научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИСЗ LANDSAT ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В ШЛЕЙФАХ ОТ ПРОДУВКИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВАНИИ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИСЗ LANDSAT ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В ШЛЕЙФАХ ОТ ПРОДУВКИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВАНИИ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКА»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ИСЗ LANDSAT ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В ШЛЕЙФАХ ОТ ПРОДУВКИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВАНИИ МОДЕЛИ ИСТОЧНИКА © 2014 г. Б. М. Балтер*, Д. Б. Балтер, В. В. Егоров, М. В. Стальная

Институт космических исследований РАН, Москва *E-mail: Balter@mail.ru Поступила в редакцию 19.03.2013 г.

По шлейфам, образованным на снимках Landsat факелами отдувок газовых скважин, определялась концентрация сажи и через нее — расход газа в продувке. Кроме того, определялись параметры атмосферы — скорость ветра, устойчивость, — от которых зависит форма шлейфа. Основой служила минимизация энтропийного критерия невязки между наблюдениями шлейфа и его расчетной формой и оптической плотностью, которые генерировались моделью рассеяния ISC3ST в зависимости от параметров атмосферы и источника выброса. Согласие модели и данных достаточно хорошее и оцененные таким образом параметры вполне согласуются с данными предприятия об источнике и метеоусловиях.

Ключевые слова: Ьапё8а1, модель рассеяния КСЗЗТ, шлейф, отдувка скважин, риск для здоровья.

Б01: 10.7868/80205961414020031

ВВЕДЕНИЕ

При продувке газовых скважин осуществляется выброс газа в виде факела через горизонтальное факельное устройство (ГФУ). При этом сжигаются углеводороды и сероводород газа, что необходимо для снижения концентраций наиболее опасных для здоровья веществ — загрязнителей окружающей среды. Эффективность снижения определяется полнотой сгорания. Контроль полноты сгорания на месте затруднителен, так как факел высокотемпературный и имеет большие размеры. Эта работа ориентирована на оценку опасности для здоровья населения от указанных источников загрязнения атмосферы по данным, полученным из космических снимков.

На космических снимках территории Астраханского газоконденсатного месторождения, сделанных ИСЗ Ьапё8а1, нами было обнаружено несколько крупных (длиной 10 км и более) факелов продувок со значительным поглощением света, свидетельствующим о наличии сажи и неполноте сгорания. Эти образования — одни из наиболее крупных видимых из космоса шлейфов антропогенных загрязнений. Ставилась задача оценить по снимкам количество выбрасываемой сажи и через него — полноту сгорания и — далее — количество остаточного наиболее опасного загрязнителя сероводорода. Использовалась разработанная ВНИИГАЗом модель факела ГФУ (геометрия,

температура, удельный выброс газовоздушной смеси, концентрации веществ в выбросе) как функция параметров, главными неизвестными из которых были удельный расход газа и полнота сгорания. Определение этих параметров производилось через минимизацию энтропийного критерия невязки модельной формы шлейфа и коэффициента поглощения света в нем к данным космических снимков. Поскольку форма шлейфа зависит также от метеорологических параметров, главными неизвестными из которых являются скорость ветра и показатель устойчивости атмосферы, одновременно происходило и определение этих параметров. Нам были доступны данные предприятия о реальных параметрах ГФУ и метеоусловиях на момент отдувки. Нами проводилось сравнение восстановленных "вслепую" значений параметров с этими объективными данными.

Обычно для ГФУ, в соответствии с методикой ВНИИГАЗа, выброс сажи принимается нулевым, так как предполагается, что выполнено условие бессажевого горения. Даже если это условие не выполняется, выброс сажи по указанной методике достаточно мал. Однако свидетельства космических снимков дают основание предположить, что значительное поглощение света в шлейфе от-дувки обусловлено именно сажевыми аэрозолями. Возможно, что присутствие сажи свидетельствует о нарушении принятых методикой ВНИИГАЗа условий горения, что создает неопределенность в

величине выброса и других, более токсичных, загрязнителей.

С точки зрения методики интерпретации данных, интерес представляет достаточно редко встречающееся сочетание хорошей модели наблюдаемого объекта и космических наблюдений. С точки зрения техники обработки космических данных, интерес представляет метод определения оптической плотности и формы шлейфа загрязнений. Для этого использовались смежные по времени снимки Landsat, и по ним интерполировалась спектральная яркость той же территории без шлейфа загрязнений, которая сравнивалась с ситуацией со шлейфом.

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ШЛЕЙФА ОТДУВКИ

В основу работы были положены снимки Ьапё8а1-5 и -7, доступные через Интернет. За период 2002—2010 гг. нами было обнаружено пять крупных шлейфов отдувок. Представлены результаты для отдувок за 24 мая 2002 и 20 сентября 2010 гг.

Основой для обработки снимка служат два параметра шлейфа: его прозрачность (т.е. поглощающая способность) и его форма (упрощенно говоря, угол раскрытия "конуса" шлейфа). Первый параметр позволяет определить концентрацию поглощающего вещества (считается, что это только сажа), но для этого надо знать еще вертикальную толщину шлейфа, которая напрямую не видна на снимке и может быть определена только из модели источника выброса в сочетании с моделью рассеяния выброса. Модель источника разработана ВНИИГАЗом, и ее основной переменной является удельный расход газа, м3/с. Эта переменная должна определяться минимизацией невязки модели и наблюдений. Другая возможная переменная — коэффициент недожига — либо может предполагаться фиксированной, либо может определяться отдельно, вместе с первой переменной. Второй параметр связан с характеристиками рассеяния выброса. Модель рассеяния, использованная нами (18С38Т), одна из наиболее популярных и оттестированных моделей в мире. Она требует знания метеопараметров, в первую очередь показателей устойчивости атмосферы и скорости ветра. Эти параметры также были неизвестны, точнее, имелось первое приближение к ним, исходящее из данных достаточно удаленной метеостанции, и требовалась дополнительная коррекция. Основой для нее служила видимая на снимке форма шлейфа, которая весьма чувствительна к указанным параметрам.

Таким образом, производилось одновременное определение трех параметров: расхода газа, устойчивости атмосферы и скорости ветра. Это

стало возможным потому, что имелось много пространственных точек наблюдения шлейфа и шесть спектральных каналов. Однако для этого нужен был "чистый" шлейф, т.е. истинный показатель поглощения. Его не так просто определить, поскольку снимок включает атмосферное рассеяние и структуру подстилающей поверхности, видную сквозь шлейф. Спектральная отражательная способность подстилающей поверхности определялась по другим снимкам, где шлейфа нет. Но, поскольку они отделены от обрабатываемого снимка заметным временным интервалом, за это время успевают измениться спектральные свойства растительности. Поэтому требовалась предобработка, включающая следующие операции.

С помощью системы обработки видеоинформации ENVI производилась коррекция атмосферы для снимка с отдувкой и вспомогательных снимков, описанных ниже. Коррекция данных 2002 г. проводилась упрощенным методом QUAC, однако это внесло ошибку в значения яркости, так как метод ориентируется на точки снимка с минимальной яркостью, а таковыми оказываются именно точки шлейфа. Поэтому данные 2010 г. корректировались более тонким методом FLAASH, и он дал вполне удовлетворительные результаты. Отбирались два снимка — один до, другой после даты снимка с отдувкой. По ним строилась модель временной динамики спектральной отражательной способности поверхности. По этой модели строился интерполированный на дату отдувки "чистый" снимок, т.е. без шлейфа. Для разных значений определяемых параметров источника и атмосферы по модели рассеяния строились варианты шлейфа как пространственного распределения концентрации сажи. На их основе вручную определялась область шлейфа, внутри которой должна измеряться невязка между моделью снимка со шлейфом (см. ниже) и реальным шлейфом. Выбор этой области критичен для сходимости процесса определения параметров как минимизации невязки. Кроме того, выбор этой области играет роль селектора, отделяющего шлейф от тени шлейфа (они плохо различимы на снимке). На основе информации о коэффициенте поглощения сажи (рис. 1) по модели концентрации строилась модель коэффициента поглощения шлейфа во всех спектральных диапазонах. Учитывалась вертикальная толщина шлейфа. Имеющаяся информация о коэффициенте поглощения сажи далеко не однозначна, зависит от распределения частиц сажи по размерам и других факторов. Таким образом, выбор этого коэффициента включает долю субъективности. Однако в любом случае коэффициент поглощения сажи на порядки выше, чем у других веществ, выбрасываемых в существенных количествах при отдувке. Два основных таких вещества — это SO2 и CO2.

Известно, что это прозрачные газы, и по спектрам их поглощения (http://www.spectralcalc.com) видно, что даже в пиках линий поглощения, попадающих в спектральный диапазон Landsat, коэффициент поглощения для SO2 — менее 10-2 м2/кг, а для CO2 — около 10-1 м2/кг. Поскольку эти линии значительно уже, чем спектральные диапазоны Landsat, коэффициент поглощения, приведенный к каналам Landsat, еще меньше. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что видимая на снимках оптическая плотность шлейфа может быть вызвана только сажей.

Пространственное распределение коэффициента поглощения шлейфа накладывалось на "чистый" снимок, и, таким образом, строился модельный аналог реального снимка. Проводилась минимизация невязки между модельным и реальным снимком по определяемым параметрам, и находились оптимальные значения последних. Оптимизация производилась в ограничениях, обусловленных физически вероятными значениями параметров, например расхода газа. Критерием оптимизации был либо усредненный по шлейфу модуль разности модели и наблюдения |ISC3ST — Landsatj, либо также усредненный по шлейфу энтропийный критерий: jLandsat * (ln(Landsat) — ln(ISC3ST))|. Оптимизированные значения параметров дают концентрации загрязнителей в шлейфе, и можно рассчитать риск для здоровья населения, если подобный шлейф попадает на обитаемую территорию.

Эта последовательность операций была выработана в ходе работы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком