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) 10^3 кг/м^3. 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 Dt сеточной области Dht, области размещения наблюдательных систем Dmt , 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(Dt) — пространство функций состояния, удовлетворяющих граничным условиям;

R(Dt) — 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;

μ и ν — коэффициенты турбулентности в горизонтальных (x_1,x_2) и вертикальном (х_3 = 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 ci 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_1 и R 2 — некоторые операторы;

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

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

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_2 =М_1 +Q_0Δt + ESΔt,

M2 i=M1 i+Q_0Ci0Δt + ESCieΔt,

M_2V_2 = M_1V_1 + g(ρe — ρ)νΔt,

P = Pe,

M_2Ξ_2 = M_1 Ξ_1 + Q_0qTΔt + ESΞeΔt + ΔQФП + WjqxΔt — HΔt где:

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

Q_0 — расходная функция формирующегося выброса,

Сi — массовая концентрация i — ой примеси, Сi =Мi/М,

Ξ, Ξе — 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,

qT — теплотворная способность топлива,

Р — давление газа или пара,

Wi— скорость образования i — ой примеси в результате химических реакций с теплотой образования qx в объеме выброса,

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

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

Индексы «1» и «2» относятся к соответствующим моментам времени t_2 = t_1 +Δt, индексы "0" и "е" относятся к параметрам истечения и параметрам окружающей среды.

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

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

1.5. Определяющие параметры физико-математических моделей

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

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

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

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

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

— прочностные и массовые характеристики подстилающей поверхности (грунта);

— метеорологические данные;

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

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

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

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

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

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

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

— массовые, энергетические и динамические характеристики сформировавшегося выброса;

— физические характеристики твердой и аэрозольной фазы в выбросе;

— данные о возможных химических реакциях и фазовых переходах;

— метеоданные, включая информацию о высотных градиентах метеорологических параметров.

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

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

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

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

— учет массовых и энергетических характеристик рабочего тела;

— учет метеоданных и их высотных распределений;

— учет данных о возможных химических реакциях и фазовых переходах.

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

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

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

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

Рис. 1.3. Схема развития по времени аварийных выбросов в атмосфере из кратковременных и продолжительных источников для легкого (1) и тяжелого (2) газов: t_1, t_2, t_3 — моменты времени после выхода газа.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 -2с÷10 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 площадной 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.

Ветровое движение воздушных масс

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.

Атмосферное электричество

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).

Выпадающие осадки

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.

Аэровзвеси

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.

Оседающие осадки

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 ρ и массовая скорость газа u за волной, скорость ударной волны u, динамическое давление.

Последний показатель наиболее важен для оценки разрушающей способности ударной волны.

Параметры воздуха (газовой смеси) перед ударной волной и за ней определяются следующими уравнениями:

Здесь индекс «s» относится к параметрам воздуха непосредственно за ударной волной, а абсолютное давление Рs = Р+s + Р_0.

Моделирование взрывов основано на закономерностях подобия, в основу которых может быть положен принцип «кубического корня» [1, 103]. Этот принцип заключается в том, что если два заряда одного и того же ВВ одинаковой формы, но разного размера взрываются в одной и той же атмосфере, то подобные взрывные волны будут наблюдаться при одинаковом значении параметров расстояния:

K = R/E1/3 ’ (2.5)

где

R — расстояние от центра заряда, Е — полная энергия взрыва.

Для количественной оценки разрушающей способности ударных волн от взрывов парогазовых сред может использоваться количественный показатель m — масса горючего вещества, приведенная к единой энергии сгорания 46000 кДж/кг, равной удельной теплоте сгорания большинства углеводородов.

На основании результатов исследований последствий крупномасштабных промышленных взрывов паров углеводородов в незамкнутом пространстве для определения безопасного для людей расстояния RB от источника взрыва в виде парового облака массой m выведена формула [1]:

RB=(30–50)m⅓. (26)

которая соответствует принципу подобия взрывов неорганизованных паровых облаков в области низких давлений.

Разрушающая способность ударных волн в значительной мере зависит от скорости энерговыделения в источнике. Если в сферическую область конечного размера энергия подводится очень медленно по сравнению со временем распространения звука в сфере, то давление не повышается и взрывной волны не будет. Если же энергию подводят очень быстро, то это приводит к росту давления и взрыву. Причем способ и скорость энерговыделения в источнике оказывают существенное влияние на уровень избыточного давления АР и импульс взрыва / [103].

Далее рассматриваются наиболее часто встречающиеся и наиболее разрушительные типы взрывов, описанные в литературных источниках[1, 77, 103, 105, 106, 108].

Взрыв парового облака в ограниченном пространстве

Так характеризуют процесс быстрого химического превращения (горения) газа или пара, происходящий в пространстве, имеющем материальные границы (отдельные аппараты, помещения, здания) и сопровождающийся образованием ударной волны. Причиной взрыва может стать утечка газа, произошедшая внутри здания, или проникновение газового облака, образовавшегося вне здания.

Взрыв парового или газового облака является результатом быстрого выделения энергии в окислительно-восстановительной реакции. При этом газ нагревается, и в условиях ограниченного пространства происходит увеличение давления (в некоторых случаях восьмикратное) [1, 105].

Для взрыва газо-воздушной смеси необходимы следующие условия:

— присутствие горючего газа;

— присутствие кислорода, причем для любого газа существует определенный уровень концентрации кислорода;

— наличие источника инициации химической реакции.

При взрыве возникает фронт пламени, который продвигается под воздействием расширяющихся продуктов сгорания газа. Видимая скорость пламени зависит от геометрии системы, в которой происходит взрыв.

Взрыв парового облака в неограниченном пространстве

Определяется как процесс быстрого химического превращения (горения) облака горючего газа (пара), сопровождающийся возникновением взрывной волны в открытом (неограниченном) воздушном пространстве. Этот тип взрывов происходит, например, при разливе сжиженного горючего газа. Газ рассеивается и смешивается с воздухом, пока не происходит взаимодействие с источником возгорания. Взрывы такого типа происходят довольно редко, так как концентрация взрывоопасных веществ часто находится ниже нижнего предела возгорания из-за разбавления газовоздушной смеси и ее рассеивания. Однако они являются одними из наиболее разрушительных, поскольку в процесс вовлекаются большие объемы газа и большие площади.

Взрыв парового облака в неограниченном пространстве состоит из нескольких последовательных шагов:

1. Внезапный выброс огромного количества воспламеняемого пара. Обычно это происходит при разрушении емкостей, содержащих перегретые жидкости под давлением.

2. Распространение газа по территории и смешивание с воздухом.

3. Возгорание образовавшегося парового облака.

Классическим примером взрыва парового облака в неограниченном пространстве может служить авария в Фликсборо (Великобритания) [1, 103]. Внезапный разрыв трубопровода между реакторами привел к выбросу 30 тонн циклогексана. Паровое облако распространилось по территории завода и было подожжено неизвестным источником через 45 секунд после выброса. Завод был полностью разрушен, погибло 28 человек и еще 89 получили ранения.

Взрыв парового облака очень трудно охарактеризовать. В первую очередь из-за огромного числа параметров, необходимых для описания этого события. Аварии происходили при неконтролируемых обстоятельствах. Данные, собранные от различных аварий, большей частью ненадежны и плохо сопоставимы [1, 103, 105–108].

Некоторыми величинами, влияющими на поведение взрыва парового облака, являются:

• количество утекшего вещества,

• доля испарившегося вещества,

• вероятность возгорания облака,

• расстояние, которое прошло облако до возгорания,

• время задержки до возгорания облака,

• существование порогового количества вещества,

• эффективность взрыва,

• расположение источника возгорания по отношению к месту утечки.

Качественные исследования показали, что вероятность возгорания увеличивается с увеличением размера парового облака; паровое облако приводит к пожару намного чаще, чем ко взрыву; эффективность взрыва обычно мала — приблизительно 2 % энергии сгорания переходит в ударную волну; турбулентное перемешивание парового облака с воздухом и возгорание облака в точке, удаленной от места утечки, увеличивает влияние взрыва.

Почти не существует данных об уровне избыточного давления любого взрыва парового облака, полученных при помощи аппаратуры. Однако в ряде литературных источников доказывается, что хотя величина избыточного давления может быть невелика, но разрушающее воздействие ударной волны, по сравнению с взрывом обычного взрывчатого вещества, характеризующимся той же величиной избыточного давления, будет намного больше из-за гораздо большей длительности взрыва (или величины импульса).

Взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости

Это явление, происходящее при внезапном разрушении резервуара со сжиженным горючим газом и наличии источника воспламенения. Резкое падение давления (при разрушении резервуара) вызывает вскипание жидкости с образованием воздушной ударной волны, приводящей к разрушениям и появлению осколочного поля. Мгновенное воспламенение парового облака приводит к возникновению огневого шара.

Очень часто взрыв расширяющихся паров вскипающей жидкости происходит во время пожара и состоит из следующих стадий [105]:

1. Рядом с сосудом, содержащим сжиженный газ, начинается пожар.

2. Пламя накаляет стенки резервуара.

3. Стенки резервуара ниже уровня жидкости охлаждаются жидкостью, происходит увеличение температуры жидкости и давления в резервуаре.

4. Если пламя достигает стенок или крышки резервуара в том месте, где присутствует только газовая фракция и нет жидкости для отвода тепла, то происходит нагрев стенок сосуда, при котором происходит потеря их прочности.

5. Стенки сосуда разрушаются, происходит выброс сжиженного газа, который тут же испаряется.

6. Пары от мгновенного испарения жидкости зажигаются и образуют огневой шар.

Если взрыв паров расширяющейся жидкости произошел не в результате пожара, то после испарения сжиженного газа может произойти взрыв парового облака в неограниченном пространстве.

Объемный пылевой взрыв

Обычно возникает при воспламенении пылевоздушных смесей, содержащих мелкие горючие частички твердых веществ. Известны объемные взрывы на мукомольных, деревообрабатывающих, горнорудных предприятиях [1, 103, 105].

Для того, чтобы произошел взрыв пылевого облака внутри зданий и в оборудовании необходимо инициирующее внешнее воздействие при достаточно высокой, непереносимой человеком, концентрации пыли; эти объемы обычно непрозрачны. Такие облака могут сохранятся довольно длительное время внутри оборудования (например, элеватора и механизмов дробления), однако, они не могут существовать в течении длительного промежутка времени внутри зданий.

Взрывы пылевого облака опасны тем, что первоначальный инициирующий взрыв способствует возмущению и турбулизации пыли, что приводит к последующему более мощному взрыву. Поэтому взрыв, произошедший в оборудовании, может привести ко вторичному взрыву, который охватит все здание и вызовет намного больший ущерб.

Пылевые взрывы наиболее трудно классифицировать и привести к общей характеристике. Частички пыли сильно отличаются по величине и их размеры на несколько порядков больше, чем у молекул газа. К тому же на поведение частичек пыли большое влияние оказывает электростатическое притяжение.

