WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 |

Математическое моделированиепроцессов биологической деструкциинефтяного загрязнения моря

-- [ Страница 1 ] --


На правах рукописи



ШАРПАН Мария Владимировна


МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ
НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРЯ




03.00.16 Экология (физико-математические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук


Краснодар

2008

Работа выполнена на кафедре прикладной математики

ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент УРТЕНОВ Махамет Али Хусеевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор СЕМЕНЧИН Евгений Андреевич
кандидат физико-математических наук, доцент КОСОБУЦКАЯ Екатерина Владимировна
Ведущая организация: Южный федеральный университет (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится «17» декабря 2008 г. в 16 час. на заседании диссертационного совета Д 212.101.07 в ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет».

Автореферат разослан «15» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Смирнова А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Растущая добыча нефти, глобализация нефтеперевозок и ввод в эксплуатацию новых месторождений, как на суше, так и на континентальном шельфе, с каждым годом приводит к увеличению количества нефтеразливов и огромным финансовым и природным потерям. Нефтяное загрязнение неизбежно связано с любыми операциями по добыче и транспортировке нефти, его масштабы могут быть различны, как незначительными и легко устраняемыми, так и катастрофическими. Экологические последствия разливов нефти при авариях танкеров и нефтеналивных судов обсуждаются учеными и исследователями всего мира. Способность нефти покрывать тонкой пленкой большие акватории моря при сравнительно небольших разливах приводит к тому, что даже незначительный разлив ведет к негативным последствиям. Большую опасность такое загрязнение представляет для морских птиц, которые при прямом контакте с нефтью теряют изоляционные и водоотталкивающие свойства перьевого покрова, что может вызвать их смерть от переохлаждения. Наиболее вредные последствия разлива нефти для рыб наблюдаются в мелководной части моря, в зонах циркуляции воды. Рыбы на ранних стадиях жизни более чувствительны к воздействию нефти, чем взрослые особи, поэтому значительное число рыб на этой стадии погибает при соприкосновении с достаточно высокими концентрациями токсичных компонентов нефти в водной толще. Крупномасштабные аварийные разливы нефти могут оказывать воздействие на морских млекопитающих путем прямого загрязнения тела нефтью, при вдыхании животными токсичных летучих ароматических углеводородов, а также в результате попадания нефти в пищеварительную систему при загрязнении природных источников пищи.

Зависимость мировой экономики от нефти, и, соответственно, необходимость его транспортировки от производителя к потребителю заставляет искать эффективные пути обеспечения экологической безопасности перевозок нефти. Сегодня значительно улучшены технические характеристики танкеров, повышена эффективность служб береговой охраны и проводки судов, созданы международные и региональные центры мониторинга и реагирования на нефтеразливы. Но, несмотря на все принимаемые меры, проблема загрязнения морей нефтепродуктами по-прежнему остается актуальной.

В настоящее время имеется множество способов борьбы с нефтяными загрязнениями. Наибольшее распространение получили механические и биодеструкционные методы.

Механические методы решают проблему сбора основного количества нефти и малоэффективны в случае, когда нефть растекается тонкой пленкой, в таких случаях обычно используют так называемые биодеструкционные методы.



Биодеструкционные методы, связанные с применением нефтеокисляющих микроорганизмов, в настоящее время получили широкое распространение, т.к. они предназначены для разрушения именно тонкой нефтяной пленки, экономически более эффективны, а поэтому за последние десять лет только в странах СНГ разработано более двух десятков биопрепаратов на основе нефтеокисляющих микроорганизмов.

Благодаря воздействию нефтеокисляющих микроорганизмов нефть трансформируется до простых соединений, происходит накопление нового органического вещества и дальнейшее включение его в круговорот углерода в водоемах. В настоящее время имеется большое количество математических моделей, посвященных динамике нефтяного загрязнения моря с учетом конвективного переноса, диффузии, испарения, эмульгирования (Афанасьева Н.А., Дембицкий С.И., Зданьски А.К., Израэль Ю.А., Крылова Т.О., Марчук Г.И., Монин А.С., Нунупаров С.М., Удодов А.И., Озмидов Р.В., Резниченко Г.Ю., Рубин А.Б., Тарасенко Л.Н., I. Fay, C. Gerlach, D. Mackay, P. Yapa и др.), проблемам биологических популяций (модели Ферхюльста П.Ф., Гомпертца Б., Мальтуса Т., Базыкина А.Д. и др.). Однако, не построены математические модели динамики нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции, кроме того, многие проблемы исследованы с недостаточной полнотой, так, например, в имеющихся моделях не учитывается фракционность состава нефти, различные виды бактериального населения, а также неравномерное внесение биопрепарата.

Таким образом, тему диссертационного исследования, посвященного математическому моделированию динамики нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции фракционности состава нефти, использования различных видов бактериального населения, а также неравномерное внесение биопрепарата, следует признать актуальной.

Выполнение ее поддержано грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты №№ 03-01-96511, 06-05-96624).

Цель работы: решение важной экологической задачи – установление основных закономерностей динамики нефтяного загрязнения в море с учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции с использованием математического моделирования этих процессов.

Научная новизна

  1. Впервые разработана иерархическая система математических моделей динамики нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции, фракционности нефти и бактериального населения и способов внесения биопрепарата.
  2. Впервые установлены основные закономерности динамики нефтяного загрязнения в море с учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции с учетом фракционности нефти, бактериального населения и пространственной неоднородности развития популяций и установлена роль в динамике нефтяного загрязнения в море каждого из этих факторов.
  3. Новым является учет пространственной неоднородности развития популяций (таксис) в математических моделях, связанный с неравномерным внесением биопрепарата.
  4. Предложены новые алгоритмы численного и асимптотического решения краевых задач для системы квазилинейных уравнений параболического типа, соответствующих математическим моделям биологической деструкции нефти.

Научная и практическая значимость

Результаты диссертационного исследования и соответствующие математические модели, в особенности методы учета таксиса, могут быть использованы в научных исследованиях в различных задачах экологии, для которых важно учитывать пространственную неоднородность развития популяций.

Результаты диссертации могут быть использованы для мониторинга поведения нефти в море и при решении оперативных задач по предупреждению и ликвидации реальном аварийных разливов нефтепродуктов на морских акваториях при транспортировке нефтепродуктов и проведения буровых работ на морском шельфе, оценке текущего и остаточного загрязнения углеводородами акваторий.

На защиту выносятся:

  1. Иерархическая система математических моделей динамики нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции, фракционности нефти и бактериального населения, а также пространственной неоднородности развития популяций (таксиса) в виде краевых задач для систем квазилинейных уравнений параболического типа.
  2. Основные закономерности динамики нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции, фракционности нефти и бактериального населения, в том числе: оценка скорости изменения концентрации нефтеокисляющих микроорганизмов и скорости уменьшения концентрации нефти в течение всего времени воздействия микроорганизмов, с учетом фракционности и различных видов нефтеокисляющих микроорганизмов.
  3. Основные закономерности процесса биологической деструкции нефти в случае учета пространственной неоднородности развития популяций микроорганизмов, в том числе: закономерности изменения концентрации нефтеокисляющих микроорганизмов и уменьшения концентрации нефти в зависимости от способа внесения биопрепарата.
  4. Программный комплекс имитационного моделирования «Биодеструктор», позволяющий моделировать динамику нефтяного загрязнения в море с одновременным учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции, фракционности нефти и бактериального населения.

Защищаемое положение 1 содержится в публикации [1], положение 2 – в [2, 3]; положение 3 – в [2]; положение 4 – в [4].





Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях: Всероссийские конференции грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края (г. Адлер, 2004 - 2007 гг.), Environmental Problems and Ecological safety, Proceedings of a Workshop held at the University of Applied sciences Wiesbaden (Germany, 2004), Вторая международная конференция-выставка «Экологические системы, приборы и чистые технологии» (г. Москва, 2007 г.), «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (г. Анапа, 2005, 2006 гг.), Объединенные научные студенческие конференции факультета прикладной математики (г. Краснодар, 2004-2007 гг.), XIII Межвузовская научно-практическая конференция ИнЭП (г. Краснодар, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ: 10 в российских изданиях, 2 в международных, из них 4 статьи и 8 тезисов докладов, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов докторских и кандидатских диссертационных исследований, 1 свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ и 1 свидетельство об отраслевой регистрации разработки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка обозначений, списка цитируемой литературы и 4 приложений.

Работа изложена на 150 страницах машинописного текста и содержит 52 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 123 наименований и 2 акта об использовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В главе 1 диссертационной работы рассматриваются основные физико-химические характеристики нефти, определяется фракционный состав, исходя из способности к разложению под воздействием различных видов микроорганизмов.

Анализируются различные методы биологической деструкции.

Проводится обзор экспериментальных работ и имеющихся математических моделей, посвященных динамике нефтяного загрязнения моря с учетом конвективного переноса, диффузии, испарения, эмульгирования, процессов деструкции нефти и динамики популяций. Из проведенного анализа теоретических и экспериментальных работ сделан вывод об актуальности разработки иерархической системы математических моделей динамики нефтяного загрязнения в море с учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции, фракционности нефти и бактериального населения, а также пространственной неоднородности развития популяций. Поставлены цели и задачи диссертационной работы.

В главе 2 предлагается двухуровневая иерархическая система математических моделей биологической деструкции нефтяного загрязнения в виде краевых задач для систем квазилинейных уравнений параболического типа:

1. Иерархическая система математических моделей биологической деструкции нефтяного загрязнения в виде краевых задач для систем квазилинейных уравнений параболического типа.

Первый уровень:

Модель А). Базовая математическая модель динамики нефтяного загрязнения в море с учетом конвективного переноса, диффузии и биологической деструкции. Базовая модель удобна для грубой оценки процесса биологической деструкции нефтяного загрязнения, когда нет информации о фракционном составе нефти и имеется в наличии лишь один вид нефтеокисляющих микроорганизмов;

Модель Б). Обобщение базовой математической модели за счет учета пространственной неоднородности развития популяций. Эту модель мы называем базовой математической моделью с учетом таксиса, и она должна применятся в тех же случаях, что и базовая, но поверхность нефтяного загрязнения не может быть обработана равномерно биопрепаратом, например из-за своего размера. Базовая математическая модель с учетом таксиса позволяет исследовать пространственную неоднородность развития популяции нефтеокисляющих микроорганизмов и оценить ее влияние на биологическую деструкцию нефтяного загрязнения.

Второй уровень:

Модель С). Обобщение базовой математической модели за счет наличия различных видов бактериального населения и учета фракционности нефти. Считается, что имеется видов нефтеокисляющих микроорганизмов, а нефть формально разбивается на фракции, так, что каждый вид нефтеокисляющих микроорганизмов способен преимущественно разлагать одну из фракций нефти, т.е. фракционность состава нефти рассматривается с точки зрения способности к разложению фракций нефти отдельными видами нефтеокисляющих микроорганизмов Т.о., предлагаемый нами способ разбиение нефти на фракции отличается от стандартного способа. Эту модель мы называем обобщенной базовой математической моделью, и она может быть применено в тех же случаях, когда каждая фракция в разной степени подвержена биологическому разложению, и этим нельзя пренебречь, имеется возможность проанализировать фракционный состав нефти и имеется в наличии несколько видов нефтеокисляющих микроорганизмов, а поверхность нефтяного загрязнения может быть обработана биопрепаратом равномерно. Обобщенная базовая модель позволяет оценить эффект от применения комплекса биопрепаратов;



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.