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

При гравитационно-инерционной фазе растекания, когда пятно достаточно толстое, распространение нефти происходит под действием сил плавучести и инерционного сопротивления и описывается уравнением

,Рн

где рв — плотность воды; рн — плотность нефти; т — время.

Уравнения распространения нефти подо льдом при растекании в гравитационно-вязкостной фазе были получены с использованием классических уравнений Навье — Стокса. Уравнения скорости распространения при постоянном поступлении нефти и ее постоянном объеме имеют вид:

Рн

где к \и к2— безразмерные константы.

В этих уравнениях не учитывается шерохова­ тость льда в. Относительную шероховатость можно определить через среднюю высоту шероховатости льда 8 и среднюю толщину нефтяного пятна Л. Так как профиль скорости в нефтяном пятне меняется

взависимости от А/е, можно предположить, что к\

ик2зависят от этого параметра.

Время перехода от гравитационно-инерционной фазы к гравитационно-вязкостной можно получить, приравнивая эти уравнения:

где |1н — кинематическая вязкость нефти. Подстановка реальных значений 0 , рн, рв, рн

показывает, что в лаборатории т исчисляется долями секунды, а в полевых условиях — секундами. Для

последнего выражения требуется эксперименталь­ ное подтверждение того, что постоянная интегри­ рования равна нулю. Следует также отметить, что если форма уравнений верна, то теоретически k\ = к2.

При чрезвычайно больших значениях Q грави­ тационно-инерционная фаза может длиться гораздо дольше. При этом поведение нефти в естествен­ ных условиях будет значительно отличаться от рассмотренного.

Через некоторое время после разлива пятно прекращает растекаться в результате установления баланса сил плавучести (тяжести) и поверхностного натяжения. Тогда радиус пятна нефти определяется уравнением

где ук.н.п — конечный радиус пятна; V = nR2h — общий объем разлитой нефти; А3 — коэффициент, который нужно определять экспериментально.

Полученные уравнения не применяются при раз­ ливах в торосистых ледяных полях и при наличии морских течений.

При высокой сплоченности льда (>50 %) нефть распространяется между плавучими льдинами. Существует целый ряд моделей распространения нефти в зависимости от сплоченности льда, осно­ ванных главным образом на результатах полевых экспериментов у восточного побережья Канады.

В условиях битого льда нефть распространя­ ется в меньшей степени и нефтяная пленка толще, чем при разливах в свободных ото льда водах. При сплоченности льда 6-7 баллов льдины соприкаса­ ются друг с другом и существенно ограничивают распространение нефти. Когда сплоченность льда уменьшается, площадь распространения нефти увеличивается. Свободно дрейфующие льды (при сплоченности <3 баллов) не влияют на площадь нефтяного пятна.

В разводьях нефть нагоняется к кромке льда

снаветренной стороны, где она скапливается вместе

сшугой. Небольшое количество нефти может смешаться с ней. Это характерно для тяжелой, вязкой нефти. Большая часть нефти оказывается на поверхности смерзающейся шуги и вновь обра­ зующегося ледяного покрова. В дальнейшем эта захваченная льдом нефть засыпается снегом.

Под сплош ны м ледяны м покровом даже крупные разливы сырой нефти (тысячи кубических метров), как правило, удерживаются в пределах сотен метров от источника разлива в зависимости от подледных течений и шероховатости льда. Естественные колебания толщины однолетнего льда приводят к образованию огромных естественных «резервуаров», которые надежно удерживают раз­ литую подо льдом нефть в пределах небольшой площади. По результатам обследования припая вдоль Северного склона Аляски, емкость таких подледных резервуаров в конце зимнего периода (апрель) оценивалась до 60 тыс. м3 на 1 км2 пло­ щади ледяного покрова. В начале зимы, при более ровной нижней поверхности льда, расчетная емкость составляет около половины этой величины. Для субарктических регионов, где чаще происходят снегопады, характерна большая изменчивость толщины льда в начале сезона. По нашим оценкам, величина аккумуляции нефти ледяным покровом может составлять от 2,5 до 50 т/км2

Путем экспериментов в холодильной камере бьшо определено, что показатель степени у времени равен 0,25, что не согласуется со значениями в по­ лученных уравнениях (2.46)-(2.48). Это объясня­ ется различием теоретических допущений и усло­ вий экспериментов, которые заключаются в сле­ дующем. Нефть вводилась под ледяной покров на 30 см ниже границы раздела лед— вода. Кроме того, заливавшаяся нефть имела более высокую температуру, чем температура воды. Эти факторы не учитывались в разработанной теории. К сожа­ лению, сложно учесть влияние кинетической энер­ гии выливающейся нефти, которая погружается на значительную глубину и эмульгирует. Повышен­ ная температура нефти изменяла ее вязкость. Не было также учтено влияние шероховатости ледя­ ного покрова на скорость распространения нефти подо льдом.

Моделирование процесса растекания нефти в ледо­ вых условиях можно проводить также следующим образом.

Предположим, что разлив нефти в море про­ изошел при наличии ледяного покрова, характери­ зуемого сплоченностью С и толщиной слоя льда И„ а также другими величинами для его более детального описания. Предположим также, что независимо от величины сплоченности лед разло­ ман на отдельные плавающие льдины с характерной

площадью Af. Если лед сплошной, то, естественно, разлив нефти на открытую воду невозможен. Здесь рассматриваются только процессы переноса (адвек­ ции) и растекания нефтяных разливов при наличии разломанного льда. Процессы выветривания не рас­ сматриваются, т. к. они могут быть учтены анало­ гично случаю с открытой водой.

Анализ данных наблюдений показывает, что нефть и лед часто перемещаются вместе при спло­ ченности льда, превышающей некоторое критиче­ ское значение. При меньшей сплоченности льда нефть движется почти так же, как при разливе на открытой воде. Это позволяет предложить, напри­ мер, следующую формулу для средней скорости движения нефтяного слика v0:

f(0 ,8 -C )v w+Cv(, С <0,8,

где v„, — скорость переноса нефти в открытой воде; v, — скорость переноса льда. Предполагается, что эти величины известны.

С учетом того, что между результатами моде­ лирования и данными натурных и лабораторных наблюдений существуют довольно значительные расхождения, при моделировании следует использо­ вать некоторые эмпирические соотношения и зако­ номерности.

Площадь распространения разлива F вычисляется следующим образом при малых концентрациях льда (С < 0,3):

А Г 1 -С )

где VHр — полный объем разлива нефти; hB— равно­ весная толщина слоя нефти в холодной воде, мм: hB= 0,08р„ (р„ — вязкость нефти).

При средних сплоченностях льда (0,3 < С < 0,8) часть нефти (объем VHi) «забивается» под лед:

где Тш = 0,02 [И, — объем нефти, который может удержаться подо льдом толщиной А,.

Другая часть нефти осаждается на поверхности тающего или ломающегося льда. Объем этой нефти

где Ts = 0,0031 ц„ — равновесная толщина пленки нефти на льду, мм; Fs — площадь такого льда (варьируемый параметр).

Оставшийся объем нефти

доступен для растекания по чистой поверхности моря. В этом случае площадь разлива:

Л .0 -С )

При высокой сплоченности льда ситуация несколько усложняется. Плотно лежащие льдины не позволяют нефти свободно растекаться. В про­ межутках между ними толщина слоя нефти hHиз гидростатических соображений составляет:

(2.57)

£ L А ,(1 -С )+ (0 ,0 1 6 7 -8 ,5 • 10"5(р , - р н)) • С Ри

(2.63) Результаты небольшого количества измерений в ходе канадско-американской экспедиции позво­

лили оценить потенциальные возможности ледя­ ного покрова в накоплении нефти в углублениях (нишах) с нижней стороны льда при аварийных разливах следующим образом:

(2.64)

где V — объем нефтепродуктов; / — средняя ста­ тистическая протяженность углублений; а%b — размеры загрязненного участка; йв — средняя ста­ тистическая толщина слоя нефтепродуктов. Нетрудно заметить, что при a, b » 1

“рв - рн ' (лед плавает в нефти).

Обозначим через h толщину слоя нефти подо льдом (т. е. при р„ > р) или на льду (т. е. при р„ < р). Тогда полный объем разлитой нефти будет:

а объем нефти между льдинами:

Площадь разлива определяется формулой

Запишем эту формулу в виде

и радиус загрязненного участка /•„„ составляет

Сравнение результатов расчетов по формулам с данными по определению потенциальных воз­ можностей накопления нефти подо льдом путем радиолокационного профилирования, получен­ ными канадскими исследователями в море Бофорта, показало, что расхождение результатов не превы­ шает 10 %.

Зависимость между объемом разлившейся нефти и площадью растекания можно в общем виде выра­ зить следующим соотношением:

где и — скорость течения.

ФункцияДм, 5) представляет собой критическую величину шероховатости нижней кромки льда, при которой прекращается перемещение нефтепродуктов подо льдом.

По данным натурных и лабораторных экспери­ ментов В.В. Измайловым была разработана теоре­ тическая модель движения линз нефти подо льдом

исделаны следующие выводы:

•при скорости течения подо льдом <5 см/с дви­ жение линз нефти относительно льда не происходит;

•при скорости течения от 5 до 16 см/с наблю­ дается перемещение линз нефти вдоль нижней кромки льда под воздействием сдвигового потока вблизи шероховатой поверхности льда;

•при скорости подледного течения >16 см/с происходит постепенный отрыв капель или линз нефти от нижней кромки льда под воздействием турбулентных возмущений потока. В результате нефтепродукты рассеиваются в толще воды.

Зависимость пороговой скорости перемещения нефтепродуктов подо льдом v0 от скорости течения V/ выражается формулой

Средняя толщина нефтяного слоя подо льдом может изменяться от нескольких сантиметров при разливах в начале зимы до десятков сантиметров при подледных разливах нефти в апреле, когда увеличение толщины льда прекращается.

Нефть, разлитая на поверхность льда, распро­ страняется гораздо медленнее и на меньшей пло­ щади, чем при разливе в воде, т. е. толщина нефтяного пятна на льду гораздо больше толщины нефтяной пленки такого же объема в воде. Распро­ странение нефти на поверхности льда сходно с ее распространением на земле. Скорость распростра­ нения определяется плотностью и вязкостью нефти, а окончательная площадь загрязнения зависит от шероховатости поверхности льда.

Так, проведенные натурные разливы нефти (нефть месторождения Одопту, о-в Сахалин) объ­ емом 5 л на льду залива Чайво показали, что через 5 мин после разлива пятно нефти принимает форму эллипса площадью 0,85 м2 В дальнейшем, при сохранении видимой границы этой линзы, проис­ ходит увеличение площади смоченной нефтью поверхности льда вокруг этой линзы; через 100 ч она составляла 1,73 м2 Кроме того, наблюдения

показали, что по мере впитывания нефти в лед в течение 2 ч со скоростью 20 мм/ч под пленкой нефти обнаруживается вода, и нефть перестает впитываться. Следовательно, скорость растекания зависит не только от гидродинамических факто­ ров, но и от физико-химического взаимодействия твердой и жидкой фаз.

Наблюдения позволяют объяснить кинетику растекания нефти по льду диффузионными про­ цессами, в частности процессом поверхностной диффузии. Этот процесс приводит к тому, что отдельные молекулы нефти опережают макроско­ пическую границу линии смачивания и адсорби­ руются на поверхности лед—воздух; в результате поверхностное натяжение нефти на границе со льдом снижается и соответственно уменьшается движущая сила растекания.

Для снижения силы растекания достаточно, чтобы адсорбция молекул жидкости прошла в непосред­ ственной близости от линии смачивания, поэтому поверхностная диффузия может влиять на расте­ кание и более эффективно, чем перенос молекул жидкости через газовую фазу. Удельная адсорбция тем больше, чем больше отношение скоростей поверхностной диффузии и растекания, поэтому при уменьшении скорости растекания, как мы наблюдали, резко возрастает коэффициент поверх­ ностной диффузии и нефть по льду распространя­ ется не путем течения фазового слоя, а по механизму поверхностной диффузии. Такая смена механизмов растекания наблюдается, например, при контакте жидкого галлия с серебром.

lgr

Рис. 2.15. Кинетика растекания нефти по поверхности морского льда при различных объемах разлива:

1— 5 л; 2 — 2 л; 2 — 1л

Образование пленки воды на границе лед— нефть в процессе растекания нефти вызывается работой теплоты смачивания, которая выделяется при смачивании единицы поверхности твердого тела и равна разности между теплотой адсорбции и теплотой испарения нефти на льду. Экспери­ менты показывают, что после образования водяной пленки начинается процесс впитывания пятна нефти в лед с усредненной скоростью 4,0-4,5 см/сут в течение 4 сут.

Любой разлив нефти на поверхности неровного льда может быть полностью локализован при нефтя­ ном пятне с большой толщиной. Как правило, лед покрыт слоем снега, который будет впитывать разлитую нефть, задерживая ее дальнейшее рас­ пространение. Кинетика растекания нефти на поверхности морского льда показана на рис. 2.15. Нефть, разлитая на плотный снег, пройдет до слоя льда, а потом постепенно будет распространяться под снежным покровом.

При попадании нефти под сплошной ледяной покров нарастающий лед полностью инкапсулиру­ ет нефтяной слой в течение 18-72 ч, в зависимости от времени года. Нефть, разлитая под лед в Арк­ тике после мая или в субарктических регионах после апреля, может оказаться не инкапсулиро­ ванной из-за недостаточного роста нового льда перед началом сезона таяния. Инкапсуляция раз­ литой нефти под нарастающим льдом прекращает все процессы атмосферного воздействия на нее.

После распространения нефти на льду, подо льдом и инкапсуляции последующее перемещение нефтяного пятна почти полностью определяется

траекторией дрейфа ледяного поля, а нефтесодер­ жащий лед является потенциальным загрязнителем морской среды в зоне таяния.

2.3.2. Испарение нефти в ледовых условиях

ность льда. На скорость испарения нефтяной пленки влияют скорость ветра, толщина самой пленки и температура окружающей среды. Скорость испа­ рения нефти на льду, в разводьях и среди мелко­ битого льда обычно ниже, чем на свободном ото льда водном пространстве. Это связано с тем, что в ледовой обстановке температура воздуха и воды ниже, а толщина нефтяных пятен больше, чем на воде, не занятой льдом.

Потери объема из-за испарения за первые 48 ч после разлива могут составлять от 16 до 30% в зависимости от состава нефти. В конечном итоге количество нефтепродуктов, попадающих в атмо­ сферу при трансформации нефтяных загрязнений, может достигать 60-70 % от первоначального объема разлива.

На рис. 2.16 показано, как ведут себя различные нефти при пониженных температурах Присут­ ствие снежного покрова ограничивает скорость испарения нефти. На последней стадии испаре­ ние нефти на льду и на воде среди льда достигнет такой же степени, что и при разливе на чистой воде. На рис. 2.17 и 2.18 представлены изменения, происходящие с нефтью в результате испарения легких фракций.

2.3.3. Диспергирование и эмульгирование нефти в ледовых условиях

Диспергирование — это процесс рассеивания мелких нефтяных глобул волнами в толще воды. Скорость диспергирования зависит от состояния моря, вязкости нефти, сил межфазного натяжения и эмульгируемости нефти. Образование и стаби­ лизация нефтяной эмульсии на границе раздела нефть— вода обычно останавливает дисперсию нефтяной пленки.

При диспергировании сырой нефти в морской воде образуются водонефтяные эмульсии типа нефть-в-воде или вода-в-нефти. Стойкие эмульсии типа вода-в-нефти образуют на поверхности воды так называемый «шоколадный мусс». Асфальто­ смолистые компоненты и парафин выполняют в этом процессе роль эмульгаторов и стабилизируют образованную эмульсию.

Процессы эмульгирования нефтей вряд ли пре­ валируют в ледовых условиях, за исключением обращенной к морю кромки ледяного поля. Ветро­ вые волны очень быстро ослабляются полем мел­ кобитого льда. В лаборатории наблюдалось эмуль­ гирование нефти в ледяном сале и блинчатом льду, когда моделируемое ледяное поле подверга­ лось воздействию волн, но оно не проявлялось в какой-либо значительной степени в полевых экс­ периментах или при аварийных разливах нефти, за исключением случаев, когда поле льда рассеива­ лось и подвергалось воздействию ветровых волн.

При разливе нефти в замерзающих морях суще­ ственное воздействие на нее оказывают также низ­ кие температуры воздуха и воды. Исследовалось эмульгирование сырой нефти при низкой темпера­ туре. Эксперименты проводились с иранской па­ рафиновой нефтью, которая принималась в каче­ стве аналога сахалинских нефтей, и соленой водой при разных температурах и соотношениях между компонентами смеси. В результате была опреде­ лена зависимость между содержанием воды в эмульсии и ее вязкостью при низких температу­ рах.