Экспериментально установлено, что для того чтобы вызвать взрыв, пылевая взвесь должна обладать следующими характеристиками:

• частицы должны быть меньше определенного минимального размера (в литературе дается значение 76 мкм [105]);

• концентрация пыли должна находится в определенных границах. Верхние концентрационные пределы распространения пламени (ВКПР) обычно достаточно велики, и достичь их в производственных помещениях практически невозможно. Поэтому наиболее важен нижний предел, а также более высокие концентрации, при которых достигается максимальная объемная плотность энерговыделения;

• пыль должна быть примерно однородна.

Для большинства пылевых облаков нижний предел концентрации взрыва находится между 20 и 60 г/м^3, а верхний предел между 2 и 6 кг/м^3 [105].

Взрывы могут протекать в режиме детонации или в режиме дефлаграции; различие основано на скорости ударной волны, возникающей в результате взрыва. Если скорость распространения ударной волны выше, чем скорость звука в непрореагировавшей среде, то это детонация. Если же ниже, то — дефлаграция.

Взаимоотношения между фронтом ударной волны и фронтом реакции определяются режимом взрыва. При дефлаграции давление обычно увеличивается на несколько атмосфер. При детонации давление увеличивается в десятки раз. Существенно различаются и импульсные характеристики взрыва.

Существует два механизма, приводящих к детонации. В первом механизме — тепловом — происходит увеличение температуры реакционной смеси, приводящее к самоускорению скорости реакции. Во втором механизме — цепном разветвленном — происходит быстрое увеличение количества реагирующих свободных радикалов. Обычно этот процесс происходит, если в результате реакции от одного свободного радикала получается два.

Дефлаграция может переродится в детонацию. Это часто происходит в трубопроводах, но маловероятно в сосудах и на открытом пространстве.

В настоящее время не создана модель, позволяющая однозначно предсказать скорость взрывного превращения. В [106] рекомендуется для инженерной оценки использовать специальную экспертную таблицу института Химической Физики РАН.

В этой таблице представлены топлива, способные к образованию горючих смесей с воздухом, которые разделены на классы по чувствительности к инициированию взрывных процессов. Геометрические характеристики окружающего пространства также разделены на несколько классов в зависимости от степени их потенциальной опасности (степени загроможденности). В зависимости от типа вещества и степени загроможденности пространства можно определить наиболее вероятный режим взрывного превращения смеси.

Используя обобщенные экспериментальные исследования по взрыву определенных объемов газовоздушных смесей, как правило стехиометрического или близкого к нему состава, однородного по объему, с исходной геометрией, близкой к сферической и, в основном, с центральным поджиганием, получены [106] зависимости величины избыточного давления и импульса фазы сжатия для режима дефлаграции. Они записываются так:

где UF — скорость фронта пламени, v — степень расширения продуктов сгорания, а_0 — скорость звука в воздухе.

EB — энергия взрывного превращения (количество реагирующего вещества умноженное на теплоту сгорания),

Ра — атмосферное давление,

R — расстояние от эпицентра взрыва,

I+а — импульс положительной фазы,

ΔР — избыточное давление.

Отметим, что использование этих данных для прогнозов эффектов поражения и разрушения при воспламенении плоских вытянутых углеводородных облаков и аварий на магистральных трубопроводах требует значительного уточнения.

2.2. Факторы рисков опасных воздействий взрывов

Горение парового облака, происходящее, как правило, в режиме дефлаграции со скоростью 250–300 м/с, формирует в окружающей среде воздушную волну избыточного давления. Ударная волна при производственных авариях может вызвать большие людские потери и разрушения элементов сооружений. Размеры зон поражения от взрывов возрастают с увеличением их мощности.

Действие ударной волны на здания и сооружения характеризуется сложным комплексом нагрузок: прямое давление, давление отражения, давление обтекания и давление затекания, нагрузка от сейсмовзрывных волн и т. д.

При моделировании уязвимости сооружений сопротивляемость их элементов воздействию ударной волны принято характеризовать величиной избыточного давления на фронте ударной волны (дРф). Степень и характер поражения сооружений при взрывах во время производственных аварий зависят от следующих параметров:

а) мощности (тротилового эквивалента) взрыва;

б) технической характеристики сооружений объекта (его конструкции, прочности, размеров, формы и др.);

в) планировки объекта (рассредоточенности сооружений) и характера застройки;

г) ландшафта местности (рельефа, грунта, растительности);

д) метеорологических условий (направления и силы ветра, влажности, температуры, наличия осадков) [109]. В Таблице № 2.1 представлены данные о избыточных давлениях на фронте ударной волны, вызывающих повреждение объекта разной тяжести.

Вероятность достижения того или иного уровня ущерба можно рассчитать с помощью пробит функции [106, 107, 110].

В общем случае одно и то же воздействие различной физической природы (доза термической радиации, значение избыточного давления, ударный импульс и т. п.) может вызвать последствия различной тяжести, т. е. эффект поражения носит вероятностный характер. Величина поражения (Р измеряется в долях единицы или процентах) выражается функцией Гаусса

Таблица № 2.1.

Избыточное давление, вызывающее разрушение, (ΔРф), КПа.

в которой верхний предел интегральной функции является пробит-функцией, отражающей связь между вероятностью поражения и поглощенной дозой. Пробит-функция может быть вычислена по уравнению вида:

Pr = а + b ln(D), (2.13)

где а и b — константы для каждого вещества или процесса, характеризующие специфику и меру опасности его воздействия,

D — поглощенная субъектом доза негативного воздействия.

Вероятность малых повреждений зданий и сооружений можно оценить по соотношению:

Рг_1 = 5–0,26 In S_1, (2.14)

где влияние перепада давления в волне импульса фазы сжатия отражено фактором

Вероятность трудно реставрируемых повреждений зданий и сооружений можно оценить по соотношению:

Рг_2 = 5–0,26 In S_2, (2.16)

В этом случае фактор

Вероятность невосстанавливаемых повреждений зданий и сооружений (обрушение несущих стен) можно оценить пользуясь соотношениями:

Рг_3 = 5–0,26 In S_3, (2.18)

Следует отметить, что последствия взрыва представляют прямую и потенциальную опасность для человека. Люди могут получить повреждения от прямого воздействия (включая повышенное давление и тепловое излучение) и от косвенного (осколочное поражение, падение фрагментов изделий и т. п.).

Прямое или первичное поражающее действие взрывной волны связано с изменением давления в окружающей среде в результате прихода воздушной взрывной волны. Люди особо чувствительны к таким факторам взрыва, как избыточное давление в падающей и отраженных волнах, динамическое давление, скорость повышения давления до пикового значения после прихода взрывной волны и ее длительность, а также удельный импульс взрывной волны. Из других факторов, которые определяют степень поражения, нанесенного взрывной волной, можно назвать внешнее атмосферное давление, размеры и возраст человека. Органы тела, отличающиеся наибольшей разницей в плотностях соседних тканей, обладают наиболее высокой чувствительностью к первичному поражающему воздействию взрывной волны. Таким образом, ткани легких, наполненные воздухом, и ухо страдают от действия взрывной волны больше всего.

Общая характеристика воздействия избыточного давления на человека приведена в Таблице 2.2.

Отметим, что в случае нахождения людей в момент внешнего взрыва в зданиях, их поражение может наступить от механического воздействия за счет разрушения зданий (обрушения перекрытий и т. п.) уже при давлениях 0,3–0,5 бар. Ниже приводятся данные, позволяющие оценить вероятностные характеристики повреждений человека от аварийных негативных воздействий.

Таблица № 2.2.

Воздействие избыточного давления на человека

Вероятность летального исхода от прямого воздействия на людей избыточного давления определяется с помощью пробит-функции:

Вероятность разрыва легких оценивается по формуле:

где

P_0 — начальное давление, m — вес живого организма, кг.

Нижний уровень контузии связан с повреждением органов слуха и зависит только от перепада давления в волне. Он определяется пробит-функцией:

Рг_6 = 12,6–1,524 lnΔР. (2.24)

Существенным фактором опасности представляется разлет осколков и фрагментов оборудования и стекла. К числу объектов, потенциально опасных по осколочному фактору поражения, можно отнести работающие при повышенном давлении оборудование для хранения и транспортировки горючего, помещения и емкости для сжатых газов, химических соединений и т. д. Обычно подобное оборудование изготавливается из особых сортов сталей и при разрыве образуется сравнительно малое число осколков. Однако разлет объемных удлиненных элементов оборудования может сопровождаться истечением жидкого или газообразного рабочего тела, что придает фрагментам дополнительный импульс. При разрыве сосудов и аппаратов высокого давления, при отрыве специализированных легко сбрасываемых конструкций или разрушении вышибных мембран также образуются дискообразные элементы. Полет таких элементов определяется не только силами тяжести и инерции, но и находится под влиянием подъемной силы. Это обстоятельство заметно влияет на дальность разброса фрагментов. Массивные фрагменты способны отлетать на весьма большие расстояния от места образования (на открытом воздухе до 100 м и более) и вызывать тяжелые вторичные разрушения при столкновении с объектами промышленной и жилой застройки.

Особого внимания требует вопрос об осколочном действии разрушающихся стеклянных перегородок и окон. Как правило, газовоздушный и пылевой взрыв сопровождается разрушением остекления. Так при избыточном давлении 3 кПа будет разрушено 50 % оконных стекол. Основное значении при определении поражений имеет информация о скорости и дальности разлета стеклянных осколков. С учетом опытных данных скорость разлета осколков стекла при типичных внутрицеховых взрывах может быть оценена величиной 20 + 7 м/с [105]. Также на основе опытов считается, что масса кусков стекла после взрыва не превышает 100 г.

Для определения поражения людей осколки при авариях условно делят на две подгруппы [77, 107]:

— режущие осколки,

— ударные осколки.

Режущие осколки отличаются способностью пробивать кожный покров и проникать внутрь тела. Ударные осколки не пробивают кожный покров, а наносят удар по телу, так что основной фактор поражения связан с механическим повреждением внутренних органов от соударения. Различие этих подгрупп осколков связано с их скоростью полета и формой. При некоторой скорости полета осколка V > V_50 его относят к режущим осколкам, а при V < V_50 к ударным. Для оценки уровня V_50 в м/с можно использовать выражение

V_5_0 = 1247 (A/m) + 22, (2.25)

где А — площадь миделевого сечения осколка, м^2, m — масса осколка, кг.

Вероятность тяжелых поражения людей разлетающимися режущими осколками с массой m < 0,1 кг оценивается по соотношению:

Рг_7 = -29,15 + 2,1 In S_7 (2.26)

где S_7 = m V^5’115 ’ (2.27)

Вероятность тяжелых поражений персонала разлетающимися ударными осколками с массой 0,1 кг < m < 4,5 кг оценивается по соотношению

Рг_8 = -17,56 + 5,3 In S_8 (2.28)

где S_8 = 0,5m V^2. ’ (2.29)

Для массивных ударных осколков при m > 4,5 кг вероятность тяжелых повреждений определяется только скоростью осколка и оценивается по соотношению

Рг_9 = -13,19 + 10,54 In V. (2.30)

Как правило взрывная волна действует на человека не только через перепад давления. Вызванное скачком давления кратковременное перемещение воздуха способно отбросить человека с большой скоростью в направлении движения волны. Вероятность подобного события оценивается как:

Повреждения могут возникать либо на стадии ускорения, либо во время тормозящего удара. Степень повреждения, обусловленная тормозящим ударом, намного более значительна и определяется изменением скорости при ударе, а также временем и расстоянием, на котором происходит торможение, типом ударяющей поверхности и площадью соударения.

2.3. Пожары

Приведем описания пожаров различных видов в терминологии работ [1,112,113]. По условиям газообмена и теплообмена с окружающей средой все пожары подразделяются на два обширных класса [114]:

— на открытом пространстве;

— в ограждениях.

Пожары на открытом пространстве условно могут быть разделены на три вида:

— распространяющиеся;

— не распространяющиеся (локальные);

— массовые.

Пожары в заграждениях бывают двух видов:

— открытые;

— закрытые.

Пожар развивается на определенной площади или в объеме и может быть условно разделен на три зоны, не имеющих, однако, четких границ:

— горения;

— теплового воздействия;

— задымления.

Зона горения занимает часть пространства, в котором протекают процессы термического разложения твердых горючих материалов или испарение жидкостей, горение газов и паров в объеме диффузионного факела пламени. Зона горения может ограничиваться ограждениями здания (сооружения), стенками различных технологических установок, аппаратов, резервуаров и т. п.

В зависимости от агрегатного состояния горючего вещества различают три вида горения:

1. гомогенное горение газов и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя;

2. гетерогенное горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя;

3. горение взрывчатых веществ.

По скорости распространения пламени горение, протекающее с дозвуковыми скоростями, подразделяют на ламинарное и турбулентное.

При развитии пожара в здании приток воздуха в зону горения и удаление из нее продуктов сгорания происходят через проемы. Давление продуктов сгорания в верхней части здания (помещения) больше, а в нижней части меньше давления наружного воздуха. На определенной высоте давление внутри помещения равно атмосферному, т. е. перепад давления равен нулю. Плоскость, где давление внутри здания равно атмосферному, называется плоскостью равных давлений или нейтральной зоной.

Зоной теплового воздействия называется прилегающая к зоне горения часть пространства, в пределах которого протекают процессы теплообмена между поверхностью пламени, окружающими строительными конструкциями и горючими материалами. При этом передача тепла осуществляется тремя способами:

— конвекцией;

— излучением;

— теплопроводностью.

В горящем помещении излучение является основным способом передачи тепла от поверхности пламени к окружающим поверхностям горючих материалов, внутреннего интерьера и строительных конструкций по всем направлениям до момента, когда дым становится ослабляющей световой поток средой в результате поглощения и рассеяния лучистой энергии.

На стадии развившегося пожара в зданиях конвекцией передается значительно больше теплоты, чем при пожарах на открытом пространстве. Нагретые до высокой температуры газы способны вызвать возгорание горючих материалов по пути своего движения в коридорах, лифтовых шахтах, вентиляционных каналах, лестничных пролетах и т. д.

При пожарах на открытых пространствах теплота передается окружающим объектам главным образом излучением. Несмотря на то, что доля теплоты, передаваемой конвекцией, достигает 75 %, значительная ее часть передается верхним слоям атмосферы и не изменяет обстановки при пожаре.

Зоны задымления при пожаре в зданиях (сооружениях), внутри помещения и на открытых пространствах имеют свои особенности.

Внутри помещений объем зоны задымления зависит от условий распространения потоков продуктов горения и газообмена с окружением, а также от свойств горящих веществ и материалов.

На открытом пространстве объем и площадь задымления зависят главным образом от мощности источника горения, скорости выгорания материалов, разности температур окружающего воздуха и зоны горения и скорости движения газовых потоков.

Дым представляет собой дисперсную систему, твердые частицы которой, как и ядовитые газы, вредны для человека.

Опасными факторами пожара для людей являются:

— открытый огонь и искры;

— повышенная температура воздуха и предметов;

— токсичные продукты горения;

— дым;

— пониженная концентрация кислорода;

— обрушение зданий, сооружений;

— возможность взрыва.

Продолжительность пожара зависит от скорости выгорания материалов и скорости распространения пламени. Эти же величины, в свою очередь, зависят от состояния окружающей среды, которое характеризуется:

— метеорологическими параметрами (температурой, влажностью, давлением, степенью прозрачности атмосферы, скоростью и направлением приземного ветра);

— пожарной нагрузкой (горючестью, температурой самовоспламенения и воспламенения, влажностью и плотностью веществ и материалов, содержанием летучих веществ, критическим тепловым потоком, вызывающим их воспламенение или самовоспламенение от лучистой теплоты, взрывоопасностью, удельной пожарной нагрузкой и ее высотой, плотностью распределения горючих материалов по площади и в объеме);

— условиями газообмена и распространения пожара (расположением объектов горения, назначением и особенностями объемно-планировочных и конструктивных

— решений зданий и сооружений, площадью и взаимным расположением проемов, высотой помещения, расстоянием между центрами вытяжных и приточных проемов, этажностью, характеристикой имеющихся систем противодымной защиты);

— параметрами местности и застройки (рельефом и особенностями примыкающего к зданиям почвенного покрова, огнестойкостью и этажностью зданий и сооружений, противопожарными разрывами, шириной улиц, плотностью застройки, пожаро— и взрывоопасностью производств).

В качестве основных типов техногенных пожаров можно выделить [113]:

— пожар пролива или разлития;

— вспышечный пожар;

— струйный пожар;

— огневой шар.

Под пожаром пролива или разлития понимают горение пролитого вещества, испаряющегося с поверхности жидкости. Пожар разлития может иметь место при горении жидкости в резервуаре для хранения, когда резервуар остается без крышки, например в результате взрыва. При этом стенки верхней части резервуара (до уровня жидкости) могут оплавляться. В подобном случае четко определены границы и форма пожара. Пожар разлития может возникнуть также и в случае, когда горючая жидкость в результате аварии выбрасывается на поверхность земли, в водостоки или непосредственно в реки, озера или моря, где возможность распространения не ограничена. Именно так представляется ситуация при горении нефти на поверхности моря.

Вспышечным пожаром называется такой режим сгорания парового облака, при котором скорость перемещения фронта пламени значительно меньше звуковой. Он характеризуется пренебрежимо малым значением возникающего при этом избыточного давления.

Струйным пожаром является пожар такого типа, который возникает в результате горения газа и/или жидкости, вытекающих из замкнутого пространства под давлением.

Огневым шаром называют пожар, при котором масса сгорающего топлива или парового облака поднимается вверх над поверхностью земли. Подобный пожар заметно отличается от обычных пожаров. Горящий паро-газовый поток вытягивается вверх, образуя восходящее конвективное течение (вследствие чего этот тип пожара также называют конвективной колонкой). Часто в верхней части выброса возникает грибовидное облако. Конвективная колонка способна втягивать и поднимать отдельные предметы, зажигать их и разбрасывать на большие расстояния.

Помимо указанных выше типов техногенных пожаров встречаются и другие типы:

Огневой шторм образуется в результате слияния больших пожаров, возникающих в насыщенной топливом среде, в один громадный пожар. Он может сопровождаться появлением ветра ураганной силы и образованием смерчевых структур.

Анаэробный пожар — это пожар, при котором горение происходит без доступа воздуха. Он возникает в том случае, когда некоторые вещества при повышении температуры выше определенного критического уровня начинают интенсивно разлагаться с образованием окислителя. К таким веществам относятся, как правило, конденсированные взрывчатые вещества, в которых горючее и окислитель перемешаны на мольном или молекулярном уровнях.

2.4. Расчеты физических характеристик пожара

а) Пожары пролива или разлития Модель пожара пролива формируется с учетом следующих факторов:

— скорость горения;

— размеры разлития;

— высота пламени;

— наклон и увеличение пламени по направлению ветра;

— мощность излучающей поверхности;

— геометрический фактор;

— атмосферная проводимость;

— тепловой поток, воспринимаемый объектом. Тепловое воздействие на окружающую природную среду при горении различных жидкостей на поверхности разлития рассматривается в работах [106, 115].

В методике МЧС [115] предложен порядок оценки последствий пожара разлития, вызванного аварийными ситуациями на объектах по хранению, переработке и транспортировке горючих жидкостей. Приведем его основные положения.

При разрушении трубопровода объем вытекшей жидкости определяется по формуле:

V = 0,79 D^2L, (2.33)

где D — диаметр трубопровода, м;

L — длина отрезка между соседними отсека-телями, м.

При свободном растекании диаметр разлития определяется из соотношения:

где d — диаметр разлития, м; V — объем жидкости, м^3.

Величина теплового потока q на заданном расстоянии х от горящего разлития определяется по формуле:

q = 0,8Q_0 e−0,33x , (2.35)

где Q_0 — тепловой поток на поверхности факела, кВт/м^2, значения которого для некоторых веществ приведены в Таблице 2.3,

х — расстояние до фронта пламени, м.

Расстояние х, на котором будет наблюдаться тепловой поток с заданной величиной q, определяется по формуле:

x 33 ln(0,8 Q 0/ q) =. (2.36)

Величина индекса дозы теплового излучения I определяется из соотношения:

I = 60 q4/3, (2.37)

Возможность воспламенения различных материалов представлена в Таблице 2.4 При величине теплового потока более 85 кВт/м^2 воспламенение происходит через 3–5 с.

Таблица № 2.3.

Тепловой поток на поверхности факела от горящих разлитий.

Таблица № 2.4.

Тепловые потоки, вызывающие воспламенения некоторых материалов.

Методика расчета характеристик горения, предложенная в работе [106], включает следующие основные предположения и эмпирические соотношения.

1. Горение рассматривается как диффузионное (т. е. непосредственно зависящее от режима эжекции воздуха в зону горения) и происходит с открытой поверхности (в самом резервуаре при срыве перекрытия или при разлитии в пределах защитного ограждения).

2. Высота (длина — L) видимой части пламени (излучающей определенную долю тепла) определяется гидродинамическими факторами и наиболее достоверно может быть рассчитана по эмпирической формуле Томаса [116] с учетом влияния ветра на скорость сгорания, а следовательно, и на длину пламени

где m — массовая скорость выгорания с поверхности, кг · м -2 · с-1;

ра — плотность воздуха, кгкм-3;

D — эквивалентный диаметр очага горения, м;

W_0 — скорость ветра, мкс-1;

рπ — плотность паров топлива при температуре поверхности раздела фаз (для кипящих сжиженных газов — температура кипения при атмосферном давлении), кг/м^3.

Эмпирические коэффициенты в формулах Томаса (а_1 = 55; = 0,67; с_1 = -0,21) получены по результатам экспериментов, выполненных для широкого диапазона параметров

применительно к самым различным горючим жидкостям и сжиженным газам.

