Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие Романов Вадим

Несмотря на спад производства и осуществление ряда природоохранных мер экологическая ситуация в нашей стране остается неблагополучной, а загрязнение природы — высоким.

Накопившиеся за десятилетия экологические проблемы усугубляются проблемами участившихся в последние годы аварий и катастроф природного и техногенного характера. Не отвечает нормативным требованиям качество воды в большинстве водных объектов, усиливаются масштабы эрозии и утраты плодородия почв. Деградируют полезащитные и водоохранные лесонасаждения, исчезают популяции редких видов флоры и фауны.

Недостаточно регулируемая эксплуатация природных ресурсов ведет к деградации целых природных комплексов. Обостряются экологические проблемы городов. Растут площади лесов, погибающих от пожаров и промышленных выбросов.

Значительные территории России опасно загрязнены в результате Чернобыльской катастрофы и радиационных аварий. Закончились эксплуатационные сроки многих атомных подводных лодок, ракетно-космических систем и ракетных топлив, места хранения и объекты по производству химического оружия создают неприемлемый риск для населения и экосистем.

Атмосфера является важнейшей природной средой, поддержания естественных фоновых показателей которой является одним из важнейших условий гармоничного развития жизни на планете. В то же время среднегодовые уровни загрязнений атмосферного воздуха в десятках городов превышают санитарные нормы. Большой, а иногда определяющий вклад в этот процесс привносят аварии, связанные с выбросом загрязняющих веществ в атмосферу в виде газов, паров, аэрозолей и относительно крупной твердой фазы.

Огромный планетарный энергетический и химический вклад человека в процессе развития многочисленных производств, сопоставимый с глобальными геологическими процессами, вызывает активизацию крупномасштабных же природных процессов. В частности — развитие тепличного эффекта и разрушение защитного озонового слоя, что грозит очередной экологической катастрофой уже не только всему человечеству, но и биосфере в целом. Ее предотвращение уже сейчас требует совместных действий всех экономически развитых стран, к чему пока не готовы ни правительства, ни народы этих стран.

Повсеместно отмечается, что количество техногенных происшествий (аварий и катастроф) имеет устойчивую тенденцию к возрастанию. Причем их вклад в суммарный негативный эффект деструктивного воздействия на природные среды стремительно увеличивается.

1.1. Понятие выброса и классификация аварий

Основными материальными носителями негативного воздействия человека на природные среды являются выбросы. Рассмотрим физическое содержание этого понятия, являющегося основополагающим при дальнейшем изложении материалов книги.

В результате жизнедеятельности живых организмов, различных явлений природы, а также хозяйственной деятельности человека возникают ограниченные объемы газов, содержащие в себе взвешенные жидкие или твердые вещества. С такими газообразными объемами, в дальнейшем кратко именуемыми выбросами, нам приходится иметь дело или наблюдать их ежедневно. Сюда можно отнести и шлейф из фабричной трубы или из двигателя самолета, облачко пара, вырывающееся из носика чайника, а также периодически выдыхаемые нами порции воздуха, насыщенного продуктами жизнедеятельности.

Подобные выбросы находятся под контролем человека, а потому являются неопасными. При непредвиденных ситуациях и авариях возникают неконтролируемые выбросы загрязняющих и токсичных веществ. Они часто являются объектами повышенной опасности и риска и привлекают профессиональный интерес специалистов.

Выбросом будем называть объем газа или пара со свободными или частично свободными границами, физические характеристики которого (состав, скорость движения, температура и т. п.) существенно отличаются от аналогичных характеристик вещества окружающей среды.

Из-за обмена вещества выброса с веществом окружающей среды вследствие диффузии его границы не являются четко выраженными. Они определяются областью, где выброс не потерял своей физической индивидуальности на фоне окружающей среды.

Процесс образования выброса может быть стационарным — продолжающимся практически беспрерывно и поэтому независящим от времени, и кратковременным — продолжающимся некоторое ограниченное время. Мгновенный выброс является предельным случаем кратковременного выброса при времени его образования, стремящемся к нулю. Характерным примером мгновенного выброса является выброс при взрыве. Его можно рассматривать как объем смеси воздуха и продуктов чрезвычайно быстрых химических реакций при переходе потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию продуктов произошедших реакций.

Кратковременными или стационарными могут быть выбросы из труб или сопел, выбросы продуктов горения, дымления или испарения в зависимости от времени их образования и газодинамических характеристик вещества выброса и окружающей среды.

На газообразные выбросы в общем случае действуют объемные и поверхностные силы. Изменение геометрических, массовых, динамических и концентрационных характеристик таких образований являются сложной аэродинамической задачей. Такие задачи являются актуальными при рассмотрении проблем антропогенного загрязнения окружающей среды, особенно при авариях.

Твердофазные выбросы, возникающие при взрывах, являются кратко-временными (или мгновенными), так как время их формирования на границе первичного взрывного источника составляет доли секунды. При дальнейшем движении в атмосфере по баллистическим траекториям на них действуют сила тяжести, а также сила аэродинамического сопротивления движению.

Перейдем теперь к определению понятий техногенных аварийных ситуаций или аварий и их источников.

В общем случае аварийная ситуация или авария на предприятии может быть определена [1] как «разрушительное высвобождение собственного энергозапаса промышленного предприятия, при котором сырье, промежуточные продукты, продукция предприятия и отходы производства, установленное на промышленной площадке технологическое оборудование, вовлекаясь в аварийный процесс, создают поражающие факторы для населения, персонала, окружающей человека среды и самого промышленного предприятия».

