнено моделирование аварийного разлива на СМЛОП Варандейского терминала в объеме 530 т в программе OSCAR. Симуляция проводилась для скорости ветра 10 м/с, поскольку данный сценарий является наиболее неблагоприятным. По результатам моделирования была составлена карта, показывающая ориентировочные границы нефтяного загрязнения спустя 1, 2 и 5 суток. На карте также отмечены участки берегов, которые могут быть подвергнуты загрязнению при разных направлениях ветра, и граница ООПТ в регионе, что позволяет оценить опасность распространения загрязнения в том или ином направлении.

Результаты демонстрируют, что наиболее значительный ущерб от разлива ожидается при северном и северо-западном направлении ветра, когда нефтяное пятно менее чем за сутки достигнет береговой линии в районе БРП Варандейского терминала. При этом на берег будет выброшено более 250 т нефти. Данный сценарий является наиболее негативным, однако близость необходимой инфраструктуры Варандейского терминала позволит оперативно развернуть силы и средства для локализации и ликвидации аварийного разлива нефти (ЛАРН).

Представляет опасность также движение пятна в северо-восточном направлении (при юго-западном ветре). В этом случае около 100 т нефти может быть выброшено на побережье острова Долгий. Пятно достигнет берега менее чем за 2 суток. Ликвидация последствий аварии на островных территориях представляет сложность по причине плохой транспортной доступности, сложности транспортировки на острова людей и техники.

Следует отметить, что значительного ущерба для ООПТ не ожидается. Однако загрязнении береговой зоны в любом случае представляет опасность, поскольку на данной территории она является местом обитания множества видов птиц, крайне уязвимых для загрязнения нефтью.

В случае реализации подобного сценария ключевым вопросом является скорость реагирования на аварию. Необходимо минимизировать время доставки и развертывания средств ЛАРН. На Варандейском терминале суда поддержки, ведущие дежурство в районе СМЛОП, оснащены необходимыми средствами ЛАРН и могут оперативно начать работы по ликвидации аварии. Координация действий аварийно-спасательных формирований и оперативный прогноз гидрометеорологических условий являются критически важными условиями для успешной борьбы с аварийным разливом и минимизации ущерба для природы региона.

В дальнейшем планируется продолжить выполнение моделирования для разных скоростей ветра с целью оценки экологических рисков в регионе с учетом повторяемости ветров, вероятности аварии, типов берегов и уязвимости отдельных видов фауны.