CC BY
334
УДК 339.18
Анализ существующего методического аппарата по оценке токсической опасности выбросов (проливов) опасных химических веществ
© Технологии гражданской безопасности, 2009
Л.Р. Борисова
Аннотация
Выполнен анализ методик по оценке токсической опасности выбросов опасных химических веществ с точки зрения определения токсического воздействия, структуры и количества пораженных, прогнозирования распространения ОХВ.
Ключевые слова: чрезвычайные ситуации, опасные химические вещества, прогноз, сценарии, концентрация, диффузия, примеси, горение, защитные мероприятия, верификация.
A Review Available Methods for Assessment of Toxic Hazards Associated with Emissions (Spills) of Hazardous Chemical Substances
© Civil Securiti Technology, 2009
L. Borisova Abstract
A review of methods for the assessment of toxic hazard associated with emissions of hazardous chemical substances (HCS) in terms of determination of toxic effects, number of victims, forcasting the spread of HCS.
Key words: emergencies, hazardous chemical substances, forecast, scenarios, concentration, diffusion, impurities, burning, safety measures, verification.
Анализ современного методического обеспечения, используемого при оценке токсической опасности выбросов (проливов) опасных химических веществ (ОХВ), показывает, что в настоящее время отсутствуют единые общепринятые методики по выявлению и оценке химической обстановки. Для целей практической работы используют ведомственные и отраслевые методики, в том числе и иностранные.
Все методики можно разделить на несколько групп в зависимости от их основного предназначения.
Первая группа — методики-рекомендации по оценке опасности, связанной с наличием больших количеств пожароопасных, взрывоопасных и токсичных химических веществ, разработке планов локализации аварийных ситуаций, подготовке специалистов и технике безопасности.
Они не предназначены для прогнозирования зон заражения опасными химическими веществами и содержат, в основном, информацию, которая может быть использована оператором, администрацией предприятия и штабами по делам ГОЧС для принятия обоснованных решений в условиях складывающейся обстановки.
Вторая группа — методики прогнозирования химической опасности и оценки последствий аварий на промышленных и транспортных объектах.
Они не позволяют прогнозировать последствия заражения опасными химическими веществами (ОХВ).
Вторая группа методик предназначена для прогнозирования химической опасности.
Третья группа — методики расчета концентраций, глубин и т.п. с использованием аналитических или численных моделей, описывающих распространение различных типов примесей в атмосфере.
Утвержденными и получившими наибольшее распространение в Российской Федерации являются методики, относящиеся к третьей группе.
Анализ имеющегося методического обеспечения, используемого при оценке токсической опасности и аварийной химической обстановки, показал, что оно предназначено, в основном, для проведения приближенной экспресс-оценки возможных последствий аварийных выбросов (проливов) ОХВ. Практически все методики базируются на использовании предварительно рассчитанных таблиц по наиболее опасным типовым вариантам и небольшого количества инженерных моделей, предназначенных для уточнения входных параметров или определения отдельных показателей химического заражения.
Применительно к возможным террористическим акциям с применением ОХВ методики имеют следующие недостатки:
рассчитанные на прогноз последствий аварий на ХОО, методики базируются на типовых, предварительно рассчитанных вариантах выброса ОХВ, которые не всегда совпадают с возможным сценарием их применения;
не позволяют прогнозировать химическую обстановку для замкнутых пространств;
не позволяют прогнозировать химическую обстановку для всего перечня веществ, которые могут применяться террористами;
осуществляется прогноз исключительно химической обстановки без учета их пожаровзрывоопасности.
1. Методика выявления и оценки химической обстановки при разрушении (аварии) объектов, содержащих сильнодействующие ядовитые вещества
Методика выявления и оценки химической обстановки при разрушении (аварии) объектов, содержащих сильнодействующие ядовитые вещества, разработана в 1989 г. в виде справочного пособия, предназначенного для экспресс-оценки последствий аварий на промышленных и транспортных объектах, содержащих аварийно химически опасные вещества (АХОВ). /1/. Перечень рассматриваемых в методике АХОВ включает 18 наименований. Перечень рассматриваемых аварийных ситуаций ограничивается в основном полным разрушением типовых емкостей в случае хранения и транспортировки АХОВ. Для диоксина и окиси углерода рассматриваются типовые случаи выброса различного количества этих веществ из промышленных установок.
В качестве основных показателей, характеризующих масштабы химического заражения, в методике выбраны: радиус района аварии и его площадь, глубины и площади зон, опасных для заражения окружающей среды, в том числе воды в открытых источниках, техники и одежды, а также распространения первичного и вторичного облаков АХОВ.
