СПОСОБ СБОРА ИНФОРМАЦИИ ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ РЕГИОНА И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА АВАРИЙНОГО И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕГИОНА
METHOD FOR THE REGION'S ECOLOGICAL STATE DATA COLLECTION AND AN AUTOMATED SYSTEM OF ECOLOGICAL MONITORING AND EMERGENCY MONITORING OF THE REGIONAL ENVIRONMENT

Изобретение относится к области контрольно-измерительных систем и может быть использовано при конструировании систем аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, а также окружающей среды в зонах размещения морских газонефтяных терминалов.
Известные способы сбора информации об экологическом состоянии региона [RU №2210095; RU №2145120; RU №2079891; RU №2257598; US №3819862; GB №2179480; RU №2173889] включают размещение в регионе стационарных и мобильных контрольных постов, центрального контрольного пульта, оснащенных измерительной аппаратурой для регистрации сигналов, характеризующих состояние воздушной, водной, почвенной и радиационной обстановок с последующим анализом, зарегистрированных параметров по установленным критериям для исследуемого региона, путем использования физико-химических методов анализа состояния атмосферы и морской воды.
Известные устройства [RU №2210095; RU №2145120; RU №2079891; RU №2257598; US №3819862; GB №2179480; RU №2173889] содержат стационарные контрольные посты, мобильные контрольные посты, прямые и обратные связи, центральный контрольный пульт.
Наиболее полный состав измерительных средств экологического мониторинга представлен в известном способе экологического контроля загрязнений водной среды, донных отложений и атмосферы вдоль трассы магистральных трубопроводов, уложенных на дне водоемов [RU №2331876], заключающемся в размещении устройств регистрации в природной среде, регистрации сигналов гидрофизических полей с последующим хемилюминесцентным, хроматографическим, ионселективным, спектральным и радиометрическим анализами путем специальной группировки и обработки информации с последующей передачей на устройства документирования, в котором дополнительно измеряют временные вариации горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизического и геофизического полей в контролируемом регионе в разнесенных пунктах, выделяя вариацию, обусловленную вектором состояния исследуемого объекта, как искусственную акустическую аномалию в водной среде с регистрацией сигналов акустического импеданса донных слоев, выполняют детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды, выявляют артефакты, обусловленные магнитогидродинамическим, биоэлектрическим и концентрационными эффектами, при последующем анализе дополнительно определяют содержание синтетических поверхностно-активных веществ в водной среде путем атомно-абсорбционной спектрофотометрии, концентрации хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, а устройство для экологического контроля загрязнений, содержащее водозаборную линию с размещенными на ней датчиками гидрофизических полей, подключенную к водозаборным входам устройств хемилюнесцентного, хроматографического, ионселектизного, спектрального, радиометрического анализов, а также подсоединенную своими электрическими выходами к спектометру ионизирующих излучений и совокупности логических схем, дополнительно подключено своими электрическими выходами к атомно-абсорционному спектрофотометру, рентгено-флуоресцентиому анализатору, на водозаборной линии дополнительно установлены фильтровальная установка с мембранными фильтрами для концентрирования хлорофилла, фильтровальная установка с воронкой Зейтца для отбора проб микроорганизмов, камера Ножотта для подсчета количества фитопланктона, камера Богрова для подсчета количества зоопланктона, центрифуга для определения содержания хлорофилла, геофон, гидрофон, датчик спектрометра протонного спинового эха и электроды, подключенные своими информационными выходами через совокупность соответствующих логических схем к входам блоков анализа хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, гидроакустических сигналов, спин-релаксационных параметров, артефактов соответственно.
Однако известные способ и устройство для его осуществления решают задачу в основном экологического мониторинга, в то время как в регионах месторождений необходимо учитывать и возможные аварийные ситуации, что необходимо при спасании людей и эвакуации персонала, когда произошло инициирование аварийной ситуации и развивается процесс аварийной ситуации, например развитие во времени и пространстве вредных (поражающих) факторов. На стадии разведки месторождения аварийные ситуации, приводящие к необходимости спасания людей и эвакуации персонала, могут возникнуть на плавучих буровых установках, буровых судах, судах обеспечения вследствие пожаров, взрывов, выбросов углеводородов, обледенения и потери остойчивости судов, обеспечивающих морское нефтегазовое месторождение (МНМ), столкновений судов между собой, с плавучей буровой установкой (ПБУ), с айсбергом. На стадии добычи углеводородов аварийные ситуации, приводящие к необходимости спасания людей и эвакуации персонала, могут возникнуть на морской добычной платформе (МДП), судах обеспечения, подводном добычном комплексе (ПДК) вследствие пожаров, взрывов, выброса углеводородов, обледенения и потери остойчивости судов, столкновений судов между собой, с МДП, с айсбергом. На стадии транспортировки углеводородов с помощью танкеров и судов транспортировки природного газа как специализированными судами, так и приспособленными для перевозки сжиженного газа аварийные ситуации, приводящие к необходимости спасания людей и эвакуации персонала, могут возникнуть на танкерах, судах для первозки сжиженного газа вследствие пожара, взрыва сжиженного природного газа (СПГ), посадки на мель, обледенения и потери остойчивости, столкновения с другим судном или айсбергом.
На базах обеспечения аварийные ситуации, приводящие к необходимости спасания людей и эвакуации персонала, могут возникнуть на объектах береговой инфраструктуры вследствие взрывов и пожаров, поступления в атмосферу сильнодействующих ядовитых веществ при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и при их транспортировке.
На всех стадиях освоения месторождения аварийные ситуации, приводящие к необходимости спасения людей и эвакуации персонала, могут возникнуть при локализации (ликвидации) опасностей техногенного происхождения, влияющих на экологическую безопасность функционирования морского нефтегазового месторождения (взрывоопасных предметов и объектов, затопленного химического оружия, затопленных радиационно-опасных объектов).
Во всех указанных случаях критическим условием эффективного решения задач спасения людей и эвакуации персонала является оперативность получения фактической информации о параметрах и обстоятельствах, угрожающих жизни и здоровью людей. В условиях освоения морских нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе, удаленности от береговой инфраструктуры, сложных, гидрометеорологических условиях (штормы, ледовая обстановка, полярная ночь или просто ночное время) затруднительно оперативно оценить обстоятельства сложившейся аварийной ситуации.
На функционирование объектов и оборудования влияют многие факторы окружающей среды: глубина моря, ледяные поля, волновые нагрузки, ветровые нагрузки, нагрузки от морского течения, сейсмическое воздействие, особенности грунта, на который устанавливается МДП, а также монтажные нагрузки. Так, при увеличении глубины моря необходимо учитывать не только прямое воздействие волн, но и возможность появления резонансных колебаний, совпадающих с периодом воздействия волн на сооружение.
В известных способах и устройствах для морских акваторий этот подход обоснован слабо из-за не учета специфики морской среды и биоты, а также алгоритмов о функционирования морских экосистем и их ассимиляционных свойств. В основе морских экосистем лежит морская биота - индикатор состояния природной среды, коренным образом отличающейся от среды обитания человека. Главными ее отличительными признаками выступают открытость морских экосистем (единство Мирового океана), огромная пространственно-временная изменчивость среды обитания (подвижность морских вод), скрытость и инерционность происходящих процессов, сложность и ограниченность доступа к месту событий.
Другим существенным фактором, влияющим на выбор оптимальной технологии экологической оценки морских экосистем, выступает иной (чем для суши) характер антропогенизации акваторий. Здесь в гораздо меньшей степени проявляется очагово-дискретный характер загрязнений, связанных с неравномерной плотностью населения и размещения производства. Для морских экосистем очень существенен градиент "суша-море", превращающий прибрежную зону в динамичный приемник загрязняющих веществ (поллютантов) и отделяющий основную часть акватории от неблагоприятных воздействий населенной суши (соседней и отдаленной). В этом смысле территориальные геосистемы моря могут считаться природно- или экосистемно-ориентированными, т.е. в системной триаде "человек-техника-природа" главную роль играют природные факторы, включая биосферу. Эти особенности должны быть непременно учтены.
Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей известных способов и устройств экологического и аварийного мониторинга.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе сбора информации об экологическом состоянии региона, включающем размещение в регионе стационарных и мобильных контрольных постов, центрального контрольного пульта, оснащенных измерительной аппаратурой для регистрации сигналов, характеризующих состояние воздушной, водной, почвенной и радиационной обстановок с последующим анализом, зарегистрированных параметров по установленным критериям для исследуемого региона, экологического контроля загрязнений водной среды, донных отложений и атмосферы, путем размещения устройств регистрации в природной среде, регистрации сигналов гидрофизических полей, с последующим хемилюминесцентным, хроматографическим, ионселективным, спектральным и радиометрическим анализами путем специальной группировки и обработки информации с последующей передачей на устройства документирования, измерения временных вариаций горизонтальных и вертикальных компонент вектора гидрофизизического и геофизического полей в контролируемом регионе в разнесенных пунктах с выделением вариации, обусловленной вектором состояния исследуемого объекта, в виде искусственной акустической аномалии в водной среде с регистрацией сигналов акустического импеданса донных слоев, выполнения детектирования молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды, выявления артефактов, обусловленных магнитогидродинамическим, биоэлектрическим и концентрационными эффектами, определения содержания синтетических поверхностно-активных веществ в водной среде методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии, определения концентрации хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, в котором окружающая среда (атмосфера, гидросфера) и инфраструктура промышленного объекта разбивается на ряд объемов, для каждого их которых составляется модель материального баланса с учетом коммуникационных путей перемещения загрязнений между установленными объемами и прогнозная модель распространения загрязнений, при этом атмосфера аппроксимируется набором трехмерных расчетных объемов, ограниченных от очага загрязнения масштабными расстояниями 0-10 км, 10-200 км, 200-1000 км и свыше 1000 км соответственно, а также прогнозная модель распространения загрязнения, при этом прогнозная модель в водной среде строится с учетом изменения концентрации загрязняющих веществ, обусловленных их переносом с перемещающими массами воды, турбулентной диффузией примесей, осаждением на дне водоема вредных веществ, находящихся в форме взвесей и коллоидных частиц, переходом осадков, содержащих вредные вещества, вновь во взвешенное состояние, сорбцией и десорбцией вредных примесей неорганическими и органическими веществами, захватом биотой, разложением и распадом, на горизонтах гидросферы 0,5, 10, 20, 50, 100 метров и на дне; прогнозная модель распространения загрязнений в грунтовых водах строится с учетом вертикального переноса через неводонасыщенную область и дисперсии и переноса в водонасыщенных зонах, сорбции и десорбции загрязненных веществ в почвенных структурах, ионного обмена, разложения загрязняющих веществ биотой, химического состава почв и подземных потоков воды; прогнозная модель распространения загрязняющих веществ на территории промышленного объекта строится путем анализа N-го количества сценариев ее формирования как в штатном (повседневном) режиме функционирования объектов инфраструктуры промышленного объекта, так и в случаях возникновения аварийных ситуаций, при этом выполняют ранжирование установленных объемов по степени опасности для состояния компонентов окружающей среды; степень загрязнения морской среды устанавливают по параметрам загрязнения, которые определяют путем интегральной оценки качества воды по гидрофизическим, гидрохимическим и гидробиологическим показателям, степень загрязнения грунта определяют путем органолептического и структурного анализа, оценку экологической обстановки на акватории выполняют по показателям трофоспособности и степени загрязнения; автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона, содержащая стационарные и мобильные контрольные посты, прямые и обратные связи, центральный контрольный пункт, включающие средства регистрации, обработки, документирования и отображения информации, в которой средства регистрации включают устройство для экологического контроля загрязнений, содержащее водозаборную линию с размещенными на ней датчиками гидрофизических полей, подключенную к водозаборным входам устройств хемилюнесцентного, хроматографического, ионселективного, спектрального, радиометрического анализов, а также подсоединенную своими электрическими выходами к спектометру ионизирующих излучений и совокупности логических схем, подключенными своими электрическими выходами к атомно-абсорционному спектрофотометру, рентгено-флуоресцентному анализатору, на водозаборной линии также установлены фильтровальная установка с мембранными фильтрами для концентрирования хлорофилла, фильтровальная установка с воронкой Зейтца для отбора проб микроорганизмов, камера Ножотта для подсчета количества фитопланктона, камера Богрова для подсчета количества зоопланктона, центрифуга для определения содержания хлорофилла, геофон, гидрофон, датчик спектрометра протонного спинового эха и электроды, подключенные своими информационными выходами через совокупность соответствующих логических схем к входам блоков анализа хлорофилла, микроорганизмов, фитопланктона, зоопланктона, гидроакустических сигналов, спин-релаксационных параметров, артефактов соответственно, в которую дополнительно введены блок телевизионных датчиков, блок датчиков ИК-излучения, датчики теплового излучения, метрологический модуль, гидролокатор бокового обзора, многолучевой эхолот, блок определения качества воды по трофосапробным показателям и характеристикам донных отложений, лидар, пенетрометр, датчик обнаружения метана, датчик сероводорода; средство отображения информации выполнено в виде геоинформационной системы.