Теоретически на любом объекте можно представить бесконечное количество сценариев аварий, однако в действительности они могут быть реализованы далеко не все. Часть аварийных ситуаций невозможны по физическим соображениям, частично из-за нарушения причинно-следственных условий и связей. Такие сценарии должны быть отметены на начальной стадии рассмотрения возможных аварий на данном объекте; остальные сценарии являются теоретически возможными или гипотетическими. В соответствии с этим гипотетической может быть названа любая авария, порожденная инициирующими событиями, не запрещенными законами природы [1].

В свою очередь гипотетические аварии по тяжести последствий весьма условно могут быть подразделены на проектные и запроектные или крупные.

Проектная авария — совокупность аварий, предусмотренных системами обеспечения безопасности промышленного предприятия. При проектных авариях предполагается гарантированное обеспечение определенного уровня безопасности, рассчитанное при проектировании объекта.

Химически опасные объекты, в состав которых входят емкости с агрессивными и высокотоксичными средами — жидкостями или газами, могут служить источником аварий нового типа — аварий с отсроченным временем наступления. Такая авария наступает, если в теле металлической емкости хранения продукта под действием поверхностных или объемных химических реакций с участием компонентов наполнителя нарушается структура кристаллической решетки металла. Это приводит к потере прочности и растрескиванию изделия, а в конечном счете к и его разгерметизации. Подобные реакции возможны при коррозии металла, кристаллитном и водородном охрупчивании, когда без всяких видимых причин изделие теряет целостность и протекает.

При длительном хранении продукта отсроченная аварийная ситуация возникает обычно после происшествия проектной аварии на химическом объекте, косвенно затронувшей емкость с продуктом. Она является «спусковым крючком» и катализатором деструктивных реакций в объеме металла и через некоторое время приводит к новой проектной или запроектной авариям. Такие аварии еще носят название триггерных [170].

Воздействиями, приводящими к авариям с отсроченным временем наступления, могут быть механические удары и взрывы, а также мощные электромагнитные и электрические импульсы и пробои. Любое внешнее воздействие на металл, способное инициировать в нем деструктивные реакции, может запустить механизм ускоренного разрушения и привести к отсроченной проектной или запроектной аварии. Аварийные ситуации с отсроченным временем наступления при пожаре на арсенале хранения химического оружия рассмотрены в работе [171].

При крупной аварии промышленного предприятия может возникнуть чрезвычайная ситуация, которая в техносфере определяется [1] как «комплекс событий, протекание или результат наступления которых приводит к реализации в районе инцидента опасностей для жизни и здоровья людей, а также материальных ценностей, нарушению экономической деятельности, нормального жизнеобеспечения, функционирования систем управления и связи, а также экологического равновесия». Чрезвычайная ситуация обуславливает необходимость привлечения внешних по отношению к аварийному району сил и средств.

Во всем мире наблюдается неуклонный рост количества аварий, связанный с интенсификацией хозяйственной деятельности человека, использованием все более сложной и энергоемкой техники и повышением концентрации производств.

Кроме того, свою лепту в создании аварийных ситуаций вносит и так называемый «человеческий фактор». Он характеризуется пренебрежением и некомпетентностью к технике безопасности при эксплуатации объекта и просчетами и ошибками при его проектировании и создании. Поэтому об абсолютно безаварийном промышленном предприятии можно говорить как о недостижимом идеале — любое производство, содержащее энергоактивные компоненты, является объектом ненулевого риска. В качестве подобных компонентов могут выступать процессы и материалы различной природы: физической, химической, биологической, радиационной. Все они являются потенциальными источниками нештатных ситуаций и аварий.

По характеру возникновения и протекания все многообразие техногенных аварийных происшествий (аварий), связанных с интенсивным высвобождением внутренней энергии рабочего тела, может быть классифицировано на три категории: пожары, взрывы и токсические выбросы (Рис. 1.1).

Пожары, являющиеся одними из самых распространенных аварийных происшествий, имеют в своей основе процессы окисления вещества, находящегося в газовой или паровой фазах. Выделяющаяся при этом теплота поддерживает реакцию горения. Например, при горении углеводородов они разлагаются на более короткие цепочечные углеводороды, которые, в свою очередь, сгорая, дают тепло и многие химические соединения, часть из которых токсична.

Характер пожаров в ограниченном и безграничном пространствах существенно различен из-за различия движений воздуха — конвективном в закрытом помещении и ветровом переносном на открытом пространстве. Условно пожары в ограниченном пространстве можно подразделить на локальные — относительно слабые и объемные, охватывающие практически все внутреннее пространство.

Пожары на открытом воздухе (в безграничном пространстве) условно подразделяют на локальные, площадные, объемные и струйные. Площадные пожары, как правило, характеризуются масштабами, сопоставимыми или значительно превышающими характерный размер пограничного слоя атмосферы (> 0,5 км). Площадное горение обычно охватывает полномасштабные проливы горючих веществ, леса и т. п.

Струйные пожары характерны в местах добычи, транспортировки и использования нефтепродуктов и газа, при аварийном разрушении сосудов с химически активными веществами, когда горящее рабочее тело поступает в атмосферу под большим давлением, а также при возникновении тепловых колонок — мощных восходящих потоков высокоэнергетичных продуктов горения.

Рис. 1.1. Схема возможного развития аварийных ситуаций с поступлением вредных веществ в атмосферу.

Объемный пожар характерен для разгерметизации резервуаров с жидкостями или газами, когда происходит их взрывообразное расширение и загорание. Такие аварии возникают при вскипании воспламеняющихся жидкостей и сжиженных газов после разрушения емкостей, в которых они находились.

При авариях взрывного характера внутренняя энергия рабочего тела в результате окислительных реакций выделяется чрезвычайно интенсивно. Взрывы в безграничном пространстве и в помещениях происходят практически одинаково. Они классифицируются на взрывы конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) и объемные взрывы.

Конденсированные взрывчатые вещества существуют в твердом и жидком виде. Их плотность составляет не менее (1,5–1,8) 10³ кг/м³. Скорость высвобождения энергии в конденсированных ВВ приблизительно равна скорости звука в веществе (от 2 до 9 км/с). Взрывы сопровождаются ударными волнами и излучением, приводящими к разрушениям объектов, пожарам и поражениям персонала.

При объемных взрывах окисляющееся рабочее тело находится в виде смеси воздуха, пыли, пара или аэрозоли. Плотность таких смесей слабо отличается от плотности атмосферного воздуха. Окислительная взрывообразная реакция в таких объемах может быть инициирована механически, электрическим разрядом или теплом.

Аварии в виде токсических выбросов представляют собой разовые интенсивные (продолжительностью не более часа [1]) поступления в атмосферу токсичных веществ — ингредиентов, которые, «будучи введены внутрь или поглощены живыми существами, приводят к их гибели или вредят здоровью». В организм токсические вещества могут попадать с пищей и водой (перорально), через кожные покровы (кожно-резорбтивно) и с воздухом при вдыхании (ингаляционно).

Аварии в виде токсических выбросов протекают по-разному в зависимости от того, в какой среде они происходят — в ограниченном пространстве или на открытом воздухе. В зависимости от состояния вещества токсические выбросы в безграничном пространстве существуют в виде проливов (разлитий), взвесей токсикантов в атмосферном воздухе (туманов, задымлений, запылений) или клубов (облаков).

В ограниченном пространстве токсические выбросы находятся либо в виде проливов, либо в виде гомогенных выбросов, заполняющих весь объем помещения [2].

1.2. Сценарии развития аварийных ситуаций и их хронология

Возникновение и развитие аварийных ситуаций на различных промышленных объектах могут происходить по бесконечному количеству вариантов, и полное их рассмотрение, учет и обсуждение не имеет смысла. Целесообразно рассмотрение происшествий ограничить априори введением какого-либо критерия, уровня или ограничения.

В настоящее время не решено [1], является ли индивидуальный или социальный риск той величиной, на основании которой следует принимать решение о приемлемости той или иной технологии с позиций безопасности.

До сих пор нет однозначного ответа на вопрос: допустима ли катастрофическая авария, если ее вероятность мала, и можно ли при ее угрозе эксплуатировать промышленный объект? И хотя с моральных позиций любой (положительный или отрицательный) ответ на этот вопрос представляется спорным, для целей практики анализ сценариев наихудших или максимально возможных аварий вполне оправдан, т. к. его результаты дают информацию для подготовки к действиям в чрезвычайных ситуациях. Такой анализ определяет возможные затраты сил и средств для защиты персонала, населения и окружающих природных сред.

Кроме того, целесообразно разработать и подробно исследовать последствия наиболее вероятной аварии для данного предприятия или промышленного объекта, основываясь на анализе статистических данных по происшествиям, последовательности (хронологии) их развития и заключениях экспертов.

Последовательности развития гипотетических аварий, схема которых приводится на Рис. 1.2, показывают, что практически при любой крупной аварии на промышленном объекте возникает очаг загорания, обусловленный большим количеством горючих материалов, имеющихся на производстве.

Известно, что при воспламенении горючих газовых или пылегазовых смесей по ним распространяется пламя, представляющее собой супер-позицию химических реакций с выделением большого количества тепла. При детонации эти процессы происходят чрезвычайно быстро, что приводит к образованию взрывной волны; при сравнительно медленном горении большинства пылегазовых горючих смесей взрывная волна не возникает. Поэтому, несмотря на широкое распространение в литературе такого названия, взрыва как такового не возникает. Подобное ошибочное толкование горения (без детонации) газообразных и парообразных веществ связано, очевидно, с видимыми результатами этого явления, приводящего к повышению давления в помещениях и к их частичному или полному разрушению. Поэтому, если не разделять процессы горения, носящего по своим внешним проявлениям характер взрыва, и собственно разрушения оболочек, а рассматривать все явление в целом, то такую аварийную ситуацию можно считать взрывом.

Рис. 1.2. Схема хронологии развития аварий.

Таким образом, называя горючие газообразные и парообразные вещества, а также пылегазовые смеси взрывоопасными, а их горение — взрывом, следует помнить об условности этих терминов. На практике часто невозможно с полной уверенностью идентифицировать горение и взрыв, а также установить последовательность этих событий. Следует отметить, что вероятность пожара после взрыва очень велика. Реализация взрыва после пожара или пожара после выброса токсического вещества в атмосферу в заметной степени обусловлены термодинамическими характеристиками рабочих тел, их физическим состоянием, наличием доступа окислителя и т. п. В любом случае, как это следует из схемы Рис. 1.2, авария на крупном промышленном производстве приводит к выбросу в окружающую среду токсических веществ

1.3. Математическое моделирование атмосферных выбросов

В настоящее время усилиями ученых всего мира создан единый фонд моделей процессов, протекающих в живой и неживой природе. Эти модели, как правило, основываются на небольшом числе фундаментальных принципов, связывающих воедино разнообразные факты и представления естественных |наук. Каждая модель в этом фонде занимает определенное место, установлены пределы ее применимости и связь с другими моделями. Наличие такого фонда моделей придает уверенность исследователям при их использовании в практической деятельности — ведь каждая из этих моделей благодаря связям с другими моделями опирается не столько на специфическую проверку ее самой, сколько на весь практический опыт человечества. Для каждого конкретного объекта в этом фонде можно выбрать наиболее подходящую модель или модифицировать ее из близких по характеру моделей.

