Приложение 2, требования к моделям

Приложение 2
ТРЕБОВАНИЯ К МОДЕЛЯМ ДЛЯ РАСЧЁТА ОБЪЁМОВ И ПЛОЩАДЕЙ ЗОН
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЗВЕСЬЮ И ДРУГИМИ ПРИМЕСЯМИ
Определение зон воздействия при дноуглублении, дампинге грунта, сбросах
сточных вод, буровых отходов, при аварийных разливах нефти и т.д.
Прогнозные количественные оценки факторов воздействия на водную среду
и ее обитателей, таких как взвесь и других примесей взмучиваемых донных
осадков, сбрасываемых грунтов или буровых отходов, аварийных нефтяных
разливов и т.д., проводятся с применением двух подходов:

на основе упрощенных инженерных методов, рекомендуемых утвержденными
нормативно-методическими документами, например [1, 2];

на основе научно обоснованных, апробированных моделей, описывающих
перенос, диффузию, осаждение и др. процессы поведения загрязняющих
веществ в водной среде.
Первый подход может применяться при предварительных оценках и для
расчетов зон воздействия в случае локализованных источников, пассивной
примеси и упрощенного описания гидрологического режима.
Для более точных оценок с учетом большого комплекса факторов на разных
фазах процесса взаимодействия примесей и водной среды, с детальным
описанием гидрологического режима, его сезонных, региональных и местных
особенностей, требуется второй подход — с использованием научно
обоснованных, апробированных моделей.
Для адекватной оценки масштабов и интенсивности воздействий на водную
среду и ее обитателей в таких моделях должны учитываться следующие
процессы и условия:

разномасштабная турбулентность, определяющая параметры смешения для
различных фаз процесса;

осаждение взвесей;

условия сцепления для взвешенных частиц на границе «вода—дно»;

условия на границе раздела
испаряющихся веществ);

струйные эффекты, включая такой важный эффект как ускоренное начальное
погружение «тяжелой» струи или залповый сброс грунта;

эффект флокуляции, связанный со слипанием частиц и их более быстрым
осаждением;

поведение слаборастворимой фазы (при нефтяных разливах) под влиянием
синоптических и гидрологических условий — растекание, дрейф и распад
нефтяного
пятна,
выветривание,
диспергирование,
эмульсификация,
осаждение твердых фракций и т.д.

наличие льда на акватории в зимний период, характеристики ледового
покрова, стратификация вод в теплые сезоны.

неконсервативность примесей в водной среде, в том числе под влиянием
химических процессов.
сред
«вода—воздух»
(например,
для
Модельные расчеты с учетом описанных выше эффектов, а также
многолетних данных о гидрологическом режиме района планируемых работ,
позволяют точнее оценивать пространственное распределение концентраций
загрязняющих веществ и размеры зон их воздействия.
Сравнительные характеристики основных моделей
На основе анализа практического опыта применения моделей для расчётов
загрязнения водной толщи и осадков на дне выбраны следующие модели,
которые могут использоваться при определении параметров, необходимых для
оценки воздействия на водные биоресурсы и среду их обитания:

Модели серии «АКС» — разработчик ВЦ им. А.А. Дородницына РАН, Москва;

Модели серии «VOSTOK/REA» — разработчик ООО «РЭА – консалтинг»,
Владивосток;
Для этих моделей, которые применяются для прогнозных оценок и
экологического сопровождения проектов на морских шельфах России, проведён
детальный сравнительный анализ (табл. 1).
По остальным известным моделям и программным продуктам ниже
представлена только краткая информация:

«OOC model» (Offshore Operators Committee / Brandsma Engineering, США [9])
— модель для расчёта зон загрязнения водной толщи и осадков на дне, в
России применялась в основном для сбросов буровых растворов и шлама на
шельфе Сахалина.

«Зеркало++» (НПП «Логус», Санкт-Петербург) — программа для расчёта ПДС
по методике [1].

«Сброс» (НПО «Интеграл», Санкт-Петербург) — программа для расчёта ПДС
по методике [1].