3. Пламя рассматривается как оптически «серый» монохроматический поверхностный излучатель.

4. При расчете внешнего излучения сложная, изменяющаяся во времени геометрическая форма пламени рассматривается как цилиндрическая поверхность с сохранением реальных значений высоты и (эквивалентного) диаметра основания пламени.

Количество теплоты q, излучаемое факелом в направлении смежного объекта или сооружения [114], рассчитывается по формуле

q = I_0 ехр(-βг)ΦFΦ /(πг^2), (2.40)

где I_0 — интенсивность излучения факела, Вт/м^2;

Р — коэффициент ослабления среды, м^1;

г — расстояние от излучающей поверхности до облучаемого объекта, м;

FΦ— площадь излучающей поверхности в направлении смежного объекта, м^2;

Φ — коэффициент облученности.

Интенсивность излучающей поверхности факела определяют по закону Стефана — Больцмана. Эта величина сильно зависит от температуры пламени, т. к. теплоизлучение пропорционально температуре в четвертой степени.

Для определения критических расстояний между очагом пожара и окружающими объектами необходимо знать площадь поверхности факела, обращенного в сторону облучаемой поверхности, степень черноты факела, коэффициент облученности, температуру факела, среднюю скорость сгорания материалов, а также критические тепловые потоки.

В Таблице № 2.5 с учетом различных режимов горения приведены значения критических тепловых потоков для некоторых горючих материалов.

Отметим, что площадь поверхности факела, обращенного в сторону облучаемого объекта, приближенно определяют как произведение основания факела на его высоту, делая поправку на форму (очертание) поверхности.

б) Расчет параметров пожара при возникновении огневого шара [106].

Возникновение огневого шара характеризуется совокупностью таких физических процессов, как:

Таблица № 2.5.

Критические тепловые потоки, вызывающие воспламенение и самовоспламенение некоторых материалов.

— взрывное вскипание углеводородных жидкостей в резервуарах высокого давления;

— выброс содержимого резервуара в окружающее пространство с образованием быстро сгорающего аэрозольного облака (огневого шара) и ударной волны;

— разрушение сосуда и разлет его осколков.

Для возникновения огневого шара необходимы следующие предпосылки:

1. жидкость, хранящаяся в герметичном сосуде под давлением, к моменту вскипания (за счет сброса давления) должна быть «термодинамически перегретой» выше некоторого характерного предела относительно состояния насыщения при атмосферном давлении;

2. в результате аварийной разгерметизации несущего корпуса (либо неправильной работы предохранительных клапанов или разрывных мембран) должно произойти резкое падение давления над поверхностью раздела жидкой и паровой фаз.

Тепловая мощность Р сгорания огневого шара [117] массой М может быть найдена из уравнения:

где QH — теплота сгорания, МДж/кг;

τ — время существования объекта, с.

Вещества, часто приводящие при авариях к образованию огневого шара, имеют теплоту сгорания QH порядка 45–48 МДж/кг.

Для оценки опасности огневых шаров необходимо уметь предсказывать их размер и время существования. В частности, радиус огневого шара R (м) и время его существования т (с) могут быть найдены по эмпирическим формулам работы [115].

При оценке последствий воздействия огневых шаров было принято, что в диапазоне между нижним и верхним пределами воспламенения в период существования огневого шара находится около 60 % массы газа (пара) в облаке и что эта масса более 1000 кг.

Вероятность поражения людей тепловым потоком зависит от индекса дозы теплового излучения I, который определяется из соотношения:

I = t(Q_0R^2 /Х^2)4/3 (2.42)

где X — расстояние от центра огневого шара (X > R), м;

Qa — тепловой поток на поверхности огневого шара, кВт/м^2, значения которого для наиболее распространенных веществ приведены в Таблице № 2.6.

Воздействия огневых шаров на здания и сооружения, не попадающие в пределы самого огневого шара, определяются наличием возгораемых веществ и величиной теплового потока q, которая определяется по формуле:

q = Q_0R^2/X^2, (2.43)

при этом время жизни огневого шара принято равным 15 с.

Таблица № 2.6.

Значения теплового потока на поверхности огневых шаров различных газов диаметром более 10 м.

2.5. Методика расчета температурного режима пожара в помещении

Пожар в помещении представляет собой сочетание специфических процессов, сопровождающихся изменением состава и параметров газовой среды, заполняющей помещение.

Основными среднеобъемными термодинамическими параметрами, характеризующими состояние газовой среды при пожаре [118, 119] являются:

среднеобъемная температура Тm, К;

среднеобъемная плотность рm, кг/м^3;

среднеобъемное давление рm, Па;

средние концентрации компонентов газовой смеси xi (например, 0_2, СO_2, СО и др.).

Газовую среду при пожаре с достаточной точностью можно рассматривать как смесь идеальных газов. Среднеобъемные термодинамические параметры состояния газа в каждой точке пространства связаны между собой уравнением Клапейрона.

Уравнения математического описания пожара, отражающие изменения среднеобъемных параметров состояния газовой среды в процессе развития пожара, выводятся с учетом основных законов физики:

— закона сохранения массы;

— закона сохранения энергии (первого закона термодинамики).

Математическое описание пожара в помещении [118, 119] включает:

усредненное уравнение состояния газовой среды (уравнение Клапейрона)

где Rm — усредненная газовая постоянная;

V — объем помещения, м^3;

τ — время, с;

GB — расход воздуха поступившего в помещение, кг с^1;

ψ — скорость выгорания (количество сгораемого материала, перешедшего в газообразное состояние), кг с^1;

Gg — расход газов, покинувших помещение, кг* с"1;

k — показатель адиабаты (к = Ср /Су);

QHP — теплота сгорания, кДж кг^1;

Qw —количество теплоты, ушедшее в ограждающие конструкции, кДж с^1;

iB, in, iG — энтальпия соответственно наружного воздуха, продуктов сгорания и уходящих газов, кДж кг^1;

х1У х_2, х_3 — среднеобъемные концентрации кислорода, рассматриваемого продукта горения и инертного газа в помещении, соответственно;

х1В, х2В, хав — концентрации кислорода (х1В ≈ 0,23), продукта горения и инертного газа в окружающей среде соответственно;

n_1 = х1G / Х_1 ≤ 1,

где

х1G — концентрация кислорода в уходящих газах, которая может незначительно отличаться от среднеобъемной;

η — коэффициент полноты сгорания;

L_1 — масса кислорода, необходимая для сгорания единицы массы горючего материала;

n_2 = х2G / Х_2 ≥ 1,

где

х2G — концентрация продукта в уходящих газах;

L_2 — количество продукта, образующееся в результате сгорания единичной массы вещества;

n_3 = х3G/х_3 — коэффициент, учитывающий различие концентраций инертного газа в уходящих газах и в помещении.

Начальными условиями для приведенных выше дифференциальных уравнений являются параметры состояния газовой среды (отмеченные индексом «0») в помещении перед пожаром. Они записываются следующим образом:

при τ = 0

Тm = Тm0

Pm = Рm0

pm = рm0

xt = xt0

Приведенные выше уравнения содержат переменные: Тm; Рm; рm; х_1, х_2; х_3. Число неизвестных равно числу уравнений, следовательно математическое описание пожара в помещении имеет замкнутый характер.

При решении практических задач система уравнений может быть упрощена. Допускается также использование различных эмпирических зависимостей, описывающих теплообмен очага пожара со строительными конструкциями.

Расширить область применения способа моделирования позволяют зональные методы. Исследуемый объем разбивается на зоны, для которых можно использовать интегральные модели. Зоны выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них газовую среду в очаге пожара можно было достаточно точно описать усредненными параметрами.

В зависимости от характера решаемой задачи для каждой из зон составляют систему уравнений математической модели. В условиях локальных пожаров используется разбиение на зоны горизонтальными плоскостями, при котором разделяются области, занимаемые продуктами горения и воздушной средой.

В условиях развитой стадии пожара и при объемных пожарах объем разбивается на зоны вертикальными плоскостями. Количество зон определяется задачами исследования и размещением пожарной нагрузки в помещении.

Моделирование температурного режима при пожаре в помещении в общем случае включает следующие основные этапы:

анализ конструктивно-планировочных характеристик помещений;

определение вида, количества и размещения пожарной нагрузки;

определение вида возможного пожара; выбор определяющих характеристик пожара; выбор метода расчета и проведение расчета; решение практических задач пожарной профилактики.

В общем случае в результате решения системы дифференциальных уравнений определяются изменения по времени развития пожара: среднеобъемной температуры; средней температуры поверхностей перекрытия, стен и пола;

теплового потока, выделяющегося при горении пожарной нагрузки;

теплового потока, поглощаемого строительными конструкциями;

теплового потока, уходящего из очага пожара с продуктами горения;

теплового потока, уходящего из очага пожара с излучением через проемы.

Эти данные являются исходными для решения практических задач по оценке пожарной опасности.

2.6. Факторы рисков опасных воздействий пожаров

Тепловое излучение может вызывать у человека негативные реакции кратковременного и долгосрочного характера. Физиологическими обратимыми реакциями являются увеличение сердечного ритма, потение, повышение температуры тела.

Патологические эффекты связаны с появлением ожогов вследствие воздействия теплового излучения на кожу. Термическое воздействие на человека связано с прогревом и последующими биохимическими изменениями верхних слоев кожного покрова. Человек ощущает сильную («едва переносимую») боль, когда температура верхнего слоя кожного покрова (~0,1 мм) повышается до 45 °C. Время достижения порога боли (в сек) связанно с интенсивностью теплового воздействия (кВт/м^2) зависимостью [106]:

t = (35/g)1’33, (2.50)

Степень повреждения кожи при воздействии более высоких температур зависит от величины и длительности теплового излучения. При относительно слабом тепловом излучении будет повреждаться только верхний слой (эпидермис) на глубину ~1мм. Более интенсивный тепловой поток может привести к поражению не только эпидермиса, но и дермы (нижний слой), а излучение еще большей интенсивности будет воздействовать и на подкожный слой.

Эти три уровня в целом качественно соответствуют установленным категориям ожогов 1-й, II — й и III — й степеней.

При достижении поверхностным покровом кожи температуры 55 °C появляются волдыри.

Вероятность получения ожогов [106, 110] первой степени можно оценить по соотношению

Pr_1 = -39,83 + 3,0186 ln(Δt q4/3). (2.51)

Вероятность достижения ожогов второй степени устанавливается по формуле

Рг_2 = -43,14 + 3,0188 ln(Δt q4/3). (2.52)

Смертельный исход для людей, незащищенных специальной одеждой, наступит с вероятностью

Pr_3 = -36,38 + 2,56 ln(Δt q4/3). (2.53)

Для персонала в защитной одежде вероятность летального исхода будет

Рг_4 = -37,23 + 2,56 ln(Δt q4/3). (2.54)

В соотношениях (2.51 — 2.54) время действия светового импульса Δt выражается в секундах, а интенсивность теплового потока q в Вт/м^2

При вспышках в форме огненного шара с учетом конечности времени действия радиусы зон ожогов первой, второй и третьей степени можно соответственно оценить как

R1t = (5,2+0,2) М5/12,

R2t = (3,7+0,2) М5/12,

R3t = (2,6+0,2) М5/12.

Кроме прямой опасности воздействия теплового излучения на кожу человека существует и опасность возгорания легковоспламеняющихся веществ, находящихся в зоне пожара, что в принципе может привести к дальнейшему разрастанию аварии и переходу ее в стадию каскадного развития. К тому же воздействие, оказываемое термическим излучением на строительные конструкции при повышении температуры выше предельных значений, приводит к значительному снижению их прочностных характеристик.

2.7. Токсичные выбросы

В отличие от пожаров и взрывов разных типов, имеющих много общего в возникающих источниках загрязнения атмосферы, выбросы токсичных веществ сильно различаются как по характеру поступления рабочего тела в окружающее пространство, так и по возникающим в атмосфере источникам загрязнений, физической картине их развития, интенсивности и продолжительности.

Токсичные выбросы, в соответствии с [1], можно определить как неконтролируемое системами обеспечения безопасности объекта поступление в окружающую среду токсичного (ядовитого) вещества.

Токсичное вещество — химическое соединение, при попадании которого в организм с водой, пищей, через кожу или органы дыхания, происходит его повреждение или наступает смерть.

Рассматриваемые в данном разделе токсичные выбросы, ограниченные временем поступления веществ в атмосферу не более часа [1], связаны с типичными аварийными ситуациями и не могут вызвать профессиональных заболеваний у персонала промышленного объекта. Они могут быть подразделены на залповые и продолжительные. Залповые выбросы возникают, когда в результате аварии (как правило, взрывного характера) в атмосферу «мгновенно» или краткосрочно поступает компактная порция токсичного вещества. В зависимости от того, в какое (ограниченное или безграничное) пространство оно поступает, формируется либо гомогенный токсичный объем, либо паровой клуб или облако.

В общем случае токсичный выброс может поступать в окружающую среду в виде парогазового объема и пролива (разлития), при испарении которого возникает вторичный источник загрязнения атмосферы. Продолжительные токсичные выбросы, кроме того, могут служить источниками струй (для жидкостей и тяжелых газов), токсичных туманов, задымлений и запылений.

Рассмотрим особенности формирования и развития этих выбросов.

Паровой клуб или облако возникают при краткосрочном выходе в атмосферу легкоиспаряющегося токсиканта, плотность которого в газообразном состоянии ниже плотности атмосферного воздуха. При этом в зависимости от интенсивности высвобождения внутренней энергии рабочего тела в атмосфере формируется газообразный объем в виде клуба или термина. В случае продолжительного напорного выхода токсиканта в атмосфере возникает выброс струйного типа. Математические модели и алгоритмы нахождения физических характеристик этих объектов описаны в Главе 4 этой книги.

Если паровой клуб или облако, струя, а также гомогенный токсичный объем состоят из взрыво— или пожароопасного вещества, то их поведение в атмосфере и характеристики аварийного развития не отличаются от соответствующих характеристик выбросов горения или взрыва. Для их определения можно воспользоваться формулами предыдущих разделов.

В соответствии с [1] разлитие (пролив) — это выброс жидкости, возникающий при ее истечении из технологических установок в случаях нарушения их целостности. Причем формирование атмосферного выброса из разлития существенным образом зависит от их летучести, особенностей фазового перехода и теплофизических свойств.

Различают [1] четыре категории жидкостей. К первой относят «криогенные жидкости». Они имеют критическую* температуру ниже температуры окружающей среды и могут быть сжижены только после охлаждения с последующим сжатием.

Напомним, что при температурах больших, чем критическая, вещество не может находиться в жидком состоянии. При соответствующем этой температуре давлении имеется возможность сжижения газообразной фазы.

Примерами таких жидкостей служат сжиженный природный газ (смесь метана с другими углеводородами), атмосферные газы (азот, кислород).

Ко второй категории относятся жидкости, у которых критическая температура выше, а точка кипения ниже температуры окружающей среды. Они легко сжижаются простым сжатием и при разгерметизации сосудов частично «мгновенно» испаряются, а оставшаяся часть охлаждается до точки кипения при атмосферном давлении. При этом возникают паровые клубы или облака. Так ведут себя сжиженные нефтяные газы, пропан, бутан, аммиак, хлор и др. Эти жидкости являются газами при температуре окружающей среды и хранятся в сосудах под давлением.

К третьей категории отнесены вещества, являющиеся жидкостями при атмосферном давлении и испаряющиеся значительно медленнее, чем жидкости первых двух категорий. Их испарение определяется главным образом состоянием атмосферы (в основном ветром). Примером служит бутан, этиленоксид и другие вещества.

К четвертой категории относятся те же вещества, что и к третьей, но содержащиеся при подводе тепла и при давлениях, превышающих критическое. При разгерметизации сосудов они ведут себя как сжиженные газы (перегретый водяной пар и циклогексан).

Токсичные выбросы, возникающие из проливов жидкостей первой категории в атмосфере, представляют собой паровые клубы или облака и рассчитываются по известным [8,46,39,73] методикам.

При проливах жидкостей второй категории в случае мгновенного испарения можно получить некоторые характеристики атмосферного выброса, если предположить, что возникший парообразный объем состоит только из вещества пролива, а воздух в него не вовлекся [1]. Считается, что испаряющийся пар движется со звуковой скоростью от мгновенно испаряющейся жидкости пролива.

На практике возникший выброс будет состоять из смеси токсиканта и воздуха, кроме того, звуковая скорость не будет достигнута, и жидкость превратится в смесь пара, газа, пены и воздуха, а выбрасываемые капли при бурном процессе распада могут выходить далеко за пределы теоретически рассчитанной паровой оболочки. Корректной оценки возникающего атмосферного выброса из известных нам литературных данных не существует.

Если выброс разлития состоит из невзрывоопасного и непожароопасного вещества (жидкости третьей категории), то на месте пролива возникает локальный ареал загрязнений («лужа»). Ее конфигурация и площадь определяются теплофизическими свойствами вещества (вязкость, температура, теплота испарения), а также рельефом местности и метеоусловиями (наличие ветра, температура атмосферы, влажность и т. п.).

Токсичное воздействие такого выброса локализовано в пределах площади пролива и при условии своевременного сбора и нейтрализации загрязнений приводит к минимальному ущербу для природных сред. При большой площади разлития и определенных атмосферных условиях вещество пролива интенсивно испаряется, что может привести к токсичным туманам и выпадениям токсичных дождей.

Испарение определяется [127] как процесс перехода вещества из твердого или жидкого состояния в пар. В случае перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное этот процесс чаще называют сублимацией. Термин испарение обычно означает все процессы парообразования, за исключением особо оговоренных случаев (например, испарение воды через ткани живых растений называют транспирацией).

Интенсивность испарения Е, по результатам исследований Дальтона [123], а затем Солднера [124], может быть описана формулами:

Здесь — функция средней скорости ветра;

Еb — интенсивность испарения при точке кипения в сухом воздухе при атмосферном давлении Р (т. е. при давлении насыщенного пара при температуре точки кипения);

I*s — давление насыщенного водяного пара при температуре водной поверхности;

Iа — давление пара в воздухе.

Связь давления насыщенного водяного пара с температурой описывается формулой:

I* = Р— ехр[-(250+ Тb — Т)— (Тb — Т)/ 6976],

где Тb — температура кипения при атмосферном давлении Р

Дальнейшим развитием и углублением проблемы были работы Вайленмана [125]. Он выразил интенсивность испарения в виде линейной функции от средней скорости ветра и и дефицита насыщенного воздуха:

В этой формуле:

Aw и Bw — постоянные, /*а — давление насыщенного пара при температуре воздуха.

Соотношения (2.56) и (2.55а) эквивалентны лишь при равенстве температуры воздуха и воды.

Наконец, Штеллинг [126], объединяя уравнение Дальтона (2.55) и уравнение Вайленмана (2.56), получил уравнение, корректно решающее проблему

Здесь

As и Bs — эмпирические постоянные.

Отмечается [127], что уравнение (2.57) получено эмпирическим путем, и в литературе опубликовано бесчисленное множество значений As и Bs, пригодных для разных условий. Однако эта формула не решала проблему в целом.

Дальнейшее развитие теории испарения произошло при изучении явлений переноса в газах и жидкостях. Фик [128] опытным путем обнаружил, что локальный удельный поток субстанции примеси в невозмущенной сплошной среде, являющийся результатом только молекулярного переноса, пропорционален градиенту ее концентрации. Современное развитие теория испарения получила в работах Брат-серта [121], Берлянда М.Е. [129], Будыко М.И. [130].

Для горючих и взрывающихся веществ проливов ситуация может усложниться потенциальной опасностью развития аварийной ситуации. При загорании разлития, испаряющегося с поверхности жидкости, возникает пожар разлития, характеризующийся параметрами, описываемыми в предыдущем разделе. Это относится и к нахождению физических характеристик загоревшегося парового клуба, возникшего от испарившегося пролива.

Дымления и пыления являются важными источниками поступления токсичных веществ в атмосферу в виде частиц в широком диапазоне размеров: от нескольких миллиметров до долей микрона. Аэрозольные частицы пыли и дыма в концентрациях выше предельно допустимых (ПДК) являются сильными токсикантами; кроме того, они служат центрами конденсации атмосферной влаги, приводя к образованию токсичных туманов и смогов. Естественные и антропогенные туманы, а также фотохимические смоги состоят из конденсирующихся аэрозолей, токсичность которых повышена по сравнению с сухими аналогами. Они под действием метеорологических факторов могут перемещаться на значительные расстояния.

Дымлением называется процесс образования разбавляемого воздухом объема мельчайших аэрозольных частиц в результате химических реакций неполного сгорания вещества выброса. Происходит дымление, как правило, при недостатке окислителя.

Процесс дымления на практике либо предшествует горению, либо следует после него. Выброс дымления, как и испарительный выброс, имеет нулевую начальную скорость выхода вещества и отличный от нуля начальный расход вещества.

При дымлении наряду с аэрозольными частицами, как правило, присутствуют жидкости в парообразном состоянии. Недоокисление топлива при дымлении дает химические соединения, обладающие высокой токсичностью (например, диоксин). Поэтому дымление, несмотря на его сравнительно малый вклад по времени в общий процесс горения, может дать высокие значения концентраций и доз загрязняющих и токсичных веществ в окрестности места возникновения этого выброса. Размер дымовых частиц — от 0,005 мкм до 0,5 мкм.

Пылевые частицы, определяемые как дисперсные аэрозоли [63,64], в основной своей массе имеют большие размеры. Многие процессы в промышленности, например, размол, дробление, просеивание, измельчение, шлифовка сопровождаются выделением в воздух пылевых частиц. Они также часто образуются при химических или термических процессах плавления твердых веществ, возгонке, обжиге.

