|
DOI: 10.14489/vkit.2026.09.pp.059-068
Сухинов А. И., Белова Ю. В., Никитина А. В., Бондаренко Д. В.
МОДЕЛЬ ТРАНСПОРТА И ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНОГО СЛИКА НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ УГЛЕВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ
(pp. 59-68)
Аннотация. Разработана пространственно-неоднородная математическая модель движения нефтяного слика (легкой фракции нефти) в водоеме со сложной батиметрией мелководного типа. Изучаются процессы самоочищения в нем от примесей нефти и нефтепродуктов за счет жизнедеятельности углеводородокисляющих бактерий. В модели учтены конвективный перенос, разложение нефти на фракции, сложная геометрия расчетной области, влияние нефтяных загрязнений на продукционно-деструкционные процессы гидробионтов мелководного водоема, пищевой таксис микроорганизмов. Метод решения поставленной модельной задачи транспорта нефти ориентирован на задачи типа диффузии-конвекции с нелинейными реактивными членами в частных производных. Модель транспорта нефтяного слика реализована в виде программного комплекса на языке C++. На основе сценарного подхода проведены эксперименты с разработанным программным обеспечением в широком диапазоне входных данных – разных метеоусловий, пространственного распределения температуры и солености водной среды в прибрежной системе. Разработанный комплекс включает математическую модель гидрофизического процесса водной экосистемы. Проведена реконструкция чрезвычайной ситуации, произошедшей летом 2021 г., – разлива нефти в Азово-Черноморском бассейне. При этом использовалось разработанное программное обеспечение с соответствующей настройкой входных данных, восстановленных по данным дистанционного зондирования Земли в районе порта Новороссийска. Показана практическая значимость разработанного подхода для оперативного спутникового мониторинга и прогнозирования экологических последствий антропогенного воздействия на прибрежные акватории.
Ключевые слова: загрязнение нефтью и нефтепродуктами; легкая фракция; углеводородокисляющие бактерии; математическая модель; программный комплекс.
Sukhinov A. I., Belova Yu. V., Nikitina A. V., Bondarenko D. V.
MODEL OF TRANSPORT AND TRANSFORMATION OF OIL SLIP ON THE SURFACE OF A WATER BODY UNDER THE INFLUENCE OF HYDROCARBON-OXIDIZING BACTERIA
(pp. 59-68)
Abstract. A spatially heterogeneous mathematical model of the movement of oil slick (light oil fraction) in a shallow-water body with complex bathymetry has been developed. The processes of self-purification of the body from oil and petroleum products impurities due to the activity of hydrocarbon-oxidizing bacteria are studied. The model takes into account convective transport, decomposition of oil into fractions, complex geometry of the calculation domain, the influence of oil pollution on the production and destruction processes of hydrobionts in a shallow-water body, and the food taxis of microorganisms. The method of solving the given model problem of oil transport is focused on diffusion-convection type problems with nonlinear reactive terms in partial derivatives. The oil slick transport model is implemented as a software package in C++. Based on a scenario approach, experiments were conducted with the developed software using a wide range of input data, including different weather conditions and spatial distributions of temperature and salinity in the coastal system. The article describes a developed complex that includes a mathematical model of the hydrophysical process in a water ecosystem. The reconstruction of the emergency that occurred in the summer of 2021 – the oil spill in the Azov-Black Sea basin. In this case, the developed software was used with the appropriate configuration of input data, restored according to the data of remote sensing of the Earth in the area of the emergency (the port of Novorossiysk). The practical significance of the developed approach for operational satellite monitoring and forecasting of the environmental consequences of anthropogenic impact on coastal water areas consider revising.
Keywords: Oil and petroleum product pollution; Light fraction; Hydrocarbon-oxidizing bacteria; Mathematical model; Software package.
А. И. Сухинов, Ю. В. Белова, А. В. Никитина, Д. В. Бондаренко (Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия) E-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
A. I. Sukhinov, Yu. V. Belova, A. V. Nikitina, D. V. Bondarenko (Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia) E-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
1. Официальный сайт организации ITOPF (International Tanker Owners Pollution Federation) URL: https://www.itopf.org/knowledge-resources/data-statistics/oil-tanker-spill-statistics-2025/ (дата обращения 15.12.2025).
2. Афиногентов А. А., Тычинина Ю. А., Попов А. В. Решение краевой задачи математического моделирования процесса трубопроводного транспорта нефти методом функций Грина // Вестник Самарского государственного университета. Технические науки. № 2(42). 2014. С. 164–173.
3. Fay J. A. Physical processes in the spread of oil on a water surface // Proc. of the Joint conf. prevention and control oil spills. Washington. Amer. Petrol. Inst., 1971. P. 463–467.
4. Гамзаев Х. М. Моделирование растекания нефтяной пленки по поверхности моря // Прикладная механика и техническая физика. Т. 50, № 3. 2009. С. 127–130.
5. Математические модели динамики и деструкции нефтяного слика на акватории моря / С. И. Дембицкий, И. М. Дунаев, А. В. Лаврентьев и др. Краснодар: Кубанский государственный университет, 2003. КубГУ. 71 с.
6. Переварюха А.Ю. Непрерывная модель для осциллирующей вспышки численности чешуекрылого фитофага Malacosoma disstria (Lepidoptera, Lasiocampidae) // Биофизика, 2020. Т. 65, № 1. С. 138–151.
7. Четверушкин Б. Н., Якобовский М. В. Вычислительные алгоритмы и прикладное математическое обеспечение для систем высокой и сверхвысокой производительности. Образовательный аспект // Вычислительные методы и программирование. 2024. Т. 25. Спецвыпуск. С. 97–106.
8. Григорьев С. К., Захаров Д. А., Корнили-на М. А., Якобовский М. В. Динамическая балансировка нагрузки при использовании адаптивных локально измельчаемых сеток // Математическое моделирование. 2023. Т. 35, № 12. С. 69–88.
9. Криксин Ю. А., Тишкин В. Ф. Энтропийная регуляризация разрывного метода Галеркина для трехмерных уравнений Эйлера // Математическое моделирование. 2024. Т. 36, № 4. С. 77–91.
10. Сидорякина В. В. Математическая модель процесса распространения нефтяных загрязнений в прибрежных морских системах // Вычислительная математика и информационные технологии. 2023. Т. 7, № 4. С. 39–46. DOI: 10.23947/2587-8999-2023-7-4-39-46
11. Сухинов А. И., Чистяков А. Е., Белова Ю. В., Кузнецова И. Ю. Аналитическое и численное исследование задачи динамики планктонных популяций при наличии микропластика // Математическое моделирование. 2024. Т. 36, № 3. С. 95–114.
12. Рябенький В. С. Теория управления решениями линейных разностных схем в составных областях // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша, 2012, 011, 32 с.
13. Сухинов А. И., Семенякина А. А., Чистяков А. Е., Никитина А. В. Математическое моделирование транспорта загрязняющих веществ в прибрежных системах. Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 2018. 200 с.
14. Сухинов А. И., Чистяков А. Е., Якобовский М. В. Точность численного решения уравнения диффузии-конвекции на основе разностных схем второго и четвертого порядков погрешности аппроксимации // Вестник ЮУрГУ. Сер. Вычислительная математика и информатика. 2016. Т. 5, № 1. С. 47–62.
15. The use of supercomputer technologies for predictive modeling of pollutant transport in boundary layers of the atmosphere and water bodies / A. I. Sukhinov, A. E. Chistyakov, A. V. Nikitina et al. // Communications in Computer and Information Science. 2019. Vol. 1063. P. 225–241.
16. Белова Ю. В., Исаев А. К., Никитина А. В., Сумбаев В. В. Решение задачи динамики фитопланктона при наличии механизма эктокринного регулирования // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2016. С. 3–9. DOI: 10.14489/vkit.2016.12.pp.003-009
17. Обработка данных натурных измерений экспедиционных исследований для математического моделирования гидродинамических процессов Азовского моря / А. И. Сухинов, А. М. Атаян, Ю. В. Белова и др. // Вычислительная механика сплошных сред. 2020. Т. 13, № 2. С. 161–174.
18. Самарский А. А., Николаев Е. С. Методы решения сеточных уравнений, М.: Наука, 1979, С. 418–419.
19. Сухинов А. И., Чистяков А. Е., Никитина А. В., Сумбаев В. В. Применение схем с весами для повышения точности решения модельных экологических задач // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2017. С. 3–10. DOI: 10.14489/vkit.2017.03.pp.003-010
20. Сухинов А. И., Сидорякина В. В. Аппроксимация граничных условий второго и третьего рода в краевых задачах для уравнений конвекции-диффузии c приложением к экологической гидрофизике // Вычислительная математика и информационные технологии. 2025. Т. 9, № 3. С. 16–29.
1. ITOPF. (n.d.). Oil tanker spill statistics 2025. Retrieved December 15, 2025, from https://www.itopf.org/knowledge-resources/data-statistics/oil-tanker-spill-statistics-2025/
2. Afinogentov, A. A., Tychinina, Yu. A., & Popov, A. V. (2014). Solving the boundary value problem of mathematical modeling of oil pipeline transport using Green's functions. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki, (2), 164–173. [in Russian language].
