Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие Романов Вадим
Рис. 1.5. Схема движения восходящего потока при пожаре, и формирование источников загрязнения окружающей среды при сильно турбулизованной атмосфере: 0 — место пожара; 1 — первичный объемный источник (меандрирующая струя); 2 — место разрушения струйного потока; 3 — вторичные объемные источники; 4 — мнимый точечный источник; 5 — ветер.
Если температурный градиент атмосферного воздуха близок или равен адиабатическому (понижение температуры примерно на 1C на каждые 100 м высоты), то реализуется так называемые безразличные (или нейтральные) условия. При вертикальном градиенте температуры равном (или ниже) адиабатического поднимающийся газообразный объем обладает той же температурой, что и окружающие массы воздуха. В такой ситуации отсутствует импульс сил всплытия, и атмосфера не оказывает на выброс никакого влияния в Z — направлении.
Рис. 1.6. Схема движения выбросов при взрыве, и формирование источников загрязнения окружающей среды: 0 — место взрыва; 1 — воронка; 2 — объемный первичный источник; 3 — вторичный объемный источник (взрывное облако); 4 — вторичный поверхностный источник загрязнений твердой и жидкой фазами взрыва; 5 — ветер; 6 — траектории частиц.
Схема движения выбросов при взрыве и формирование источников загрязнения воздуха и земли приведены на Рис. 1.6. Как следует из рисунка, над местом взрыва 0 возникает объемный источник 2, состоящий из взрывных газов и раздробленных частиц и фрагментов вещества подстилающей поверхности (грунта), вовлеченного в выброс из воронки 1; воздух в объеме 2 отсутствует. За времена ~ 10 -2с10 хс давление газов в выбросе 2 снижается до атмосферного, а его полусферическая поверхность занимает в пространстве некоторое положение 4, являющееся вторичным поверхностным источником загрязнения окружающей среды твердой и жидкой фазами взрыва.
Газообразные продукты взрыва под действием взрывного импульса и сил плавучести покидают объем 2 и всплывают в атмосфере. Так возникает газообразный вторичный источник — взрывное облако 4. Оно сносится ветровым потоком и поднимается на некоторую высоту, где теряет свою динамическую индивидуальность на фоне турбулентной среды. Затем под действием атмосферной диффузии вещество облака рассеивается в окружающей среде.
В первичном источнике 2 (взрывном клубе) твердая и жидкая фазы взрыва ускоряются радиально расширяющимися газами и после выхода за ее пределы летят под действием силы инерции и силы тяжести по баллистическим траекториям. Полет частиц и фрагментов разрушенного при взрыве объекта заканчивается выпадением на поверхность земли в некотором ареале. Траектории частиц, вылетающих из взрывного очага под разными углами, обозначены на рисунке штриховыми линиями 6.
Рис. 1.7. Схема движения токсичных выбросов от пролива и формирование источников загрязнения: 0 — место пролива; 1 — первичный площадной источник; 2 — вторичный объемный источник (при испарении легкого газа); 3 — вторичный объемный источник (при испарении тяжелого газа); 4 — ветер.
Таким образом, в случае взрывной аварии в общем случае возникают практически одновременно два вторичных выброса. Для твердой и жидкой фаз взрыва вторичным источником является полусферическая поверхность 4, а для газообразной фазы — объемный клуб 3.
Рассмотрим теперь, как формируются источники загрязнений природных сред от проливов токсических веществ. Как следует из Рис. 1.7., сам пролив представляет собой первичный площадной источник 1, из которого в зависимости от плотности испаренного газа формируется либо приземный объемный вторичный источник 3 (при испарении тяжелого газа), либо высотный (приподнятый) объемный вторичный источник 2 (при испарении легкого газа). Газ считается тяжелым, если его плотность выше, чем у воздуха и легким — если ниже.
Другим практически важным случаем возникновения вторичных токсических источников является взрыв емкости с токсикантом, приподнятой над подстилающей поверхностью на некоторую высоту. Этот случай соответствует взрыву некоторых типов химических боеприпасов.
Как следует из рисунка Рис. 1.8. в общем случае в месте взрыва емкости с токсичной жидкостью возникает объемный первичный парожидкокапельный источник 1, содержащий токсичный продукт в паровой, газовой и жидкой фазах. Взрывной клуб 1 расширяется взрывными газами пока его давление не сравняется с атмосферным. Затем из объема 1 будет вылетать жидкокапельная фракция, а испаренный продукт покинет место взрыва и в виде облака тяжелых газов начнет снижаться. Таким образом, возникает объемный вторичный источник токсиканта 2.
Рис. 1.8. Схема движения выбросов и формирование источников загрязнений при воздушном взрыве емкости с токсичной жидкостью: 0 — место взрыва; 1 — первичный объемный парожидкокапельный источник; 2 — вторичный объемный источник (облако тяжелых газов); 3 — вторичный площадой источник (осевший пролив); 4 — вторичный объемный жидкокапельный источник; 5 — ветер.
Еще два токсичных вторичных источника могут возникнуть в общем случае от жидкокапельной фракции взрыва: объемный жидкокапельный 4 и площадной 3 от жидкости, осевшей на подстилающей поверхности.
Следует отметить, что рассмотренные выше примеры возникновения источников загрязняющих и токсичных веществ в атмосфере не исчерпывают всего многообразия возможных на практике ситуаций. В каждом конкретном аварийном случае следует рассмотреть физически обоснованный ход инцидента, проанализировать наиболее вероятное его развитие и на этой основе определять возникающие источники загрязнений окружающей среды.
1.7. Зависимость аварий от условий окружающей среды
В настоящее время в научной литературе имеется огромное количество методик, алгоритмов и формул, позволяющих, по утверждениям их авторов, прогнозировать аварийные ситуации, инциденты и катастрофы антропогенного и естественного происхождения. Подробные методические материалы, инженерные разработки и математические модели исходят обычно из рассмотрения некоторых стандартных сценариев возникновения и развития опасного явления, которые пренебрегают вкладом внешней среды в протекание инцидента.
Обычно задаются некоторыми «средними» значениями окружающей среды: температурой воздуха и скоростью ветра, очень редко — высотным градиентом температуры, еще реже — турбулентностью атмосферы. Безусловно, такой подход позволяет оценить общую физическую картину явления, но может привести к большим погрешностям расчетов, а иногда и к ошибкам в самом прогнозе при некоторых экстремальных или неординарных природных явлениях.
Для устранения возникающих ошибок к аварийному прогнозу следует добавить прогноз метеорологический. Следует иметь в виду, что метеорологическое прогнозирование не способно, в принципе, предусмотреть все детали будущего состояния атмосферы. Следует исходить из диалектической детерминации происходящих явлений, сущность которой в факте, что необходимость проявляется через случайность. Отсюда следует, что к явлениям будущих аварийных ситуаций необходим вероятный подход с учетом возможной многовариантности развития процессов.
Отметим, что метеорологические прогнозы относятся к категории поисковых прогнозов [146], основывающихся на условном продолжении в будущее тенденции развития изучаемого процесса в прошлом и в настоящем. Задачей таких прогнозов является ответ на вопрос, что произойдет вероятнее всего при условии сохранения существующих тенденций.
При прогнозировании аварийных ситуаций целесообразно воспользоваться принятой в прогностике [147] классификации аварий. По промежутку времени, на который разрабатывается прогноз, все прогнозы подразделяют на оперативные (текущие), краткосрочные, среднесрочные, долгосрочные и сверхсрочные (Табл. № 1.1.).
В основе комплексного прогнозирования аварий с учетом возможных воздействий окружающей среды должны быть следующие взаимодополняющие источники информации о будущем поведении объекта исследований (пожара, взрыва, токсического выброса):
— оценка будущего состояния прогнозируемого объекта на основе опыта (чаще всего при помощи аналогии с достаточно хорошо известными сходными процессами и явлениями);
— экстраполяция на будущее тенденций, закономерности развития которых в прошлом и настоящем достаточно хорошо известны;
— модель будущего состояния объекта исследования, построенная в соответствии с ожидаемыми изменениями ряда условий, закономерности, развития которых в прошлом и настоящем достаточно хорошо известны.
В соответствии с этими тремя источниками информации о возможном аварийном объекте существуют три дополняющие друг друга способа разработки прогнозов: экспертный, экстраполяционный и модельный.
Экспертное оценивание используется при обсуждении прогнозов несколькими экспертами — квалифицированными специалистами в рассматриваемой области.
Таблица № 1.1.
Классификация прогнозов по промежутку времени до инцидента
Способ экстраполирования предоставляет собой процесс построения динамических рядов эволюции прогнозируемого объекта по данным в прошлом и настоящем путем распространения обнаруженных закономерностей на будущее.
Метод математического моделирования представляет собой процесс построения моделей происходящих физических процессов с использованием математических уравнений. Этот процесс должен проводиться с учетом вероятного изменения прогнозируемых объектов на период упреждения прогноза по имеющимся данным о масштабах и направлении изменений. Должны учитываться изменения самих аварийных объектов и метеорологической обстановки на этот временный интервал.
Наиболее эффективной прогнозной моделью аварийной ситуации, очевидно, будет система уравнений, учитывающая физические процессы на аварийном объекте и в окружающей среде. В метеорологическом прогнозировании — это система уравнений гидротермодинамики атмосферы.
Большое практическое значение имеют статистические и физические модели. На практике эти способы взаимно дополняют друг друга.
Рассмотрим атмосферные явления, способные при некоторых обстоятельствах оказать заметное влияние на возникновение и (или) развитие аварий разного характера, а также на возможность их ликвидации. Такими явлениями являются:
— выпадающие осадки из воды, снега и льда;
— взвеси в воздухе твердых и жидких частиц;
— поверхностные отложения воды и льда;
— движение воздушных масс под действием ветра;
— грозовые электрические разряды.
Ветер является важной характеристикой при возникновении и развитии аварийных ситуаций, особенно это относится к ветровым потокам типа шквалов. Изменения скорости и направления ветра в течение прогностического периода определяются в основном периодическими изменениями полей давления, температуры и вертикальных движений, облачности, которые связаны с фронтальными разделами.
Отмечается [146], что по ожидаемому в момент прогноза значению скорости и направления ветра на уровне флюгера можно приближенно рассчитать скорость и направление ветра на различных уровнях пограничного и приземного слоев, где в основном происходят аварии.
Под шквалом понимается [146] резкое усиление ветра у поверхности земли в течение короткого времени, сопровождающееся изменениями его направлений. Скорость ветра при шквале может превышать 30 м/с.
Шквалы связаны с мощными кучево-дождевыми облаками; время их существования как перемещающихся мезомасштабных объектов составляет несколько часов. При движении подобных объектов на местности возникает узкая шкваловая полоса шириной от нескольких сотен метров до нескольких километров и протяженностью до сотни километров.
Шквалы обычно сопровождаются ливнями и грозами, часто с выпадением града. Давление атмосферного воздуха перед приходом шквала сильно падает, затем при шквале оно резко возрастает в течение десятков минут, а после прекращения ливневого дождя вновь падает. Температура воздуха, резко понижающаяся при шквале, после его прохождения немного повышается, но остается более низкой по сравнению с ее значением до шквала. Падение температуры и рост давления при шквале связаны с выпадением ливневого дождя и охлаждением воздуха в его зоне.
Шквалы над сушей чаще всего развиваются во второй половине дня, когда конвективные облачные структуры становятся наиболее мощными.
Физическими условиями, благоприятными для возникновения шквалов, являются:
— неустойчивая стратификация воздушных масс;
— высокая доля водяного пара в теплом приземном воздухе (до 10 % и более);
— высокая температура теплого воздуха перед холодным фронтом.
Если ожидаемая синоптическая ситуация и термодинамические условия в воздушных массах благоприятны для возникновения шквалов, то возможность их появления указывается в формулировке прогноза с заблаговременностью до 24–36 ч.
Шквалы могут оказать заметное влияние на развитие пожаров, перенося огонь с одного объекта на другой. Большая скорость ветра способствует также усилению очага горения. Токсичные выбросы при шквалах также могут быть транспортированы воздушными потоками на большие расстояния за короткие временные отрезки. При некоторых ситуациях шквальные потоки могут повлиять на возникновение пожарной ситуации и взрывов на производствах.
Другим проявлением движения воздушных масс являются смерчи или торнадо. Эти атмосферные образования представляют собой огромные вихри, возникающие, как правило, в грозовых облаках. Они имеют форму хобота или воронки и, достигая поверхности земли или водного объекта, способны разрушить и всосать в себя массивные предметы. Смерч с большой скоростью перемещается вместе с порождающим его облаком, разрушая попутно строения и здания и приводя к взрывам и пожарам в быту и на производствах. Скорости воздушных потоков внутри смерча могут достигать сотен метров в секунду.
Ветровые потоки при более слабом ветре (от 7 м/с и до 12 м/с) приводят в приземном воздушном слое к переносу твердых частиц — снега зимой, пыли и песка в теплое время года.
Перенос снега ветром над поверхностью земли называют метелью. Она возникает при сочетании сравнительного сильного ветра с выпадением снега. Разновидностью метели является поземок — перенос сухого, ранее выпавшего снега в тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности земли (до 12 см). Благоприятным условием для выпадения метели является выпадение снега на ледяную корку, образовавшуюся до этого на снежном покрове.
Перенос больших количеств пыли или песка называют пыльной (песчаной) бурей. Это явление типично для степных и пустынных районов. Возникают пыльные бури при скоростях ветра >12 м/с, когда турбулизованный приповерхностный воздушный слой отрывает частицы почвы (пыль и песок) от поверхности земли и переносит их на большие расстояния. При этом пыль может оставаться в воздухе несколько суток. Важное значение при прогнозе пыльных бурь имеет учет свойств подстилающей поверхности, т. е. степени закрепленности верхнего слоя почвы. Большую помощь в прогнозе пыльных бурь могут оказать спутниковые фотографии.
Метели, как и пыльные бури, могут оказывать заметное влияние на распространение в атмосфере токсичных веществ.
Атмосферные электрические разряды в виде молний наблюдаются при грозах, бурях, смерчах, а иногда и метелях. Молния представляет собой электрический разряд между облаками или между облаками и земной поверхностью. Их длина достигает несколько километров, диаметр — десятков сантиметров. Сила тока линейных молний -100 к А, продолжительность — 0,1 с.
Кроме линейных — наиболее распространенных молний — наблюдаются шаровые (объемные) и неточные (в виде ряда продолговатых объемов).
Вероятность поражения зданий и сооружений молнией зависит от интенсивности грозовой деятельности на данной местности, ее рельефа, размеров зданий и сооружений.
Интенсивность грозовой деятельности характеризуется общей годовой продолжительностью гроз в часах для каждого района страны. Общая годовая продолжительность гроз определяется по формуле:
N= 1,5 n (час/год),
где n число грозовых дней в году при средней продолжительности грозы, принимаемой равной 1,5 часа.
По данным многолетних наблюдений метеорологических станций для каждого района составлены карты грозовой деятельности. Наиболее часты и интенсивны грозы в южных районах страны, в северных районах грозы происходят редко.
Наиболее часто электрические разряды при грозах возникают при синоптической ситуации благоприятной для образования кучево-дождевой облачности. В умеренных широтах грозы возникают, как правило, когда такое облако своей вершиной достигает уровня с температурой — 23 С и ниже, а толщина облака превышает 4 км.
Влияние, оказываемое грозовыми электрическими разрядами на возникновение и развитие аварий может быть весьма значительным (см. Таблицу № 1.3).
Термин «осадки» используется в гидрометеорологии при ожидаемой температуре воздуха в пределах от 3 до — 3 °C. Фазовое состояние осадков дается в терминах «дождь», «снег» и уточняющие понятия: «снег с дождем», «дождь со снегом», «снег, переходящий в дождь» и т. д.
Продолжительность осадков обозначается следующими терминами:
— кратковременные осадки при их продолжительности 3 ч. и менее;
— продолжительные осадки при их непрерывном выпадении 6 ч. и более;
— временами осадки, если они выпадают с перерывами 2 раза и более при продолжительности каждого выпадения 3 ч. и менее.
Характеристика возможных жидких и твердых осадков приводится в таблице 1.2.
Таблица № 1.2.
Ливневые осадки выпадают из кучево-дождевой облачности, возникающей при благоприятных для этого синоптических ситуациях в данном районе. Знание таких синоптических положений является одним из основных условий успешности прогноза ливневых осадков, гроз и града.
Прогноз обложных и моросящих осадков разрабатывается синоптическими, физико-статистическими и гидродинамическими (численными) методами [146]. Современные расчетные методы расчета возможных осадков основаны на параметризации внутриоблачных процессов, приводящих к образованию осадков.
Взвешенные в воздухе твердые и жидкие частицы в больших объемах создают негативно воздействующие на живые организмы атмосферные образования, называемые туманами, пылью, дымом, смогом. Физические и динамические характеристики подобных образований имеют близкую природу, и поэтому для целей выяснения их влияния на аварийные ситуации допустимо ограничится рассмотрением наиболее общего и типичного случая — туманов.
Туманом называется помутнение приземного слоя воздуха из-за наличия в нем взвешенных капель и воды, ледяных кристаллов или их смеси [146], при котором горизонтальная дальность видимости становится менее 1 км хотя бы в одном направлении. Аналогичное явление при горизонтальной видимости 1 км и более называют дымкой.
По агрегатному состоянию воды все туманы можно разделить на капельные, ледяные и смешанные. В смешанных туманах переохлажденные капли зафиксированы при температурах воздуха до -4 °C.
Рис. 1.9. Классификация туманов по [146].
Все многообразие туманов по процессу возникновения разделяют на туманы охлаждения и туманы испарения (Рис. 1.9). Туманы охлаждения возникают за счет приближения влажности воздуха к состоянию насыщения при понижении температуры воздуха, туманы испарения возникают только тогда, когда температура испаряющейся жидкости выше температуры приземного слоя воздуха.
Туманы охлаждения, возникающие при понижении температуры подстилающей поверхности за счет ее радиационного охлаждения, называют радиационными, при перемещении влажного воздуха над холодной подстилающей поверхностью — адвективными.
Туманы испарения, в свою очередь, могут быть надводными при возникновении над водой или фронтальными — при испарении капель дождя, выпадающего из теплой надфронтальной воздушной массы, в холодном подфронтальном воздухе.
Туманами смешения называют аэровзвеси при смешении воздушных масс с разной температурой и влажностью. Если они возникают вблизи границы морских побережий или границ теплых и холодных морских течений, то их называют пограничными.
Кроме того, туманы могут возникнуть в результате хозяйственной деятельности человека в процессе конденсации водяного пара, поступающего в атмосферу. Их также называют антропогенными.
Орографические туманы образуются при подъеме адиабатически охлаждающегося воздуха по наветренным склонам возвышенности. При этом уровень конденсации должен быть ниже температуры на вершине возвышенности и над ней должна находиться инверсия температуры, препятствующая переносу продуктов конденсации от поверхности склона.
Отметим, что туман любого типа может появиться, если в прогностический период ожидается температура воздуха Т, равная или более низкая, чем температура туманообразования Тт, т. е. в условиях, когда Т<Тт.
Таким образом, для прогноза возникновения тумана необходим прогноз как температуры воздуха, так и температуры туманообразования. Методы прогнозирования туманов широко представлены в современной гидрометеорологической литературе.
Смог (англ, smog, от smoke — дым и fog — туман), определяемый как сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах также может быть отнесен к аэровзвесям. Он является разновидностью тумана. Классифицируют смоги следующие типы:
— влажный смог лондонского типа — сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства;
— ледяной смог аляскинского типа — смог, образующийся при низких температурах из пара отопительных систем и бытовых газовых выбросов;
— сухой смог лосанджелесского типа — смог, возникающий в результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых выбросах под действием солнечной радиации; наблюдается устойчивая синеватая дымка из едких газов без тумана;
— фотохимический смог — разновидность смога, основной причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопы и загрязняющие выбросы предприятий в условиях инверсии температуры. Выхлопные газы в такой аэровзвеси вступают в химические реакции, которые под действием солнечного излучения, образуют озон. Фотохимический смог вызывает поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.
Смог наблюдается обычно при слабой турбулентности при инверсиях температуры, при слабом ветре или штиле. Инверсии температуры в атмосфере — это повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного для тропосферы ее убывания.
Температурные инверсии являются задерживающими слоями в атмосфере; они препятствуют развитию вертикальных движений воздуха, вследствие чего под ними накапливаются газообразные токсиканты, водяной пар и пыль. Пылевые и аэрозольные частицы являются ядрами конденсации. Поэтому при смоге всегда возникают слоистая дымка, туман и облака. Видимость уменьшается до нескольких десятков метров, предметы теряют цветовую окраску. Из-за рефракции света в слоях с температурной инверсией иногда возникают миражи.
Замерзание продуктов конденсации водяного пара на наземных предметах и на поверхности земли приводит к образованию гололеда, изморози, гололедицы, наста обледенелого мокрого снега, твердого налета.
Несмотря на то, что эти природные явления не способны в заметной степени повлиять на возникновение и развитие аварий, их учет может дать полезную дополнительную информацию об инциденте в целом.
Оседающие осадки уменьшают проходимость транспорта и доступность места аварии. В частности, гололедица может оказать негативное влияние на ликвидацию аварийной ситуации с применением современной техники.
Рассмотрим кратко указанные выше атмосферные явления. Гололед представляет собой слой льда, нарастающего на поверхности земли или на предметах (преимущественно с наветренной стороны) при замерзании капель переохлажденного дождя, тумана или мороси. Он образуется при отрицательных температурах воздуха. Гололед возникает при метеорологических условиях, связанных, как правило, с выпадением переохлажденного дождя и с взаимодействием потоков теплого и холодного воздуха (фронтальные гололеды).
Основными благоприятными условиями для его возникновения являются наличие переохлажденного адвективного тумана, мощные инверсионные слои в пограничном атмосферном слое при умеренных и сильных ветрах.
Изморозью называют отложение льда на проводах, ветвях деревьев и других предметах при тумане. Этот процесс возникает в результате сублимации водяного пара (кристаллическая изморозь) или намерзания капелек переохлажденного тумана (зернистая изморозь).
Кристаллическая изморозь (в просторечии — иней) состоит из кристаллов льда, нарастающих преимущественно с наветренной стороны предмета при температуре воздуха ниже — 15 °C. Она легко осыпается при встряхивании.