Предлагаемое техническое решение в отличие от аналогов позволяет учесть такой важный фактор, как ликвидация последствий аварий с экологическими последствиями, что не решается известными способами, а достигается следующим образом.
На карту региона, представляющего, например, морское нефтегазовое месторождение, наносятся все объекты, которые составляют инфраструктуру и которые следует рассматривать в качестве источников экологической опасности при штатной их работе и в аварийных ситуациях.
Последовательно рассматривается характер воздействия потенциально экологически опасных объектов на экологическую обстановку в районе месторождения.
Проводят ситуационное моделирование источников и видов загрязнений от потенциально экологически опасных объектов, производств и производственных операций, определяющих экологическую нагрузку на окружающую среду. На тематические карты наносятся возможные загрязнения компонентов окружающей среды.
Оценивается степень опасности производственной деятельности морского объекта хозяйственной деятельности, включая морское нефтегазовое месторождение для состояния компонентов окружающей среды.
Производится ранжирование отдельных районов месторождения и различных месторождений по степени экологической опасности.
Выявляется вклад деятельности отдельных районов месторождения в локальное химическое загрязнение акватории и береговой территории.
Сущность изобретения поясняется чертежами. Для иллюстрации предлагаемого технического решения в качестве объекта хозяйственной деятельности выбран морской терминал, размещенный на шельфе, для добычи углеводородов.
Фиг.1 - структурная схема системы экологического мониторинга морского нефтегазового месторождения, которая включает: контрольный пункт 1, представляющий собой подсистему оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды и выработки рекомендаций для принятия решения при нарушении штатного режима функционирования промышленного объекта, стационарные и мобильные контрольные посты 2, представляющие собой экологические посты наблюдений, снабженные измерительной аппаратурой, представляющие собой суда, летательные аппараты, дрейфующие и донные станции, подводные аппараты, конструкции морских терминалов, устройство сбора и обработки информации 3 представляет собой систему технических средств, учитывающих динамику изменения элементов окружающей среды и воздействующих на них факторов, устройство хранения информации, включающее базу 4 данных оперативной информации (характеристик цикла наблюдений, а также при аварийной ситуации), базу 5 данных исходной информации (характеристик регулярных наблюдений), нормативно-справочную базу 6 данных, содержащих необходимые документы, включая требования природоохранного законодательства, технические характеристики объекта, устройство отображения информации 7, представляющее собой систему технических средств формирования, обработки и хранения картографической информации, выполненной в виде геоинформационной системы.
Фиг.2 - блок схема алгоритма формирования прогнозирующей системы.
Фиг.3 - схема обработки данных при определении загрязнения водных акваторий:
C - измеренные концентрации загрязняющих веществ;
X, Y - преобразованные и взвешенные значения концентраций;
м
I - индекс загрязнения тяжелыми металлами;
з
I - индекс содержания загрязняющих веществ;
т
I - индекс содержания токсических веществ;
пр
I - индекс содержания примесей;
ос
I - общий санитарный индекс;
I - индекс загрязнения в контролируемом створе;
р
I - индекс загрязнения реки (водотока).
Фиг.4 - блок-схема последовательности операций оценки экологической обстановки на акватории по результатам регулярного экологического контроля водной среды. Блок 8 состояния параметров водной среды по априорным данным, блок 9 регистрации гидрологических, гидрохимических и гидрофизических параметров в период выполнения измерений по заданной трассе на нескольких горизонтах гидросферы и на границе атмосфера-гидросфера, блок 10 построения на карте изолиний на уровне 1,5 ПДК, блок 11 определения площадей и аномалий и максимального значения внутри аномалии, блок 12 вычисления характеристик аномалий.
Фиг.5 - блок-схема последовательности операций оценки экологической обстановки на акватории по результатам регулярного экологического контроля донных отложений. Блок 13 хранения эталонных показателей пригодности, блок 14 технических средств отбора проб грунта в пунктах контроля, блок 15 огранолептического и структурного анализа, блок 16 определения количества проб пригодности/непригодности для оценки, блок 17 определения соотношения проб и их координат, блок 18 количественного анализа содержания вредных веществ, блок 19 нормирования на ПДК, блок 20 вычисления средних значений по всем контрольным пунктам акватории, блок 21 определения качества в соответствии с требованиями стандартов, блок 22 оценки экологической обстановки на дне акватории, блок 23 оценки соответствия состояния водной поверхности и грунта требованиям стандартов.
Фиг.6 - схема последовательности операций ситуационного моделирования экологической обстановки в районе обустройства морских нефтегазовых месторождений. Операция 24 нанесения на карту-схему источников экологической опасности, операция 25 последовательного ситуационного рассмотрения характера воздействия потенциально экологически опасных объектов на экологическую обстановку, операция 26 ситуационного моделирования источников и видов загрязнения при штатной деятельности и в аварийных ситуациях, операция 27 циклической оценки степени опасности функционирования месторождения для конкретного состояния компонентов окружающей среды, операция 28 получения оценки степени опасности химического загрязнения приземной атмосферы, операция 29 получения оценки степени опасности химического загрязнения земель, операция 30 получения оценки степени химического загрязнения поверхностных вод и донных отложений, операция 31 получения оценки степени опасности воздействия загрязнения на растительность, операция 32 получения оценки степени опасности радиоактивного загрязнения, операция 33 получения обобщенной оценки степени опасности химического загрязнения в зоне функционирования месторождения, операция 34 получения оценки степени интегральной токсичности поверхности вод, операция 35 оценки влияния вклада месторождения в локальное химическое загрязнение, операция 36 ранжирования районов месторождения по степени экологической опасности в масштабах шельфа.
Фиг.7 - блок-схема прогнозного моделирования экологической обстановки в районах обустройства морских нефтегазовых месторождений. Операция 37 выбора методического аппарата для определения неизвестных параметров прогнозного моделирования, операция 38 моделирования взрывных явлений и пожаров, операция 39 моделирования распространения вредных веществ в окружающей среде, операция 40 прогнозного моделирования аварийных воздействий на экологическую обстановку, операция 41 вычисления размеров зон распространения облака загрязняющих веществ, операция 42 вычисления аварийного разлива нефтепродуктов на акватории и траектории перемещения нефтяного пятна, операция 43 вычисления аварийного заражения территории сильнодействующими ядовитыми веществами, операция 44 вычисления путей и зон проникновения вредных веществ в грунт при аварийных разливах, операция 45 вычисления доз поступления отравляющих веществ по потенциальным цепочкам до обслуживающего персонала, операция 46 вычисления доз количества радионуклидов из акватории по потенциальным цепочкам до обслуживающего персонала.
Фиг.8 - блок-схема операций модели использования информационно-измерительного подкомплекса (ИИП) в системе ситуационного и прогнозного мониторинга (ССМП) для регулярного экологического контроля. Операция 47 выбора и обоснования реперных точек на акватории, операция 48 циклического измерения состояния водной среды в реперных точках и по трассе между ними, операция 49 регистрации параметров (показателей) трофосапробности водной среды и загрязнения вредными веществами, операция 50 отображения полученной информации по каждому циклу измерений водной среды на электронных картах, операция 51 формирования базы данных по показателям водной среды, операция 52 проведения отбора проб донных отложений в реперных точках, операция 53 анализа проб донных отложений на пригодность для рыбохозяйственных целей и степени загрязнения вредными веществами, операция 54 отображения полученной информации по циклу измерений донных отложений на электронных картах, операция 55 формирования базы данных по экологическим показателям донных отложений, операция 56 оценки экологической обстановки на обследуемой территории.
Фиг.9 - блок-схема использования ИИП в ССПМ для оперативного экологического контроля акватории. Операция 57 патрулирования в районе возможного несанкционированного воздействия на водную среду, операция 58 определения фонового состояния водной среды по фоновым показателям, операция 59 выделения аномалий по превышениям над адаптивными порогами вдоль трассы патрулирования, операция 60 анализа расположения выделенных аномалий для планирования этапа их оконтуривания, операция 61 оконтуривания аномалий и нанесения контуров на электронную карту, операция 62 отслеживания динамики движения аномалий в обследуемом районе, операция 63 регистрации в аномальных зонах всей совокупности параметров водной среды измеряемых посредством ИИП, операция 64 формирования базы данных оперативного экологического контроля акватории.
Фиг.10 - факторная модель системы анализа зарегистрированных параметров. Внешняя среда 65, вход 66 переменных параметров, блок управления 67, объект исследования 68 (который включает оператор преобразования входных переменных в выходные, параметры состояния и его характеристики), выход 69.
Фиг.11 - функциональная схема измерительных устройств стационарных и мобильных постов. Схема содержит водозаборную линию с размешенными на ней датчиками температуры 70,71, радиоактивности 72, электропроводности 73, pH 74, REDOX-потенциала 75, кислорода 76, блок ионоселективных электродов 77, гидрофон 78, геофон 79, датчики ионов тяжелых металлов 80, датчики содержания активных и газообразных веществ 81, датчики физиологических параметров 82, датчик спектрометра протонного спинового эха 83, электроды 84, мареограф 85, антенну 86 гидроакустического канала связи, спутниковую навигационную антенну 87, датчик атмосферного давления 88, водозаборное устройство 89, соединенное с водозаборными входами устройств хемилюминесцентного 90, хроматографического 91, ионселективного 92, спектрального 93, радиометрического 94 анализа, атомно-абсорционный спектрофотометр 95, блок анализа хролофилла 96, блок анализа микроорганизмов 97, блок анализа фитопланктона 98, блок анализа зоопланктона 99, блок обработки гидроакустических сигналов 100, блок обработки спин-релаксационных параметров 101, блок спектрометра ионизирующих излучений 102, устройство документирования 103, блок обмена информацией (контроллер) 104, блок логических схем 105, блок телевизионных датчиков 106, блок датчиков ИК-излучения 107, блок датчиков теплового излучения 108, метрологический модуль 109, гидролокатор бокового обзора 110, многолучевой эхолокатор 111, блок определения качества воды по трофосапробным показателям и характеристикам донных отложений 112, лидар 113, пенетрометр 114, датчик обнаружения метана 115, датчик сероводорода 116. В качестве примера реализации датчиков 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 88, 89, 90, 91 можно использовать соответствующие блоки устройства-прототипа.
Электроды 84 представляют собой слабо поляризующие хлорсвинцовые электроды [см., например: О характере и причинах изменения естественного электрического поля водной толщи океана по вертикали. / Богоров В.Г., Деменицкая P.M., Городницкий A.M. и др. // Океанология, Л., т.1X, вып.5, 1969].
Аналогом датчика спектрометра протонного спинового эха 83 является зонд протонного спинового эха [Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана. Владивосток. Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, 1990, с.160-172], что позволяет исследовать физико-химические свойства морской воды на молекулярном уровне. При этом выполняется оценка функциональных зависимостей вязкости, плотности, сжимаемости, теплоемкости, электропроводности и растворяемости газов от внешних факторов (температуры, солености, гидроакустического давления), а также определяются данные о количестве парамагнитных соединений в морской воде, о характере взаимодействия растворенных в морской воде веществ с молекулами воды, что обеспечивает выполнение оценки влияния антропогенного фактора при эксплуатации магистральных трубопроводов в аномальных зонах, например, в районах захоронения химического оружия, а также выявляет зоны с аномальными значениями релаксационных параметров, связанных с глубинными гидротермами, разломами, вулканизмом, сбросами промышленных отходов, газовыделений химического происхождения по совокупности параметров спиновой релаксации, таких как скорость спин-решеточного взаимодействия, которая характеризует процесс установления термодинамического равновесия между спиновой подсистемой и решеткой, скорость спин-спиновой релаксации, которая характеризует сохранение спиновой памяти об условиях, в которых создавалась намагниченность, скорость спин-решеточной релаксации во вращающейся системе координат, которая характеризует процесс установления равновесий намагниченности вдоль высокочастотного поля.
Водозаборная линия включает также средства отбора проб воды, донных организмов, и грунта, и зоопланктона. Для отбора проб воды могут быть использованы, как в прототипе, водозаборные шланги или батометры, например, типа ПЭ 1420, представляющий собой батометр с телескопическим устройством из образующих корпус секций. В сложенном состоянии он опускается на заданную глубину, обеспечивая свободное прохождение жидкости через пробоотборник. После этого по тросу направляется посыльный груз, выдвигающий секции. Образующаяся полость заполняется жидкостью. Затем вода сливается в емкость через отверстие дна, открывающееся при надавливании. Для извлечения донных организмов и грунта могут быть использованы портативные грейферы с телескопическим устройством и планктонные сети. Отобранные пробы подвергаются разделению и концентрированию посредством автоклавного модуля типа МКП-04.
Блок телевизионных датчиков 106, блок датчиков ИК-излучения 107, блок датчиков теплового излучения 108, гидролокатор бокового обзора 111, многолучевой эхолот 110 предназначены для обследования морских терминалов на предмет повреждений подводных коммуникаций и сооружений. В качестве гидролокатора бокового обзора 49 использован гидролокатор типа SIS 3000 (ф. Bentos Inc.), обеспечивающий картирование дна на больших глубинах и съемку подводных трубопроводов.
Лидар 113 предназначен для определения концентраций газовых компонентов слоя атмосферы. Метод определения концентраций газовых компонентов слоя атмосферы заключается в том, что по основной трассе зондирования посылают оптические импульсы на различных длинах волн, причем длины волн оптических импульсов выбирают в полосах поглощения определяемых газовых компонентов, и регистрируют сигналы обратного рассеяния, по интенсивностям которых судят о значениях концентраций газовых компонентов, оптические импульсы посылают не менее чем по двум дополнительным трассам зондирования, причем направления дополнительных трасс выбирают таким образом, чтобы точки пересечения основной и каждой из дополнительных трасс лежали на обеих границах зондируемого слоя атмосферы.
ki
ki
При этом световые импульсы посылают в атмосферу посредством лидара 113 из точек, расположенных на прямой линии. Дополнительно к зондированию по основному направлению посылают импульсы из еще двух точек вдоль двух лучей, пересекающихся внутри слоя в некоторой точке и пересекающих основную трассу зондирования в точках пересечения ее с границами. Скорректированные на геометрический фактор (умноженные на квадрат расстояния зондирования) сигналы обратного рассеяния P на длинах волн , находящихся в полосе поглощения газового компонента, принимают из дополнительных точек, и в точке их пересечения находят их отношение и вычисляют их величины.
k
По найденным отношениям, связанным с искомыми концентрациями, N, средними по слою, оптико-локационным уравнением определяют концентрацию каждого газового компонента. Описание аналога приведено в патенте RU №2017139.
Пенетрометр 114 установлен на телескопическом устройстве и предназначен для выполнения морской грунтовой съемки. Аналогом пенетрометра 27 является пенетрометр типа «CPT Fugro» с глубиной проникновения зонда в грунт до 20 м.
По результатам морской грунтовой съемки, на основании моделирования определяется пространственно-временное распределение средней по глубине концентрации взвеси и толщины слоя осадков на морском дне, а также гранулометрический состав грунта.
Задача обнаружения утечки газа из нефтепровода решается аналогичным образом.
Для определения площади и глубины загрязнения от утечки нефти донная станция снабжена пенетрометром 114, который представляет собой конусовидный снаряд, оснащенный датчиками, которые под воздействием силы тяжести или с помощью бура через телескопическое устройство заглубляется в загрязненный грунт. По измеренным коэффициентам сопротивления и трения определяются прочностные характеристики грунта.
В последствии по полученным данным выполняют картирование района загрязнения - топографическую и навигационную карту, на которой отображаются границы загрязнения.
Датчик обнаружения метана 115 предназначен для измерения концентрации метана в водной толще. Датчик представляет собой полупроводниковый прибор, принцип работы которого заключается в том, что диффузия молекул углеводородов из воды через специальную силиконовую мембрану транслируется в камеру датчика. Адсорбция молекул углеводов на активном слое датчика приводит к электронному обмену с молекулами кислорода, таким образом, меняя сопротивление активного слоя, которое преобразуется в выходное (измеряемое) напряжение.
Основные характеристики датчика:
- 10 µм силиконовая мембрана;
- рабочая глубина 0-3500 м;
- рабочая температура 2-20 °C;
- время измерения от 1 до 3 сек;
- время стабилизации диффузии до 5 минут, в зависимости от турбулентности;
- входное напряжение 9-36 B;
- расход энергии 160 мА/ч;
- выходной сигнал - аналоговый 0-5 B и цифровой RS-485;
- метан 50 нмоль/л-10 µмоль/л.
Аналогом датчика обнаружения метана 115 является датчик типа METS («CAPSUM»).
Датчик обнаружения метана 115 может быть использован, как для обнаружения утечек углеводородов из трубопроводов.
Датчик сероводорода 116 предназначен для обнаружения сероводорода в окружающей среде.
Полупроводниковый слой датчика сероводорода 116 выполнен из частично галогенированного безметального или содержащего переходной металл фталоцианина, при этом галогенирование используемого фталоцианина выполнено до замещения атомами галогена (Cl, Вr, I) 50-75% периферических атомов водорода, входящих в изоиндольные группировки фталоцианинового макрокольца. Аналогом датчика сероводорода является датчик сероводорода, приведенный в описании к патенту РФ №1789915.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Посредством измерительных средств регистрируют параметры окружающей среды в регионе. Выполняют анализ зарегистрированных сигналов, который включает следующий ряд этапов.
oc
м
з
m
Степень загрязнения морской среды устанавливают по параметрам загрязнения, которые определяют путем интегральной оценки качества воды с установлением категории качества воды по комплексу показателей, которые разбиты на 4 группы: общий санитарный показатель (I), показатели металлов (I), специфических загрязняющих веществ (I), токсичных веществ (I). Все показатели, кроме общего санитарного, строятся по относительным концентрациям веществ:
i
где C - концентрация i-го вещества в воде;
i
ПДК - соответствующие предельные допустимые концентрации хозяйственно-питьевого водопользования.
м
m
з
ос
ос
м
m
з
Показатели содержания металлов, токсичных и специфических загрязняющих веществ определяют как среднюю арифметическую оценку по всем входящим в I, I, I показателям, умноженным на произведение штрафных функций. Методика построения общего санитарного показателя I основана на экспертно-аналитическом подходе. Показатели I, I, I, I затем объединяются в обобщенный показатель (I) воды. При этом анализ водной среды выполняют по показателям I на наличие в ней таких ингредиентов, как нефтяные углеводороды (окружающая среда: вода, дно) с использованием дифференциальных методов: газожидкостная хроматография, хроматомасс-спектрометрия и интегральных методов: УФ-спектрофотометрия, ИК-спектрофотометрия, спектрофлуорометрия; растворенный кислород (вода) - электрохимический, газохроматографический, масс-спектрометрический, газометрический, полярографичский методы; водородный показатель (вода, дно) - потенциометрический метод; хлорированные углеводороды (вода, дно) - газожидкостная хроматография, хроматомасс-спектрометрия, высокоэффективная жидкостная хроматография; синтетические поверхностно-активные вещества (вода, дно) - атомно-абсорбционная спектрофотометрия; тяжелые металлы (вода, дно) - атомно-абсорбционная спектрофотометрия, рентгенофлуоресцентный анализ, полярография;
фенолы (вода, дно) - хроматография, спектрофотометрия, хроматомасс-спектрометрия;
5
биогенные вещества (вода, дно) - спектрофотометрический, фотоэлектроколориметричский, ионохроматография; БПК (вода) - амперометрический, респирометрический;
сероводород (вода) - колориметрический (фотометрический, спектрофотометрический);
отравляющие вещества (вода, дно) - атомно-абсорбционная спектрофотометрия, газожидкостная капиллярная хроматография, спектрофотометрия; соленость (вода) - индукционный метод; прозрачность, цветность (вода) - оптический метод.
Одновременно с анализом водной среды выполняют анализ загрязнения донных отложений и почв. При этом устанавливают степень загрязнения донных отложений и почв путем определения химического и радиоактивного загрязнений.
c
При анализе загрязнений донных отложений (почв) набором химических элементов используется суммарный показатель загрязнения (Z), рассчитываемый по формуле:
i
i
ф,i
i
i
ПДКi
где K=C/С или K=C/C, i - i-е загрязняющее вещество,
n - общее число загрязняющих веществ,
i
C - концентрация i-го загрязняющего вещества в почве,
ф,i
ПДКi
C(C) - фоновое содержание i-го вещества, ПДК i-го вещества или значение Кларка.
Экологическое состояние дна и почв, подверженных воздействию химических веществ, оценивается по площади загрязненных дна и почв и содержанию в них этих веществ.
Радиоактивное загрязнение почвы в районе объектов обустройства нефтегазовых месторождений оценивается по мощности дозы на высоте 1,0 м от поверхности почвы (мкР/ч) и содержанию в почвах основных биологически опасных, дозообразующих радионуклидов (например, изотопов цезия, стронция, плутония).
Радиоактивное загрязнение донных отложений оценивается суммарными альфа-, бета-активностями и содержанием в донных отложениях маркерных радионуклидов (цезия, стронция).
Для водоемов суши (реки, озера, пруды, водохранилища) используются критерии оценки загрязнения по гидрохимическим и гидробиологическим показателям дифференциальным методом.
Затем дифференциальные оценки агрегируются в соответствующие функции согласно схеме (фиг.3).
Основными процессами, определяющими распространение вредных веществ в морских водах, включая нефтепродукты, являются:
- перенос с перемещающимися массами воды;
- турбулентная диффузия примесей;
- осаждение на дне вредных веществ, находящихся в форме взвесей и коллоидных частиц;
- переход осадков, содержащих вредные вещества, вновь во взвешенное состояние;
- сорбция и десорбция вредных примесей различного рода неорганическими и органическими веществами;
- захват биотой;
- разложение и распад вредных веществ и т.п.
Построение прогнозной модели изменения экологической обстановки, например в результате аварийного разлива нефтепродуктов, и возможность представления результатов в виде набора цифровых карт в составе геоинформационной системы (ГИС) позволяет организовать эффективное функционирование элементов системы при аварийно-спасательных работах.
Каждый конкретный район обустройства в зоне разрабатываемого месторождения может характеризоваться своей обобщенной оценкой потенциальной экологической устойчивости, что позволяет провести их ранжирование по степени устойчивости, которое затем может быть учтено при планировании аварийно-спасательных мероприятий, связанных с охраной окружающей среды. Так, ранжирование основано на получении линейной свертки сводного показателя устойчивости вида:
i
i
где f(x) - нормализующие линейные невозрастающие функции от частных признаков x:
i
c - весовые коэффициенты.
i
При построении свертки используются номинальные количественные значения частных признаков устойчивости ТПК x, разброс указанных значений  по конкретным районам обустройства и ординальная информация по ним, учитывающая относительную значимость признаков.
Ситуационное моделирование экологической обстановки по уменьшению негативного влияния на окружающую среду реализуется на основе следующих обобщенных показателей:
1. Оценка опасности загрязнения приземной атмосферы базы обеспечения j-м объектом вредных воздействий рассчитывается по формуле
где n - число учитываемых загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу из j-го объекта;
i
A - коэффициент опасности i-го вещества;
i
M - масса i-го вещества, поступающего от всех источников j-го объекта (организованных и неорганизованных стационарных, подвижных, децентрализованных).
2. Оценка опасности загрязнения и нарушения состояния земельных ресурсов базы обеспечения определяется нарушением почвенных покровов и техногенными загрязнениями.
В этот показатель включены следующие признаки:
- интенсивность эксплуатации земель базы обеспечения различными видами землепользования;
- эрозия почв;
- просадка грунтов, изъятие земель под инфраструктуру базы обеспечения, карьеры, отвалы и свалки отходов;
- химическое загрязнение почв.
По каждому признаку определяется площадь с нарушениями , естественное восстановление которых превышает нормативный период (например, год). Интегральная экологическая опасность загрязнения (нарушения) земель базы обеспечения  определяется суммой опасностей всех видов нарушений:
3. Оценка опасности загрязнения и нарушения состояния прибрежной акватории и других поверхностных вод производится по количественным и качественным показателям, которые ухудшают состояние водных экосистем (химическое, биологическое, механическое, термическое загрязнения, безвозвратное водопотребление):
где
Здесь  - опасность i-го вида нарушения;
i
к - коэффициент значимости i-го вида нарушения;
i
V - объем загрязненного стока i-го вида нарушения;
i
W - величина i-го вида нарушения;
i
N - нормативное (допустимое) значение i-го вида нарушения.
4. Оценка опасности нарушения растительного покрова базы обеспечения определяется снижением биопродуктивности в зоне нарушения:
где l - число нарушенных растительных сообществ;
- максимальная продуктивность i-го растительного сообщества в ненарушенной зоне;
i
G - фактическая продуктивность i-го растительного сообщества в нарушенной зоне;
i
S - площадь проявления нарушений i-го растительного сообщества;
z - коэффициент интенсивности хозяйственного воздействия.
В качестве оценки сбалансированности техногенного воздействия в ПТС месторождения и механизмов самоочистки ТПК используется разность I между нормированными значениями показателя Q потенциальной экологической устойчивости ТПК и показателя E степени техногенного воздействия
где I - показатель сбалансированности техногенных нагрузок на ПТС;
Q - показатель потенциальной экологической устойчивости ТПК;
E - показатель степени техногенного воздействия ПТС;
Q
E
c, c - весовые коэффициенты.
Если I>0, то механизмы саморегуляции обеспечивают устойчивость ПТС, если I<0, то необходимо целенаправленно управлять ее состоянием с учетом различных сценариев освоения месторождения.
Показатель степени техногенного воздействия на ПТС E определяется как
норм
где E - показатель степени техногенного воздействия в обычном режиме обустройства;
ав
E - показатель степени техногенного воздействия при аварийных ситуациях.
Существуют экспертно-аналитнческие методы, которые позволяют установить значения  например, технология АСПИД. В свою очередь значение Е можно выразить через оценки опасности вида (5)-(9):
где N - количество опасностей, анализируемых в ходе ситуационного и прогнозного моделирования экологической обстановки на базе обеспечения освоения месторождения.
ав
В зависимости от того, каков вклад аварийных ситуаций Е в степень техногенного воздействия E, определяются значение, назначение и основные элементы системы аварийно-спасательной базы обеспечения месторождения.
Основными задачами системы экологического мониторинга нефтегазового месторождения являются:
- организация наблюдений и проведение измерений показателей, характеризующих состояние элементов и объектов окружающей среды в зоне влияния месторождения;
- сбор и обработка данных наблюдений;
- организация и ведение специализированных банков данных, характеризующих экологическую обстановку на объектах и вдоль трассы трубопроводов;
- оценка и прогноз состояния элементов окружающей среды и техногенного воздействия на них;
- информационное обеспечение долгосрочного и оперативного управления состоянием окружающей среды в зоне обустройства, в том числе при возникновении чрезвычайных ситуаций.
Структурная схема системы экологического мониторинга (СЭМ) морского нефтегазового месторождения приведена на фиг.1.
Система экологического мониторинга морского нефтегазового месторождения как система производственного экологического мониторинга является составной частью технологического процесса функционирования промысла, выполняет несколько функций:
- осуществляет контроль экологического состояния морской среды в районе обустройства и вдоль трассы трубопроводов, включая зоны вероятного затопления боеприпасов, в том числе химического оружия:
- участвует в обеспечении экологической безопасности месторождения на стадиях его обустройства и эксплуатации;
- контролирует воздействия месторождения при его обустройстве и эксплуатации на морскую среду (поверхность, толщу, донные отложения) и воздействия опасных природных явлений (гидрометеорологических, геологических) на состояние объектов обустройства и их функционирование.
Обработка данных мониторинга на всех его этапах от первичных измерений, сбора и накопления данных до устранения последствий ситуаций, связанных с нарушением эксплуатационной и экологической безопасностью объектов, базируется на единой информационной технологии, использующей аппарат геоинформационнных систем, а также на комплексных интерактивных технологиях объединения разнородной информации в единой вычислительной среде.
Система имеет иерархическую структуру, отвечающую инфраструктуре объектов хозяйственной деятельности, в том числе и месторождения, и включат ряд подсистем.
Подсистема наблюдений системы экологического мониторинга осуществляет комплексный контроль всех параметров морской среды. В структуру подсистемы наблюдений входят стационарные пункты контроля (опорные станции для аналитических исследований водной толщи и донных отложений) различных категорий для регулярного экологического контроля и гибкая система адаптивно-мобильных пунктов контроля для оперативных наблюдений морской среды в условиях складывающейся обстановки функционирования месторождения и чрезвычайных ситуаций.
Алгоритмы обработки измерительных данных подсистемы сбора и обработки информации об изменениях элементов окружающей среды базируются на информации от контактных средств контроля и дистанционных, которые обеспечивают возможность охвата больших площадей в минимальные сроки. На этом уровне функционирования СЭМ реализован первый уровень иерархической ГИС для выработки обобщенных показателей экологического состояния морской среды и оперативного получения тематических карт экологической обстановки.
Подсистема оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды и выработки рекомендаций для принятия управленческих решений не только осуществляет контроль и анализ текущего состояния морской среды, но и оценивает динамику его развития, т.е. выполняет ретроспективный анализ и прогноз изменений состояний морской среды на основе моделирования экологических процессов.