К показателям степени опасности химического заражения относятся потери личного состава войск и гражданского населения в районах разрушения (аварии) и зонах распространения АХОВ, количество зараженных объектов и техники. К этим же показателям относится продолжительность заражения в районе разрушения (аварии). В методике она определяется временем химического заражения воздуха в районе аварии и за его пределами, временем естественной самодегазации техники и самообеззараживания водоисточников, временем подхода облака АХОВ к рубежам, расположенным на различном удалении от района аварии.
В целом, представленный в методике перечень количественных показателей достаточно широк и охватывает все сферы влияния последствий аварийных выбросов АХОВ.
В качестве исходной информации для оценки значений вышеперечисленных показателей в методике используются данные, характеризующие конкретный выброс (количество вещества, либо тоннаж емкости и условия хранения и транспортировки), метеорологические условия и топографические особенности местности.
Оценка влияния топографии местности проводится путем определения значения параметра шероховатости, как среднего значения на всей площади распространения АХОВ. Значение данного показателя в дальнейшем используется для определения коэффициента влияния местности, на который умножаются табличные значения глубин распространения.
Из метеорологических показателей учитываются скорость и направление ветра, температура воздуха и почвы. Состояние вертикальной устойчивости воздуха определяется по трем градациям — инверсия, изотер-мия, конвекция. При оценках значений глубин распространения АХОВ во внимание принимается влияния как периодической, так и непериодической составляющих в изменчивости вектора ветра.
Значения глубин распространения определялись по пороговой дозе Р0:50 для взрослых людей. В случае оценки вторичного поражающего действия АХОВ, учитывались как интоксикация части вещества, так и его частичный вывод из организма.
Количество вещества, переходящее в первичное облако при разрушении или полной разгерметизации емкости, определяется в методике как доля от АХОВ, переводимая в пар (аэрозоль) за счет разности упругости насыщенных паров АХОВ в емкости и парциального давления в воздухе (дроссельный эффект), а также изменения теплосодержания жидкости и тепла поверхности земли (материала поддона или обваловки).
Доля вещества, переводимая в атмосферу за счет дроссельного эффекта, определяется на основе данных о температурах хранения и кипения АХОВ, средней удельной теплоемкости жидкости при постоянном давлении и удельной теплоты парообразования.
Доля вещества, переводимая в пар за счет изменения теплосодержания жидкости и тепла поверхности, зависит от многих факторов, в том числе от времени испарения АХОВ, которое в данной методике принято равным 10 мин.
Процесс поступления АХОВ во вторичное облако рассматривается как процесс стационарного испарения с зеркала пролива. Удельная скорость испарения рассчитывается по теоретическому соотношению У.Братсерта (данный показатель зависит от скорости ветра на высоте 1м, молекулярной массы жидкости, линейного размера зеркала пролива по направлению ветра, температур испарения и кипения жидкости). Количество вещества, поступающего во вторичное облако, зависит от удельной скорости испарения, от времени испарения, площади поверхности зеркала разлива. Площадь поверхности зеркала разлива рассматривается в виде круга.
В связи с отсутствием аналитических моделей, позволяющих описать эволюцию облака тяжелых газов, в методике в зависимости от объема хранения выделяется зона неопределенности, в пределах которой распространение облака определяется рельефом местности и плотностью застройки. Данная зона
получила наименование района аварии, а ее радиус для сжиженных газов и низкокипящих АХОВ, хранящихся в резервуарах общим количеством до 100 т., был принят в 0,5 км, а в остальных случаях — 1 км. При этом считается, что за пределами данной зоны распространение облака АХОВ происходит в режиме турбулентного перемешивания.
Распространение облака АХОВ в режиме турбулентного перемешивания в методике описывается на основе комплексного подхода к процессу диффузии примеси в приземном слое атмосферы. В рамках данного подхода диффузию пассивной примеси в горизонтальной плоскости рассматривают с позиции статистической 8— теории, а по вертикали — на основе эмпирической К— теории. Используемая при этом модель достаточно гибка по отношению к особенностям приземного слоя атмосферы и позволяет описывать распространение примесей (динамику их концентраций) от различных типов источников (точечный, объемный, линейный, плоский), с учетом метеорологических условий и взаимодействия примеси с подстилающей поверхностью. Определение глубин распространения первичного и вторичного облаков АХОВ осуществляется методом последовательного приближения. При этом значение граничной концентрации (Сгр) или дозы (Дрр) определяется с учетом флуктуации и времени нахождения людей в зонах распространения АХОВ.
