Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

НАБИЕВА ОКСАНА РАМИЗОВНА

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

Новосибирск - 2012

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:

Белолипецкий Виктор Михайлович,

доктор физико-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.аНовосибирск, ул. Ленинградская, 113, ауд. 239.

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

Автореферат разослан  24  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.аБердска, Академгородка и правобережной части г.аНовосибирска 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.аШлычковым.

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.аОбь 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.аНовосибирска 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. 

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.аОбь, а также принятия эффективных управленческих решений.

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

ичный 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 технологиям для наук об окружающей среде: УCITES-2005Ф, Новосибирск, Международных конференциях по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2006 и ENVIROMIS-2008, (Томск), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НГАСУ (Сибстрин)  (2004-2008 гг.), III Международной научно-практической конференции "Решение 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 состоит 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., Воеводин.Ф., Никифоровской В.С., Остапенко В.В., Шугрина С.М., и других исследователей. Прикладные плановые задачи гидравлики изучались Бернадским Н.М., Великановым М.А., Гришаниным К.В., Шеренковым М.А., Ботвинковым В.М., Михалевым М.А. и др.

Численному моделированию процессов переноса примеси в водотоках и водоемах посвящены работы  Васильева О.Ф., Рогуновича В.П., Дружинина Н.И., Шишкина А.И., Белолипецкого В.М., Квона В.И.  и др.

Вопросами разбавления и переноса примесей в водных объектах занимались Караушев А.В., Родзиллер И.Д., Фролов В.А., Никаноров А.М., Бесценная М.А., Шварцман А.Я., Лапшев Н.Н., Пааль Л.Л., 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 осредненной модели плановых течений в водотоках суши, разработанной в Институте водных и экологических проблем СО РАН В.А.аШлычковым.

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 x, y:

(1)

где g ускорение силы тяжести; Cs - коэффициент Шези; u и v - осредненные по глубине потока h компоненты скорости, по осям x и y соответственно; модуль скорости течения; zb (x, y) - функция поверхности руслового ложа.

Краевые условия. На входном створе считается известным суммарный расход реки Q1. В поперечнике выходного створа задается уровень свободной поверхности, пересчитанный в глубины h.

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 u, v и скалярное поле глубин потока h.

В работе основой для создания цифровой модели рельефа и последующих расчетов служили результаты натурных съемок, проведенных экспедицией географического факультета МГУ им.аМ.В.аЛомоносова на участке реки Оби в 2003-2004 гг. Данные промерных работ были представлены автору в виде растровых карт формата А4 в масштабе М 1:10а000 в системе координат Гаусса-Крюгера. Процесс оцифровки проводился с помощью геоинформационной системы (ГИС) ArcView. Размеры расчетной области 10х26акм, длина русла составляет около 30акм, 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.

(2)

где c концентрация примеси; , коэффициенты дисперсии; I   функция источников загрязняющих веществ аварийного сброса.

В качестве краевых условий на всех границах принимается dc/dn = 0, где n - 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 коэффициент сопротивления Маннинга;

B - безразмерная константа дисперсии;

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 характера 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 (Верификация модели).

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 (Сибстрин) на участке р. Иня. Гидрометрические работы были проведены на участке р.аИня длиной около 400ам 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. Осредненные 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 журнале 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.

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 исходных 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 100а000 обеспечивает разрешение не менее 10а - 20ам 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 руслоформирующий расход составляет 1100 -1300ам3/с, а для периода половодья - 2600-3000ам3/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.аНовосибирска 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.аЗаячий 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 Q = 1300 м3/с;.б) при расходе Q = 2600 м3/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. Наличие 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 2600ам3/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 м3/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.

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).

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 некоторых 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.

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.аКудряш - в районе Кудряшовских дач; в правой протоке от о.аЗаячий 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.аОбь 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 О.Р. Применение двумерной плановой модели распространения загрязнения в речном потоке при  оценке короткопериодной аварии на канализационном дюкере / О.Р.аНабиева // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2009. - №а9 (609). - С. 46-51.

Материалы международных и всероссийских конференций:

2. Шлычков В.А. Численная модель для описания локальных гидрологических процессов / В.А. Шлычков, О.Р. Набиева // Труды международной конференции "Математические методы в геофизике - ММГ-2003", Новосибирск - 2003. - С.395-399; 
3. Набиева О.Р. Применение численной модели для расчета гидрохимического загрязнения реки Обь при аварийном сбросе городских сточных вод / О.Р. 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 О.Р. Оценка опасности загрязнения водного потока при разрыве подводного трубопровода / О.Р. Набиева // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин),2011. - Т. 14, № 1 (50). - С. 61-66
5. Набиева О.Р. 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.а99-100.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный

университет (Сибстрин)

630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113

Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАСУ (Сибстрин).

Тираж  Заказ

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям