Расчет экологического ущерба при разливе нефти

Возможность распространения нефти становится минимальной при наличии снежного покрова, выступающего в качестве сорбента [58, c. 58]. При этом нефть вначале просачивается сквозь снег и лишь после этого начинается медленно распространяться по поверхности льда.

Описанные различия в распространении нефти в открытой воде, подо льдом и на льду подтверждаются экспериментами [63, c. 708], результаты которых приведены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры разлива нефти объемом 1600 т в различных средах [63, c. 709]

Опишем процесс переноса нефти. Нефть может переноситься дрейфующим льдом или сильным подледным течением (скорость более 0.25 м/с). Скорость передвижения в таком случае зависит от свойств нефти и льда [59, c. 13], при этом происходит перераспределение нефти между подледными карманами.

Объем нефти, удерживающийся в подледных полостях, снижается с возрастанием скорости течения. Скорость переноса нефти между карманами возрастает при увеличении скорости течения и уменьшается при увеличении вязкости нефти. Если нижняя поверхность льда является практически гладкой, то нефть будет перемещаться со скоростью от 0.8 до 1.4 м/с при скорости течения от 1.0 до 1.5 м/с. При мелких неровностях (3 см) на поверхности льда скорость перемещения нефти составит от 0.7 до 1.0 м/с [37, c. 53].

По данным натурных и лабораторных экспериментов В.В. Измайловым [31] была разработана теоретическая модель движения линз нефти подо льдом и получена следующая картина [31]:

• при скорости течения подо льдом менее 5 см/с движение линз нефти относительно льда не происходит;

• при движении от 5 до 16 см/с имеет место перемещение линз нефти вдоль нижней кромки льда под воздействием сдвигового потока вблизи шероховатой поверхности льда;

• при скорости подледного течения более 16 см/с происходит постепенный отрыв капель или линз нефти от нижней кромки льда под воздействием турбулентных возмущений потока. В результате нефтепродукты рассеиваются в толще воды.

Если сплоченность льда велика (более 5 баллов), то разлитая нефть будет передвигаться совместно со льдом. Лед и нефть будут перемещаться со скоростью, составляющей несколько процентов от скорости ветра [37, c. 54].

В зависимости от времени года, нефть, разлитая подо льдом, будет полностью поглощена нарастающим льдом в течение 18-72 часов [60]. В апреле-мае скорость этого процесса резко падает вследствие снижения скорости образования льда.

Образовавшиеся нефтяные линзы во льду не изменяются в период нарастания льда, нефть поднимается на несколько сантиметров по пористому верхнему слою формирующихся кристаллов льда. Весной, при постепенном повышении температуры во льду возникает процесс вертикальной миграции, скорость которой зависит от внутренней температуры, толщины нефтяной линзы, и вязкости нефти. Соленая вода, находящаяся между кристаллами льда, начинает просачиваться вниз, создавая вертикальные каналы, по которым нефть поднимается на поверхность. Выход нефти на поверхность отмечается в конце мая [58, c. 60].

Основным процессом физико-химического преобразования нефтяных углеводородов на льду или в условиях битого льда является испарение. Скорость испарения нефти в ледовых условиях обычно ниже, чем на открытой воде, что объясняется низкой температурой среды и большей толщиной пленки. Наличие снежного покрова также снижает скорость испарения нефти [60]. При этом важно отметить, что максимальная доля испаряющихся фракций нефти в ледовых условиях и на открытой воде является одинаковыми.

При соприкосновении с водой нефть теряет свои водорастворимые фракции (обычно не более 1% объема). Процессы эмульгирования и диспергирования, играющие важную роль в преобразовании нефтяного загрязнения на открытой воде, в ледовых условиях развиты значительно меньше вследствие слабого волнового и ветрового воздействия, что подтверждено рядом экспериментов и полевых наблюдений [37, c. 55].

Отдельно следует отметить, что при разливе нефти под ледовым покровом происходит быстрое вмерзание углеводородов в нарастающий лед, при этом обнаружение загрязнения становится практически невозможным. В период ледотаяния возникает вторичное загрязнение акватории, поскольку внедренная в лед нефть почти не изменяет свой состав и свойства [61].

Следует отметить особую сложность  процессов поведения, переноса и  превращения нефти в случаях ее разливов на акваториях, покрытых льдом (рис. 9) [37, c. 55].

Для таких случаев характерно:

• повышение вязкости сырой нефти при низких температурах;
• ограничение ее распространения за счет адсорбции на поверхности льда и накопления в пористых наслоениях и пустотах ледового покрова;
• перемещение нефтяного пятна вместе со льдом преимущественно под действием ветра;
• замедление бактериального и фотохимического распада углеводородов в условиях пониженной температуры и ограниченного притока кислорода.

Рисунок 9. Поведение нефти  при разливах в морских ледовых условиях [37, c. 55]

Нефть и нефтепродукты, попадая  на снежно-ледяную поверхность, существенно снижают альбедо поверхности. В таблице 5 приведены данные по влиянию нефтяных включений на альбедо снежно-ледяной поверхности.

Таблица 5. Воздействие нефтяных включений на снежно-ледяную поверхность [13, c. 98]

Как видно из представленных данных, альбедо снежно-ледяной поверхности при загрязнении соляром снижалось на 13-23%, а при загрязнении нефтью на 27-35%. Загрязнение водной поверхности снежниц нефтяными пленками толщиной 0.5-3.0 мм снижало альбедо в 2-4 раза.

Нефть, которая тем или  иным образом попадает под лед  в осенне-зимний период, захватывается льдом при его нарастании. В весенне-летний период нефть свободно мигрирует сквозь толщу льда, выходя на его поверхность. В весенне-летний период скорость миграции нефти может быть очень высокой. Основным механизмом миграции нефти сквозь толщу однолетнего морского льда, по мнению авторов этих работ, является движение нефти по дренажным каналам стока рассола. По мере прогревания ледяной толщи их размеры заметно увеличиваются, и нефть, проникая в них, устремляется к поверхности. Знание механизмов миграции нефти сквозь толщу льдов необходимо для выполнения прогностических оценок скорости и количества вышедшей на поверхность нефти. Такого рода оценки весьма полезны при выборе оптимальных способов зажигания нефти в полевых условиях. Нефть мигрирует сквозь многолетний лед и в течение одного летнего сезона может выйти на его поверхность [13, c. 98].

Снижение альбедо снежно-ледяной поверхности при выходе нефти на поверхность льда также способствует убыстрению процесса миграции нефти сквозь толщу льда.

Проведенные береговой  охраной США исследования позволили  получить следующие  выводы относительно поведения нефти при разливе в ледовых условиях:

• распространяющаяся по поверхности пористого, состоящего, из наслоений, некристаллизованного льда толщиной около 5 см, нефть адсорбируется им (до 25 % объема разлива);
• часть нефти просачивается через наслоения льда;
• вязкость сырой нефти повышается из-за низкой температуры окружающей среды;
• распространение разлитой нефти задерживают неровности на поверхности льда;
• процесс растекания сырой нефти по поверхности воды прекращается при толщине нефтяной пленки менее 5 мм;
• плавающее нефтяное пятно перемещается под действием ветра по разводьям во льдах;
• распространение сырой нефти подо льдом характеризуется образованием так называемых «карманов», в которых скапливается всплывающая нефть; она не претерпевает существенных изменений из-за отсутствия в полости «карманов» турбулентности;
• сырая нефть распространяется под многолетним льдом, подчиняясь законам гидростатики, так как ее плотность меньше плотности морского льда;
• нефть подо льдом перемещается в три этапа: первый продолжается примерно 1 ч, за это время образуются устойчивые скопления нефти подо льдом; второй отличается постепенным диспергированием нефти под действием течений; третий — довольно длительный, характеризуется деградацией нефти в результате биологического разложения и других процессов.

Фотохимическое и бактериальное  разложение нефти (и конденсата) подо льдом идет медленнее, ввиду ограниченного притока кислорода и низкой (отрицательной) температуры, при которой химические и биологические процессы замедлены. В арктических условиях естественные процессы бактериального разложения нефтяных углеводородов занимают десятилетия.

Нефть на поверхности льда способствует более быстрому его таянию, так как загрязненный нефтью лед принимает на 30 % больше энергии солнечной радиации, чем чистый лед. Скорость таяния загрязненного льда на 2 см в день больше скорости таяния чистого льда. Нефть сорбируются тающим льдом и могут разноситься вместе с  ним течениями.

Наличие ледяного покрова сказывается на размерах загрязненной области. Проведенные в паковом льду исследования показали, что площадь распространение нефтяного загрязнения здесь составила всего 0.1-2 % от площади распространения в открытой воде. При этом равномерная толщина нефтяной пленки на нижней поверхности льда чаще всего равна 5-10 мм [22, c. 24]. Эти цифры, в принципе, соответствуют расчетам: при выбросе под ледяной покров максимальной сплоченности 50 тыс. т нефти подо льдом образуется пятно площадью 7-8 км² и толщиной 7-8 мм, тогда как для чистой воды, что соответствует уравнениям Фэя, ту же площадь занимает пятно при объеме выброса 1 тыс. т с соответственно меньшей толщиной пленки. Вообще, уменьшение площади загрязнения и увеличение толщины нефтяной пленки прямо пропорционально увеличению сплоченности льда.

Данная особенность  объясняется способностью льда аккумулировать нефть. Как показали исследования, лед может захватывать нефтепродукты в количестве, эквивалентном 1/4 собственной массы [30, c. 76]. Физически этот процесс представляется следующим образом. Захват нефтяных пленок с поверхности воды протекает одновременно с захватом солевых включений и воздуха при ледообразовании. В основном, это происходит в осенне-зимний период при нарастании слоя льда крупнозернистой структуры. Интенсивность захвата нефтепродуктов образующимися льдами зависит от условий их формирования. Чем более сильными динамическими воздействиями сопровождается ледообразование, тем большее количество нефтепродуктов захватывается из воды. Наибольший захват следует ожидать тогда, когда морской лед образуется при волнении, снегопаде и низкой температуре воздуха. Если ледообразование происходит при большом градиенте температур вода-воздух и во время динамических процессов, то лед становится пористым (до 100 см³/кг), нижние слои льда обладают повышенной пористостью, и захват загрязнений происходит интенсивно.

При соприкосновении с  кромкой льда или при попадании  под лед нефть заполняет все возможные пустоты и трещины. С целью определения потенциального нефтенакопления в ледяном покрове были осуществлены расчеты зависимости объема пустот на нижней поверхности льда от его площади [22, c. 25]. В результате получилось, что потенциальный объем собранной нефти на единицу площади для многолетнего льда находится в области от 0,04 до 0,25 м³/м², а для однолетнего - от 0,08 до 0,78 м³/м². Нефть, попавшая на поверхность ледяного покрова, также может удерживаться льдом. Теми же авторами было установлено, что блинчатый лед, характерный для всех динамически активных районов в ранний период ледообразования, может собирать 100000 л нефти в радиусе 85 м (0,004 м³/м²).