Методика обработки экспериментальных данных в измерительно-вычислительных комплексах систем мониторинга гидрофизических полей в зонах нефтеразработок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

п г

I I

российская академия наук - титут радиотехники и электроники

о

На правах рукописи

УДК 519.6

ХУНЬ БА ЛАН

методика обработки экспериментальных данных в измерительно-вычислительных комплексах систем мониторинга гидрофизических полей в зонах нефтеразраб0т0к

Специальность 01.04.01-техника физического эксперимента, фгаика приборов, автоматизация физических исследований

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1994

.. Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники РАН.

Научные руководители: - доктор физико-математических наук,

академик Академии естественнй наук РФ КРАПИВИН В.Ф.

доктор физико-математических наук, член-корреспондент Академии естественных наук МКРТЧЯН Ф.А.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

старший научный сотрудник ЛЕВШИН И.П. - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник МИЛОВИДОВА А.З.

Ведущая организация: - Институт океанологии РАН

(ИО РАН, г. Москва)

Защита состоится " Л^С 199Л""г. в ^ часов на

заседании специализированного Совета Д 002.74.03 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907 г. Москва, ул. Моховая 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан ¿¿«д^/у^ 199 */ у.

Ученый секретарь Специализированного Совета

к.ф.-м.н. ----* М.И. Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность телеи. Морские месторождения нефти обычно расположены в зоне достаточно интенсивного антропогенного воздействия на окружающую среду, а поэтому задачи проектирования и создания 'системы экологического мониторинга соответствующей акватории решаются с учетом состояния атмосферы и водной среды в прилегающих акваториях. Опыт решения подобных задач связан с внедрением ГИМС-технологии, которая обеспечивает комплексный подход к решению задачи построения системы экологического мониторинга, рассматривая любую подсистему окружающей среды как элемент природы, взаимодействующий через биосферные, климатические и социально-экономические связи с глобальной системой биосфера-климат-общество.

В результате соединения системы сбора данных об окружающей среде, модели функционирования аквагеосистемы данной территории, системы компьютерного картографирования и средств передачи данных, синтезируется единая-ГИМС территории, обеспечивающая измерение характеристик окружающей среды, их комплексную оценку с учетом имеющейся априорной информации и передачу в единый центр принятия решений.

Для акватории моря в зоне нефтяного месторождения практическое воплощение идеологии ГИМС-технологии требует тщательного анализа гидрофизических и синоптических характеристик, выбора технических средств для измерения параметров окружающей среда в условиях местного климата (пониженных или повышенных температур, обледенения или сильного волнения, и т.п.), удаленности от материка. Здесь также важны обстоятельства смены внутригодовых климатических режимов, связанных с изменением физического состояния водной поверхности и освещенности.

В связи с климатическими условиями функционирования будущей системы экологического мониторинга нефтяного месторождения, отсутствием возможностей свободного размещения измерительной и передающей аппаратуры в любой точке акватории, важными оказываются задачи планирования измерений и выбора эффективных алгоритмов их обработки.

Цель работ. Целью данной диссертации является разработка обоснованного алгоритмического обеспечения системы экологического мониторинга (СЭМ) зоны моря в районе добычи нефти (газо - кйнден-сатного месторовдения - ГКМ).

Степень новизны результатов:

1. Впервые разработана имитационная система для вычислительного эксперимента в гидрофизических исследованиях при наличии загрязнения водной среды углеводородами нефти. Структура системы включает измерительно-информационный, обрабатывающий и прогнозирующий блоки.

2. Разработана новая типовая математическая модель транспорта углеводородов нефти в водной среде за счет реализации гидродинамических процессов и по пищевым цепям экосистемы. Модель описывается системой уравнений в частных производных параболического типа с начальными и краевыми условиями.

3. При дополнительных предположениях об используемых модельных параметрах и структуре модели впервые получены теоретические оценки единственности решения системы уравнений, описывающей динамику загрязнения в квазиоднородной водной среде.

4. Впервые на основе данных натурных измерений содержания нефти в водоемах южной части СРВ и в Южно-Китайском море даны оценки эффективности имитационной системы при мониторинге водных объектов различных масштабов. Показано, что разработанное программное обеспечение имитационной системы обеспечивает получение динамических оценок содержания нефти на поверхности и в глубоких слоях водоемов.

Прашияесная значимость результатов работы. Диссертация выполнялась в рамках договора о н/т сотрудничестве между ИРЭ РАН и Центром космической .физики и технологии дистанционного зондирования НЦНИ СРВ (г.ХоШиМин), в соответствии с программой "Экологическая безопасность России" и по заказу ВНИПИморнефтегаз (г.Москва). Построенная система использована для вычислительных экспериментов по оценке значимости различных параметров окружающей среды в формировании и динамике пространственных распределений нефтяных загрязнений водной среды на территории России в зоне Штокмановско-го ГКМ (Баренцево море) и на территории СРВ в Южно-Китайском море.

Положения выносилые на защити'.

1. Комплекс взаимосвязанных иерархических моделей трансформации углеводородов нефти в водной среде позволяет автоматизировать процесс обработки информации в режиме гидрофизического мониторинга и-обеспечивает возможность проведения исследований по оценке пространственных распределений параметров аквагеосистем различного пространственного масштаба.

2. Пакет компьютерных программ, адекватно реализующих алгоритмическое обеспечение имитационной системы для вычислительного эксперимента в гидрофизике нефтяного загрязнения, автоматизирует процедуры анализа данных в системе экологического мониторинга акватории в зоне влияния газо-конденсатного месторожления.

3. Методика теоретического анализа системы балансовых уравнений имитационной системы позволяет оценить единственность решения этой системы и в зависимости от соотношения ее параметров установить наличие периодических решений.

4. Результаты применения разработанной имитационной системы для оценки уровня нефтяного загрязнения водных систем различного пространственного масштаба показывают ее эффективность при комплексной оценке их динамических экологических и гидрофизических параметров. Имитационная система обеспечивает проведение вычислительных экспериментов с оценкой последствий антропогенного воздействия на аквагеосистему в рамках рассмотрения гипотетических ситуаций.

Апробация работы. Результаты диссертации обсуждались на российско-вьетнамских научных семинарах в г.Хошимине в ноябре 1992г., в апреле и ноябре 1994г., а также на научных семинарах секции кибернетики НТОРиЭС им.А.С.Попова в мае 1994г. и отдела информатики ИРЭ РАН в октябре 1994г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на страницах машинописного текста, содержит 14 рисунков, 14 таблиц и список использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дается структура и краткий обзор содержания диссертации.

В главе 1 "Задача сбора и обработки данных в системах мониторинга морских акваторий в зонах добычи нефти" проведен обзор и дан анализ технических, алгоритмических и компьютерных технологий организации и проведения мониторинга нефтяного загрязнения водной среды. Проведено изучение элементов гидрофизических процессов распространения загрязнителя в водной среде и указаны элементы системы экологического мониторинга, включение которых обеспечивает решение задачи оперативной оценки содержания загрязнителя в воде.

Изучение такой динамической среды, как водная среда, требует создания сложных алгоритмов обработки данных наблюдений и моделей, дающих возможность по отрывочным и эпизодическим данным восстанавливать полный образ исследуемого объекта. Согласно накопленного опыта описания океанических и морских систем (Бурков, 1980) многолетние наблюдения за их характеристиками со стационарных, плавающих и летающих лабораторий позволили развить эффективные метода описания динамики водных объектов различных пространственных масштабов. Большинство наблюдений связано с измерением температуры, солености, содержания кислорода, скоростей и направленности течений. В зонах антропогенной активности спектр гидрофизических наблюдений значительно расширяется. Особенно в зонах добычи нефти со дна океана.

Обозначим через ср - широту и X - долготу точки на поверхности водоема. Для дальнейшего описания рядов данных выберем прямоулоль-ную систему координат с осью г,направленной от поверхности, так что величина ъ будет означать глубину в точке с координатами <р,А.. Тогда любое измерение будет описываться параметром £(г.фД.г), который в общем случае является нестационарной случайной величиной. Использование таких величин в системах обработки данных требует применения специальных методов (Крылова, 1992; Дмитриев, Мясин,

1980; Букатова, 1992). При этом для уменьшения нестационарности осуществляется пространственно-временное усреднение. Выбор масштабов определяется как опытом изучения динамических характеристик водной среды, так и задачами, стоящими перед исследователем.

Как отмечается в работе Буркова (1980), ряды измерений циркуляционных характеристик морской среда всегда содержат периодические, апериодические, стационарные и нестационарные колебания. Поэтому полученные ряды наблюдений фильтруются с учетом масштабности изучаемого процесса. Отсюда следуют и особенности организации измерений( 5Мгааа*а,1992). ,

Известный опыт измерения и оценки нефтяного загрязнения на водной поверхности дают основание. для синтеза системы автоматизации ; с функциями обнаружения ,и контроля нефтяного загрязнения. Общие принципы таких систем были сформулированы в работах А.Н.Выставкина, А.П.Курковского (1992); А.З.Миловидовой (1986); У.Р.Кгар1у1п, А.М.БЬцШ) (1989) и др.

Глава 2 "Концепция системы экологического мониторинга морской среды и атмосферного воздуха в зона ГКМ" на основе ГИМС -технологии описывает автоматизированную систему для вычислительного эксперимента с функциями имитации и-прогноза характеристик водного объекта, подвергаемого загрязнению углеводородами нефти.Рассмотрены структура имитационной системы и ее блоки, указан состав компьютерных программ для реализации функций имитационной системы. •

Подробное описание концепции и принципов ГИМС-технологии дано в работе Крапивина (1993). Ее широкие возможности обуславливаются гибкостью структуры проектируемой СЭМ, достигаемой' за счет использования средств информатики и сочетания- измерительных систем различного профиля (Арманд и др.,1987), Опыт проектирования систем экологического мониторинга на' основе - внедрения ГИМС-технологии основан на использовании высокопроизводительных средств обработки данных дистанционных и контактных измерений (Кгар1у1п,311и1;ко,1989), применении эффективных алгоритмов анализа многомерных данных с элементами искусственного интеллекта (Гуляев и др.,1989), интерпретации данных на основе эффективных физико-математических моделей (Кгар171п,Ыкг1;сЬуап,1991).

СЭМ в соответствии с ГИМС-технологией должна иметь в своей структуре следующие подсистемы (табл.1). -

Таблица 1. Перечень и характеристика подсистем СЭМ. ,

*

п/п

Наименование подсистемы

Характеристики и функции подсистемы

Измерительная подсистема

Подсистема сбора, накопления, анализа и интерпретации данных измерений

Подсистема включает датчики контактного и дистанционного действия для измерения синоптических ,гидрофизиче ских,атмосферных.,экологических гидрохимических характеристик окружающей среды, а также регистрации утечек нефти из средств ее транспортировки.

Подсистема включает технические средства передачи данных в единый информационный центр, оснащенный средствами обработки данных, включающих комплект компьютерных программ по реализации алгоритмов оценки состояния окружающей среды, идентификации источников загрязнения и визуализации результатов измерений.

1

2

Программное обеспечение СЭМ нацелено, на реализацию алгоритмического набора для получения ответов на следующий минимальный набор вопросов:

-интегральная оценка экологического состояния акватории, -компонентная оценка экологического состояния акватории, -точечная, площадная и пространственная оценка экологического состояния акватории,

-идентификация источника загрязнения акватории, -прогнозные оценки экологического состояния акватории. Для преобразования данных измерений в необходимую для принятия решений информацию и ответа на указанные выше вопросы создана система программ, реализующая требующийся набор алгоритмов обработки этих данных. Согласно (Арманд и др.,1987) в состав программного обеспечения СЭМ включены указанные в табл.2 элементы software.

Алгоритмическая, программная-, и модельная поддержка базы дан-

Таблица 2. Состав программных объектов для СЭМ.

п/п

Наименование программного продукта

1.

о

к> .

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10. 11. 12.

13.

14.

15. 1G.

17.

18.

19.

20.

Программа калибровки данных измерений Программа фильтрации данных измерений

Программа опроса датчиков и стыковки технических средств с информационным блоком

Программа принятия решения о наличии экстремальных ситуаций в окружающей среде

Программа пространственно-временного согласования разнотипных данных

Программа интерполяции данных измерений по пространству и формирования пространственных образов

Программа восстановления пространственных распределений' характеристик окружающей среды на основе отрывочных по акватории и глубине измерений

Программа расчета кинетических характеристик загрязнителей в морской воде в условиях климатических ситуаций района моря.

Программа расчета динамики газовых загрязнителей и твердых частиц в атмосфере над акваторией ГКМ

Программа оценки экологической обстановки в контролируемой зоне в соответствии с заданным критерием

Программа синхронизации информационных потоков и обеспечения залпового сброса в центр обработки данных

Программная реализация физико-химических процессов в системе "атмосфера -море-объект"

Программа формирования кратко- и долгосрочного прогнозов общей экологической обстановки в зоне ГКМ

Программа идентификации источников нарушения экологических норм по всем контролируемым показателям и по управляемому набору критериев

Алгоритмы компьютерной картографии Системы управления базой данных,

программа сопровождения данных по информационной сети СЭМ и их накопления в базе данных

Software для обеспечения человеко-машинного интерфейса Software для обслуживания базы данных

Программа восстановления функций выбросов при неполной и неточной информации

Программа накопления знаний по различным специфическим и типовым ситуациям, выдачи оперативных данных при аварийных ситуациях_

ных СЭМ несет двойную нагрузку. С одной стороны, накопление данных о функционировании экологической системы зоны ГКМ повышает достоверность получаемых оценок экологической обстановки и снижает требования к'измерительной подсистеме. С другой стороны, база данных СЭМ используется как фрагмент базы данных более высокого уровня (вплоть до национального)..

Функционирование СЭМ обеспечивается соотношением между измерительной подсистемой, обновляемой базой данных и моделью объекта. Согласно работам Гуляева и др.(1980), Кгар1у1п,ЗШгко (1989) и Ао1а е1; а1.(1993) непрерывный режим мониторинга реализуется с достаточной устойчивостью лишь при обеспечении адаптивной алгоритмической поддержки.

Предметом главы 3 " Имитационная модель для изучения гидрофизических процессов переноса нефтяного загрязнения и ее анализ" является непосредственное описание имитационной модели, как фрагмента системы автоматизации гидрофизического эксперимента по оценке уровня нефтяного загрязнения. Развитие сформулированного в главах 1 и 2 подхода к автоматизации обработки данных обеспечивается построением иерархической структуры имитационной модели с выделением двух уровней блоков, параметризующих гидрофизические и экологические механизмы распространения углеводородов нефти в водной среде. Записывается система балансовых уравнений, формулируются начальные и краевые условия. Рассматривается задача оценки единственности решения некоторых частных вариантов этих уравнений.

Параметризацию процессов функционирования экосистемы акватории П, находящейся под влиянием ГКМ, осуществим на основе метода системного анализа, представив совокупность причинно-следственных связей между гидрологическими, биохимическими, климатическими и антропогенными компонентами в виде иерархии тематических блоков модели. Схематически это представлено на рис.1.