Применительно к задачам охраны окружающей среды развитость теорий возникновения и трансформации загрязняющих веществ в природных средах, проявившая себя в наличии грандиозного фонда природных процессов, с одной стороны, определяет высокую эффективность использования математических моделей и методов в инженерной практике, а с другой стороны — дает исследователям единую картину окружающего мира.

В целом основу конструктивного подхода к проблеме взаимодействия человека с природой дает моделирование (в частности, математическое) в сочетании с целенаправленными экспериментальными исследованиями. Загрязнение природных сред — одно из наиболее типичных проявлений такого взаимодействия.

Множество факторов, которое необходимо учитывать в моделях, находится на стыке ряда исследовательских программ [18–23], реализуемых в рамках наук о Земле. Комплексный характер подобных программ и наличие сложных прямых и обратных связей между гидрометеорологическими процессами, загрязнением природных сред, биосферой активно стимулируют разработки теоретических основ и системной организации математических моделей. На этом более высоком уровне системная организация оперирует с «простейшими» моделями как с элементарными объектами.

Применительно к математическому моделированию процессов возникновения и развития в атмосфере аварийных выбросов загрязняющих и токсичных веществ будем исходить из моделей физических процессов. К ним относятся модели гидротермодинамики атмосферы различных пространственно-временных масштабов, а также модели переноса и трансформации примесей, различные способы параметризации и т. п. В литературных источниках имеется достаточно много подобных разработок [21–23]. Их физический смысл и различия между ними зависят от конкретной постановки задач. В любом случае применительно к решению задачи методами численного моделирования исходят из понятий функций состояния и параметров.

Для удобства и краткости изложения воспользуемся операторной формой [19]. Обозначим векторную функцию состояния через . К числу ее составляющих относятся поля гидрометеорологических элементов и концентраций загрязняющих примесей.

Вектор параметров обозначим . Параметрами являются коэффициенты уравнений, параметры области интегрирования D_t сеточной области D^h_t, области размещения наблюдательных систем D^m_t , начальные значения функций состояния, распределения и мощности источников тепла, влаги и других примесей и компонентов.

В операторном виде математическая модель описываемого процесса имеет следующий вид:

Здесь:

 — нелинейный дифференциальный оператор матричной структуры, действующий на множествах функций  и ;

Q(D_t) — пространство функций состояния, удовлетворяющих граничным условиям;

R(D_t) — область допустимых значений параметров;

В — диагональная матрица, в которой все или часть элементов могут быть нулями;

— источники;

 —, где D — область изменения пространственных переменных;

 — интервал изменения времени t.

Входящий в соотношение (1.1) оператор  — определяется уравнениями гидротермодинамики системы атмосфера — почва — вода, переноса и трансформации примесей, а также условиями на границах раздела.

Граничные и начальные условия записываются для конкретного физического содержания модели.

В частности, для математической модели переноса примесей в атмосфере, которая входит в состав уравнения (1.1) в качестве составной части, получаем уравнение

Эта модель учитывает процессы возможной трансформации веществ, турбулентного обмена и обменных процессов между природными средами: водой, воздухом и почвой.

В соотношении (1.2):

 — концентрация примесей;

 — вектор скорости с компонентами u,v,w в направлении пространственных координат  соответственно;

 и  — коэффициенты турбулентности в горизонтальных (x₁,x₂) и вертикальном (х₃ = z) направлениях;

индексом s отмечены операторы, действующие в горизонтальных направлениях;

 — операторы трансформации примесей;

 — источники примесей (одновременно учитываются источники естественного и антропогенного происхождения).

Отметим, что операции с вектором  реализуются покомпонентно, т. е. уравнение (1.2) представляет собой систему n уравнений в частных производных. Оператор  — в общем случае нелинейнй. Он определяет скорость изменения концентраций c_i за счёт химических и фотохимических реакций. Скорости вертикального движения частиц (оседания или всплытия) учитываются функцией w. Примеси — многокомпонентны, количество компонент — входной параметр модели. На практике параметр модели определяется количеством химических веществ, участвующих в реакциях.

Модель дополняется начальными и граничными условиями:

Здесь:

R₁ и R ₂ — некоторые операторы;

 — источники и стоки примесей на верхней и нижней границах области D.

Для глобальной модели задаются условия периодичности всех функций на поверхности сферы, а для моделей на ограниченной территории — условия на поля концентраций на боковых границах области D_t.

Процессы взаимодействия примесей с подстилающей поверхностью, включая обменные процессы между воздухом, водой, почвой и растительностью, описываются оператором . Причем вектор концентраций  включается в вектор-функцию состояния системы в целом, а коэффициенты уравнений (1.2) и граничных условий (1.4), (1.5), а также начальные условия (1.3), функции источников  и константы скоростей газофазных реакций в операторе  включаются в вектор параметров.

Отметим, что в вычислительных моделях [19] используется расширительное понятие параметров, включая в их число не только численные значения некоторых величин, но и алгоритмы их вычисления. Тогда в число параметров попадают схемы реакций, алгоритмы вычислений радиационных потоков тепла, коэффициентов турбулентного обмена, а также коэффициентов в моделях взаимодействия воздушных масс с подстилающей поверхностью.

Развитием представленных здесь подходов для построения дискретных аналогов моделей и вычислительных алгоритмов применяются вариационные принципы [19], использование которых дает качественно новую информацию о поведении математической модели.

Очевидно, что в процессе численного моделирования не должен потеряться смысл, заложенный в исходных постановках задачи, а результаты вычислений должны соответствовать реально протекающим процессам.

При решении практических задач всегда остро стоит проблема задания входных параметров и начальных данных, информация о которых, как правило, является отрывочной и неполной. Поэтому использование многомерных и многокомпонентных моделей, создавая иллюзию детального рассмотрения процесса, не способно выдать результаты, точность которых превышает точность исходных постановочных параметров. Каждая математическая модель только тогда может считаться состоявшейся, когда проведена оценка достоверности результатов ее использования.

1.4. Типизация выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

Выбросы загрязняющих и токсичных веществ в атмосферу могут быть типизированы по разным параметрам:

— по времени формирования выброса (мгновенные, кратковременные, продолжительные);

— по пространственной протяженности выброса (локальные, компактные и протяженные);

— по степени турбулизации вещества (турбулентные и ламинарные);

— по наличию вещества в разных фазах (плазменные, газообразные или парообразные, жидкофазные или твердофазные, многофазные);

— по химической активности вещества (химически активные и пассивные).

В «чистом» виде при таких типизациях выбросы токсикантов встречаются сравнительно редко; обычно антропогенный выброс представляет собой комбинацию типов разных видов. Например, струйные течения (струи) включают в себя сочетание пространственно-временной типизации выбросов вдобавок к другим типизациям в зависимости от динамической и химической активности вещества, а также наличия одной или нескольких фаз состояния вещества.

Термики можно определить как компактные вихревые выбросы вещества разной степени химической активности, клубы — как турбулентные компактные объемы и т. п.

В терминах временной типизации, являющейся в наибольшей степени инструментально обоснованной, выбросы условно можно подразделить на мгновенные, продолжительные и кратковременные. Рассмотрим условия формирования и специфику таких выбросов.

Мгновенные выбросы возникают при чрезвычайно быстром выделении энергии и (или) вещества в окружающее пространство. При этом выброс формируется в виде тора с циркуляционным движением вещества относительно направления выхода рабочего тела. Подобные выбросы возникают при взрыве ядерного заряда, емкостей с углеводородным топливом в газовой фазе или перегретым паром, при взрыве детонирующего химического взрывчатого вещества (ВВ) и т. п. Распределение физических характеристик в таком выбросе имеет существенно неоднородный характер, и появившийся после взрыва тороидальный объем под действием сил плавучести начинает двигаться в атмосфере.

Продолжительные выбросы формируются в виде протяженных образований (струй) — объемов с неоднородным вдоль течения распределением динамических, тепловых и концентрационных характеристик. В зависимости от соотношения плотности вещества струи и вещества окружающего воздуха они либо всплывают, либо опускаются. Расчет характеристик струйных течений является хорошо изученным вопросом.

Кратковременные выбросы возникают в виде компактных клубов и термиков. Клубом называется турбулентный изолированный объем хаотически движущихся вихрей разного размера и ориентации. Растянутость по времени выхода рабочего тела и высокий уровень его турбулентности приводят к тому, что к моменту окончания выхода загрязняющих веществ в атмосферу формируется ограниченный объём практически однородный по составу с относительно небольшими отличиями размеров в разных направлениях. Термик отличается от клуба наличием кругового движения вещества относительно направления его движения.

Следует подчеркнуть условность разделения источников по продолжительности выхода рабочего тела. Это касается четкой временной границы, отделяющей мгновенные выбросы от кратковременных. На практике случается, что выброс, происходящий короткое время, формирует практически однородное пространственное распределение массовых, термодинамических и концентрационных характеристик. Такой случай может реализоваться при малом отличии плотности рабочего тела от плотности окружающей среды (инжекция газа при Т = Const, «взрывающиеся проволочки» и т. п.). Основным критерием кратковременности выброса в любом случае следует считать после прекращения действия источника наличие сильно турбулизованного, а потому хорошо перемешанного вещества в компактном объеме.

Применительно к вопросам математического моделирования основной характеристикой выброса, определяющей его рассмотрение как физического объекта, является его фазовое состояние [73]. В зависимости от этого применяется эйлеров, либо лагранжевый подходы. В свою очередь типизация газопарообразных выбросов по пространственно-временной и турбулентной характеристикам также важна, так как она определяет характер уравнений сплошной среды, описывающих возникновение и эволюцию подобных образований — либо это уравнения, характеризующие ламинарное поступательное или вращательное движение сплошной среды, либо уравнения типа Навье-Стокса, описывающие движение турбулентной компактной или протяженной области.

Выбросы загрязняющих и токсичных веществ, связанные с деятельностью человека, по характеру возникающего источника целесообразно подразделить на твердофазные (жидкофазные) и газообразные (парообразные). Причем для описания движения твердой (жидкой) примеси используются уравнения баллистики, для газовой или паровой — уравнения сплошной среды. В дальнейшем для сокращения записи будем указывать только газообразные и твердофазные выбросы, имея в виду, что все получаемые результаты пригодны и для паровых и жидких фаз, соответственно.

Отметим, что антропогенные твердофазные выбросы имеют преимущественно взрывное происхождение в отличие от парогазообразных, которые возникают от многих причин: при взрыве, испарении, горении и др. Наиболее важные для практических приложений газопаровые выбросы реализуются в виде струй, термиков и клубов — турбулизованных объемов, термодинамические и концентрационные характеристики которых отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды.

