Совершенствование систем охраны прибрежных вод морского торгового порта "Новороссийск" от загрязнений нефтью и нефтепродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»»

(ФГБОУ ВПО «КубГТУ»)

Институт нефти, газа и энергетики

Кафедра технологии нефти и газа

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

на тему: «Совершенствование систем охраны прибрежных вод морского торгового порта «Новороссийск» от загрязнений нефтью и нефтепродуктов»

Автор:

Пашинян В.О.

Краснодар

Содержание

Введение

Глава 1. Общая характеристика экономического и экологического состояния региона

1.1 Экономическая характеристика Краснодарского края

1.2 Географические и климатические характеристики Черного моря и прибрежной зоны

1.3 Техногенные нагрузки в зоне ответственности ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

Глава 2. Перевалка нефти и нефтепродуктов в новороссийской (цемесской) бухте

2.1 Основные физико-химические показатели, свойства и процессы нефти и нефтепродуктов

2.1.1 Фракционный и химический состав нефти

2.1.2 Процессы, происходящие с нефтью на водной поверхности

2.1.3 Воздействие нефти и нефтепродуктов на живые организмы

2.2 Операции хранения, перевалки и транспорта нефти и нефтепродуктов

2.2.1 Назначение и классификация перевалочных нефтебаз

2.2.2 Характеристика нефтеналивных терминалов и причальных сооружений

2.2.3 Перспективы транспорта нефти и нефтепродуктов через ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

Глава 3. Экологическая безопасность прибрежной зоны новороссийской бухты при работе ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

3.1 Гидрологические и климатические факторы Новороссийской бухты

3.1.1 Особенности ветровых характеристик и волнения моря

3.1.2 Направления и скорости течений

3.2 Нефтебазы и нефтеналивные терминалы ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

3.2.1 Общие сведения о нефтяном терминале ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

3.2.2 Технологические объекты, как потенциальные источники разливов терминала

3.3 Перечень операций, производимых с нефтью и нефтепродуктами

3.4 Анализ аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в Новороссийской бухте

3.4.1 Возможные источники аварийных разливов

3.4.2 Последствия аварий

3.5 Информационно-аналитическая система прогнозирования последствий аварийных разливов нефти

3.6 Техника и технология ликвидационных мероприятий

3.7 Мероприятия по обеспечению экологической безопасности акватории ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

3.7.1 Технологии и способы реабилитации загрязненных территорий

3.7.2 Очистка береговой полосы от нефтяного загрязнения

Глава 4. Совершенствование системы экологической безопасности Новороссийской бухты

4.1 Анализ статистических данных о количестве и площади нефтяных разливов в Российской акватории Азово-Черноморского бассейна с 2006 по 2011 год

4.2 Математическое моделирование динамики нефтяного загрязнения береговой линии

4.3 Анализ существующих систем прогнозирования на основе имитационного моделирования нефтяных разливов

4.4 Анализ повреждений и вероятности аварий

4.5 Разработка системы ликвидационных мероприятий

4.5.1 Организация и проведение мониторинга при разливах нефти

4.5.2 Последовательность проведения операций

4.5.3 Описание прибрежных зон подверженных нефтяному загрязнению

Глава 5. Организация ликвидационных мероприятий при загрязнении прибрежных вод ОАО «Новороссийский морской торговый порт» нефтью и нефтепродуктами

5.1 Определение состава и количества технических средств

5.2 Расчет сил средств и времени тушения пожара

5.3 Способы ликвидации нефтяного загрязнения на морской поверхности

5.3.1 Способы ликвидации нефтяного загрязнения на морской поверхности с помощью мобильных систем

5.3.2 Ликвидация нефтяного загрязнения на морской поверхности с якорным креплением боновых заграждений

5.3.3 Сбор нефти с водной поверхности с помощью судовых нефтесборных систем специализированных судов

5.4 Защита береговой полосы от загрязнения

5.5 Нерекомендуемые способы ликвидации нефтяного загрязнения

Список использованных источников

Введение

Актуальность работы. Нефть - ценнейшее сырье, без использования которого невозможна современная цивилизация. Однако процессы добычи, транспортировки, хранения и переработки нефти и нефтепродуктов очень часто становятся источниками загрязнения окружающей среды, которое может приобретать катастрофические масштабы.

Экологические катастрофы происходят при авариях нефтепроводов, когда на значительных пространствах загрязняются нефтью почва и водные источники. Серьезное влияние на экологическую ситуацию оказывают пожары и диверсии на трубопроводах и нефтехранилищах. В результате окружающая среда (воздух, вода, почва и растительность) загрязняется нефтепродуктами, страдает животный мир, а попадание нефтепродуктов в питьевую воду непосредственно угрожает здоровью населения.

Среди многочисленных вредных веществ антропогенного происхождения, попадающих в окружающую среду, нефтепродуктам принадлежит одно из первых мест. Попадание нефти и ее компонентов в окружающую среду вызывает изменение физических, химических и биологических свойств и характеристик природной среды обитания, нарушает ход естественных биохимических процессов. В ходе трансформации углеводородов нефти могут образовываться еще более токсинные соединения, чем исходные, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами стойкие к микробиологическому расщеплению.

Любой и классов нефтепродуктов может стать вредной примесью, загрязняющей воду. В небольших концентрациях нефтяные загрязнения могут влиять на вкус и запах воды, а при больших содержаниях они образуют гигантские нефтяные пятна и становятся причиной экологических катастроф. Легкие нефтепродукты частично растворяются в воде, но большая их часть образует с водой эмульсии различного состава, а тяжелые нефтепродукты попадают на дно водоемов и накапливаются в донных осадках. Попадающие в природные воды нефтяные загрязнения имеют тенденцию к рассеиванию и миграции. При этом в поверхностных водах состав нефтепродуктов под влиянием испарения и интенсивного протекания химического и биологического разложения претерпевает за короткий срок быстрые изменения. В подземных же водах, наоборот, процессы разрушения нефтепродуктов заторможены. Число экологических катастроф, связанных с разливами нефти при транспортировке танкерами, морском бурении и других видах деятельности человека продолжает увеличиваться.

Проблема загрязнения Черного моря является весьма актуальной. В последние годы резко возросло загрязнение прибрежной зоны Черного моря нефтепродуктами, что вызвано, прежде всего, увеличением объемов перевозок морским транспортом, вводом в эксплуатацию новых нефтяных терминалов.

Поэтому является актуальным оценка современного состояния экосистемы Цемесской бухты, изучение степени влияния на нее техногенной нагрузки ПНБ «Шесхарис» и рекомендации по улучшению экологической обстановки в районе Новороссийской (Цемесской) бухты.

По Черному морю осуществляется экспорт 23% всей российской нефти, 74% казахстанской и 65% нефтяного экспорта Азербайджана. Ежегодно в Черное море попадает до 170 тыс. т. нефтепродуктов.

Цемесская бухта, где расположены ПНБ «Шесхарис», пассажирские и грузовые порты и нефтеналивные гавани, испытывают интенсивную техногенную нагрузку, интенсивность которой возрастает с каждым годом. Предполагается дальнейшее наращивание производственных мощностей путем строительства ряда перегрузочных комплексов, расширение действующих и строительство новых терминалов, что также может повысить антропогенную нагрузку.

В последние годы в акватории Цемесской бухты сложилось несколько аварийных ситуаций, связанных с попадением больших количеств нефти и нефтепродуктов в воду. Уровень нынешнего загрязнения Черного моря превышает способность морей к самоочищению и создает угрозу для здоровья людей.

По оценкам Департамента природных ресурсов и государственного экологического контроля Краснодарского края в прибрежную зону Азовского и Черного морей ежегодно попадает около 500 т нефти: при погрузке и аварийных разливах - 38%; из-за сбросов нефти с судов - 22%; с речными водами - 17%; с промышленными сточными водами - 11%; из атмосферы - 6%; с ливневыми водами населенных пунктов - 5%; в результате естественного выхода из недр - 1%. Поэтому особое внимание в настоящее время уделяется обеспечению экологической безопасности при разливах нефти в прибрежной зоне ОАО «Новороссийский морской торговый порт».

Антропогенная деятельность человека негативно сказывается на состоянии окружающей среды. Согласно постановлениям Правительства РФ от 21.08.2000 г. №613 «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» и от 15.04.02 г. №240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на территории РФ» разрабатываются и совершенствуются системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти.

Информационная поддержка принятия решений при аварийных разливах нефти осуществляется с использованием системы прогнозирования. Система прогнозирования последствий аварийных разливов нефти опирается на современные методы математического моделирования, учитывающие гидродинамические и климатические особенности прибрежной зоны ОАО «Новороссийский морской торговый порт», методы экологического мониторинга, методы комплексной оценки экологической чувствительности прибрежно-морских зон к нефтяному загрязнению.

Цель работы. Повышение экологической безопасности за счет совершенствования системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти в прибрежной зоне Новороссийской (Цемесской) бухты на основе использования программ математического моделирования PROLIV.

Для достижения цели исследования поставлены следующие задачи:

1. Установить особенности влияния гидродинамических и климатических условий, физико-химических свойств нефтяных разливов на конфигурацию зоны нефтяного загрязнения в Новороссийской (Цемесской) бухте.

2. Исследование вероятности применения имитационного моделирования динамики зоны ОАО «Новороссийский морской торговый порт».

3. Разработана структура информационно-аналитической системы прогнозирования последствий аварийных разливов нефти и рекомендации по повышению экологической безопасности в прибрежной зоне Новороссийской бухты.

Научная новизна.

1. Установлены особенности влияния гидродинамических и климатических условий, физико-химических свойств нефтяных разливов на конфигурацию зоны нефтяного загрязнения в Новороссийской (Цемесской) бухте. Проведен статистический анализ факторов, оказавших влияние на аварийные разливы нефтепродуктов с 2006 по 2011 г. в этой акватории.

2. Рассмотрены математические модель динамики экологически опасных зон потенциального нефтяного загрязнения акватории Новороссийской (Цемесской) бухты, учитывающая процессы конвективного переноса, диффузии, биологической деструкции, испарения легких фракций, направление и скорость течения, направление и скорость ветра, температуру водной поверхности. Определен интервал времени оперативного реагирования по достижении нефтяным пятном береговой зоны.

3. Проведены с помощью имитационного моделирования «PROLIV» динамики функциональное зонирование побережья Новороссийской (Цемесской) бухты с составлением электронных карт потенциальных зон нефтяных загрязнений, позволяющих повысить экологическую безопасность при разливе на прибрежную зону.

4. Впервые разработаны рекомендации по повышению экологической безопасности в прибрежной зоне Новороссийской (Цемесской) бухты, на основе функционального зонирования нефтяных загрязнений.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Международной конференции в г.Туапсе «Молодая наука - 2013».

Глава 1. Общая характеристика экономического и экологического состояния региона

1.1 Экономическая характеристика Краснодарского края

Краснодарский край - особый регион России по разнообразию своего географического положения, природных ландшафтов, почвенных и климатических ресурсов, поверхностных и подземных вод, видов растительного и животного мира, качеству природных условий. Человек воздействует на естественную среду своего обитания, как потребляя ее ресурсы, так и изменяя природную среду, приспосабливая ее для решения своих задач. Антропогенная деятельность оказывает существенное влияние на окружающую среду, подвергая ее изменениям, которые затем влияют и на самого человека. Загрязнение рек и морей, расположенных на территории края, приводит в первую очередь к потере их привлекательности для туризма и отдыха. Для Краснодарского края курортная отрасль - одна из ведущих в экономике.

Краснодарский край входит в число наиболее развитых регионов Южного федерального округа. Огромное воздействие на экономику региона оказывает выгодное географическое положение, высокий ресурсный и кадровый потенциал. Положение вблизи Азовского и Черного морей, ландшафтное разнообразие территории, высокая плотность путей сообщения способствуют развитию многих отраслей промышленности и сельского хозяйства, а также рекреационному использованию.

На долю региона приходится около 1,5% промышленного производства и более 7,5% сельскохозяйственного производства страны.

Основу промышленного производства края составляют около 850 крупных и средних предприятий и свыше 3,5 тысяч предприятий малого бизнеса. Индекс промышленного производства в 2011 году составил 104,7%. Замедление роста произошло по всем трем сегментам промышленности: в добыче полезных ископаемых- на 1,3 п.п., в обрабатываемых производствах - на 1,6 п.п., в производстве и распределении электроэнергии, газа и воды - на 6,9 п.п.

В обрабатываемых производствах индекс промышленного производства составил 106,9%. Положительная динамика выпуска продукции отмечена в 13 из 14 основных секторов.

Отрицательная динамика сохраняется в добыче полезных ископаемых - 99,4% к уровню 2010 года. Добыча топливно-энергетических ресурсов снижена на 1,1%, при этом добыча нефти уменьшена на 3,5%, природного газа - увеличена на 2,5%. И это несмотря на то, что нефтедобывающие компании вложили в геологоразведочные работы в 2011 году более 1 млрд. рублей и ввели в эксплуатацию 3 нефтяные скважины.

Ведётся строительство крупных объектов: двух цементных производств в Новороссийске, перегрузочных комплексов открытого и крытого хранения в портах Тамань и Кавказ, а также коренная реконструкция Туапсинского нефтеперерабатывающего завода.

В результате роста валовых сборов всех видов сельскохозяйственных культур, а также увеличения производства отдельных видов животноводческой продукции нарастает положительная динамика в сельском хозяйстве - 110,7% (103,8% в 2010 году). Валовая продукция сельского хозяйства составила 246,3 млрд. рублей, что на 10,7% превышает показатель 2010 года (год назад темпы роста были ниже - 103,8%). Рост сельскохозяйственного производства обусловлен опережающей динамикой растениеводства.

Темпы роста услуг в транспортном комплексе составили 106,4% к уровню 2010 года. Это стало возможным благодаря росту физических показателей: объем грузоперевозок вырос на 6,8%, пассажирских перевозок - на 3,2%.

Объем услуг связи по итогам 2011 года возрос на 16,7% и составил 45,7 млрд. рублей. Объем платных услуг населению, оказанных курортно-туристским комплексом в 2011 году составил 27,1 млрд. рублей с темпом роста 102,7% к уровню предыдущего года. С начала года на курортах края отдохнуло порядка 11 млн. человек, что на 6% больше прошлогоднего показателя.

Анализ экономических показателей Краснодарского края позволяет сделать выводы, что в 2011 году наблюдается сокращение уровня производства на предприятиях деревообработки, по добыче полезных ископаемых (топливно-энергетических ресурсов) и электроэнергетики.

По данным департамента здравоохранения Краснодарского края численность постоянного населения Краснодарского края на 01.01.2009 года составила 5141,6 тыс. человек; на начало 2008г. -- 5121,8. Население края за 2008 год увеличилось на 19,8 тыс. человек. Одним из показателей, характеризующих уровень жизни населения края, является соотношение среднедушевого дохода и величины прожиточного минимума, которое в декабре 2008 года составило 3,5 раза. Потребительские расходы (покупка товаров и оплата услуг) в среднем на душу населения в месяц за январь -- ноябрь 2008 года составили 10664,7 рубля и увеличились по сравнению с соответствующим периодом 2007 года на 31,1%.

Анализ экономических показателей Краснодарского края позволяет сделать вывод, что в 2008 году наблюдалось увеличение производственной активности хозяйствующих субъектов, что в свою очередь привело к увеличению объемов использования природных ресурсов и антропогенной нагрузки на окружающую среду [20].

1.2 Географические и климатические характеристики Черного моря и прибрежной зоны

Черное море располагается между Европой и Малой Азией. Керченским проливом оно соединяется с Азовским морем, проливом Босфор - с Мраморным морем, и далее через пролив Дарданеллы - с Эгейским и Средиземным морями. Площадь моря составляет 422 тыс. км², наибольшая глубина - 2210 м. На западе и северо-западе моря берега низкие, на востоке к морю вплотную подступают горы Кавказа, на юге и севере - гористые районы Малой Азии и невысокие горы Крыма.

Район Черноморского побережья РФ расположен между 43⁰23' - 45⁰12' с.ш. и 40⁰00' - 36⁰36' в.д. В южной части берега гористые. Рельеф дна характеризуется узким шельфом и сильно расчлененным материковым склоном. Ширина шельфа здесь составляет в среднем 8 км. Граница шельфа редко превышает глубину 110 м. Переход к материковому склону резкий, уклон составляет 15^О-20^О. Склон сильно расчленен каньонами, часть которых приурочена к устьям рек, и осложнен грядами и возвышенностями, основания которых распространяются до глубин 1400 - 1800 м.

Обычно воды моря подразделяют на прибрежные и открытые. Последние состоят из поверхностных (до 70 м), промежуточных (до 1000 м) и глубинных водных масс. Циркуляция поверхностных вод моря циклоническая. Выделяются два крупных центральных круговорота в восточной и западной частях моря. Скорость течения увеличивается от 10 см/с в центре до 25 см/с на периферии этих круговоротов [5].

Динамика вод в прибрежной зоне, ограниченной кромкой шельфа, обусловливается взаимодействием центрального циклонического и локальными потоками. Последние весьма изменчивы, часто носят вихревой характер и во многом зависят от орографии дна и других местных условий; основное черноморское течение приурочено к материковому склону шириной 40-80 км и имеет струйный характер со скоростью на поверхности 0,4-0,5 м/с. Границы между зонами течений условны, особенно при развитой синоптической изменчивости основного черноморского течения. Повторяемость таких ситуаций велика весной и осенью при общем ослаблении циркуляции вод. Нисходящие движения преобладают в прибрежной зоне и в течениях с северной составляющей скорости.