Частицы пыли, находясь в воздухе рабочих помещений во взвешенном состоянии, могут попасть в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт. Они, попадая на слизистые оболочки глаз, могут вызвать конъюктивиты, заболевания кожи — различные дерматиты.

Вредное действие пыли на организм определяется ее химическим составом, размером частиц и их формой. Наибольшую опасность представляют мелкие частицы пыли размером до 5 микрон [63]. Такие частицы могут долго находиться во взвешенном состоянии и проникать глубоко в легкие. Вредное действие пыли зависит также от формы ее частиц. Наиболее вредными являются микродисперсные частицы пыли волокнистого или иглообразного строения, способные длительное время находиться в воздухе во взвешенном состоянии. Такие пылевые частицы, выделяющиеся в текстильной, асбестовой промышленности и в производствах стеклянного и минерального волокна, могут проникать глубоко в ткани легкого даже при размерах пылинок в 20–30 мкм.

Установлено, что наиболее вредными для здоровья людей являются пыли с размером пылинок от 2 до 8 микрон. Одной из особенностей пыли является чрезвычайно развитая поверхность, зависящая от величины частиц, что делает пыль значительно химически активнее, чем было твердое вещество до измельчения. Если пыль состоит из веществ, способных к окислению, то по своим свойствам воздушнопылевая смесь часто становится похожей на смесь воздуха с горючими парами, и в ряде случаев такие пылевоздушные смеси оказываются взрывоопасными. Известны случаи взрывов пыли алюминия, магния, цинка, сажи, угля, дерева, хлопка, смол и других легко окисляемых веществ. В пыли обитают плесневые грибки, микробы и пылевые клещи, являющиеся аллергенами. Остатки бытовых химикатов и металлы (в том числе такие токсичные, как свинец, кадмий, мышьяк) легко вступают в контакт с частицами и сохраняются в пыли годами.

Крупномасштабные запыления и задымления приземных слоев атмосферы могут возникать либо от местных антропогенных источников, либо доставляться воздушными потоками. Недостаточно изученной проблемой является жизненный цикл дыма в атмосфере, особенно при все возрастающих масштабах его выбросов. В начале XXI века суммарный по земному шару ввод дыма за год оценивается -200 Мт, что близко к оценкам дыма от пожаров ядерной войны. Основными источниками «мирного» дыма являются сжигания ископаемого топлива (нефть, уголь, газ), природные и антропогенные пожары. Эти дымы и условия их поступления в атмосферу отличаются от «военных» дымов рядом факторов, главным из которых является низкая интенсивность горения. В результате таких процессов большая часть дыма собирается в приземном и пограничном слоях атмосферы, т. е. в нижнем слое высотой — 1 км. Отсюда частицы дыма сравнительно быстро удаляются осадками — дождем и снегом. Благодаря тому, что ввод дыма осуществляется в разных местах и более или менее равномерно в течение года, он нигде не накапливается в количествах, которые могут заметно повлиять на термический режим атмосферы и на ее загрязненность. К тому же содержание токсичных соединений углерода в частицах дыма невелико, так как большая часть дыма образуется при сжигании древесины и других видов топлива в контролируемых условиях. Среднее по всей атмосфере время жизни частиц дыма около 10 дней. Одновременно в атмосфере находится всего примерно 5 Мт дыма, поэтому он слабо влияет на поглощение солнечного излучения и климат как отдельных регионов, так и глобально всей планеты. Однако есть все основания считать, что время жизни частиц дыма может заметно возрасти после введения больших количеств «военного» дыма. При ведении крупномасштабных боевых действий в военном конфликте с использованием современного оружия война продолжалась бы лишь несколько дней. На основе исторического опыта предполагается, что пожары в городах будут продолжаться примерно сутки и будут наиболее интенсивны в течение нескольких первых часов, а лесные пожары — в течение одной или нескольких недель. Такая скорость ввода в атмосферу дает возможность дыму накапливаться в значительных количествах даже при нормальных скоростях его выведения из атмосферы. К тому же дым от интенсивных пожаров и взрывов поднимется на значительные высоты за пределы пограничного слоя Земли. Как выше отмечалось, основным механизмом выведения аэрозоля из атмосферы является его вымывание осадками. В нормальных условиях большая часть осадков формируется в нижней половине тропосферы. Поэтому ввод больших дополнительных количеств дыма (~ 50 % от его массы или более) в верхнюю половину тропосферы (выше 5 км) или даже в нижнюю стратосферу существенно увеличит среднее время жизни дыма против обычных 5 — 10 дней. Кроме того, в условиях войны следует ожидать значительного уменьшения интенсивности влагооборота, что затруднит выведение дыма осадками просто потому, что их будет меньше, и они могут формироваться в более низких слоях тропосферы. Эти простые предположения нашли свое подтверждение в численных экспериментах на моделях общей циркуляции атмосферы.

Местными источниками пыли и дыма, как правило, служат площади оголенных грунтов, карьеры горных выработок, заводы, выпускающие некоторые строительные материалы (например, цементные), металлургические производства. При авариях на них в атмосферу поступает неконтролируемое количество таких загрязнений.

Наибольшую опасность представляют задымления и запыления, привнесенные в данное место извне, так как подобное вторжение является часто совершенно неожиданным. В литературных источниках имеются сообщения о таких случаях.

Например, 19 декабря 1985 г. в Ашхабаде наблюдалась [25] пыльная мгла при нулевой видимости. В это же время такое же явление наблюдалось во многих других районах Средней Азии, удаленных друг от друга на многие сотни километров (в Чарджоуской области, городах Кушка, Сарахс и ряде других). Мгла охватила территорию размерами 250 на 600 км в направлении с юго-запада на северо-восток. Используя данные спутников и аэросиноптические карты Северного полушария, удалось установить, что в указанные районы Средней Азии были воздушными массами перенесены огромные количества пыли с Аравийского полуострова.

Предполагается, что пыль поднялась в воздух ветром, затем струйными тропосферными потоками была перенесена на тысячи км, и благодаря нисходящим воздушным потокам на северо-восточных склонах среднеазиатских гор опустилась в приземные слои атмосферы.

Аналогичная ситуация наблюдалась 8 мая 1987 г. в Якутии. Там отмечалось помутнение воздуха типа дымки и выпадение снега со специфическим запахом. Измерения показали наличие небольших концентраций фосфорорганических отравляющих веществ, которые могли быть доставлены из Ирака и восточной Турции [25]. Этот источник загрязнений был установлен после анализа спутниковой информации и данных аэросиноптических материалов.

Подобные явления задымления с последующим выпадением «грязного» снега отмечались в некоторых пунктах Магаданской области. Территория, захваченная загрязнением, имела протяженность с запада на восток на 600 км и на 150 км с севера на юг. Местные источники подобных загрязнений отсутствуют. Анализ погодных условий показал, что наиболее вероятной причиной такого задымления явился перенос продуктов сгорания древесины при лесных пожарах из Читинской области, а также погодные условия, обусловившие подъем и транспортировку загрязняющих частиц на огромные расстояния.

Подобный региональный, а иногда и глобальный перенос токсичных пылевых и дымовых частиц возможен при авариях промышленных объектов.

Глава III

Турбулентные выбросы в атмосфере

Расчет турбулентных струйных течений, к которым можно отнести собственно струи, следы, термики и клубы, базируется на некоторых схемах процессов турбулентного обмена и на связях между касательными напряжениями и поперечным градиентом осредненной скорости. В простейших случаях полуэмпирические теории турбулентности Прандтля, Тейлора и др. позволяют свести задачу интегрирования системы дифференциальных уравнений движения — уравнений в частных производных — к интегрированию обыкновенного дифференциального уравнения; причем его решение получается с точностью до экспериментально определяемого множителя. Такие решения, называемые автомодельными, были впервые получены Толлмином, и они явились отправным моментом многочисленных полуэмпирических схем теории турбулентных струйных течений.

Отечественными разработчиками подобных теорий являются Абрамович Г.Н., Гиневский А.С., Вулис Л.А., Лойцанский Л.Г., Голубев В.А. и их сотрудники [91–95]. Ими поставлены и решены важные теоретические и экспериментальные исследования, имеющие принципиальны результаты. Использование этих теорий в расчетах струйных течений, как и в расчетах турбулентных пограничных слоев, оправдывается потребностью решения важных инженерных задач в условиях неполного знания начальных и граничных условий течений, а также тем, что их применение в большинстве случаев удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным.

Другим инженерным подходом к решению широкого класса струйных задач является использование понятия вовлечения как некоторой диффузионной функции, интегрально учитывающей процесс взаимного проникновения вещества струи во внешнюю среду и внешней среды в поток. Такой подход развит для изотермических и нагретых газообразных объемов типа термиков или клубов.

В настоящее время существует несколько подходов к решению проблемы создания приближенной аналитической модели турбулентного газообразного объема, движущегося в атмосфере из-за разности плотности его вещества и вещества окружающей среды. Для объемов, имеющих наряду с поступательным движением, как целого, вращение относительно направления движения (термики, вихревые слои) развитие турбулентных движений описывается трехмерными уравнениями Навье-Стокса при задании коэффициентов турбулентного обмена. Решение в этом случае ищется при разложении искомых функций в ряд по малому параметру [86].

Иным решением подобных задач в приближении осесимметричного течения вещества термика или вихревого слоя является решение осредненной по объему системы уравнений Рейнольдса в приближении Буссинеска для автомодельного участка траектории выброса. Такой подход, например, развит в работах Гостинцева Ю.А. и др. [5,17, 88,89]. Изучению всплытия термика в атмосфере в приближении Буссинеска посвящена работа [6], клуба и струи работы [8,13, 29, 33,100].

Газообразные объемы при взрывных авариях, как правило, не имеют единого центра кругового движения газа. Данные о рассматриваемом объекте и окружающей среде при решении задачи движения взрывного клуба в атмосфере носят приближенный оценочный характер и не могут использоваться для детализации картины трехмерного турбулентного движения среды. Поэтому наиболее целесообразным является использование условий и допущений, упрощающих задачу и не искажающих ее физическое содержание. Такими допущениями при решении задачи формирования и движения в атмосфере техногенных выбросов являются следующие:

— выброс представляется в виде правильного геометрического тела (сфера, эллипсоид и т. п.),

— вещество выброса и газодинамические характеристики равномерно распределены по его объему,

— центр приложения массовых сил совпадает с геометрическим центром,

— отсутствует вращательное движение вещества выброса, привязанное к единому его центру.

Для струйных потоков используется допущение о равномерных по сечению значениях макроскопических величин — таких как скорость, температура, концентрация примеси, энтальпия и т. п.

Этот подход, использующий кроме перечисленных предположений, гипотезу пропорциональности между скоростью вовлечения окружающего воздуха в клуб или струйный поток и значением вертикальной скорости его подъема, развит, например, в работах [8 — 10,38]. Он существенно упрощает процедуру расчета и при использовании экспериментальных констант вовлечения и аэродинамического сопротивления движению приводит к успешному решению задачи.

3.1. Атмосферная диффузия и вовлечение окружающей среды в выброс

Диффузией называют распространение вещества в какой-либо среде в направлении убывания его концентрации, обусловленное движением его частиц: атомов, молекул, ионов, броуновских частиц или отдельных элементарных газовых объемов — молей. При ламинарной диффузии вещество распространяется механизмом теплового движения мельчайших частиц на атомно-молекулярном уровне; при турбулентной — этот процесс происходит под влиянием вихревого беспорядочного движения отдельных макроскопических частиц и образований по сложным непредсказуемым траекториям.

Для инженерных расчетов и оценок большой интерес представляют турбулентные движения газообразной и жидкой среды, так как они реализуются в абсолютном большинстве практических задач.

В отличие от ламинарного плавного движения при турбулентном движении среды происходит интенсивное ее перемешивание, и диффузия в ней многократно усиливается. В настоящее время имеются десятки теорий турбулентности и вероятно не меньше объяснений механизма диффузии, хорошо «работающих» в частных случаях, но не являющихся логически завершенными и универсальными. В работе [50] отмечается, что в окончательном виде проблема турбулентной диффузии еще не сформулирована в окончательном виде как единая физическая модель, способная объяснить все ее многообразные аспекты.

К сегодняшнему дню к проблеме диффузии имеются два основных подхода, на базе которых ответвляются более мелкие и частные: теория градиентного переноса и статистическая теория. Согласно теории градиентного переноса диффузия от источника связана с локальным градиентом концентрации его вещества; статистическая теория рассматривает движение частиц как составную часть сплошной среды. Между этими подходами существует близкая связь, так как они описывают одно и то же явление с разных сторон, но имеются и различия.

Теория градиентного переноса от непрерывного точечного источника в атмосфере является эйлеровой — рассматривающей свойства движения жидкости или газа относительно зафиксированной в пространстве системы координат. Статистическая же теория, рассматривающая движение отдельных частиц, является лагранжевой.

Особое место занимают задачи распространения антропогенных выбросов в виде различных струйных течений разной продолжительности, интенсивности и концентрации загрязнений. Диффузия таких выбросов может рассматриваться на основе теории струй, развитой, например, в работах [91–95]. Описание таких течений с помощью системы дифференциальных уравнений связано с трудностями вычислительного характера. Кроме того, в ряде важных конкретных задач этого рода не удается учесть сложные граничные условия и сильное влияние таких эффектов реальной атмосферы, как дальнодействие пульсаций давления, значительная перемежаемость турбулентного потока, неоднородность и не стационарность ветрового потока и т. п.

Наблюдаемые в опытах и в реальных объектах относительно крупные вихри образуются при турбулентном обмене конечными массами жидкости или газа, происходящими между соседними слоями потока с разной завихренностью и разной средней скоростью. При попадании турбулентной частицы или моля в новый слой среды они обладают избыточной завихренностью и избыточной поступательной скоростью, которые порождают пульсации этих параметров. Отмечается [89], что в период дискретного существования завихренной частицы она воздействует на поток как твердое тело с некоторой угловой скоростью, обтекаемое потоком с относительной скоростью, то есть как вихрь конечного диаметра.

Турбулентное течение сопровождается образованием, перемещением, взаимодействием и затуханием интенсивности вихревого движения различных масштабов. Размеры наиболее крупных вихрей сравнимы с характерными размерами потока (радиусом трубы или устройства выброса, канала, погранично-го слоя и т. п.).

Возникновение вихревых структур, увеличивающихся в размерах по течению, связано с переходом от ламинарного режима к турбулентному. Оно обуславливает интенсивное перемешивание потока и однородность его физических характеристик.

Развитое турбулентное течение характеризуется наличием разномасштабных вихревых структур, способных оставаться когерентными (согласованно протекающими во времени и пространстве) на значительном расстоянии вниз по потоку.

Отметим, что несмотря на длительное изучение когерентных структур, оказывающих существенное влияние на дисперсию механической энергии, сдвиговые напряжения, аэродинамический шум, процессы горения и другие технически важные процессы, взаимодействие вихрей, механика их роста, трехмерные эффекты полей завихренности внутри структур и многие другие вопросы остаются открытыми.

Процесс перемешивания вещества струи с окружающей средой можно трактовать как его диффузию и вовлечение воздуха, происходящих посредством вихревого переноса. Экспериментально установлено, что граница, отделяющая однородную жидкость или газ струйного потока, резко выражена. Она искривляется крупными вихрями, а процесс перемешивания условно можно подразделить на два этапа: диффузия вещества струи и захват внешней среды крупными вихрями и последующее мелкомасштабное перемешивание в центральной части потока.

Струя как бы колеблется относительно своей осредненной границы из-за того, что вертикальная скорость и турбулентность, измеренные в фиксированной точке на некотором расстоянии от оси, имеют перемежающийся характер. Несмотря на это, осредненные по времени профили макроскопических величин, например, таких как скорость и температура являются гладкими и хорошо аппроксимируются дифференцируемыми функциями (например, гауссовскими кривыми).

На Рис. 3.1. схематично изображено движение струи в некоторой среде, сопровождающееся взаимным проникновением вещества потока в среду и среды в поток.

Рис. 3.1. Схема взаимного проникновения вещества струи и окружающей среды в турбулентном потоке: 1 — турбулентный поток; 2 — зона смешения (заштрихована); 3 — окружающая среда; граница струи (__________) и ее мгновенные значения (………….).

Область интенсивного перемешивания диффузии примеси и вовлекаемого вещества имеет форму конического слоя (на рисунке заштрихован), примыкающего к цилиндрическому ядру потока. Ос-ре дне иная граница струи — прямолинейная, мгновенная граница имеет перемежающийся вид и является когерентной структурой. Гребни этой структуры по мере развития течения увеличиваются в размерах и перемещаются вниз по течению.

В условиях знакопеременного направления относительного движения вихрей в турбулентном потоке, когда максимальные разрежения образуются попеременно на его разных сторонах, будет формироваться мгновенная граница потока в виде перемежающейся рельефной поверхности. Эта поверхность передвигается вниз по потоку вместе с некоторой охватывающей ее массой жидкости с некоторой скоростью (Рис. 3.1), зависящей от циркуляции вихря и расстояния до соседнего вихря [88].

Поперечная скорость вихревых неоднородностей Vrp определяется пульсационной скоростью v'. Наличие сносящего ветрового потока приводит к его уширению, сглаживанию поверхностных гребней и увеличению продольной составляющей скорости Vrp. С другой стороны турбулентные движения атмосферы привносят свои пульсационные составляющие, приводящие к увеличению угла расширения потока. Детально эти процессы могут быть описаны только чрезвычайно сложной и громоздкой математической моделью, для которой остается проблематичным формулировка начальных и граничных условий.

Для решения инженерных прикладных задач диффузионные эффекты примесей в атмосфере могут с успехом быть решены при использовании понятия вовлечения, которое интегрально учитывает все перечисленные выше физические явления.

3.2. Параметры расширения струй и клубов

Как отмечалось выше, для описания процессов, происходящих в свободных турбулентных течениях, основным понятием является механизм диффузии или «вовлечения» окружающей жидкой или газообразной среды в выброс; граница потока деформируется крупномасштабными вихрями, а внутри — вихри мелкомасштабные широкого спектра размеров.

Процесс перемешивания внутреннего и внешнего течений происходит в два этапа: захват внешней среды большими вихрями и каскадное мелкомасштабное перемешивание в ядре потока.

Детальная теория механизма вовлечения дается в основополагающей работе Таунсенда [154], но упрощенно описанный выше механизм этого процесса дает представление о физике явления.

Для нахождения параметров расширения струйного потока будем исходить из геометрической интерпретации процесса нарастания его поперечного размера. Все работы, использующие понятие вовлечения, базируются на интегральном (осредненном по поверхности контакта с окружающей средой по периметру контрольного элемента газа) поступлении вещества окружающей среды в турбулентный поток. Считается [5 — 14], что приток воздуха на внешней периферии контрольного элемента газа единичной длины (Рис. 3.1) равен вовлечению Е в струю, то есть

Е = ρе · L · w. (3.1)

где

L — длина внешней образующей поперечного сечения S (для круглого сечения L = 2πR); w — скорость вовлечения внешнего воздуха в сечение S (среднее по длине Δl).

Считается, что скорость вовлечения пропорциональна скорости вещества струи V, т. е.

w = а V

где а — коэффициент вовлечения.

В большинстве работ коэффициент а считается постоянным, однако в действительности это не так. Только в одном частном случае осесимметричной изотермической струи при отсутствии сносящего потока, как показывает опыт [11] это соотношение постоянно.

Соотношение w/V характеризует угол раствора струйного потока. Естественно, что оно должно зависеть от плотностей вещества струи и окружающей среды и от их степеней турбулентности. Рику и Сполдинг [96] экспериментально получили зависимость коэффициента вовлечения от плотности. Ими было получено соотношение

w / V = ω,

где ω = а (ρ/ ρе) S.

По данным [12,13] а = 0,08 для осесимметричной струи и а = 0,22 — для струи линейной [14] при экспериментах в лабораторных условиях, что соответствует случаю покоящейся среды (штиль). В такой постановке в настоящее время решаются наиболее «продвинутые» задачи теории струй.

Выражение (3.1) при этом приобретает следующий вид:

где  — новый коэффициент вовлечения.

Вовлечение Е в форме (3.2) при записанных выше постоянных значениях коэффициента а уже учитывает неоднородность плотностей окружающей среды и струи и очевидно вполне приемлемо для лабораторных практически штилевых условий, но оно не зависит от динамических и метеорологических характеристик атмосферного воздуха, которые существенно влияют на турбулентный захват струей внешней среды, и поэтому не пригодно для описания процессов в реальной атмосфере. Зависимость вовлечения при такой записи от динамической активности внешней среды отсутствует и поэтому «одна из основных задач теории турбулентности» (как отмечается в [11]) пока остается не решенной до конца. Для ее решения следует положить С, переменным — связанным интегрально с пульсационными параметрами атмосферы.

Сохраним форму записи (3.2), предполагая однако, что С, (или а) не константа, а некоторый параметр, зависящий от степени турбулентности атмосферы или иначе от ее устойчивости. По классификации Пасквилла [15,50] атмосфера по характеру устойчивости может быть подразделена на 7 градаций или классов (А, В, С, D, Е, F, G), причем каждому классу можно поставить в однозначное соответствие угол расширения турбулентной струи. Докажем, что в такой постановке С, зависит от турбулизации атмосферы, т. е. от коэффициента расширения потока к.

Не нарушая общности, рассмотрим струйный поток плотности с круглого поперечного сечения, распространяющийся со скоростью V в неподвижной среде плотности ре. Как известно, он имеет вид расширяющегося прямоугольного конуса с переменным углом расширения β = arc tg k (в случае неизотропного потока углы его расширения

βz = [φ'2]1/2 в направлении оси Z

и βу = [θ'2]1/2 в направлении оси Y,

где

φ' и θ' — пульсации угла вектора скорости в вертикальной плоскости вдоль соответствующих направлений).

