книги / Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов

поверхности моря, покрытая опрокидывающимися волнами (Гв — период волны; uHi — начальная скорость ветра, при которой начинается опроки­ дывание (-5 м/с); с — константа (-0,32 с/м)); tSfjrm— Доля водной поверхности, покрытая нефтью;

Da = 0,0034pBg # 2— средняя энергия диссипации

опрокидывающихся волн со среднеквадратичной высотой Н (g — ускорение свободного падения;

рв— плотность воды); С (0)«[ц(Гн)] 1— эмпири­

ческий коэффициент, зависящий от вязкости нефти.

2.2.4. Эмульгирование нефти

Эмульгирование нефти — это процесс перехода нефти в виде мелких капель в воду. Этот процесс является основной причиной рассеивания нефтяной пленки в объеме воды. При волнении свыше 5 бал­ лов за 12 ч эмульгирует до 15 % нефти. Процессу эмульгирования наиболее подвержены маловязкие нефти и светлые очищенные нефтепродукты (бен­ зин, керосин, дизельное топливо). При разливах большая часть распределенной в воде нефти нахо­ дится в виде эмульсии типа нефть-в-воде (прямая эмульсия); образуется также эмульсия типа вода- в-нефти (обратная эмульсия).

Эти типы эмульсий, несмотря на сходные усло­ вия образования, имеют существенные различия. Для образования эмульсии требуются естественное взбалтывание и эмульгаторы. Природные эмульга­ торы могут содержаться как в самой нефти, так и в морской воде.

Образование прямой эмульсии связано с распре­

Это может привести к исчезновению нефти с поверхности воды. Однако при прекращении действия факторов, способствующих эмульгирова­ нию (например, при уменьшении волнения моря), нефтяное пятно может восстановиться, т. е. нефть вновь всплывет на поверхность воды.

Обратная эмульсия характеризуется высокой стойкостью: может сохраняться несколько месяцев. Она образуется при смешивании воды с относи­ тельно вязкой нефтью. Такая эмульсия содержит от 50 до 80 % свободной воды. Внешне обратная эмульсия часто бывает похожа на чистую нефть, т. к. имеет темно-бурую окраску, иногда она светлокоричневая (такая эмульсия получила название «шоколадный мусс»).

Характерной особенностью обратной эмульсии являются высокие вязкость, температура застыва­ ния и плотность. Это необходимо учитывать при планировании операций по локализации и сбору разливов нефти. Следует отметить, что при образо­ вании водонефтяных эмульсий объем загрязнения может увеличиваться на 50-70 %.

Ниже на рис. 2.13 и 2.14 приведены примеры изменения состава и свойств нефтей при эмульги­ ровании во времени. Разное поведение нефтей при разливе обусловливается их различным составом и исходными свойствами.

Наряду с легкотекучими, поддающимися рассеи­ ванию и перекачке нефтями, могущими потерять свои качества, превратившись в водонефтяную эмуль­ сию, имеются высоковязкие и даже нетекучие сырые нефти, которые, будучи разлитыми в воде, не поддаются ни рассеиванию, ни перекачке.

Процесс, управляющий образованием эмульсии, не совсем ясен, поэтому для оценки скоростей эмуль­ гирования используются различные эмпирические формулы. Изменение водосодержания нефти Yw можно представить в следующем виде:

где КА— величина, обратная максимальному водосодержанию Ywв эмульсии (0,8), а Кв — подгоноч­ ный коэффициент порядка 1,43, значение которого подбирается в зависимости от скорости ветра.

Эта формула показывает, что практически любая нефть в конечном счете эмульгирует до одной и той же степени (т. е. до водосодержания 80 %), и это происходит с одной и той же скоростью. Есть, однако, доказательства, что разные типы нефти связывают разный объем воды и скорость этого процесса меняется в зависимости от типа нефти, но отклонение от расчетных значений при этом невелико. Следует отметить, что легкие вещества, такие как бензин и керосин, не образуют эмульсий.

Процесс эмульгирования, так же как и процесс испарения, сопровождается увеличением вязкости нефти. Изменение вязкости нефти в процессе эмуль­ гирования определяется следующим выражением:

Из рис. 2.14 видно, что чем выше исходная вязкость нефти, тем меньше она подвержена эмульгированию и диспергированию.

Вязкость водонеф тяной эмульсии — это самая важная характеристика, влияющая на выбор оборудования и тактики реагирования на разлив нефти, но в некоторых случаях бывает необходимо знать и ее плотность. Плотность эмульсии рт можно определить из выражения 2.44

в зависимости от массовой концентрации воды в эмульсии:

Рн Рв

где рн — вязкость нефти; vB— объемная концен­ трация воды в эмульсии; тв— массовая концен­ трация воды в эмульсии.

2.2.5. Растворение нефти

Растворение нефти — это процесс, при котором компоненты нефти с низкой молекулярной массой переходят в объем воды. Скорость растворения нефти зависит от скорости ветра, температуры воды и силы волнения. В общем случае потери сырой нефти, связанные с растворением, могут составлять 5-7 % от общей массы разлитой нефти. В основ­ ном растворению в воде подвержены легкие фрак­ ции (до 20 мг/л). Растворимость высококипящих фракций ничтожно мала; можно считать, что они нерастворимы.

Обычно в момент поступления в водотоки основ­ ная масса нефтепродуктов сосредоточена в поверх­ ностной пленке. В сущности, вода становится непригодной для использования при попадании 1 л нефти на 106 л воды.

Впроцессе испарения нефти, как правило, по мере выхода наиболее легких компонентов отно­ сительное содержание средних и тяжелых фрак­ ций увеличивается, возрастают плотность и вяз­ кость нефти. Темпы разложения нефтяных пленок

впресных водах в естественных условиях состав­ ляют 50-80 % за неделю. Эксперименты, выпол­ ненные В.В. Батояном, показали, что в умеренной зоне в летний период водоем, сильно загрязненный нефтью, может очиститься в течение 1-2 месяцев. Известно, что скорости деградации нефтяных эмульсий намного ниже, чем скорости разложения нефтяных пленок. По данным Р.И. Медведского (1978), самоочищение водотоков от нефтепродук­ тов возможно в средних широтах на участках русла

в200-300 км, а в условиях Крайнего Севера — 1500-2000 км.

Вводотоках в ходе миграции происходит пере­ распределение между основными формами, что проявляется главным образом в увеличении доли растворенных, эмульгированных и сорбированных нефтепродуктов. Особенностью нефтяного загряз­ нения водной среды является способность нефти захватывать и концентрировать другие поллютанты (загрязнители), например тяжелые металлы и пес­ тициды. При распространении нефти на поверхно­ сти воды значительно возрастает также вероятность протекания различных реакций, поскольку вещества, растворимые в нефти, получают возможность уча­ ствовать в разнообразных химических процессах.

Исследования, выполненные на водотоках бас­ сейна Москвы-реки, показали, что поступающие

в них нефтепродукты были представлены преиму­ щественно маслами (велосит, вазелиновое масло, машинное масло и др.), т. е. относительно легкими продуктами. Максимальные концентрации нефтя­ ных поллютантов в водах исследованных рек на­ блюдались, как правило, на границе раздела фаз, т. е. в поверхностном микрослое воды (пленочная нефть) и в донных отложениях. Количество пле­ ночной нефти для разных рек составляло от 11 % (р. Нерская) до 73 % (р. Гуслица) общего содержа­ ния нефтепродуктов. При удалении от основных источников загрязнения относительная доля пле­ ночной нефти, как правило, уменьшалась, а других форм — возрастала, что было обусловлено пере­ ходом одних форм в другие. Эмульгированных нефтепродуктов обычно содержалось вдвое больше, чем растворенных. Значительное количество нефте­ продуктов фиксировалось речной взвесью (до 23-

34% от общего содержания).

Концентрации нефтепродуктов в речных водах

ные акты Голландии предусматривают, например, проведение мероприятий по очистке грунтовых вод от нефтепродуктов при их концентрациях выше 0,6 мг/л. Считается, что типичные уровни содержания нефтепродуктов в водах при ста­ бильно существующем загрязнении рек обычно составляют 0,3-0,5 мг/л, а более высокие концен­ трации указывают на так называемое свежее загряз­ нение. В реальности концентрации нефтепродуктов в загрязненных реках могут превышать отмечен­ ные «типичные уровни». Так, в водах Москвыреки и ее притоков содержание нефтепродуктов повсеместно было выше ПДК (от 1,5 до 22 раз). При этом вниз по течению происходило постепен­ ное увеличение их концентраций, которые дости­ гали максимума на выходе из города Москвы. Среднее содержание нефтепродуктов в крупнейших реках России изменяется от 0,05 мг/л (р. Лена) до 1,2 мг/л (р. Ока). В водах рек Сура и Алатырь даже на очень значительном удалении от городов наблю­ дались концентрации нефтепродуктов, в среднем превышающие ПДК в 3-4 раза. В реке Сура более высокие уровни нефтепродуктов фиксировались в осенний период; летом и зимой их средние кон­ центрации были практически одинаковыми, но в лет­ нюю межень намного более резко была выражена

суточная неоднородность распределения этих пол­ лютантов. В реке Алатырь минимальные уровни нефтепродуктов наблюдались в весеннее половодье (разбавляющее влияние талых вод с лесной части речного водосбора), а максимальные — в летнюю межень, но с более выраженной временной неод­ нородностью распределения, что обусловлено, видимо, особенностями поступления их со сточ­ ными водами города Саранска и характером про­ явления процессов деградации нефти в речной среде. В настоящее время нефтепродукты являются типичными поллютантами многих рек России.

Нефтепродукты придают воде специфический вкус и запах, изменяют ее цвет, pH, ухудшают газовый обмен с атмосферой.

2.2.6. Осаждение нефти

Поскольку нефть теряет легкие фракции и при­ нимает воду, плотность нефти возрастает до плот­ ности воды, и она может тонуть; это особенно вероятно, если осадочные материалы, содержа­ щиеся в толще воды, попадут в капли эмульсии. Действие волн на мелководье, где много осадков, может привести к тому, что после прекращения волнения нефть проникнет в донные отложения.

Донные отложения нефти, отличающиеся ис­ ключительной стойкостью, особенно опасны для водоема. Образование донных отложений связано с погружением высококипящих фракций нефти после сорбции их твердыми частицами и взвешен­ ными веществами, содержащимися в воде водоема. Такой процесс образования донных отложений характерен в основном для внутренних водоемов

иприбрежной морской зоны. Механизм распада нефти в глубоких слоях и на дне водоема мало изучен. Появление ее на дне нежелательно по ряду причин. Нефть обусловливает стабильность загряз­ нения водоема, т. к. приводит к так называемому вторичному загрязнению при любом случайном срыве ее с места. Кроме того, попавшая на дно нефть очень медленно подвергается биохимиче­ скому окислению из-за низкой температуры воды

ислабого проникновения света.

Наличие взвесей в воде нарушает обмен веществ у рыб и изменяет их поведение. Осаждение взвешен­ ных частиц ухудшает условия обитания и нереста донных организмов, а при слое толщиной в несколько миллиметров убивает бентос, в том числе такие ценные виды промысловых беспозвоночных, как

краб и креветка, которые из-за своих биологических особенностей не способны выйти из зоны загряз­ нения и вынуждены находиться в ней постоянно.

Крайне важным является и то, что буровые рас­ творы и нефтепродукты даже в незначительных концентрациях, не вызывающих токсикологиче­ ского эффекта, отпугивают рыб от мест нагула и нерестилищ, меняют миграционные пути.

Загрязняющие вещества в виде буровых и нефтя­ ных отходов могут разноситься течениями на зна­ чительные расстояния от участков шельфа, где идет разведка и добыча нефти. Учитывая протяженные миграции рыб и пассивный перенос массы личинок и молоди многих промысловых видов через зону разлива, они могут оказать негативное влияние на биоресурсы.

Некоторые продукты переработки нефти имеют высокую плотность и могут тонуть в пресной

исолоноватой воде. Однако морская вода вслед­ ствие наличия в ней солей имеет более высокую плотность, и сырая нефть практически всех сортов

вней плавает. Осаждение нефти на дно обычно происходит тогда, когда она смешивается с мине­ ральными частицами. Наиболее благоприятные для этого условия возникают на мелководьях.

Нефть, выброшенная на песчаные пляжи, часто перемешивается с песком. Если после этого она волнами будет снесена обратно в море, то может затонуть. Если разлившаяся в море нефть загора­ ется, ее остатки становятся достаточно тяжелыми

итоже могут затонуть.

Седиментация — это процесс, в котором до 10-30 % нефтяных углеводородов (НУ) сорбиру­ ется на взвеси и осаждается на дно. Седиментация развивается в основном в прибрежной зоне и на мелководье, где много взвеси и происходит актив­ ное перемешивание водных масс. На больших глубинах седиментация развивается крайне мед­ ленно (исключение — тяжелые нефти). Аккуму­ лированные в толще донных отложений, тяжелые фракции нефти могут сохраняться здесь многие месяцы и годы. В морской среде соотношение рас­ творенных и взвешенных форм нефти и ее компо­ нентов меняется в широких пределах в зависи­ мости от конкретных условий окружающей среды, состава, свойств и происхождения НУ Например, в водах Балтийского моря это соотношение варьи­ рует в пределах от 0,2 до 2,1. При изучении осаж­ дения нефти в Каспийском море было обнаружено,

что внутри слипшихся нефтяных образований

визолированном от морской воды состоянии при­ сутствует в заметных количествах морская соль (возможно в форме концентрированного рассола):

вдвух пробах на 4,4 и 2,1 мг НУ приходилось соответственно 0,3 и 0,1 мг соли.

Впроцессе самоочищения морской среды от НУ большое значение имеют донные отложения, которые, адсорбируя НУ, с одной стороны, ведут

куменьшению их содержания в воде, а с другой — могут служить при определенных условиях источ­ ником повторного загрязнения воды. При этом наносы и взвешенные частицы, действуя как «ло­ вушки», играют заметную роль в миграции нефтя­ ных загрязнений. В результате адсорбции на взве­ шенных частицах НУ осаждаются на дно, причем не всегда остаются на поверхности донных отло­ жений. Сложные физические, химические и биоло­ гические процессы, происходящие на поверхности раздела «вода— донные отложения» или вблизи него, могут изменять физическое и химическое состояния НУ Кроме того, связанные со взвешен­ ными частицами НУ под воздействием гидро­ метеорологических факторов могут вновь перейти

—окисление — осаждение.

Вотносительно глубоководных районах при наличии придонных течений повышенная концен­ трация нефти в донных отложениях обусловлива­ ется также повторным суспендированием взве­ шенных частиц, содержащих НУ. В прибрежных и мелководных районах повторное суспендиро­ вание частиц и их осаждение на дно имеют более негативное значение.

Как показали исследования, загрязненность дон­ ных отложений НУ зависит также от ряда других природных факторов, в том числе от сорбционной способности, в свою очередь, обусловленной соста­

вом (механическим, химико-минералогическим) и физическими свойствами донных отложений.

Путем исследований обнаружено, что в различ­ ных районах Каспийского (западное побережье Среднего и Южного Каспия), Балтийского (Риж­ ский залив) и Белого (Онежский и Двинский заливы) морей отмечены высокие концентрации НУ, кото­ рые соответствовали зонам наибольшей седимен­ тации, а низкие, наоборот, — зонам с активным гидродинамическим режимом.

С другой стороны, прослеживается возрастная приуроченность нефтяных загрязнений к современ­ ным осадкам, представленным в исследованных районах различными песками — от гравелистого до пылеватого, супесчаными и глинистыми илами и раковинным детритом.

Наиболее загрязнены нефтью донные отложе­

несомненно, связано с неравномерным объемом поступления НУ в эти моря.

В указанных районах по мере удаления от берега содержание нефти в донных отложениях, как пра­ вило, снижается, однако имеются отдельные участки с более высоким содержанием. К ним относятся депрессионные участки рельефа дна: места скопле­ ния загрязненных веществ и районы свалки грунта. В первом случае это связано с общим направлением сноса осадков на пониженные участки рельефа дна, во втором — с непосредственным сбросом грунтов, содержащих НУ.

Незначительная плотность современных отло­ жений и гидродинамическая активность способст­ вуют загрязнению донных отложений по глубине. При этом в присутствии нефти повышается свя­ занность неуплотненных песков и илов, уменьша­ ются дисперсность и пористость, из-за чего часть донных отложений преобразуется в прослой с вы­ соким содержанием НУ.

Как показали натурные исследования, способ­ ность донных отложений к адсорбции нефти внутри каждого из гранулометрических типов, в свою очередь, обусловлена также их дисперсностью, плотностью и связанностью частиц. Прослежива­ ется заметная связь между гранулометрическим составом донных отложений и содержанием НУ, сорбированных на них (табл. 2.19).

Содержание нефти в донных отложениях умень­ шается от глинистых илов к суглинистым и супес­ чаным и от пылеватых песков к крупным. При этом увеличение содержания НУ в донных отложе­ ниях сочетается с уменьшением их относительной плотности и увеличением дисперсности, несмотря на общую для исследованных осадков значительную пористость и рыхлость.

Причиной повышенных концентраций нефти в мелкодисперсных донных отложениях, несомненно, является то, что они обладают большой сорбционной поверхностью, а следовательно, и способностью к удержанию сорбированных веществ.

Однако в случае нарушения структуры донных отложений либо иного воздействия на условия залегания величины сорбции каждого из грануло­ метрических типов могут значительно изменяться под влиянием гидрометеорологических факторов (волнение, течение), дноуглубительных и гидро­ технических работ, что многократно наблюдалось в естественных условиях.

Высоковязкие структурированные образования («шоколадный мусс» и нефтяные комочки) могут длительное время сохраняться на поверхности воды, переноситься течениями, выбрасываться на берег и оседать на дно. Нефтяные комочки нередко засе­ ляются перифитоном (сине-зеленые и диатомовые водоросли, усоногие рачки и другие беспозвоночные).

Под влиянием абиотических процессов вязкость

Агрегаты представляют собой смесь высокомоле­ кулярных УВ, смол и асфальтенов. Потери нефти на формирование агрегатов составляют 5 -1 0 %.

2.2.7. Биоразложение нефти

Основными реакциями разложения нефти явля­ ются процессы био- и фотохимического окисления.

Биохимическое окисление нефти — это реакции ее разложения путем окисления кислородом воздуха и под воздействием воды, а также путем окис­ ления под действием бактерий, грибов и других микроорганизмов.

Окисление нефти под действием кислорода, наиболее заметное на поверхности воды, происходит

здесь одновременно с фотохимическим окислением.

При ярком солнечном освещении процесс окисле­ ния нефти ускоряется, хотя и при нем идет очень медленно: за день окисляется не более 0,1 % нефтя­ ной пленки. По мере погружения нефти в воду скорость ее разложения замедляется, а при попа­ дании нефти в донные отложения оно полностью прекращается. Таким образом, разлитая в море нефть может существовать длительное время. Скорость процесса окисления зависит также от свойств нефти.

В результате процессов био- и фотохимического окисления нефть разлагается на растворимые ком­ поненты и смолистые вещества, в дальнейшем не поддающиеся практически никаким изменениям. На поверхности смоляных комков формируется слой вязких нефтяных продуктов либо эмульсии, затем образуется защитный слой из более тяжелых компонентов нефти, что приводит к повышению устойчивости смоляного комка к разложению. Остатки нефти в виде смоляных комков встреча­ ются в океане и на побережье, например на пля­ жах. Размеры таких комков колеблются от несколь­ ких миллиметров до нескольких сантиметров. Считается, что до 35 % разлитой нефти превраща­ ется в смоляные комки, образование которых заканчивается спустя примерно 100 дней со вре­ мени разлива.

Биоразложение нефти происходит под влиянием микроорганизмов. В океане найдено около 200 видов бактерий, дрожжей и плесневых грибов, способ­ ных окислять соединения нефти. Установлено, что все классы соединений, присутствующие в нефти, подвержены микробиологическому разложению.

До 100 видов бактерий и грибов способны исполь­ зовать НУ в качестве субстрата для роста и разви­ тия биомассы. Их численность не более 0,1-1 % от численности гетеротрофных бактериальных сооб­ ществ в чистой морской среде и может возрастать до 1-10% в загрязненных нефтью акваториях. Механизм процессов потребления НУ микроорга­ низмами — предмет специальных лабораторных исследований. Способность НУ к биодеградации зависит от их строения. Соединения парафинового ряда (в сравнении с ароматическими и нафтено­ выми НУ) легче потребляются микроорганизмами. Усложнение молекулярной структуры НУ (или уве­ личение числа атомов С и разветвленности их цепей) приводит к тому, что скорость их микробиологи­ ческой деструкции уменьшается. Например, ско­ рость биодеградации антрацена и бензо[я]пирена в десятки и сотни раз ниже, чем бензола. В целом она зависит от степени диспергирования НУ, тем­ пературы среды, содержания биогенных веществ и кислорода, видового состава и численности нефте­ окисляющей микрофлоры. При температуре воды ниже 4 °С нефть практически не разлагается. В нор­ мальных условиях (температура выше 15 °С) ско­ рость разложения не превышает 1-10 мг/м3 в сутки.

Скорость фотохимического окисления обычно не превышает 10-50 % скорости биоразложения.

Исследования показали, что бактериальному разложению в течение года подвергается 50 % первоначального количества кувейтской сырой нефти, 70 % венесуэльской сырой нефти, 30 % арабской сырой нефти. Для полного разложения 1 кг нефти требуется 3,3 кг кислорода. Такое количество кисло­ рода содержится в 400 м3 морской воды; концен­ трация нефти в воде не должна превышать 2,5 мг/л. Приняв среднюю скорость разложения нефти рав­ ной 5 мг/м3 в сутки, получим, что для полной минерализации 1 т нефти потребуется 500 сут и будет израсходован кислород из 400 тыс. м3 морской воды.

Процессы растекания, испарения, диспергиро­ вания, образования эмульсий, а также растворения имеют наибольшее значение на начальной фазе разлива нефти на море. Окисление, осаждение и биологическое разложение важны на следующих этапах и в конечном итоге определяют судьбу разлившейся нефти.

Для понимания того, как разлившаяся нефть будет вести себя с течением времени, необходимо знать, как все эти процессы сочетаются. Разработаны

простые модели, позволяющие прогнозировать поведение разлившихся в море нефти и нефтепро­ дуктов с учетом большого набора происходящих с ними вторичных процессов.