Годовой речной сток в море составляет в среднем 346 км³, объем воды в море оценивается в 555 тыс. км³. Уровень Черного моря изменяется в основном под влиянием сгонно-нагонных и сейшевых колебаний, а также стока речных вод. Сгонно-нагонные колебания уровня неодинаковы в разных районах моря и в разные сезоны. В мелководных частях моря, в заливах и бухтах сгоны и нагоны формируются под действием ветра, направленного перпендикулярно береговой линии. У приглубых берегов, наоборот, максимальные сгоны отмечаются при ветрах, дующих параллельно береговой линии. Особенно большие сгонно-нагонные колебания в западном и северо-западном районах Черного моря отмечаются в октябре -- феврале. Их величина превышает 0,5 м, на мелководье достигает 1,5 м, а иногда и более. В редких случаях на Черном море наблюдаются штормовые нагоны до 4 м.

Скорость течения в среднем составляет 0,6-1,2 узла на оси течения увеличивается до 1,4 узлов. При сильных ветрах, направление которых совпадает с направлением потока, максимальная скорость достигает 3 узла. На отдельных участках основного потока под действием сильных и продолжительных встречных ветров течение иногда меняет направление на обратное, а скорость его уменьшается до 0,2 узла.

За пределами основного течения, в центральной глубоководной части моря, располагаются обширные круговороты устойчивой циклонической циркуляции; скорость на их периферии 0,4 - 0,8 узла, в центре 0,2 - 0,4 узла. В отдельных глубоководных районах моря отмечаются малые локальные круговороты; скорость на их периферии 0,4 - 0,6 узла, в центре 0,2 - 0,4 уз.

Основное течение в общей системе циркуляции выражено наиболее ярко, его устойчивость составляет 80 % в зимний период, 90 % в летний и 80 - 85% в переходные периоды.

Значительная площадь Черного моря, приглубость его берегов, малая изрезанность береговой линии, слабое и кратковременное развитие ледяного покрова, частое прохождение циклонов и сильные северные и северо-восточные ветры, особенно в холодный период года, создают благоприятные условия для развития ветрового волнения, зыби и прибоя.

По характеру волнового режима Черное море можно разделить на две зоны - «штормовую» и «спокойную». Граница между ними проходит по линии соединяющей порт Туапсе с проливом Босфор. Северо-западнее этой линии расположена «штормовая» часть Черного моря, юго-восточнее - «спокойная».

Летом повсеместно преобладает слабое волнение, повторяемость волн высотой менее 1 м составляет 55-70%. Зимой повторяемость таких волн уменьшается на северо-востоке района до 40%, в остальной части моря до 27%. Волны высотой 2 - 3 м чаще всего отмечаются зимой, повторяемость их достигает в этот период 20%, в остальное время года она не более 12%. Волны высотой 6 м и более наблюдаются редко, повторяемость их не превышает 1% (декабрь - февраль).

Соленость поверхностного слоя моря в центральной части моря около 18%, по мере приближения к берегам она уменьшается до 16% в районе устьев рек соленость может понизиться до 5% и менее. Плотность поверхностного слоя моря в феврале составляет 1,014-1,016, а к августу уменьшается до 1,011. Сезонный ход солености поверхностного слоя прибрежных вод обусловливается изменением соотношения речного стока и общей циркуляции. Годовой речной сток малых рек Кавказа составляет примерно в 7,17 км³. Прибрежные воды от Анапы до Сочи относятся к району с относительно пониженной соленостью во все сезоны года. Особенно заметно локальное понижение солености на юге района, в месте впадения в море р.Сочи. От этого участка по направлению к северу соленость повышается. Минимум в сезонном ходе приходится на апрель-март на всех участках района и меняется от 16,39 (Сочи) до 17,99 (Анапа). Летом наблюдается незначительное повышение солености прибрежных вод, максимум обычно отмечается в октябре-ноябре в диапазоне и составляет от 16,92 (Сочи) до 18,26 (Анапа). Ледообразование в районе обычно не происходит [36,106].Средняя соленость составляет около 18‰, близ устьев рек - менее 9. В открытой части моря соленость увеличивается с глубиной от 17-18 на поверхности до 22,5 у дна. Важной особенностью гидрологической структуры вод моря является существование постоянного галоклина между горизонтами 100-150 м. Соленость в этом интервале глубин увеличивается с 18,5 до 21.

Кавказское побережье и прилегающие районы моря отличаются наименьшими скоростями ветра в течение всего года. Это объясняется влиянием горных хребтов Северного Кавказа, расположенных здесь почти параллельно берегу. Для побережья Кавказа наиболее характерны четыре типа погоды:

- антициклонический тип характеризуется слабым ветром бризового характера не более 3-4 баллов, ясным небом. В теплую часть года этот тип является преобладающим; такая погода формируется при антициклоне с центром, располагающимся в районе Евпатории;

- слабоциклонический тип характеризуется слабыми и умеренными ветрами, неустойчивыми по направлению. Наблюдается умеренная облачность зимой и круговая летом, нередки грозы. Этот тип погоды формируется при прохождении слабо выраженных фронтов и неглубоких циклонов;

- циклонический тип характеризуется умеренными ветрами неустойчивых направлений, теплая вначале погода затем сменяется похолоданием. Этот тип погоды формируется при прохождении циклонов и ярко выраженных фронтов;

- восточный тип наблюдается в основном в холодное время года. Ветер носит характер фенов. Небо ясное. Этот тип погоды формируется при высоком давлении над Кавказом и предшествует циклоническим типам погоды. Изменения типов погоды и прохождение циклонов и фронтов в зависимости от орографических характеристик портов обуславливают колебания сейшевого характера (тягун) с периодами от 40 до 90 минут и амплитудами 40-50 см. Наиболее ощутимо негативное влияние тягуна проявляется в Туапсе.

