Изучение биохимических процессов окисления и численное моделирование распределения нефтяных углеводородов в аэробной зоне азовского моря

NovaInfo 34
Опубликовано
Раздел: Технические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

Работа посвящена изучению химических и биологических процессов окисления с помощью математического моделирования динамики распространения нефтяного загрязнения в мелководных водоемах. Разработанная модель учитывает движение водного потока, микротурбулентную диффузию, пространственно-неоднородные распределения температуры и солености, а также сток массы нефти в ходе химического и биологического окислений в аэробной зоне мелководного водоема – Азовское море. При численной реализации модельной задачи распределения нефтяных углеводородов используется метод минимальных поправок. Разработанная модель может использоваться для планирования неотложных мер с целью минимизации последствий нефтяных разливов.

Ключевые слова

АЗОВСКОЕ МОРЕ, МЕТОД МИНИМАЛЬНЫХ ПОПРАВОК, БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ, РАЗЛИВ НЕФТИ

Текст научной работы

Введение

Азовское море и Таганрогский залив на протяжении длительного времени использовались людьми для переработки отходов их жизнедеятельности, что привело к значительному загрязнению вод этих водоемов, а также к нарушению протекания естественных биологических и химических процессов. Азовское море – зона с повышенным уровнем загрязнения нефтяными углеводородами, концентрации которых в отдельных акваториях водоема превышают предельно допустимую концентрацию в несколько раз. Аварийный выброс нефти в водоем сопровождается поступлением в него углеводородов, которые оказывают прямое токсичное действие на морских гидробионтов.

Мелководные водоемы представляют собой сложные многопараметрические системы; протекающие в них процессы являются нелинейными, пространственно-неоднородными. Управление этими сложными системами необходимо осуществлять путем минимизации объема работы с живым материалом – с использованием средств математического моделирования. Модели должны обладать предсказательной ценностью, использоваться для разработки прогнозов последствий различных воздействий на водные экосистемы, а также для оценки разного рода целенаправленных влияний при разработке проектов устойчивого развития водной экосистемы и ее оздоровления.

Постановка модельной задачи

Целью работы является моделирование динамики распространения и деструкции углеводородных выбросов для разработки сценариев, описывающих последствия аварийных ситуаций при разливе нефти в мелководном водоеме. При моделировании изучались процессы химического и биологического окислений в центрально-восточной части Азовского моря, где в ходе летних экспедиционных исследований, проводимых сотрудниками Южного федерального университета с 2000 г. была обнаружена заморная зона – зона с пониженным содержанием кислорода [1].

Была разработана пространственно-трехмерная система уравнений распространения нефтяного загрязнения в мелководном водоеме, удовлетворяющая законам материального баланса. Расчетная область представляла собой замкнутый бассейн, ограниченный невозмущенной поверхностью водоема, дном и цилиндрической боковой поверхностью.

При моделировании физических процессов переноса нефтяных углеводородов (НУ) предполагалось, что их общее содержание определяется суммой индивидуальных фракций. Модель учитывает движение водного потока, микротурбулентную диффузию, пространственно-неоднородные распределения температуры и солености, а также сток массы нефти в ходе химического и биологического окислений в аэробной зоне мелководного водоема - Азовское море.

При моделировании процесса распространения нефтяного пятна в Азовском море была проведена параметризация химико-биологических процессов ассимиляции НУ, учитывалось влияние химических и микробиологических процессов на скорости окисления фракций.

Входными данными для модели процесса распространения нефтяного пятна являлись компоненты вектора скорости водной среды, описываемые гидродинамической моделью [2,3].

Построение и исследование дискретной модели

Для численной реализации построенной модели использовалась равномерная прямоугольная сетка [4]. При линеаризации разработанной модели использовался метод Ньютона. Для дискретизации модели использовались противопоточные схемы, схемы с центральными разностями, а также схемы с весами. Был оценен порядок погрешности аппроксимации разработанных дискретных моделей. Получено достаточное условие устойчивости и монотонности разностной схемы, определяемое на основе принципа максимума при ограничениях на шаг временным координатам.

При численном решении задачи распространения нефтяных загрязнений в Азовском море в качестве основного был выбран метод минимальных поправок (ММП) [5], в виду того, что он обладал наибольшей итерационной скоростью сходимости.

Заключение

Для решения пространственно-неоднородной, нелинейной задачи динамики нефтяного загрязнения в Азовском море был осуществлен переход от непрерывной модели к дискретной. Проведено исследование разработанных непрерывной и дискретных моделей. Определены условия устойчивости разработанных схем с весами, реализующей построенную модель.

Численные эксперименты для разработанной модели распространения нефтяного пятна в реальной области сложной формы – Азовское море проводились для различных гидрометеорологических ситуаций с целью изучения направления, скорости движения нефтяного пятна.

Предложенную модель можно объединить с моделью транспорта донных наносов [6 - 8], что позволит оценить массу оседающей на дно нефти. Полученные оценки имеют существенное значение для моделирования процессов распространения загрязняющих примесей в Азовском море [9,10].

Полученные в результате моделирования разлива нефти в мелководном водоеме данные могут использовать природоохранные службы для оценки экологических воздействий на окружающую среду с целью уменьшения возможных негативных последствий.

Работа выполнена при частичной поддержке Задания №2014/174 в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России, а также при частичной финансовой поддержке РФФИ по проектам № 15-01-08619, № 15-07-08626, № 15-07-08408.

Читайте также

Список литературы

  1. Сухинов А.И., Никитина А.В., Чистяков А.Е. Моделирование сценария биологической реабилитации Азовского моря // Математическое моделирование. – Т. 24. №9. –2012. – С. 3-21.
  2. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Алексеенко Е.В. Численная реализация трехмерной модели гидродинамики для мелководных водоемов на супервычислительной системе// Математическое моделирование. 2011. Т. 23, № 3. С. 3-21.
  3. Сухинов А.И., Чистяков А.Е. Параллельная реализация трехмерной модели гидродинамики мелководных водоемов на супервычислительной системе// Вычислительные методы и программирование: Новые вычислительные технологии. 2012. Т.13. С. 290-297.
  4. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. Наука, 1989.
  5. Самарский А.А. Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978.
  6. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Дегтярева Е.Е. Математическое моделирование транспорта донных отложений с учетом гидродинамических процессов// Известия ЮФУ. Технические науки. – 2012. – № 6 (131). – С. 57-62.
  7. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Проценко Е.А. Математическое моделирование транспорта наносов в прибрежной зоне мелководных водоемов // Математическое моделирование. – 2013. – Т. 25, № 12. – С. 65-82.
  8. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Проценко Е.А. Математическое моделирование транспорта наносов в прибрежных водных системах на многопроцессорной вычислительной системе// Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. – 2014. – Т. 15, № 4. – С. 610-620.
  9. Сухинов А.И., Никитина А.В., Чистяков А.Е., Семенов И.С. Математическое моделирование условий формирования заморов в мелководных водоемах на многопроцессорной вычислительной системе // Вычислительные методы и программирование. – Т.14. – 2013. – C. 103-112.
  10. Никитина А.В., Семенов И.С. Моделирование процессов эвтрофикации мелководного водоема // Известия ЮФУ. Технические науки. – № 4. – 2013. – С.37- 44.

Цитировать

Изучение биохимических процессов окисления и численное моделирование распределения нефтяных углеводородов в аэробной зоне азовского моря / Ю.А. Абраменко, Т.А. Бокарева, А.И. Забалуева [и др.]. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 34. — URL: https://novainfo.ru/article/3590 (дата обращения: 19.01.2022).

Поделиться