Река Верхняя Ангара стекает с южного склона Делюн

Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ОЦЕНКЕ
АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ
Прогноз последствий сброса загрязняющих веществ в водные объекты является одной из типичных задач оценки воздействия на окружающую
среду. Для ряда типовых ситуаций разработаны и рекомендуются для использования [Методические основы, 1987; Методика расчета … , 1990;
Правила охраны … , 1991; Положение … , 1996; Методические указания
… , 1999] стандартизованные методы вычисления ожидаемых концентраций в контрольных точках или створах. Однако условия их применимости
далеко не всегда выполняются и необходимо разрабатывать оригинальные
модели, адаптированные к конкретной природной обстановке, уровню информационной обеспеченности проблемы и требованиям к прогностическим расчетам. В настоящей главе приведены сведения о четырех таких
моделях, разработанных для решения конкретных практических задач, и
некоторые результаты их применения.
Во всех описываемых далее разработках были использованы сформулированная в первой главе парадигма и методы информационного моделирования, позволяющие использовать в рамках одной задачи сведения различного типа, точности и достоверности. Это позволило более полно и
сбалансировано использовать данные, которые удавалось собрать для построения каждой из моделей, преодолеть информационные дефициты и
получить достаточно детальные, сравнительно достоверные и практически
значимые результаты моделирования. Другой общей частью моделей, рассмотренных в данной главе, является представление потока загрязняющих
веществ или потока загрязненных вод в виде ансамбля движущихся частиц, обладающих определенными свойствами. Соответствующая статистическая обработка свойств этих частиц позволяет делать оценку искомых распределений концентрации загрязняющих веществ в водоемах.
Данный метод, известный как метод статистических испытаний или метод
Монте-Карло [Брандт, 2003], в рамках настоящей работы модифицирован
на основе вероятностных моделей представления данных и способов оценки плотностей распределения вероятностей, разработанных автором [Игнатов, 1986; 1996; 2000] и уже использовавшихся в предыдущих главах
настоящей работы. Такая модификация позволила сделать метод МонтеКарло более экономичным и решать с его помощью задачи повышенной
сложности, рассмотренные в третьем и четвертом параграфах настоящей
главы.
170
§ 5.1. МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ АВАРИЙНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
НЕФТЕПРОДУКТАМИ РЕКИ ВЕРХНЕЙ АНГАРЫ
В данном параграфе рассматривается наиболее простая, из всех приведенных в главе, модель формирования качества воды. Простота модели
обусловлена ее размерностью, так как в соответствии с условиями задачи
можно было пренебречь процессами вертикального и поперечного перемешивания и ограничиться только рассмотрением переноса и перемешивания примеси вдоль русла реки. Кроме того, невозможность получения в
период выполнения работы количественных данных о характере трансформации нефти в воде не позволила описать эти процессы в модели. Такая ситуация ослабила требования к точности задания и вычисления модельных переменных. Получившаяся в итоге небольшая информационная
емкость модели позволила применить для расчетов динамики распределения концентраций метод Монте-Карло в его классическом варианте и получить ее статистически значимые оценки.
5.1.1. Расходы воды и гидравлические характеристики русла
При моделировании переноса загрязняющих веществ по длине р.
Верхней Ангары рассматривалось две гидрологические ситуации – летнеосенняя межень и весенне-летний паводок. Выбор этих двух ситуаций обусловлен тем, что авария в период межени наиболее опасна для реки, а период паводка – для озера Байкал. Гидравлические и морфометрические характеристики русловой сети определялись для периода летней межени при
минимальных расходах 95% обеспеченности, а для периода паводков - при
наибольших расходах 5% обеспеченности. Ряды наибольших среднесуточных расходов для этой реки генетически однородны, так как все без исключения максимальные расходы, с обеспеченностью менее 20%, связаны
с прохождением смешанного паводка, формируемого талыми и дождевыми водами в мае-июне.
Исходной информацией для оценки характеристик реки, на всем ее
протяжении от створа перехода до устья, явились результаты наблюдений
на двух постах Росгидромета у селений Уоян и Верхняя Заимка. Наблюдения на этих постах проводились в следующие периоды. На посту Уоян - с
1949 по 1959 годы, на посту Верхняя Заимка - с 1939 по 2000 годы. Расчеты значений расходов воды различной обеспеченности выполнялись согласно рекомендациям СНиП 2.01.14-83. Короткий ряд наблюдений поста
Уоян приводился к более длинному ряду поста Верхняя Заимка. Связи
между различными характеристиками расходов воды на этих постах достаточно тесные и характеризуются коэффициентом корреляции от 0,78 до
171
0,95. Пример одной из таких связей для среднегодового расхода воды приведен на рис. 5.1.1.