Оценка возможных потерь производится путем определения площади, ограниченной значением дозы, соответствующей определенной степени тяжести (легкой, средней, смертельной). Затем производится оценка либо количества людей, находящихся на данных площадях, либо их доли от общего количества на объекте. В случае оценки продолжительности химического заражения за пределами района аварии, дополнительно учитывается влияние метеорологических и топографических условий на рассеяние АХОВ в атмосфере.
Данная методика создана как экспресс— методика, позволяющая получить набор данных для первичной оценки возможной обстановки.
В методике не в полной мере описывается нестационарный режим испарения АХОВ, что может привести к ошибкам в количестве токсичного вещества, поступающего в атмосферу за различные периоды времени. Учет метеорологических условий ограничен тремя степенями вертикальной устойчивости в то время как реально используется 7 степеней. Анализ параметров, используемых в методике, показывает, что их обоснованность ограничивается лишь приземным слоем атмосферы и линейным масштабом переноса в 10—15 км. При этом все значения используемых параметров определены лишь для трех основных степеней устойчивости. В реальных условиях глубины распространения АХОВ (в случае крупномасштабных аварий), могут быть существенно выше приведенных значений.
2. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте
Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами (СДЯВ — аналог АХОВ) при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте, разработана совместно с Госкомитетом СССР по гидрометеорологии, сертифицирована Госстандартом СССР, РД 52.04.253— 90 /2/. На базе «Методики...» разработаны «Методические рекомендации по прогнозированию масштабов заражения ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте». Методика предназначена для заблаговременного и оперативного прогнозирования. Однако, в отличие от предыдущей, не может использоваться для оценки возможных потерь. Перечень рассматриваемых веществ включает 34 наименования. Масштабы заражения СДЯВ (АХОВ) в зависимости от их физико— химических свойств рассчитываются по первичному и вторичному облакам:
для сжиженных газов — отдельно по первичному и вторичному облаку;
для сжатых газов — только по первичному облаку; для жидкостей, кипящих выше температуры окружающей среды — только по вторичному облаку.
Перечень рассматриваемых аварийных ситуаций также ограничивается полным разрушением емкостных элементов. В качестве исходной информации используется практически аналогичный набор данных, за исключением топографии местности, которая не учитывается.
Глубины распространения определяются по пороговой токсодозе. Однако, в случае вторичного облака не учитывается интоксикация вещества, действующего в малых дозах, и его частичный вывод из организма. В совокупности с отсутствием учета пространственно— временной изменчивости вектора ветра это приводит к необоснованно резкому увеличению опасности вторичного облака. Оценка влияния данных допущений показывает, что в ряде случаев, глубины распространения вторичного облака могут быть превышены на целый порядок.
Табличные данные методики по глубинам распространения рассчитаны для одного хлора. В остальных случаях осуществляется приближенный эквивалентный пересчет в зависимости от токсичности и физико— химических свойств веществ, что приводит в ряде случаев к серьезным погрешностям.
Количество вещества, перешедшее в первичное облако, как и в предыдущей методике, рассчитывается как доля от количества выброшенного (разлившегося) при аварии вещества, с учетом степени вертикальной устойчивости воздуха (инверсии, изотермии, конвекции),
температуры, условий хранения АХОВ, отношения пороговой токсодозы хлора к пороговой токсодозе другого АХОВ. Коэффициенты перечисленных выше факторов приведены в таблицах.
Основным процессом, определяющим поступление АХОВ во вторичное облако, считается процесс испарения его с зеркала пролива в условиях стационарного режима.
В качестве основного соотношения, определяющего значение удельной скорости испарения, используется формула, нашедшая широкое применение при определении энергетического потенциала взры-воопасности химических, нефтехимических и перерабатывающих производств в зависимости от давления насыщенного пара при заданной температуре поверхности жидкости, молекулярной массы вещества, скорости и температуры воздушного потока над поверхностью жидкости.
Эквивалентное количество вещества, перешедшее во вторичное облако, обратно пропорционально толщине слоя АХОВ и плотности вещества. Оценка значений глубин распространения осуществляется по таблицам с учетом величин входных параметров, рассмотренных выше. Дополнительно определяется полная глубина зоны заражения, обусловленная взаимодействием первичного и вторичного облаков АХОВ. Полученное значение глубины сравнивается с предельно возможным значением переноса воздушных масс за рассматриваемый промежуток времени. При этом за окончательную глубину зоны принимается меньшее из двух сравниваемых между собой значений.