Для образования эмульсии 60-220 мл сырой нефти в течение 40 с перемешивали в смесителе с соленой водой, которая по объему в 2~А раза пре­ вышала объем нефти. Соленость воды составляла 30 %о, а температура нефти и рассола менялась от -5 до +17 °С для каждого соотношения между нефтью и рассолом. После смешивания измеря­ лись вязкость, плотность и температура образо­ ванной эмульсии. Кинематическая вязкость эмульсии составляла порядка 102—104 мм2/с. Экс­ периментальная зависимость кинематический вяз­ кости от содержания воды определяется по выра­ жению

где ц — коэффициент кинематической вязкости эмульсии, мм2/с; / — содержание воды, доли.

Как показывает практика, разливы, утечки нефти и нефтепродуктов неизбежны при их добыче, переработке и транспортировке. Особую опасность представляют аварии на нефтепроводах. В отличие от локально расположенных предприятий принять меры по защите окружающей среды на всей про­ тяженности нефтепроводов, составляющей многие тысячи километров, практически невозможно.

Нефть, попадая в почву и грунты, вызывает необратимые изменения, связанные с их битуми­ низацией, гудронизацией, цементацией, загрязне­ нием и т. д. В результате нарушения почвенного

покрова и растительности усиливаются нежелатель­ ные процессы: эрозия почв, деградация, криогенез. Происходит изменение фильтрационных и физико­ механических свойств грунтов.

В почвах нефть и нефтепродукты находятся

восновном в следующих формах:

•в пористой среде — в парообразном и жид­ ком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворенной водной или водно-эмульсионной фазе;

•в пористой среде и трещинах — в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твердого цемента между частицами и агрегатами

почвы, в сорбированном состоянии на частицах горной породы или почвы (в том числе на частицах органических веществ);

• в поверхностном слое почвы или грунта — в виде плотной органо-минеральной пленки.

Как свободные, так и малоподвижные связан­ ные формы нефтепродуктов относительно быстро отдают летучие фракции в атмосферу, а растворимые соединения — в воду.

Все вещества, входящие в состав нефти и нефте­ продуктов, являются токсичными. Пропитывание нефтью почвенной массы приводит к изменениям химического состава, свойств и структуры почв. Прежде всего это сказывается на гумусовом гори­ зонте: количество углерода в нем резко увеличи­ вается, но ухудшается свойство почв как пита­ тельного субстрата для растений. Гидрофобные частицы нефти затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологиче­ ским изменениям последних. Продукты трансфор­ мации нефти изменяют состав почвенного гумуса. На первых стадиях загрязнения это относится в основном к липидным и кислотным компонентам, на последующих увеличивается содержание нерас­ творимого гумина. В почвенном профиле возможны изменение окислительно-восстановительных усло­ вий, увеличение подвижности гумусовых компо­ нентов и ряда микроэлементов.

Фильтрация нефтепродуктов в почву создает хро­ матографический эффект, приводящий к ее диффе­ ренциации: в гумусо-аккумулятивных горизонтах сорбируются высокомолекулярные компоненты, содержащие смолисто-асфальтеновые и цикличе­ ские соединения, а легкие УВ проникают в нижние минеральные горизонты. В анаэробной обстановке они могут сохраняться длительное время. Почвен­ ные горизонты при этом выступают как геохими­ ческие барьеры. Кроме того, опасность загрязнения и возможность самоочищения почв от продуктов нефтедобычи в отдельных ландшафтных зонах и областях России существенно отличаются. Опас­ ность остаточного накопления нефтепродуктов в почвах возрастает с юга на север, а в пределах отдельных биоклиматических зон и провинций — от песчаных почв к суглинистым и глинистым.

Нефтяное загрязнение, обусловленное аварией, отличается от многих других техногенных воздей­ ствий тем, что оно дает не постепенную, а, как правило, залповую нагрузку на среду, вызывая быструю ответную реакцию.

