автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Оценка процесса переноса загрязняющих веществ в речном потоке при авариях на подводных трубопроводах

На правах шзсописи

НАБИЕВА ОКСАНА РАМИЗОВНА6

Оценка процесса переноса загрязняющих веществ в речном потоке при авариях на подводных трубопроводах

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005012286

1 2 ий? Ш

Новосибирск - 2012

005012286

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений и гидравлики в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Шлычков Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты:

Бело липецкий Виктор Михайлович,

доктор фгоико-математических наук, профессор, институт вычислительного моделирования СО РАН / лаборатория вычислительных моделей в гидрофизике, заведующий лабораторией

Ботвинков Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Новосибирская государственная академия водного транспорта / кафедра водных путей и гидравлики, заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Сибирский региональный научно - исследовательский гидрометеорологический институт» (ФГБУ «СибНИГМИ»)

Защита состоится 27 марта 2012 г. в 14-00 на заседании Диссертационного совета ДМ 212.171.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, ауд. 239.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).

Автореферат разослан ^ февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Дзюбенко Любовь Федоровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Проблема старения канализационных сетей и дюкерных переходов остро стоит в каждом крупном населенном пункте, в том числе, и в г. Новосибирске. Коммунальные бытовые стоки г. Бердска, Академгородка и правобережной части г.Новосибирска поступают по трем канализационным подводным трубопроводам на левый берег р. Обь для последующей их обработки на очистных сооружениях. Авария на канализационных дюкерных переходах может повлечь за собой снижение качества воды в реке и в прибрежной зоне, ухудшить санитарно-эпидемиологическую обстановку в районе города

В данной работе для описания течений в речных руслах и процессов переноса примеси используется двумерная (плановая) численная модель, разработанная в Институте водных и экологических проблем СО РАН д-ром физ.-мат. наук В.А. Шлычковым.

Работа выполнена в рамках тематического плана научных исследований НГАСУ (Сибстрин) - «Снижение риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф».

Цель диссертационной работы состоит в исследовании процессов переноса примеси на морфометрически сложном участке р. Обь в различные режимы водности с помощью численной модели плановых течений.

Задачи исследования:

- адаптировать двумерную (плановую) численную модель переноса примеси к условиям р. Обь в районе г. Новосибирска;

- разработать цифровую модель рельефа р. Оби в районе г. Новосибирска на основе данных натурных измерений;

- изучить особенности динамики поля концентрации в результате аварийного попадания загрязненных вод в реку;

- изучить влияние водности (в период открытого русла) на характер распространения примеси.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов основана на корректном применении фундаментальных уравнений механики сплошных сред и следует из адекватности математической модели и методов, что подтверждается сравнением с натурными данными и результатами экспериментов.

Научная новизна работы.

1. Впервые для морфологически сложного участка реки Оби применена численная модель с пространственной детализацией структуры течения, что позволяет учесть особенности распределения примеси при аварийных ситуациях.

2. Теоретически выявлены новые закономерности переноса поля примеси в многорукавном русле: пространственная неоднородность поля концентрации, появление вторичных волн загрязнения (непосредственно после сброса и в результате вымывания скопившейся на мелководьях примеси).

На защиту выносятся:

1. Результаты расчетов скоростной структуры потока и распространения примеси с помощью двумерной плановой численной модели, адаптированной для участка русла р. Обь.

2. Результаты расчетов по распространению загрязняющего вещества в случае возникновения аварии на участках подводных трубопроводов при различных расходах.

3. Особенности переноса примеси на морфологически сложном участке реки.

Практическаязначимость работы.

Результаты расчетов могут быть использованы для оперативного прогноза то распространению шлейфа загрязнения в случае аварийных ситуаций на канализационных дюкерных переходах в русле р. Обь, а также принятия эффективных управленческих решений.

Модель может использоваться для расчета течений и переноса примеси на сложных участках других рек.

Личный вклад автора в получении основных научных результатов состоит в анализе результатов натурных наблюдений, калибровке параметров и верификации численной модели, выполнении расчетов и анализе полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ (1 статья в рецензируемом журнале, 4 статьи в трудах международных и всероссийских конференций).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции и школе молодых ученых по вычислительно-информационным техноло-

гиям для наук об окружающей среде: "CITES-2005", Новосибирск, Международных конференциях по измерениям, моделированию и информационным системам дня изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2006 и ENVIRCMIS-2008, (Томск), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НГАСУ (Сибстрин) (2004-2008 гг.), III Международной научно-практической конференции "Рбшение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона", (г.Новосибирск, 2006г.), конференции молодых ученых ИВЭП СО РАН, (г. Барнаул, 2007 г.), конференции "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера - приоритетные проблемы обеспечения комплексной безопасности населения юга Западной Сибири" (г. Барнаул, 2008 г.), Всероссийской конференции "Третьи Ермаковские чтения. Сибирь: вчера, сегодня, завтра" (Новосибирск, 2010 г.), I - III Всероссийских конференциях НГАСУ (Сибстрин) (2009 - 2011 гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация coctoit из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 162 наименований. Содержит 119 страниц печатного текста, включает 40 рисунков, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и сформулированы цель и задачи работы.

Первая глава (Обзор математических моделей переноса примеси).

Основы математического моделирования и численных расчетов неустановившихся течений в открытых руслах и их системах заложены в работах Васильева О.Ф., Воеводина А.Ф., Ники-форовской B.C., Остапенко В.В., Шугрина С.М., и других исследователей. Прикладные плановые задачи гидравлики изучались Вернадским Н.М., Великановым М.А., Гришаниным К.В., Ше-ренковым М.А., Ботвинковым В.М., Михалевым М.А. и др.

Численному моделированию процессов переноса примеси в водотоках и водоемах посвящены работы Васильева О.Ф., Рогу-

новича В.П., Дружинина Н.И., Шишкина А.И., Белолипецкого ЕШ., КвонаВ.И. и др.

Вопросами разбавления и переноса примесей в водных объектах занимались Караушев A.B., Родеиллер И.Д., Фролов В.А., Никаноров А.М., Бесценная М.А., Шварцман АЛ., Лаптев H.H., Пааль JI.JL, Хубларян и др. На основе детального и упрощенного методов расчета турбулентной диффузии в системе Росгидромета разработана и используется методика расчета распространения по речной сети зон загрязненных вод.

Коэффициенты диффузии - дисперсии являются одними из внешних параметров, которые необходимо задавать при моделировании распространения примесей в воде. В последние 50 лет с помощью натурных экспериментов по распространению красителя в лотках и естественных водотоках определялись величины продольного и поперечного коэффициентов диффузии. На протяженных участках рек проведено малое количество трассерных тестов по распространению примесей, так как это связано со сложностью обработки эмпирических данных и высокой стоимостью экспериментов. Наиболее цельные и полномасштабные эксперименты были проведены за рубежом.

При современном развитии вычислительной техники и эффективных методов решения сложных задач, решений в одномерной постановке, как правило, бывает недостаточно. В настоящее время разработано большое количество одномерных моделей, описывающих процесс переноса загрязняющих веществ в реках и водоемах, но они не позволяют детализировать пространственную структуру потока в случаях сложной морфометрии и решить задачи по оценке пространственно - временных характеристик процесса распространения загрязнений на морфологически сложных участках рек. Двумерные модели являются более универсальными, однако их освоение требует высокой квалификации и знаний основ гидрологии, гидродинамики, численных методов и программирования.

Вторая глава (Описание численной модели плановых течений и переноса примеси).

Исследование русловых течений и процессов переноса примеси в расчетах основывается на двумерной вертикально осред-

ненной модели плановых течений в водотоках суши, разработанной в Институте водных и экологических проблем СО РАН В.А. Шлычковым.

Задача решается в 2 этапа:

1. Расчет скоростной структуры потока (гидродинамический блок) выполнен на основе системы уравнений Сен-Венана; вводится декартова система координат с осями х, у: дки дкии дкш , дш + гЛ я , ,

-+-+-= -ь-1~Аг\и\и,

а дх ду дх су

дкт З/гуу , дш + 2.) я , , -+-+-= -и ы,

а а ^ ^ с;"' (1)

З/г Зм/г Зу/г

-+-+-= 0.

Эг дх ду

где ^ - ускорение силы тяжести; С? - коэффициент Шези; и и у -осредненные по глубине потока Л компоненты скорости, по осям

х и у соответственно; |ы| = л/«2 + V2 - модуль скорости течения;

& ^ - функция поверхности руслового ложа. Краевые условия. На входном створе считается известным суммарный расход реки 2/. В поперечнике выходного створа задается уровень свободной поверхности, пересчитанный в глубины к.

Решение уравнений основано на дискретизации исходной системы в сеточной области. Используются неравномерные криволинейные сетки с узлами, разнесенными по граням элементарного пространственного бокса с применением неявных методов расчета.

Результатом интегрирования уравнений системы (1) по времени до выхода на установившийся режим счета является поле скоростей и, у и скалярное поле глубин потока А.

В работе основой для создания цифровой модели рельефа и последующих расчетов служили результаты натурных съемок, проведенных экспедицией географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова на участке реки Оби в 2003-2004 гг. Данные промерных работ были представлены автору в виде растровых карт формата А4 в масштабе М 1:10 000 в системе координат Га-

усса-Крюгера. Процесс оцифровки проводился с помощью геоинформационной системы (ГИС) ArcView. Размеры расчетной области 10x26 км, длина русла составляет около 30 км, ширина русла-500-1200 м.

