Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

УФИМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет защиты в чрезвычайных ситуациях

Кафедра безопасности производства и промышленной экологии 

Оценка  загрязнения открытого водоисточника  при транспортировке нефти

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине « Радиационно - химическая защита» 
 

Уфа – 2009  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

           НЕФТЕПРОДУКТЫ, РАЗЛИВ, АВАРИЯ, ОПОВЕЩЕНИЕ, ВОДОТОК, КОНЦЕНТРАЦИЯ, ОТКРЫТЫЕ ВОДОИСТОЧНИКИ, БОНОВЫЕ ЗАГРАЖДЕНИЯ, СОРБЕНТ, СУДНО-НЕФТЕСБОРЩИК

      Цель работы – оценка загрязнения открытого водоисточника при транспортировке нефти.

    Объект  исследования – река Белая, в которую  с моста была опрокинута цистерна и из-за разгерметизации нефть  поступила в реку.

      Дано  описание нефти. Рассчитаны основные характеристики зон аварийного загрязнения в реке Белой при аварийном разливе нефти. Рассмотрены способы ликвидации нефтяных загрязнений. 

      Пояснительная записка 40  стр., рисунков 3,таблиц 1, источников 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Ежегодно  происходит более 60 крупных аварий и около 20 тысячи случаев, сопровождающихся значительными разливами нефти, попаданием в водоемы, гибелью людей, большими материальными потерями.

      Цель  работы – оценка загрязнения открытого  водоисточника при транспортировке  нефти.

      Для реализации поставленной цели ставились следующие задачи:

1. Рассмотреть химический состав нефти;
2. Выявить негативное влияние нефти на население;
3. Рассчитать основные характеристики зоны загрязнения в водотоках;
4. Оценить загрязнения открытого водоисточника;
5. Ознакомиться со способами ликвидации нефтяных загрязнений.

     Экологический аспект заключаются в ухудшении природной среды и затратами на ее восстановление при разливе нефти.

      Экономический: ущерб обусловлен затратами на ликвидацию ЧС

      Социально-политический аспект: авария при транспортировке нефти, может рассматриваться как показатель неспособности государства и органов власти обеспечить права граждан на безопасность, закрепленные в Конституции РФ.

      Этический аспект: не всегда своевременно и качественно осуществляется прогнозирование и оценка возможной обстановки, оповещение населения и экстренное реагирование при возникновении угрозы чрезвычайной ситуации. 
 
 

1. Характеристика  нефти и аварии с разливами нефти на открытых водоисточниках

     В данном разделе рассматривается  химический состав нефти, описание нефтепродуктов и их негативное воздействие на человека, приводится информация об авариях, связанных  с разливами нефти на открытых водоисточниках.

     1.1 Химический состав нефти

    Основное  различие между нефтью, добытой в  различных географических районах, обусловлено не химическим составом, а содержанием отдельных компонентов, последнее и влияет на химические и физические свойства сырой нефти. Одни нефтепродукты почти бесцветны, в то время как другие имеют черную, янтарную, коричневую и зеленую окраску. Некоторые нефтепродукт имеют очень неприятный запах, обычно вызываемый присутствием серосодержащих компонентов. Биологические и химические свойства различных углеводородов существенно различаются, поэтому, при оценке влияния компонентов нефти на окружающую среду необходимо знать состав определенного нефтепродукта[1].

     В составе нефти выделяют углеводородную, асфальтосмолистую и зольную  составные части, а также порфирины и серу. Углеводороды, содержащиеся в нефти, подразделяют на три основные группы: метановые, нафтеновые и ароматические. Метановые (парафиновые) углеводороды химически наиболее устойчивы, а ароматические - наименее устойчивы. При этом ароматические углеводороды являются наиболее токсичными компонентами нефти. Асфальтосмолистая составная нефти частично растворима в бензине: растворяемая часть - это асфальтены, нерастворяемая - смолы. В смолах содержание кислорода достигает 93% от его общего количества в составе нефти. Порфирины - это азотистые соединения органического происхождения, они разрушаются при температуре 200-250°С. Сера присутствует в составе нефти либо в свободном состоянии, либо в виде соединений сероводородов и меркаптанов. Зольная часть нефти - это остаток, получаемый при ее сжигании, состоящий из различных минеральных соединений.

     Оксиды  азота — это газы, образующиеся при сгорании топлива. Попадание  оксида азота в организм человека может вызывать раздражение дыхательных путей и легких[22].

     Бензол  — является аварийно химически опасным веществом, входит в состав сырой нефти. Опасен при вдыхании. Порог восприятия запаха бензола — около 5 мг/ м³. Картина острого отравления при малых концентрациях — возбуждение, подобное алкогольному, затем сонливость, общая слабость, головокружение, тошнота, рвота, головная боль, потеря сознания, возможны мышечные подергивания, переходящие в судороги. Зрачки часто расширены, не реагируют на свет. Дыхание сначала учащенное, затем замедленное. Температура тела резко снижена, кожа и слизистые оболочки бледные. Пульс учащенный, малого наполнения. Кровяное давление понижено. Известны случаи сильной сердечной аритмии. При очень высоких концентрациях — почти мгновенная потеря сознания и смерть в течение нескольких минут. Соприкосновение бензола с кожей вызывает сухость, трещины, зуд, она краснеет, появляется просовидная пузырьковая сыпь. При проникновении через кожу приводит к характерным изменениям в крови.

     Сероводород — аварийно химически опасное вещество, представляет собой бесцветный, весьма ядовитый газ. При высоких концентрациях сероводорода появляется головная боль, головокружение, бессонница, общая слабость, кашель. Наблюдается также общее нейротоксическое действие. Сернистые соединения оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки горла, носа, глаз человека, могут привести к нарушению углеводного и белкового обмена и угнетению окислительных процессов, при высокой концентрации (свыше 0,01 %) - к отравлению организма[22].

     Углеводороды  токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на сердечно-сосудистую систему человека. Углеводородные соединения, наряду с токсическими свойствами, обладают канцерогенным действием.

  Вдыхание  сажи вызывает негативные изменения  в системе дыхательных органов человека - аллергию. Сажа загрязняет воздух, ухудшает видимость на дорогах и абсорбирует тяжелые ароматические углеводороды. Длительное воздействие сажи на организм человека может привести к онкологическим заболеваниям.

  1.2 Результаты неблагоприятного  воздействия нефти

     Результатом разлива нефти является неблагоприятное воздействие на здоровье людей. Вредным для человека является попадание в организм нефти и предметов ее разложения через воздух и воду, а также в результате потребления животной и растительной пищи, непосредственно контактировавшей с нефтью. Как следствие - ухудшение здоровья населения, болезни дыхательных путей, болезни печени, аллергические заболевания и др., что зачастую может привести к гибели людей. Важным фактором также является ущерб, нанесенный личному имуществу[21].

     Объекты жизнеобеспечения – это инженерные сооружения (источники водоснабжения, отопления), автомобильные и железные дороги, речные переправы и речной транспорт, электроснабжение, зоны рекреации (пляжи, курорты). Эти объекты воздействия имеют немалое значение для здорового образа жизни человека. Так, например, нефть, попадая в водные объекты, быстро покрывает большие площади. Нарушение транспортных путей, инженерных коммуникаций, линий электропередач, тепло- и электростанций нарушает нормальное функционирование системы социальной инфраструктуры жизнеобеспечения.

     Загрязнение сельхозугодий влечет за собой деградацию плодородного слоя земли. В результате земельный участок становится не пригодным или требует значительных усилий для его восстановления. Возможны воспламенения растекшейся нефти на большой территории.

     Важным  объектом воздействия аварийного разлива  нефти является окружающая природная  среда: атмосферный воздух, поверхностные  и подземные воды, почва, растительность, животный мир, особо охраняемые территории (заповедники, памятники природы, заказники и др.). В результате сгорания нефти в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд. тонн углекислого газа и поглощается соответствующее количество кислорода. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, сопровождающееся ростом концентрации аэрозоля (мелких частиц пыли, сажи, взвесей растворов некоторых химических соединений), может привести к заметным изменениям климата и нарушению равновесных связей в биосфере.

     Ежегодно в бассейны рек и водоемы попадают сотни тысяч тонн нефти, в результате на воде образуется тонкая пленка, препятствующая газообмену.

     Нефть, разлитая непосредственно на земле, испаряется, подвергается окислению  и воздействию микробов, способствует загрязнению грунтовых вод. Попавшая в организм нефть вызывает желудочно-кишечные кровотечения, почечную недостаточность, интоксикацию печени, нарушение кровяного давления[21]. 

1.3 Данные об авариях, связанных с разливами нефти на открытых водоисточниках

     Попадание нефти в море или реки в результате несчастных случаев при транспортировке, происходит не столь часто.

