Разработка технологии обеспечения экологической безопасности при транспортировке нефти и нефтепродуктов в прибрежно-морской зоне с использованием карт чувствительности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования российской федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание степени доктора технических наук

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В ПРИБРЕЖНО-МОРСКОЙ ЗОНЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРТ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Блиновская Яна Юрьевна

03.00.16 - Экология

Москва

2008

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина (г.Москва) и Морском государственном университете им. адм. Г.И. Невельского (г.Владивосток)

Официальные оппоненты:

Аковецкий В.Г., д.т.н., профессор кафедры геологии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Бухгалтер Э.Б., д.т.н., начальник отдела охраны окружающей среды и рационального природопользования ООО «ВНИИГАЗ»

Берлянт А.М., д.г.н., зав. кафедрой картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Ведущая организация:

Федеральное государственное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России»

Защита состоится «23» сентября 2008 г. на заседании диссертационного совета Д 212.200.12 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: 119991, г.Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа им И.М. Губкина

Автореферат разослан «___» __________________

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент Иванова Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложность экологической ситуации в мировом сообществе, часто граничащая с экологическим кризисом, заключается в том, что негативно сказывающаяся на состоянии природной среды антропогенная деятельность прямо ухудшает качество жизни человека. Данный вопрос является предметом многолетних комплексных исследований специалистов различных отраслей научного знания в целях выхода из противоречий, складывающихся между человечеством и окружающей его средой.

Континентальный шельф представляет собой уникальную кладовую ресурсов, высокая концентрация которых обуславливает возникновение различных конфликтов при их разработке. Одним из наиболее ярких конфликтов является загрязнение. Наибольшую опасность, несмотря на меры предосторожности, представляют разливы нефти.

Учитывая важность принятия адекватного решения при возникновении чрезвычайных ситуаций, связанных с аварийными разливами нефти, был определен предмет диссертационного исследования. Его суть состоит в обобщении результатов мирового опыта и собственных исследований, направленных на разработку инструмента, позволяющего принимать адекватные решения при организации мероприятий по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти.

Разработка реальных стратегий и планов по обеспечению экологической безопасности должна базироваться на знании эколого-географических и информационно-технологических предпосылок организации природопользования в прибрежно-морской зоне, поскольку в современных условиях антропогенная деятельность по силе, масштабу и скорости преобразований существенно превосходит естественно-эволюционное. В условиях чрезвычайной ситуации важно выявить зависимость принимаемых решений от условий окружающей среды, минимизировать негативное воздействие на нее и определить наиболее оптимальные технологии ликвидации последствий. Исследование в этих направлениях весьма актуально.

Общая картина загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами может быть охарактеризована следующим образом. Более 20 % нефтяных загрязнений происходят при транспортировке, около 5 % приходится на разведку и добычу углеводородов, 15 % составляют естественные излияния нефти, оставшуюся долю образуют многочисленные стоки.

Площадь континентального шельфа России около 6.5 млн. км2, что составляет 20 % площади мирового шельфа. Около 90 % российского шельфа приходится на перспективные в нефтегазоносном отношении области, что обуславливают организацию транспортировки нефти практически во всех областях прибрежно-морской зоны.

Современные требования, предъявляемые к рациональной системе транспортировки нефти в прибрежно-морской зоне, предполагают внедрение системы экологической безопасности, поскольку проблемы, связанные поступлением нефти в морскую среду являются не только социально-экономическими, но и политическими. Огромный массив используемой при этом информации имеет пространственный аспект и накапливается различными пользователями в течение определенного периода.

Для эффективного управления процессом необходимы не только достоверные данные и их своевременное поступление, но и управление ими. Окружающая среда по-разному реагирует воздействие нефти, но бесспорно наиболее уязвимым ее компонентом являются прибрежно-морская зона и обитающие в ее пределах компоненты живой природы. При этом в решении проблем экологической безопасности участвуют специалисты самых различных областей знаний. И в такой ситуации картографическое обеспечение является едва ли не единственным универсальным языком общения специалистов различных наук.

Значительный объем пространственной информации обуславливает использование геоинформационных систем (ГИС), объединяющих средства графической визуализации с предоставляемыми инструментами пространственного анализа и обмена данными, которые способствуют эффективной организации и управления данными.

Геоинформационные системы выступают как интегрирующая составляющая системы экологической безопасности нефтедобывающего производства и создают новые условия формирования и реализации оптимальных стратегий территориального развития. Они позволяют организовывать, обрабатывать, анализировать и интерпретировать пространственно-временные данные, что представляет собой новый способ структурирования информации в прибрежно-морском природопользовании.

В обеспечении экологической безопасности при аварийных ситуациях в прибрежно-морской зоне важной задачей является выбор приоритетов защиты тех или иных участков при организации ликвидационных мероприятий. Решение этой задачи возможно при использовании карт чувствительности прибрежно-морской зоны к загрязнению нефтью и нефтепродуктами, создаваемых на основе современных информационных технологий.

Цель диссертационного исследования состоит в разработке технологии обеспечения экологической безопасности при транспортировке нефти и нефтепродуктов в прибрежно-морской зоне с использованием геоинформационной системы «Карты чувствительности прибрежно-морских зон к загрязнению нефтью». Для ее достижения поставлены следующие задачи:

· изучить чувствительность объектов прибрежно-морской зоны к нефтяному загрязнению, представленных в зоне риска;

· определить требования к создаваемым картам чувствительности прибрежно-морским к нефтяному загрязнению и используемым при этом информационно-техническим средствам;

· разработать структуру геоинформационной системы, обеспечивающей использование карт чувствительности, позволяющих снизить негативное воздействие нефти / нефтепродуктов на окружающую среду;

· апробировать ГИС «Карты чувствительности» для разных участков прибрежно-морской зоны юга Дальнего Востока;

· разработать алгоритм обеспечения экологической безопасности при аварийных разливах нефти посредством информационных технологий для принятия решений в кризисных ситуациях и апробировать их на конкретных примерах;

· оптимизировать процедуру выбора технологии реагирования при ликвидации аварийной ситуации с учетом чувствительности побережья;

· предложить комплексную систему обеспечения экологической безопасности окружающей среды при организации природопользования в прибрежно-морской зоне

Научная новизна. Результаты диссертационной работы предлагают новый инструмент для решения задач в области управления экологической безопасностью при транспортировке нефти в прибрежно-морской зоне.

Впервые разработан комплекс требований и определены принципы для создания карт чувствительности прибрежно-морской зоны к нефтяному загрязнению. В основу карты чувствительности прибрежно-морской зоны к нефтяному загрязнению. Предложенные современные информационные решения эффективно разрабатываются на основе ГИС при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов в процессе транспортировки. Реализован автоматизированный алгоритм выбора оптимальных технологий и сценариев ликвидации чрезвычайной ситуации для центров, участвующих в ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

В период экспедиционных исследований изучена экологическая структура зон потенциального риска загрязнения нефтью и нефтепродуктами в пределах острова Сахалин и юга Дальнего Востока, и получены новые сведения для разработки критериев чувствительности объектов окружающей среды к нефтяному загрязнению. Анализ данных позволил разработать карты, включенные в состав Планов ликвидации аварийных разливов нефти компаний, оперирующих углеводородным сырьем в данном районе.

Впервые для прибрежно-морской зоны острова Сахалин и юга Дальнего Востока составлена серия карт экологической чувствительности к загрязнению нефтью, использованных для принятия решений в чрезвычайных ситуациях, а также выбора наиболее целесообразного оборудования и технологий ликвидации последствий аварийных разливов.

Практическая значимость работы.

1. В период экспедиционных исследований изучена экологическая структура зон потенциального риска загрязнения нефтью и нефтепродуктами в пределах юга Дальнего Востока, и получены новые сведения для разработки критериев чувствительности объектов окружающей среды к нефтяному загрязнению. Анализ данных позволил разработать карты, включенные в состав Планов ликвидации аварийных разливов нефти компаний, оперирующих углеводородным сырьем в данном районе.

2. Созданные карты чувствительности использованы в Планах ликвидации аварийных разливов нефти компаний, ведущих добычу и транспортировку нефти в прибрежно-морской зоне Сахалинской области («Сахалинская Энергия», компании ABB LGI, ОАО «НК - Роснефть - Сахалинморнефтегаз»), Приморского (АМП Находка, АМП Восточный, ОАО «Восточный порт» и др.) и Хабаровского краев (АМП Ванино и др.).

3. Разработана и апробирована процедура выбора технических и технологических решений при ликвидации аварийных разливов нефти / нефтепродуктов в прибрежно-морской зоне юга Дальнего Востока.

4. Разработанная информационная система обеспечения экологической безопасности при аварийных разливах нефти в прибрежно-морской зоне, основанная на комбинации индексов чувствительности береговой зоны к загрязнению нефтью и соответствующих им технологиях очистки побережья, используется при проведении командно-штабных учений компаний-операторов нефтедобычи на о. Сахалин и в регионе NOWPAP.

5. Данные мониторинга и создаваемый на его основе картографический материал являются основой системы оптимизации природопользования в прибрежно-морской зоне юга Дальнего Востока.

6. Разработанная информационная система рекомендована ведущими операторами нефти Дальнего Востока для управления экологическим состоянием при организации различных видов природопользования в прибрежно-морской зоне.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на 30 региональных, российских и международных конференциях и семинарах. Наиболее важные из них: региональный научно-практический семинар «Проблемы совершенствования системы борьбы с разливами нефти на Дальнем Востоке» (Владивосток, 1999); всероссийская научная конференция «Проблемы географии на рубеже XXI века» (Томск, 2000 г); международный научно-практический семинар «Совершенствование системы защиты морских акваторий и прибрежных зон от загрязнения нефтью» (Владивосток, 2001); международная научно-практическая конференция «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2002); международная научно-практическая конференция «Морская экология - 2002» (Владивосток, 2002); пятая международная конференция «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2003); Вторая Сибирская конференция пользователей программных продуктов ESRI & ERDAS (Новосибирск, 2003); международная научная конференция «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2004); международная конференция ИНТЕРКАРТО-10 «Устойчивое развитие территорий: геоинформационное обеспечение и практический опыт» (Владивосток - Чанчунь, 2004); международная конференция «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004); международная конференция «Морская экология - 2005» (Владивосток, 2005); международная научно-практическая конференция «Экологические проблемы использования прибрежных морских акваторий» (Владивосток, 2006); Вторая международная конференция «Проблемы экологии, безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, 2006); международная научно-практическая конференция «Морская экология - 2007» (Владивосток, 2007). Элементы информационной системы принятия решений при аварийных разливах нефти использованы во время командно-штабных учений в июне, августе 2003 г. и мае 2006 г., проведение которых предусмотрено планом работы совместной группы планирования РФ - США.

Объект исследования и исходный материал. В качестве исходного материала использованы результаты собственных экспедиционных исследований экологического состояния окружающей среды в районе добычи нефти на о. Сахалин, в районах оперирования нефтью и нефтепродуктами Приморского и Хабаровского краев. Проанализированы многочисленные опубликованные и фондовые материалы по исследуемой проблеме. В структуру информационно-аналитической базы включены космические снимки изучаемых территорий и акваторий, Интернет - публикации и картографические источники. Ключевые результаты исследования являются основой мероприятий по защите прибрежно-морской зоны при чрезвычайных ситуациях, связанных с аварийными разливами нефти и нефтепродуктов. Они базируются на геоинформационных принципах организации и анализа данных: картографирование районов риска загрязнения прибрежно-морской зоны, решение пространственных задач, изучение динамики окружающей среды в зонах риска на основе данных мониторинга, выявление взаимосвязей и способов из представления, что позволяет оптимизировать природопользование в районе разработки нефти.

В процессе этих исследований основное внимание было уделено анализу состояния окружающей среды в районах транспортировки нефти и нефтепродуктов, информационному обеспечению операций по ликвидации аварийных разливов нефти и оптимизации технологий ликвидации загрязнения в соответствии с экологическими особенностями прибрежно-морской зоны.

Основной объем работ выполнен автором в рамках реализации планов научно-исследовательских работ Института защиты моря Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского, а также на договорной основе с проектными и иными организациями.

Автор защищает:

1. Информационную систему принятия решений, представляющую современный инструмент оценки экологической безопасности при разработке нефтяных месторождений на континентальном шельфе.

2. Критерии, лежащие в основе карт чувствительности прибрежно-морской зоны к загрязнению нефтью / нефтепродуктами.

3. Требования к содержанию карт чувствительности прибрежно-морской зоны к нефтяному загрязнению юга Дальнего Востока.

4. Систему оценки технической и технологической базы с учетом чувствительности прибрежно-морской зоны к загрязнению нефтью.

5. Алгоритмы выбора технологий ликвидации аварийных ситуаций в прибрежно-морской зоне, лежащие в основе системы управления экологическим состоянием окружающей среды при организации природопользования, связанного с разработкой углеводородного сырья.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований изложены в 67 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, изложенных на 325 страницах, выводов, списка литературы и включает в себя 15 таблиц, 78 рисунков, 3 приложений. Список литературы содержит 179 наименований, в числе которых 56 иностранных.

Автор выражает свою признательность коллегам по совместной работе над созданием Планов ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов (сотрудникам Института защиты моря Морского государственного университета имени адмирала Г.И. Невельского), куда были включены элементы системы обеспечения экологической безопасности при оперировании нефтью / нефтепродуктами в прибрежно-морской зоне. Значимую помощь в разработке концепции информационной системы оказал ведущий научный сотрудник Тихоокеанского института географии ДВО РАН д.б.н., проф. Бочарников В.Н. При разработке методической основы получены ценные советы от научного консультанта, заведующего кафедрой промышленной экологии факультета химической технологии и экологии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина д.т.н., проф. Мещерякова С.Н.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

экологический безопасность транспортировка нефть

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна, практическая значимость, определяются цель и задачи работы.

Глава 1. Состояние окружающей среды в районах добычи и транспортировки нефти в прибрежно-морской зоне юга Дальнего Востока

1.1 Структура прибрежно-морской зоны. Береговая зона представляет собой арену напряженного взаимодействия всех поверхностных земных сфер - литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы и ноосферы, с явным преобладанием последней, обусловленной активизацией человеческой деятельности.

1.1.1. Геоморфологическая характеристика берегов. Берегом называется полоса суши, прилегающая к береговой линии, которая находится под воздействием моря (приливы, волнения, нагоны). Береговая линия - граница раздела суши и моря. Морское мелководье, подверженное воздействию морских волн (обычно до глубин 20 - 50 м) называется подводным береговым склоном. Берег и подводный береговой склон составляют береговую зону моря. Среди основных факторов образования берегов Дальневосточного побережья следует отметить тектонические процессы, колебания уровня моря и гидрометеорологический режим. Это обусловило формирование серии геоморфологических комплексов, слагающих морское побережье: рыхлые четвертичные отложения, песчаники с алевролитами, скальные и полускальные породы, вулканогенные образования, сланцы, известняки и интрузивные породы.