Температура поверхностного слоя моря довольно высокая в течение всего года. Минимальная среднемесячная температура поверхностного слоя воды в прибрежной зоне на всех станциях наблюдается в феврале и составляет 6,2-8,6 ^ОС. В марте начинается прогрев прибрежной акватории, особенно на мелководных участках. К апрелю поверхностная температура выравнивается и становится близка к 10-11 ^ОС. В мае-июне продолжается быстрый прогрев вод. Максимум температуры наблюдается в августе и составляет 23,5-24,9 ^ОС. В сентябре начинается повсеместное выхолаживание вод с опережением в мелководных районах, вследствие чего уже в октябре-ноябре наблюдается зимний тип распределения температуры поверхностного слоя прибрежных вод с минимумами в мелководных и максимумами в относительно приглубых областях. Глубже сезонного термоклина температура понижается примерно до слоя 75-100 м, где располагаются холодные промежуточные воды с постоянной в течение всего года температурой 7-8 ^ОС. Ниже температура с глубиной очень медленно повышается из-за геотермического притока тепла от дна и на глубине 2 км достигает 9,2 ^ОС.

На изменение температуры воды в прибрежных районах большое влияние оказывают сгонно-нагонные явления. Так, у берегов Крымского полуострова и у восточного берега моря летом отмечались случаи, когда после сильного сгона температура поверхностного слоя моря понижалась с 25 до 7 °С.

Море почти всегда свободно ото льда. Лишь в отдельные холодные зимы прибрежные воды в северо-западной мелководной части моря покрываются льдом. Ледообразование начинается в середине декабря. Толщина льда достигает 14-15 см, а в суровые зимы - 50-55 см. К концу марта льды повсеместно исчезают. Хорошо выражены в море как сгонно-нагонные явления (колебания уровня более 30 см), так и сейши с периодами от нескольких минут до 2 ч и амплитудой в 40 - 50 см.

К особым метеорологическим явлениям, характерным для всего бассейна Черного моря, в том числе Новороссийской бухты, относятся грозы, град, гололед, метели, смерчи, пыльные бури. Их краткая характеристика представлена ниже.

Грозы. Среднее годовое число дней с грозой в большей части описываемого района изменяется от 10 до 28; наиболее активная грозовая деятельность отмечается на юго-восточном побережье, где за год бывает от 33 до 39 дней с грозой. Чаще всего грозы наблюдаются с апреля - мая по сентябрь, когда среднее месячное число дней с ними составляет 1-8. С октября по март грозы редки.

Град наиболее вероятен с апреля по июнь. Он может выпадать на всем побережье Черного моря.

Гололед возможен в холодное время года, чаще всего он образуется в начале или в конце зимы.

Метели бывают только в северной части района с декабря -- января по март.

Смерчи возможны на Черном море летом и в начале осени; они сопровождаются дождями и грозами. Чаще всего смерчи наблюдаются у Кавказского побережья. Смерч -- это вихрь, обладающий большой разрушительной силой и имеющий вертикальную или изогнутую ось диаметром несколько десятков метров. Давление воздуха в нем понижено. Смерч имеет вид темного облачного столба. Образование его связано с особо сильной неустойчивостью атмосферы. Сначала в нижней части кучево-дождевого облака появляется воронкообразный отросток, постепенно опускающийся вниз в виде облачной трубки, напоминающей гибкий шланг. Навстречу ему поднимается столб водяных брызг с моря. Из одного кучево-дождевого облака может опускаться одновременно несколько смерчей; в этом случае они имеют небольшой диаметр. Скорость перемещения смерча в среднем 10 м/с. Скорость ветра в смерче достигает 100 м/с. Вращательное движение в нем может происходить как по часовой стрелке, так и против нее. Продолжительность его существования от нескольких минут до нескольких десятков минут. Нередко смерчи вызывают катастрофические разрушения, иногда бывают человеческие жертвы. Черноморские смерчи нередко выходят на берег, не теряя, а, наоборот, увеличивая свою силу.

Пыльные бури зарождаются при ветрах, скорость которых превышает 8 м/с. При этом с поверхности земли поднимается масса песка и пыли, вызывающая сильное помутнение воздуха и ухудшение видимости. Дальность видимости при пыльных бурях обычно менее 1 км. Пыль и песок, поднятые во время бури, в виде облаков черного цвета (в описываемом районе пыльные бури имеют название «черные» бури) распространяются до высоты около 500 м, но в отдельных случаях могут подниматься и выше. Длительность бурь может изменяться в широких пределах. Например, весной 1960 г. пыльные бури длились около 5 дней. Особенно благоприятны для развития пыльных бурь дневные часы, когда скорость ветра наибольшая [36,106].

1.3 Техногенные нагрузки в зоне ответственности ОАО «Новороссийский морской торговый порт»

Места добычи нефти находятся, восновном, назначительном удалении отмест еепотребления, причем зачастую они разделены большими водными пространствами, поэтому нефть инефтепродукты являются одним изосновных грузов для перевозки морем. Основные причины загрязнений - крупные морские порты, доля перевалки нефти и нефтепродуктов через которые составляет около 40% от всего экспорта страны. В результате деятельности промышленных предприятий растет количество взвешенных частиц. Новороссийск - один из самых экологически неблагополучных городов России. ОАО «Новороссийский морской торговый порт»может принимать и обрабатывать специализированные суда-танкеры грузоподъемностью до 250 тыс.т и обеспечивать скорость погрузки нефти до 15 тыс.твчас, но такой современный причал всего лишь один. Большинство причалов комплекса приспособлено к приему и обработке сравнительно небольших танкеров грузоподъемностью до 45 тыс.т. Из 35,2 млн.т более 34млн.т составляет нефть для поставки на экспорт. В море сбрасывается до одной тонны м³ плохо очищенной воды. Каспийский трубопроводный консорциум отгружает 18 млн. тонн нефти, а будет в будущем все 60. Бухта загрязнена вдоль всей набережной настолько, что фактически не пригодна для купания. Одной из основных проблем такого крупного портового предприятия является утилизация и очистка нефтяных отходов (КТНГ.280700.002.СП).

Перевалка нефтегрузов на специализированные морские суда производится на морских нефтеперевалочных комплексах и припортовых нефтяных терминалах и состоит из двух частей:

- перевалка с берега на специализированные морские суда;

- перевозка специализированными морскими судами.

Нагруженность промышленными и перерабатывающими предприятиями, расположенными на побережье Черного и Азовского морей способствуют нарушению сформировавшегося природного и экологического баланса.

Большую роль при анализе загрязнений морей играют гидрометеорологические показатели. Они помогают в прогнозировании дальнейшего движения загрязнений, что немаловажно при ликвидации разливов.

Глава 2. Перевалка нефти и нефтепродуктов в Новороссийской (Цемесской) бухте

2.1 Основные физико-химические показатели, свойства и процессы нефти и нефтепродуктов

2.1.1 Фракционный и химический состав нефти

Нефть представляет собой многокомпонентную непрерывную смесь углеводородов и гетероатомных соединений, то обычными методами перегонки не удается разделить их на индивидуальные соединения со строго определенными физическими константами, в частности температурой кипения при данном давлении. Принято разделять нефть и нефтепродукты путем перегонки на отдельные компоненты, каждый из которых является менее сложной смесью. Такие компоненты называют фракциями или дистиллятами. В условиях лабораторной или промышленной перегонки отдельные нефтяные фракции отгоняются при постоянно повышающейся температуре кипения. Следовательно, нефть и ее фракции характеризуются не температурой кипения, а температурными пределами начала кипения и конца кипения.

Нефти различных месторождений значительно различаются по фракционному составу и, следовательно, по потенциальному содержанию дистиллятов моторного топлива и смазочных масел. Большинство нефтей содержит 10-30 % бензиновых фракций, выкипающих до 200 % и 40-65% керосиногазойлевых фракций, перегоняющихся до 350 °С. Известны месторождения легких нефтей с высоким содержанием светлых (до 350 °С). Добываются также очень тяжелые нефти, состоящие в основном из высококипящих фракций.

Углеводный состав нефти -- является наиболее важным показателем их качества, определяющим выбор метода переработки, ассортимент и эксплуатационные свойства получаемых нефтепродуктов. В исходных нефтях содержатся в различных соотношениях все классы углеводов, кроме алкенов: алканы, цикланы, арены, а также гетероатомные соединения. Алканы (СnН2n+2) -- парафиновые углеводы -- составляют значительную часть групповых компонентов нефтей, газоконденсатов и природных газов. Общее содержание их в нефтях составляет 25-75% маc. и только в некоторых парафинистых нефтях достигает 40-50%. С повышением молярной фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. Попутные нефтяные и природные газы практически полностью, а прямогонные бензины чаще всего на 60-70% состоят из алканов. В масляных фракциях их содержание снижается до 5-20% маc. Из алканов в бензинах преобладают 2- и 3-монометилзамещенные, при этом доля изоалканов с четвертичным углеродным атомом меньше, а этил- и пропилзамещенные изоалканы практически отсутствуют. С увеличением числа атомов углерода в молекуле алканов свыше 8 относительное содержание монозамещенных снижается. В газойлевых фракциях (200-350 °С) нефтей содержатся алканы от додекана до эйкозана. Установлено, что среди алканов в них преобладают монометилзамещенные и изопреноидные (с чередованием боковых метильных групп через три углеродных атома в основе углеродной цепи) структуры. В среднем содержание алканов изопреноидного строения составляет около 10-11%.

Циклоалканы (СnН2n) -- нафтеновые углеводы -- входят в состав всех фракций нефтей, кроме газов. В среднем в нефтях различных типов они содержатся от 25 до 80% мас. Бензиновые и керосиновые фракции представлены в основном гомологами циклопентана и циклогексана, преимущественно с короткими (C₁ -- С₃) алкилзамещенными цикланами. Высококипящие фракции содержат преимущественно полициклические гомологи цикланов с 2-4 одинаковыми или разными цикланами сочлененного или конденсированного типа строения. Распределение цикланов по фракциям нефти самое разнообразное. Их содержание растет по мере утяжеления фракций и только в наиболее высококипящих масляных фракциях падает. Можно отметить следующее распределение изомеров цикланов: среди С₇ -- циклопентанов преобладают 1,2 -- и 1,3-диметилзамещенные; С₈ -- циклопентаны представлены преимущественно триметилзамещенными; среди алкилциклогексанов преобладает доля ди- и триметилзамещенные, не содержащие четвертичного атома углерода.

Цикланы являются наиболее высококачественной составной частью моторного топлива и смазочных масел. Моноциклические цикланы придают моторному топливу высокие эксплуатационные свойства, являются более качественным сырьем в процессах каталитического реформинга. В составе смазочных масел они обеспечивают малое изменение вязкости от температуры (т. е. высокий индекс). При одинаковом числе углеродных атомов цикланы по сравнению с алканами характеризуются большей плотностью и, что особенно важно, меньшей температурой застывания.

Арены (ароматические углеводороды) с эмпирической формулой СnНn+2-2Ка (где Ка -- число ареновых колец) -- содержатся в нефтях обычно в меньшем количестве (15-50%), чем алканы и цикланы, и представлены гомологами бензола в бензиновых фракциях. Распределение их по фракциям различно и зависит от степени ароматизированности нефти, выражающейся в ее плотность. В легких нефтях содержание аренов с повышением температуры кипения фракции, как правило, снижается. Нефти средней плотности цикланового типа характеризуются почти равномерным распределением аренов по фракциям. В тяжелых нефтях содержание их резко возрастает с повышением температуры кипения фракций. Установлена следующая закономерность распределения изомеров аренов в бензиновых фракциях: из C₈-аренов больше 1,3-диметилзамещенных, чем этилбензолов; С₉-аренов преобладают 1,2,4-триметилзамещенные. Арены являются ценными компонентами в автобензине (с высокими октановым числом), но нежелательными в реактивном топливе и дизельном топливе. Моноциклические арены с длинными боковыми алкильными цепями придают смазочным маслам хорошие вязкостно-температурные свойства.

Сырые нефти - чрезвычайно сложные смеси, в состав которых входят тысячи компонентов. Эти компоненты объединяют в группы или фракции.

1. Группа легких компонентов характеризуется следующими свойствами:

содержание атомов углерода не превышает 10;

температура кипения до 150 ^оС;

быстрое и полное испарение, обычно в течение суток;

высокая растворимость в воде (до 95% от объема этой псевдофракции растворяется; для некоторых ароматических соединений растворимость составляет до 1000 мг/л);

острая токсичность в силу содержания в этой псевдофракции моноароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилена).

2. Группа компонентов со средним весом имеет следующие определяющие свойства:

содержание атомов углерода изменяется в пределах от 11 до 22;

температура кипения варьируется в пределах от 150 до 400 ^оС;

испарение продолжается несколько дней, после чего остается нефтяной остаток, нефть из которого может испаряться только при температуре, намного превышающей температуру окружающей среды;

низкая растворимость в воде, составляющая несколько мг/л;

высокая токсичность из-за содержания в этой псевдофракции диароматических углеводородов (нафталина).

3. Группа тяжелых компонентов выделяется по следующим основным признакам:

содержание атомов углерода более 20;

температура кипения более 400 ^оС;

испарение практически не происходит;

растворимость в воде чрезвычайно низкая;

осаждение на дно и формирование донных отложений в виде смоляных шаров и асфальтовых дорожек.

Из нефти выделяют разнообразные продукты, имеющие большое практическое значение. Сначала из нее удаляют растворенные газообразные углеводороды (преимущественно метан). После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в парообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения. Таким образом можно собрать отдельные смеси (фракции) нефти. Чаще всего при такой перегонке получают четыре летучие фракции, которые затем подвергаются дальнейшему разделению.

Основные фракции нефти следующие:

- газолиновая фракция, собираемая от 40 до 200 °С, содержит углеводороды от С₅Н₁₂ до С₁₁Н₂₄. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают газолин (t_кип = 40-70 °С), бензин (t_кип = 70-120 °С) - авиационный, автомобильный и т.д.;

- лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С₈Н₁₈ до С₁₄Н₃₀. Лигроин применяется как горючее для тракторов. Большие количества лигроина перерабатывают в бензин;

- керосиновая фракция включает углеводороды от С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ с температурой кипения от 180 до 300 °С. Керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет;

- газойлевая фракция (t_кип > 275 °С), по-другому называется дизельным топливом;

- мазут - остаток после перегонки нефти содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также разделяют на фракции перегонкой под уменьшенным давлением, чтобы избежать разложения. В результате получают соляровые масла (дизельное топливо), смазочные масла (автотракторные, авиационные, индустриальные и др.), вазелин (технический вазелин применяется для смазки металлических изделий с целью предохранения их от коррозии, очищенный вазелин используется как основа для косметических средств и в медицине).

Из некоторых сортов нефти получают парафин (для производства спичек, свечей и др.). После отгонки летучих компонентов из мазута остается гудрон. Его широко применяют в дорожном строительстве. Кроме переработки на смазочные масла мазут также используют в качестве жидкого топлива в котельных установках.

2.1.2 Процессы, происходящие с нефтью на водной поверхности

При изучении процессов, происходящих с нефтью в море, эти фракции объединяют в одну формальную псевдофракцию, т.е. производится факторизация реальных фракций нефти по скорости моделируемой физико-химической или биохимической реакции и формирование факторизованных фракций, что позволяет оценить поведение и судьбу нефти, попавшей в море [10].

Нефть представляет собой многокомпонентную смесь, составляющие которой имеют различные физико-химические свойства. Нефть, попавшая в воду, испытывает различные физические, химические и биологические превращения из-за контакта с водой и воздухом, что приводит к изменению ее состава и свойств [26].

В море нефть может находиться в различных состояниях:

- молекулярная пленка;

- пленка толщиной до нескольких мм (слик);

- эмульсия «вода в нефти» или «нефть в воде»;

- донные отложения, растворенная в воде нефть, нефтяные агрегаты.

Поведение нефти, попавшей в море, зависит от ее физико-химических свойств, а также от условий окружающей среды: ветровой и волновой обстановки, течений, количества нефтеокисляющих бактерий, температуры воздуха и воды [1, 11].

Достигнув берега, нефть в зависимости от его структуры, может вести себя следующим образом:

- налипать на скалы и береговые сооружения;

- накапливаться толстой пленкой в приливно-отливной зоне;

- проникать между камнями на глубину до 1 м;

- смешиваться с минеральными и растительными частицами, образуя нефтяные «лепешки»; отражаться от берега в некотором количестве, оставаясь на поверхности моря.

Контакт нефтяного пятна с берегом значительно усложняет проведение ликвидационных мероприятий, а также приводит к повышению экологической опасности разлива нефти [20].

Очередной задачей при ликвидационных мероприятиях является предотвращение контакта нефтяного пятна с берегом и сбор разлившейся нефти с водной поверхности.

Процесс распространения нефтяных пятен в море подчиняется сложным математическим законам. Решение такой сложной многофункциональной задачи требует комплексного подхода, в котором должны сочетаться исследования гидродинамической структуры моря и физико-химических изменений нефти при её взаимодействии с окружающей средой. Механическое перемещение (растекание и адвекция), турбулентное перемешивание (диспергирование, диффузия, седиментация - осаждение) и физико-химические изменения зависят от турбулентно-циркуляционных параметров морской среды и свойств самого вещества. К основным физико-химическим изменениям нефти под воздействием внешних факторов относятся испарение, эмульгирование, растворение в воде, фотоокисление и биоразложение.

Растекание - процесс, происходящий под действием сил гравитации с некоторым объемом нефти, попавшей в море, который довольно быстро приводит к формированию слика на водной поверхности. Растекание определяется динамическим равновесием между силами гравитации, инерции, трения, вязкости и поверхностного натяжения. Процесс гравитационного растекания занимает короткий промежуток времени, в результате чего формируется пятно с некоторой начальной площадью. В моделях долгосрочного прогноза поведения нефти в море растекание не учитывают.