Зернистая изморозь также возникает преимущественно с намеренной стороны предметов, но при сильном ветре. Она представляет собой снеговидный рыхлый снег, по внешнему виду напоминает гололед и близка к нему по плотности.
Зернистая изморозь возникает при замерзании на предметах капель переохлажденного тумана при температурах от — 3 до — 8 °C. Синоптические условия образования изморози такие же, как и при возникновении гололеда.
Вид наземного обледенения — гололед или изморозь — зависит от преобладающего размера капель тумана: если они меньше 20 мкм, то образуется зернистая изморозь, если больше, то образуется гололед.
Гололедица — это лед на поверхности земли, возникший по разным причинам [146]:
— вследствие замерзания мокрого снега или дождя и мороси при соприкосновении с переохлажденной поверхностью земли;
— из-за замерзания переохлажденного дождя или мороси на поверхности земли (по существу это гололед на земной поверхности);
— вследствие замерзания слоя воды на поверхности земли после оттепели или выпадения дождя в результате наступления похолодания.
Образование гололедицы зависит не только от атмосферных условий, но и от температуры подстилающей поверхности. Отрицательные температуры поверхности земли обеспечивают замерзание на ней выпадающих жидких или полужидких осадков.
Наст представляет собой гололедицу, возникшую на поверхности снежного покрова. В результате многократного образования наста снежный покров приобретает слоистую структуру с чередованием плотных и рыхлых слоев.
Обледенелый мокрый снег — ледяная масса, возникающая при быстром замерзании мокрого снега при температуре воздуха до + 2 °C и скорости ветра до 6 м/с. По внешнему виду напоминает очень плотную зернистую изморозь, но размерами может превосходить гололед.
Еще одним видам оседающих осадков является твердый налет — тонкий слой ледяных кристаллов, образующихся вследствие сублимации водяного пара на холодных, преимущественно каменных, поверхностях. Возникает преимущественно с наветренной стороны при ослаблении мороза, при оттепели, обычно в пасмурную погоду. Твердый налет белого цвета, его толщина не превышает нескольких миллиметров.
Отметим, что все виды наземного обледенения, за исключением твердого налета и кристаллической изморози, могут создавать опасные весовые нагрузки на различные сооружения и затруднять работу транспорта. Это может негативно сказаться на успешности ликвидации аварий.
Безусловно, невозможно предвидеть, какие метеорологические и синоптические условия будут ко времени наступления конкретной аварийной ситуации. Однако при составлении прогнозных экспресс-оценок развития уже начавшейся аварии информация о возможном влиянии на нее атмосферных явлений может быть весьма полезной и является ценным вспомогательным элементом в оценке полной картины развития инцидента.
Кроме того, подобные исследования способны оценить «коридор» возможных отклонений хода аварий от стандартного сценария, использующего некоторые «средние», как правило, ничем не обоснованные начальные и граничные условия.
Отметим, что при некоторых авариях атмосферные явления приобретают главенствующее значение в процессах возникновения и развития происшествия. Это относится к пожарам (особенно лесным), возникновение и протекание которых существенно зависит от атмосферных осадков, ветровых потоков, а также грозовых электрических разрядов.
На токсичные выбросы определяющее влияние может быть оказано осадками в виде дождя, снега и льда, туманами разной природы и метелью.
Возникновение и развитие взрывных аварий практически не чувствительно к атмосферным явлениям, за исключением возможного инициирования взрыва грозовым электричеством.
Влияние атмосферных явлений по классификации работы [146] на возможность возникновения и развития аварий разной природы представлено в Таблице № 1.3.
В таблице 1.4 представлены данные о негативном влиянии атмосферных явлений на возможность ликвидации аварийной ситуации противоаварийными подразделениями.
Как следует из таблицы, атмосферные явления могут оказывать заметные воздействия на возможность ликвидации аварий. Такими явлениями являются, в первую очередь, помутнения воздуха при туманах и поверхностные отложения льда (гололедица), а также сильные ветровые потоки типа шквалов, бурь и смерчей. Остальные проявления атмосферных явлений очевидно мало влияют на работу ликвидаторов аварий.
Таблица № 1.3.
Влияние атмосферных явлений на возможность возникновения и развития аварийной ситуации
Обозначения эффектов воздействия:
О — отсутствует (нулевой);
О-Н — от нулевого до незначительного;
Н — незначительный (слабый);
3 — значительный (средний);
Н-Опр — от незначительного до определяющего;
Опр — определяющий (сильный).
Таблица № 1.4.
Влияние атмосферных явлений на возможность ликвидации аварийных ситуаций
Представленный в таблице 1.3 и таблице 1.4 подход имеет феноменологический описательный характер, однако при использовании статистического материала и баз данных по авариям очевидно можно перейти к количественному вероятному представлению описанных выше зависимостей.
В заключении этого раздела отметим, что атмосферные явления не исчерпывают внешних условий, которые можно рассматривать в качестве аварийного фона. Такие фоновыми условиями могут быть различные физические воздействия: тепловые, радиация, вибрации, инсоляции и наличие источников химически активных реагентов.
Указанные факторы, как правило, не учитываются при прогнозах аварий из-за их кажущейся незначительности, что иногда может привести к большим ошибкам.
В качестве примера рассмотрим температурный фактор. Известно, что регулярно в одном из наиболее жарких месяцев (как правило в мае) на складах боеприпасов происходят самопроизвольные загорания и взрывы. Жертвой таких инцидентов являются люди, в огне пожаров гибнут снаряды сотнями вагонов.
Взрываются почему-то боеприпасы с вышедшими сроками хранения. Официально такие инциденты объясняются халатностью военнослужащих при курении, а в средствах массовой информации, кроме того, желанием военных во что бы то ни стало избавиться от бесполезного и опасного груза (самоподрывы). Никто почему-то не связывает эти аварии с нарушением правил хранения снарядов.
Объяснением, не связанным с «человеческим фактором», является температурный запуск в топливе химических реакций, приводящих к их загоранию или взрыву. Ракетное топливо в просроченных снарядах давно потеряло свои первоначальные физико-химические свойства из-за процессов эрозии, растрескивания и т. п. Таким образом, сравнительно небольшое повышение температуры внешней среды может инициировать наступление аварии нетермостатированных боеприпасов.
В работе [102] сделана попытка связать аварийную ситуацию при пожаре с погодными условиями — в частности с температурой воздуха. На основе анализа антропогенных и погодных условий на пожарную обстановку в Красноярском крае сделан вывод о том, что частота пожаров (количество загораний в сутки) и их распределение по причинам возникновения в разные периоды времени определяются преимущественно двумя факторами. Первый из них — уровень урбанизации региона, который выражается через численность населения.
Второй фактор — температура окружающего воздуха. Представленные в этой работе эмпирические уравнения для относительного количества пожаров в сутки, по утверждению авторов, могут использоваться для прогноза обстановки с пожарами в регионах. Причем достоверный прогноз ошибки прогноза пожара составляет не более 10 %.
Аналогичным эффектом «спускового крючка» обладают, очевидно, и некоторые другие физические воздействия. Весь вопрос в их интенсивности, времени и продолжительности действия.
Глава II
Описание аварий, оценка их физических характеристик, факторы опасности
В последние годы участились случаи крупных аварий на объектах химической промышленности, ядерной энергетики и хранилищах токсичных и взрывчатых веществ. Это может быть объяснено отчасти большей открытостью информации некогда запретных тем, возросшей халатностью персонала и не соблюдением сроков регламентных работ и замены выработавшей ресурс техники. Наиболее пристальное внимание общественности в последние годы стали привлекать масштабные аварии боеприпасов, сопровождающиеся взрывами, пожарами и разлетом артиллерийских снарядов и ракет с места инцидента.
Имеются небезосновательные подозрения, что кроме безответственности и технической безграмотности военнослужащих подобные происшествия порой являются фактически несанкционированными ликвидациями устаревшей и не кондиционной техники и вооружений, хранящихся на военных складах и базах.
Повышенная опасность подобных происшествий возникает из-за того, что аварийные объекты, как правило, расположены либо внутри, либо на окраинах населенных пунктов. В случае комплексной аварии, включающей в себя взрывы и пожары, жертвы среди населения могут быть достаточно внушительными. Приведем примеры некоторых наиболее типичных подобных аварий, ставших достоянием гласности из-за невозможности их утаить — слишком много шума и свидетелей было при инцидентах.
При пожаре цеха оснащения турбореактивных снарядов пороховыми зарядами арсенала боеприпасов рядом с Владивостоком практически все жители семисоттысячного города были вынуждены первого, а затем во второй раз второго мая 1992 года эвакуироваться за его пределы. Пожар в цехе возник по не установленной причине (по одной из версий от окурка, брошенного матросом), неожиданно стали взрываться болванки с порохом. Раскаленные осколки и ударные волны инициировали пожары в двадцати других закрытых хранилищах боеприпасов. Всего же на территории этого арсенала Тихоокеанского флота кроме закрытых хранилищ имелось более сорока площадок с различными снарядами, пиротехническими компонентами и порохами. Авиационные бомбы, реактивные и обычные снаряды, гранаты и патроны хранились в количествах, исчисляемых сотнями вагонов. Хорошо, что из-за штилевых условий пожар ограничился примерно половиной боезапасов арсенала. Пострадало в этот раз удивительно малое количество людей: офицер и двое матросов были ранены, еще двоих оглушило…
Повторно под Владивостоком по не выясненным до сих пор причинам возник пожар на базе артиллерийского вооружения и боеприпасов Тихоокеанского флота 14 мая 1992 года и несмотря на все усилия военных пожарных не был погашен.
К утру 15 мая выгорело девять из тридцати одного хранилища и семь из двадцати площадок открытого хранения.
14 мая 1994 года в третий раз за последние два года возник пожар небывалого масштаба на военных складах Дальнего Востока — объединенных складах вооружений и боеприпасов тыла ВВС Тихоокеанского флота. Склады площадью шестьдесят гектаров находятся в пятидесяти километрах от Владивостока в окрестностях поселка Смоляниново Шкотского района Приморского края. Пожар, как обычно, начался не известно от чего. Охрана склада разбежалась, а огонь охватил лежавшие в канонирах боеприпасы. Осколки от взрывающихся снарядов разлетались в радиусе десяти километров, мощными сейсмическими и воздушными взрывными волнами были выбиты стекла и повреждены ветхие строения в близлежащих поселках Романовка и Новонежино. Удачное расположение склада во впадине между тремя сопками позволило избежать больших потерь при этой аварии, однако все шестьсот тридцать жителей окрестных населенных пунктов, а затем и две с половиной тысячи жителей более отдаленных городов Партизанск и Большой Камень были эвакуированы. Пожар, начавшийся утром, не прекратился до самой ночи. Спонтанно возникали очаги повторного возгорания и взрывы боеприпасов мелкого калибра. Лишь утром следующего дня героическими усилиями пожарных пожар был ликвидирован.
Воздушная разведка показала, что более половины территории складов подверглось полному разрушению, из восьмисот вагонов боеприпасов полностью уничтожено более двухсот, в том числе около тысячи шестисот тонн фугасных бомб, противопехотных мин, ракет различного класса, снарядов. Саперам, стянутым со всего Дальнего Востока, предстояла опасная и продолжительная работа по обследованию и ликвидации неразорвавшихся боеприпасов. По одной из версий причиной столь крупного инцидента послужило возгорание травы на территории склада.