Определены репрезентативные для данного участка реки руслоформирующие расходы (характерные расходы, при которых происходят наибольшие деформации донного рельефа).

2. Перенос пассивной примеси на основе рассчитанных гидродинамических полей.

Задача моделирования распространения пассивной примеси в двумерной постановке сводится к решению уравнения переноса и диффузии.

She dhuc dhvc д . „ дс д дс -+-+-= —hEx— +—пЕ—- + I (2)

dt дх ду дх дх ду у ду w

где с - концентрация примеси; Ех, Еу - коэффициенты дисперсии; I - функция источников загрязняющих веществ аварийного сброса.

В качестве краевых условий на всех границах принимается dc/dn = 0, где п - вектор нормали к границе области.

Пространственная аппроксимация дифференциальных операторов основана на современных представлениях о монотонных схемах и схемах с невозрастанием полной вариации - Total Variation Diminishing (TVD).

Расчет рассеяния, обусловленного вертикальным сдвигом скорости и диффузией, проводился в рамках модели, обобщенной на плановое течение согласно формулам

где п - коэффициент сопротивления Маннинга;

В-безразмерная константа дисперсии;

ип,и1 - продольная (вдоль потока) и поперечная скорости.

В качестве входных данных задаются: а) Местоположение источника сброса при аварийной ситуации и его вид (точечный или линейный, в зависимости от харак-

h ,

тера разрушения дюкерного перехода); интенсивность (расход) источника примеси; гидравлическая крупность загрязняющего вещества, от величины которой зависит характер примеси: либо плавучая (у которой гидравлическая крупность близка к нулю), либо обладающая той или иной степенью седиментации.

б) Пространственное распределение коэффициента дисперсии.

Проведенный в работе анализ значений коэффициентов дисперсии показал, что большая часть исследователей опирается на классические работы Элдера и Фишера. Другая часть - на конкретные эмпирические коэффициенты, выявленные путем натурных трассерных экспериментов на реках и в лотках, причем значения дисперсии могут отличаться на несколько порядков.

Третья глава (Верификациямодели).

Первый этап верификации проводится для проверки работоспособности гидродинамического блока на основе данных натурных измерений.

Расчет проводился по данным натурных измерений, проведенных сотрудниками кафедр гидротехнических сооружений и гидравлики (ГТСГ) и инженерной геодезии (ИГ) НГАСУ (Сибст-рин) на участке р. Иня. Гидрометрические работы были проведены на участке р. Иня длиной около 400 м 25-26 июля 2009 года. Полученные данные - русловая съемка, расход воды, уклон водной поверхности - послужили основой для выполнения численных экспериментов. Измерение скоростей водного потока проводилось в реальном гидрометрическом створе на 12 скоростных вертикалях детальным способом. Осре дне иные по вертикалям скорости по данным натурных измерений сопоставлены с рассчитанными по численной модели. Ошибка составляет около 3%, что находится в пределах ошибки инструментальных измерений. Сравнительно небольшая величина ошибки позволяет говорить о достоверности описания физических процессов в реке с помощью численной модели.

Второй этап верификации касается алгоритма переноса примеси.

Проведено сравнение результатов расчетов, проведенных по двумерной модели с данными эксперимента, описанного в жур-

нале Hydrological Sciences Journal (2008 г.). Согласно данным статьи, был проведен трассерный тест с использованием красителя родамина на участке реки Нарев (Польша). Представленные в публикации результаты расчетов коэффициента продольной дисперсии колеблются в весьма широких пределах: от 8,25 до 85,4. В рамках описанного подхода были смоделированы морфологические условия (особенности поперечных сечений русла, средних скоростей по сечениям, учтена боковая приточность) и проведен расчет распространения консервативной примеси. На рисунке 1 приведено сопоставление распространения примеси по длине русла в натурном эксперименте на р. Нарев и по результатам вычислений.

С, мг/л 3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5 О

О 10 20 30 40 50 L. км

Рисунок 1 Сопоставление рассчитанных и измеренных значений концентраций

Из рисунка 1 можно увидеть, что натурные и модельные данные достаточно близки. Ошибка не превышает 25 %, что находится в пределах погрешности измерений. Данный расчет показывает адекватность модели для описания переноса примеси в естественных руслах.

Для сравнения расчетных данных измерений, полученных по гидродинамической модели и по стандартной методике, используемой Росгидрометом в практике оперативного прогнозирования, был проведен сопоставительный анализ концентраций в рамках программного комплекса «Pollution» при одинаковых ис-

10

ходных данных по р. Обь. Сравнение результатов расчетов позволяет говорить о недостатках упрощенного подхода стандартной методики, которая не учитывает сложную морфологию русла, рассматривая его как призматическое. В частности, расчеты по стандартной методике не позволяют оценить неоднородность распределения загрязняющих веществ по створу и скопление массы примеси на отдельных участках, определяя лишь значение максимальной концентрации вдоль русла.

Четвертая глава (Расчеты распространения загрязняющего вещества в реке при аварийном разрушении дюкера).

Основные численные эксперименты были проведены для участка русла реки Оби в районе г. Новосибирска, длина которого по судовому ходу составляет около 30 км. Количество расчетных узлов 100 ООО обеспечивает разрешение не менее 10 - 20 м в гидрологически важных областях. Объектом исследования являются дюкерные переходы, которые находятся в нижнем бьефе Новосибирской ГЭС. Русловые процессы на этом участке характеризуются островной многорукавностью и обусловлены влиянием сбросов ГЭС - резкими повышениями-понижениями уровней воды. Для меженного летне-осеннего периода руслоформирую-щий расход составляет 1100 -1300 м3/с, а для периода половодья - 2600-3000 м3/с. В меженный период увеличивается площадь зон мелководья, снижается пропускная способность русла. Необходимо определить особенности распространения примеси в водном потоке в различные режимы водности для учета данной информации в прогнозных расчетах.

Возможная авария предполагается в тех местах дюкера, где наблюдаются наибольшие деформации и размывы дна, провисание трубопровода. Поэтому рассмотрены варианты мест разрушения недалеко от правого берега и в середине русла на обоих дюкерных переходах. Через один подводный трубопровод проходит около 100 - 150 тыс.м3/сут (т.е. в среднем, 1,45 м3/с). Известно, что авария на канализационных дюкерах г.Новосибирска может быть ликвидирована в течение 10-12 часов от начала попадания неочищенных сточных вод в реку.

Рисунки 2а, б иллюстрируют распространение примеси при различных расходах воды спустя 6 часов после начала аварии.

При расходе 1300 м3/с загрязняющие вещества перемешивается по ширине потока, накапливаясь в зонах мелководья и замедленного водообмена. Спустя 6 часов после начала аварии основная их часть проходит по судоходному левому рукаву р. Обь вдоль о. Заячий и о. Медвежий, а часть примеси накапливается в мелководной зоне правого рукава, огибая о. Заячий, а также на некоторых участках русла.

Рисунок 2 Распространение примеси при аварии (длительностью 10 часов) на канализационном дюкере у правого берега спустя 6 часов после начала аварии

а) при расходе С> = 1300 м3 /с;.б) при расходе 0 = 2600 м /с. 1 - дюкер, 2-о. Кудряш, 3 - о. Заячий, 4 - о. Медвежий.

При расходе 2600 м3/с примесь интенсивно перемешивается по ширине потока и распространяется по всем протокам и рукавам. Спустя 6 часов после сброса, поле загрязняющих веществ огибает о. Медвежий с двух сторон и движется по течению, однако часть примеси остается в мелководной зоне правого рукава и на отдельных участках русла с замедленным водообменом. Нали-

12

чие значительной составляющей обратных скоростей в правой протоке острова Медвежий, обуславливает более интенсивное загрязнение. Связано это с протяженной зоной мелководья, что затрудняет поступление примеси в основной поток и способствует ее накоплению (см. рисунки 2 а, б). Спустя 10 часов после сброса примесь выходит за пределы расчетной области. При расходе 2600 м3/с через 10 часов после сброса концентрация примеси в левом рукаве становится незначительной, основная масса находится в правой протоке и ниже по течению в основном русле. Шлейф примеси вытянут вдоль правого берега р. Обь. При заборе воды из реки в это время для нужд водоснабжения или орошения велика вероятность получения загрязненной воды.

При расходе 1300 м"/с распространению загрязняющих веществ вниз по течению в правой протоке препятствует ряд отмелей и малые глубины, поэтому основная масса примеси движется по основному руслу.

Для анализа особенностей распространения примеси и ее скопления на отдельных участках русла было выделено 8 характерных поперечных сечений (рисунок 3), таких как начало и окончание крупных островов, изгибы русла. Последний створ располагается на прямолинейном участке реки, не имеющем островов.

з \ 4

Рисунок 3 Основные характерные поперечные сечения

Следует отметить неоднородность распределения максимальных концентраций на поперечниках в различные моменты времени от начала аварии. Например, на первом поперечнике со

сложным морфологическим строением русла: у левого берега -перекат Кривощековский, на некотором расстоянии от правого берега находится о. Саранок (рисунок 4).

Спустя 50 минут после начала аварии (рисунок 4) максимальные концентрации находятся в прямой зависимости от глубины участка русла, то есть, чем выше скорость течения на более глубоких участках, тем быстрее распространяется примесь вниз по течению. Однако через 150 минут наблюдается скопление примеси у переката в районе пристани (у левого берега).

С max, мг/л

Рисунок 4 Распределение максимальных концентраций в поперечнике 1 в различные моменты времени.

В середине русла и у правого берега концентрации загрязнителя имеют незначительные величины, поскольку основная масса примеси находится ниже по течению. Подобная ситуация с накоплением примеси и неоднородным распределением по поперечным сечениям потока прослеживается на всех участках с мелкими протоками.

При расходе 3000 м3/с и более в некоторых створах графики имеют 2 пика концентрации, что объясняется постепенным вымыванием примеси из зон с замедленным водообменном. Это показывает рисунок 5, на котором представлены зависимости изменения концентрации от времени в створах 1-8. Ряд кривых имеет простую структуру с одним максимумом, что соответствует простейшему возрастанию концентрации в данном створе при прохождении шлейфа примеси и последующему убыванию. В неко-

14

торых створах (1, 3, 6) график имеет 2 пика, где первый пик обусловлен прохождением примеси через створ, а второй - вымыванием загрязняющих веществ из мелководных зон, когда концентрация примеси убывает довольно медленно. За десять часов аварии загрязненные воды проходят около 24 км со средней скоростью 0,52 м/с.

Стах,

Рисунок 5 Концентрации примеси в восьми характерных створах.

Наиболее экологически опасной является авария у правого берега, т.к. вследствие особенностей течения загрязненные воды увлекаются быстрым течением к левому берегу и попадают в протоку о. Кудряш, вдоль которой находится п. Кудряши и множество дачных участков. При возникновении аварийной ситуации в середине подводного трубопровода, загрязненные воды распространяются с основным течением вдоль речного русла.

Дальнейшие численные эксперименты показали, что с повышением водности, и, следовательно, увеличением скоростей потока, загрязняющие вещества попадают во все протоки ниже по течению, аккумулируясь на некоторых участках русла. Таким образом, идентифицированы области вторичного экологического загрязнения от аварий (ниже п. Затон, в левом рукаве Оби от о. Кудряш - в районе Кудряшовских дач; в правой протоке от о. Заячий и о. Медвежий).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований распространения загрязнений в естественных водотоках и лабораторных условиях, показавший необходимость применения гидродинамического моделирования для детализации течений и процессов миграции поллютантов в руслах рек сложной геометрии." Связано это со сложностью и высокой стоимостью проведения трассерных тестов на крупных водных объектах.

2. Численная модель адаптирована к условиям участка р. Обь в районе г. Новосибирска. Проведено тестирование и выполнена калибровка параметров на экспериментальных материалах других авторов и натурных данных.

3. Проведен расчет сложной пространственно-временной динамики шлейфа примеси при возникновении аварийной ситуации на различных участках подводного трубопровода. Показано, что наиболее опасной является авария у правого берега, т.к. в этом случае происходит более интенсивное перемешивание примеси в водном потоке, тогда как при аварии в середине русла примесь движется со скоростью течения реки, практически нигде не скапливаясь.

4. На основе проведенных расчетов выявлены особенности распространения загрязняющих веществ в русле морфологически сложного строения. Показано, что при определенных гидрологических условиях возможно появление двух последовательных пиков при распространении примеси в водном потоке - непосредственно после сброса и в результате вымывания скопившейся на мелководьях примеси. Согласно расчетам, наиболее уязвимым является узкая протока в районе о. Кудряш.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Набиева O.P. Применение двумерной плановой модели распространения загрязнения в речном потоке при оценке корот-копериодной аварии на канализационном дюкере / O.P. Набиева // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск: НГАСУ (Сиб-стрин), 2009. -№ 9 (609). - С. 46-51.

Материалы международных и всероссийских конференций:

2. Шлычков В.А. Численная модель для описания локальных гидрологических процессов / В.А. Шлычков, O.P. Набиева // Труды международной конференции "Математические методы в геофизике-ММГ-2003", Новосибирск-2003. -С.395-399;

3. Набиева O.P. Применение численной модели для расчета гидрохимического загрязнения реки Обь при аварийном сбросе городских сточных вод / O.P. Набиева / Труды международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS -2006 / Издательство ФГУ " Томский ЦНТИ", 2006, С. 87 -91.

4. Набиева O.P. Оценка опасности загрязнения водного потока при разрыве подводного трубопровода / O.P. Набнева // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин),2011. - Т. 14, №1 (50).-С. 61-66

5. Набиева O.P. Проблема возникновения аварии на канализационных дюкерах г .Новосибирска // Материалы шестой международной научно-практической конференции "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера - приоритетные проблемы обеспечения комплексной безопасности населения юга Западной Сибири", 27 июня 2008 г., г. Барнаул. - Барнаул: Аз Бука, 2008. -С. 99-100.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113 Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАСУ (Сибстрин).

Тираж ■/ОО Заказ

61 12-5/2620

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Набиева Оксана Рамизовна

ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В РЕЧНОМ ПОТОКЕ ПРИ АВАРИЯХ НА ПОДВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На йравах рукописи

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук

В.А. Шлычков

Новосибирск -2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕНОСА ПРИМЕСЕЙ 12

1.1 Методы расчета разбавления сточных вод в реках и водоемах..............13

1.2 Специальные гидрологические модели.....................................................14

1.2.1 Модель качества речной воды QUAL2E.............................................14

1.2.2 Программа моделирования качества воды - WASP4.........................16

1.3 Универсальные программные пакеты.......................................................17

1.3.1 Система компьютерного моделирования MIKE................................17

1.3.2 Пакеты ANS YS......................................................................................18

1.4 Современные модели переноса загрязняющих веществ.........................19

1.5 Понятие о коэффициенте дисперсии.........................................................24

1.6 Резюме по главе...........................................................................................29

2 ОПИСАНИЕ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ПЛАНОВЫХ ТЕЧЕНИЙ И ПЕРЕНОСА ПРИМЕСИ........................................................................................31

2.1 Гидродинамический блок модели. Основные уравнения........................31

2.1.2 Оцифровка картографической информации.......................................32

2.1.3 Построение цифровой модели рельефа...............................................36

2.1.4 Внешние параметры..............................................................................38

2.1.5 Краевые и начальные условия.............................................................40

2.1.4 Методы решения....................................................................................40

2.2 Блок переноса примеси...............................................................................42

2.2.1 Уравнения модели.................................................................................43

2.2.2 Краевые и начальные условия.............................................................43

2.2.3 Подготовка исходной информации.....................................................44

2.2.4 Численная методика решения уравнения переноса примеси...........45

2.2.5 Численное исследование уравнения переноса...................................50

3 ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ.............................................................................54

3.1 Проверка работоспособности гидродинамического блока по данным натурных измерений..........................................................................................55

3.2 Верификация модели переноса примеси на основе натурных данных.. 61

3.3 Сопоставление инженерного и численного методов расчета разбавления примеси в воде....................................................................................................67

3.4 Резюме по главе...........................................................................................74

4 РАСЧЕТЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА В РЕКЕ ПРИ АВАРИЙНОМ РАЗРУШЕНИИ ДЮКЕРА.....................................76

4.1 Построение ЦМР участка р. Обь...........................................................77

4.2 Гидрологическая характеристика участка реки.......................................78

4.3 Характеристика примеси (трассера)..........................................................81

4.4 Анализ состояния дюкерных переходов по результатам водолазных обследований......................................................................................................82

4.5 Расчет переноса примеси при разрушении дюкера..................................86

4.5.1 Расчет переноса примеси при разрушении «Саратовского»

подводного трубопровода..............................................................................86

4.5.1 Расчет переноса примеси при разрушении «Заельцовского» дюкерного перехода.......................................................................................91

4.6 Описание программного интерфейса для прогноза распространения шлейфа загрязнения в русле р.Обь..................................................................96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................100

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................101

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Открытие в пятидесятые годы 20 века огромных запасов нефти и газа, а также активное строительство благоустроенных домов способствовало интенсивному развитию трубопроводного транспорта - одного из наиболее экономичных и надежных средств доставки всех видов сырья и продуктов из районов добычи к промышленным центрам страны, а также организованного отвода сточных вод на очистные сооружения канализации [47].

Наиболее сложными и дорогостоящими участками магистральных трубопроводов и отводов от них являются подводные переходы, сооружаемые и эксплуатируемые в условиях интенсивного течения, волнения, наличия береговых оползней, карста и так далее. Незначительные по длине по отношению к самой трассе трубопровода они, однако, являются ее наиболее ответственными и чаще всего подверженными опасности повреждения участками.

Интенсивность строительства подводных трубопроводов за последние годы возросла, так как в настоящее время происходит рост урбанизированных территорий. Одновременно с этим увеличилось число подводных трубопроводов, оказавшихся в опасном для их эксплуатации или даже аварийном состоянии. Основной причиной этого являются русловые деформации рек, способствующие обнажению больших участков трубопроводов в русле и, следовательно, воздействию на них водного потока в период эксплуатации. Аварии на переходах могут привести к прекращению подачи сырья и продуктов потребителям, к их потерям, большим материальным затратам на их ремонт, заражению водной среды и созданию опасности для населенных пунктов. Это выдвигает на первый план задачу поиска новых более современных методов исследований, проектирования и строительства подводных переходов трубопроводов.

На сегодняшний день в России большинство трубопроводов эксплуатируется со степенью износа 70 - 80 %. Нормативный срок службы для чугунного трубопровода составляет 20 лет, для стальных - 10-15 лет. В настоя-

щее время всеми видами ремонта восстанавливается всего 1-3 % изношенных трубопроводов.

В течение всего срока эксплуатации трубопроводы испытывают динамические нагрузки. Они возникают при работе нагнетательных установок, срабатывании запорной трубопроводной арматуры, случайно возникают при ошибочных действиях обслуживающего персонала, аварийных отключениях электропитания, ложных срабатываниях технологических защит.

Анализ результатов обследований подводных трубопроводов [9] показывает, что основными причинами, вызывающими предаварийные и аварийные состояния, являются:

а) переформирования русла и берегов реки в створах переходов, в результате чего размытые участки трубопроводов подвергаются силовому воздействию потока, льда, опасности механического разрушения;

б) укладка трубопроводов со значительными отклонениями от проекта по заглублению в дно реки и врезке в берега вследствие недостаточного контроля скрытых подводно-технических работ;

в) механические повреждения трубы и изоляции при укладке и в период эксплуатации;

г) неправильная организация службы эксплуатации.

Наиболее часто встречаются первая и вторая причины разрушений дю-керных переходов.

За последние 10-15 лет участились случаи аварий на трубопроводном транспорте, как в пределах городской застройки, так и на магистральных трубопроводах. По данным средств массовой информации составлена картина событий, являющихся одной из причин ухудшения качества водных объектов Российской Федерации. Замечено, что собственники очень неохотно делятся информацией о фактах аварий и степени загрязнения рек и водоемов, поэтому, исходя из сообщений информационных агентств, зачастую сложно оценить масштабы результатов аварий. Данные об авариях на нефте- и газо-

вых магистральных трубопроводах и аварийных ситуациях со случаями из-лива канализационных стоков на почву тут не приводятся, хотя происходят также весьма регулярно.

Замена изношенного оборудования и трубопроводной арматуры последние 10 лет ведется крайне низкими темпами. Именно поэтому наблюдается устойчивая тенденция увеличения аварийности на трубопроводном транспорте на 7 - 9% в год, о чем свидетельствуют ежегодные Государственные доклады «О состоянии окружающей природной среды и промышленной опасности Российской Федерации» [31], а также сброс загрязняющих сточных вод в реки.

В качестве примеров можно привести наиболее серьезные аварии.

2005 год. На реке Оке в районе Нижнего Новгорода в марте 2005 года был порыв канализационного трубопровода, что привело к повышению уровня загрязнения воды в реке. На реке Волге в Костромской области (ноябрь 2005 года) поврежден канализационный дюкер. В ноябре на реке Сунгари (источник водоснабжения города Харбин), притоке Амура, произошла крупная авария на химическом заводе в Китае, что повлекло загрязнение бензольными соединениями речных вод [26];

2007 год. В августе 2007 года прорвало напорный коллектор на пойме реки Воронеж в городе Липецке, и почти сутки сточные воды поступали в водоток. В результате аварии на напорном коллекторе ОАО «ЦБК» «Кама» (г. Краснокамск Пермского края) 30 ноября 2007 года произошел промыв грунта с образованием воронки размером 60 на 35 метров и глубиной 15 метров. Авария была ликвидирована, неочищенные стоки попали в Боткинское водохранилище. На протяжении последних лет аварии на очистных сбросах канализации Пермского края происходят регулярно.

В течение ряда лет (с 2004 года по настоящее время) воды Москвы-реки загрязняются сточными коммунальными и промышленными сбросами в результате различных аварий.

В 2010 году двести тонн канализационных стоков вытекло в реку По-зимь (Удмуртия) из треснувшей по шву канализационной трубы (диаметром один метр), что повысило уровень воды в реке на 1 метр.

Летом и осенью 2011 года произошли аварийные утечки из хвостохра-нилища в Казахстане на притоках второго порядка р. Иртыш, на расстоянии 1200 км от границы с Россией. На протяжении нескольких суток в реку попадали с расходом около 1000 м3/час сточные воды, содержащие цианиды, хлорная известь, медный купорос, парасульфид натрия.

Многие очистные сооружения России и стран СНГ находятся в критическом и предаварийном состоянии, поскольку исчерпали лимит эксплуатации. Результатом становятся периодические сбросы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в водотоки. Последствия техногенных катастроф, происходящих на водных объектах, могут нанести существенный ущерб окружающей среде, поэтому необходимо прогнозировать и моделировать возможные аварийные ситуации. Моделирование бывает физическим и математическим. Физическое моделирование позволяет экспериментально изучить различные физические явления, основанные на их физическом подобии, однако у исследователей не всегда есть возможность его проведения. Однако опыт практического (натурного) моделирования движения воды и переноса примесей в сложных водотоках привел к неожиданному противоречию [78]. Выяснилось, что затраты на обработку массивов первичной информации, оценку приемлемости итогов моделирования и инженерный анализ результатов промежуточных вычислений, многократно превышают затраты на моделирование непосредственно процессов. Это приводит к необходимости повышения степени автоматизации вычислений. Современный уровень развития вычислительной техники и программного обеспечения позволяет использовать математическое моделирование в качестве гибкого инструмента при определении различных параметров, в том числе, применительно к переносу загрязняющих веществ в водных объектах.

Численному моделированию переноса веществ в реках, озерах и морях в последнее время уделяется большое внимание в связи с растущей проблемой нехватки водных ресурсов необходимого качества, например, в работах [4, 8, 14, 33, 40, 51, 73, 82, 85, 131, 135, 136, 139, 152, 156]. Модели качества воды в реках подразделяются на группы: модели описывающие поведение токсичных веществ (различные химические механизмы разложения, осаждение токсиканта, сорбированного на взвеси и т.д.) и модели, описывающие самоочищение реки от органического загрязнения.

Исследование особенностей переноса загрязняющих веществ в водных объектах проводится с помощью экспериментов на природных реках или в лабораторных лотках, где в качестве красителя используются либо коротко-живущие радиоизотопы, либо флюоресцирующие вещества. Основная идея такого эксперимента состоит в исследовании реальных гидродинамических процессов с помощью легко обнаруживаемого в водном объекте консервативного вещества-индикатора (трассера), инжектируемого в водный объект [66]. Для определения коэффициентов продольной и поперечной диффузии вещества за последние два-три десятка лет была проведена масса подобных экспериментов [104, 115, 117, 151, 157]. Результаты натурных исследований являются необходимым условием для проведения численного моделирования переноса поллютантов в водных объектах.

При описании процессов переноса веществ загрязнения и разбавления сточных вод необходимы данные по гидрологии и гидродинамике водного объекта, характеристики течений и турбулентной диффузии. Основой моделирования качества воды в реках является расчет переноса примесей течением (см., напр. [2, 7, 21, 86, 105, 131, 138, 139, 146, 152, 156, 160]).

Таким образом, проблема обветшания канализационных сетей и дю-керных переходов остро стоит в каждом крупном населенном пункте. При разрушении трубопроводов сточные воды попадают в грунт, реки и водоемы,

что приводит химическому и микробиологическому загрязнению водных объектов и почв.

Коммунальные бытовые стоки г. Бердска, Академгородка и правобережной части г. Новосибирска поступают по трем канализационным подводным трубопроводам на левый берег для последующей их обработки на очистных сооружениях канализации. По результатам водолазных обследований известно, что вероятность возникновения аварии на дюкерных переходах через реку Обь в районе г. Новосибирска весьма велика. Это может повлечь за собой снижение качества воды в реке и в прибрежной зоне, ухудшить санитарно-эпидемиологическую обстановку в районе города и ниже по течению (в районе Заельцовского пляжа, дачных поселков о. Кудряш, прибрежной части поселка Кудряши).

Цель диссертационной работы состоит в исследовании процессов переноса примеси на морфометрически сложном участке р. Обь в различные режимы водности с помощью численной модели плановых течений.

Задачи исследования:

- адаптировать двумерную (плановую) численную модель переноса примеси, поступающей в водоток;

- сформировать цифровую модель рельефа р. Оби в районе г. Новосибирска на основе данных;

- изучить особенности динамики изменения концентрации загрязняющих веществ в результате аварийного попадания сточных вод в реку;

- изучить влияние водности (в период открытого русла) на характер распространения примеси.

Научная новизна работы.

1. Впервые для морфологически сложного участка реки Оби применена численная модель с детализацией пространственной структуры течения, что позволяет учесть особенности распределения примеси в аварийных ситуациях.

2. Выявлены новые закономерности переноса примеси в многорукавном русле: пространственная неоднородность поля концентрации, связанная с ме-андрированием и наличием островов в водотоке, а также появление нескольких волн загрязнения (непосредственно после сброса и в результате вымывания скопившейся на мелководьях примеси).

Достоверность результатов основана на корректном применении фундаментальных уравнений механики сплошных сред, подтверждается сравнением расчетов, проведенных по плановой модели течений и переноса примеси в водотоках с натурными данными и экспериментами других авторов.

Практическая значимость работы.

Результаты расчетов могут быть использованы для оперативного прогноза по распространению шлейфа загрязнения в случае аварийных ситуаций на канализационных дюкерных переходах в русле р. Обь, а также принятия эффективных управленческих решений.

Модель может использоваться для расчета течений и переноса примеси на сложных участках других рек.

Личный вклад автора: Личный вклад автора в получении основных научных результатов состоит в анализе результатов натурных наблюдений, калибровке параметров и верификации численной модели, выполнении расчетов и анализе полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции и школе молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде: "С1ТЕ8-2005", Новосибирск, Международных конференциях по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: Ет™ЭМ18-2006 и ЕОТ1110М18-2008, (Томск), научно-технических ко