ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МАСШТАБОВ ХИМИЧЕСКОГО ЗАРАЖЕНИЯ, НА ПРИМЕРЕ ПОЛНОГО РАЗРУШЕНИЯ ВЕРХНЕКАЛЬМИУССКОЙ ФИЛЬТРОВАЛЬНОЙ СТАНЦИИ, ВСЛЕДСТВИЕ ВЕДЕНИЯ БОЕВЫХ ДЕЙСТВИЙ НА ДОНБАССЕ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

№1(30), 2022

БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

УДК 658.382 (075.8)

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МАСШТАБОВ ХИМИЧЕСКОГО ЗАРАЖЕНИЯ, НА ПРИМЕРЕ ПОЛНОГО РАЗРУШЕНИЯ ВЕРХНЕКАЛЬМИУССКОЙ ФИЛЬТРОВАЛЬНОЙ СТАНЦИИ, ВСЛЕДСТВИЕ ВЕДЕНИЯ БОЕВЫХ ДЕЙСТВИЙ НА ДОНБАССЕ

А.С. Толстых, к.т.н., доцент ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского» А.Д. Гладкая, к.т.н., доцент, заведующая кафедрой естествознания и безопасности жизнедеятельности

E-mail: gladkaya_alla@mail.ru ГО ВПО «Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского»

Аннотация. Предметом исследования в статье является заблаговременное и аварийное прогнозирование масштабов химического заражения местности в случае разрушения Верхнекальмиусской фильтровальной станции при ведении боевых действий. В статье представлен обоснованный расчет, в соответствии с требованиями нормативных документов РФ. На основании расчетов сделаны выводы о возможности заражения существенной части Донецко-Макеевской агломерации.

Ключевые слова: прогнозирование масштабов химического заражения, полное разрушение объекта, глубина зоны заражения, площадь зоны возможного заражения.

PREDICTING THE SCALE OF CHEMICAL CONTAMINATION, ON THE EXAMPLE OF THE COMPLETE DESTRUCTION OF THE UPPER KALMIUS FILTRATION STATION, DUE TO THE

CONDUCT OF HOSTILITIES IN THE DONBAS

A.S. Tolstykh, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky A.D. Gladkaya, Ph.D., Associate Professor, Head of the Department of Natural Sciences and Life Safety Donetsk National University of Economics and Trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky

Abstract. The subject of the research in the article is the early and emergency prediction of the scale of chemical contamination of the area in the event of the destruction of the Verkhnekalmiusskaya filter station during combat operations. The article presents a reasonable calculation, in accordance with the requirements of the regulatory documents of the Russian Federation. Based on the calculations, conclusions are drawn about the possibility of infection of a significant part of the Donetsk-Makeyevka agglomeration.

Keywords: prediction of the scale of chemical contamination, complete destruction of the object, the depth of the contamination zone, the area of the zone of possible contamination.

Химические аварии являются одними из самых страшных чрезвычайных ситуаций по своим последствиям, особенно для населения, проживающего в зоне поражающего действия АХОВ, попавших в окружающую природную среду, вследствие таких происшествий.

Из всего перечня аварийно химически опасных веществ особо можно выделить хлор, вследствие его сильнейших токсикологических свойств и достаточно широкого распространения в народном хозяйстве. В частности, хлор в качестве обеззараживающего агента применяют для подготовки питьевой воды, поэтому на фильтровальных станциях (станциях хлорирования), он хранится в больших количествах. Как правило, фильтровальные станции вынесены на значительные расстояния за пределы населенных пунктов, с целью недопущения химического заражения городов, на случай возникновения аварийной ситуации.

Одним из важнейших мероприятий системы гражданской обороны, является прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций, в том числе и химических аварий.

Для оценки масштабов химического заражения местности существует ряд методик, с той или иной степенью достоверности, дающих определенный прогноз. Основной расчетной методикой в настоящее время определен «Свод правил. СП 165.1325800.2014. Инженерно-технические мероприятия по гражданской обороне. Актуализированная редакция» [1], приложение Б, которого представляет измененный (в части исходных данных для заблаговременного прогнозирования) РД 52.04.253-90 «Руководящий документ. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте» [2], введенная в действие в СССР в 1990 г.

Вместе с тем, следует отметить, что приведенные выше нормативные документы имеют ряд существенных недостатков, подробно рассмотренных в работах [3.16, 4.20]. Кроме этого в указанных работах

И СЕЛЬСКОГО РАЗВИТИЯ 2 (

предложена расчетная методика, позволяющая получать более достоверные результаты прогнозирования масштабов химического заражения.

Учитывая изложенное выше, авторы настоящей статьи провели оригинальный расчет, с учетом необходимых корректирующих коэффициентов, а также включения необходимых, по мнению авторов, дополнительных расчетных параметров.

В качестве примерного расчета, выбрана гипотетическая (N.B.) ситуация, касающаяся аварийного разрушения Верхнекальмиусской фильтровальной станции, снабжающей водой большую часть г. Донецк, а также некоторых прилегающих населенных пунктов. Данное предприятие коммунального хозяйства находится за пределами городской черты, в непосредственной близости от линии боевого соприкосновения Вооруженных Сил Украины - с одной стороны и сил Народной Милиции ДНР - с другой. На данной территории, начиная с 2014 г., идут практически непрекращающиеся боевые действия с применением артиллерийского вооружения крупных калибров. Под угрозой постоянных обстрелов находится не только Верхнекальмиусская фильтровальная станция, но и Донецкая фильтровальная станция (ДФС), которые уже многократно обстреливались (к счастью без серьезных последствий), что только усугубляет потенциальную опасность.

В настоящее время на Верхнекальмиусской фильтровальной станции хранятся запасы хлора порядка 420 т, распределенного по технологическим емкостям.

Расчетная задача была сформулирована следующим образом.

1 июня в 4.00 на участке расположения Верхнекальмиусской фильтровальной станции были начаты интенсивные боевые действия с применением артиллерийских систем крупных калибров, в результате чего были полностью разрушены контейнеры, содержавшие 420 т хлора. В момент разрушения объекта метеорологические условия следующие (назначены по усредненным данным, характерным для Донецка):[5]

- температура окружающей среды - (+19 °С);

- скорость ветра - 3,6 м/с (направление ветра - к центру Донецка);

- облачность -4,9 балла (переменная облачность).

Расстояние от фильтровальной станции до центра Донецка - 16 км.

Путь следования облака зараженного воздуха следующий: равнина - 8 км, малоэтажная застройка - 2 км, равнина - 3,6 км, далее - условно многоэтажная застройка.

Расчетное время стандартно - 4 ч после аварии.

Произвести заблаговременное и аварийное прогнозирование масштабов заражения по следующим параметрам:

- определение вертикальной устойчивости воздуха;

-определение времени поражающего действия;

- определение эквивалентного количества вещества, содержащегося в облаке зараженного воздуха;

-определение глубины зоны заражения;

-определение площади возможного заражения;

-определение площади фактического заражения;

-определение ширины заражения;

-определение времени подхода облака зараженного воздуха на расчетную глубину.

За основу расчетной методики выбран СП 165.1325800.2014 (приложение Б) [1]. Все ссылки в расчете на формулы и табличные данные адресованы к именно этому нормативному документу. В случае отсутствия в [1], какой-либо информации, то необходимые сведения приводятся в настоящей статье с пояснениями в полном объеме.

Заблаговременное прогнозирование

При заблаговременном прогнозировании, согласно [1] принимаются следующие метеорологические условия - изотермия, скорость ветра - 3 м/с; температура воздуха 20оС.

1. Степень вертикальной устойчивости атмосферы - изотермия.

2. Время поражающего действия определяется согласно уравнению (Б.10)

hxd

T =-, (1)

K2 x K4 x K7

где h - толщина слоя хлора (при полном разрушении объекта принимается 0,05 м);

d-плотность АХОВ (по таблице В.3 (d = 1,553));

К2 - коэффициент, зависящий от физико-химических свойств АХОВ (таблица В.3 (К2 = 0,052));

К4 - коэффициент, учитывающий скорость ветра (таблица В.4 (К4 = 1,67));

К7 - коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха (таблица В.3 (К7 = 1)).

0,05 x 1,553

T =-= 0,89 ч

0,052 x 1,67 x 1

№1(30), 2022

3. Эквивалентное количество вещества при полном разрушении объекта определяются по формуле (Б.13), которая в нашем случае трансформируется таким образом:

Q

QЭ = 20xK4xKsxK2xK3xK6xK7^, (2)

где К5— коэффициент, учитывающий степень вертикальной устойчивости атмосферы (для изотермии принимается равным 0,23);

К3- коэффициент, равный отношению пороговой токсодозы хлора к пороговой дозе другого АХОВ (таблица В.3 (К3 = 1));

К6— коэффициент, зависящий от времени N прошедшего после аварии; значение коэффициента К6 определяется на основании приведенных ниже соотношений с учетом временипродолжительности Т (ч) испарения вещества:

Кб = при N < Т

К6 = Т08 при N > Т

при Т< 1 часа К6 принимается для 1 часа. В нашем случае N - время прошедшее после аварии (4 часа - по условию задачи): 4 > 0,89. К6 = 10,8= 1.

Q - количество выброшенного в окружающую среду вещества, т ^ = 420 т - по условию).

420

QЭ = 20 x 1,67 x 0,23 x 0,052 x 1 x 1 x 1 ^ — = 108 т

4. Глубина зоны заражения определяется методом линейного интерполирования по данным таблицы В.2.

/61,47- 31,30 \

Г' = (-(108 - 100) ) + 31,30 = 32,51 км

300 - 100

В этой части задачи необходимо уточнить, что найденная глубина зоны заражения справедлива только для равнинной непересеченной местности. В действительности, по ходу следования облака имеются естественные и искусственные препятствия, которые объективно уменьшают реальную зону заражения. В таблице 1 приведены коэффициенты понижающие глубину зоны заражения.

Таблица 1 - Коэффициенты понижающие глубину зоны заражения

Степень вертикальной устойчивости атмосферы Инверсия Изотермия Конвекция

Лес 1,8 1,7 1,5

Застройка малой этажности 3 2,5 2

Застройка высокоэтажная 3,5 3 3

При введении данных коэффициентов реальную глубину зоны заражения необходимо пересчитать.

Г'' = 32,51 - (8 + 2 х 2,5 + 3,6 + 2,4 х 3) = 8,71 км

Полученная величина 8,71 км представляет собой расстояние, которое прошло бы облако, если бы оно двигалось по равнине. На самом деле при высокоэтажной застройке зараженное облако пройдет:

8,71 / 3 = 2,9 км

Истинная глубина зоны заражения составит:

Г = 8 + 2 + 3,6 +2,4 +2,9 = 18,9 км

Предельно возможная глубина переноса зараженного воздуха определяется согласно формуле (Б12):

Гп = Nxv (3)

где V - скорость переноса переднего фронта зараженного облака(по таблице В.5 V = 18 км/ч)

Гп = 4 х18 = 72 км.

За расчетное значение глубины зоны заражения Гр принимается меньшее из Г и Гп, то есть Гр = 18,9 км.

5. Площадь зоны возможного заражения Sв определяется по выражению (Б.14)

8в = 8,72- 10-3хТр2хф (4)

где ф-угол сектора зоны возможного заражения (по таблице Б.2. при скорости ветра 3 м/с, ф=45)

8в = 8,7210-3х18,92 х 45 = 140,17 км2

6. Площадь фактического Sф заражения, находящаяся внутри сектора возможного заражения и имеющая форму вытянутого эллипса, определяем по формуле:

= К8 • Г2 • Н0,2 (5)

где К8 - коэффициент, зависящий от степени вертикальной устойчивости воздуха, принимается равным 0,081 при инверсии; 0,133 при изотермии; 0,235 при конвекции;

Sф = 0,133 X 18,92 X 40,2 = 62,63 км2

7. Ширина зоны фактического заражения в [1] не рассчитывается, однако, авторы данной статьи считают необходимым проведение этого расчета.

Для расчета ширины зоны заражения используются соотношения, приведенные в [3.18]:

Инверсия

Ш=0,3Тр°- 6, км (6)

Изотермия

Ш=0,3Тр°- 75, км (7)

Конвекция

Ш=0,3Тр°- 95, км (8)

В нашем случае расчет производится по уравнению 7

Ш=0,3х 18,9°- 75 = 2,72 км

8. Определяем время подхода облака зараженного воздуха до пределов его поражающего действия (модифицированная формула Б.15)

' = 7 (9)

18,9

С = -= 1,05 ч

18

Аварийное прогнозирование Исходные данные для проведения аварийного прогнозирования, приближенного к реальным условиям приведены выше в условии задачи.

1. По таблице В.1 определяем степень вертикальной устойчивости атмосферы. Для скорости ветра 3,6 м/с, переменной облачности и для 4 ч 00 мин (1 июня в 4.00 - астрономическая ночь), степень вертикальной устойчивости - инверсия.

2. По формуле 2 (здесь и далее ссылки на формулы данной статьи) определяем время поражающего действия:

h х d 0,05 х 1,553

Т =-=-= 0,8 ч

К2 х К4 х К7 0,052 х 1,868 х 1

Коэффициент К4 найденный интерполированием для скорости ветра 3,6 м/с по данным таблицы В.4 равен 1,868.

3. Эквивалентное количество вещества при полном разрушении объекта определяются по формуле (2):

420

QЭ = 20 х 1,868 х 1 х 0,052 х1х1х1^ — = 525 т

где К5— коэффициент, учитывающий степень вертикальной устойчивости атмосферы (для инверсии принимается равным 1);

Кб— при Т< 1 часа К6 принимается для 1 часа. В нашем случае N — время прошедшее после аварии (4 часа — по условию задачи): 4 > 0,8. К6 = 10,8 = 1.

Q - количество выброшенного в окружающую среду вещества, т ^ = 420 т — по условию).

4. Глубина зоны заражения определяется методов линейного интерполирования по данным таблицы В.2. Так как по условию задачи скорость ветра равна 3,6 м/с, а глубины зоны заражения в таблице В. 2 приведены для 3 м/с и 4 м/с для 500 т и 700 т эквивалентного количества вещества, то необходимо провести интерполирования для получения уточненных данных.

Для скорости ветра 3,6 м/с (500 т вещества в облаке)

(84,6 - 65,92 \ Г500 = I--(3,6 - 3)1 + 65,92 = 77,068 км

Для скорости ветра 3,6 м/с (700 т вещества в облаке)

104 - 81,17

Г700 = I--(3,6 - 3)1 + 81,17 = 94,868 км

Рассчитав уточненные данные можно вычислить потенциально возможную для равнинной непересеченной местности глубину заражения

94,868 - 77,068

Г' = I---(525 - 500) ) + 77,068 = 79,29 км

700 - 500

Используя таблицу 1, определяем настоящую глубину зоны заражения.

Г'' = 79,29 - (8 + 3 х 2,5 + 3,6 + 2,4 х 3,5) = 51,79 км

Рассчитываем эквивалентную длину пробега облака по высокоэтажной застройке

51,79 / 3,5 = 17,26 км

Истинная глубина зоны заражения составит:

Г = 8 + 2 + 3,6 +2,4 +17,26 = 33,26 км

Определяем предельно возможную глубину заражения местности хлором по формуле 3:

Гп = 4 XV = 4 х19 = 76 км

ВЕСТНИК ТЕХНОСФЕРНОИ БЕЗОПАСНОСТИ И СЕЛЬСКОГО РАЗВИТИЯ

№1(30), 2022

Величина V для инверсии при скорости ветра 3,6 м/с определялась интерполированием данных таблицы

В.5.

V = Н!-16 (3,6 - 3) + 16 = 19 м/с

Расчетная глубина зоны заражения Гр = 33,26 км, как наименьшая из Г и Гп.

При этом нужно учитывать, что данная глубина справедлива лишь для заданного времени 4 часа после аварии, на самом деле поражающее действие хлор будет распространяться на расстояние 33,26 км, а это говорит о том, что весь город (!) может оказаться под поражающим действием хлора.

5. По уравнению 4 определяем площадь зоны возможного заражения:

Sв = 8,72-10"3хТр2хф = 8,72-10"3х-33,262 х 45 = 434 км2

6. Площадь зоны фактического заражения при инверсии рассчитываем по уравнению 5:

Sф = К8 x Г;; x №'2 = 0,081 x 33,262 x 40*2 = 118,28 км2

7. Ширина зоны рассчитывается по формуле 6:

Ш=0,3 Гр0, 6 = 0,3-33,26°,6 = 2,45 км

8. Время подхода облака зараженного воздуха на расчетную глубину определяем по формуле 9:

Гр 33,26

= 1,75 км

V 19

Для наглядности результаты расчета сводятся в таблицу 2. Таблица 2 - Результаты расчета масштабов заражения при полном разрушении Верхнекальмиусской

№ п/п Рассчитываемый параметр Условное обозначение Единица измерения Расчетная величина

заблаговременное прогнозирование аварийное прогнозирование

1 Время поражающего действия (время испарения) Т часы 0,89 0,8

2 Расчетная глубина зоны заражения Гр км 18,9 33,26

3 Площадь зоны возможного заражения Sв 2 км2 140,17 434

4 Площадь зоны фактического заражения ^ 2 км2 62,63 118,28

5 Ширина зоны заражения Ш км 2,72 2,45

б Время подхода зараженного облака на расчетную глубину Ь часы 1,05 1,75

Произведенные расчеты позволяют резюмировать:

1. В случае развития событий по назначенному сценарию (исходные данные для заблаговременного и аварийного прогнозирования) в зону поражения может попасть не только г. Донецк, но и значительная часть Донецко-Макеевской агломерации.

2. Учитывая время распространения зоны заражения на предельную глубину (1,05 часа в одном случае и 1,75 часа - в другом, а время подхода к самой городской застройке и вовсе исчисляется считанными минутами) всему населению нужно быть предельно готовым не только к укрытию от обстрелов, но и к возможности химического поражения. Здесь наблюдается дилемма: при укрытии от обстрелов население, как правило, спускается в убежища, находящиеся ниже уровня земной поверхности, однако облако зараженного воздуха, несущее хлор - будет стелиться именно по земле, заполняя все углубления, многократно увеличивая возможность поражения людей.

3. С учетом вышеуказанных пунктов выводов необходимо максимальное внимание уделять просвещению и тренировкам населения в области гражданской обороны и правилам действия в чрезвычайных ситуациях (особенно при химическом заражении местности).

Литература

1. СП 165.1325800.2014. Инженерно-технические мероприятия по гражданской обороне. Актуализированная редакция.Введ. 01.12.2014 . М.: Минстрой России, 2014. 71 с.

2. РД 52.04.253-90. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Введ. 01.07.90. - Л: Гидрометеоиздат, 1991. 23 с.

3. Толстых А.С., Живов А.А. Особенности прогнозирования химической обстановки при авариях на химически опасных объектах //Вестник Академии гражданской защиты: научный журнал. Донецк: ГОУВПО «Академия гражданской защиты» МЧС ДНР. - 2020. - Вып. 2 (22). - С. 16-21.

4. Толстых А.С., Живов А.А., Жамбовский А.А. Сравнительный анализ действующей и модифицированной методик прогнозирования масштабов зон заражения при авариях на ХОО при расчетах, приближенных к реальным условиям //Вестник Академии гражданской защиты: научный журнал. Донецк: ГОУВПО «Академия гражданской защиты» МЧС ДНР. - 2020. - Вып. 3 (23). - С. 20-28

5. Климат Донецка. https://www.meteoprog.ua/ru/climate/Donetsk