Площадь зоны возможного заражения, рассчитываемая в методике, прямо пропорциональна квадрату глубины зоны распространения первичного (вторичного) облака и угловому размеру зоны заражения, определяемому в зависимости от скорости ветра.
Продолжительность химического заражения определяется временем испарения с площади разлива.
Табличные значения глубин распространения рассчитываются на основе полуэмпирического подхода к процессу диффузии примеси в приземном слое атмосферы. В предыдущей методике процесс диффузии в горизонтальной плоскости рассматривался на основе статистического подхода, а в данной методике — на базе полуэмпирического подхода. Наложение одинаковых исходных данных и условий привело практически к весьма близким результатам при расчетах по обеим методикам. В данной методике не учитывается пространственно— временная изменчивость вектора ветра, влияние на процессы рассеяния топографии местности; оценка максимально возможных глубин проводится по вторичному облаку без учета реального количества вещества, испаряющегося за определенный промежуток времени. Не учитывается также влияние процесса интоксикации и частичного вывода АХОВ из организма.
3. Методическое пособие
по прогнозированию и оценке химической обстановки в чрезвычайных ситуациях
Методическое пособие предназначено для прогнозирования и оценки химической обстановки в чрезвычайных ситуациях, связанных с производством, хранением и транспортировкой сильнодействующих ядовитых веществ /3/.
Пособие разработано на базе действующей «Методики прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах». В отличие от методики в пособии вместо расчетного метода прогнозирования масштабов заражения используются табличные данные по глубинам и площадям фактического заражения или первичного и вторичного облаков зараженного воздуха. Пособие позволяет производить оценку количества пораженных с учетом их структуры. В пособии приведена методика для проведения инженерных расчетов по прогнозированию масштабов заражения и программный комплекс по прогнозированию и оценке обстановки в очаге поражения.
Расчет глубины заражения как по первичному, так и по вторичному облаку ведется с помощью табличных данных, приведенных в Пособии. Исходными данными при этом служат: наименование СДЯВ; количество СДЯВ, перешедшее в атмосферу; характер разлива СДЯВ на подстилающую поверхность; состояние приземного слоя воздуха (инверсия, изотермия, или конвекция); скорость приземного ветра по данным прогноза, температура окружающего воздуха.
4. Методика определения площади зоны защитных мероприятий, устанавливаемой вокруг объектов по хранению химического оружия
и объектов по уничтожению химического оружия
Методика определения площади зоны защитных мероприятий, устанавливаемой вокруг объектов по хранению химического оружия и объектов по уничтожению химического оружия разработана Министерством обороны РФ в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 24.02.1999 г. № 208 и согласована с МЧС России, Министерством здравоохранения РФ, МВД РФ и Государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды и гидрометеорологии /4/.
Методика предназначена для решения задачи определения размеров зоны защитных мероприятий (ЗЗМ).
В основу методики положен подход, реализующий масштабный или вероятностный способ определения размеров ЗЗМ в зависимости от вероятности возникновения той или иной ситуации.
Сущность масштабного способа заключается в определении размеров ЗМЗ как максимальной глуби-
ны распространения облака ОВ при возникновении максимальной гипотетической аварии при наиболее опасных метеоусловиях. Максимальной глубиной распространения ОВ принимается расстояние от объекта уничтожения химического оружия, на котором население может получить поражение не ниже пороговой степени тяжести.
Вероятностный способ базируется на оценке индивидуального риска и учитывает вероятность совместной реализации всех факторов, приводящих к поражению населения.
На первом этапе по величине вероятности Р0 совместной реализации выбранной максимальной гипотетической аварии (максимально возможное освобождение и идеальные условия перевода отравляющего вещества (ОВ) в атмосферу) и наиболее благоприятных (из реально возможных) для его распространения метеорологических условий определяется выбор метода определения размеров ЗЗМ.
Если расчетная вероятность Р0 больше вероятности события, принятого в качестве маловероятного и исключенного из дальнейшего рассмотрения или учета, то расчет проводится по масштабному методу. В противном случае расчет проводится по вероятностному способу, учитывающему случайный характер возникновения аварий с выбросом ОВ в атмосферу и случайный характер формирования метеоусловий.
Различием двух способов данной методики является подход к определению размеров ЗЗМ и степени учета всего комплекса исходных данных.
При масштабном способе размеры ЗЗМ определяются при различных метеорологических условиях с учетом топографических особенностей на каждом направлении путем построения изолиний доз, равных дозе, приводящей к пороговым поражениям. Направление ветра при этом не учитывается.