В результате исследования самоочищающей способности почв установлено, что тяжелые фрак­ ции нефтепродуктов в почве являются стойкими

имало подвергаются деструктивным изменениям. Основные процессы, происходящие с нефтью

инефтепродуктами после их попадания на грунт:

•растекание по поверхности грунта;

•испарение легких фракций УВ в атмосферу (для относительно точного учета количества испа­ рившихся в атмосферу УВ можно использовать зависимости, представленные выше);

•сорбция нефти в глубь грунта (необходимо учитывать при определении площади распростра­ нения нефти и нефтепродуктов по поверхности).

Врезультате утечек и аварийных разрывов нефте- и конденсатопроводов в почву и грунты может попадать достаточно большое количество жидких углеводородных смесей. Прогноз возмож­ ного распространения нефтяного загрязнения и влия­ ние загрязнителей на природную среду, биологи­ ческие ресурсы и социальную сферу приобретает важное значение.

2.4.1. Физико-математический метод расчета линейных размеров и площади зеркала аварийных разливов нефти

При аварии на трубопроводе

Растекание горючих жидкостей зависит от рас­ хода, продолжительности истечения, вязкости и т. п. Характерный размер растекания горючих жидко­ стей Lp на стандартной поверхности выражается произведением степенных функций критерия Гали­ лея и критерия гомохронности:

где / — определяющий размер; А — постоянная

g l3

величина; Ga = —------- критерий Галилея (g — уско-

М

рение свободного падения; ц — кинематическая

gx2

вязкость жидкости); Но = — ------ преобразованный

критерий гомохронности (т — продолжительность истечения); т и п — показатели степени, учиты­ вающие условия растекания нефти.

Для оценки размера зеркала разлива (пятна) нефти на подстилающей поверхности при 103< < Ga < 6 • Ю7 и 1,5 • 103 < Но < 4 • 108 и при непрерыв­ ном истечении используется следующее уравнение:

где Кап — коэффициент влияния структуры поверх­ ности на растекание огнеопасных жидкостей; Q — массовый расход жидкости через аварийное отвер­ стие; р„ — плотность нефти.

Форму площади растекания потока жидкости, необходимую для определения границ зоны раз­ лива на прилегающей к нефтепроводу территории, определяли, исходя из следующих соображений. Для неограниченных территорий с уклоном рельефа местности до 1 % площадь растекания определя­ ется площадью приведенного круга с радиусом Lp (коэффициент отношения осей эллипса равен 1). Для неограниченных территорий с уклоном от 1 до 3 % площадь растекания соответствует площади эллипса с отношением длины большой оси х к длине малой у в пределах 1,5-3,5 (исходя из условия равенства площадей приведенного круга радиусом Lp и эллипса с осями х и у). Точка разгерметизации трубопровода расположена в одном из фокусов эллипса, а вектор потока жидкости направлен в сторону уклона местности по большой оси. Для неограниченных территорий с уклоном более 3 % площадь разлива соответствует площади вытяну­ того эллипса с отношением осей в пределах 3,5-5. Для территорий, ограниченных относительно про­ дольной оси прокладки трубопровода естественными или искусственными боковыми препятствиями для растекания жидкости (при х/у > 5), малая ось эллипса определяется реальным расстоянием между данными препятствиями. При этом большая ось эллипса рассчитывается по величине малой оси и величине ожидаемой площади разлива нефти Sv=J{LP) с учетом продолжительности истечения, вязкости, расхода вытекающей при аварии нефти, а также условий растекания и структуры подстилающей поверхности.

Скорость гравитационного растекания «цилиндри­ ческого» слоя жидкости определяется из уравнения материального баланса

где G P(T ) — интенсивность аварийного истечения; S'P(T) — текущая поверхность разлития; р — плот­ ность жидкости; Апл(т) и Amin — текущая и мини­ мальная (по условиям «сплошности») толщина пленки; т — время гравитационного растекания жидкости; Lp — максимальный линейный размер поверхности разлития.

При аварии в резервуарных парках

При оценке количества опасного вещества, уча­ ствующего в аварии в резервуарных парках, рас­ сматривались случаи квазимгновенного раскрытия резервуара с полным выбросом содержимого в окружающую среду. На уровне инженерной оценки времени растекания горящей нефти будем исходить из предположения, что «цилиндрический» слой жидкости, образовавшийся в результате квази­ мгновенного разрушения резервуара, растекается под действием только гравитационных сил.

Запишем уравнение материального баланса для скорости гравитационного растекания «цилиндри­ ческого» слоя жидкости:

слоя жидкости; Апл(т) и Amin — текущая и мини­ мальная толщина слоя жидкости.

Текущая толщина слоя hm(x) для данного объема растекающейся жидкости зависит от массы веще­ ства, участвующего в аварии, его плотности при заданной температуре, текущего значения площади зеркала разлива и определяется выражением

где Q — масса вещества, участвующего в аварии; р — плотность вещества; Я/ — текущее значение радиуса зеркала разлива в /-й момент времени.

Учитывая вышесказанное, запишем дифферен­ циальное уравнение первого порядка

Решая дифференциальное уравнение, определим время добегания жидкости (тр) до точки, располо­ женной на расстоянии R, от аварийного резервуара:

где R — максимальный радиус зеркала разлива при полном растекании мазута по подстилающей поверхности до минимальной толщины слоя жид­ кости; г — радиус аварийного резервуара.

Процессы миграции и рассеяния УВ в грунтах определяются их свойствами и параметрами среды. Жидкие УВ, фильтрующиеся с поверхности земли, могут вступать в физико-химическое, химическое и биологическое взаимодействие с системой почва— вода— воздух. Следствием этих процессов может быть изменение фазового состояния и хими­ ческого состава углеводородных смесей.

В процессе проникновения жидких УВ в почву происходит их сорбция на стенках пор, причем сорбируются преимущественно полярные компо­ ненты (нафтеновые кислоты, смолы, асфальтены). Способность к сорбции УВ понижается в ряду олефины— ароматические У В— циклопарафины—

— парафины. Способность УВ связываться с поч­ вой зависит также от поверхностных свойств породы, прежде всего от капиллярных сил. Коли­ чество сорбированного вещества зависит от струк­ туры, состава грунта и его влажности. Чем выше водонасыщенность грунтов, тем ниже их способ­ ность сорбировать углеводородные соединения.

Под действием химического окисления и био­ генного разложения может происходить разрушение нефтепродуктов в почве. Вклад процессов хими­ ческого окисления в разрушение УВ для поверх­ ностных и подземных вод различен. В условиях свободного доступа кислорода под влиянием фотохимического действия света деградация УВ

может протекать в результате автокаталитических процессов по механизму цепных свободноради­ кальных реакций.

Попадая на поверхность земли, жидкие УВ начинаю т просачиваться по порам и трещинам пород зоны аэрации, где преобладает движение в вертикальном направлении. Когда нефтепродукты встречают на своем пути менее проницаемый слой или достигают уровня грунтовых вод, происходит их накопление и растекание в горизонтальном направлении.

Процесс проникновения в почву слоя жидких УВ, разлитых на поверхности земли, относится к плохо изученным нелинейным задачам фильтра­ ции с неполным насыщением. Наиболее простой вариант такого класса задач изучается в гидро­ геологии в связи с вопросами орошения и полива (влагоперенос в почве). Процессы инфильтрации УВ теоретически почти не исследовались. Эти задачи являются существенно более сложными по ряду причин. Прежде всего потому, что сама почва представляет собой трехфазную систему: твердые частицы, вода и воздух с парами воды. Почва содержит поры различных порядков крупности, причем системы «капиллярных» пор обеспечивают их водоудерживающую способность, а «некапил­ лярные» определяют быстрое просачивание флюида в почву. И в такую сложную систему погружается углеводородная смесь, имеющая промежуточную смачиваемость по отношению к воздуху и воде. Другой принципиальной трудностью является недостаток эмпирического материала, необходимого для расчетов.

Вкачестве первого приближения к реальному процессу можно рассматривать модель капиллярно­ гравитационного впитывания УВ в почву.

Вмомент времени т = 0 на поверхность земли попадает слой однородной ньютоновской жидко­ сти толщиной И0. Предполагается, что почва — это изотропная, недеформируемая пористая среда, первоначально насыщенная только воздухом либо воздухом и остаточной водой, содержащейся в виде неподвижных капелек и пленок. Снизу почва под­ пирается грунтовыми водами. Над их поверхностью существует капиллярная кайма, обусловленная капиллярным поднятием воды и почти непрони­ цаемая для углеводородных жидкостей. Поэтому за нижнюю границу зоны аэрации, на которой ста­ вится граничное условие, можно принять глубину