CC BY
144
ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ
РЕСУРСОВ
УДК 504.064
Э.М. Соколов, д-р техн. наук, проф.,
В.М. Панарин, д-р техн. наук, проф.,
(4872)35-37-60, panarin-tsu@yandex.ru,
А.А. Горюнкова, канд. техн. наук, доц.,
(4872)35-37-60, anna zuykova@rambler.ru,
Ю.Н. Пушилина, асп., (4872)35-37-60,
Н.А. Телегина, магистрант, (4872)35-37-60 (Россия, Тула, ТулГУ)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕОРИИ РАЗВИТИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА
Рассматривается теория развития чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) аварийно химически опасных веществ, которая учитывает основные факторы, влияющие на процесс распространения зараженного облака.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, аварийно химически опасное вещество, зараженное облако, безопасность, зона поражения, зона заражения.
Безопасность с момента зарождения человечества является важнейшей потребностью человека. Применительно к практическим потребностям безопасность жизнедеятельности - это состояние защищенности материального мира и человеческого общества от негативных воздействий различного характера. Как следует из этого определения, объектами безопасности жизнедеятельности являются природа и общество. При этом,
прежде всего, следует выделить объекты безопасности, характер угроз, сферы жизнедеятельности, а также защищенность жизненно важных интересов потенциально опасного объекта (ПОО) от внутренних и внешних угроз. В зависимости от характера угроз, их источника, специфики можно выделить общие виды безопасности, которые, в свою очередь, делятся на частные виды безопасности, зависящие от конкретных угроз.
В реальной жизни общества жизненно важные интересы всех объектов подвергаются воздействию самых различных видов угроз, поэтому особую практическую значимость имеет выделение видов безопасности по сферам или областям жизнедеятельности, в которых и проявляются эти угрозы. Именно по этому принципу классифицированы жизненно важные интересы, угрозы и направления обеспечения безопасности в Концепции национальной безопасности Российской Федерации.
Обеспечение безопасности населения в чрезвычайных ситуациях (ЧС): соблюдение правовых норм, выполнение эколого-защитных, отраслевых или ведомственных требований и правил, а также проведение комплекса правовых, организационных, эколого-защитных, санитарногигиенических, санитарно-эпидемиологических и специальных мероприятий, направленных на прекращение или предельное снижение угрозы жизни и здоровью людей и нарушений условий жизнедеятельности в случае возникновения чрезвычайных ситуаций.
Обеспечение безопасности населения в чрезвычайных ситуациях, обусловленных стихийными бедствиями, техногенными авариями и катастрофами, а также возможностью применения современного оружия (военные ЧС), является общегосударственной задачей. Решение данной проблемы входит в функциональные обязанности всех территориальных и ведомственных органов управления, а также подсистем, входящих в Российскую систему предупреждения и действий в ЧС (РСЧС).
Обеспечение безопасности граждан и защита общества в целом являются одними из наиболее важных функций государства. Опасность возникновения ЧС в современном мире носит комплексный характер и для эффективного решения проблемы защиты населения и территорий от ЧС необходимо оперативное создание и использование соответствующего комплексного картографического обеспечения, основанного на современных информационных технологиях и базах картографических данных. Особенно важно это для крупных промышленных центров, где большая часть территории находится в зоне повышенного риска.
Для решения проблемно-ориентированных задач по защите населения крупных городов от чрезвычайных ситуаций необходима разработка теории развития чрезвычайных ситуаций техногенного характера.
Рассмотрим ЧС, связанные с выбросами аварийно химически опасных веществ (АХОВ) в атмосферный воздух.
Распространение выбросов загрязняющих веществ в атмосфере и их воздействие на людей и окружающую среду являются важными факторами, которые определяют тяжесть последствий аварий на опасных производственных объектах.
Выявление тенденций загрязнения окружающей среды от источников загрязнения приземного слоя атмосферы представляет собой значительный интерес при решении различных проблем, связанных с экологогигиенической безопасностью. Особое место занимают задачи прогнозирования процессов загрязнения атмосферы и определения загрязнения приземного слоя атмосферы за определенный прошедший период.
Ряд аварий, происшедших за последние годы на химических предприятиях в разных странах, резко обострил проблему безопасности химического производства и привел к принятию в некоторых странах более жестких мер по контролю за производством, хранением и транспортировкой токсичных химических веществ. Наряду с этим на многих химических предприятиях контроль за соблюдением правил безопасности является недостаточным, отсутствуют планы действий в аварийных условиях, нет подготовленных для такого случая формирований и т.д.
Большинство аварий на химических производствах, в том числе и с выбросом аварийно химически опасных веществ, происходит из-за нарушений правил техники безопасности, общей слабой подготовки к ним. Как правило, отсутствует взаимодействие руководства предприятия с населением, которое даже не ставится в известность об опасности, грозящей со стороны этого предприятия. Поэтому должны быть предусмотрены совместные действия руководителей предприятий с региональным и городским руководством, пожарными, медицинскими службами, органами гражданской обороны, а также добровольными спасательными командами.
Прогнозирование распространения загрязняющих веществ в воз-дутттной среде является очень актуальным на сегодняшний день. В первую очередь это относится к моделям загрязнения атмосферы, где явления переноса и трансформации загрязняющих веществ происходят наиболее динамично.
Количество и характер моделей распространения загрязняющих веществ в воздушной среде определяют, с одной стороны, кругом задач, стоящих перед экологическими службами, а с другой - требованиями к точности моделирования. Разнообразие требований к характеру оценок загрязнения и высокая специфичность распространения выбросов примесей в различных метеоусловиях приводят к необходимости использования тех моделей, которые перечислены ниже.
После того, как примеси (радиоактивный или токсичный газ или аэ-
розоль) попадают в воздух, характер их перемещения и дисперсии опреде-ляяются их собственными физическими свойствами и свойствами атмосферы, в которых они находятся. Для того чтобы наглядно показать характер их поведения, полезно рассмотреть поведение потока в целом после его попадания в атмосферу (рис. 1) [1].
Рис. 1. Поведение загрязняющих веществ, выброшенных в атмосферу
Выбросы проникают в атмосферу с определенными скоростью и температурой, которые обычно отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды. Движение выбросов имеет вертикальную составляющую, обусловленную начальной вертикальной скоростью потока и разницей температур, до тех пор, пока не исчезнет воздействие этих факторов. Этот вертикальный подъем выбросов называют подъемом шлейфа. Он приводит к изменению эффективной высоты Н точки выброса. На путь распространения выброса воздействуют также изменения потоков вблизи таких препятствий, как здания и сооружения.
Существует множество факторов, которые влияют на размер и на форму зон опасности, возникающих вследствие выброса паров и газов в атмосферу. Чтобы проиллюстрировать, что происходит с облаком при рассеянии в атмосфере, стоит воспользоваться некоторыми рисунками и графиками. На рис. 2 показаны четыре первые стадии движения облака по направлению ветра. В нулевой момент времени формируется мгновенное облако, концентрация пара в котором близка к 100 %-ной концентрации чистого пара, а воздух вокруг облака еще не загрязнен.
Согласно рис. 2 в момент времени 20 облако вырастает в размере за счет смешивания с воздухом, а та его часть, где концентрация пара все еще 100 %, становится меньше. Концентрация пара в промежутке изменяется
от 100 % у границы с ядром до 0 у границы облака. К моменту времени 40 ядро 100 % пара становится еще меньше, а к моменту 80 исчезает вообще.
Направление ветра
100% воздух вне
100% чистый пар
Время = 0
Паровоздушная
Время = 20
Время = 40
Время =
Рис. 2. Начальные стадии рассеяния облаков газа
Начиная с этого момента, пик или максимальная приземная концентрация, будет становиться ниже 100 % и будет уменьшаться. В нижней части рис.2 показана ранее приведенная последовательность событий в виде сведенных в одну диаграмму графиков. На рис. 3 показано сечение концентрации газа в облаке по времени. Облако становится все более и более протяженным, а пик концентрации, точка в его центре, все ниже и ниже [2,3].
Рис. 3. Сечения концентрации в облаке по времени
245
В какой-то точке пиковая концентрация газа или пара станет меньше опасного уровня, какое бы значение концентрации для него не определялось. Если попытаться изобразить на рисунке зависимость пиковой приземной концентрации в центре облака от времени или расстояния, то получим кривую, похожую на изображенную на рис. 4.
Рис. 4. Максимальная концентрация в воздухе по времени или расстоянию
Рис. 3, 4 показывают, как изменяется площадь от момента, когда облако только что образовалось, до момента, когда в каждой точке облака концентрация становится ниже выбранных значений предельных концентраций.
На рис. 5 и 6 приведены изоплеты концентраций в различные моменты времени шлейфа газа или пара для мгновенного и постоянного источников.
Как в случае мгновенных, так и непрерывных выбросов, размеры зон опасности будут больше и по длине, и по ширине, когда выбрасывается большее количество вещества. Особенно важны размеры площади испарения, когда пар или газ, кипя или просто испаряясь, попадает в атмосферу из лужи разлития. Из небольшой лужи будет испаряться небольшое количество вещества, из больших луж будет более высокий уровень выброса, а следовательно, они будут приводить к более высокой опасности.
Рис. 5. Изоплеты в непрерывных шлейфах: все окружности - изоплеты одной и той же концентрации в различные моменты времени
Рис. 6. Изоплеты в непрерывных шлейфах: большие овалы представляют собой изоплеты низких концентраций
Выброшенные в атмосферу газы или пары могут быть как тяжелее, так и легче воздуха. В общем, более легкие, чем воздух, газы, пары или смеси будут смешиваться с воздухом таким же образом, как газы, близкие по плотности к воздуху. Приземные концентрации, вероятно, должны быть
ниже, так как точка с максимальной концентрацией вдоль линии распространения облака будет подниматься. Скорость поднятия такого облака будет являться функцией разности плотностей между газом и воздухом и скоростью ветра. Сильный ветер будет стремиться удержать облако у поверхности Земли более длительное время. На рис. 7 эта идея проиллюстрирована для отдельных облаков, но то же самое применимо и к шлейфам [1].
Рис. 7. Поведение облаков газа с меньшей плотностью, чем у воздуха
Более тяжелые, чем воздух, газы будут стремиться опуститься на землю и могут при определенных условиях растекаться по поверхности местности даже поперек или против направления ветра. Однако по мере того, как эти пары разбавляются воздухом, в некоторое время они начинают вести себя как газы, близкие по плотности к воздуху. Таким образом, рассмотрение дисперсии тяжелых газов или паров более важно для высоких концентраций вблизи источника, чем для низких концентраций, которые находятся на уровне ПДК токсических веществ.
Некоторые выбросы осуществляются через трубы, выхлопные клапаны и т.п. Хотя в этом случае все другие принципы распространения применимы в такой же степени, приземная концентрация может значительно отличаться от таковой в случае источников у поверхности Земли. Рис. 8 поясняет причины этого различия. Наиболее важно здесь понять, что точка максимальной концентрации будет находиться на центральной
линии распространения облака или шлейфа по направлению ветра.
Если пар или газ легче воздуха, появление загрязнителя вблизи поверхности будет сильно зависеть от скорости ветра. Как показано на рис. 8, облако или шлейф могут подниматься быстро, медленно или не подниматься вообще в зависимости от скорости ветра и скорости самого выброса в воздух.
Рис. 8. Некоторые эффекты от высотных выбросов
Важно также знать, что, помимо паров и газов, ветром вдоль его направления могут распространяться дымы, туманы, аэрозоли, а также тонкие пыли и порошки. Некоторые выбросы содержат смеси химических паров, аэрозолей и пыли. Большие по размерам и по массе капельки жидкости и твердые частицы могут «выпадать» из облаков и шлейфов на поверхность Земли вблизи их источников. Мелкие же частицы проходят та-
кие же расстояния, как и сами пары и газы. Капли летучих жидкостей могут испаряться как во время переноса ветром, так и после выпадения на поверхность Земли. Они могут также заставить облако или шлейф вести себя так, как будто он тяжелее воздуха, в то время как в чисто газообразном виде они были бы легче воздуха и нейтрально плавучими. Все эти явления влияют на околоземную концентрацию загрязняющего газа, в общем приводя к последствиям сверх тех, что были предсказаны в отсутствие туманов, дымов, аэрозолей или пыли.
Пар или газ может выбрасываться в атмосферу и в виде струи под высоким давлением. Сильная струя пара или газа сначала вызывает быстрое перемешивание, приводя, таким образом, к уменьшению концентрации опасного газа или вещества. Однако далее, когда облака или шлейфы движутся по направлению ветра, это становится менее значимым.
Реально поверхность, на которой происходит рассеяние газа, в различных местностях не является ровной. Такие топографические особенности влияют на то, как распространяется газ или пар. В большинстве случаев степень «бугристости» способствует ускорению смешения газа с воздухом и рассеянию.
Направление ветра редко остается постоянным в период выброса: оно может меняться неоднократно. Такие изменения в направлении ветра называют блужданием. Практическая значимость учета этого явления заключается в том, что зоны, в которых необходимы защитные действия, оказываются больше, чем те, что предсказываются применением методов оценки дисперсии, и при аварии это может потребовать дополнительных мер по защите населения.
Рассмотренные основные факторы, учитываемые в теории развития ЧС техногенного характера, связанных с выбросами АХОВ в атмосферный воздух, позволяют более точно прогнозировать процесс распространения зараженного облака, оценивать последствия для здоровья населения и для окружающей среды, и на основе оценки позволяют более эффективно принимать меры по защите населения в результате развития ЧС.
Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П216 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф» в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Список литературы
1. Повышение эффективности принятия управленческих решений при чрезвычайных ситуациях с выбросом аварийно химически опасных веществ / Э.М. Соколов [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. 161 с.
2. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышлен-
ными выбросами / Э.М. Соколов [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 155 с.
3. Повышение эффективности принятия управленческих решений при оценке и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций/
А.А. Зуйкова [и др.] // Вестник ТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. 2008. Вып. 1. С. 179-183.
E. Sokolov, V. Panarm, A. Zuykova, J. Pushilina, N. Telegina
Improvement of the theory of development emergency
The theory of emergencies that are related to the ejection of emergency chemically hazardous substances, which takes into account the main factors influencing the spread of contaminated clouds is discussed.
Key words: emergency, emergency chemically hazardous substance contaminated with cloud, security, impact area, zone of contamination.
Получено 02.11.10
УДК 504.064
Э.М. Соколов, д-р техн. наук, проф.,
В.М. Панарин, д-р техн. наук, проф.,
(4872)35-37-60, panarin-tsu@yandex.ru,
А.А. Горюнкова, канд. техн. наук, доц.,
(4872)35-37-60, anna zuykova@rambler.ru,
Ю.Н. Пушилина, асп., (4872)35-37-60,
Н.А. Телегина, магистрант, (4872)35-37-60 (Россия, Тула, ТулГУ)
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАЗВИТИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА И СНИЖЕНИЯ РИСКА ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
Рассматриваются математические модели развития чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом аварийно химически опасных веществ, и снижения риска их возникновения, которые учитывают основные факторы, влияющие на процесс распространения зараженного облака. При разработке математических моделей используются так называемые сети стохастической структуры типа Петри.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, аварийно химически опасное вещество, зараженное облако, безопасность, риск.
Особенности развития аварии с выбросом химических веществ позволяют определить систему управления процессом развития аварии на химически опасных объектах как систему организационно-экономического управления, которая характеризуется комплексным взаимодействием эле-