Можно выделить четыре основные группы нефти и нефтепродуктов по их поведению после разлива:

1. Легкие нефтепродукты плотностью <800 кг/м3 (бензин и керосин). В случае разлива в течение нескольких часов от них на поверхности моря практически ничего не останется.

2. Легкая нефть плотностью 800-850 кг/м3 (сорт Абу-Даби). Она исчезнет с поверхности моря через несколько дней.

3. Сорта нефти плотностью 850-950 кг/м3 (боль­ шая часть нефтей Персидского залива, а также нефть Северного моря). Вследствие образования эмульсии объем загрязнения в течение первых суток может увеличиться в несколько раз. Период, в ко­ торый такие нефти исчезают с поверхности моря, длится от нескольких суток до нескольких недель.

4. Тяжелые сорта нефти и нефтепродуктов плотностью >950 кг/м3 (мазут, венесуэльская нефть). Очень устойчивы к разложению, в значительных количествах остаются на поверхности воды в тече­ ние многих месяцев после разлива. При прочих равных условиях именно эти сорта нефти и нефте­ продуктов, скорее всего, могут быть выброшены на берег.

Гидрометеорологические факторы оказывают определяющее влияние на трансформацию и рас­ пределение в морской среде разных НУ. Особенно важна их роль в первые часы нахождения нефти в морской среде, когда в ней присутствуют мало­ вязкие летучие и растворимые фракции и процесс диспергирования НУ проходит наиболее эффективно. Мелкодисперсная фракция НУ в последующем практически не образуется.

Суммарный эффект всех рассмотренных выше процессов заключается в том, что нефть быстро теряет свои первоначальные свойства, разделяется на группы НУ и фракции разных форм, состав и химическая структура которых радикально транс­ формируются, а содержание уменьшается в резуль­ тате рассеяния и разложения вплоть до исчезновения исходных и промежуточных соединений с образо­ ванием С 0 2 и Н20 . В итоге осуществления указан­ ных процессов происходит очищение водной среды от попавших в нее НУ.

В последние 30^10 лет методология прогноза последствий загрязнения морской среды НУ раз­ вивается особенно интенсивно и постоянно со­ вершенствуется. Поэтому часто меняются методы, по которым строятся шкалы пространственновременной изменчивости биотических и абиотиче­ ских характеристик и экспертных оценок экологи­ ческого риска, что затрудняет их практическое применение и сравнительную оценку. Прямой путь решения проблемы — проведение монито­ ринговых наблюдений контактными методами, что требует, однако, больших финансовых затрат. Альтернативной методологией анализа условий загрязнения морской среды (и последствий для экосистемы водоема) может стать математическое моделирование, которое должно включать созда­ ние разнообразных моделей, имитирующих дина­ мику концентраций органогенных веществ и бази­ рующихся на данных локального мониторинга. Важность роли моделирования заключается в воз­ можности исследования взаимодействий и обратных связей, которые определяют условия функциони­ рования морских экосистем.

С помощью математического моделирования, как правило, изучаются условия распространения НУ при аварийных ситуациях (нефтяных разли­ вах): проигрываются различные сценарии как самих нефтяных разливов (постоянные утечки, аварийные разливы и т. д.), так и сопутствующих гидрометеоусловий. Например, для сахалинского шельфа проигрывались ситуации от постоянных утечек 12 720 м3 в течение Ю сут до аварийных разливов нефти (>75 000 м3/сут) в разных районах шельфовой зоны в различные сезоны и при разных погодных условиях. Другой пример моделирования аварийной ситуации в рамках проекта «Сахалин-1» рассмотрен для восточного шельфа Сахалина:

всценарии аварийного разлива нефти учитыва­ лось длительное ее поступление в морскую среду

втечение 3-21 сут с интенсивностью 3400т/сут, отслеживались распространение и протяженность пятна нефти, а также возможность загрязнения нефтью береговой зоны.

Поступившие в морскую среду НУ (преимуще­ ственно в растворенном состоянии или в форме эмульсии) в дальнейшем подвергаются химико­ биологической трансформации или разрушению. Отметим, что при математическом моделировании распространения НУ в морской среде химико­

биологическое их разрушение, как правило, либо вовсе не рассматривалось, либо задавалось упро­ щенно, т. к. вопрос о моделировании условий микробиологической трансформации НУ в водной среде еще практически не разработан. Лишь срав­ нительно недавно этому вопросу стало уделяться должное внимание.

