Статья в журнале «Экология производства»

Компьютерное моделирование получает всё более широкое распространение для прогнозирования воздействия промышленных объектов на окружающую среду.

И.А. ГИШКЕЛЮК, Д.В. ЕВЛАНОВ, В.И. КОВАЛЕНКО

Компания Simmakers Ltd.

Ведущие зарубежные компании, оказывающие сервисные услу­ги в нефтегазовой отрасли, – Schlumberger, Paradigm, Geophysical и непосредственно сами нефтегазовые компании – Total, BP, Royal Dutch Shell, Chevron, ConocoPhillips, Statoil Hydro, China National Petroleum и многие другие в своей деятельности уже на протяжении десятилетий широко используют методы компью­терного моделирования, которые, к сожалению, менее распро­странены в российских нефтегазовых компаниях. В то же время только для решения экологических задач, возникающих в нефте­газовой отрасли, компьютерное моделирование позволяет:

• выполнять экологическое обоснование возможности разме­щения и функционирования объектов, представляющих повы­шенную экологическую опасность: автозаправочных станций, объектов хранения нефтепродуктов, станций технического об­служивания транспорта, полигонов для складирования промыш­ленных отходов;
• исследовать различные сценарии развития аварийных ситу­аций, связанных с транспортировкой или хранением нефтепро­дуктов и природного газа, и оценивать риск возникновения та­ких ситуаций;
• оценивать загрязнения почвы, грунтовых и поверхностных вод (рек, озёр, морей) при аварийных разливах нефти и нефте­продуктов;
• оценивать негативное влияние на окружающую среду тепло­вого загрязнения от сжигания нефтепродуктов и природного газа.

Для решения этой задачи можно использовать свободно рас­пространяемые программные средства MODFLOW и MT3DMS.

Процесс компьютерного моделирования распространения нефтепродуктов с использованием данных программных средств заключается в следующем. На территории, примыка­ющей к автозаправочной станции, выбираются границы моде­лируемой области. При этом для того, чтобы можно было кор­ректно сформулировать граничные условия к уравнению дви­жения грунтовых вод, границы этой области необходимо вы­брать по линиям водораздела (так как поток воды через них ра­вен нулю) или по линиям рек и озёр (поскольку на них изве­стен уровень грунтовых вод). Далее в программе MODFLOW создаётся гидрогеологическая модель рассматриваемой терри­тории, в которой каждому грунтовому слою присваиваются свои гидрологические свойства (рис. 2).

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАССМАТРИВАЕМОЙ ОБЛАСТИ:

1 – промышленный объект;

2 – безнапорный слой образуемый супесью и суглинком;

3 – напорный слой образуемый песком;

4 – водонепроницаемый слой, образуемый супесью

Для моделирования переноса подземными водами растворён­ных в них нефтепродуктов в программе MT3DMS, как и во мно­гих других, необходимо задать в качестве граничных условий зна­чение потока нефтепродуктов на границе грунтовых вод с зоной аэрации (верхняя зона земной коры между её поверхностью и зеркалом грунтовых вод). В то же время при решении большин­ства практических задач известна только концентрация нефте­продуктов на поверхности земли. Здесь следует отметить, что при использовании коммерческого программного обеспечения часто возникает такая ситуация, что применяемый программный про­дукт учитывает не все необходимые факторы или требует зада­ния параметров, информация о которых отсутствует у пользова­теля. В связи с этим в большинстве случаев необходимо дораба­тывать существующие или разрабатывать новые математические модели и пользовательский интерфейс непосредственно под за­дачи пользователя и имеющиеся у него исходные данные.В рассматриваемом примере проблема практического применения про­граммных средств MODFLOW и MT3DMS решается с помощью разработанной авторами специальной программы, в которой рас­считывается интенсивность поступления нефтепродуктов в грун­товые воды, если предположить, что поверхностный слой почвы в результате работы АЗС загрязнён нефтепродуктами в некоторой концентрации C₀. Далее программой MT3DMS моделируется рас­пространение нефтепродуктов в грунтовых водах. Из результатов моделирования (рис. 4) видно, что в течение планируемого срока эксплуатации АЗС (30 лет) отсутствует возможность попада­ния нефтепродуктов в водохранилище.

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ГРУНТОВЫХ ВОДАХ:

Отметим, что рассмотренный прогноз основывается на ис­пользовании математической модели, базирующейся на урав­нениях Дарси (описывает движение грунтовых вод) и конвек­тивной диффузии. Однако некоторые параметры данной моде­ли, такие как коэффициент фильтрации, дисперсия, коэффици­ент распределения, не могут быть определены точно и вслед­ствие этого имеют некоторую неопределённость. Кроме того, геологическая среда, в которой прогнозируется движение грун­товых вод и перенос загрязняющих веществ, состоит из пересла­ивающихся пород с различными физико-химическими свойства­ми, и поэтому создать абсолютно точную геологическую модель с учётом всех неоднородностей не представляется возможным. Всё это увеличивает уровень неопределённости результатов про­гнозирования. Один из способов решения этой проблемы заклю­чается в использовании стохастического подхода при компью­терном моделировании.

Рассмотрим реализацию стохастического подхода для при­ведённой ранее задачи. В этом случае при прогнозировании переноса не­фтепродуктов в грунтовых водах используется уравнение кон­вективной диффузии с учётом сорбции, в котором для коэффици­ентов распределения и дисперсности строится эмпирическая функция плотности вероятности на основании данных о значе­ниях этих коэффициентов для различных геологических сред. Каждая функция плотности вероятности, получаемая для рассма­триваемых параметров, разбивается на пять сегментов и для каж­дого сочетания параметров вычисляется распределение нефте­продуктов с использованием уравнения конвективной диффузии. Это позволяет получить несколько прогнозов распространения нефтепродуктов от АЗС и вероятность их осуществления.

Таким образом, компьютерное моделирование является эф­фективным инструментом для оценки рисков загрязнения окру­жающей среды, контроля и управления факторами, влияющи­ми на них, а также облегчает принятие управленческих реше­ний для более широкого круга задач, стоящих перед нефтега­зовой отраслью.