3. Fay, J. A. (1971). Physical processes in the spread of oil on a water surface. In Proceedings of the Joint Conference on Prevention and Control of Oil Spills (pp. 463–467). American Petroleum Institute.
4. Gamzaev, Kh. M. (2009). Modeling of oil film spreading on the sea surface. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika, 50(3), 127–130. [in Russian language].
5. Dembitsky, S. I., Dunaev, I. M., Lavrentiev, A. V., et al. (2003). Mathematical models of dynamics and destruction of an oil slick in a sea area. Kuban State University. [in Russian language].
6. Perevaryukha, A. Yu. (2020). Continuous model for oscillatory outbreak of the phytophagous insect Malacosoma disstria (Lepidoptera, Lasiocampidae). Biofizika, 65(1), 138–151. [in Russian language].
7. Chetverushkin, B. N., & Yakobovsky, M. V. (2024). Computational algorithms and applied mathematical software for high and ultra-high performance systems. Educational aspect. Vychislitel'nye metody i programmirovanie, 25(Special issue), 97–106. [in Russian language].
8. Grigoriev, S. K., Zakharov, D. A., Kornilina, M. A., & Yakobovsky, M. V. (2023). Dynamic load balancing using adaptive locally refined grids. Matematicheskoe modelirovanie, 35(12), 69–88. [in Russian language].
9. Kriksin, Yu. A., & Tishkin, V. F. (2024). Entropy regularization of the discontinuous Galerkin method for three dimensional Euler equations. Matematicheskoe modelirovanie, 36(4), 77–91. [in Russian language].
10. Sidoryakina, V. V. (2023). Mathematical model of oil pollution spread in coastal marine systems. Vychislitel'naya matematika i informatsionnye tekhnologii, 7(4), 39–46. [in Russian language]. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2023-7-4-39-46
11. Sukhinov, A. I., Chistyakov, A. E., Belova, Yu. V., & Kuznetsova, I. Yu. (2024). Analytical and numerical study of the plankton population dynamics problem in the presence of microplastics. Matematicheskoe modelirovanie, 36(3), 95–114. [in Russian language].
12. Ryabenky, V. S. (2012). Control theory of solutions of linear difference schemes in composite domains. Preprinty IPM im. M. V. Keldysha, (011), 32 p. [in Russian language].
13. Sukhinov, A. I., Semenyakina, A. A., Chistyakov, A. E., & Nikitina, A. V. (2018). Mathematical modeling of pollutant transport in coastal systems. Don State Technical University. [in Russian language].
14. Sukhinov, A. I., Chistyakov, A. E., & Yakobovsky, M. V. (2016). Accuracy of numerical solution of the diffusion convection equation based on second and fourth order difference schemes. Vestnik YuUrGU. Ser. Vychislitel'naya matematika i informatika, 5(1), 47–62. [in Russian language].
15. Sukhinov, A. I., Chistyakov, A. E., Nikitina, A. V., et al. (2019). The use of supercomputer technologies for predictive modeling of pollutant transport in boundary layers of the atmosphere and water bodies. Communications in Computer and Information Science, 1063, 225–241.
16. Belova, Yu. V., Isaev, A. K., Nikitina, A. V., & Sumbaev, V. V. (2016). Solving the phytoplankton dynamics problem with ectocrine regulation mechanism. Vestnik komp'yuternykh i informatsionnykh tekhnologiy, (12), 3–9. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/vkit.2016.12.pp.003-009
17. Sukhinov, A. I., Atayan, A. M., Belova, Yu. V., et al. (2020). Processing of field measurement data from expeditionary studies for mathematical modeling of hydrodynamic processes in the Sea of Azov. Vychislitel'naya mekhanika sploshnykh sred, 13(2), 161–174. [in Russian language].
18. Samarsky, A. A., & Nikolaev, E. S. (1979). Methods for solving grid equations (pp. 418–419). Nauka. [in Russian language].
19. Sukhinov, A. I., Chistyakov, A. E., Nikitina, A. V., & Sumbaev, V. V. (2017). Application of weighted schemes to improve the accuracy of solving model ecological problems. Vestnik komp'yuternykh i informatsionnykh tekhnologiy, (3), 3–10. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/vkit.2017.03.pp.003-010
20. Sukhinov, A. I., & Sidoryakina, V. V. (2025). Approximation of boundary conditions of the second and third kind in boundary value problems for convection diffusion equations with application to environmental hydrophysics. Vychislitel'naya matematika i informatsionnye tekhnologii, 9(3), 16–29. [in Russian language]
|
Архив номеров
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»