Компьютерная оценка воздействия на окружающую среду магистральных трубопроводов

В.П. МЕШАЛКИН
О.Б. БУТУСОВ
КОМПЬЮТЕРНАЯ ОЦЕНКА
ВОЗДЕЙСТВИЯ 
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 
МАГИСТРАЛЬНЫХ 
ТРУБОПРОВОДОВ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Допущено 
учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области 
химической технологии и биотехнологии
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению подготовки 
18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы
химической технологии, нефтехимии 
и биотехнологии»
Москва
ИНФРА-М
2022

V.P. MESHALKIN
O.B. BUTUSOV
COMPUTERIZED 
ENVIRONMENTAL IMPACT
ASSESSMENT 
FROM MAIN PIPELINES 
MOSCOW
INFRA-M

УДК 004(075.8)
ББК 32.973я73
 
М41
Р е ц е н з е н т ы:
Бузник Вячеслав Михайлович, академик; 
Самсонов Роман Олегович, д-р техн. наук, генеральный директор ВНИИГаз
Мешалкин В.П.
Компьютерная оценка воздействия на окружающую среду магиМ41 
стральных трубопроводов : учебное пособие / В.П. Мешалкин, О.Б. Бутусов. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 449 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).
ISBN 978-5-16-012163-5 (print)
ISBN 978-5-16-104978-5 (online)
Изложены основные концепции, математические модели и методы компьютерной 
оценки и прогнозирования воздействия магистральных трубопроводов и предприятий 
нефтегазовой промышленности на окружающую среду, в том числе на лесные массивы.
Подробно описаны современные компьютерные методы обработки и распознавания аэрокосмических изображений с использованием методов фрактально-статистического, текстурного, вейвлет- и нейросетевого анализа, а также методологии космического мониторинга и математического моделирования зон лесных пожаров в районе 
аварий на газо- и нефтепроводах.
Рассмотрены процессы и явления, сопровождающие распространение химических загрязнений атмосферного воздуха при повреждении трубопроводов, проанализированы прикладные математические модели распространения загрязнений в атмосфере, выявлены их достоинства и недостатки. 
Описаны архитектура и программно-информационное обеспечение систем автоматизированного мониторинга атмосферного воздуха и систем поддержки принятия 
управленческих решений при выбросах вредных веществ в авариях на магистральных 
трубопроводах; методологические основы оценки экологического риска от магистральных трубопроводов. Подробно изложены принципы управления рисками и предупреждения чрезвычайных ситуаций на объектах химической промышленности.
Описаны архитектура и принципы разработки интеллектуального обеспечения гибридных экспертных систем ситуационного управления магистральными газо- и нефтепроводами.
Учебное пособие предназначено для студентов химико-технологических и инженерно-экологических специальностей университетов и может быть полезно преподавателям университетов, магистрантам, аспирантам, слушателям бизнес-школ, научным 
сотрудникам и предпринимателям, занимающимся проблемами повышения экономической эффективности промышленных предприятий и систем магистрального трубопроводного транспорта, а также проблемами охраны окружающей среды.
УДК 004(075.8)
ББК 32.973я73
ISBN 978-5-16-012163-5 (print)
ISBN 978-5-16-104978-5 (online)
© Мешалкин В.П., Бутусов О.Б., 2010
Подписано в печать 13.10.2021. 
Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура Times. 
Усл. печ. л. 28,06. ППТ10. Заказ № 00000
ТК 122850-1844373-260809
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

V.P.Meshalkin, O.B.Butusov 
Computerized environmental impact assessment from main pipelines
ANNOTATION
The conception, theoretical and methodological foundations of ecological analysis 
and prediction of gas and oil pipelines emergency impacts on forests are presented 
in this textbook. 
The foundations of the contemporary computer-aided remote techniques, including 
fractal, texture and artificial neuron nets analysis and also mathematical modeling 
and remote sensing of gas and oil pipelines emergency forest fires are set out in understandable for student level and plain words. 
Theoretical topics are clearly explained by practical examples. Algorithms and computer information system architectures are explained by detailed descriptions. It 
helps readers to use the acquired knowledge, methods, algorithms and codes in their 
practical work. 
This textbook is intended first of all for chemical engineering and ecological engineering students. But it might be also useful for university teachers, undergraduate 
and post-graduate students, business school students, researchers, and businessmen 
dealing with economic efficiency of industrial enterprises and mainpipelines systems, also environmental protection. 