Необходимо отметить, что предлагаемая типизация выбросов по фазовому характеру создаваемых ими источников загрязнений объектов имеет универсальный характер, т. е. может быть применена и к радиационным, и к химическим авариям. В любом случае эти аварии приводят к поступлению в атмосферу определенных количеств хорошо перемешанных загрязняющих веществ в парогазовой фазе, либо твердых (жидких) частиц. В конечном счете при разбавлении в атмосфере аварийного парогазового выброса, либо выпадении твердофазного, формируются пространственное и наземное поля концентраций токсикантов.

Кратковременные твердофазные и газообразные выбросы, возникающие в атмосфере в результате быстрой трансформации внутренней энергии рабочего тела в другие виды энергии (в тепловую при горении, в кинетическую движущихся частиц при взрыве, в энергию фазовых переходов при испарении) представляют важное место в проблеме загрязнения окружающей среды антропогенными источниками. Твердофазные выбросы при этом представляют собой разлетающиеся с места взрыва куски химически не прореагировавшей части раздробленного рабочего тела (топлива, грунта, взорвавшегося объекта и т. п.), газообразные (парообразные) выбросы в виде объемов интенсивно турбулизованных продуктов детонации (испарения) в смеси с воздухом, возникающих после прекращения работы источника вещества и энергии.

Разлет раздробленной детонацией твердой фазы взрыва происходит независимо от механических и физических характеристик подрываемых объектов. При любом взрывообразном выделении энергии ВВ, размещенного на подстилающей поверхности или на некотором возвышении, будет происходить образование взрывной воронки, ударных воздушной и сейсмических волн, дробление грунта и ВВ, фрагментация подрываемого изделия или объекта, а также образование газогрунтового и первичного пылегазового выбросов.

При взрыве ВВ в атмосфере или на подстилающей поверхности разлет твердой фазы взрыва и ее выпадение на эту поверхность определяется основными соотношениями сохранения макроскопических характеристик подрываемого вещества и вовлеченных в этот процесс объектов (грунта, воздуха и т. п.), а также уравнениями баллистики. Такими соотношениями являются уравнения сохранения массы вещества и массы примеси в выбросе, уравнение сохранения количества движения разлетающегося вещества, а также уравнение сохранения энергии и уравнение состояния в форме динамического равновесия давлений атмосферного воздуха и давления газообразной части сформировавшегося выброса.

Параметры газообразного или парообразного выброса могут быть получены при использовании соотношений сохранения макроскопических характеристик вещества, осредненного по объему выброса. Эти соотношения выражают собой законы сохранения массовых, динамических и энергетических параметров вещества турбулентного объема в процессе его формирования с «подпиткой» от источника вещества и энергии при наличии химических реакций и фазовых переходов. Они в конечно-разностной форме в общем виде записываются так [4, 41–46]:

М₂ =М₁ +Q₀t + ESt,

M_{2 i}=M_{1 i}+Q₀C_i0t + ESC_iet,

M₂V₂ = M₁V₁ + g(_e — )t,

P = P_e,

M₂₂ = M_{1 1} + Q₀q_Tt + ES_et + Q_ФП + W_jq_xt — Ht где:

M, M_i — масса вещества выброса и масса i-ой примеси в нем,

Q₀ — расходная функция формирующегося выброса,

С_i — массовая концентрация i — ой примеси, С_i =М_i/М,

, _е — полные энергии единицы массы вещества выброса и окружающей среды,

р, v,V,S — плотность выброса, его объем, скорость его движения и площадь вовлечения Е в него окружающей среды,

g — ускорение земного притяжения,

q_T — теплотворная способность топлива,

Р — давление газа или пара,

W_i— скорость образования i — ой примеси в результате химических реакций с теплотой образования q_x в объеме выброса,

Q_ФП — теплота фазовых переходов (парообразования или конденсации для жидкой испаряющейся части выброса),

Н — потери энергии выброса (излучение, контакт с подстилающей поверхностью, с выпадающей примесью и т. п.).

Индексы «1» и «2» относятся к соответствующим моментам времени t₂ = t₁ +t, индексы "0" и "е" относятся к параметрам истечения и параметрам окружающей среды.

При рассмотрении струйного течения конечноразностные уравнения записываются относительно поточных характеристик: расхода вещества и примеси, потоков количества движения и энергии.

Полученные нами [41, 43–46, 73] конечно разностные уравнения при устремлении временного интервала t к нулю преобразуются в дифференциальные. Их решение при задании начальных условий, параметров окружающей среды и характеристик объекта (геометрических и термодинамических) позволяют решать задачу нахождения геометрических, динамических, тепловых и концентрационных характеристик турбулентного объема (выброса), движущегося в произвольной окружающей среде.

1.5. Определяющие параметры физико-математических моделей

Исследованиям физических процессов, описывающих возникновение и эволюцию выбросов загрязняющих и токсичных веществ в атмосфере, посвящено большое количество работ. Получаемые результаты на различных этапах по отдельным вопросам или по проблеме в целом обобщались в монографиях и книгах, а также периодических изданиях. Основная часть работ по тематике твердофазных выбросов посвящена фракционированию и образованию частиц при ядерных и химических взрывах [48, 49, 50–61], физическим характеристикам отдельных частиц от мощных воздушных взрывов, выпадению частиц из взрывного облака. Однако взрывной разлет твердой фазы взрыва в ветровом потоке не привлекал внимания исследователей.

Подробно разлет частиц при взрывах разных веществ и в разных сосудах в условиях спокойной атмосферы рассмотрен в работе [77]. Анализируя данные работ, рассматривающих возникновение и движение в атмосфере твердофазных частиц, можно сделать вывод о наиболее важных параметрах подобных задач. Ими являются энергетические свойства ВВ и механические свойства подстилающей поверхности. В работе [73] рассмотрено движение частиц после взрыва в ветровом потоке и сделан вывод о необходимости в дополнение к вышеназванным параметрам еще учета метеорологических параметров в месте проведения работ. Только при этом условии можно ожидать получения правильной расчетной информации о динамических и геометрических характеристиках твердой фазы взрыва и о характеристиках плотности ее выпадения на поверхность земли.

Обобщая данные о физических процессах возникновения и движения в атмосфере частиц, можно сделать вывод, что определяющими параметрами при создании физико-математических моделей твердофазных кратковременных выбросов являются:

— массовые, энергетические и термодинамические характеристики ВВ, участвующих в процессе аварии;

— массовые и геометрические характеристики аварийного объекта или его взорвавшейся части;

— прочностные и массовые характеристики подстилающей поверхности (грунта);

— метеорологические данные;

— временные, геометрические и конструкционные особенности освобождения энергии и рабочего тела (сценарий и схема выброса, приподнятость над поверхностью земли и т. п.).

Что касается физических процессов возникновения и движения в атмосфере газообразных выбросов, то таких исследований в настоящее время достаточно много. Основная их часть проведена в лабораторных условиях.

Рассмотрены выбросы продуктов горения высококалорийных топлив, изучается детонация ВВ в начальной фазе развития взрывного выброса в процессе его теплового всплытия. Рассматриваются термики и вихревые кольца [3, 5, 6, 38–40], а также кратковременные выбросы в виде однородных клубов [7-15, 24, 35–37]. Необходимо отметить, что строгие математические модели для описания таких процессов создать чрезвычайно трудно, поскольку, с одной стороны, не ясна физическая картина развития течения в условиях неполной информации о самом объекте и об окружающей среде, с другой стороны, трудности численных решений термогидродинамических уравнений создают принципиальные и часто непреодолимые препятствия. В связи с этим исследователи часто ограничиваются моделями, использующими для описания начального распределения примеси в пространстве данные натурных наблюдений.

Совместное рассмотрение эмпирических данных и результатов математического моделирования позволяет сделать достаточно объективную оценку геометрических характеристик выброса, включая высоту его подъема и объем, а также его динамические характеристики и начальное распределение загрязняющей примеси в атмосфере. Эти данные являются входными параметрами для задачи распространения примеси в атмосфере.

Обобщая результаты отмеченных выше работ, можно сделать вывод о том, что исходными данными для построения таких моделей должны быть динамические и энергетические характеристики выброса, а также начальное распределение загрязняющей примеси в пространстве и распределения метеорологических параметров.

Определяющими параметрами при создании физико-математических моделей газообразных выбросов являются:

— характер выброса по продолжительности выхода рабочего тела (мгновенный, кратковременный, продолжительный);

— массовые, энергетические и динамические характеристики сформировавшегося выброса;

— физические характеристики твердой и аэрозольной фазы в выбросе;

— данные о возможных химических реакциях и фазовых переходах;

— метеоданные, включая информацию о высотных градиентах метеорологических параметров.

Таким образом, принципы создания физико-математических моделей возникновения и движения в атмосфере выбросов загрязняющих и токсичных веществ основываются на выделении и детальном анализе основных определяющих характеристик объекта исследования. К наиболее общим основным особенностям исследования относятся:

— учет специфики выброса по характеру фазы (твердофазные, газообразные);

— учет зависимости типа выброса от времени действия источника и турбулизации вещества выброса;

— учет общей энергии и ее долей, вносимых источником в выброс;

— учет массовых и энергетических характеристик рабочего тела;

— учет метеоданных и их высотных распределений;

— учет данных о возможных химических реакциях и фазовых переходах.

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

Антропогенные аварии, как правило, сопровождаются поступлением в окружающую среду загрязнений в газообразном, жидком или твердом виде. Их физико-химические характеристики соответствуют параметрам рабочих тел, из которых на месте происшествия образуется собственно первичный источник загрязнений. Его формирование заканчивается с окончанием поступления в атмосферу вещества и выравниванием его давления до значений давления в окружающем пространстве.

Вторичный атмосферный источник возникает как естественное продолжение первичного источника в пространстве или во времени. В реальной турбулентной атмосфере быстро возникающий газообразный вторичный источник в виде компактного объема имеет практически однородную структуру макроскопических характеристик. Поэтому такие источники представляют в виде клубов хорошо перемешанного (однородного) вещества с центром приложения массовых сил в геометрическом центре объема [3].

При длительном поступлении рабочего тела в атмосферу возникают струи, а при промежуточном между кратковременным и стационарным в пространстве может сформироваться сложный газовый объем, моделирование физических характеристик которого весьма проблематично. В этом случае прибегают к модельной замене реального объекта правильными геометрическими телами типа полусферы, сферы, цилиндра и т. п. или комбинациями таких тел. В частности, линейный и точечный источники являются идеализациями источников конечных размеров при устремлении их характерных размеров к нулю.

Рис. 1.3. Схема развития по времени аварийных выбросов в атмосфере из кратковременных и продолжительных источников для легкого (1) и тяжелого (2) газов: t₁, t₂, t₃ — моменты времени после выхода газа.

Процессы формирования и движения в атмосфере газообразных выбросов зависят также от их плотности. Если рабочее тело тяжелее воздуха, то выброс тяготеет к поверхности земли, при легком газе — всплывает в атмосфере (Рис. 1.3).

В зависимости от условий поступления рабочего тела в атмосферу и характеристик окружающей среды при одной аварии могут последовательно формироваться различные вторичные источники — объемные могут трансформироваться в площадные, а площадные в объемные.