Рис. 5.1.1. Связь значений среднегодовых расходов воды (куб.м/сек)
реки Верхней Ангары на постах Уоян и Верхняя Заимка.
Рассчитанные значения минимальных и максимальных суточных расходов воды соответственно 95% и 5% обеспеченности легли в основу вычисления распределения этих характеристик по длине реки. При этом значение расхода в том или ином створе на определенном удалении от истока
реки ставилось в зависимость от площади водосбора в этом створе. Изменение площади водосбора по длине реки показано на рис. 5.1.2.
Для минимальных расходов их зависимость от площади водосбора
принималась линейной, так как модули минимального стока на обоих постах примерно равны и составляют 5,1-5,2 л / (сּкм2). Для максимальных
расходов учитывалась редукция их значений по длине реки в связи с тем,
что модули максимального стока в створах у с. Уоян и у с. Верхняя Заимка
существенно различаются (соответственно 138 и 83 л/сּкм2). В среднем
значение редукции составило 0,34 л/с на 1 км длины участка реки без сосредоточенного притока. Графики изменения по длине реки вычисленных
таким образом расходов воды показаны на рис. 5.1.3.
172
Рис. 5.1.2. Изменение площади водосбора р. Верхней Ангары по ее длине и продольный профиль реки на участке между
створом перехода нефтепровода и устьем.
173
Рис. 5.1.3. Изменение значений минимальных и максимальных расходов воды р. Верхней Ангары по длине р. Верхней Ангары на
участке между створом перехода нефтепровода и устьем.
174
При определении гидравлических характеристик река ниже створа
перехода была разбита на 12 примерно однородных участков, длиной от 8
до 31 км. Исходной информацией для расчета средних значений гидравлических характеристик на этих участках послужили данные о связи этих характеристик с расходом реки и оценки расходов, показанные на рис. 5.1.3.
Результаты этих расчетов приведены в таблицах 5.1.1 и 5.1.2.
5.1.2. Математическая модель переноса нефтепродуктов
вдоль русла реки
При аварийном выбросе нефтепродуктов образуется пятно загрязнения, которое можно условно разделить на компоненты, различающиеся поведением в воде и характером воздействия на экосистему. В качестве таких компонент можно назвать:
 растворенную в воде фракцию, для которой определена ПДК;
 компоненту, содержащуюся в воде в виде эмульсии, являющуюся
основным источником образования растворенной составляющей;
 поверхностную пленку (или слой, если нефти много), образование
которой на воде по экологическим нормам не допускается;
 задерживающуюся на дне или береговой линии фракцию, которая
имеет существенно более медленную (по сравнению с предыдущими
компонентами) скорость транзита вдоль реки, и которую можно рассматривать как долговременный распределенный в пространстве
вторичный источник загрязнения воды нефтепродуктами, возникающий после прохождения первичного пятна загрязнения.
Перечисленные составляющие нефтяного загрязнения реки, трансформируясь и распространяясь с потоком воды, увеличивают общую площадь загрязнения реки и через некоторое время могут достигнуть Байкала.
Задачей прогностических расчетов является оценка пространственной динамики количественных характеристик загрязнения. Важным в рассматриваемой ситуации является вычисление времени достижения фронтом загрязнения устья реки и оценка его динамики в замыкающем створе. Последнее существенно в связи с тем, что озеро Байкал является особо охраняемым объектом и его аварийное загрязнение приводит к особо критичным последствиям. Ожидаемый уровень загрязнения реки в случае аварийного разрыва трубопровода ожидается значительно выше допустимого.
Поэтому, в данном случае, приоритетом является не точность расчета концентрации загрязнения, а характер динамики его пространственного распределения.
