ГИС- модели для анализа последствий аварийных разливов нефти

А.Ф. Атнабаев, Р.Н. Бахтизин, Р.З. Нагаев, О.А. Ефремова, С.В. Павлов, Г.М. Сайфутдинова,

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет (УГАТУ), Уфа, Башкортостан, Россия.

Тел.: 8(3472) 737876, 730672; 8(3472) 73-77-33,
E-mail: psvgis@mail.ru

Одним из часто встречающихся видов техногенных чрезвычайных ситуаций на территории России являются разливы нефти при авариях на нефтепроводах. Это обусловлено наличием большого количества нефтепроводов: магистральных, промысловых, внутризаводских, причем многие построены 30-40 лет назад и сильно изношены. Аварийный разлив может произойти в любой точке линейной части нефтепровода, нефть растечется по суше и затем, в силу особенностей рельефа, может попасть в реки. Последствия небольших разливов нефти обычно ликвидируются силами предприятий, либо разлившаяся нефть разлагается естественным путем. Большие разливы нефти привлекают внимание общественности и, как правило, требуют принятия срочных мер со стороны органов государственной власти.

Авторы данной статьи давно изучают проблему аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, некоторые результаты наших исследований были представлены в ArcReview [1]. Сейчас мы перешли к очередному этапу по разработке новых и совершенствованию существующих геоинформационных моделей с целью анализа возможных последствий от аварийных разливов нефти для населения и прилегающих территорий.

Заранее предугадать точное место, время и масштабы разливов нефти невозможно. Однако, в целях обеспечения эффективности мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов, защиты населения и окружающей природной среды от их вредного воздействия Правительством Российской Федерации был разработан и утвержден комплекс нормативных документов [2, 3, 4, 5], регламентирующий деятельность всех предприятий, осуществляющих добычу, транспортировку, переработку и реализацию нефти и нефтепродуктов.

В число таких мероприятий входит обязательная разработка предприятиями планов по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (ПЛАРН). Для планирования действий по предотвращению и ликвидации возможных аварийных разливов необходимо уметь прогнозировать их последствия: возможные маршруты (пути) стекания и места скопления нефти, воздействие нефти на природные объекты (реки, озера, леса и др.) и население (колодцы с питьевой водой, пастбища, сельскохозяйственные угодья и др.).

Поскольку основной целью разработки ПЛАРН является защита населения и окружающей среды от вредного воздействия разлившейся нефти и нефтепродуктов, «Правилами организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской федерации», утвержденными постановлением Правительства РФ от 15.04.2002г. №240 [3], предусмотрено прогнозирование последствий разливов нефти и обусловленных ими вторичных чрезвычайных ситуаций. Основные объекты [6], на которые могут воздействовать аварийные разливы нефти, а также виды этих воздействий приведены в таблице.

Табл. 1. Объекты воздействия и виды воздействий.

Население

Результатом аварийного разлива нефти является неблагоприятное воздействие на здоровье людей. Вредным для человека является попадание в организм нефти и предметов ее разложения через воздух и воду, а также в результате потребления животной и растительной пищи, непосредственно контактировавшей с нефтью.

Как следствие — ухудшение здоровья населения, болезни дыхательных путей, болезни печени, аллергические заболевания и др., что зачастую может привести к гибели людей. Важным фактором также является ущерб, нанесенный личному имуществу.

Объекты жизнеобеспечения

Объекты жизнеобеспечения – это инженерные сооружения (источники водоснабжения, отопления), автомобильные и железные дороги, речные переправы и речной транспорт, электроснабжение, зоны рекреации (пляжи, курорты). Эти объекты воздействия имеют немалое значение для здорового образа жизни человека. Так, например, нефть, попадая в водные объекты, быстро покрывает большие площади. Нарушение транспортных путей, инженерных коммуникаций, линий электропередач, тепло- и электростанций нарушает нормальное функционирование системы социальной инфраструктуры жизнеобеспечения.

Объекты производственной и социальной сферы

Данный пункт воздействия аварийного разлива нефти представлен объектами производственной и социальной сферы. Сюда относятся: ведение сельского хозяйства, рыбоводство, животноводство, растениеводство. Загрязнение сельхозугодий влечет за собой деградацию плодородного слоя земли. В результате земельный участок становится не пригодным или требует значительных усилий для его восстановления. Возможны воспламенения растекшейся нефти на большой территории.

Объекты окружающей среды

Важным объектом воздействия аварийного разлива нефти является окружающая природная среда: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почва, растительность, животный мир, особо охраняемые территории (заповедники, памятники природы, заказники и др.).