Содержание
Представление книги…………………………………………………….. 13 
Предисловие………………………………………………………………. 17 
Введение…………………………………………………………………... 24 
Список основных сокращений…………………………………………... 32 
ЧАСТЬ<;:<МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛЕСНЫЕ МАССИВЫ
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ9999999999::: 35
Глава<;:<Анализ воздействия на лесные массивы производствен8
но8организационных процессов добычи и транспортировки нефти
и газа999999999999999999999999999:< 35
1.1. Лесные массивы как экологические системы окружающей среды 35 
1.2. Предприятия нефтегазового комплекса и прилегающие лесные
массивы как сложные техногенно-природные системы……………… 43 
1.3. Классификация оценок воздействия на окружающую среду
предприятий нефтегазового комплекса………………………………... 58
 
1.4. Системный анализ опасных состояний магистральных трубопроводов как объектов математического моделирования……………. 63 
1.5. Дистанционный контроль воздействия на лесные массивы производственно-организационных процессов разведки и добычи нефти
и газа……………………………………………………………………... 67 
1.6. Характеристики и оценки воздействия на лесные массивы магистральных трубопроводов……………………………………………… 71 
Глава<7:<Математические методы аэрокосмического мониторин8
га воздействия на лесные массивы аварий на магистральных
трубопроводах99999999999999999999999
76
2.1. Классические методы и инструменты компьютерного дешифрирования аэрокосмической информации о воздействии на лесные
массивы аварий на магистральных трубопроводах………………….. 76 
2.2. Современные дистанционно-компьютерные методы дешифровки воздействий на лесные массивы аварий магистральных трубопроводов……………………………………………………………… 95 
2.2.1. Современные компьютерные методы обработки аэрокосмических изображений………………………………………………. 95 
2.2.2. Фрактально-статистические методы анализа аэрокосмических изображений……………………………………………………. 103 
2.2.3. Текстурные методы вейвлет преобразований аэрокосмических изображений лесных массивов……………………………….. 
110 
2.2.4. Нейросетевые методы дешифрировки космических изобра5

жений для анализа воздействий на лесные массивы аварий на газо- и нефтепроводовах……………………………………………….
129
2.2.5. Методы дистанционного анализа воздействия на лесные
массивы аварий газо- и нефтепроводов с использованием теории
нечетких множеств…………………………………………………... 134 
2.3. Космический мониторинг и математические модели лесных
пожаров в районе аварий на газопроводах…………………………… 136 
Глава< ;:< Математическое и компьютерное моделирование воз9
действия на окружающую среду аварийных выбросов магист9
ральных трубопроводов888888888888888888::
155
3.1. Математическое моделирование загрязнения почвы при разливах нефти………………………………………………………………. 
155 
3.2. Компьтерное моделирование и вычислительные алгоритмы
распространения в атмосфере газовых выбросов при авариях на газопроводах……………………………………………………………… 166 
3.3. Математическое и компьютерное моделирование процесса истечения газа из поврежденного трубопровода……………………….. 174 
3.4. Математическое и компьютерное моделирование турбулентного переноса газовых выбросов в атмосфере………………………….. 178 
3.5. Математическое и компьютерное моделирование распространения аварийных газовых выбросов в условиях сложного рельефа в
районе газопроводов…………………………………………………… 184 
Глава<7:<Лингвистические и нечетко9логические методы дистан9
ционно9компьютерной оценки воздействия на лесные массивы в
районе аварий магистральных трубопроводов88888888:::
195
4.1. Зависимость "доза-эффект" как интегральная оценка воздействия на лесные массивы в районах техногенных аварий…………….. 
195 
4.2. Лингвистические агломеративные алгоритмы определения зон
воздействия на лесные массивы в районах разливов нефти………… 201 
4.3. Нечетко-логические алгоритмы дистанционно-компьютерного
анализа деградации лесных массивов при аварийных разливах нефти………………………………………………………………………… 212 
4.4. Вероятностно-статистическая модель зарастания гарей после
лесных пожаров в районах аварий на газопроводах…………………. 223 
4.5. Вероятностно-статистическая модель зарастания гарей после
лесных пожаров в районах аварий на газопроводах…………………. 234 
Список литературы к части<6888888888888888::< 247
6

ЧАСТЬ<;:<ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
И КОМПЬЮТЕРНО9ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ОХРАНОЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ8888::
251
Глава< 7:< Математические модели процессов распространения
выбросов вредных веществ при авариях на магистральных тру9
бопроводах888888888888888888888888::
251
5.1. Общая характеристика математических моделей распространения вредных веществ в атмосфере……………………………………. 251 
5.2. Анализ процессов и явлений при распространении газовых
выбросов в атмосфере…………………………………………………..
260
5.3. Математические модели распространения загрязнений в атмосфере……………………………………………………………... 
273 
5.4. Гауссовские модели распространения загрязнений в атмосфере 293 
Глава<6:<Информационно9компьютерные системы мониторинга
и управления охраной окружающей среды при авариях на маги9
стральном трубопроводе888888888888888888
319
6.1. Общая характеристика комплекса программ прогнозирования
загрязнений атмосферы………………………………………………... 319 
6.2. Компьютерно-информационная система поддержки принятия
управленческих решений при авариях с выбросом химически опасных веществ…………………………………………………………….
324
6.3. Автоматизированная система мониторинга загрязнений атмосферы промышленного региона………………………………………. 338 
Список литературы к части<;888888888888888:<
356
ЧАСТЬ< 5:< ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬ9
НЫЕ СИСТЕМЫ СИТУАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБЪ9
ЕКТАМИ НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В УС9
ЛОВИЯХ РИСКА888888888888888888888:
357
Глава<4:<Методология управления рисками и предупреж9
дения чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазо9
химического комплекса888888888888888
357
7.1. Виды рисков и чрезвычайные ситуации на объектах нефтегазохимического комплекса……………………………………………….. 
357 
7.2. Системный анализ опасностей и прогнозирования чрезвычайных ситуаций…………………………………………………………… 363 
7.3. Методика разработки научно-обоснованных решений
по снижению техногенного риска и предупреждению чрезвычайных ситуаций…………………………………………………………… 369 
7