При вероятностном способе размер ЗЗМ определяется при условии, что индивидуальный риск поражения человека превосходит заданный установленный уровень риска. При расчете индивидуального риска поражения учитывается вероятность направления ветра и реализации других метеорологических данных, топографические условия и весь комплекс исходных данных в полном объеме.
Наиболее точно зона защитных мероприятий может быть определена вероятностным способом, базирующимся на интегральной характеристике вероятности, масштабе и последствиях аварии, позволяющими объективно отражать уровень безопасности объекта.
При решении задачи моделирования количественного поступления ОВ в атмосферу рассматриваются типовые варианты возможного поступления ОВ в окружающую среду: разрушение емкостных элементов при хранении и транспортировке отравляющих веществ, диверсионный подрыв одного или группы боеприпасов, возникновение пожаров. При этом основными процессами поступления ОВ в атмосферу будет перевод около
25% вещества в парообразное состояние в случае боеприпасов с зарином и испарение жидких частиц и капель остальных ОВ с поверхности выседания. В случае пожара будет увеличена скорость испарения ОВ, однако наличие высокой температуры приведет к разложению большей части ОВ на значительно менее токсичные составляющие.
В методике приведены соотношения, описывающие процесс испарения жидкого ОВ со свободной поверхности пролива в потоке воздуха и позволяющие рассчитать количество вещества, поступающее при аварийном выливе и залповом выбросе ОВ в окружающую среду. Точность расчетов при этом не указана.
При моделировании рассеяния невесомой примеси за основу принята модель распространения облака невесомой примеси из объемного источника ограниченного действия по времени. В качестве базового теоретического подхода к описанию рассеяния примеси используется теория турбулентной диффузии, а базовой модели — статистическая модель диффузии в переменных Лагранжа.
Для моделирования распространения грубодисперс-ных аэрозолей и аэровзвесей используется концепция отражения облака совместно с концепцией Ченади, роль переменного коэффициента отражения в которой играет функция, учитывающая поглощение примеси подстилающей поверхностью. Благодаря этому при моделировании удается учесть весь возможный спектр дисперсного состава примеси, возникновение которого возможно в результате аварий на объектах по уничтожению химического оружия, включая оседающие аэрозоли и аэровзвеси.
Учитывается также процесс частичного захвата примеси подстилающей поверхностью.
Метеорологические и топографические условия учитываются при определении динамической скорости трения у поверхности земли и на некотором расстоянии от поверхности земли. При этом при моделировании распространения примеси используются средние значения характеристик в слое рассеяния.
При моделировании степени обеднения облака ОВ за счет прохождения через облако осадков используется экспоненциальный спад количества примеси в облаке в зависимости от размера частиц примеси и интенсивности осадков.
Топография местности учитывается по методу эквивалентной шероховатости. Приведена подробная схема определения параметров непроницаемой и проницаемой шероховатости.
Для оценки опасности химического заражения в случае аварий на объектах по уничтожению химического оружия устанавливается связь между значением токсоэффекта и вероятностью поражения. При расчете вероятности поражения учитывается коэффициент проникания ОВ в различные здания и сооружения. Индивидуальный риск в методике оценивается как произведение вероятности ветра в данном направлении и ве-
роятности того, что облако ОВ с концентрацией, вызывающей поражение, достигнет данной точки. Коллективный риск в методике рассчитывается как интеграл от произведения индивидуального риска для данного региона и функции распределения населения.
В целом по уровню проработки методического и математического обеспечения данная методика стоит выше рассмотренных — в методике учитывается химическая обстановка с учетом шероховатости местности, обеднения облака ОВ за счет прохождения облака осадков. Данная методика учитывает специфику хранения ОВ, мгновенного перехода 25% ОВ в паровую фазу при разгерметизации боеприпасов с ОВ. Как и в предыдущих, в этой методике для ОВ толщина слоя пролива принимается минимально возможной при выливе на грунт — 5 см.
Помимо утвержденных методик по прогнозированию химических аварий существует большое количество разработанных разными организациями и никем не утвержденных методик.
5. Методика прогнозирования полей концентрации ядовитых веществ при аварии на химических предприятиях
Методика Ассоциации «Содействие защите населения» (АСЗН) предназначена в основном для заблаговременного прогноза ожидаемой обстановки и позволяет по имеющейся программе рассчитать любые варианты аварий и на их основе создать базу данных или таблицы для оперативного принятия решения уже после возникновения аварии /5/.
Программа расчета по методике АСЗН позволяет получать не только прогноз концентраций (токсодоз) на пути движения облака АХОВ (в трех измерениях на любой заданный момент времени), но и оценить ожидаемую степень поражения людей (от легкого отравления до летального исхода) с учетом оперативности задействования служб МЧС России при ликвидации аварии и экстренной медицины для оказания помощи пострадавшим; оперативности оповещения предприятий, населения и служб МЧС России об аварии; степени подготовленности населения и сооружений к защите в условиях ЧС.
В основу расчета распределения концентраций в методике АСЗН положены статистические модели распространения невесомых примесей.
В рассматриваемой методике решены следующие задачи:
прогнозирования поля концентраций при распространении первичного облака вредного вещества;
прогнозирования поля концентраций при распространении вторичного облака вредного вещества;
определения суммарного воздействия первичного и вторичного облаков пара вредного вещества.
При моделировании процесса испарения жидкости, как основного процесса, определяющего поступление
вредного вещества в атмосферу и формирующего вторичное облако, скорость испарения рассчитывается по формуле Баранаева— Гусева, основанная на теории размерности.
В методике отмечено, что наиболее опасными являются аварии, когда по тем или иным причинам происходят одновременно и выброс газовой и разлитие жидкой фаз вредного вещества. Такой тип аварии характерен для сжиженных газов и может быть смоделирован применением метода суперпозиции. Таким образом, концентрация вредного вещества в каждой точке находится как сумма концентраций для мгновенного объемного источника и непрерывно действующего точечного источника.
Токсодозы, как и концентрации АХОВ, являются показателями, позволяющими оценить степень токсического воздействия паров вредных веществ, но в отличие от концентрации, токсодозы показывают количественную оценку токсичности за определенное время воздействия паров на организм человека и вычисляются как интеграл по времени концентрации вещества за период с начала аварийной ситуации до момента, в котором необходимо вычислить значение токсодозы.
Для суммарного воздействия мгновенного объемного источника и непрерывно действующего точечного источника токсодозу рассчитывают аналогично суммарному воздействию концентрации по методу суперпозиции.
В целом, используемый математический аппарат обеспечивает получение достаточно большого перечня прогнозируемых показателей. Вместе с тем методика не лишена и определенных недостатков. Так, математическое описание рассеяния и модели поступления АХОВ в атмосферу не учитывают его дисперсный состав и особенности оседания и захвата различными поверхностями. В методике рассматривается движение облака только невесомой примеси. В описании процессов, определяющих характер воздействия АХОВ на людей, отсутствует учет возрастных особенностей поражения и оценка комплексного воздействия на них нескольких веществ.
В оценке скорости испарения (при распространении вторичного облака) применена формула Баранаева— Гусева. Эта формула широко используется, так как она проверена на воде, аммиаке, гептиле и др. веществах. Однако данная формула не учитывает температуру подстилающего слоя, поэтому существуют ограничения в использовании данного подхода.
Рассмотренная методика была доработана. В 1999 г. АСЗН разработали методику прогноза и оценки химической обстановки при выбросах (выливах) АХОВ (для аммиака) с учетом специфики Москвы.
Следует отметить, что данная методика не верифицирована. Непонятно, на основании каких требований она разрабатывалась. Зоны защитных мероприятий, рассчитанные по этой методике, больше зон по глубине и площади, рассчитанных по методикам [1, 2, 3, 5, 6].
6. Методика НТЦ «Промбезопасность» (»Токси» редакция 2.2)
Основным процессом, определяющим поступление АХОВ во вторичное облако, как и в методике ГО, считается процесс испарения его с зеркала пролива в условиях стационарного режима /6/.
В качестве основного соотношения, определяющего значение удельной скорости испарения, использовалась формула Мацака, нашедшая широкое применение при определении энергетического потенциала взрывоо-пасности химических, нефтехимических и перерабатывающих производств в зависимости от давления насыщенного пара при заданной температуре поверхности жидкости, молекулярной массы вещества, скорости и температуры воздушного потока над поверхностью жидкости.
Данная формула не учитывает геометрические параметры разлива, так как была выведена для испарения воды из небольших кювет, что приводит к определенным погрешностям при вычислениях.
Продолжительность химического заражения определяется временем испарения с площади разлива.
Процесс диффузии в горизонтальной плоскости рассматривается на основе статистического подхода, как и в методике ГО.
В рассматриваемой методике нет уточнения и градации для состояния вертикальной устойчивости атмосферы «инверсия». Из сопоставления расчетных величин дисперсий, принятых в методике «Токси», с данными, принятыми для радиационных облаков следует, что состоянию инверсии в этой методике соответствует не умеренная (средняя) инверсия, а слабая (стратификация Е).
В методике «Токси» не учитывается изменение скорости ветра с высотой. Как и предыдущие методики, рассматриваемая методика позволяет рассчитать значения концентраций АХОВ в первичном и во вторичном облаках и значения токсодоз, им соответствующие. Однако, как и рассмотренные выше методики, в методике «Токси» рассматривается упрощенное формирование как первичного, так и вторичного облаков. Например, в методике «Токси» занижены: время прохождение первичного облака, теплоотдача грунта при свободном разливе или ограждающих конструкций поддона из-за принятия малой площади разлива при принятой фиксированной толщине слоя 5 см. Начальный объем первичного облака принят примерно в 2 раза меньшим, что приводит к расчетным концентрациям на начальных расстояниях к величинам, превышающим предельно возможные значения. Кроме того, в этой методике соотношения для дисперсий первичного и вторичного облаков приняты без учета реальных начальных размеров, что привело к нарушению закона сохранения массы паров АХОВ и к существенному завышению концентраций на близких расстояниях.
7. Методика оценки последствий аварийных выбросов опасных веществ. (»Токси». Редакция 3.1)
ФГУП НТЦ «Промбезопасность» в 1995 году утвердил новую версию методики «Токси» /7/.
Предназначена для количественной оценки последствий аварий на опасном производственном объекте с выбросом опасных веществ (ОВ) в атмосферу, плотность которых на месте выброса больше плотности воздуха при соответствующих условиях.
Методика позволяет определить:
• количество поступивших в атмосферу ОВ при различных сценариях аварии;
• пространственно-временное поле концентраций ОВ в атмосфере;
• количество ОВ в облаке, которое может участвовать во взрывных превращениях (горении и детонации) ограниченном концентрационными пределами воспламенения;
• размеры зон химического заражения, соответствующие различной степени поражения людей, определяемой по ингаляционной токсодозе.
Модель «тяжелого» газа учитывает следующие процессы:
• движение облака в переменной по высоте скорости ветра;
• гравитационное растекание;
• рассеяние облака в вертикальном направлении за счет атмосферной турбулентности (подмешивание воздуха в облако);
• рассеяние облака в горизонтальном направлении за счет подмешивания воздуха в облако, происходящего как за счет атмосферной турбулентности, так и за счет гравитационного растекания;
• нагрев или охлаждение облака за счет подмешивание воздуха;
• фазовые переходы ОВ в облаке;
• теплообмен облака с подстилающей поверхностью.
В методике приняты следующие допущения :
• газообразное ОВ считается идеальным газом;
• жидкое ОВ считается несжимаемой жидкостью;
• гравитационное растекание облака ОВ учитывается с помощью эмпирической зависимости;
• истечение ОВ и его испарение происходят с постоянной скоростью, соответствующей максимальной скорости истечения (испарения);
• разлив жидкой фазы происходит на твердой, не впитывающей поверхности;
• для случаев отсутствия обвалования высота слоя разлившегося ОВ принимается равной 0,05 м;
• при расчете рассеяния ОВ в атмосфере используется модель рассеяния «тяжелого» газа;
• осаждение на подстилающую поверхность выброса ОВ и его химические превращения при рассеянии не учитываются;
• метеоусловия остаются неизменными в течение времени экспозиции;
• в облаке существует фазовое равновесие газ— жидкость, которое устанавливается мгновенно;
• при определении размеров зон, где возможно горение (или детонация) ТВС, предполагается, что горение (или детонация) могут быть инициированы в областях со средней концентрацией от 0,5 НКПВ до ВКПВ;
• распространение выброса происходит над твердой ровной поверхностью, с которой нет обмена массой, а есть только обмен теплом.
К ограничениям методики относятся:
• методика не предназначена для прогноза рассеяния в штилевых условиях;
• методика не предназначена для расчета распространения выброса внутри помещений;
• методика предназначена для прогноза распространения выброса в пределах 20— 30 км от места выброса;
• методика предназначена для прогноза распространения выброса с массой ОВ в первичном облаке не более 500 т;
• методика предназначена для прогноза распространения облаков от пролива ОВ площадью не более 250 тыс. м2;
• если на пути движения облака имеются препятствия, размеры которых больше размеров облака, то результаты расчетов будут иметь оценочный характер;
• методика не предназначена для расчета рассеяния твердых ОВ, выпадения конденсированной фазы на подстилающую поверхность и ее повторного поступления в атмосферу.