В результате сгорания нефти в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд. тонн углекислого газа и поглощается соответствующее количество кислорода. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, сопровождающееся ростом концентрации аэрозоля (мелких частиц пыли, сажи, взвесей растворов некоторых химических соединений), может привести к заметным изменениям климата и нарушению равновесных связей в биосфере.

Ежегодно в бассейны рек и водоемы попадают сотни тысяч тонн нефти, в результате на воде образуется тонкая пленка, препятствующая газообмену.

Нефть, разлитая непосредственно на земле, испаряется, подвергается окислению и воздействию микробов, способствует загрязнению грунтовых вод. Попавшая в организм нефть вызывает желудочно-кишечные кровотечения, почечную недостаточность, интоксикацию печени, нарушение кровяного давления.

Влияние разливов нефти на основные местные виды растений может продолжаться от нескольких недель до 5 лет в зависимости от типа нефти, обстоятельств разлива и видов, которые пострадали.

ГИС для моделирования разливов

При решении задач по анализу воздействия разливов нефти на различные объекты наиболее удобным инструментом являются геоинформационные системы (ГИС), которые позволяют моделировать последствия аварийных ситуаций, оценивать экологический и экономический ущерб [7]. Основными опасными объектами (где возможен крупный аварийный разлив нефти и нефтепродуктов), для которых выполняется геоинформационное моделирование, являются резервуары, технологические установки, стационарные резервуары, подвижные цистерны (железнодорожные, автомобильные, танкеры), а также трубопроводы, составными элементами которых являются задвижки, подводные переходы, пересечения с дорожной сетью, точки локального минимума. Перечисленные объекты представляются в геоинформатике в виде точечных, линейных и полигональных объектов. Представление зависит от размеров объекта и выбранного масштаба используемых географических векторных карт местности. Например, в мелких масштабах резервуар представлен как точечный объект, а в крупном масштабе — как полигон. Также важным условием построения различных геоинформационных моделей является разновидность алгоритмов моделирования разливов нефти по рельефу местности и по водной поверхности. Процесс моделирования можно разделить на несколько этапов.

1. Построение трехмерной модели местности в коридоре прохождения магистрального нефтепровода:

• построение геоинформационной модели территории, содержащей различные слои цифровой картографической информации (отметки высот, объекты геодезической сети, дорожная сеть, водные объекты, растительность и др.);
• построение на основе отметок высот и изолиний триангуляционной поверхности рельефа (TIN);
• создание на основе TIN-модели – регулярной сетки поверхности (GRID).

2. Стекание нефти рассматривается для двух основных случаев: по рельефу местности и по водной поверхности.

2.1. Определение маршрутов стекания нефти по рельефу местности:

• на основе 3D модели рельефа местности, характеристик нефти и грунта определяется направление стекания и длина разлива нефти;
• места скопления нефти, обычно приуроченные к локальным понижениям рельефа, определяются путем сопоставления «зеркала» поверхности на заданном уровне и рельефа.

Для определения маршрута стекания нефти по местности обязательным условием является построение геоинформационной модели (ГИМ) окрестности трубопровода. Она включает в себя различные слои картографической информации в электронном виде по зоне определенной ширины в коридоре прохождения нефтепроводов и интегрируется с существующей атрибутивной базой данных об объектах нефтепровода. На основе ГИМ нефтепровода с помощью специальных прикладных программных средств ГИС (GRID, Spatial Analyst) строится трехмерная модель рассматриваемой местности (рис. 1).

Рис. 1. Трехмерная модель местности – основа для моделирования.

Также, для решения задачи определения маршрута стекания нефти необходима гидрологически корректная решетка рельефа. В качестве исходных данных для ее построения используются изолинии рельефа, точечные отметки высот и урезов воды, гидрографическая сеть. Алгоритм определения маршрута стекания нефти включает 4 основных этапа:

• построение геоинформационной модели окрестности трубопровода;
• построение гидрологически корректной решетки рельефа;
• построение решетки направлений и наложение ее на трехмерную модель местности;
• построение маршрута стекания по решетке направлений.

2.2. Определение маршрутов стекания нефти по водной поверхности:

Алгоритм расчета наиболее важных характеристик модели загрязнения и определения маршрута движения можно представить следующим образом:

• подготовка и создание картографической базы данных речной сети в виде линейных и полигональных геоинформационных объектов;
• определение средневзвешенных динамических характеристик речной сети.

С точки зрения геоинформационного моделирования принципиальным является представление рек в виде линейных или полигональных географических объектов. Это представление зависит от масштаба используемых векторных карт местности.

Рис. 2. Моделирование аварийного разлива нефти по полигональным водным объектам.

Моделирование аварийного разлива по полигональным водным объектам включает в себя (рис. 2):

• построение модели фарватера реки на исследуемом участке;
• автоматизированный анализ русла реки и расчет направлений течения реки;
• ввод необходимых характеристик речной сети (ширина, глубина, скорость течения реки, объем вылившейся нефти);
• построение модели движения нефтяного пятна, расчет числовых характеристик;
• создание и вывод текстовой и графической информации по результатам моделирования.

Созданная таким образом геоинформационная модель движения разлившейся нефти по рекам, как полигональным ГИС- объектам, позволяет определить положение и направление движения нефтяного пятна, учитывая такие факторы, как разнонаправленность течений реки и воздействие ветра на распространение нефти по поверхности (рис. 3).

Рис. 3. Моделирование движения разлившейся нефти по рекам.

Результатом моделирования движения пятна нефти по водной поверхности является расчет наиболее важных характеристик загрязнения, таких как площадь нефтяного пятна и его длина по фарватеру реки, концентрация загрязнителя в центре пятна.

Рис. 4. Моделирование разливов нефти по линейным водным объектам.

Данную модель нельзя применять к малым рекам, которые представлены в геоинформационной системе как линейные объекты. Моделирование аварийных разливов нефти по линейным водным объектам включает в себя (рис. 4):

• определение маршрута в направлении течения реки;
• расчет средневзвешенных динамических характеристик реки на исследуемом участке;
• ввод необходимых характеристик речной сети (ширина, глубина и скорость течения реки, объем вылившейся нефти);
• определение характеристик распространения пятна (площадь, концентрация, длина по фронтальной части и др.).

Резервуары в большинстве случаев представлены в виде резервуарного парка. Геоинформационное моделирование выполняется для всех резервуаров в парке, а затем выбирается худший случай по площади и периметру разлива нефти (рис. 5).

Рис. 5. Моделирование разливов для резервуарного парка.

Перечисленные выше объекты в геоинформационной модели местности представлены в виде точечных, линейных и полигональных объектов и требуют использования различных моделей (рис. 6).

Рис. 6. Виды геоинформационных моделей аварийных разливов нефти.

Заключение

Геоинформационное моделирование аварийных разливов нефти и нефтепродуктов является сложным многофакторным процессом, включающим в себя целый ряд самостоятельных моделей.

Результаты моделирования аварийных ситуаций при эксплуатации нефтепроводов являются основой для оценки и расчета вредного воздействия аварийных разливов на население и территорию, а также планирования мероприятий по ликвидации последствий этого разлива: утилизации разлившейся нефти и почвы, расчета сил и средств для этих работ.

ГИС- технологии позволяют также оптимизировать и отображать в картографической форме маршруты выдвижения сил и средств, места складирования и утилизации, создавать схемы оповещения и связи для локализации и ликвидации последствий аварийных разливов нефти.

Применение ГИС для решения задач прогнозирования возможных разливов нефти и оценки воздействия этих разливов на население и прилегающие территории позволяет заблаговременно принять меры по снижению рисков и обеспечению безопасности населения и территорий.

Литература

1. Павлов С.В., Гвоздев В.Е., Митакович С.А., Ефремова О.А., Плеханов С.В. Моделирование аварийных разливов нефти и нефтепродуктов для планирования действий в условиях ЧС. // ArcReview №3 (26), DATA+, г. Москва, 2003 г. – c. 15-16.

2. Постановление Правительства Российской Федерации № 613 от 21 августа 2000 года «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» с изменениями и дополнениями.

3. Постановление Правительства Российской Федерации № 240 от 15 апреля 2002 года «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации».

4. Постановление Кабинета Министров Республики Башкортостан № 22 от 25.01.2002 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».

5. Постановление Кабинета Министров Республики Башкортостан № 296 от 04.10.2002 «О внесении изменений и дополнений в постановление Кабинета Министров Республики Башкортостан от 25.01.2002 № 22 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».

6. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать?/ Под ред. В.И. Данилова-Данильянова. – М., 1997г. – 421с.

7. Павлов С.В., Хамитов Р.З.Комплексное решение некоторых задач управления предприятиями нефтегазового комплекса Республики Башкортостан на основе ГИС. // Нефтегазовое дело.- № 1 – Уфа: изд. УГНТУ, 2003г.– c. 74-84.