1.1.2. Характеристика биоразнообразия. Прибрежно-морская зона Дальнего Востока уникальны по своим природным условиям, что является причиной высокого видового разнообразия. Здесь весьма высок процент эндемичных форм. Здесь встречается более 600 видов рыб. Значительны ресурсы морских зверей. Численность тюленей достигает 2 млн. голов, моржей - 250 тыс., белухи - 30 тысяч. Поголовье котиков составляет 350 тыс., каланов - 10 тысяч. Дальний Восток в настоящее время является ведущим регионом, определяющим стратегию развития российского рыболовства. Так, например, в 2000 году только в Сахалинской области было добыто 440 тыс. тонн рыбы и морепродуктов.

1.1.3. Характеристика системы природопользования. Приморское положение российского Дальнего Востока является важным фактором его развития и специализации. Это определяется освоением его ресурсов. Протяженность береговой линии Дальнего Востока составляет более 18 тыс. км. Здесь располагается 39 морских портов и около 300 портовых пунктов. Каждый порт представляет собой ядро, вокруг которого формируется социально-экономическая жизнь прилегающего района. Дальневосточный регион является важным рыболовным районом мира. Объем биологических ресурсов составляет 26 млн. тонн рыбы и морепродуктов. Развитие рекреационного комплекса Дальнего Востока обуславливается значительным природно-ресурсным потенциалом. Континентальный шельф обладает значительными запасами углеводородного сырья. С 1998 года ведется разработка нефти и газа на охотоморском шельфе.

Разнообразие прибрежно-морских ресурсов и их распределение в непосредственной близости друг от друга приводит к тому, что их пользователями становятся многие отрасли морского хозяйства, которые, непосредственно соприкасаясь и тесно взаимодействуя, обусловливают максимальную нагрузку на прибрежно-морскую зону. Как следствие, здесь часто возникают конфликтные ситуации, наиболее острым из которых является загрязнение прибрежно-морской зоны, в частности, в результате аварийных разливов нефти.

1.2. Влияние нефти и нефтепродуктов на прибрежно-морскую зону. 1.2.1. Чувствительность берегов к нефтяному загрязнению. Многообразие динамических факторов, действующих в береговой зоне, обуславливают многообразие типов морских побережий. В свою очередь структура побережий предопределяет способы и технологические особенности ликвидации последствий нефтяного загрязнения. В соответствии с этим разработана система ранжирования отдельных участков береговой черты по степени их чувствительности к нефтяному загрязнению. Система индексации побережий по степени их чувствительности к нефтяному загрязнению (табл. 1) сочетает в себе данные о качественной характеристике побережья и процессах, происходящих при попадании нефти на берег.

Таблица 1

Индексация побережий по степени чувствительности к загрязнению нефтью

1.2.2. Чувствительность и уязвимость биоты. Нефть оказывает значительное влияние на живые организмы, обитающие в прибрежно-морской зоне. Так, внешнее загрязнение птиц разрушает оперение, спутывает перья, вызывает раздражение глаз. Птицы, которые большую часть жизни проводят на воде, наиболее уязвимы к разливам нефти на поверхности водоемов. Птицы заглатывают нефть, когда чистят клювом перья, пьют, употребляют загрязненную пищу и дышат испарениями, что вызывает гибель. Даже небольшое количество нефти может оказаться достаточным для гибели в период инкубации.

О воздействии нефти на млекопитающих известно меньше, однако выявлено, что морские млекопитающие (морские выдры, тюлени, морские котики) также гибнут после контакта с нефтью. Загрязненный нефтью мех начинает спутываться и теряет способность удерживать тепло и воду. Взрослые сивучи, тюлени и китообразные (киты, морские свиньи и дельфины) выделяются наличием жирового слоя, на который влияет нефть, усиливая расход тепла. Кроме того, нефть может вызвать раздражение кожи, глаз и препятствовать нормальной способности к плаванию. Попавшая в организм нефть может вызвать желудочно-кишечные кровотечения, почечную недостаточность, интоксикацию печени, нарушение кровяного давления. Пары от испарений нефти ведут к проблемам органов дыхания у млекопитающих, которые находятся около или в непосредственной близости с большими разливами нефти.

Как показали исследования, рыбы подвергаются воздействию разливов нефти в воде при употреблении загрязненной пищи и воды, а также при соприкосновении с нефтью во время движения икры. Так, концентрация 0.5 миллионной доли или менее нефти в воде способна привести к гибели форели. Практически летальный эффект нефть оказывает на сердце, изменяет дыхание, увеличивает печень, замедляет рост, разрушает плавники, приводит к различным биологическим и клеточным изменениям, влияет на поведение. Личинки и молодь рыб наиболее чувствительны к воздействию нефти, разливы которой могут погубить икру рыб и личинки, находящиеся на поверхности воды, а молодь на мелководье.

Беспозвоночные являются хорошими индикаторами загрязнения от сбросов в силу своей ограниченности в передвижении. Опубликованные данные разливов нефти часто отмечают гибель, чем воздействие на организмы в прибрежной зоне, в отложениях или же в толще воды. Влияние разливов нефти на беспозвоночных определяется типом нефти и обстоятельствами разлива и может длиться от недели до 10 лет. То же следует отметить и для морских трав и водорослей.

1.2.3. Воздействие на объекты природопользования. Загрязнение акватории нефтью приводит к ухудшению состояния окружающей среды, которое проявляется либо в снижении качества природных ресурсов морской экосистемы, либо в уменьшении их количества, либо в том и другом одновременно. Так, значительное влияние будет оказано на территориальный ресурс, в том числе береговой. Он служит пространством для хозяйственной деятельности человека и используется в транспортных целях. Сами по себе нефтяные загрязнения морских акваторий не оказывают воздействия на функционирование морского транспорта, но аварийные разливы нефти могут стать причиной простоев судов. В случае аварийного разлива нефти на морской акватории нарушается функционирование морских перевозок, поскольку в ходе работ по уборке нефти, загрязненная часть акватории не может использоваться в навигационных целях. При этом возникают убытки у судовладельцев, связанные с простоями судов, а также затратами на изменение путей транспортирования. Убытки от разливов нефти испытывают все производства, ведущие деятельность в прибрежно-морской зоне. Наиболее высокие требования к качеству окружающей среды предъявляют рекреационная индустрия и морской промысел, включая марикультурные хозяйства.

Глава 2. ГИС как инструмент для решения задач обеспечения экологической безопасности природопользования. Современное общество в своей деятельности часто входит в зону риска и нестабильных состояний, которые связаны с возникновением чрезвычайных ситуаций различного масштаба. В соответствии с этим возникает потребность в выявлении и прогнозировании потенциально опасных условий и разработке адекватных методов управления ими.

2.1. Информационные технологии в управлении качеством природопользованием. Обеспечение экологической безопасности основывается не только на наличии определенных инструментов и навыков, но и умении моделировать ситуацию, прогнозировать ее развитие и принимать решения, адекватные сложившейся ситуации.

Развитие отношений общества и природы требует использования новых средств обработки информации, лежащей в основе системы принятия решений в управлении качеством окружающей среды. В этом случае информационные технологии рассматриваются как наиболее оптимальный инструмент. В данном случае под информационными технологиями понимается совокупность методов, производственных и программно-технологических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации. При этом экологически обоснованные решения зависят не только от качества и количества информации, но и своевременного ее поступления.

2.2. Информационное обеспечение природопользования. Информация - одно из основных условий социального общения. Развитие знаний об окружающей среде, использование их в различных сферах природопользования приводит к возникновению различной терминологии, расширению предметных связей и переосмыслению взаимоотношений общества и природы.

В настоящее время в научной методологии наблюдается широкое распространение системного подхода. Первые его упоминания при анализе сложных сущностей связаны с именами Аристотеля и Людвига фон Берталанфи. В 1977 году группа отечественных экологов пришла к выводу о необходимости внедрения новой экологической парадигмы, одной из основ которой должен стать системный подход, основанный на известном общенаучном положении, идущем еще от Платона, о несводимости свойств целого к сумме свойств его частей.

Системный подход пронизывает большинство исследований, в том числе и обеспечения экологической безопасности природопользования, и, по мнению Ю. Одума, должен служить первой рабочей заповедью экологов. Добыча и транспортировка нефти и нефтепродуктов не является исключением. При исследовании систем решается ряд задач: описание поведения системы, объяснение поведения, управление поведением и, наконец, создание систем с заданным поведением.

Разработка и внедрение адекватных результатов на различных этапах природопользования невозможны без анализа информации, приходящей из множества источников, часто непосредственно не связанных между собой. Это определяет необходимость использования геоинформационных систем (ГИС), объединяющих средства графической визуализации с предоставляемыми ГИС инструментами пространственного анализа и обмена данными, которые способствуют эффективной организации и управления ими. Таким образом, ГИС могут выступать как интегрирующая составляющая природопользования.

Выполнение задач природопользования и обеспечения экологической безопасности основано на осуществлении информационного процесса. При этом каждая из них требует наличия специальных устройств, обеспечивающих целенаправленное действие. Поскольку выполняемые задачи находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и направлены на достижение единой цели, используемые устройства и механизмы целесообразно определить как информационную систему.

Управление информационными ресурсами в области природопользования позволяет скоординировать деятельность различных структур, ведущих деятельность на одной территории, что является необходимым при формировании единого информационного пространства. В свою очередь целостное информационное поле позволяет устранить дублирование информации, упорядочить процедуры сбора, хранения и предоставления информации, а также предотвращать негативные последствия, вызванные конфликтами в использовании природных ресурсов.

2.3. Использование геоинформационного подхода в организации системы экологической безопасности добычи и транспортировки нефти и нефтепродуктов. Последние десятилетия характеризуются повышением интереса к освоению нефтегазоносных районов, которых в Мировом океане насчитывается более 1 000. Оценка запасов этих месторождений варьирует от 320 до 2 000 млрд. т условного топлива в пересчете на нефть. География добычи нефти на континентальном шельфе охватывает практически все его участки: интенсивно осваиваются месторождения Мексиканского и Персидского заливов, Карибского, Северного и Дальневосточных морей.

Освоение месторождений углеводородного сырья на шельфе является важным элементом государственной стратегии развития Российской экономики. Федеральной программой на 1994 - 2000 гг. недрам континентального шельфа отводилась существенная роль в добыче запасов углеводородного сырья (около 4 % нефти и 38% газа). Освоение месторождений нефти на континентальном шельфе Дальневосточного региона связано с бурением, эксплуатацией скважин, сбором, хранением, транспортировкой добытого сырья. В некоторых случаях предусматривается первичная переработка. Для осуществления технологического процесса используется оборудование, обеспечивающее электро- и теплоснабжение, водяные и нефтяные насосные станции, компрессоры, нефтесборные пункты, резервуарные парки с причальным хозяйством. Помимо этого предусматривается быстрая и удобная доставка персонала, оборудования и материалов, что подразумевает обустройство на промысле жилых и бытовых объектов.

На выбор схемы разработки месторождения и организации транспортировки влияют ряд природных и технологических факторов. Среди первых выделяются мощность водной толщи, удаленность от берега, геологические и климатические особенности месторождения. Вторые включают технологические возможности проведения работ, связанные с эксплуатацией месторождения.

Расширение масштабов нефтепромысловых работ на шельфе не только привлекает пристальное внимание специалистов самых широких кругов, но и приводит в возникновению не менее широкого круга проблем, связанных с загрязнением окружающей среды, что определяет интерес к проблемам обеспечения экологической безопасности.

Для эффективного управления процессом нефтеразработки необходимы не только достоверные данные и их своевременное поступление, но и возможность их оперативной интерпретации, что обусловило использование геоинформационного подхода. Он объединяет средства графической визуализации с предоставляемыми ГИС инструментами пространственного анализа и обмена данными, которые способствуют эффективной организации и управления данными.

Геоинформационный подход и ГИС-картографирование позволили нам выработать представление о системе регулирования информационных потоков, начиная от картографического обеспечения и заканчивая системой принятия решений, обуславливая эффективное участие в механизмах регулирования деятельности. В качестве базовой основы системы экологической безопасности использованы цифровые топографические карты и планы. Поскольку ведется шельфовая разработка нефти, картографический материал представлен большей частью морскими навигационными картами, картами шельфа и прибрежных территорий. Различие картографических проекций ставит задачу согласования базовой основы для адекватного восприятия информации. Геоинформационный подход предоставил нам возможность оптимизировать программу экологического мониторинга в зоне разработки месторождения, поддерживая различные аналитические операции, обеспечивая управление пространственными данными и сервис передачи информации, а также их картографическое представление на этапе принятия решений. Выявление соотношения качественных и количественных категорий позволило оценивать и расставлять приоритеты в использовании различных данных.

Глава 3. Структура карт чувствительности прибрежно-морской зоны к загрязнению нефтью

3.1. Особенности карт чувствительности. Карты чувствительности могут быть рассмотрены как часть научно-методического обеспечения системы экологической безопасности транспортировки нефти. Они позволяют выработать стратегию реагирования при планировании мероприятий по ликвидации разливов нефти. Это один из основных ресурсов, на которые опираются руководящие и исполняющие органы при принятии решений, оценке последствий разлива, а также расчете необходимых средств реагирования и мест их дислокации, исходя из типичных для данного района условий (рис. 1).

Карты чувствительности представляет собой генерализованное изображение земной поверхности, показывающее распределение объектов живой природы и хозяйственной деятельности человека, которые могут подвергнуться нефтяному загрязнению. Они содержат не только сведения о состоянии окружающей среды района потенциального разлива и позволяют оценить уязвимость того или иного объекта к нефтяному воздействию (например, уязвимость птиц различается во время высиживания птенцов и во время пролета, что находит отражение на карте). Помимо этого карты чувствительности дают возможность оперативно определять приоритеты при ликвидации разливов, моделировать и прогнозировать процесс, связанный с разливами нефти, а также оценивать ущерб, нанесенный в результате выброса нефти на побережье.

Карты чувствительности прибрежно-морской зоны относятся к категории карт многоцелевого назначения, поскольку они служат для получения справочных сведений о состоянии окружающей среды в районе потенциального разлива, а также планирования мер по предупреждению и ликвидации чрезвычайной ситуации и обладают следующими функциями:

· получение серии тематических карт, характеризующих распределение биоресурсов и социально-экономических объектов в прибрежно-морской зоне о. Сахалин;

· получение характеристик о степени чувствительности ресурсов к нефтяному загрязнению в зависимости от времени года, выраженных в индексах;

· оценки и прогноза чрезвычайных ситуаций, вызванных нефтяными разливами, а также выбор приоритетов при проведении операций по ликвидации загрязнения;

· оценка ущерба, нанесенного окружающей среде и зон риска возникновения чрезвычайных ситуаций.

Одной из основных причин создания карт чувствительности прибрежно-морских зон к загрязнению нефтью является трудность на начальных стадиях разлива адекватно спланировать мероприятия по его ликвидации.

Карты позволяют представить вероятность попадания нефти на определенные участки береговой черты, и также оценить сравнительный ущерб и затраты на ликвидацию последствий аварии. Одно из первых упоминаний о картах чувствительности относится к 1976 году, когда они были составлены для залива Кука. Первоначально они составлялись на бумажных носителях.

