Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие

Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу. Справочное пособие Вадим Иванович Романов Книга посвящена проблемам загрязнения окружающей среды при авариях промышленных предприятий и объектов разного профиля и имеет, в основном, обзорный справочный характер. Изучается динамика аварийных турбулентных выбросов при наличии атмосферной диффузии, характер расширения турбулентных струйных потоков, их сопротивление в сносящем ветре, эволюция выбросов в реальной атмосфере при наличии инверсионных задерживающих слоев. Классифицируются и анализируются возможные аварии с выбросами в атмосферу загрязняющих и токсичных веществ в газообразной, жидкой или твердой фазах, приводятся факторы аварийных рисков. Рассмотрены аварии, связанные с выбросами токсикантов в атмосферу, описаны математические модели аварийных выбросов. Показано, что все многообразие антропогенных источников загрязнения атмосферного воздуха при авариях условно может быть разбито на отдельные классы по типу возникших выбросов и характеру движения их вещества. В качестве источников загрязнений рассмотрены пожары, взрывы и токсичные выбросы. Эти источники в зависимости от специфики подачи рабочего тела в окружающее пространство формируют атмосферные выбросы в виде выпадающих на поверхность земли твердых или жидких частиц, струй, терминов и клубов, разлитий, испарительных объемов и тепловых колонок. Рассмотрены экологические опасности выбросов при авариях и в быту. Книга содержит большой иллюстративный материал в виде таблиц, графиков, рисунков и фотографий, который помогает читателю разобраться в обсуждаемых вопросах. Она адресована широкому кругу людей, чей род деятельности связан преимущественно с природоохранной тематикой: инженерам, научным работникам, учащимся и всем тем, кто интересуется экологической и природозащитной тематикой. Вадим Романов Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу (Справочное пособие) Рецензенты: доктор технических наук В.А.Алексашенко, доктор физико-математических наук В.Н.Петров. Введение Загрязнение природной среды газообразными, жидкими и твердыми веществами и отходами производства вызывает деградацию среды обитания и наносит ущерб здоровью населения. Эта экологическая проблема, имеющая приоритетное социальное и экономическое значение, остается одной из наиболее острых для нашей страны.Влияние хозяйственной деятельности на окружающую среду характеризуется производством большого количества загрязняющих веществ, отходов и другими факторами, которые приводят к изменению естественных ландшафтов, загрязнению атмосферы и природных водных объектов. За последние годы заметно сократилась государственная поддержка природоохранной деятельности, перманентные реорганизации, сопровождавшиеся снижением статуса и сокращением штатной численности и объемов бюджетного финансирования, поставили государственную систему охраны природы в критическое положение. Продолжение этого процесса реально угрожает разрушением природоохранных структур. «Деэкологизация» государственного управления сопровождается усилением секретности и противозаконных ограничений в распространении экологической информации. Продолжающийся в течение последних лет в Российской Федерации спад промышленного производства, характеризующийся остановкой одних предприятий и неполной загрузкой других, сопровождается некоторым сокращением антропогенной нагрузки на природные среды. В то же время снижение объемов загрязнений, образующихся на промышленных предприятиях и соответственно поступающих в воздух, водные объекты и почвы, не вызывает адекватного уменьшения техногенной нагрузки на окружающую природную среду, растет количество аварий. Существующие системы обнаружения аварий не имеют средств контроля за выбросами ядовитых веществ с определением их концентраций и зон распространения, или эти средства несовершенны. Система обнаружения угрозы и факта возникновения аварий должна предвидеть потенциально опасную ситуацию еще на стадии ее «зарождения». По данным Госгортехнадзора России около 80% существующих технических средств имеют срок эксплуатации более 20 лет, морально и физически устарели. В докладах и итоговых документах Всероссийской конференции по экологической безопасности России 2005 года отмечается, что при теперешнем уровне антропогенных выбросов токсичных веществ экологическая безопасность, являющаяся неотъемлемой частью национальной безопасности страны, не может быть обеспечена. Состояние экологической безопасности России вызывает глубокую тревогу, так как под угрозой находится здоровье десятков миллионов человек, проживающих на обширных территориях России. Эти территории фактически превратились в зоны экологического неблагополучия в результате прошлого и продолжающихся загрязнений. Отмечается рост масштабов эколого-техногенных катастроф и опасность экологического терроризма; нарастает опасное загрязнение продуктов питания, питьевой воды, причем появляются новые виды загрязнения (в том числе на генетическом уровне). Усиливаются тревожные тенденции деградации почв, сокращения биологического разнообразия флоры и фауны, истощительного использования природных ресурсов и катастрофического роста объемов незаконного промысла биоресурсов. Повсеместно не реализуются в полной мере конституционные права граждан России на благоприятную окружающую среду, доступ к экологической информации, компенсацию ущерба от экологических правонарушений и участие в принятии природоохранных решений. Недостаточен государственный контроль в области природопользования и охраны окружающей среды, в ряде случаев не соблюдаются обязательства Российской Федерации по международным конвенциям и соглашениям. Создавшееся неблагоприятное состояние природоохранных дел в России должно побудить разработчиков Новой техники и технологий XXI века более ответственно отнестись к проблематике антропогенных выбросов – в первую очередь их массовых и токсичных характеристик. Выбросы загрязняющих и токсичных веществ в атмосферу появляются при нормальной работе и авариях в практически любых областях человеческой деятельности. Причем продолжительные выбросы, как правило, возникают при работе предприятий в нормальном режиме, а кратковременные и мгновенные, являющиеся предельным случаем кратковременных, – при авариях. Аварийные выбросы, являющиеся одним из наиболее распространенных сверхнормативных поступлений загрязнений в атмосферу, появляются при хранении, транспортировке и изготовлении взрывчатых веществ (ВВ), в химической и нефтехимической промышленности, в ядерной энергетике, при разрыве сосудов высокого давления и бойлеров, при изготовлении, транспортировке и хранении легколетучих и сниженных газообразных топлив, при испарении криогенных веществ и т.п. В настоящее время задача нахождения физических характеристик выбросов загрязняющих веществ решается применительно к конкретному источнику и веществу, причем делается акцент на особенностях именно этого источника и этого вещества без анализа возможной типизации возникшего выброса как атмосферного объекта. Для другого источника загрязнений и другого вещества задача получения его массовых, динамических, геометрических и концентрационных характеристик каждый раз решается заново. Анализ выбросов загрязняющих и токсичных веществ в атмосферу показал, что имеются некоторые определяющие параметры, знание которых позволяет эту задачу типизировать по характеру выбросов и использовать стандартные системы уравнений, а иногда и готовые решения для нахождения их характеристик. Такими параметрами являются массовые, динамические и энергетические характеристики рабочего тела, а также физические характеристики окружающей среды. Эти исследования изложены в первой главе книги. В ней дается понятие выброса, классифицируются и типизируются аварийные ситуации, находятся определяющие параметры физико-математических моделей загрязняющих объемов. Кроме того в первой главе рассмотрена целесообразность введения вторичного атмосферного источника и зависимость аварий от условий окружающей среды. Вторая глава, имеющая в основном обзорный характер, посвящена описанию аварий с выбросом загрязняющих веществ атмосферу, оценке их физических характеристик и факторов опасностей. Рассмотрены современные подходы к решению задачи нахождения физических и токсикологических характеристик взрывного характера, пожаров и токсичных выбросов. В третьей главе на основе понятия вовлечения вещества окружающей среды в газообразный выброс рассмотрены важнейшие задачи поведения загрязняющих объемов в реальной атмосфере. Анализируется связь характеристик расширения струйных образований с погодными условиями и устойчивостью атмосферы, исследуются геометрические характеристики возникающих кратковременных выбросов. Кроме того, рассмотрены механизмы формирования кратковременных выбросов и их аэродинамическое сопротивление движению в потоке. Анализируются процессы дисперсии выбросов в реальной атмосфере при наличии температурных инверсий, задерживающих всплытие нагретых газовых объемов. Обсуждаются проблемы распада выбросов и рассеивания токсичных примесей из вторичных источников, возникающих при авариях. Четвертая глава книги посвящена описанию выбросов, развивающихся в реальной атмосфере и пригодных для моделирования аварийных ситуаций. В этой главе даны примеры построения математических моделей опасных атмосферных явлений. Рассмотрены практически все возможные атмосферные объекты, сопутствующие опасным экологическим ситуациям, начиная со струй, клубов, термиков, аэрозольных объемов и заканчивая разлетом весомой твердой фазы взрыва. В пятой главе обсуждаются экологические опасности аварийных ситуаций, сопровождающихся выбросами загрязняющих и токсичных веществ при авариях разных типов и в бытовых условиях. В приложениях приводятся данные о физических и экологических характеристиках взрывоопасных и токсичных веществ, а также медико-биологические характеристики сильнодействующих ядовитых веществ. Обзор приведенных литературных источников может быть использован разработчиками и инженерами при идентификации конкретного атмосферного выброса и выбора расчетного метода его изучения. Глава I. Аварии с выбросом загрязняющих веществ в атмосферу и вопросы их математического моделирования 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) • 10 кг/м . 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 сеточной области D , области размещения наблюдательных систем D , 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 ) – пространство функций состояния, удовлетворяющих граничным условиям; R(D ) – 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 (x ,x ) и вертикальном (х = 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 нелинейный. Он определяет скорость изменения концентраций c 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: R и R – 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 . 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]: М =М +Q ?t + ES?t , M =M +Q C ?t + ESC ?t , M V = M V + g(? – ?)??t , P = P , M ? = M ? + Q q ?t + ES? ?t + ?Q + W q ?t – H?t где: M, M – масса вещества выброса и масса i-ой примеси в нем, Q – расходная функция формирующегося выброса, С – массовая концентрация i – ой примеси, С =М /М , ?, ? – 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 – теплотворная способность топлива, Р – давление газа или пара, W – скорость образования i -ой примеси в результате химических реакций с теплотой образования q в объеме выброса, ?Q – 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. ). Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/v-i-romanov/prikladnye-aspekty-avariynyh-vybrosov-v-atmosferu-spravochnoe-posobie/?lfrom=688855901) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.