Замечания к методике:
• приведенный в Приложении 8 табл. 7 список ОВ содержит 29 наименований. Из них в перечне по ДНГО №3—90 (34 вещества) лишь 18 наименований ОВ;
• при расчете рассеяния ОВ в атмосфере используется модель рассеяния «тяжелого» газа (основными причинами образования «тяжелых» газов являются: молекулярный вес ОВ выше молекулярного веса воздуха, низкая температура, наличие аэрозолей). В то же время, в приведенном в Приложении 8 табл. 7 списке ОВ приведены, в том числе, вещества с плотностью соизмеримой или меньшей плотности воздуха (10 наименований);
• классификация состояния устойчивости приземного слоя атмосферы, предложенная Пасквиллом, включает 7 классов устойчивости, в методике используется только 6 классов, отсутствует класс G — очень устойчивое состояние, сильная устойчивость.
Заключение
Проанализировав основные методики, можно сделать вывод, что во всех цитируемых методиках учитывается необходимость совместить оперативность и универсальность как способности методов работать во всех диапазонах реальных условий.
В 2009 году завершается второй этап Программы «УНИЧТОЖЕНИЕ ЗАПАСОВ ХИМИЧЕСКОГО
ОРУЖИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ» (ПОСТАНОВЛЕНИЕ ПРАВИТЕЛЬСТВа РФ 21 марта 1996 г. N 305 (Д)), согласно которому уничтожение химических боеприпасов авиации будет проводиться на трех объектах, создаваемых в регионах их хранения в пос. Марадыковский Кировской области, пос.Леонидов-ка Пензенской области и г. Почеп Брянской области, общей мощностью 6000 тонн отравляющих веществ в год. Для этой цели, в частности, была проведена корректировка размеров (площади) зоны защитных мероприятий, устанавливаемой вокруг объекта по хранению химического оружия Марадыковский в Оричевском районе Кировской области. (Заказчик — Российское агентство по боеприпасам, науч. руководитель: к.х.н., проф. ТЯ. Ашихмина). Для обоснования размера зоны защитных мероприятий применена «Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте». Показано, что с учетом топографических условий местности при наиболее неблагоприятных погодных условиях для максимальной гипотетической аварии на объекте хранения химического оружия радиус зоны поражения на уровне пороговой токсической дозы зомана составляет 22.3 км. На основании расчета определена граница зоны защитных мероприятий, в пределы которой попадают 196 населенных пунктов с общим населением 54590 человек. Подготовлен проект постановления Правительства РФ «Об утверждении площади зоны защитных мероприятий вокруг объекта по хранению химического оружия Марадыковский в Оричевском районе Кировской области».
Таким образом, руководители работ по определе-
нию зон защитных мероприятий отдают предпочтение более простым, с технической точки зрения, моделям /1—3/, но позволяющим получить практически такие же по точности значения ЗЗМ, как и более сложные модели /4,6,7/.
Поскольку до настоящего времени не проведена верификация существующих методик определения зон возможного заражения, для проведения такой верификации можно было бы создать постоянно пополняемую базу данных со статистикой последствий аварий на химически опасных объектах в форме, удобной для математических расчетов по существующим методикам.
Литература
1. Методика выявления и оценки химической обстановки при раз-
рушении (аварии) объектов, содержащих СДЯВ. М: ГВШС,
1989.
2. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. РД— 52.04.253— 90. М. Штаб ГО СССР. Госкомитет СССР по гидрометеорологии,
1990.
3. Методическое пособие по прогнозированию и оценке химической обстановки в чрезвычайных ситуациях. ВНИИ ГОЧС. М. 1993.
4. Методика определения площади ЗЗМ, устанавливаемой вокруг
ОХУХО. М. МО РФ, 1999.
5. Методика прогноза и оценки химической обстановки при выбро-
сах (выливах) АХОВ (для аммиака) с учетом специфики Москвы. Ассоциация «Содействие защите населения» (АСЗН). М:, 1999.
6. Методика оценки последствий химических аварий (Методика «Токси», Вторая редакция). М, НТЦ «Промышленная безопасность», 1999.
7. Методика оценки последствий химических аварий (Методика «Токси», редакция 3.1). М, ФГУП НТЦ «Промышленная безопасность», 2005.
Сведения об авторе
Борисова Людмила Робертовна: 24 НИЦ ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ, 24 НИЦ, к.ф.-м.н., доцент, с.н.с. направления «Комплексной защиты» .
