Использование ГИС-технологий для решения проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли

Комплексная оценка состояния природных объектов строится на основе результатов контроля характеристик в различных средах, результатов обследований и экспертизы, а также моделирования различных ситуаций техногенного или природного происхождения.

Одним из часто встречающихся видов техногенных чрезвычайных ситуаций на территории России являются разливы нефти при авариях на нефтепроводах.

При решении задач по анализу воздействия разливов нефти на различные объекты наиболее удобным инструментом являются геоинформационные системы, которые позволяют моделировать последствия аварийных ситуаций, оценивать экологический и экономический ущерб. Основными опасными объектами (где возможен крупный аварийный разлив нефти и нефтепродуктов), для которых выполняется геоинформационное моделирование, являются резервуары, технологические установки, стационарные резервуары, подвижные цистерны (железнодорожные, автомобильные, танкеры), а также трубопроводы, составными элементами которых являются задвижки, подводные переходы, пересечения с дорожной сетью, точки локального минимума. Перечисленные объекты представляются в геоинформатике в виде точечных, линейных и полигональных объектов. Представление зависит от размеров объекта и выбранного масштаба используемых географических векторных карт местности. Например, в мелких масштабах резервуар представлен как точечный объект, а в крупном масштабе - как полигон.

Также важным условием построения различных геоинформационных моделей является разновидность алгоритмов моделирования разливов нефти по рельефу местности и по водной поверхности. Процесс моделирования можно разделить на несколько этапов.

1. Построение трехмерной модели местности в коридоре прохождения магистрального нефтепровода:

-построение геоинформационной модели территории, содержащей различные слои цифровой картографической информации (отметки высот, объекты геодезической сети, дорожная сеть, водные объекты, растительность и др.);

-построение на основе отметок высот и изолиний триангуляционной поверхности рельефа (TIN);

-создание на основе TIN-модели – регулярной сетки поверхности (GRID).

2. Стекание нефти рассматривается для двух основных случаев: по рельефу местности и по водной поверхности.

2.1. Определение маршрутов стекания нефти по рельефу местности:

-на основе 3D модели рельефа местности, характеристик нефти и грунта определяется направление стекания и длина разлива нефти;

-места скопления нефти, обычно приуроченные к локальным понижениям рельефа, определяются путем сопоставления «зеркала» поверхности на заданном уровне и рельефа.

Для определения маршрута стекания нефти по местности обязательным условием является построение геоинформационной модели (ГИМ) окрестности трубопровода. Она включает в себя различные слои картографической информации в электронном виде по зоне определенной ширины в коридоре прохождения нефтепроводов и интегрируется с существующей атрибутивной базой данных об объектах нефтепровода. На основе ГИМ нефтепровода с помощью специальных прикладных программных средств ГИС (GRID, Spatial Analyst) строится трехмерная модель рассматриваемой местности.

2.2. Определение маршрутов стекания нефти по водной поверхности:

Алгоритм расчета наиболее важных характеристик модели загрязнения и определения маршрута движения можно представить следующим образом:

-подготовка и создание картографической базы данных речной сети в виде линейных и полигональных геоинформационных объектов;

-определение средневзвешенных динамических характеристик речной сети.

С точки зрения геоинформационного моделирования принципиальным является представление рек в виде линейных или полигональных географических объектов. Это представление зависит от масштаба используемых векторных карт местности.

Моделирование аварийного разлива по полигональным водным объектам включает в себя:

-построение модели фарватера реки на исследуемом участке;

-автоматизированный анализ русла реки и расчет направлений течения реки;

-ввод необходимых характеристик речной сети (ширина, глубина, скорость течения реки, объем вылившейся нефти);

-построение модели движения нефтяного пятна, расчет числовых характеристик;

-создание и вывод текстовой и графической информации по результатам моделирования.

Созданная таким образом геоинформационная модель движения разлившейся нефти по рекам, как полигональным ГИС-объектам, позволяет определить положение и направление движения нефтяного пятна, учитывая такие факторы, как разнонаправленность течений реки и воздействие ветра на распространение нефти по поверхности.

Данную модель нельзя применять к малым рекам, которые представлены в геоинформационной системе как линейные объекты.

Моделирование аварийных разливов нефти по линейным водным объектам включает в себя:

-определение маршрута в направлении течения реки;

-расчет средневзвешенных динамических характеристик реки на исследуемом участке;

-ввод необходимых характеристик речной сети (ширина, глубина и скорость течения реки, объем вылившейся нефти);

-определение характеристик распространения пятна (площадь, концентрация, длина по фронтальной части и др.)

Осознавая потенциальную экологическую опасность предприятий нефтегазового комплекса, в частности российские нефтяные компании провозгласили в качестве одного из приоритетов сохранение экологического равновесия в зонах деятельности своих предприятий. Однако для реального улучшения экологического состояния на территории деятельности нефтегазового комплекса (НГК) требуются громадные инвестиции в технологический комплекс нефтедобычи, в первую очередь, для внедрения природоохранных технологий. В связи с этим для оптимизации экономических затрат предприятий НГК могут быть успешно применены современные средства геоинформационных технологий. Ниже излагается опыт, накопленный в Томском научном центре СО РАН в разработке и использовании ГИС для компьютерного выбора экологически приемлемых природоохранных технологий на основе анализа состояния окружающей среды.

Разработанная ГИС включает следующие компоненты:

· база данных об экологическом состоянии,

· база данных о природоохранных технологиях,

· комплекс программных средств анализа состояния территории и выбора природоохранных технологий.

Задача комплексного анализа состояния окружающей природной среды и выбора на основе этого анализа природоохранных технологий направлена на достижение нормативного качества природной среды. Программный комплекс анализа состояния окружающей среды позволяет выявлять территориальные зоны загрязнения и прогнозировать динамику изменения границ этих зон на основе анализа сценариев экономического развития предприятий. Результаты расчетов зон загрязнения воздуха наглядно иллюстрируются на компьютерных картах (рис.5) с помощью средств ГИС. При этом для расчета величин приземной концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, содержащихся в выбросах предприятий, использована известная методика ОНД-86. Расчет производится для наиболее неблагоприятных метеорологических условий. Исходными данными для прогноза загрязнения атмосферы и определения зон повышенного загрязнения служили экологические паспорта предприятий и другие информационные материалы природоохранных органов.

Рис.5. Прогноз увеличения площади зоны загрязнения воздуха от сжигания попутного газа в факелах с ростом объемов добычи

Разработанные средства ГИС - технологий позволяют достигать нормативного качества природной среды на территории деятельности нефтегазового комплекса с помощью моделирования изменений в ее состоянии за счет применения современных природоохранных технологий, выбираемых из базы данных ГИС. Следовательно, применение ГИС-технологий позволяет выбирать экологически приемлемые и экономически целесообразные природоохранные технологии на основе комплексного анализа загрязнения воды, воздуха и почвы. Ниже (рис.6) приведен пример компьютерного моделирования, который иллюстрирует возможность выбора из базы данных ГИС подходящих технологий очистки сточных вод с целью улучшения качества речной воды на территории нефтяных месторождений.

Рис.6. Исходное состояние загрязнения рек на территории нефтяных месторождений сбросами сточных вод

Перспективы расширенного применения ГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в нефтегазовой отрасли связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования аэрокосмической информации.

Заключение

Таким образом, можно смело утверждать, что ГИС имеет определенные характеристики, которые с полным правом позволяют считать эту технологию основной для целей обработки и управления информацией. С появлением ГИС возможность решения такой задачи как анализ дистанционных данных для их полноценного использования в повседневной жизни, стала реальностью, так как эта технология позволяет собрать воедино и проанализировать различную, на первый взгляд мало связанную между собой информацию, получить основанный на массовом фактическом материале обобщенный взгляд на него, количественно и качественно проанализировать взаимные связи между характеризующими его параметрами и происходящими в нем процессами. ГИС с успехом используется для наблюдения состояния окружающей среды, а также для создания карт основных параметров окружающей среды.

Разработанная геоинформационная система комплексной оценки, моделирования и прогнозирования служит основой для построения многоуровневых информационно-измерительные систем (ИИС) и может быть использована при проектировании территорий и для принятия управляющих решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию.

Перспективы расширенного применения ГИС-технологий для решения комплексных проблем охраны окружающей среды в различных отраслях связаны с развитием предлагаемого подхода к улучшению экологического состояния территории на основе использования информации полученной с помощью современных технологий, в частности с помощью аэрокосмической информации.

Подводя итог, следует констатировать, что ГИС в настоящее время представляют собой современный тип интегрированной информационной системы, применяемой в разных направлениях. Она отвечает требованиям глобальной информатизацией общества. ГИС является системой способствующей решению управленческих и экономических задач на основе средств и методов информатизации, т.е. способствующей процессу информатизации общества в интересах прогресса.

Список использованной литературы

1.Геоинформационные технологии в недропользовании (на примере ГИС K-MINE) / Г. И. Рудько, М. В. Назаренко, С. А. Хоменко, А. В. Нецкий, И. А. Федорова. — К .: «Академпрес», 2013.

2.Журкин И. Г., Шайтура С. В. Геоинформационные системы. — Москва: КУДИЦ-ПРЕСС, 2014.

3.Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. Система моделирования распространения загрязняющих веществ и оценки экологической ситуации на базе ГИС // журнал "Информационные технологии моделирования и управления", №5(23), Воронеж, 2005.

4.Лурье И.К. Геоинформационное картографирование. М.: КДУ 2008 (2010) Геоинформатика / Под ред. В.С. Тикунова. В 2-х книгах. М.: Изд. центр «Академия», 2008

5. ГИС в управлении качеством окружающей среды [Электронный ресурс]./studopedia.su:Студопедия – лекционный материал для студентов– Режим доступа:https://studopedia.su/6_44773_gis-v-upravlenii-kachestvom-okruzhayushchey-sredi.html–25.11.2017.

6.Геоинформационные системы в управлении природопользованием [Электронный ресурс]./studme.org: Учебная информация для студентов – Режим доступа:.https://studme.org/1356061518761/ekologiya/geoinformatsionnye_sistemy_upravlenii_prirodopolzovaniem- 25.11.2017) .

7. ГИС технологии для оценки загрязнения окружающей среды[Электронный ресурс]./biofile.ru: География– Режим доступа:http://biofile.ru/bio/36922.html- 25.11.2017) .