Более суток громыхал разрывами арсенал Тихоокеанского флота, расположенный на окраине Владивостока 15 и 16 октября 2002 года. На арсенале планово уничтожали отжившее свое боеприпасы, и по чьей-то нерадивости или злому умыслу там возник пожар, а затем взрывной разлет изделий. В штабе Тихоокеанского флота и региональном управлении МЧС выдвинуты две версии развития событий. Одна — от брошенной спички или незатушенного окурка и вторая — от попадания в эшелон с боеприпасами раскаленного осколка подорванного боеприпаса. Всего, по данным [174], сгорело 12 из 17 вагонов с боеприпасами, подлежащими утилизации, — около трех тысяч снарядов.
Этот пожар был пятым за предыдущие десять лет (с 1992 г.) на складах боеприпасов Тихоокеанского флота. Позже склады горели в 1996 и 1997 годах. Всего же за эти годы было 18 пожаров на армейских и флотских арсеналах, в пламени которых погибли 29 военнослужащих.
Конечно взрываются и горят склады не только на Дальнем Востоке. Эта беда одинаково характерна для любого региона, на котором хранятся боеприпасы.
1992 году на арсенале «Вторая речка» неизвестно откуда взявшимся огнем разметало тысячи снарядов, которые до сих пор находят в окрестностях.
Гигантский пожар, причины которого выясняются до сих пор, возник на складах седьмой армии Вооруженных сил СНГ вблизи села Балаовит под Ереваном. Почти двое суток бушевал огонь. Пожар был ликвидирован только после применения спецсамолета ИЛ-76, оснащенного емкостями с пламягасящей жидкостью. В результате пожара были ликвидированы два тепличных хозяйства и выбиты стекла в жилых домах, где проживало сто двадцать тысяч жителей Еревана. На время пожара их пришлось временно размещать в зданиях городских кинотеатров и дворцов культуры. Значительная часть неразорвавшихся снарядов, мин и гранат, а также других боеприпасов взрывными волнами были разбросаны на большие расстояния.
В начале июня 1998 года в поселке Лосином, в 50-и км от Екатеринбурга, произошла трагедия на складе инженерных войск, повлекшая за собой гибель 13 военнослужащих. По официальной версии Министерства обороны России при ударе молнии начался пожар лесного массива, а затем складского помещения, в котором хранились десятки тысяч тонн взрывоопасных изделий — в основном противотанковых и противопехотных мин. На воздух взлетело около 500 вагонов взрывчатых веществ. От такого количества прореагировавшей взрывчатки, в состав которой входят токсичные вещества, произошло химическое заражение почвы и воздуха соединениями азота, хлора, фосфора, серы, а также различными кислотами.
Тысячи тонн этих соединений, попавших в природные среды, вызвали болезненные симптомы у населения пострадавших поселков — тошноту, головную боль, слабость и т. п.
Следует отметить, что российские солдаты при тушении пожара в Лосином проявили подлинный героизм, а 13 человек пожертвовали жизнью ради спасения жителей пострадавших поселков.
По неполной информации с 1977 по 1995 год на складах боеприпасов России произошло более 40 крупных пожаров, в ходе которых уничтожено более 10 тысяч вагонов боеприпасов или около 200 тысяч тонн. Это огромная цифра, но не менее впечатляет цифра подлежащих в ближайшее время утилизации боеприпасов. Они содержат в тысячах тонн следующие взрывчатые вещества:
— 70 — плавких ВВ на основе тротила;
— 20 — плавких ВВ, содержащих гексоген (тротил-гексоген, тротил-гексоген-алюминий);
— 7 — неплавких ВВ — А — IX–I (флегмантизированный гексоген);
и А — IX — 2 (смесь флегмантизированного гексогена с алюминием);
— 3 — прочих ВВ (жидких, пластичных, октогенсодержащих и др.)
Всего около 100 тысяч тонн. Происходят инциденты и на гражданских производствах, но не в таких ужасающих масштабах.
Другими источниками повышенной опасности являются арсеналы химического оружия и объекты ядерной энергетики. Несомненно на них происходят аварии, но их, как правило, стараются не предавать гласности. Мелкие аварии — проектные устраняются своими силами, о крупных страна узнает через некоторое время — иногда весьма отдаленное от времени происшествия. Например, об авариях в хранилищах химического оружия или о авариях на атомных станциях и производствах.
30 сентября 1996 года произошел пожар на одном из сооружений арсенала военно-химического оружия в г. Камбарка Удмуртской Республики с выходом в атмосферу не зафиксированного количества отравляющего вещества (от полутоны до нескольких тонн). Пожар удалось ликвидировать силами хранилища, и население оповещено не было.
Можно не сомневаться, что список чрезвычайных происшествий, подобных описанным выше, будет неумолимо расти…
Анализ наиболее крупных аварий, происшедших на взрыво— и пожароопасных объектах, позволяет сделать выводы об основных воздействиях, угрожающих здоровью и жизни персонала и населения. Начинается такая авария обычно мелким возгоранием или взрывом, инициирующим вторичные один или несколько мощных взрывов большого количества взрывчатого вещества с последующим пожаром. Комплексная авария включает в себя взрыв и пожар. В общем случае после взрыва возникает поднимающийся в атмосфере объем нагретого газа, содержащий наряду с газообразными продуктами взрыва вовлекаемый воздух, жидкие и твердые частицы и куски грунта а также элементов конструкции аварийного объекта. Кроме того ударные волны, вызванные взрывами, при распространении в почве приводят к механическим разрушительным воздействиям на строения: разбиваются стекла в окнах, перекашиваются косяки дверей, разрушаются некапитальные постройки.
Воздушные ударные волны также приводят к сотрясению отдельных элементов конструкции объектов, дроблению стекол, сносу кровли у близко стоящих строений. Осколки, куски грунта и фрагменты разрушающихся объектов под действием ускоряющего импульса ударной волны вылетают из очага взрыва и разлетаются на большие расстояния. Они могут привести к тяжелым травмам персонала аварийного объекта и населения близлежащих домов.
Немаловажным опасным фактором при подобной аварии может быть разнос ветровым потоком и воздушной ударной волной горящего материала (кусков древесины, пластмассы, твердого топлива и т. п.). Попадая на деревянные строения, эти вещества могут вызвать вторичные пожары.
Необходимо отметить, что при взрыве и горении большинства современных изделий химических производств и складов, возникают высокотоксичные газообразные и аэрозольные вещества. Поднимаясь в виде облаков под действием силы плавучести, они представляют собой опасность химического загрязнения близлежащей территории. Загрязнение может реализоваться как в виде диффундирующей в ветровом потоке газовой примеси, так и в виде жидкокапельных выпадений. Ветровой поток приводит иногда к переносу загрязняющих выпадений на многие десятки километров от места аварии.
В случае аварии на радиационноопасном объекте к перечисленным выше опасностям следует добавить факторы радиационного облучения и световой вспышки. О поражающих воздействиях этих факторов много писалось в печати, поэтому они здесь не обсуждаются.
Приведенный выше сценарий комплексной аварии взрыво— и пожароопасного объекта в общем отражает реально наблюдаемые картины. Реализуемые на практике аварии, включая в себя основные описанные выше элементы, отличаются лишь деталями, соответствующими их специфике.
Ниже будут рассмотрены физические характеристики и опасные проявления аварий в виде взрыва, пожара и токсичного выброса.
2.1. Взрывы
Одними из типов катастроф на промышленных объектах являются взрывы. Под взрывом понимают мгновенное расширение газовоздушной смеси, в результате которого происходит скачок давления или ударная волна. Основное отличие между пожарами и взрывами состоит в скорости выброса энергии. Во время пожара энергия освобождается медленно, в то время как при взрыве происходит одномоментный выброс энергии, обычно в течении микросекунд. В результате взрывов создаются опасные условия для жизни человека и окружающей природной среды. Взрывы часто приводят к частичному или полному разрушению объекта, ранениям или гибели людей.
Различают два типа взрывов: физические взрывы и химические. При физическом взрыве высвобождающаяся энергия является внутренней энергией сжатого или сжиженного газа. Сила таких взрывов зависит от внутреннего давления, а разрушения могут быть вызваны ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара. Масса образующихся паров и скорость парообразования при этом определяется по материальным и тепловым балансам двух возможных аварийных ситуаций: 1) тепловыделение с парообразованием происходит при постоянном объеме; 2) за тепловыделением при сохранении объема следует расширение с сохранением теплового равновесия.
К физическим взрывам относят также явления физической детонации, при которых возникает смешение горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например, вливание расплавленного металла в воду). Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающем в некоторых случаях тысяч атмосфер [103].
При химических взрывах энерговыделение обусловлено экзотермической реакцией между горючим и окислителем.
К опасным факторам взрыва (ОФВ), характеризующим его разрушительность, относят [104]:
• давление во фронте ударной волны;
• избыточное давление взрыва;
• среднюю и максимальную скорость нарастания давления при взрыве;
• дробящие или фугасные свойства взрывоопасной среды.
• Основными параметрами, характеризующими поведение процесса взрыва, являются:
• температура окружающей среды;
• давление в окружающей среде;
• состав взрывчатого вещества;
• физические свойства взрывчатого вещества;
• природа источника воспламенения: тип, энергия и длительность;
• геометрия окружающей среды: ограниченная или неограниченная;
• количество горючих материалов;
• время перед воспламенением;
• скорость выброса горючего вещества.
Поведение взрыва очень трудно охарактеризовать. Было принято много подходов к решению этой проблемы, включая теоретические, полуэмпирические и эмпирические исследования. Несмотря на эти попытки, поведение процесса понято еще не полностью. Поэтому в настоящее время используется подход, основанный на использовании экстраполяции результатов и обеспечивающий подходящий «запас безопасности».
К основным параметрам, характеризующим разрушающую способность взрывной волны, относят избыточное давление и импульс взрыва [77, 103]. В момент прихода взрывных волн ta давление среды повышается до максимального. Затем за время ta+Т+ снижается до давления окружающей среды Рo и продолжает снижаться до величины Рo— Р-s, а потом за общее время t = ta + Т+ + Т возвращается к исходному давлению Рo. Области взрывных волн, давление в которых превышает давление окружающей среды, называют положительными фазами, их продолжительность t+. Области, где давление ниже исходного, называют отрицательными фазами или фазами разряжения с продолжительностью t- и амплитудой Р-s.
Важнейшими параметрами взрывной волны являются положительные i+s и отрицательные i-s удельные импульсы, определяемые как функции времени амплитуд избыточного давления, отнесенного к единице поверхности [77, 103]:
В большинстве случаев определяют параметры взрывной волны, связанные с положительной
фазой. Однако, иногда (например, при взрывах сосудов со сжатыми газами и протяженных источниках взрыва) параметры отрицательной фазы достигают высоких значений и важны при оценке разрушающей способности взрывной волны.
В области положительной фазы используются и такие важные параметры ударных волн, как плотность и массовая скорость газа u за волной, скорость ударной волны u, динамическое давление.
Читать бесплатно другие книги:
