Введение к работе
Актуальность работы. Хозяйственная деятельность человека, связанная с использованием нефти, как основного источника энергии, привела к загрязнению окружающей среды. Жидкие углеводороды попадают в почву в результате утечек из трубопроводов, подземных хранилищ и других видов перерабатывающего и транспортного оборудования, а также при аварийных выбросах, разливах или неправильном захоронении отходов. Скорость накопления нефти и нефтепродуктов, в результате техногенного загрязнения, в водных и почвенных экосистемах далеко опережает скорость их биодеградации естественным путем. Удержанные пористыми средами углеводороды представляют серьезную проблему для окружающей среды из-за их токсичности и потенциальной возможности служить длительно действующим источником загрязнений.
Методы исследования проблем экологической безопасности при нефтяном загрязнении в настоящее время быстро развиваются, складываясь в новое научное направление - нефтеэкологию. Основой для выявления нефтеэколо-гической ситуации и выработки мероприятий по предупреждению и ликвидации нефтяного загрязнения является: проведение комплексного мониторинга и детальной экспертизы нефтезагрязненных земель, унификация ряда параметров и методов, обеспечивающих очистку почв от нефтяного загрязнения, в том числе и построение компьютерных математических моделей для определения степени углеводородного загрязнения.
В связи с этим изучение фильтрационных процессов в моделях пористых сред, наиболее адекватных к естественным условиям, является актуальным направлением, которое позволит прогнозировать формирование фронта загрязнения и давать оценку величины загрязненной зоны.
Создаются и исследуются геофильтрационные модели средствами математического моделирования. Использование теории фильтрации в сочетании с современными математическими методами и вычислительными машинами, позволяет значительно сократить сроки перехода от лабораторных установок непосредственно к эффективному применению технологии экологической реабилитации.
Начиная с работ Анри Дарси (1803 - 1858), проблеме изучения особенностей движения жидкостей и газов в пористых средах посвящено значительное число работ. Свой вклад в развитие нового раздела гидродинамики внесли ряд ученых: Ж. Дюпюи (1804-1866), Ж. Буссинеск (1842-1929), Ф. Форхгеймер (1852-1933), Ч. Слихтер (1864-1946), Н. Е. Жуковский (1847-1921), К. Э. Лем-бке, М. Маскет, Л. С. Лейбензон (1879-1951), И. А. Чарный и другие.
Мощное развитие нефтяной и газовой промышленности, а также усилившееся в последнее время внимание к проблемам экологии и охране окружающей среды привлекло внимание ученых к еще более сложным вопросам движения природных газов и нефтей в пористой среде. Увеличилось количество научных работ, посвященных исследованию пористых структур. Следует отметить таких ученых как Г. И. Баренблатт, В. М. Ентов, В. М. Рыжик,
А. В. Кажихов, Н. В. Хуснутдинова, О. Б. Бочаров, В. Н. Монахов, А. Е. Осо-кин и другие.
В настоящее время для моделирования процессов фильтрации и распространения загрязнений существует широкий спектр математических моделей проницаемых структур, однако нефтеэкологические вопросы далеки от окончательного решения. На сегодняшний день нет специализированных моделей оценки степени загрязнения и восстановления загрязненных почвенных сред, позволяющих определять динамику миграции углеводородов, фильтрующихся с поверхности земли, устанавливать закономерности изменения зоны нефтяного загрязнения, а также учитывать поведение фаз и их свойства.
Из вышеизложенного следует, что проблема исследования процессов проникновения в почву слоя жидких углеводородов, разлитых на поверхности земли, является очень сложной и до сих пор остается областью активных научных исследований.
Объект исследования: процесс нефтезагрязнения почвы в результате аварийных утечек и разливов.
Предмет исследования: прикладные аспекты моделирования фильтрации жидких углеводородов в пористой среде.
Цель работы: моделирование динамики распространения разлитых углеводородов с учетом действующих факторов и выявление участков с высокой степенью нефтезагрязнения, где необходимо проведение восстановительных и очистительных работ.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Анализ проблемы исследования в научной отечественной и зарубежной литературе, анализ и сравнение между собой построенных ранее моделей данного объекта, сравнительный анализ методов исследования.
Построение математической модели для оценки интенсивности и характера пространственно-временного распределения нефтезагрязнителя в почвенных средах. Модель должна быть адекватной естественным условиям.