7.4. Методология оценки и управления риском от воздействий технических систем……………………………………………………… 
377 
7.5. Стратегия и процедура управления экологическим риском….. 
383 
7.6. Эвристическо-вычислительная процедура управления организационно-экономическими рисками…………………………………... 387 
7.7. Методы компьютерной оценки социальных рисков при авариях
на магистральных газопроводах………………………………………. 392 
Глава<;:<Автоматизированное ситуационное управление
магистральными трубопроводами99999999999999: 398
8.1. Интеллектуальная автоматизированная система ситуационного
управления магистральными газопроводами………………………… 398 
8.2. Предикатная модель гибкой структуры системы трубопроводов 406 
8.3. Методология оценки рисков при авариях магистральных нефтепроводов……………………………………………………………… 413 
423 
Список литературы к части<899999::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::9<
Англо7русский словарь основных терминов999999999::
424
Русско7английский словарь основных терминов9999999:::
437
8

CONTENT
Book presentation 
13
Foreword 
17 
Introduction 
24 
Abbreviations 
32 
Part 1. Mathematical and computerized methods of forest regions impact 
assessment from main pipelines
35
Chapter 1. Analysis of forest impact from oil and gas mining and 
transportation processes 
35
1.1. Forests as main ecological systems of environment 
35
1.2. Oil and gas enterprises and forest ecosystems as complicated industrial-nature systems 
43
1.3. Classification of environmental impact assessment from oil and gas 
enterprises 
57 
1.4. Dangerous states of main pipelines system analysis as mathematical 
simulation subjects 
63
1.5. Remote control of forest stock impact assessment from oil and gas 
exploration and mining processes 
67
1.6. Topics and idices of forest impact assessment from main pipelines 
71 
Chapter 2. Aerospace remote controll mathematical techniques of forest 
impact from emergency main pipelines
76
2.1. The classical methods and instruments of aerospace images of forest impact on main pipelines emergency 
76
2.2. Recognitions remote-computerized modern methods of forest impact from main pipelines emergency 
95
2.2.1. Modern computerized methods of aerospace image processing 
95 
2.2.2. Fractal and statistical analysis techniques of aerospace photography patterns 
103
2.2.3. Texture and wavelet analysis techniques of aerospace photography patterns processing 
110
2.2.4. Neural network techniques of aerospace photography patterns 
recognitions for analysis of forest impact from main pipelines emergency
129
2.2.5. Fuzzy-set remote analysis techniques of forest impact from 
main pipelines emergency 
134
9

2.3. Space monitoring and mathematical simulation of forest fires in the 
region of gas pipelines emergency 
136
Chapter 3. Mathematical and computerized simulation of environmental 
impact from main pipelines emergency releases
155
3.1. Soils pollution simulation in the region of oil spills 
155
3.2. Atmosphere diffusion computerized simulation of gas pipelines 
emergency releases 
166
3.3. Damaged pipeline gas flow simulation 
174
3.4. Mathematical and computerized simulation of the emergency gas 
clouds turbulent air transport 
178
3.5. Mathematical and computerized simulation of the emergency gas 
clouds air transport over complex terrain in the region of gas pipeline 
emergency 
184 
Chapter 4. Linguistic and fuzzy-logical methods for remote and computerized assessment of forest stock impact from main pipelines emergency
195
4.1. Forest ecosystem exposure-response theory as integral forest estimate from technogenic emergency 
195
4.2. Linguistic agglomerative algorithms near oil spills forests ecological zoning 
201
4.3. Fuzzy-logical algorithms of remote and computerized analysis of 
forest ecosystem degradation under oil pipelines emergency spills impact 
212 
4.4. Fuzzy interval model of forest near oil spills recovery 
223
4.5. Probabilistic-statistical model of burned forest places recovery after 
gas pipelines emergency fires 
237
References to part 1 
247
Part 2 Applied mathematical models of atmosphere pollutions diffusion 
and computerized-information environmental monitoring and management systems under main pipelines emergency
251
Chapter 5. Mathematical models for harmful substances atmosphere diffusion under main pipelines emergency
251
5.1. General characteristic of mathematical models for harmful substances atmosphere diffusion 
251
10