175
Таблица 5.1.1
Гидравлические характеристики отдельных участков реки Верхней Ангары при максимальном
расходе 5 % обеспеченности
Начало участка
местополоот исжение
тока, км
Конец участка
Длина
участка,
местополоот искм
жение
тока, км
Расход,
м3/с
Площадь
сечения,
м2
Скорость, м/с
среднаиболь
няя
шая
Ширина реки, м
Глубина, м
среднаиболь
няя
шая
переход
172
р. Огней
188
16
977
906
1,08
1,74
225
4,03
4,73
р. Огней
188
р. Гонкули
220
32
980
986
0,99
1,53
256
3,85
4,36
р. Гонкули
220
Уоян
246
26
1070
953
1,12
1,75
297
3,21
5,31
Уоян
246
р. Анамакит
277
31
1080
927
1,17
1,85
323
2,87
5,02
р. Анамакит
277
р. Котера
306
29
1140
1030
1,11
1,70
340
3,02
4,26
р. Котера
306
р. Акушинда
324
18
1530
1030
1,49
2,27
256
4,00
6,06
р. Акушинда
324
р. Светлая
340
16
1530
1260
1,22
1,80
208
6,04
8,13
р. Светлая
340
р. Дзелинда
370
30
1680
1270
1,32
1,95
207
6,15
8,25
р. Дзелинда
370
р. Акит
383
13
1700
1290
1,32
1,95
205
6,29
8,40
р. Акит
383
В. Заимка
407
24
1710
1290
1,32
1,96
205
6,29
8,40
В. Заимка
407
о. Сахарный
415
8
1720
1290
1,33
1,97
205
6,29
8,40
о. Сахарный
415
Устье
438
23
1750
1560
1,12
1,63
186
8,41
10,7
176
Таблица 5.1.2
Гидравлические характеристики отдельных участков реки Верхней Ангары при минимальном
летнем расходе 95 % обеспеченности
Начало участка
местополоот исжение
тока, км
Конец участка
Длина
участка,
Местополоот искм
жение
тока, км
Расход,
м3/с
Площадь
сечения,
м2
Скорость, м/с
среднаиболь
няя
шая
Ширина реки, м
Глубина, м
среднаиболь
няя
шая
переход
172
р. Огней
188
16
31,4
49,9
0,63
1,02
132
0,38
1,21
р. Огней
188
р. Гонкули
220
32
32,3
59,1
0,55
0,86
132
0,77
1,77
р. Гонкули
220
Уоян
246
26
41,0
81,1
0,51
0,79
132
0,61
1,56
Уоян
246
р. Анамакит
277
31
42,6
138
0,31
0,49
281
0,49
1,38
р. Анамакит
277
р. Котера
306
29
48,9
276
0,18
0,27
284
0,97
2,03
р. Котера
306
р. Акушинда
324
18
88,5
215
0,41
0,63
223
0,96
2,01
р. Акушинда
324
р. Светлая
340
16
88,9
536
0,17
0,25
239
2,24
3,48
р. Светлая
340
р. Дзелинда
370
30
103
601
0,17
0,25
258
2,33
3,58
р. Дзелинда
370
р. Акит
383
13
106
510
0,21
0,31
209
2,44
3,70
р. Акит
383
В. Заимка
407
24
107
511
0,21
0,31
209
2,44
3,70
В. Заимка
407
о. Сахарный
415
8
109
426
0,26
0,38
174
2,44
3,70
о. Сахарный
415
устье
438
23
112
768
0,15
0,21
173
4,43
5,78
177
Сложность выбираемой расчетной схемы (модели) определяется с одной стороны практическими требованиями к точности и детальности прогностической информации, а с другой - возможностями информационного
обеспечения модели необходимого для достижения требуемой точности
расчетов. Обычно требования к детальности и точности прогнозов всегда
превышают возможности их получения.
В данном случае, в качестве модели компромиссной сложности, которая в первом приближении обеспечивает ответы на поставленные выше
вопросы и соответствует предъявляемым к результатам моделирования
требованиям, можно выбрать одномерную схему распространения вдоль
реки двух фракций нефтепродуктов. Первая из них переносится вместе с
водой, вторая – временно задерживается на грунте. Сумма их консервативна. Эту модель можно записать в виде системы одного алгебраического и
двух дифференциальных уравнений:
L  (V  L)  2 ( K  L)


 A L  B G ;
t
x
x 2
G
 A L  B G ;
t
V
C  L ;
Q
(5.1.2.1)
где: V(x) и K(x) - скорость течения реки и коэффициент продольной дисперсии, A(x) и B(x) - параметры обмена между фракциями, Q(x) - расход
реки - являются входными (задаваемыми) характеристиками модели, а
L(x,t), G(x,t) и C(x,t) – расчетными (выходными) переменными. Они должны быть определены в результате вычислений с использованием модели.
Характеристики L(x,t), G(x,t) и C(x,t), соответственно, отражают пространственно временную динамику линейной (в реке и на поверхности грунтов)
и средней объемной концентраций нефтепродуктов в воде.
Интегрирование системы уравнений (5.1.2.1) проводится при нулевом
начальном условии и задании на левой границе полного потока равного
аварийному сбросу q(t):
V L
 ( K  L)
 q(t ) .
x
(5.1.2.2)
Остальные формально требуемые условия не носят принципиального характера, поэтому их запись опущена.
Входные параметры описанной выше модели, определяемой соотношениями (5.1.2.1) - (5.1.2.2), учитывающие гидрологические условия реки,
178
были заданы на основании эмпирических данных, приведенных в пункте
5.1.1. Параметры обмена А и В приняты в предположении, что А>B, и их
значение таково, что большая часть тяжелой фракции нефтепродуктов на
пути от перехода до устья в период межени первоначально отложится на
грунтах дна и вдоль береговой линии.
Для расчета выходных характеристик были испробованы метод конечно-разностной аппроксимации и интегрирования дифференциальных
уравнений [Самарский, 1983] и метод статистических испытаний (или метод Монте-Карло [Галкин, 1975]).
При решении задачи участок реки от перехода до устья был представлен в виде сеточной области с шагом вдоль реки 0,5 км. Входные и искомые функции задавались или рассчитывались с шагом по времени 0,5 часа
в точках сеточной области (при использовании метода конечно-разностной
аппроксимации) или на интервалах между точками (при использовании метода Монте-Карло). Основным недостатком первого метода является недостаточная аппроксимация (при выбранном шаге пространственновременной дискретизации) распределения концентраций в начальные моменты времени, что приводит к существенным ошибкам в расчете всей
картины динамики загрязнения. Недостаток второго метода - малая статистическая обеспеченность оценок низких значений концентраций. Комплексное сравнение преимуществ и недостатков методов позволяет отдать
предпочтение методу статистических испытаний. Он и был выбран в качестве основного при построении имитационной модели.
При проведении численных экспериментов были имитированы несколько асимптотических ситуаций, анализ которых позволяет оценить
ожидаемые характеристики загрязнения реки в результате аварии. Источник загрязнения имитировался как залповый (в течение получаса) выброс
100 тонн нефти в виде 100000 дискретных частиц. Ее распространение по
реке рассматривалось в двух гидрологических режимах, характеристики
которых описаны в предыдущем пункте. Параметр временной задержки
нефти на дне и берегах реки был выбран таким образом, что при отсутствии ее возврата в воду до Байкала в период межени при минимальном
расходе 95%-й обеспеченности до устья реки доходит около 10% поступившей в нее нефти. Интенсивность отдачи нефти грунтами в воду была
задана в два раза меньше интенсивности ее поглощения.
Результаты оценки динамики загрязнения реки с использованием описанной модели представлены в следующем пункте.
179
5.1.3. Расчеты динамики загрязнения от аварийного
сброса нефтепродуктов
На рис. 5.1.1 - 5.1.6, приводятся результаты оценочных расчетов динамики загрязнения нефтью реки Верхней Ангары с использованием компьютерного варианта модели.
Иллюстрация динамики распространения загрязнения в условиях межени и при отсутствии задержки нефти на берегах и дне реки показана на
рис.5.1.1. В начальный период транзита нефти происходит уменьшение
линейных ее концентраций. Это уменьшение обусловлено интенсивным
растаскиванием пятна загрязнения вдоль стрежня реки за счет существенной поперечной неоднородности поля скорости ее течения. Далее, вследствие падения горизонтальных градиентов концентрации, этот эффект
ослабевает и линейная концентрация уменьшается незначительно. В отдельных местах за счет уменьшения скорости течения на среднем участке
реки она даже возрастает (рис. 5.1.1а). Объемная концентрация уменьшается монотонно, так как по мере передвижения пятна по течению оно смешивается с все более большим количеством воды, поступающей в реку за счет
бокового притока.
Более подробно картина динамики загрязнения реки в период межени
показана на рис. 5.1.2 - 5.1.5. Она рассчитана при залповом выбросе нефти,
но уже с учетом процессов обмена нефтяным загрязнением между водой и
грунтом (дном реки и берегами). В первые часы после аварии и на первых
десятках километров ниже перехода при таких условиях средние концентрации нефтепродуктов достигают десятков тысяч ПДК (рис.5.1.2б и
5.1.3б). При подходе к Байкалу концентрация в пике фронта волны загрязнения уменьшается до 50-100 ПДК (рис. 5.1.4б). Вторичное загрязнение
вод реки за счет ее поступления с берегов и дна еще в течение достаточно
длительного времени создает концентрации до сотни кг/км и десяти ПДК
(рис. 5.1.5).
Загрязнение реки во время паводка (рис. 5.1.6) при тех же значениях
параметров обмена характеризуется меньшей задержкой нефти на грунте
берега и дна реки и большей скоростью транзита нефти Байкал. Средние
концентрации нефти в воде в этой ситуации меньше за счет существенно
больших значений максимального расхода, по сравнению с минимальным.
Однако авария в период паводка является более опасной для Байкала. Высокий уровень воды в реке в этот период и высокая скорость транзита
нефтепродуктов существенно затрудняют своевременное принятие эффективных мер по предотвращению загрязнения озера.
180
а
б
Рис. 5.1.1. Распространение пятна загрязнения вниз по течению при минимальном расходе 95%-й обеспеченности и отсутствии задержки нефти на берегах и дне реки.
Надписи около пиков распределения означают время, прошедшее с момента аварии.
.
181
а
б
Рис. 5.1.2. Распространение пятна загрязнения вниз по течению при минимальном расходе 95%-й обеспеченности при частичной задержке нефти на берегах и дне реки и
наличии обмена нефтью между водой и грунтом берега и дна.
182
а
б
Рис. 5.1.3. Распространение пятна загрязнения вниз по течению при минимальном расходе 95%-й обеспеченности при частичной задержке нефти на берегах и дне
реки и наличии обмена нефтью между водой и грунтом берега и дна.
183
а
б
Рис. 5.1.4. Распространение пятна загрязнения вниз по течению при минимальном расходе 95%-й обеспеченности при частичной задержке нефти на берегах и дне реки
и наличии обмена нефтью между водой и грунтом берега и дна.
184
а
б
Рис. 5.1.5. Распространение загрязнения вниз по течению при минимальном расходе
95%-й обеспеченности при частичной задержке нефти на берегах и дне реки
и наличии обмена нефтью между водой и грунтом берега и дна.
185
а
б
Рис.5.1.6. Расчетная картина загрязнения р.В.Ангары при залповом выбросе нефти в
период максимального расхода 5%-й обеспеченности в момент подхода пика
концентрации к устью реки.
186
5.1.4. Оценка воздействия на окружающую среду и вероятные
ущербы
В результате аварийного выброса нефтепродуктов в р. Верхнюю Ангару при разрыве трубопровода возможно возникновение следующих основных ущербов природной среде, населению и экономике района.
1. Ухудшение качества воды, до уровня непригодного для ее хозяйственно-бытового использования без специальной дополнительной очистки.
2. Гибель омулевой и иной икры на нерестилищах. При аварии в зимний
период может погибнуть существенная часть поколения северобайкальской популяции.
3. Гибель ихтиофауны и других гидробионтов в экосистеме реки. Масштаб
этого ущерба существенно зависит от времени года, в который происходит авария.
4. Частичная гибель и заболевания водоплавающих птиц.
5. Потери промышленного и любительского рыболовства.
6. Значительное ухудшение рекреационных ресурсов реки и сокращение
потока туристов. Авария в летний период является наиболее неблагоприятной для этого вида природопользования.
7. Вынос нефтепродуктов в Байкал и загрязнение воды в его северной части. Это уже чрезвычайная ситуация, связанная с загрязнением особо
охраняемого объекта, отнесенного к объектам мирового наследия.
8. Загрязнение пляжей в Нижнеангарске и на острове Ярки нефтепродуктами.
Последний пункт - одно из очевидных и ближайших последствий выноса нефтепродуктов в Байкал. Остальные требуют специального исследования.
Если аварийный разлив нефти рассматривать как сверхнормативный
несогласованный с природоохранными органами сброс, то за каждую тонну, с учетом существующих нормативов и повышающих коэффициентов,
нужно будет платить 250-300 тыс. руб. За 100 тонн (характерный масштаб
аварии при срабатывании заслонок) сумма ущерба составит соответственно 25-30 млн.руб. Это нижняя оценка ущерба. Полный ущерб будет существенно больше за счет суммы претензий, которые могут быть предъявлены виновникам аварии всеми пострадавшими физическими и юридическими лицами. В случае попадания нефтепродуктов в Байкал иски по ущербу,
которые могут быть предъявлен компании, владеющей нефтепроводом,
еще многократно возрастут.
187