Функционирование ИМДНЗ поддерживается глобальной и климатической моделями (Мо1Бзе1е7 е1; а1.,1985). Входными для ИМДНЗ являются данные об источниках загрязнителей на суше в зоне влияния на акваторию П, климатические данные, сведения о состоянии гидрофизических характеристик и других явлениях, учет которых важен для

Рис. 1. Клок-схема ИМДНЗ (имитационной модели динамики нефтяного загрязнения). Обозначения даны в табл.3. ММБ - математическая модель биосферы (Кгар1у1п, 1993). КМ - климатическая модель.

достоверности получаемых результатов и которые могут быть восприняты входным интерфейсом ИМДНЗ.

Разделим П на ячейки с размерами дер по широте и дА. по долготе. Эти ячейки лежат в основе дискретизации всей акватории и являются опорной сеткой в численных алгоритмах расчета экологических и гидрофизических полей. Ячейки О неоднородны по параметрам и функциональным характеристикам. Среди них выделяются ячейки, примыкающие к устьям рек Пн и портам Пр, лежащим на границе с сушей Пр, расположенные в проливах Пд, соединяющих акваторию П с другими водными системами.

По глубине z акватория П делится на слои с шагом дг. Распределение глубин по П задается в виде матрицы ||Ь1;)||, где 111;)=(ф1 Д^). В результате весь объем воды в бассейне О делится на объемные компартменты П^^дср^дА^лг^.. Внутри водная масса считается обнородной по температуре, солености, плотности и биомассе всех трофических уровней.

Таблица 3 Перечень блоков ЩЦНЗ (рис.1).

Услов-

ное

обозна- Описание блока

чение

блока

АН Набор сценариев антропогенного воздействия на экосистемы акватории П.

АТ Модель атмосферного переноса загрязнений.

ВВ Модель функционирования биоты в условиях энергообмена в трофической цепи экосистемы акватории П.

Щ Имитатор моделей-сценариев, описывающих синоптическую обстановку, смену гидрологических режимов и других условий функционирования экосистемы акватории П.

ТО Модель динамики вод в акватории П.

йВ Гидрологический блок.

га Модель формирования поля освещеннности.

ш Модель формирования биогенного фона.

ОС Модель переноса загрязнений через водообмен по каналам Ов.

01 Модель поступления углеводородов нефти в пищевые цепи.

но Модель речного стока в П.

БС Генератор сценариев.

ББ Модель динамики солености морской воды.

РВ Модель поступления загрязнений в П.

УУ1 Модель потоков энергии в трофической пирамиде экосистемы акватории П.

№ Формирование поля температуры воды.

VI Программные блоки, обеспечивающие визуализацию результатов имитационных экспериментов.

ИМДИЗ обладает способностью варьировать входную информацию. При отсутствии возможностей использовать глобальную или климатическую модель для получения входной информации пользователь ИМДКЗ

может включить блок SG. Этот блок позволяет перейти на рассмотрение гипотетических ситуаций, охватывающих процессы взаимодействия между атмосферой, сушей и морем.

Антропогенные воздействия на территории fi могут иметь сезонный характер. Поэтому для удобства вводится дискретизация для временных интервалов: т -зима, гз-весна, ти~лето, та~осень. Для высоких широт такая дискретизация позволяет учесть сменяемость режимов функционирования -аквагеосистемы акватории П. Для низких широт возможно объединение этих интервалов по принципу сухой или дождливый сезон или по любому другому обстоятельству.

Важную роль в формировании биотической продуктивности экосистемы акватории О играют многочисленные внешние условия. Так для северных широт эта роль принадлежит эргоклину "снег-лед-вода". В южных широтах эта роль связана с апвелинговыми зонами. Так или иначе первичная продукция в пищевых цепях экосистемы акватории П определяется продуктивностью фитопланктона, формирование которой связано с композицией сложных вариаций синоптических, гидродинамических, геохимических и энергетических параметров морской среды. Эта задача была подробно изучена (Алексеев и др.,1992; Беляев, 1973; Prieur, Legendre, 1988). В табл.4 представлена •структура возможной сезонной композиции условий формирования пер-еичной продукции в Q. Эта схема реализуется в каждой ячейке

Формирование биогенного фона на глубине z определяется скоростью фотосинтеза, адвекцией из более глубоких слоев и поступлением за счет разложения взвешенного мертвого органического вещества. Роль гидрохимических условий проявляется в поддержании необходимой для фотосинтеза концентрации биогенных элементов путем их переноса из других слоев, где концентрация химических элементов оказывается достаточно высокой.

В качестве основы блока Ш модели ВВ примем схему циркуляции, предложенную М.Е.Виноградовым и др. (1972) и уточненную S.Demars и др. (1986). Динамическое уравнение для биогенного элемента пА в среде A=(s-cHer, i-лед, w-вода) будет иметь вид:

an, <э2п. , an, , an, , an, ,

А = К" -V,n —-Vf —- -VA +Q. -рАR.+sfHf, 2 я„2 ф э,„ Л- ял z а„ . A rA А 11

at с dz* у аф л аа, z dz

где йд - скорость фотосинтеза в среде А, Ол-приток биогенных элементов в среду А за счет лизиса детрита (0Л=бпИ^), рА- коэффициент пропорциональности, бп - содержание биогенов в мертвом органическом веществе, - скорость разложения детрита цА - интенсивность разложения детрита, е^ - доля радионуклида е, находящегося в морской воде акватории П и являющаяся химическим аналогом биогенного элемента Введение коэффициента е^ расширяет функции Щ2ЩЗ. В случае отсутствия данных о радиационном загрязнении акватории П полагаем е^=0.

Таблица 4. Вертикальная структура среда акватории П.

Параметры

СЛОИ толщина слоя коэффициент турбулентного перемешивания освещенность коэффициент ослабления освещенности коэффициент отражения температура

Поверхность I о ßo rj>a

Снег Плавающий лед Подтопленный лед G R г К| £ £ I г Ч а S % % ßS ipS T±1 Т1*

Вода z-r к|[ I w а W ßw rpW

На поверхность акватории Q через атмосферу поступает энергия солнечной радиации IQ(Вт/м2.сут). Оценка этой величины может быть осуществлена по данным мониторинга или с помощью модели (Беляев, 1973; Goody, Jung, 1989). Поток IQ ослабляется в снеге, льде и воде согласно схеме вертикального разреза акватории 0 (табл.4).

Скорость фотосинтеза в среде А является функцией освещенности, концентрации биогенных элементов, температуры, биомассы фитопланктона и концентрации загрязняющих веществ. Для описания этой функции используется уравнение Михаэлиса-Ментена.

Циркуляция водных масс в любой акватории П представляет собой сложную систему круговоротов и течений разного масштаба и знака в совокупности более мелких частей П. Поскольку в качестве Q могут выступать различные акватории, то в ИМДНЗ блок GB описывает циркуляцию и динамику солености и температуру по возможности в общем виде. Динамика вод в П представлена потоками между nidk. Направления обменов водными массами задаются на каждом горизонте zk согласно M.Aota и др. (1992). Внешняя граница определяется береговой линией, дном, границей "вода-атмосфера" и устьями рек и проливами. Предусматривается возможность имитации структуры перемещения водных масс с помощью сценариев, генэрируегшх в блоке SG.

Дашше о гидрологических режимах акватории Q синтезируются в четырехуровневую временную структуру согласно сезонному делению шкалы времени на интервалы т^,тд,ти,та.

Температура воды ТА в П формируется под действием испарения, осадков, движения льдов, притоков воды из рек и других акваторий и других факторов. Ее изменение в компартменте П13к описывается уравнением теплового баланса. Считается, что диссипация кинетической энергии движения, геотермический поток на дне океана, а также тепловые эффекты химических процессов в морской воде не являются глобально определяющими в формировании поля температур. Однако, чтобы учесть возможные отклонения в компартментах верхнего слоя делается сезонная поправка.

Блок загрязнения PB акватории Q имитирует процессы поступления загрязнителей за счет атмосферного переноса, речного и поверхностного берегового стока, судоходства и другой хозяйственной деятельности (Möhler, Arnold, 1992; Müller, Peter, 1992).

Атмосферный транспорт углеводородов нефти описывается моделью Гаусса при масштабах пространства до 200 км, в других случаях применяется модель Эйлера.

Нефтепродукты 0(<p,A,,s,t) отличаются многоксмпонентностью, что расширяет спектр ситуаций их поведения в морской воде. Здесь постулируются следующие процессы трансформации нефтепродуктов: растворение hl испарение Н?, проникновение в глубокие слои воды в виде капель Н~, окисление Н£, адсорбция взвешенным органическим веществом Н®, биоседиментация Н^ и бактериальное разложение н£:

<30 <30 00 ÔO ÔO 7

W W W W .

-=kp —-vm--v,--v-+q - j h*,

at 2 at2 V дц> дх z dz ° °

где qq- антропогенный источник нефтепродуктов, Kw2~ кинематический коэффициент вертикальной диффузии.

Уравнения модели представляют собой систему дифференциальных уравнений параболического типа, анализ которых в некоторых частных ситуациях возможен теоретически (Nguen Thanh Long et al., 1994). В частности, изучим следующую задачу на начальные и граничные условия: ' ut-a(t)[urr+ ^uj+FCubîCr.t), (r.tMO.1 )« (О.Т) (1)

0r(0,t)=0, Ur(1,t)+h(t)U(1,t)=g(t) (2)

u(r,0)=u(r,T) (3)

. P(U)=|U|p_2U, (p>1); - (4)

где функции a(t), h(t), g(t) и i(r,t) являются действительными функциями и имеют период Т по времени t.

Задача (1)-(4) описывает изменение температуры U в бесконечном цилиндре единичного радиуса, если F(u)=0 и g(t)=h(t)=U . Поэтому задача (1)-(4) рассматривается как альтернатива задаче в блоке WT.

В рассматриваемом случае Г3=(0,1 ). Обозначим через H действительное Гильбертово пространство со скалярным произведением 1

<U,V>=JrU(r)V(r;clr и обозначим через V действительное Гильбертово о

пространство со скалярным произведением <U,V>=<U,V>+<U'V'> с производными в смысле распределений.

Лемма . Вложение Ve^H является компактным. Доказательство леммы можно найти в работе Nguyen Thanh Long и др. (1993).

Обозначим X=L2(0,T;V); X'=L2(0,T;V ) - двойственное X. Понятие ti.V) используется для двойственного произведения feX' и VeX или скаларного произведения в L2(0,T;H) f,VeL2(0,T;H), т

т.е. [f,V]=J<i(t),V(t)>dt vf,VeL2(0,Т;Н) или vfeX', vVeX. о

Выдвинем следующие гипотезы

(Hi.) a(t),h(t),g(t) и i(r,t) являются действительными функ-- циями с периодом Т по t;

(Н2) a.heW1 ,CD(0,T), geH1(0,T), ГеЬ2(0,Т;Н)

(НЗ) Существуют положительные константы ао и hQ. такие, что a(t)»ao, h(t)^ho, для t в (0,Т). Обозначим оператор А: Х»Х' выражением т 1 т

[Au,y]=Ja(t)dtJrUr(r,t)Vr(rft)dr+Ja(t)h(t)U(1,t)V(1,t)dt о о о

Теорема .Пусть р>1 и гипотезы (Н1)-(НЗ) справедливы. Тогда существует единственная функция UeXhL°°(0,T;H) с производной

UeLp(Qr), (^=0 -(0,Т), удовлетворящая

уравнению

т

tUt,y]+[Au,v]+[F(u),v]=[I,y]+Ja(t)g(t)v(1,t)dt, vv«x

о

U(0)=U(T)

В главе 4 "Обработка данных измерений и результаты вычислительного эксперимента с использованием ИМЦНЗ" осуществлена практическая апробация разработанной системы алгоритмов обработки данных гидрофизического эксперимента. На основе литературных источников и материалов экспедиционных измерений качества воды на территории СРВ получены оценки динамических характеристик загрязнения углеводородами нефти морей Арктического бассейна, морской среды в районе газо-конденсатного месторождения на шельфе Южно-Китайского моря вблизи г.Вунгтоу и ряда внутренних водных систем вблизи г.Хошимина. Показано, что развитая имитационная система дает возможность при различных априорных информационных условиях оценивать пространственные распределения уровней нефтяного загрязнения водоемов различных пространственных масштабов.

В качестве акватории П рассмотрим весь Арктический бассейн с включением в него основных водных объектов. На рис. 2 приведена карто-схема распределения концентрации углеводородов нефти по акватории П , полученная в форме прогноза при следующих априорных предположениях относительно блока 01:' 0 ( tp, Д., z, t )= О

Но1 = 0.1 мг/^сут; Н^ = 0.01 мг/лг'сут: = 0.02 мг/м3 сут; ^ _ г о при С(г)>0, ° 0.01 мг/Лут при с(г)=о и ъ> дг: Нд = Кц б|/3 (Кр - коэффициент адсорбции, равный нулю при А = 11, 12, з и 0.005 сут-1 при A=W); Н® = кг Zwл (К2 - коэффициент биоседиментации, равный нулю при А = Б, 11, 1г и 0.004 сут-1 при А=И); = КдВдС Кд - коэффициент бактериального разложения, равный 0.01 при А = Б, Д2 и 0.05 при А=!У); С = 0.5 мкг/л.

Как видно из рис. 2 средние уровни нефтяного загрязнения аква- • тории П устанавливаются на величине 0.005 мг/л, что значительно, ниже фонового загрязнения вод Мирового океана. В зоне воздействия Гольфстрима и вод Тихого океана наблюдается незначительное превышение этого уровня. Наиболее загрязненными оказываются Баренцево и Карское моря, где концентрация углеводородов нефти достигает величины 0.03 мкг/л. Среднее суммарное содержание углеводородов нефти составляет 65331 т, дисперсия равна 32Ж. Вклад

1 _ 2 А 1

процессов Нп (1=1.7) оценивается соотношением Н > Н > Н1 >

ц Л Т ООО

1г > Н° > НЧ Заметной изменчивости в содержании нефти в воде подвержены районы Восточно-Сибирского(ЕБ), Чукотского(СБ) и Белого морей(№3), а также море Лаптевых(1£). Аквагеосистемы Гренландского(вБ) и Карского(КБ) морей обладают определенной консервативностью, а в Норвежском(№3) море происходит снижение уровня загрязнения. Достаточно устойчивая картина наблюдается в вертикальном распределении углеводоров нефти.

В качестве второго примера применения ИМДНЗ рассмотрим участок а Шно-Китайского моря, примыкающий к южной части СРВ в районе г. Вунгтоу, где ведутся работы по разведке и добыче нефти с мор- . ского дна. В этом рассмотрении мы не будем включать детали взаимодействия различных месторождений и учитывать их индивидуальные параметры. Будет учтено влияние крупных рек, таких как р. Меконг и р. Сайгон. Акватория (1 ограничена с севера береговой линией территории СРВ, с запада и востока меридианами 106 и 109 градусов соответственно, с юга - параллелью 8.5 градусов северной широты. Схема течений принимается согласно данным Сирипонга (1985) с распределением по сезонам т , т , % и т . В среднем осенью и зи-

Рис. 2

акваториям

мой течения направлены вдоль побережья'на северо-восток (а = 45°). В остальное время течения направлены в противоположную сторону (а = 225°). Величина скорости варьирует незначительно как по ' пространству,- так и-во времени. Вблизи побережья эта скорость составляет 0.3'- 1.0 узла, с удалением от берега вариации состав- -ляют 0.-1 - 0.7 узла. Глубины постоянны по всей акватории. Вертикальный градиент температуры воды отсутствует. Синоптический режим в течение года принимается также бинарным: май .- октябрь -дождливый сезон, ноябрь - апрель - сухой сезон.-

В качестве исходных данных для ЩЦНЗ используем результаты вьетнамско-российских экспедиций 1989 г. и 1992 г. В 1989 г. с самолета АН-2 с помощью СВЧ-радиометрии на длинах волн 2.25 см и 30 см осуществлялось картирование солености морской воды в зонах влияния речного стока. В 1992 г. с помощью адаптивного идентификатора АИ-1 измерялись нефтяные загрязнения в прибрежной зоне Юкно-Китайского моря, реках Сайгон и Донгнай и в заливных прудах для разведения креветок. Здесь рассматривается случай систем локального характера, когда развитая методика используется для оценки нефтяного загрязнения небольших водных объемов, а именно состояние р. Сайгон в черте г. ХоШиМин и р. ДонгНай в районе водозаборной станции, снабжающей питьевой водой г. ХоШиМин. В обеих случаях попадание нефти в воду возможно в результате транспортировки. Методика измерений описана в работе Н.Ш. Хонга и др. (1994). Результаты обработки данных приведены в табл. 5. и на рис. 3. Видно, что в р. Сайгон имеет место сильное перемешивание с неустойчивыми образованиями сгустков, перемещающихся случайным образом по глубине. Предсказуемость уровня загрязнения в р. Сайгон в среднем составляет 60-70% при глубине прогноза в одни сутки. Ясно, что применение СЭМ для мониторинга такого объекта, как рассматриваемый участок р. Сайгон, требуется дополнительная информация о динамическом режиме приливно-отливных процессов и необходимы измерения содержания нефти на нескольких разрезах реки.

Установившееся распределение / 0( фА.г,!;)^ достаточно хорошо согласуется с направлениями течений. Образование поля повышенной концентрации нефтепродуктов в зоне влияния ГКМ на шельфе г. Вунтгоу связано с предположением о сохранении в месте функционирования ГКМ условия 0(<р,Л,,2,1;)= 0.09 мг/л в верхнем слое, и

Таблица 5. Результаты обработки данных измерений содержания нефтепродуктов в воде на территории СРВ, ноябрь 1992г.

Глубина м Р Сайгон, мг/л Р- донгнай, мг/л

время суток, часы время суток, часы

9 12 15 18 9 12 15 18

0.1 0.052 0.079 0.101 0.047 0.019 0.018 0.019 0.011

0.5 0.061 0.064 0.094 0.068 0.012 0.009 0.013 0.015

1.0 0.063 0.071 0.085 4 0.053 0.012 0.012 0.012 0.013

1.5 0.066 0.063 0.103 0.061 0.010 0.010 0.010 0.011

2.0 0.054 0.059 0.077 0.088 0.009 0.008 0.010 0.007

2.5 0.051 0.082 0.049 0.064 0.008 0.009 0.007 0.006

3 0.062 0.073 0.068 0.048 0.006 0.009 0.008 0.005

4 0.043 0.067 0.094 0.034 0.004 0.009 0.009 0.004

5 0.048 0.066 0.083 0.026 0.001 0.002 0.002 0.006

6 0.059 0.044 0.071 0.055 0 0 0 0

7 0.062 0.038 0.052 0.084 0 0 0 0

8 0.041 0.057 0.043 0.054 0 0 0 0

9 . 0.042 0.063 0.049 0.077 0 0 0 0

10 0.037 0.045 0.055 0.038 0 0 0 0

0(фД,г,1;)= = 0.05 мг/л в водной толще. При других предположениях структура распределения 0 не изменяется, меняются масштабы загрязнения.

В заключении формируются основные результаты диссертации.

1. Разработана имитационная система для вычислительного эксперимента в гидрофизических исследованиях при наличии загрязнения водной среды углеводородами нефти. Структура системы включает измерительно-информационный, обрабатывающий и прогнозирующий блоки.

2. Создано алгоритмическое и прораммное обеспечение имитационной системы, которое обеспечивает регистрацию, анализ, накопление и пространственно-временное восстановление данных измерений-.

3. Разработана типовая математическая модель транспорта углеводородов нефти в водной среде за счет реализации гидродинамических процессов и по пищевым цепям экосистемы. Модель описывается системой уравнений в частных производных параболического типа с начальными и краевыми условиями.

4. При дополнительных предположениях об используемых модельных параметрах и структуре модели получены теоретические оценки единственности решения системы уравнений, описывающей динамику загрязнения в квазиоднородной водной среде.

106 е

107.5 е

10 n

8.5и

11 111

522111111 1111111 5333211111111 14432211111111 545433332111121 1534333222222221 454467756433343222233111 111

133344334332222235432211

11

5545543333333445665442221 543222344443456665532211

и

1453343333443556777775432111 345333333335557888865332211 3453332222234788*8764321111 3222111223345676777633322111 ¡45333333221122334566664332221111 ¡346343332221112344456543222222111 2344443333221122344444432222222222 2222333222111223334445433222111111

22

т 106 Е

1111123344344333111111111 1111233334422211111111111 1111223333211121111111111 1112223342111111111111111 1112223221111111111111111 1111223211111111111111111 1111121111111111111111111

8.5ы

107.5 е

Рис. 3. Карто-схема среднегодового распределения

нефтеуглеводородов в районе г. Вунгтоу через 5 лет после начала вычислительного эксперимента с использованием ИМДНЗ. Шаг шкалы - 0.01 лг/л.

Проведена адаптация имитационной системы и осуществлены вычислительные эксперименты по оценке динамических параметров загрязнения углеводородами нефти морей Арктического бассейна При реализации этих экспериментов учтены воздействия на арктическую экосистему речного стока, атмосферного переноса загрязнителя, а также влияние водообменов с Атлантическим и Тихим океанами.

На основе данных натурных измерений содержания нефти в водоемах южной части СРВ и в Юкно-Китайском море даны оценки эффективности имитационной системы при мониторинге водных объектов различных масштабов. Показано, что разработанное программное обеспечение имитационной системы обеспечивает получение динамических оценок содержания нефти на поверхности и в глубоких слоях Еодоемов.

В ходе вычислительных экспериментов на примере района газо-кон-десатного месторождения вблизи г. Вутгтоу оценены возможности имитационной системы в получении компьютерных карто-схем распределения нефтяного загрязнения по шельфовой зоне Южно-Китайского моря в указанном районе.

С использованием возможностей имитационной системы изучены локальные водные структуры для которых получены оценки характеристик нефтяного загрязнения.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах: Nguen Thanh Long, Tran Luu Cuong, Huynh Ba Lan. Periodic solutions of the nonlinear parabolic equation Ut-a(t)(Uxx+x-1Uz)+ |U|p_2U=f(x,t) associated with a mixed nonhomogeneous condition. In:Ecoinformatics Problems, Moscow:IREE Preprint,1994,p.117-128. Бородин Л.Ф., Куцевич И.В., Huynh Ba Lan, Pham Son. Радиотепловые аспекты изучения лесо-болотных комплексов. В сб.: Проблемы экоинформатики, М.:Препринт ИРЭ РАН, 1994, с.106-109. Мкртчан Ф.А., Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong, Pham Huu Tri. 0 создании автоматизированного банка данных дистанционного мониторинга. В сб.: Проблемы экоинформатики , М.:Препринт ИРЭ РАН, 1994, с.101-106.

Крапивин В.Ф., Sun Yl, Huynh Ba Lan, Pham Huu Tri. Автоматизированная система для обработки данных гидрофизического монитсрин-

га на примере Арктического бассейна. В сб.: Проблемы экоинформати-ки, М.: Препринт ИРЭ РАН, 1994, с.75-84.

5. Vu Van Thanh, Nguyen Cam, Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong. A problem oi geothermal measurements in boreholes. In:Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE Preprint, 1994, p.72-75. -

6. Nguyen Thuan Bang, Tran Luu Cuong, Nguyen Thanh Long, Huynh Ba Lan. On the nonlinear vibrations equation with coefficient containing integral. In: Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE Preprint, 1994, p.62-72.

7. Dlnh Ngoc Thanh, Vu Van Thanh, Tran Luu Cuong, Hujmh Ba Lan. A Cauchy problem for the Laplace equation in the exterior of an unit circle. In: Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE Preprint, 1994, p.57-61.

8. Dlnh Ngoc Thanh, Vu Van Thanh, Tran Luu Cuong, Huynh Ba Lan. Stable approximation of solutions of a Cauchy problem Tor the Laplace equation in the upper half-plane. In: Ecoinformatics Problems Moscow: IREE Preprint, 1994, p.53-56.

9. Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong. On a semllinear parabolic equation with boundary mixed condlhions. In: Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE Preprint, 1994, p.45-52.

10.Krapivin V.F., Sun Yi, Nguyen Phan Luan, Huynh Ba Lan, Nguyen Thanh Long. Relationships of Wald distribution function. In: Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE Preprint, 1994, p.35-44.

11.Nguyen Thanh Long, Tran Luu Cuong, Huynh Ba Lan. On the nonlinear boundary value problem. In:Ecoinformatics Problems, Moscow: IREE Preprint, 1994, p.26-34.

12.Vu Van Thanh, Dinh Ngoc Thanh, Nguyen Thuan Bang,Krapivln V.F. Mkrtchyan F.A., Huynh Ba Lan, Tran Luu Cuong, Nguyen Thanh Long. An analysis of some differential equations arising in mathematical ecology and other applications. Preprint of IREE RAS, Moscow: 1994, 30p.

Подписано в печать 15.11.1994 г.

Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тираж 100 экз. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак.100.