Статичность бумажных карт, с одной стороны, является достаточно удобной при выполнении их нормативных функций. Так, например, в соответствии с Постановлениями Правительства РФ № 613 от 21.08.2000 г. и № 240 от 15.04.2002 г. все владельцы потенциально опасных объектов обязаны быть готовыми к ликвидации разлива нефти при наименее благоприятных условиях. Под готовностью понимается наличие плана ликвидации разливов нефти, который содержит определенный комплект данных, способствующих принятию правильных решений в чрезвычайных ситуациях. Таким образом, карты чувствительности прибрежно-морских зон к нефтяному загрязнению должны стать одной из основных составляющих плана, утверждаемого соответствующими органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации, а также всеми взаимодействующими организациями, включенными в план. То есть карты чувствительности отражают существующую в определенный момент обстановку в районе потенциального разлива, фиксируя ее на уровне юридического документа.

С другой стороны, чрезмерная нагруженность уменьшает их наглядность и усложняет процесс чтения. Помимо этого динамичность объектов прибрежно-морской зоны обусловливает достаточно быстрое старение карт. Так как обновление бумажных карт является достаточно трудоемким и дорогостоящим процессом, очевидным становится преимущество электронных карт чувствительности, выполненных на основе ГИС-технологий.

В России первые карты чувствительности были составлены для побережья о. Сахалин в связи с разработкой проекта «Сахалин-1». Это вариант карт на твердом (бумажном) носителе был составлен в 1990-е годы. Существуют карты экологической чувствительности среднего Каспия, выполненные на основе данных дистанционного зондирования. В настоящее время ведется создание электронных версий карт чувствительности. В Дальневосточном регионе России первый опыт создания интерактивного продукта был осуществлен нами в 2000 году для прибрежно-морской зоны залива Посьета (Японское море).

Рассматривая структуру карт чувствительности, очевиден факт их комплексности. Данные, содержащиеся в них, представляют своеобразную информационную базу кадастровой системы. Действительно, карты чувствительности, есть не что иное, как элемент прибрежно-морского кадастра, однако рассмотрение данной проблемы не входит в задачи настоящего исследования.

Карты чувствительности представляют собой не просто совокупность электронных карт с возможностью моделирования различных картографических конфигураций, но и предоставляют доступ к базе данных об объектах, обозначенных на этой карте. Наличие атрибутивной информации картографических объектов и связь с базами данных дает качественно новые возможности для анализа имеющейся информации. Так, например, обозначив ареал зоны потенциального загрязнения и выявив ресурсы, имеющие в данный момент наибольшую / наименьшую чувствительность к нефтяному загрязнению, мы определили контуры областей, имеющих безусловный приоритет для защиты. Являясь информационной системой, выполненной на базе ГИС, карты чувствительности позволяют осуществлять запросы и измерения по интересующим пользователя объектам. Данная возможность является весьма удобной при расчете ущербов и определении вариантов мероприятий по ликвидации разливов (например, использование различных средств реагирования при одинаковых внешних факторах позволит сократить затраты на ликвидационные мероприятия и минимизировать ущерб). Так, при аварийном разливе нефти в зоне ответственности Администрации морского порта Владивосток велика вероятность загрязнения традиционных мест отдыха горожан. Это определяет необходимость оперативной локализации разлива и отклонения нефтяного пятна от пляжной зоны. Если достижение нефтью берега неизбежно, следует, используя каскадную технологию бонопостановки, перенаправить пятно к менее чувствительным скалистым участкам.

Таким образом, для представления сложного реального мира создана модель действительности, на основе которой предполагается решение следующих задач:

· дать представление о состоянии и динамике прибрежно-морской среды в определенный месяц года;

· выявить наиболее ценные объекты и прибрежно-морские комплексы, включая промысловые участки;

· показать экологически уязвимые к нефтяному загрязнению области прибрежно-морской среды.

3.2. Геоинформационный подход в решении вопросов экологической безопасности транспортировки нефти. Предметная область системы обеспечения экологической ситуации при разработке нефтяных месторождений на шельфе является аварийная ситуация. Геоинформационный позволяет интегрировать базу данных и модели механизмов взаимодействия субъектов и объектов для описания пространственно-временной изменчивости явлений. Он представляет собой процесс сопоставления потенциала субъекта с характеристиками внешней среды, в которой этот субъект функционирует. Ситуационный аспект в данном случае является одним из вариантов территориального подхода, в основе которого лежит концепция управления экологической безопасностью. Это означает, что обеспечение экологической безопасности включает в себя подбор факторов организации, соответствующих ситуаций в окружающей среде. При этом рассматриваются все возможные варианты развития ситуации, для каждого из которых определяется соответствующая стратегия реагирования.

Для адекватного воспроизведения территориальной ситуации важным аспектом является учет разнообразных факторов, включая погодные условия на момент разлива, время реагирования, обеспеченность средствами ликвидации аварии. Используя геоинформационный подход, создается расслоение реальности, т.е. представление всего разнообразия задач с использованием принципа, «что будет, если…». Информационное содержание данного аспекта весьма важно при принятии решений. Работа системы обеспечения экологической безопасности включает в себя элементы моделирования, где представляется анализ ситуации и прогноз ее изменения. Моделирование реализуется по принципам системного анализа, когда сформирован геоинформационный образ объекта, и реализуются стадии анализа - постановка проблемы, выбор критерия безопасности, создание модели, анализ стратегий. Таким образом, создается многовариантная модель, основанная на ряде обстоятельств. Пространственный анализ показывает, что решение проблем лежит в плоскости создания эффективных механизмов регулирования ситуации, когда исследуются взаимодействие групп интересов с разными характеристиками и показателями отклонения их состояния от равновесного. Критериями оптимальности решений могут быть быстродействие, минимум отклонения состояния различных групп интересов от равновесного, достижение к определенному моменту времени декларируемых в концепции показателей деятельности и состояния окружающей среды.

3.3. Принципы составления карт чувствительности. Значительный объем данных, содержащихся в картах чувствительности, возможность оптимальной организации, обработки и оперирования ими, определили необходимость создания информационной системы, позволяющей осуществлять оперативный доступ к данным, необходимым для принятия решения при угрозе загрязнения прибрежно-морских ресурсов нефтью. Принципиальная схема карт чувствительности представлена на рисунке 2.

Для создания карт чувствительности южной части Дальневосточного региона РФ использовались данные собственных экспедиционных исследований, космических снимков, результатов анализа данных мониторинга, полученных из открытых и ведомственных отчетов и наблюдений, проводимых в зоне потенциального разлива. Полученные данные были систематизированы, оцифрованы и представлены в виде базы данных. Анализ информации с помощью мощного пакета Arc GIS 9 дал возможность визуализировать данные.

3.3.1. Источники информации. Данные, необходимые для создания карт чувствительности, могут быть получены из нескольких источников. Одним из таких источников выступают данные дистанционного зондирования.

Космические снимки, полученные из фонда спутниковых снимков Landsat 7, позволили определить площадь районов потенциального риска, области ледовитости и т.д., и провести измерения на основе установленного метрического разрешения. На этом этапе проведена экспертная работа и интерактивный анализ, в результате чего была создана серия тематических карт, сопряженных с дистанционными данными. Для представления полноты ситуации получены результаты собственных экспедиционных наблюдений, выполненные в рамках программы экологического мониторинга в районе транспортировки нефти. Информация о наличии и характеристиках сил и средств реагирования была предоставлена организациями, для которых составлялись карты.

На поведение нефтяного пятна оказывают влияние динамические природные факторы: погодные условия и гидродинамика. Информация, необходимая для создания данного блока базы данных, получена от гидрометслужбы, лоций, отчетов, статистических источников.

3.3.2. Построение базовой карты. В качестве базовой карты использована топографическая основа района потенциального разлива с прилегающими участками территории и акватории определенного масштаба, обеспечивающего необходимую деталировку. Как правило, в них включаются помимо абриса береговой черты и изобат, населенные пункты и коммуникации. Для создания системы были оцифрованы навигационные карты масштаба 1 : 250 000 и 1 : 100 000. Для подробного представления наиболее уязвимых объектов (лагуны, области высокого риска разлива нефти и нефтепродуктов) использовались карты масштабов 1 : 50 000, 1 : 25 000 и 1 : 10 000. Для детализации обстановки в портовых зонах проведена оцифровка планов. В информационной системе базовые карты представлены двумя типами: растровые и векторные. Первые, как правило, используются для обзора местности. Вторые являются более функциональными и используются для моделирования, данные хранятся в табличной форме.

В состав базовой карты включены данные о климатических и гидрологических условиях района потенциального разлива. Они важны для определения возможности попадания загрязнения на побережье, поведения нефтяного пятна и выбора метода его ликвидации и могут оказать как позитивное, так и негативное влияние на процесс устранения последствий загрязнения. Так, например, интенсивное волнение может воспрепятствовать процессу ликвидации загрязнения и увеличить ширину загрязненного побережья, либо наоборот, не допустить попадания нефти на побережье за счет возникновения отраженной волны от вертикальной стенки скального обрыва или способствовать быстрому удалению нефти со скалистого побережья (процесс естественной очистки).

Рис. 2. Принципиальная схема карт чувствительности к загрязнению нефтью

3.3.3. Индексация побережий по степени чувствительности к нефтяному загрязнению. Проведенный нами анализ мероприятий, связанных с ликвидацией аварийных разливов, а также научные исследования показали, что наиболее подверженным нефтяному загрязнению участком прибрежно-морской зоны является литораль - зона непосредственного контакта суши и моря.

При этом тип берега и местные условия определяют поведение на нем нефти, степень ее воздействия на прибрежно-морские экосистемы и методы ликвидации загрязнения. Таким образом, следующим важным элементом карт чувствительности являются данные о геоморфологической структуре побережья.

Наиболее точная и достоверная информация о береговой зоне может быть получена путем проведения полевых исследований в районе. При этом нами были изучены береговая черта юга Дальнего Востока, восточного побережья Сахалинской области, центральное побережье Хабаровского края. Первичные же данные получены из открытых литературных источников, отчетов предшествовавших исследований, аэро- и космических снимков.

Комплексная характеристика структуры побережья и его гидродинамических особенностей, находят свое выражение в индексации побережья по десятибалльной шкале, где каждому участку береговой зоны присваивается собственный индекс чувствительности.

В основе индексации выявление связи между строением и структурой берега и физическими процессами, происходящими при попадании нефти на берег. Индекс позволяет определить наиболее ранимые и более устойчивые к загрязнению районы и впоследствии облегчить процесс выбора приоритетных участков при ликвидации загрязнения.