Все многообразие атмосферных модельных источников, эквивалентных реальным загрязняющим образованиям, можно условно подразделить на несколько типов или видов. Простейшим эталонным является точечный источник загрязнений, используемый при расчетах загрязнений природных сред как идеализация реального выброса с гауссовским распределением примеси.

Другими модельными источниками являются линейные — источники в виде прямых линий конечной или бесконечной протяженности, испускающими загрязняющую примесь в поперечном направлении. Приподнятые и высотные линейные источники используют при получении аналитических решений задач распространения загрязняющих примесей за ракетным следом, выхлопом летящего самолета и другими протяженными объектами. Линейными наземными источниками моделируют автодороги, шоссе, взлетные полосы аэродромов и т. п.

Наземный площадной источник возникает при горении больших площадей леса, разлитого жидкого топлива, испарении жидкостей и т. п.

Еще один площадной источник в виде поперечного сечения струи в месте потери потоком динамической индивидуальности возникает при горении в относительно компактном очаге. Такой источник имеет приподнятый характер.

И наконец, приподнятый объемный источник используют для моделирования выбросов, возникающих при взрывах после выравнивания давления внутри и снаружи возникшего объема. Такие источники появляются также после быстрого сгорания топлива, «одномоментного» испарения жидкостей, криогенного испарения продуктов и некоторых других процессов быстрого фазового перехода веществ из одного состояния в другое.

Источниками сложной формы представляются выбросы с «ножкой», плавучие струи, выбросы при пожарах разнотипных объектов, при комбинированных авариях (взрыв + пожар, пожар + пролив, взрыв + пролив и т. п.). Они моделируются суперпозицией геометрических простых объемов.

Парожидкостные или аэрозольные (дымовые) выбросы моделируются геометрическими телами с равномерно распределенной по объему примесью, твердофазные или жидкокапельные — весомыми частицами геометрически правильной формы.

Поскольку рассеивание загрязнений происходит из сформировавшегося выброса на завершающем этапе его динамической индиивидуальности, то для расчетов загрязнений окружающей среды при авариях важное значение приобретает знание полной информации о вторичном источнике. Эта информация является входной в задачах расчета рассеивания примесей и построении пространственных и наземных полей концентраций загрязнителей.

Рис. 1.4. Схема движения восходящего потока при пожаре и формирование источников загрязнения окружающей среды при слаботурбулизованной атмосфере: 0 — место пожара; 1 — первичный объемный источник (струя); 2 — примесь, рассеиваемая под действием атмосферной диффузии; 3 — вторичный площадной источник (заштрихован); 4 — мнимый точечный источник; 5 — ветер.

Как отмечалось ранее, вторичные источники загрязнений возникают, когда динамические и (или) термодинамические характеристики формирующегося атмосферного выброса заметно отличаются от аналогичных характеристик окружающей среды. Такими характеристиками могут быть плотность вещества, его температура, агрегатное состояние, а также скорость движения выброса как целого или скорость отдельных его частей и фрагментов. На практике любой антропогенный выброс можно представить последовательно сменяющимися первичным и вторичным источниками. Некоторые типичные ситуации возникновения источников загрязнения природных сред при авариях разных типов иллюстрируются рисунками Рис. 1.4. — Рис. 1.8.

На Рис. 1.4. изображена схема формирования атмосферных источников при пожаре относительно небольшой площади, когда над местом возгорания формируется конвективная струя смеси продуктов горения и вовлекаемого воздуха. Под действием силы плавучести струя поднимается, искривляется ветровым потоком и после разрушения рассеивается под действием атмосферной диффузии.

Предполагается, что атмосфера слаботурбулизована и загрязняющая примесь после потери струей динамической индивидуальности на фоне пульсационного движения атмосферных вихрей движется в виде неразрывного сплошного потока. Такие условия соответствуют устойчивому состоянию атмосферы, когда вертикальный градиент температуры воздуха близок к нулю или отрицателен. Физически это означает возрастание с высотой, и всплывающий объем воздуха оказывается холоднее окружающей среды; его движение тормозится и затухает.

Устойчивые или инверсионные условия характеризуются слабым турбулентным обменом, и приземная концентрация загрязнений имеет низкие значения. В качестве первичного источника на рисунке выступает струя 1 до места ее деструкции, соответствующего X — координате в точке Х_р. Далее происходит активное рассеивание потока из эффективного сечения 3. Это сечение струи и является вторичным источником загрязнения.

Если границы рассеивания продолжить навстречу потоку, то в случае изотропного рассеивания они сойдутся в точке 4, являющейся местом эффективного точечного источника рассеиваемого выброса.

Случай формирования атмосферных источников при пожаре в сильнонеустойчивой атмосфере рассмотрен на Рис. 1.5. Здесь, как и в предыдущей ситуации, первичным источником является собственно струя 1 до места ее разрушения 2. Однако из-за колебательного характера движения струйного потока (меандрирования) на завершающем этапе его развития вторичными источниками загрязнений будут квазиклубы 3, периодически возникающие в области 2. Квазиклубы — это фрагменты распавшегося на отдельные порции вещества струи. Они имеют крупномасштабное вихревое движение типа «дорожки Кармана», возникающей в потоке за препятствием. Эффективный точечный источник 4 может быть построен, как и в предыдущем случае, сведением огибающих клубов в некоторый единый центр.

Отметим, что подобная картина формирования атмосферных источников характерна для состояний атмосферы с вертикальным градиентом температуры воздуха больше адиабатического. Нагретые порции воздуха получают импульс силы плавучести, а им на смену опускаются холодные порции воздуха. В результате такого движения воздушных масс происходит интенсивное вертикальное перемешивание примеси в возрастающем по Z слое.