«CORMIX» (Oregon Graduate Institute, США) — система расчётов
характеристик смешения струи загрязняющих веществ в водной среде.
Основной упор сделан на начальную фазу разбавления. Включает три модели:
для точечного источника, распределенного источника, для плавучих
загрязняющих веществ. Один из недостатков — не учитывается осаждение
твёрдой фазы.

Комплекс программ от Applied Science Associates (ASA, США), включая
«COASTMAP», «CHEMMAP», «DREDGEMAP», «MUDMAP», «WQMAP»,
«OILMAP» — системы оценки и прогноза переноса загрязняющих веществ в
водной среде, включая буровые растворы, химические загрязнители,
взвешенные вещества грунта от дноуглубительных работ, нефтяные
загрязнения и др.

«GITF» (J.E. Edinger Associates, Inc., США) — интегрированная модель для
расчёта переноса загрязняющих веществ в водной среде для ближней,
средней и дальней зоны распространения. Является средой расчётов для
сторонних моделей расчётов в ближней зоне, как модель диффузионного
распространения примесей, расчётная модель для дноуглубительных работ, и
модель сбросов буровых растворов и шламов. Встроенная модель для
средней и дальней зоны на основе блуждающих частиц позволяет
рассчитывать перенос и осаждение разнообразных загрязняющих веществ.
Для расчетов площадей акваторий, дна и объёмов воды, загрязняемой
примесями в зонах воздействия, при оценках вреда водным биоресурсам в
морской среде рекомендуется применение моделей серии «АКС» и
«VOSTOK/REA» (табл. 1). Эти модели прошли апробацию в крупных
отечественных и международных проектах освоения морских нефтегазовых
месторождений на шельфах Охотского, Японского, Баренцева, Карского,
Балтийского, Черного и Каспийского морей. Для расчетов на реках рекомендуется
модель «АКС-ЭКО СТОК». Допускается использование любых других моделей,
соответствующим образом апробированных, с подобными характеристиками и
заданным перечнем необходимых выходных результатов (примеры — см. ниже,
табл. 1).
Таблица 1: Сравнительные характеристики моделей серий АКС и
VOSTOK/REA для расчёта переноса и осаждения загрязняющих веществ в
водной толще и распределения выпавших в осадок и транзитных донных
отложений
Характеристика
Модели серии АКС
Модели серии VOSTOK/REA
Общие сведения
Наименование и
назначение моделей
Организацияразработчик
Авторы
Применение
моделей
«АКС–ЭКО ШЕЛЬФ» (расчёты
зон загрязнения в морской
среде)
«АКС–ЭКО СТОК» (расчёты зон
загрязнения в водотоках)
«АКС–ЭКО РИСК» (расчёты зон
загрязнения при разливах
нефти)
«ПДС–Шельф 3.0» (расчёт ПДС
по методике [1])
ВЦ РАН, Москва
Б.В. Архипов, В.Н. Котеров,
В.В. Солбаков
 Параметры загрязнения
водной толщи, водной
поверхности, дна
 Расчёт ПДС
 Сопровождение мониторинга
 Материалы для расчёта вреда
водным биоресурсам
«VOSTOK 9/REA» (расчёты зон
загрязнения в морской среде)
«VOS 5/REA» (расчеты зон
загрязнения при разливах
нефти)
«VOS-ICE 5/REA» (расчёты зон
загрязнения при разливах
нефти во льдах)
«ПДС–море 4/REA» (расчёт
ПДС по методике [1])
Первоначальные версии
разрабатывались в ДВНИГМИ.
Последние версии разработаны
и развиваются в «РЭА –
консалтинг», Владивосток
И.Е. Кочергин,
А.А. Богдановский
 Параметры загрязнения
водной толщи, водной
поверхности, дна
 Расчёт ПДС, ПДВВ
 Сопровождение мониторинга
 Материалы для расчёта вреда
водным биоресурсам
Характеристика
Модели серии АКС
Модели серии VOSTOK/REA
 Сброс буровых растворов и
 Сброс буровых растворов и
шламов
шламов
 Сброс хозбытовых стоков
 Сброс хозбытовых и
промышленных стоков
 Сброс охлаждающей воды
 Воздействие при
 Воздействие при
дноуглубительных работах
дноуглубительных работах