Адвекция - процесс смещения нефтяного пятна, который возникает под влиянием ветров и течений. Нефть дрейфует со скоростью, составляющей несколько процентов от скорости ветра. По приблизительным оценкам, скорость перемещения нефтяного пятна составляет 60 % скорости течения и 3-4% скорости ветра [2, 20, 28].

Испарение - один из первых процессов изменения нефти в море, связанный с испарением летучих фракций. Скорость испарения различна и зависит от природы нефти, температуры, ветровой и волновой деятельности. Наиболее интенсивное испарение происходит в первые часы после попадания нефти в море. Потери нефти при испарении составляют от 30% до 60% от всей массы нефтяного слика [21]. К концу первых суток испаряется 50% соединений, содержащих 13--14 атомов С; к концу 3-й недели улетучивается 50% соединений с 17 атомами С. В процессе испарения вязкость остатка нефти увеличивается, что приводит к образованию смолообразных комков -- нефтяных агрегатов.

Растворение - большинство компонентов нефти плохо растворимы в морской воде, в связи с чем потери нефти за счет процессов растворения составляют лишь несколько процентов от общей массы нефтяного пятна. Наибольшей растворимостью обладают низкомолекулярные ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол) [22]. С увеличением молекулярной массы растворимость нефтяных углеводородов уменьшается. Практически все углеводороды имеют определенную, хотя и малую растворимость в воде, что вызывает молекулярную дисперсию составных частей нефти в морской воде. Содержание растворенных углеводородов в поверхностном слое моря значительно больше, чем в нижележащих слоях воды.

Фотоокисление - часть нефти испаряется с поверхности моря, при этом углеводороды в газовой фазе почти все подвергаются окислению в процессе фотохимических реакций в течение нескольких часов или дней [18]. Конечными продуктами процессов фотоокисления являются СО, СО₂, окисленные органические вещества, «вторичные» аэрозоли и др. Фотохимическому окислению подвергаются ароматические и полярные соединения.

Биоразложение - процесс разрушения нефтяных углеводородов бактериями, а также трансформация нефтяных углеводородов морскими животными. В результате этого процесса зоопланктон либо выделяет углеводороды вместе с переваренной пищей, либо гибнет, сохраняя углеводороды внутри тела. Бактериальная трансформация и окисление нефти определяют окончательную судьбу нефти в Мировом океане.

Седиментация - возникновение этого процесса связано с тем, что труднорастворимые остатки нефти по своему удельному весу приближаются к плотности воды или превышают ее и в этом случае они тонут. Минеральное вещество, которое может ассоциироваться с этими остатками нефти, увеличивает плотность взвешенных продуктов. В результате они вымываются на берег или оседают на дне моря.

Эмульгирование - процесс образования эмульсии типа «вода в нефти», при котором под механическим воздействием волн капли воды захватываются нефтяным пятном. По вязкости такие эмульсии могут характеризоваться высокой вязкостью и устойчивостью к действию химических диспергентов. Некоторые виды нефти очень быстро абсорбируют воду в количестве, превышающем 50% своего объема, и формируют так называемый шоколадный мусс, представляющий собой эмульсию типа «вода в нефти». Способность к образованию эмульсии «вода в нефти» определяется химическими и физическими свойствами нефти. К числу важнейших факторов, воздействующих на образование мусса, относится температура воды. Присутствие или отсутствие бактерий и взвешенных органических веществ не оказывает особого влияния на поведение эмульсии. Помимо эмульсий типа «вода в нефти» в море, особенно при попадании диспергентов, образуются эмульсии типа «нефть в воде». В этом случае происходит образование мельчайших капелек нефти (d = 1 мкм), что резко увеличивает поверхность раздела сред и способствует ускорению физико-химических и биологических процессов.

Диффузия - процесс, при котором капли нефти, образующиеся из-за процесса диспергирования, попадают под воздействие процессов горизонтального и вертикального перемешивания, эффективность которого, помимо интенсивности процессов диффузии, определяется размером и плотностью капель. Некоторые большие капли могут подниматься кверху, примыкая к поверхностному слику, но если турбулентность достаточно интенсивна, то большинство их остается в толще воды, что в совокупности с поверхностным сликом составляет пятно нефти, охватывающее определенный приповерхностный слой моря.

Диспергирование - процесс, в результате которого нефть или эмульсия удаляется с поверхности морской воды под воздейтсвием турбулентного перемешивания и воздействия поверхностных волн. Этот процесс включает в себя образование нефтяных капель, диаметр которых находится в диапазоне от 1 до 500 мкм и которые находятся в вертикальном движении. Капли диаметром менее 70 мкм будут оставаться в диспергированном состоянии почти в любых морских условиях. Движение таких капель происходит под воздействием турбулентной диффузии, конвекции и сил плавучести и, если они остаются ниже поверхности воды, то считаются диспергированными. При этом, в отличие от испарения, процесс диспергирования идет с одинаковой скоростью, вне зависимости от фракционного состава нефти [5].

Потери нефти, попавшей в воду, в зависимости от влияния различных физико-химических факторов могут составлять до 60% при испарении, до 30% при биоразложении, до 15% при осаждении, до 15% при образовании эмульсии «нефть в воде» и «вода в нефти», до 10% при растворении и до 5% при фотоокислении. Итак, процессы деструкции нефти начинаются сразу же после попадания нефти в море, происходят одновременно с растеканием пятна, в более существенных масштабах продолжаются во время переноса загрязнения под действием ветра и течений и вносят значительный вклад в изменение концентрации загрязняющего вещества.

2.1.3 Воздействие нефти и нефтепродуктов на живые организмы

Нефть и нефтепродукты оказывают пагубное воздействие на многие живые организмы, а следовательно и на все звенья биологической цепи. Нефтяные пленки нарушают обмен энергией, теплом, влагой и газами. Пленка из нефти не пропускает солнечные лучи, замедляет процессы окисления в окружающей среде. Нефть отрицательно влияет на физиологические процессы, вызывающие патологические изменения в тканях и органах, нарушает работу ферментативного аппарата.

...