При развитии физико-химических и химико­ биологических процессов в морской среде концен­ трация НУ снижается и происходят качественные изменения их состава, фиксируемые по меняюще­ муся соотношению между разными классами НУ Оценено, что биодеградация нефти по временным масштабам осуществляется за период продолжи­ тельностью от недели до года.

Способность естественной морской среды осу­ ществлять разрушение НУ (иногда этот процесс называют самоочищением) определяется актив­ ностью нефтеокисляющей микрофлоры и ее адап­

наличие и поступление биогенных веществ и НУ, преобладающие течения, интенсивность водо­ обмена с окружающими регионами) играют су­ щественную роль в формировании условий, при которых в естественной морской среде осуществ­ ляется трансформация НУ Этот процесс сопро­ вождается образованием широкого спектра час­ тично окисленных продуктов трансформации НУ (фенолов и кислот).

Самоочищение морской среды от НУ — про­ цесс комплексный, который осущ ествляется при одновременном воздействии физических, хими­ ческих и биологических ф акторов. При этом физические факторы, определяю щ ие преимущ е­ ственно перемещение и преобразование попав­ шей в морскую среду нефти, служат лишь фоном, на котором осуществляется основная деградация НУ в результате их химического или биологиче­ ского окисления. В ряде работ было показано преимущество бактериального окисления НУ над химическим. На ранних стадиях трансфор­ мации нефтяного загрязнения наиболее актив­ ными процессами являются испарение и фото­ химическое окисление нефти. Установлена раз­ ная степень чувствительности НУ к микро­ биологическому воздействию, т. е. выявлена разная предпочитаемость микрофлоры к отдель­ ным классам НУ

При разливах нефти и нефтепродуктов на поверх­ ности воды, покрытой сплошным льдом или пла­ вающими льдинами, они оказываются на поверх­ ности льда, во льду (сорбированы им) и подо льдом. На попадание нефти и нефтепродуктов под лед основное влияние оказывает их плотность. При температуре ~0 °С плотность большинства тяжелых нефтей и нефтепродуктов превышает плотность льда. Разница в плотностях увеличивается по мере деградации нефти и нефтепродуктов. В этом случае лед как бы наползает на нефтепродукты. Легкие нефть и нефтепродукты попадают под него под

15-45 см такие нефть и нефтепродукты легко загоняются по лед.

Подо льдом нефть и нефтепродукты могут сохраняться длительное время. При этом нефте­ продукты имеют тенденцию перемещаться в кар­ маны с нижней стороны льда, а их горизонтальное движение может быть остановлено ледяной грядой (торосами) или килями (стамухами). Если этого не происходит, то нефть и нефтепродукты могут либо дрейфовать вместе со льдом, либо перемещаться относительно льда под действием течения. На скорость перемещения нефти и нефтепродуктов влияют скорость ветра и течения, неровности с нижней стороны льда, его рыхлость, а также их собственные плотность и вязкость. Следовательно, нефтепродукты и лед могут двигаться в разных направлениях, что необходимо учитывать при принятии решений по мерам и методам ЛАРН.

Для перемещения нефти и нефтепродуктов подо льдом требуется повышение определенной скорости течения воды, так называемой «предель­ ной скорости». Для сырой нефти, находящейся подо льдом с шероховатой нижней стороной, пре­ дельная скорость течения воды составляет около 0,3 м/с. Следовательно, при скорости течения ниже 0,3 м/с сырая нефть будет дрейфовать вместе со льдом. Для перемещения дизельного топлива вдоль неровной нижней стороны ледяного поля обычно требуется скорость течения ~0,4 м/с. Для легких сортов нефти при ровной нижней стороне ледяного покрова предельная скорость составляет около 0,035 м/с.

Рыхлость и неровность нижней стороны льда обусловлены наличием снежного покрова и его толщиной. При его неравномерном распределении и различной толщине слоя изолирующее влияние снега также неравномерно, что приводит к раз­ личному наращиванию толщины льда. Такие неровности на нижней стороне льда служат по­ лостями для накопления нефти и нефтепродуктов подо льдом, которые в процессе намерзания льда оказываются в его толще, где могут находиться до полного таяния. Способность проникновения зависит от плотности и вязкости нефти и нефте­ продуктов, а также от размеров пор и каналов, образовавшихся во льду в результате его нарас­ тания и таяния.

Особенности поведения нефти и нефтепродук­ тов во льдах:

•сцепление свежеразлитых нефти и нефтепро­ дуктов как с битым льдом, так и со сплошным очень слабое и неустойчивое. Нефтепродукты в первые дни после разлива легко смываются струями воды с поверхности льда, но уже через несколько суток удалить их очень тяжело;

•налипание нефти и нефтепродуктов на рых­ лую нижнюю сторону льда обычно происходит более интенсивно, чем на твердую и гладкую. Основная часть разлитых нефти и нефтепродуктов находится в воде или в снежно-ледяной каше. Лед предотвращает распространение нефтепродуктов на большие площади.

На поверхность льда нефть и нефтепродукты попадают либо непосредственно из источника разлива, либо проникают через поры и трещины рыхлого льда, либо выбрасываются на лед при раскачивании льдин относительно друг друга во время волнения. Процесс налипания резко про­ грессирует при наличии на поверхности льда снежного покрова, с которым нефть и нефтепро­ дукты образуют вязкую кашу, значительно ослож­ няющую процесс очистки и сбора.

С нижней стороны льда происходит процесс образования нового льда, благодаря которому нефть

инефтепродукты могут вмерзать в ледяное поле. По мере таяния льда в верхнем слое и при про­ должении формирования его в нижнем слое они будут продвигаться вверх и в конце концов выйдут

на поверхность. Это происходит в основном через разломы и рассолы во льду. Если в ледяном поле имеются разломы, такие как жила или про­ рубь, нефть выходит на открытую воду и может выплеснуться на поверхность льда. На ломаных льдах, если ничто не препятствует горизонтальному движению с нижней стороны льда, нефть и нефте­ продукты стремятся собираться в жилах. При замо­ розках на нижней стороне пятна может формиро­ ваться новый лед.

В период оттепели нефть и нефтепродукты, находящиеся на поверхности льда, проникают внутрь в силу того, что температура нефтепродук­ тов, находящихся под воздействием солнечных лучей, выше температуры льда и окружающего воздуха. При последующем понижении темпера­ туры подтаявший снег и лед образуют ледовую корку поверх нефти и нефтепродуктов, проникших в лед. При чередовании таких периодов образуется как бы слоеный пласт льда и нефтепродуктов. При торошении таких льдов нефть и нефтепродукты задерживаются среди их обломков и снега, сохра­ няясь до таяния льдин.

2.3.1. Модели растекания нефти в ледовых условиях

Закономерности распространения нефти подо льдом до конца не изучены. Одной из основных трудностей является определение местонахождения

ния нефти под ледяным покровом.

Уравнение распространения нефти получено, исходя из баланса движущих сил и сил сопротив­ ления как по льду, так и подо льдом:

где /•„„ — радиус нефтяного пятна; Q — объем нефти, поступающий в пятно в единицу времени (расход нефти); И' — половина среднеквадратиче­ ского приближения к высоте шероховатости ледо­ вого покрова; 0,25 — экспериментально опреде­ ленный коэффициент; g — ускорение свободного падения; Д — разница в удельном весе нефти и воды (для нефти, распространяющейся сверху ледяного покрова, Д = 1).

1. С использованием условия равновесия между силами плавучести (Архимеда) и вязкости получены два уравнения распространения нефти под ледя­ ным покровом: в первом предполагается, что слой нефти находится в контакте с нижней стороной льда, а во втором принимается, что между нефтью и льдом существует слой воды:

0,2

f Ф Bg Q 2 Л Г0.6.

где с — коэффициент; р„ — плотность воды; г|в — динамическая вязкость воды; цн — динамическая вязкость нефти.

Растекание нефти подо льдом аналогично ее растеканию на открытой воде; оно имеет три фазы (стадии):

•гравитационно-инерционную;

•гравитационно-вязкостную;

•фазу, при которой силы вязкости уравновеши­ ваются силами поверхностного натяжения.

Отмечено, что фаза поверхностного натяже­ ния— вязкости существует при разливе на откры­ той воде и отсутствует при растекании под ледя­ ным покровом. На следующей стадии растекания, когда пятно становится достаточно тонким, сила поверхностного натяжения начинает замедлять распространение, поэтому, возможно, растекание нефти заканчивается при достижении равенства сил плавучести и поверхностного натяжения.

Первая фаза длится около 1 ч, в течение кото­ рого подо льдом образуются нефтяные пятна. Во второй фазе происходит распространение (диспер­ сия) нефти под действием течений. В третьей фазе продолжается дисперсия нефти и проявляется трансформация нефтяных соединений под влияни­ ем биохимических и биологических процессов. Хольт, исследовав поведение нефтяного разлива под морским льдом, установил только одну фазу, соответствующую гравитационно-инерционному режиму. Он также экспериментально определил, что при отсутствии течения нефть прилипает к ледя­ ному покрову, если возможно сохранить тепловое равновесие. А.И. Альхименко считает, что нефть подо льдом существует в виде капель различных размеров, а не в виде сплошной пленки.