Воздействие при установке
 Воздействие при установке
стационарных промышленных
стационарных промышленных
объектов на шельфе
объектов на шельфе
 Воздействие при дампинге
 Воздействие при дампинге
грунтов
грунтов
 Воздействие при разливах
 Воздействие при разливах
нефти и нефтепродуктов
нефти и нефтепродуктов
 Расчёты объёмов вод и
 Расчёты объёмов вод и
площадей зон воздействия
площадей зон воздействия
для оценки размера вреда
для оценки размера вреда
водным биоресурсам
водным биоресурсам
Возможности моделей по учету различных эффектов
Турбулентная
Есть
Есть
диффузия
(Вертикальная диффузия
(Вертикальная диффузия
определена по натурным
расчётная; три горизонтальных
данным; коэффициент
масштаба, причём
горизонтальной диффузии —
коэффициенты для двух
расчётный и зависит от
построены по натурным
масштаба пятна в соответствии данным, общий подход
с законом «4/3», обнаруженным соответствует разработанному
Л.Ф. Ричардсоном и
Р.В. Озмидовым)
теоретически обоснованным
А.Н. Колмогоровым и
А.М. Обуховым)
Конвективная фаза
Есть
Есть
струи
Эффект коллапса
Есть
Нет
Расчёты
Есть
Есть
распространения и
осаждения взвесей с
учётом
фракционного
состава
Расчёты
Есть
Есть
распространения
примесей в толще
Расчёты
Есть
Есть
распространения
(модель «АКС-ЭКО РИСК»)
(модель «VOS 5/REA»)
пленок, в том числе
с испарением
Эффект флокуляции Есть
Есть
(Учёт размера флоков, в
зависимости от турбулентности)
Граничные условия
Есть
Есть
на дне с учётом
отражения и
сцепления
Задачи, для которых
используются
модели
Характеристика
Модели серии АКС
Модели серии VOSTOK/REA
Возможность
Есть
Есть
расчёта ПДС по
(модель «ПДС–Шельф 3.0»)
(модель «ПДС–море 4/REA»)
методике [1]
Расчёт ПДС для
Есть
Есть
буровых растворов и (Расчёт коэффициентов
(Расчёт коэффициентов
шлама (учёт
неконсервативности для
осаждения проводится по
осаждения твёрдой
твёрдой фазы проводится по
неутверждённой методике (блок
фазы в контрольном неутверждённой методике.
VOSTOK), затем расчёт норм
створе при расчёте
Расчет ПДС проводится по
ПДС по утверждённой методике
ПДС)
утверждённой методике [1])
[1])
Учет перехода
Возможен
Есть
тяжёлых металлов
(согласно проведенным
из буровых отходов
лабораторным испытаниям)
в водную среду при
расчёте ПДС
Построение зон
Возможно
Есть
токсических
(совместно с методикой С.А.
эффектов для
Патина [7])
водных организмов
Исходная информация по гидрометеорологии, океанографии и источникам
загрязнения
Метеорология
Ряды наблюдений,
Использование исторической и
осреднённые климатические
оперативной баз данных
данные. Использование баз
Госфонда РФ (РЦОД ДВНИГМИ,
данных
ВНИИГМИ-МЦД)
(СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ,
ВНИИГМИ-МЦД)
Гидрология
Использование баз данных
Использование наиболее
(СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ,
полной исторической базы
ВНИИГМИ-МЦД)
данных Госфонда РФ (РЦОД
ДВНИГМИ, ВНИИГМИ-МЦД)
Течения
 Инструментальные
 Инструментальные
наблюдения
наблюдения
 Профили 95%, 50% (и др.)
 Профили 95%, 50% (и др.)
обеспеченности течений
обеспеченности течений
 Результаты
 Результаты
гидродинамического
гидродинамического
моделирования полей
моделирования полей
приливных и непериодических
приливных и непериодических
течений
течений
Характеристика
Модели серии АКС
Модели серии VOSTOK/REA
Выходные результаты
Графические
результаты по
примесям в водной
толще
 Изолинии концентраций в
водной толще (одна проекция)
 Изолинии коэффициента
разбавления в водной толще
 Концентрация в контрольном
створе по времени
 Профили концентрации в
водной толще
 Максимальная и средняя
концентрация в шлейфе по
мере удаления от источника
Графические
результаты по
донным отложениям
 Кривые и изолинии толщины
слоя новообразованных