     Примером  первой крупнейшей аварии нефтеналивного судна может служить катастрофа в 1967 году танкера «Торри-Каньон», в танках которого содержалось 117 тысяч тонн сырой кувейтской нефти. Недалеко от мыса Корнуолл (Англия) танкер налетел на риф, и в результате пробоин и повреждений в море вылилось около 100 тысяч тонн нефти. Под воздействием ветра мощные нефтяные слики (первоначальная форма, которая образуется при разливах и распаде нефтеводяных эмульсий) достигли побережья Корнуолла, пересекли Ла-Манш и подошли к побережью Бретани (Франция). Морским, прибрежным и пляжным экосистемам был причинен огромный ущерб.

     С тех пор разливы нефти при  авариях судов и водных буровых установок происходят довольно часто. В целом за 1962-1979 г.г. в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. тонн нефти, причем с 1962 по 1971 г. – по 66 тысяч тонн ежегодно, с 1971 по 1976 г. – по 116 тысяч тонн, а с 1976 по 1979 г. – по 177 тысяч тонн. [3].

     В разделе показано, что аварии, связанные  с разливами нефти на реке представляют серьезную опасность для здоровья населения, нефтепродукты входящие в состав нефти являются аварийно химически опасными веществами и представляют угрозу для человека.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Расчет основных характеристик зоны загрязнения в водотоках

      В данном разделе производится оценка загрязнения открытого водоисточника  при транспортировке нефти. Расчет производится по методике оценки загрязненя открытых водоисточников аварийно химически опасними веществами в чрезвычайных ситуациях.

     Исходные  данные: При транспортировке нефти через мост была опрокинута в реку цистерна объемом 60 м³, содержащая нефть плотностью 0,85 г/см³ . Из-за разгерметизации цистерны, отходы поступали в реку в течение одного часа. Температура воды составляла 15 ⁰С, средняя скорость течения реки на расчетном участке 1,1 м/с.

     Требуется определить: концентрации на участках реки 2, 5, 8, 10 км, при ширине реки на этих участках 301, 258, 323, 516 м соответственно, продолжительность прохождения высоко и экстремально высоко загрязненных масс воды.

    Определение времени подхода зоны загрязнения  с максимальной концентрацией аварийно химически опасного вещества  на первом участке реки[20].

    Прогноз времени подхода зоны загрязнения с максимальной концентрацией АХОВ к заданному створу водотока определяется по формуле:

     где t_д - время добегания речной воды от места аварии до заданного

                створа, час;

           t₀- продолжительность сброса АХОВ в реку, час.

Расчет t_д выполняется по формуле:

     где L - длина расчетного участка реки,  км; 

           V - средняя скорость течения реки на участке, м/с.

    Если  вместо значения средней скорости течения  реки на участке задан расход воды (Q, м³/с), то ориентировочное значение средней скорости течения воды определяется из соотношения:

     где B  -  средняя ширина расчетного участка реки, м;

           H – средняя глубина расчетного участка реки, м.

    Аналогичным образом определяется значение расхода  воды по заданной средней скорости течения:

     Расчет  максимального значения концентрации аварийно химически опасного вещества в зоне загрязнения водотока

    Ориентировочные максимальные концентрации АХОВ в заданном створе водотока ( С_max, мг/л ) рекомендуется рассчитывать по формуле:

    где Са - концентрация АХОВ в аварийном  сбросе, мг/л;

Q - безразмерный  коэффициент, учитывающий продольную  дисперсию загрязняющего вещества в водотоке;

e - безразмерный коэффициент, учитывающий неконсервативность   загрязняющего вещества.

    Если  концентрация АХОВ в аварийном сбросе не задана, например в случае поступления  в реку чистого (неразбавленного) вещества, расчет Са выполняется по соотношению[20]:

    где r - плотность загрязняющего вещества, кг/м³.

Расчет  коэффициента J производится по формуле:

где Q  - расход воды в водотоке выше места  сброса АХОВ на        расчетном участке, м³/с;

q - расход АХОВ, м³/с; j - коэффициент, учитывающий смешение       АХОВ в массе водного потока.

     Расход  поступающего в реку загрязняющего  вещества определятся по формуле:

     где W - обьем АХОВ, поступившего в реку, м³;

           t₀ - продолжительность поступления АХОВ в реку, час;

      Y - безразмерный коэффициент, учитывающий испарение АХОВ в начальный период развития аварии (используется только для АХОВ, кипящих ниже 0 ⁰С, в остальных случаях принимается равным единице).

     Расчет  безразмерного коэффициента Q, учитывающего продольную дисперсию загрязняющего вещества в водотоке, производится по формулам:

Q = 1  при Z<3 или t_max<t₀,

     где Z - безразмерный параметр, определяемый по соотношению:

     где D - коэффициент продольной дисперсии, м²/с.

    Коэффициент неконсервативности загрязняющего  вещества (e) определяется по формуле:

где k - суммарный коэффициент скорости самоочищения загрязняющего вещества,1/сут;

      t_д - время добегания речной воды отместа аварии до заданного створа, час.

    Для консервативных, а при отсутствии данных о скорости самоочищения и для неконсервативных веществ значение коэффициента e принимается равным единице[20]. 

    Прогноз продолжительности прохождения  высоких и экстремально высоких концентраций аварийно химически опасного вещества в заданном створе водотока

    Продолжительность прохождения высоких и экстремально высоких концентраций АХОВ на первом участке реки (D_tз,час) определяется по соотношению:

    где t₀ - продолжительность поступления АХОВ в водоток, час;

         Z –безразмерный параметр; 

      С_вз – установленный уровень высокого (10 ПДКв) или экстремально высокого (100 ПДКв) загрязнения,  мг/л;

C_max- максимальное значение концентрации АХОВ в заданном створе, мг/л.

    Момент  прохождения фронта (t_ф) зоны загрязнения через заданный участок определяется по формуле:

а момент прохождения хвостовой части (t_x) зоны высокого или экстремально высокого загрязнения по формуле[20]:

Результаты  для всех черырех случаев приведены  в таблице 1.

     Таблица 1 – Результаты расчета основных характеристик зоны загрязнения  в водотоке

     Таким образом рассчитав концентрации на разных участках реки и продолжительность прохождения высоко и экстремально высоко загрязненных масс воды через данные участки, следует, что концентрация с расстоянием уменьшается с 850000 мг/л до 831300 мг/л, нефть расстояние в 10 км пройдет полностью за время 3,935 часа. Участок реки загрязненный нефтью показан в приложении 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Способы ликвидации нефтяных загрязнений и обеспечение защиты населения в случае разлива нефти

      В данном разделе рассматриваются способы ликвидации нефтяных загрязнений, классификация методов удаления нефтепродуктов, необходимое оборудование для сбора нефти с поверхности воды, обеспечение защиты населения в случае разлива нефти.

1. Классификация методов удаления нефтяных загрязнений

      Из  всех известных способов и методов  ликвидации загрязнений нефтепродуктами водной поверхности следует выделить четыре основных способа: механический, осуществляемый с помощью всевозможных конструкций и устройств для сбора нефти; физико-химический, основанный на использовании физико-химических явлений; биологический - с помощью микробиологических культур и фотохимический, проходящий под действием солнечного света и катализаторов.

      Основные методы ликвидации загрязнений с водной поверхности [4] могут быть систематизированы и сгруппированы по признакам действия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рисунок 1.1 – Блок–схема классификации методов удаления нефтепродуктов

2. Самоочищение

  В ряде районов Мирового океана в процессе длительной эволюции сложились механизмы самоочищения морской среды от нефти, сотни тысяч тонн которой ежегодно на протяжении многих тысяч лет просачиваются сюда через поры и трещины в горных породах. Очистка происходит за счет ассимиляционной способности самой морской среды. В других районах, не подвергающихся постоянному загрязнению нефтью, эта способность выражена крайне слабо.

  Общим для всей водной среды является то, что после попадания на водную поверхность морей и внутренних водоемов нефть с самого начала подвергается многим физическим и химическим превращениям. Обычно нефть распространяется по поверхности воды в виде пленки толщиной несколько миллиметров в зависимости от ее вязкости и температуры. Например, толщина пленки нефти, имеющей плотность 930...960 кг/м³, в холодной морской воде может достигать 6...7 мм.

  Под действием воздуха, солнца и морской  воды с нефтью происходят химические реакции в сочетании с процессами растворения, испарения, фотохимическими реакциями и микробиологической деградацией, которые и определяют три основных процесса поведения нефти в море - адвекция, растекание и выветривание [5]:

  - адвекция - процесс переноса нефти  под действием ветра и течений. Средняя скорость распространения нефтяного пятна в первые часы после разлива ее на водной поверхности составляет порядка З...3,5 % от скорости ветра и 10…60 % от скорости течения;

  - растекание - процесс, обусловленный  плавучестью нефти и коэффициентом растекания за счет поверхностного натяжения и диффузии, приводящий к увеличению площади поверхности моря, покрытой нефтяной пленкой. С течением времени процесс гравитационного растекания замедляется, зато начинает действовать горизонтальная турбулентная диффузия;

  - выветривание - изменение свойств  нефти (плотности и вязкости) во времени.

  Все эти физические и химические изменения, которым подвергается пролитая в море нефть, часто объединяются одним термином «выветривание». Время выветривания  в значительной степени зависит от вязкости пролитой нефти, температуры водной среды и ее турбулентности.