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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Абраменко Юлия Андреевна, студент

Бокарева Татьяна Александровна, доцент

Забалуева Алла Игоревна, кандидат наук, доцент

Камышникова Татьяна Владимировна, кандидат наук, доцент

Никитина Алла Валерьевна, кандидат наук, доцент

Чистяков Александр Евгеньевич, кандидат наук, доцент

Южный федеральный университет

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

загрязнение нефтяной водоем мелководный

Введение

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

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

Постановка модельной задачи

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

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

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

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

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

Построение и исследование дискретной модели

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

Список литературы

1. Сухинов А.И., Никитина А.В., Чистяков А.Е. Моделирование сценария биологической реабилитации Азовского моря // Математическое моделирование. - Т. 24. №9. -2012. - С. 3-21.

2. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Алексеенко Е.В. Численная реализация трехмерной модели гидродинамики для мелководных водоемов на супервычислительной системе// Математическое моделирование. 2011. Т. 23, № 3. С. 3-21.

3. Сухинов А.И., Чистяков А.Е. Параллельная реализация трехмерной модели гидродинамики мелководных водоемов на супервычислительной системе// Вычислительные методы и программирование: Новые вычислительные технологии. 2012. Т.13. С. 290-297.

4. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. Наука, 1989.

5. Самарский А.А. Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978.

6. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Дегтярева Е.Е. Математическое моделирование транспорта донных отложений с учетом гидродинамических процессов// Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 6 (131). - С. 57-62.

7. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Проценко Е.А. Математическое моделирование транспорта наносов в прибрежной зоне мелководных водоемов // Математическое моделирование. - 2013. - Т. 25, № 12. - С. 65-82.

8. Сухинов А.И., Чистяков А.Е., Проценко Е.А. Математическое моделирование транспорта наносов в прибрежных водных системах на многопроцессорной вычислительной системе// Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2014. - Т. 15, № 4. - С. 610-620.

9. Сухинов А.И., Никитина А.В., Чистяков А.Е., Семенов И.С. Математическое моделирование условий формирования заморов в мелководных водоемах на многопроцессорной вычислительной системе // Вычислительные методы и программирование. - Т.14. - 2013. - C. 103-112.

10. Никитина А.В., Семенов И.С. Моделирование процессов эвтрофикации мелководного водоема // Известия ЮФУ. Технические науки. - № 4. - 2013. - С.37- 44.

Размещено на Allbest.ru