осадков на дне
 Трёхмерное изображение
слоя новообразованных
осадков на дне
Табличные
результаты по
примесям в водной
толще
 Таблицы по расчету ПДС
 Концентрация загрязняющих
веществ в контрольном створе
 Площади/объёмы зон
загрязнения водной толщи
 Коэффициенты
неконсервативности в
результате осаждения
твёрдой фазы буровых
растворов и шлама в
контрольном створе
 Площади зон осадков
 Максимальная толщина
осадков и др.
Апробация и сертификация моделей
Табличные
результаты по
донным отложениям
Верификация
 Эксперименты в ходе
мониторинга на сахалинском
шельфе
 Изолинии концентрации в
водной толще (три проекции)
 Изображение шлейфа
мутности (в трёх проекциях)
 Графики средних площадей
загрязнения водной толщи
 Изолинии коэффициента
разбавления в водной толще
 Концентрация в контрольном
створе по времени
 Максимальная и средняя
концентрация в шлейфе по
мере удаления от источника
 Кривые токсичности примесей
в водной толще
 Кривые и изолинии толщины
слоя новообразованных
осадков на дне
 Трёхмерное изображение
слоя новообразованных
осадков на дне
 Кривая распределения массы
новообразованных осадков
дне по фракциям
 Таблицы по расчёту ПДС
 Концентрация загрязняющих
веществ в контрольном створе
 Площади/объёмы зон
загрязнения водной толщи по
превышению фоновых
значений и ПДК
 Скорости осаждения частиц
 Коэффициенты осаждения
буровых растворов и шлама в
контрольном створе
 Площади зон осадков
 Скорости осадконакопления
 Эксперименты в 1996—2000
гг. при проведении
экологического мониторинга
на шельфе Сахалина (проекты
Сахалин-1, Сахалин-2)
 Эксперименты в Заливе Петра
Великого (Японское море)
 Лабораторные испытания по
переходу металлов из
буровых отходов в
растворённую фазу (2000—
2001 гг.)
Характеристика
Публикации в
научных изданиях
Сертификаты
Модели серии АКС
Модели серии VOSTOK/REA
 Архипов, Котеров, Солбаков,
2000 [3]
 Архипов, Пархоменко,
Солбаков и др., 2001 [4]
 Архипов, Котеров, Кочерова и
др., 2004 [5]
 Arkhipov, Koterov, Kocherova и
др., 2004 [8]
Есть
 Богдановский, Кочергин, 1998
[6]
 Kochergin, Bogdanovsky, 1999
[10]
 Kochergin, Bogdanovsky,
Rybalko, 2000 [11]
 Kochergin, Bogdanovsky, 2003
[12]
Есть (для блока по расчету
ПДС)
Параметры моделирования, содержание результатов
Основа моделирования — выверенные, последние по дате «Технические
решения проекта» для нормальных, безаварийных условий строительства,
эксплуатации объекта, предоставляемые Заказчиком (Подрядчиком) работ.
Моделирование проводится отдельно для каждого значимого этапа
строительства (например, подготовка котлована, площадки под основание
стационарной платформы, балластировка платформы, дампинг и добыча грунта
на подводных карьерах, рытьё траншеи трубопровода и т.п.) и эксплуатации
объекта (например, раздельно по этапам буровой программы со сбросами
отходов, если эти этапы разделены значительным промежутком времени — более
2—3 месяцев, либо приходятся на разные по биопродуктивности периоды года:
осень—зима, весна—лето). Подразделение моделирования по этапам
производится по согласованию со специалистами, выполняющими расчёт
размера вреда водным биоресурсам.
Моделирование выполняется с учётом статистических данных по
гидрометеоусловиям участка работ (включая приливные, инерционные и другие
составляющие течений), желательно на основе длительных инструментальных
наблюдений, с учётом гранулометрического состава (и гидравлической крупности
фракций) донных осадков, бурового шлама и твёрдой фазы буровых растворов, с
учётом массовых соотношений компонентов сбросов, а также режимов
интенсивности сбросов и дампинга, режимов грунтоотбора при работе
земснарядов.
Результаты моделирования должны содержать следующий примерный
набор компонентов:

средние за период существования объёмы областей шлейфа взвеси (и других
примесей — нефтеуглеводородов (НУ), тяжелых металлов и т.д.) с
концентрациями выше заданных величин, обусловленных порогами
толерантности гидробионтов (для взвеси величины >10, 20, 50, 100, 500,
1000 мг/л, включая среднюю величину естественной фоновой концентрации;
для НУ > 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 2,5; 5,0; 7,5; 10 мг/л); время
существования областей шлейфа; расчёты по взвеси выполняются с учетом
(включением) её фоновых концентраций;

средние и максимальные расстояния распространения от источника сброса, а
также от края траншеи, котлована, концентраций взвеси (и других примесей);
данные, не соответствующие нормативам ПДС, могут предоставляться без
включения в официальный документ — для согласования и корректировки
технических решений;

площади соприкосновения с дном областей шлейфа с концентрациями выше
заданных пороговых величин; время воздействия на гидробионтов на
площадях областей заданных концентраций;

объёмы протекающей в шлейфе загрязненной воды, при более или менее
постоянной подпитке из источника загрязнения, с концентрациями
загрязняющих веществ больше заданных пороговых величин (указанных
выше); время воздействия (существования) концентраций выше пороговых на
водную среду (и гидробионтов) в потоке;

площади выпадения на дно взвешенных веществ с различной толщиной
отложений (>1, 5, 10, 20, 30, 50, 100, 200, 500… мм);

средние и максимальные расстояния распространения зон осадков с
различной толщиной донных отложений от источника сброса, в том числе от
края
траншей,
котлованов,
подводных
карьеров
и
прочих
зон
дноуглубительных работ.
Форма представления результатов моделирования
В соответствии с последними рекомендациями Государственной
экологической экспертизы результаты моделирования должны оформляться в
виде самостоятельного раздела или отчёта «Моделирование переноса и
осаждения примесей в водной среде и распределения донных отложений для
оценки воздействий на водные биоресурсы» (отдельно для каждого из
проектируемых объектов строительства и эксплуатации), который включается в
качестве Приложения к документу «Расчёт размера вреда водным биоресурсам».
Содержание приложения должно включать:

краткое описание проектируемого объекта (что, где, когда) — официально
принятое название объекта, его предназначение, географические координаты
(в градусах, минутах, долях минуты или секундах широты и долготы),
расстояние от берега, глубина моря, сроки реализации проекта (даты этапа
строительства и этапа эксплуатации), применяемые строительные орудия, их
важные
в
плане
оценки
воздействия
характеристики
(типы,
производительность, объём потребления, расхода воды и т.д.), описание
способов обращения с отходами, программу буровых работ;

исходные данные, принятые для моделирования, — в виде краткого описания
и сводной таблицы;

содержание моделируемых величин и их математическое определение;