В интересах анализа и прогноза процессов формирования, распространения и воздействия вредных веществ моделирование включает:
- моделирование процессов выбросов и сбросов, включая взрывы взрывоопасных предметов (ВОП) и истечение отравляющих веществ из затопленных химических боеприпасов, приводящих к загрязнению компонентов морской среды;
- моделирование распространения вредных веществ на поверхности, в водной толще и донных отложениях, с учетом совокупности гидродинамических, химических, седиментационных, сорбционных/десорбционных процессов, а также перераспределения загрязняющих веществ между компонентами гидроценоза (вода - гидробионты - донные отложения);
- моделирование миграции по пищевым цепочках вредных веществ и процессов формирования дозовых нагрузок на биоту и человека.
На этом уровне функционирования СЭМ реализован второй уровень иерархической ГИС, на которую поступает:
- техническая исходная информация от стационарных и подвижных экологических постов наблюдения,
- обобщенная и картографическая информация от подсистемы сбора и обработки информации,
- управляющая и вспомогательная информация о режимах работы и состоянии оборудования объектов обустройства, потенциально экологически опасных ситуациях на морских участках трубопроводов, от ГИС более высокого, третьего, уровня, являющейся составной частью автоматизированной системы управления технологическим процессом и технической диагностики оборудования обустройства месторождения, и при этом использует:
- базу данных исходной информации (характеристики регулярных наблюдений),
- базу данных оперативной информации (характеристики цикла наблюдений, а также при аварийных ситуациях),
- нормативно-справочную базу данных, содержащую необходимые документы природоохранного законодательства России, других государств и иную справочную информацию.
Система экологического мониторинга работает в режиме реального времени для обеспечения актуальности поступающих пользователям результатов мониторинга, что обеспечивается регулярным коммуникационным обменом оперативной информацией между всеми ее элементами по единой технологической программе и ограничением циклов обработки жесткими временными рамками.
Система ситуационного и прогнозного моделирования экологической обстановки реализуется в структуре системы экологического мониторинга морского нефтегазового месторождения и функционально размещается в подсистеме оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды и выработки рекомендаций для принятия управленческих решений. Результаты функционирования системы ситуационного и прогнозного моделирования экологической обстановки используются в Кризисном центре управления аварийно-спасательным обеспечением в районах обустройства морских нефтегазовых месторождений.
Экологическая модель представлена в виде функциональной зависимости состояния объекта
Ф(t)=f(X, A, G, Y, Q, t),
и является функцией времени от входных факторов состояния объекта, состояния управления, выходных факторов и факторов внешней среды. Все факторы рассматриваются в виде векторных величин, изменяющихся с течением времени.
В такой стохастической модели непременно присутствует одна или несколько случайных переменных, заданных соответствующими законами распределения, что дает возможность не только оценивать средние значения прогнозируемых параметров, но и их дисперсию, и другие статистические характеристики.
Прогнозирующая система включает математические, логические и эвристические элементы. На вход системы поступает имеющаяся к настоящему моменту времени информация о прогнозируемом явлении, процессе, объекте, на выходе системы выдаются данные о будущих параметрах явления, процесса (состоянии объекта), т.е. прогноз.
При этом описывается процесс прогнозирования для какого-либо одного вида антропогенного воздействия. Руководствуясь этой схемой, производится в отдельности прогнозирование каждого из имеющих место видов антропогенного воздействия на основе факторной модели измерительных блоков и блоков обработки и анализа (фиг.11). Сочетанное воздействие учитывается при оценке прогнозных результатов.
Первым этапом при прогнозировании является сбор и анализ необходимой исходной информации, касающейся источников, фактов и параметров процессов антропогенного воздействия в ретроспективе и в настоящее время.
При этом выполняется наблюдение за источниками, факторами антропогенного воздействия и собственно антропогенным воздействием на окружающую среду. Оценка уровней антропогенного воздействия выполняется с учетом закономерности протекания процессов в данной предметной области.
Второй этап прогнозирования состоит в создании модели процесса антропогенного воздействия рассматриваемого вида на окружающую среду, а также методического аппарата для определения неизвестных параметров модели. Указанный методический аппарат разрабатывается с учетом данных ретроспективного анализа моделируемого процесса антропогенного воздействия.
При этом устанавливают эмпирические или подтверждают теоретические закономерности формирования факторов антропогенного воздействия и учитывают интервал упреждения (заданный отрезок времени с момента производства прогноза до момента в будущем, для которого этот прогноз делается).
Третьим этапом прогнозирования является проведение необходимых расчетов и визуализация их результатов. Результаты расчетов представляются в виде, удобном для оценки антропогенного воздействия на объекты окружающей среды.
На заключительном, четвертом этапе прогнозирования производится оценка адекватности модели реальным процессам и достоверности получаемой прогнозной информации.
Так как будущая ситуация, связанная с антропогенным воздействием, зависит от многих факторов стохастической природы и характеризуется неопределенностью, то использован метод максимума правдоподобия.
Указанный метод основывается на вероятностном подходе. Главная идея метода заключается в определении так называемой функции правдоподобия. В качестве этой функции обычно принимается условная плотность вероятности:
1
2
n
Р(y(a, a, …, a)).
1
2
n
1
2
m
Здесь a, a, …, a - подлежащие оценке параметры и модели; y - выборочные наблюдения (измерения) прогнозируемой величины, например концентрация вредного вещества в той или иной среде, на участке наблюдения y, y, …, y.
После определения функции правдоподобия она максимизируется относительно .
Таким образом решается задача о нахождении наилучшей оценки параметров модели  на основе наблюдений (измерений) прогнозируемой величины у на участке
1
2
m)
1
2
m
наблюдений (y, y, …, y. По существу дается ответ на вопрос о том, при каких значениях параметров модели антропогенного воздействия наиболее вероятно появление совокупности значений прогнозируемой величины y, y, …, y.
По результатам прогнозирования производится оценка антропогенных воздействий. При этой оценке прогнозируемые параметры, характеризующие антропогенные воздействия, сравниваются с их критическими значениями.
В числе критериев уровней антропогенного воздействия приняты предельно допустимые концентрации тех или иных вредных веществ, допустимые уровни загрязнения поверхностей, предельно допустимые уровни шумов, электромагнитных излучений, тепловых потоков, температурного градиента и т.д.
Для анализа и оценки процессов формирования, распространения и воздействия аварийных выбросов, сливов и сбросов различного рода опасных веществ радиоактивной, химической и биологической природы и разработки расчетных схем использована модель распространения вредных веществ в окружающей среде включающая:
- моделирование процессов выбросов и истечения опасных веществ в аварийных условиях;
- моделирование распространения указанных выше веществ в окружающей среде, с учетом процессов их атмосферной, биосферной и дисперсии гидросферы, миграции по потенциальным цепочкам переноса, обусловленного физико-механическими процессами;
- анализ, оценку и расчетную схему воздействия опасных веществ на объекты техногенного риска;
- моделирование процессов формирования дозовых нагрузок.
При моделировании процессов выбросов и истечения опасных веществ в аварийных условиях используются известные соотношения, описывающие истечение газов и жидкостей в различных условиях.
Модель атмосферной диффузии классифицируются по многим признакам. В частности, с учетом масштаба турбулентных движений воздушных масс она подразделяется на:
- модель локального масштаба, обеспечивающую наибольшую точность оценок на расстояниях до 10 км;
- мезомасштабная модель, которая используется для расстояний от 10 км до 200 км;
- модель регионального масштаба, которая используется для расстояний от 200 км до 1000 км;
- модель глобального масштаба, которая используется при расстояниях свыше 1000 км.
В зависимости от характера источника аварийных выбросов, использованы модели распространения опасных веществ в соответствии с длительностью выброса, основывающиеся на предположении о мгновенно действующем источнике загрязнения, и модели, в которой рассматривается постоянно действующий источник выбросов, т.е. источник с конечным временем действия (см., например: Геоэкологический мониторинг морских нефтегазоносных акваторий. Л.И. Лобковский, Д.Г.Левченко, А.В.Леонов, А.К.Амбросовский. М.: Наука, 2005, с.122-209).
Статистическая модель для мгновенного точечного источника в общем случае может быть записана в виде:
где C(x, y, z, t) - концентрация диффундирующего вещества как функция пространственных координат и времени:
Q - количество выброшенного вещества;
u, ν, w - средние значения скоростей ветра по направлениям x, y, z;
, ,  - дисперсии примеси по направлениям x, y, z;
P
O
B
f, f, f - поправки на обеднение облака за счет радиоактивного распада или разложения вещества, его сухого осаждения и вымывания соответственно.
При этом процесс переноса выброса загрязнения рассматривается в движущейся системе координат.
Полуэмпирическая модель для источника с конечным временем действия, учитывающая профиль ветра по высоте и изменение с высотой коэффициента турбулентной диффузии, по Берлянду выражается формулой
1
где K - вертикальная составляющая коэффициента турбулентной диффузии на высоте один метр;
0
K - горизонтальная составляющая коэффициента турбулентной диффузии;
n и m - безразмерные параметры из формул вертикальных профилей скорости ветра и вертикальной составляющей коэффициента диффузии:  функция Бесселя от мнимого аргумента;
Q - скорость выброса вещества из длительно действующего точечного источника;
эф
Н - эффективная высота источника, определяемая с учетом подъема факела за счет термического и динамического всплытия струи. Остальные величины в прежних обозначениях.
Комплексная модель атмосферной диффузии учитывает наличие подстилающей поверхности, обусловливающей определенные различия в характере турбулентной диффузии в горизонтальных и вертикальных направлениях. В модели принимается во внимание, что размеры вертикальных пульсаций ограничиваются подстилающей поверхностью, вследствие чего можно не учитывать рост масштаба вихрей по мере удаления от источника и роста облака. В связи с этим модель, в части касающейся распространения примеси в вертикальном направлении, строится как полуэмпирическая, горизонтальное же распределение примеси описывается на основе статистических законов. Соотношение, отражающее эти соображения, имеет вид:
где S(x, z) - некая функция, описывающая закономерности изменения количества примеси, если условно предположить, что вся она сосредоточена в вертикальной плоскости х, z.
Конкретное выражение для функции S(x, z) находится путем решения уравнения турбулентной диффузии применительно к условиям выброса и распространения примеси.
Модели, описывающие распространение примесей в атмосфере, различаются также по использованному при их разработке приему решения основного уравнения переноса и диффузии примеси
где K - вектор коэффициентов турбулентной диффузии;
U - вектор поля скоростей в воздушной среде.
Остальные величины в прежних обозначениях.
Модели распространения вредных веществ в водных средах несколько сложней, чем модели атмосферной диффузии. Дело в том, что водная среда богаче различного рода процессами взаимодействия с вносимыми в нее примесями.
Основными процессами распространения вредных веществ в поверхностных водах являются:
- перенос с перемещающимися массами воды;
- турбулентная диффузия примесей;
- осаждение на дне водоема вредных веществ, находящихся в форме взвесей и коллоидных частиц:
- переход осадков, содержащих вредные вещества, вновь во взвешенное состояние;
- сорбция и десорбция вредных примесей различного рода неорганическими и органическими веществами;
- захват биотой;
- разложение и распад (в том числе радиоактивный) вредных веществ и т.п.
С учетом этого основное уравнение дисперсии вредных (опасных) веществ в воде, движущим началом которой является совокупность процессов переноса и диффузии, имеет вид
где C - концентрация вещества;
A - изменение концентрации вещества, обусловленное его переносом с потоком водных масс, обычно называемым адвекцией;
D - изменение концентрации вещества за счет диффузии;
R - убыль вещества из водной среды за счет осаждения на взвесях с последующим отложением;
P - изменение концентрации за счет различного рода источников и стоков, седиментации, поглощения биотой (биологического захвата) и т.п.;
Q - убыль вещества за счет разложения и распада.
При описании атмосферной диффузии процесс адвекции и диффузии рассматривается как единый процесс турбулентной диффузии. Для водной же среды в силу наличия совершенно определенных перемещений водных масс, обусловленных, например, речными течениями, удобней два этих переноса вещества рассматривать отдельно, что и нашло отражение в приведенном выше уравнении. Вместе с тем, для морской среды при математической формулировке задачи адвекция и диффузия учитываются в рамках единого явления - турбулентной диффузии.
В приведенном выше уравнении адвекция, диффузия и осаждение вредных веществ на взвесях описываются уравнениями:
где U, V, W - скорость перемещения водных масс по направлениям осей х, y, z;
x
y
z
K, K, K - составляющие коэффициента диффузии;
S - концентрация взвешенных отложений;
m - коэффициент равновесного распределения вещества между отложениями и водой.
Модель миграции и дисперсии вредных веществ в грунтовых водах строится с учетом вертикального переноса через неводонасыщенную область и дисперсии и переноса в водонасыщенных зонах. При моделировании подземной гидрологической дисперсии учитываются такие процессы, как сорбция-десорбция веществ в почвенных структурах, ионный обмен, разложение веществ биотой и т.п. При этом учитывается исходная информация о составе почв и подземных потоках воды.
Отображение результатов моделирования экологической обстановки осуществляется посредством ГИС, которые позволяют вести параллельную обработку информации на нескольких тематических картах и выводить обобщенный результат на единую тематическую карту.
Кроме того, ГИС позволяет оперативно обновлять информацию, осуществлять ранжирование районов обустройства морских нефтегазовых месторождений по степени опасности для состояния компонентов окружающей среды в интересах управления окружающей средой, а также выполнять оценку предотвращенного экологического ущерба в результате совместного функционирования системы ситуационного и прогнозного моделирования экологической обстановки и системы аварийно-спасательного обеспечения объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений (морских объектов хозяйственной деятельности).
ГИС реализована на различных типах компьютерных платформ, от централизованных серверов до отдельных или связанных сетью настольных компьютеров.
Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации. Ключевыми компонентами программных продуктов являются: инструменты для ввода и оперирования географической информацией; система управления базой данных; инструменты поддержки пространственных запросов, анализа и визуализации (отображения); графический пользовательский интерфейс для легкого доступа к инструментам и функциям.
ГИС хранит информацию в виде набора, тематических слоев, которые объединены на основе географического положения. Этот простой, но очень гибкий подход доказал свою пригодность при решении разнообразных реальных задач: для отслеживания передвижения транспортных средств и материалов, детального отображения реальной обстановки и планируемых мероприятий, моделирования глобальной циркуляции атмосферы.
Основанные на ГИС картографические базы данных могут быть непрерывными (без деления на отдельные листы и регионы) и не связанными с конкретным масштабом или картографической проекцией. На основе таких баз данных можно создавать карты (в электронном виде или как твердые копии) на любую территорию, любого масштаба, с нужной нагрузкой, с ее выделением и отображением требуемыми символами. В любое время база данных может пополняться новыми данными (например, из других баз данных), а имеющиеся в ней данные можно корректировать и тут же отображать на экране по мере необходимости. При этом используются одновременное двумерное и трехмерное представление геопространственных данных (шейп-файлы Arc View, фундаментальные сетевые базы Oracle и PostgreSQL).
Конечным результатом обработки измеренной и архивной информации является электронная карта, в изменяемом масштабе, района МНМ, на которой нанесены:
географические данные с привязкой к сторонам света. Здесь указаны все искусственные и природные объекты, их характеристики (масштаб, глубина, скорость течения и т.д.);
состояние потенциально экологически опасных объектов (нормальный режим функционирования). Также здесь осуществляется привязка к базам данным по экологически опасным объектам, чтобы в любой момент можно было узнать, что происходит на данном предприятии, какие компоненты используются в цикле производства, состояние экологических опасных систем, возможные последствия при разрушении и утечке опасных веществ;
состояние окружающей природной среды по основным параметрам (воздух, вода, почва). На этой карте указываются значения концентраций вредных веществ, которые могут находиться в воздухе, воде и почве. Также указывается источник поступления, размеры загрязнения и скорость переноса вредных веществ. Отдельно на карте обозначаются области, где концентрация вредных веществ превышает предельно опасную концентрацию для человека, биоты;
состояние естественных экосистем;
результат конечного анализа экологической обстановки с выдачей рекомендаций и прогноза (вероятностная оценка). На этой комплексной карте указываются состояние всех перечисленных объектов, с выделением соответствующих зон, которые характеризуют состояние окружающей среды (например, зона нормальной экологической ситуации указывается зеленым цветом, а зона катастрофической экологической ситуации - красным).
Функционирование системы экологического мониторинга организуется с помощью комплекса средств экологического мониторинга (КСЭМ), развертываемых в МНМ. Основные задачи, решаемые КСЭМ МНМ:
- сбор первичной информации, создание и ведение баз данных об источниках вредных воздействий на окружающую среду, включая зоны ОТП (затопления боеприпасов и химического оружия); о загрязнении природной среды в районе МНМ;
- формирование на основе первичной информации комплексных оценок состояния окружающей среды в районе МНМ;
- анализ текущей экологической обстановки в районе МНМ и прогнозирование динамики ее развития в процессе эксплуатации месторождения.
КСЭМ МНМ, исходя из решаемых задач, имеет иерархическую структуру, в состав которой входят следующие подкомплексы:
- информационно-измерительный подкомплекс (ИИП);
- подкомплекс передачи данных (ППД);
- информационно-управляющий подкомплекс (ИУП).
ИИП представляет собой совокупность технических и программных средств, обеспечивающую:
- получение (сбор) информации о состоянии потенциально опасных объектов в районе МНМ, включая ОТП (захоронения боеприпасов и химического оружия), и о параметрах окружающей среды на контролируемой территории;
- первичную обработку информации;
- передачу информации в информационно-управляющий подкомплекс;
- поддержание эксплуатационных метрологических характеристик оборудования.
ППД состоит из унифицированных технических и программных средств передачи информации. ППД совмещается с системой производственного экологического мониторинга района МНМ и отраслевой информационно-управляющей системой.
Для передачи измерительной информации используются телефонные каналы, радиоканалы, в том числе спутниковые, либо системы связи общего пользования, а также гидроакустические каналы связи между подводными контрольными постами. Аналогами радиоканалов являются технические решения [патент RU №2257598, патент RU №2173889], а гидроакустического канала связи - технические решения [патент RU №2331876].
ИУП представляет собой комплекс технических и программных средств, который выполняет следующие функции:
- сбор информации, поступающей из ИИП, а также от внешних по отношению к КСЭМ МНМ источников информации:
- накопление, обработку, протоколирование и архивирование измерительных данных;
- информационный поиск необходимой архивной информации и выдачу ее потребителям установленным порядком;
- ведение информационной (геоинформационной) модели района МНМ и прилегающих акваторий, формирование и накопление условно-постоянных и оперативных данных об обстановке;
- моделирование экологических процессов (в частности, процессов переноса и трансформации отравляющих веществ и иных загрязнений), анализ, оценку и прогноз динамики вредных воздействий;
- распределение данных мониторинга между потребителями, предоставление плановой и экстренной информации руководству МНМ;
- обеспечение совместимости с другими (внешними по отношению к КСЭМ МНМ) информационными системами и службами;
- формирование необходимой отчетности для пользователя и надзорных органов;
- управление работой ИИП, в частности выбор режима функционирования измерительных звеньев, формирование и передача в ИИП соответствующих команд и сообщений.
Качество морских вод контролируется по гидрофизическим, гидрохимическим и гидробиологическим показателям. Программа гидрофизического и гидрохимического контроля водной среды включает определение параметров по следующим показателям:
- нефтяные углеводороды,
- растворенный кислород,
- водородный показатель рН,
- окислительно-восстановительный потенциал Eh,
- удельная электропроводность σ,
- визуальные или аппаратурные наблюдения за состоянием морской поверхности: наличие плавающих примесей, пленок, масляных пятен, включений и других примесей; признаки эвтрофикации, развитие, скопление и отмирание водорослей; гибель рыбы и других животных; появление необычной окраски, пены,
- соленость,
- хлорированные углеводороды, в том числе пестициды,
- тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, медь),
- фенолы,
- синтетические поверхностно-активные вещества,
- биогенные вещества (фосфаты, нитриты, нитраты, аммонийный азот, общий азот, кремний),
- сероводород,
5
- биохимическая потребность в кислороде БПК,
- прозрачность воды,
- цветность воды,
- ингредиенты, входящие в состав затопленных взрывоопасных предметов и химического оружия (тринитротолуол, иприт, хлорацетофенол, дифинилхлорарсин и арсиновое масло, адамсит), продукты их гидролиза и растворения в морской воде,
- скорость и направление ветра,
- температуры воды и воздуха,
- волнение.
Радиационный контроль водной среды включает:
- общую γ-активность морской воды,
- суммарную α-активность и суммарную β-активность морских вод. Контролируемые гидробиологические показатели водной среды включают:
- фитопланктон (общая численность клеток, (кл/л); видовой состав, число и список видов),
3
- зоопланктон (общая численность организмов, (экз./м); видовой состав, число и список видов),
- микробные показатели (общая численность микроорганизмов; количество сапрофитных бактерий, в расчете на 1 мл),
- концентрация хлорофилла фитопланктона (мкг/л);
3
- общая масса фитопланктона, (г/м),
- количество основных систематических групп, число групп фитопланктона,
3
- общая биомасса зоопланктона, (мг/м),
- численность основных групп и видов зоопланктона,
3
- биомасса основных групп и видов, (мг/м),
- общая биомасса микробов, (мг/л),
- количественное распределение индикаторных групп морской микрофлоры (сапрофитные, нефтеокисляющие, ксилолокисляющие, фенолокисляющие, липолитические бактерии, (кг/мл)),
- интенсивность фотосинтеза фитопланктона (первичная продукция) (мгС/л·сут). Контролируемые показатели химических загрязнений донных отложений включают:
- тяжелые металлы (Cu, Zn, Pb, Ni, Cr, As, Cd, Hq),
- сумму нефтяных углеводородов,
- хлорорганические пестициды и галогенозамещающие углеводороды,
- полиароматические углеводороды,
- полихлорбифенилы,
- техногенные радионуклиды (Cs-137 и Sr-90),
- компоненты взрывчатых веществ и химического оружия (тринитротолуол, иприт, хлорацетофенол, дифинилхлорарсин, арсиновое масло, адамсит и продукты их гидролиза);
2
2
- зообентос (общая численность организмов, (экз./м); общая биомасса, (г/м)),
2
2
2
2
- фитобентос (общая численность одноклеточных, нитчатых и мелких колониальных водорослей, (экз./м); общая биомасса одноклеточных, нитчатых и мелких колониальных водорослей, (г/см); общая численность крупных морских водорослей, (экз./м); общая биомасса крупных морских водорослей, (г/м)).
2
Номенклатура контролируемых показателей загрязнения атмосферного воздуха определяется их временем жизни в атмосфере (от 10 суток до года и более) - это оксид углерода CO, фреоны и углеводороды, добываемые на МНМ, для контроля возможных утечек.
Контроль загрязнения вод и донных осадков при производстве работ, связанных с перемещением и изъятием донных грунтов, включает показатели загрязнения воды взвешенными веществами (мутность) и химическими веществами, а также донных осадков химическими веществами.
Горизонты наблюдений и перечень показателей, контролируемых на пунктах, расположенных в море, включают: 0, 5, 10, 20, 50, 100 метров, дно (нефтяные углеводороды, хлорированные углеводороды, СПАВ, фенолы, тяжелые металлы).
Дополнительным горизонтом является слой скачка температуры, на котором проводятся все определения. Отбор проб зоопланктона производят планктоновой сетью в слоях 0-10, 10-25, 25-50, 50-100 м.
Метрологический модуль 47 обеспечивает:
- калибровку и поверку средств измерений, применяемых в стационарной и мобильных лабораториях, стационарных постах наблюдения;
- контроль погрешности измерений, выполняемых на универсальных анализаторах;
- связь с государственными первичными и специальными эталонами;
- приготовление стандартных (калибровочных) образцов.
Результатами обработки информации являются отчеты и справки по экологическому состоянию района МНМ, по отдельным загрязнителям, объектам и источникам загрязнений; графическое представление результатов обработки измерительной информации; картографическое представление экологического состояния морской среды на основе ГИС-технологий.
Ввиду того, что с позиции оперативности получения информации для целей аварийно-спасательного обеспечения (АСО) не удовлетворяются требования получения и анализа гидробиологических показателей экологического состояния акватории, то для целей АСО в системе экологического мониторинга предусмотрен блок определения качества воды по трофо-сапробным показателям и характеристике донных отложений 50. Различают олигосапробные (наименее загрязненные), мезосапробные и полисапробные (наиболее) загрязненные воды.
5
2
При этом показателями являются: растворенный кислород, % насыщения, мутность (цветность 5-70°), БПК мг O/л, перманганатная окисляемость по Кубелю, мгО/л, аммоний солевой, мг/л, нитраты, мг/л, нитриты, мг/л, фосфаты, мг/л, сероводород, мг/л, которые подвергаются анализу по следующим классам способности: ксеносапробность, олигосапробность, бетамезосапробность, альфамесопробность, полисопробность, гиперсапробность.
К донным отложениям акватории, пригодным для обитания организмов, относятся следующие отложения: каменистые, галечные, гравийные, песчаные (крупный и мелкий песок), глинистые, илы, крупный и мелкий детрит и крупные органические остатки с преобладанием окислительных процессов.
К донным отложениям акватории, непригодным для обитания организмов, относятся: илы, крупный и мелкий детрит и крупные органические остатки с преобладанием восстановительных процессов и грунты антропогенного происхождения, такие как древесное волокно от целлюлозно-бумажных фабрик, отходы лесосплава, любые грунты, покрытые слоем нефтепродуктов, независимо от толщины слоя.
Размерная характеристика фракций донных отложений приведена в таблице.
Размерная характеристика фракций донных отложений
Минеральные фракции
Размеры частиц, мм
Органические фракции
Глинистые,
менее 0,05
илистые
пылеватые
Песчаные:
мелкий песок
0,06-0,25
Мелкий детрит
средний песок
0,26-0,50
крупный песок
0,51-2,0
Гравийные
2,01-40,0
Крупный детрит
Галечные
40,01-100,0
Крупные органические остатки (по названию исходного материала)
Камни
100,01-200,0
Валуны
Больше 200
Характеристики фракций донных отложений определяются посредством обработки измерений, выполненных многолучевым эхолотом 48.
Информационно-аналитическая составляющая системы ситуационного и прогнозного моделирования экологической обстановки реализуется в виде программного продукта, осуществляющего операции по:
- оценке экологической обстановки в районах обустройства морских нефтегазовых месторождений;
- ситуационному моделированию экологической обстановки в районах обустройства морских нефтегазовых месторождений;
- прогнозному моделированию экологической обстановки в районах обустройства морских нефтегазовых месторождений.
Блок-схема последовательности операций оценки экологической обстановки на акватории по результатам регулярного экологического контроля водной среды представлена на фиг.4.
На основании результатов контроля водной среды по показателям трофо-сапробности и загрязнения устанавливается оценка экологической обстановки на акватории. При этом водной среде в районе обустройства морского нефтегазового месторождения присваивается одна их качественных оценок:
- относительно удовлетворительная обстановка (ОУ),
- напряженная обстановка (Н),
- критическая обстановка (К),
- кризисная обстановка (Криз),
- бедствие экологическое (БЭ).
Параллельно показатели загрязнения водной среды на акватории отображаются на морских картах в виде изолиний с различными значениями превышений ПДК, определяется качество воды внутри пятен и относительные площади существующих загрязнений.
Блок-схема последовательности операций оценки экологической обстановки на акватории по результатам регулярного экологического контроля донных отложений представлена на фиг.5.
Результаты регулярного экологического контроля донных отложений извлекаются из базы данных исходной информации СЭМ. Для этого по пробам грунта в системе экологического мониторинга проводят органолептический и структурный анализ проб для установления показателей пригодности грунта для рыбохозяйственных целей и количественный анализ содержания вредных веществ для установления показателей загрязнения грунта вредными веществами. Для последних осуществляется нормирование на ПДК (или значение Кларка), по нормированным величинам вычисляются средние арифметические значения за определенный период получения контрольных проб. В результате определяется качество грунта в районе месторождения по уровню загрязнения вредными веществами:
- относительно чистый грунт (ОЧ),
- умеренно загрязненный грунт (УЗ),
- загрязненный грунт (З),
- грязный грунт (Г),
- очень грязный грунт (О/Г).
Категории качества загрязнения грунта и соотношение проб грунта с заключениями о пригодности/непригодности для рыбохозяйственных целей служат для оценки экологической обстановки на дне акватории (относительно удовлетворительная, напряженная, критическая, кризисная обстановка или экологическое бедствие). Соответствующие оценки отображаются на морских картах месторождения.
Оперативная оценка экологической обстановки на акватории проводится для оценки масштабов аварийной ситуации и оперативного управления ходом аварийно-спасательных работ.
После регистрации параметров на контрольных трассах (в контрольных точках) осуществляется построение на морских картах изолиний вредных воздействий (загрязнений) в долях ПДК на поверхности, в приповерхностном слое и/или в водной толще. Определяются площади аномалий загрязнения и, таким образом, масштабы аварийных воздействий, которые используются для организации эффективных действий по ликвидации последствий аварии.
Схематическое представление операций ситуационного моделирования экологической обстановки в районе обустройства морского нефтегазового месторождения дано на фиг.6.
1. Производится нанесение на карту-схему всех реальных и потенциально экологически опасных объектов в районе обустройства морского нефтегазового месторождения, расположенных как на шельфе, так и на суше (на базе обеспечения освоения месторождения).
2. Осуществляется последовательное ситуационное рассмотрение характера воздействия потенциально экологически опасных объектов на экологическую обстановку.
3. Проводится ситуационное моделирование источников и видов загрязнения при штатном функционировании объектов обустройства и в аварийных ситуациях.
В интересах анализа и оценки процессов формирования, распространения и воздействия аварийных выбросов, сливов и сбросов различного рода опасных веществ радиоактивной, химической и биологической природы и разработки расчетных схем предусматривается:
- моделирование процессов выбросов и истечения опасных веществ в аварийных условиях;
- моделирование распространения указанных выше веществ в окружающей среде с учетом процессов их атмосферной и гидросферной дисперсии, миграции по пищевым цепочкам и переноса, обусловленного физико-механическими процессами;
- анализ, оценка и разработка расчетной схемы воздействия опасных веществ на субъекты и объекты техногенного риска;
- моделирование процессов формирования дозовых нагрузок.
При моделировании процессов выбросов и истечения опасных веществ в аварийных условиях используются известные из гидроаэромеханики соотношения, описывающие источники опасности и истечение газов и жидкостей в различных условиях.
4. Рассчитываются оценки степени опасности функционирования производственных объектов месторождения для состояния компонентов окружающей среды, включая все аварийные ситуации с экологическими последствиями. В том числе рассчитываются:
атм
- оценка степени опасности химического загрязнения приземной атмосферы θ;
зем
- оценка степени опасности химического загрязнения земель θ;
в
- оценка степени опасности химического загрязнения поверхностных вод θ;
пл
- оценка степени опасности нарушении растительного покрова θ;
р/а
- оценка степени опасности радиоактивного загрязнения θ;
m
- оценка степени опасности интегральной токсичности поверхностных вод суши θ.
В качестве интегральных оценок степени опасности функционирования конкретного района месторождения используют:
х
- обобщенную оценку степени опасности химического загрязнения в районе морского нефтегазового месторождения θ и показатель степени техногенного воздействия на природно-техническую систему шельфовой зоны Е.
Поскольку общее химическое загрязнение акватории включает три составляющих: глобальное загрязнение океана, региональное загрязнение, моря и локальное загрязнение, обусловленное функционированием месторождения, в состав операций ситуационного моделирования также включена операция выявления вклада месторождения в локальное химическое загрязнение акватории, что позволяет более корректно оценить экологический ущерб, наносимый природно-технической системе осваиваемого шельфа. Совокупность обобщенных оценок используется для ранжирования отдельных районов обустройства морских нефтегазовых месторождений по степени экологической опасности, что позволяет более эффективно организовать систему АСО на месторождении и совершенствовать организацию управления экологической безопасностью.
Состав операций прогнозного моделирования экологической обстановки в районах обустройства морских нефтегазовых месторождений представлен на фиг.7.
Априорно разрабатывается и включается в операции методический аппарат для определения неизвестных параметров моделирования. В данном случае методический аппарат включает:
- моделирование процессов выбросов и истечения вредных (опасных) веществ в аварийных условиях,
- моделирование распространения опасных веществ в окружающей среде, с учетом процессов их атмосферной и гидросферной дисперсии и переноса, обусловленного физико-механическими процессами.
При моделировании взрывных явлений используют данные об энергии взрыва (в тротиловом эквиваленте взрыва).
Ввиду того, что на месторождении возможны различные случаи взрывов и пожаров, которые необходимо предусмотреть при прогнозном моделировании аварийных ситуаций, то в программно-методическое обеспечение прогнозного моделирования включены:
- расчет интенсивности теплового излучения и времени существования «огненного шара»,
- расчет параметров волны давления при взрыве резервуара с перегретой жидкостью или сжиженным газом при воздействии на него очага пожара,
- расчет параметров волны давления при сгорании газопаровоздушных смесей в открытом пространстве,
- расчет избыточного давления, развиваемого при сгорании газопаровоздушных смесей в помещении,
- расчет размеров зон, ограниченных нижним концентрационным пределом распространения пламени газов и паров,
- расчет интенсивности теплового излучения при пожарах проливов легковоспламеняющихся и горючих жидкостей,
- и другие расчеты.
При авариях с выбросами загрязняющих веществ в атмосферу или водную среду без возгорания в методический аппарат включены модели распространения вредных веществ в окружающей среде.
При возникновении аварийной ситуации, влияющей на экологическую обстановку, для каждого аварийного объекта месторождения в базе знаний имеются исходные данные, позволяющие оперативно осуществить прогнозное моделирование распространения вредных воздействий и учесть эту информацию при ликвидации последствий системой АСО.
Обязательный перечень расчетных моделей включает:
- расчет размера площади зон распространения облака загрязняющих веществ горючих газов и паров при аварии,
- расчет аварийного разлива нефтепродуктов на акватории и траектории перемещения пятна,
- расчет аварийного заражения территории сильнодействующими ядовитыми веществами,
- модельный расчет проникновения вредных веществ (нефтепродуктов) в грунт при аварийных разливах (проливах).
При проведении ситуационного моделирования в условиях существования опасностей техногенного происхождения использованы классы безопасности на основании анализа потенциальных последствий неисправностей, которые задаются содержанием и местом (Стандарты DNV-OS-F101). В дальнейшем ССПМ функционирует в режиме оценки экологической обстановки по актуальным данным, получаемым в ходе производственного экологического мониторинга, до момента времени, при котором выявляется аномалия в уровне загрязнения компонентов окружающей среды.
В процессе функционирования ССПМ ЭО в качестве источника информации об экологической обстановке на акватории используется информационно-измерительный подкомплекс ИИП СЭМ. Модели использования ИИП для регулярного и оперативного экологического контроля акватории представлены на фиг.8 и фиг.9.
Система ситуационного и прогнозного моделирования экологической обстановки (ССПМ ЭО) осуществляет анализ всех экологически опасных ситуаций на объектах, участвующих в деятельности морского нефтегазового месторождения, путем моделирования источников вредных воздействий - пожаров, взрывов, процессов выбросов и истечения опасных веществ в аварийных условиях. Моделируются все возможные ситуации аварий, при которых могут пострадать люди и которые потребуют действий по спасанию людей и эвакуации персонала. Результаты моделирования хранятся в базе данных об экологической обстановке и при аварийной ситуации по запросу поступают из ССПМ ЭО в Центр кризисного управления в виде:
- карты с нанесением вероятных зон в очаге поражения аварийного объекта;
- числовых данных о параметрах воздействия и возможных поражениях персонала.
Указанная информация является предварительной, служит для оперативного начала спасательной операции и в дальнейшем уточняется на месте в результате разведки.
ССПМ ЭО участвует в ликвидации последствий аварий с экологическими последствиями следующим образом.
На карту морского нефтегазового месторождения наносятся все объекты, которые следует рассматривать в качестве источников экологической опасности при штатной их работе и в аварийных ситуациях.
Последовательно рассматривается характер воздействия потенциально экологически опасных объектов на экологическую обстановку в районе месторождения.
Проводится ситуационное моделирование источников и видов загрязнений от потенциально экологически опасных объектов, производств и производственных операций, определяющих экологическую нагрузку на окружающую среду. На тематические карты наносятся возможные загрязнения компонентов окружающей среды.
Оценивается степень опасности производственной деятельности морского нефтегазового месторождения для состояния компонентов окружающей среды.
1. Производится ранжирование отдельных районов месторождения и различных месторождений по степени экологической опасности.
2. Выявляется вклад деятельности отдельных районов месторождения в локальное химическое загрязнение акватории и береговой территории.
Указанная последовательность операций выполняется неоднократно. Первоначально проводится ситуационное моделирование воздействия на компоненты окружающей среды при условии штатного функционирования объектов месторождения. Расчетные схемы проверяются по данным производственного экологического мониторинга окружающей среды, при необходимости вносятся коррективы в расчетные схемы для проверки их адекватности реальной обстановке. В дальнейшем ССПМ ЭО осуществляет получение оценок экологической обстановки по данным экологического мониторинга и сравнивает полученные оценки с первоначальными наблюдениями. При этом неблагоприятная динамика изменения экологической обстановки свидетельствуют о накоплении факторов риска для возникновения аварийной ситуации. Для системы АСО данное обстоятельство свидетельствует о необходимости проведения превентивных мероприятий по, предотвращению ЧС или, по крайней мере, снижению действий поражающих факторов путем своевременного прогнозирования условий возникновения и развития аварийной ситуации и правильных действий аварийно-спасательных формирований. При возникновении аварийной ситуации ликвидация последствий аварии системой АСО проводится с использованием расчетных данных прогнозного моделирования распространения вредных веществ в окружающей среде, которые осуществляются в ССПМ ЭО.
Модель использования ССПМ ЭО при ликвидации аварийных разливов нефти посредством системы АСО на стадиях добычи углеводородов, транспортировки с помощью танкеров, транспортировки по морским магистральным трубопроводам, при разливах нефтепродуктов в процессе перевалки на базах обеспечения предусматривает:
- установление места выхода нефти на поверхность воды или земли;
- установление места утечки нефти (места разгерметизации оборудования, трубопровода, аппарата и т.п.);
- оценка параметров разлива нефти (объема, линейных размеров, формы, а также динамики их изменений);
- определение и контроль направления и скорости распространения нефтяного пятна;
- определение и контроль параметров окружающей среды;
- распространение нефтяных пленок с учетом вязкости, типа нефтепродукта, направления и скорости ветра и течения;
- расчет радиуса, формы и характера распространения нефтяного пятна.
Результаты расчетов выдаются в систему АСО в виде картографической информации ГИС, что позволяет оперировать данными с их привязкой к координатам. Результаты расчетов используются для планирования и проведения аварийно-спасательных работ по ликвидации аварийных разливов нефти.
Радиоактивное загрязнение акватории характеризуется повсеместным распространением в водных массах долгоживущих радионуклидов до концентраций, равных десятым долям беккереля на литр, и очагов более значительного загрязнения акватории, особенно донных отложений. Характер загрязнения водных масс исключительно динамичен, а загрязнение дна - более стабильно. Экологическая оценка радиоактивного загрязнения акватории базируется на взаимно дополняющих друг друга нормативах (критерия) загрязнения воды и загрязнения дна. В зависимости от промысловой, биологической, гидрологической и гидрохимической характеристик конкретной акватории ее предельная радиологическая емкость может лимитироваться загрязнением или водных масс, или донных отложений. При этом донные отложения являются не только депозитарием радиоактивных веществ, но и субстратом, трансформирующим формы радионуклидов, объектом облучения бентосных организмов, источником вторичного загрязнения воды и исходным звеном миграции радионуклидов по пищевым цепям.
Современные оценочные критерии в системе грунт-бионт более стабильны во времени, чем в системе вода-бионт.
гр
В экологическом мониторинге акватории ограничиваемся двумя контрольными (маркерными) радионуклидами Sr-90 и Cs-137, контрольные концентрации которых в грунте C служат для прогнозирования радиологической обстановки на акватории.
При региональной оценке значимых биотических и абиотических факторов на акватории учитывается распределение радионуклидов между водой, грунтом и биомассой с помощью соответствующих коэффициентов накопления.
Основными факторами являются: минерализация воды, температура среды, состав донных осадков, химические примеси в воде, видовой состав ихтиофауны и способы обработки рыбы.
Контрольные концентрации маркерных радионуклидов в качестве региональных нормативов радиоактивного загрязнения акватории являются производными от предела дозы. Для их расчета исходным показателем в системе регионального нормирования и оценки радиоактивного загрязнения водоемов используется предел годового поступления (ПГП) радионуклидов через органы пищеварения для лиц категории Б.
Получение, обработка и передача информации в систему АСО осуществляется с оперативностью, обеспечивающей своевременное и (или) опережающее принятие решений по осуществлению аварийно-спасательных и других неотложных работ. Это требование реализуется двумя путями:
а) ситуационное моделирование экологической обстановки предполагает предварительный анализ исчерпывающего количества сценариев ее формирования как в штатном, повседневном режиме функционирования объектов инфраструктуры месторождения, так и в случаях возникновения аварийных ситуаций. Следовательно, при реализации на месторождении определенного сценария имеется возможность получать последовательные оценки экологической обстановки и вовремя констатировать накопление факторов риска, предпринимая превентивные меры для предотвращения аварийной ситуации;
б) прогнозное моделирование экологической обстановки при возникновении аварийной ситуации, сопровождающейся распространением вредных воздействий на людей и окружающую среду, позволяет предсказать время, глубину и интенсивность распространения воздействий в окружающей среде и вовремя организовать:
- эвакуацию людей в места вне района воздействия;
- мероприятия по ограничению распространения вредных воздействий в окружающей среде.
Предлагаемый способ сбора информации об экологическом состоянии региона и автоматизированная система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона реализуются на серийном и апробированном оборудовании и программном обеспечении, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».