Создание программного комплекса, позволяющего оперативно проводить исследования и получать достоверную информацию об интенсивности вертикальной и горизонтальной миграции загрязнителя в почву, о степени нефтяного загрязнения и площади его распространения.
Решение геофильтрационной задачи и сравнительный анализ полученных численных результатов с экспериментальными данными.
Методика исследования. В данной работе для решения поставленных задач используется аппарат теории разностных схем. Исследование разностных схем базируется на использовании общей теории устойчивости операторно-разностных схем. В процессе исследования использованы: методы численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, методы математического моделирования.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением законов теории фильтрации в пористых средах для построения трехмерной модели, математического аппарата вычислительной математики для решения систем нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, тестированием программного обеспечения, а также соответствием полученных результатов с экспериментальными данными и расчетами других авторов.
На защиту выносятся:
Трехмерная математическая модель двухфазной фильтрации;
Вычислительный алгоритм решения задачи совместной фильтрации;
3. Программный комплекс для анализа интенсивности и характера за
грязнения.
Научная новизна работы состоит в том, что для решения актуальной задачи оперативного получения и обработки информации об интенсивности и характере нефтяного загрязнения почвенной экосистемы предложена адаптированная трехмерная модель в физических переменных с учетом гравитационно-капиллярного взаимодействия. Разработан эффективный вычислительный алгоритм, учитывающий специфические особенности конкретной математической задачи. Особенностью данного алгоритма является то, что расчеты ведутся только в области распространения углеводородов, что позволяет существенно уменьшить вычислительные затраты при той же точности. На основе разработанных алгоритма и программ создана новая информационно-вычислительная система, позволяющая решать задачи прогноза для управления техногенными событиями.
Теоретическая значимость
Значение полученных результатов для теории состоит в решении трехмерной геоэкологической задачи о пространственно-временном распространении разлитых углеводородов в верхнем слое зоны аэрации. С помощью адаптированной модели двухфазной фильтрации были изучены важные вопросы: динамика распространения фронта нефтезагрязнения при известных физических свойствах загрязнителя и почвы, распространение нелинейных течений в почвенных средах, а также, закономерности изменения зоны нефтяного загрязнения.
Практическую ценность работы составляет специализированный программный комплекс для оценки скорости образования загрязненной области, ее размеров и степени нефтяного загрязнения. Рекомендуется использовать в институтах и организациях, занимающихся разработкой и использованием алгоритмов и программ для прогноза нефтезагрязнения различного типа почв и выбора способов восстановительных и очистительных работ.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в СЭБ и РП Красноярского Районного Нефтепроводного Управления ОАО «Транссибнефть» по решению задач прогноза распространения углеводородов и оценке степени нефтезагрязнения почвы для эффективного применения технологий экологической реабилитации загрязненных территорий (акт использования результатов от 09.06.10 г. № 30/196).
Личный вклад диссертанта состоит в разработке алгоритмов и программного комплекса, анализе и интерпретации результатов, проведении основных расчетов по моделированию процессов фильтрации загрязнителей в почве.
Апробация работы
Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. V Всероссийский семинар «Моделирование неравновесных систем -
02», Красноярск, 2002 г.;
Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Проблемы моделирования систем в экологии CITES-2003», Томск, 2003 г.;
Всероссийская научно-методическая конференция «Повышение качества непрерывного профессионального образования», Красноярск, 2005 г.;
Межрегиональная научно-практическая конференция «Инновационное развитие регионов Сибири», Красноярск, 2006 г.;
IV Всесибирский конгресс женщин-математиков, посвященный памяти выдающегося математика Софьи Васильевны Ковалевской, Красноярск, 2006 г.;
VIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям, Новосибирск, 2007 г.;
Всероссийская научно-методическая конференция «Повышение качества непрерывного профессионального образования», Красноярск, 2007 г.
VII Международная научно-практическая конференция нефтяного промышленного комплекса «Ашировские чтения», Россия, Самара, 2010 г.
XII Международный симпозиум по непараметрическим методам в кибернетике и системному анализу», Россия, Красноярск, 2010 г.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 работах, включая 4 публикации в журналах и изданиях из списка ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения; объем диссертации 127 страниц, в том числе 110 страниц основного текста, включая 20 рисунков, 5 таблиц, список использованных источников состоит из 121 наименования.