результаты моделирования по вышеперечисленному набору компонентов
воздействия на водную среду и биоресурсы — в виде таблиц и рисунков с
краткими пояснениями.
Использование результатов моделирования в расчётах размера вреда
водным биоресурсам
Объёмы (W) областей загрязнения в квазистационарных шлейфах (как и
объёмы загрязняемой воды, протекающей через эти области шлейфов),
ограниченные критическими значениями действующих на водные организмы
концентраций загрязняющих веществ, и площади дна (S) с критической толщиной
выпадающих из взвеси отложений подставляются в соответствующие формулы
для расчётов размера вреда, приводимые в основной части Методики…
(раздел 5, табл. 1). Учитываются также и площади соприкосновения с дном
областей шлейфов с критическими для водных организмов концентрациями
загрязняющих веществ.
Критические значения толщины донных отложений и концентраций
загрязняющих веществ в воде, доли гибнущих организмов в зонах воздействия
(интенсивность воздействия — d) определяются по эколого-токсикологическим
показателям.
Литература
1. Методика расчёта предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные
объекты со сточными водами. — Харьков, 1990. Утверждена государственным
комитетом СССР по охране природы 31.10.1990 г..
2. Методика по расчёту платы за загрязнение акваторий морей и поверхностных
водоемов, являющихся федеральной собственностью Российской Федерации,
при производстве работ, связанных с перемещением и изъятием донных
грунтов, добычей нерудных материалов из подводных карьеров и
захоронением грунтов в подводных отвалах. — М., 1999. Утверждена
Госкомэкологии России 29.04.1999 г.
3. Архипов Б.В., Котеров В.Н., Солбаков В.В.. Модель АКС для прогноза
распространения промышленных сбросов с морских буровых платформ //
Сообщ. по прикладной математике / Отв. ред.: доктор физ.-матем. наук А.П.
Абрамов. — М.: ВЦ РАН, 2000. — 71 с.
4. Архипов Б.В., Пархоменко В.П., Солбаков В.В., Шапочкин Д.А. Математическое
моделирование распространения нефтяных разливов в морской среде.
Сообщения по прикладной математике. М.: ВЦ РАН, 2001. — 54 с.
5. Архипов Б.В., Котеров В.Н., Кочерова А.С., Солбаков В.В., Хубларян Г.М.
Расчёт распространения взвешенных веществ при их попадании в морскую
среду // Водные ресурсы, 2004. Т. 31. №1. С. 1—9.
6. Богдановский
А.А.,
Кочергин
И.Е.
Параметризация
характеристик
перемешивания для типичных условий шельфа северо-восточного Сахалина //
Труды ДВНИГМИ, тематический выпуск. — Владивосток: ДВНИГМИ, 1998. С.
89—102.
7. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов
морского шельфа // М.: Изд-во ВНИРО, 1997. — 350 с.
8. Arkhipov B.V., Koterov V.N., Kocherova A.S., Solbakov V.V., Hublarian G.M.,
Calculating sediment transport in the coastal zone of the sea // MAIK
“Nauka/Interperiodica”, Water Resources, 2004. Vol. 31. No. 3. P. 27—34.
9. Brandsma M.G. & Sauer T.C. The OOC model: prediction of short-term fate of
drilling mud in the ocean. part 1: model description // Proceedings of MMS
Workshop on An Evaluation of Effluent Dispersion and Fate Models for OCS
Platforms, February 7—10, 1983. — Santa Barbara, California: Minerals
Management Service, 1983. P. 58—84.
10. Kochergin I.E. & Bogdanovsky А.А. Transport and Turbulence Characteristics for the
Northеastern Sakhalin Shelf Conditions // Proceeding of the Second PICES
Workshop on the Okhotsk Sea and Adjacent Areas, 1999. № 12, P. 115—121.
11. Kochergin I.E., Bogdanovsky А.А. & Rybalko S.I. Modelling of pollution transport in
the marine environment of Sakhalin shelf // WIT press proceeding «Environmental
Coastal Regions III», 2000. P. 105—114.
12. Kochergin I.E., Bogdanovsky A.A. New version of contaminant transport model in
sea // J. Pacific Oceanography, 2003, Vol. 1, No. 1. P. 53–60.