Будем вести рассмотрение элементарного газового объема струи, ограниченного нормальными к оси поперечными сечениями «1» и «2» и боковой поверхностью (Рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема вертикального осевого сечения элементарного газового объема струи (на верхнем рисунке заштрихован): «1» и «2» — контрольные сечения, ограничивающие элементарный газовый объем; 3 — приращение газового объема при движении потока от сечения «1» к сечению «2»; 4 — неизотермическая струя.

Так как длина контрольного объема Δl — мала, то внешнюю его поверхность, контактирующую с воздухом окружающей среды, можно считать прямолинейной конической. Ее образующая на этом рисунке — линия cd.

Вычислим увеличение объема струи Av при ее развитии от сечения «1» к сечению «2». Из рисунка видно, что

Введем среднее или текущее значение радиуса усеченного конуса R и приращение радиуса AR по формулам:

Из решения системы алгебраических уравнений относительно переменных R и AR получаем:

R_2=R + ΔR/2; R_1 = R — ΔR/2. (3.8)

Вычислим выражение в квадратных скобках (3.6) при учете соотношений (3.8). Получаем:

R_2^2 — 2R_1 + R_1Ra = 3RΔR (1– ΔR/6R). (3.9)

Так как для развитого турбулентного потока ΔR /R < 1, то ΔR / 6R << 1 и вторым членом в скобках правой части (3.9) можно пренебречь по сравнением с 1. При этом объем кругового конического кольца Δv записывается так:

Δv ≈ πRΔRΔI. (3.10)

Преобразуем эту формулу при учете следующих геометрических соотношений:

S = πR^2; k = tg β = ΔR/ΔI.

Получаем

В этом соотношении:

S — площадь поперечного сечения контрольного газового элемента в некотором текущем или среднем сечении.

Масса кругового конического кольца с образующей cd находится из уравнения

ΔM = рΔυ (3.12)

где  — осредненное по объему значение плотности вещества струи.

Так как AM в точности равна массе поступившего в струю вещества за счет вовлечения окружающего воздуха на пространственно-временном интервале Εl Δt:

ΔM = Е ΔI Δt, (3.13)

то подставив в (3.13) вместо Е его выражение из (3.2), а вместо скорости его значение через дифференциалы ΔI и Δt, получаем

Приравнивая AM из (3.12) и (3.13а), получаем:

откуда

Из соотношения (3.14) следует, что вовлечение в струйный поток окружающего воздуха полностью определяется его угловым коэффициентом или углом расширения струи.

Найдем теперь связь углового коэффициента расширения клуба с коэффициентом вовлечения в него атмосферного воздуха ςк. По аналогии с работой [96], в которой понятие вовлечения используется для струй, запишем выражение для вовлечения вещества в клуб в виде:_

Напомним физический смысл вовлечения — это масса окружающей среды, поступающая в выброс в единицу времени через его единичную поверхность; [Е] = кг/с/кв.м. Поэтому приращение массы выброса в виде клуба AM за интервал времени At запишется так:

ΔM = Е S Δt, (3.16)

где поверхность вовлечения

S = FRm^2;

Rm — усредненное за интервал Δt значение радиуса выброса;

F — коэффициент формы (для сферы F = 4n).

С другой стороны, приращение AM можно связать с приращением эффективного радиуса выброса (Рис. 3.3):

ΔM = ρm F Rm^2 ΔR, (3.17)

где ρm — усредненное в слое AR значение плотности вещества выброса.

Приравниваем (3.16) и (3.17) при учете (3.5) и связи приращения пути выброса Δl со скоростью его движения:

Δl = V Δt.

Получаем

Так как

то из (3.18) следует окончательная связь

ςк = к (3.19)

Из формулы (3.19) следует, что коэффициент вовлечения атмосферного выброса в виде компактного объема в точности равен его угловому коэффициенту в процессе расширения.

Рис. 3.3. Схема расширения клуба в атмосфере: «1» и «2» — пространственные положения клуба в моменты времени t_1 и t_2; 0 — виртуальный центр расширения выброса; ΔR — приращение эффективного радиуса выброса за интервал времени Δt; 1 — ось траекторного движения клуба; → ветровой поток;……. воображаемый контур клуба «2» в момент времени t_1.

Рассмотрим теперь, как по физическим (метеорологическим) характеристикам атмосферы определить ее устойчивость, характеристики расширения струйного потока и вовлечения в него окружающего воздуха.

3.3. Связь устойчивости атмосферы с погодными условиями и метеорологическими параметрами

В предыдущем разделе было показано, что для расчета физических характеристик струйного потока, поднимающегося на большую высоту, необходимо знание характеристик турбулентности атмосферы (коэффициента вовлечения Q или расширения струи (коэффициента углового расширения к).

В настоящее время существуют два способа определения устойчивости (степени турбулентности) атмосферы: с использованием синоптической информации и с использованием информации о высотном изменении метеорологических параметров.

Первый способ основывается на обработке большого экспериментального материала по дымовым струям, проведенной Паскуиллом (Pasquill) и Мидом (Meade). Ссылки на работы, использующие эти данные в обобщенном виде, приводятся в работе [50]. Все многообразие погодных условий по типу турбулентной активности Паскуилл предложил условно разделить на 7 групп. Эти группы характеризуются как скоростью ветра на высоте флюгера — 10 м, так и солнечной инсоляцией (Таблицы № 3.1 и № 3.2).

Таблица № 3.1.

Таблица № 3.2

Степень инсоляции для дневного времени суток (слабая, умеренная или сильная) можно определить с использованием высоты солнца и доли неба, покрытого облаками. Если небо ясное и солнце высокое, то инсоляция интенсивная. Если небо ясное и высота солнца средняя, то инсоляция умеренная. Если небо переменное и солнце высокое, то инсоляция умеренная. Во всех остальных случаях инсоляция слабая.

Другой способ определения класса устойчивости основывается на использовании информации о градиенте температуры атмосферного воздуха на ближайшей к месту происшествия аэрологической станции [90]. Градиент температуры при этом берется в слое 20 — 120 м, а скорость ветра — на уровне флюгера (Таблица № 3.3)

Таблица № 3.3.

Или в слое 2 — 300 м и скорости ветра на уровне флюгера (Таблица № 3.4).

Таблица № 3.4.

Видоизмененная классификация определения классов устойчивости, представленная в Таблице № 3.4 [90] удобна тем, что всегда имеется синоптическая информация о температуре воздуха на высоте 2 м по синоптическим измерениям, а во-вторых слой в три раза толще, чем в Таблице № 3.2. Значит всегда можно воспользоваться одним или более радиозондовым измерением температуры и скорости атмосферного воздуха. Отметим, что для практического использования можно применять любую из Таблиц 3.1–3.4 в зависимости от наличия информации о атмосфере в районе аварии.

В работе [50] делается вывод о том, что методика Паскуилла позволяет теоретические разработки рассеяния загрязняющих веществ хорошо согласовать с экспериментальными данными. Причем стандартные отклонения горизонтального направления ветра σе при временах осреднения от 10 до 60 мин можно эмпирически связать с измеренными значениями ширины струи и относительной средней концентрацией или дозой для случая непрерывных источников.

На основе этих данных было получено соответствие между группами устойчивости Паскуилла и измеренными значениями σе. Эти данные приводятся в работе [50].

Запишем их в виде таблицы с учетом полученных нами соотношений для коэффициентов к и ς, и ςк (Таблица № 3.5).

Таблица № 3.5.

Из этой таблицы видно, что при одном и том же угле расширения струи и клуба в струю должно вовлекаться в  больше окружающего воздуха, чем в клуб. При одинаковом вовлечении вещества в струю и в клуб расширение струйного потока будет меньше, чем угловое расширение клуба. Этот факт подтверждается данными многочисленных экспериментов. Отметим, что в Таблицу 3.5 не вошел класс, соответствующий очень устойчивой атмосфере (класс G). Кроме того, нами включены значения характеристик расширения потока при покоящемся атмосферном воздухе (класс S-штиль). Устойчивость потока в этом случае полностью определяется турбулентностью вещества струи.

Анализ Таблицы № 3.5 показывает, что числовые значения коэффициентов вовлечения в зависимости от условий окружающей среды могут варьироваться в широких пределах, изменяя массы вовлекаемого в выброс воздуха более, чем в десять раз. Соответственно этим массам будут существенно меняться геометрические, динамические и концентрационные характеристики его вещества. Это подтверждает вывод о недопустимости рассмотрения коэфициентов вовлечения в виде единой постоянной величины независимо от метеопараметров.

Для использования полученных в работах [50] и [90] результатов для случая расчета высокотемпературной струй при аварийных ситуациях типа пожара необходимо сделать допущение о характере стандартных отклонений ветра. Предполагается, что стандартные отклонения направления ветра в горизонтальной σθ и вертикальной σθ плоскостях примерно равны, т. е.

σθ ≈ σφ = β

где

— дисперсии углов расширения потока в горизонтальной и вертикальных проекциях соответственно;

β = arc tg(dR/ dl).

Физически это означает, что струя имеет практически круглое сечение. Неизотропность поля ветра относительно поперечных осей не нарушает общности рассмотрения и в большинстве практических задач может не учитываться. Этот эффект следует рассматривать для случаев струйных потоков в непосредственной близости от подстилающей поверхности.

Известно, что величины σθ и σφ, представляющие собой осредненные по времени значения флуктуаций угловых направлений ветра в горизонтальной и вертикальной плоскостях, могут быть получены непосредственно с флюгера.

Подводя итоги этого раздела, можно сформулировать методику нахождения коэффициентов вовлечения, необходимых для создания математических моделей и решения практических задач возникновения и движения в атмосфере газообразных выбросов. Она состоит из трех этапов.

На первом этапе в зависимости от наличия конкретной информации о метеорологических параметрах в месте работы определяется группа устойчивости атмосферы по одной из таблиц 3.1–3.4.

На втором этапе по Таблице № 3.5. находят соответствующую группе устойчивости угловую характеристику расширения турбулентного потока σθ и его коэффициент углового расширения к.

Наконец, по формулам (3.14) или (3.19) определяют числовое значение коэффициента вовлечения ς в струйный поток или ςк в компактный объем (клуб) в зависимости от характера выброса.

3.4. Геометрические характеристики формирующихся кратковременных выбросов

Формирование кратковременного выброса существенно зависит не только от расходных характеристик

источника загрязнений и атмосферной турбулентности (через коэффициент вовлечения), но и от формы выброса и от площади его поверхности контакта с атмосферным воздухом. Через эту увеличивающуюся поверхность происходит вовлечение окружающей «холодной» среды, которая определяет газодинамические концентрационные и энергетические характеристики вещества выброса. Рассмотрим на примере истечения газа из сопла, как формируются кратковременные выбросы.

Наблюдения за истечением кратковременных струй из сопел показывают, что форма выброса в зависимости от времени работы ракетного двигателя в первые мгновения меняется от части сферы, ограниченной сегментом вращения, до полусферы. Затем форма выброса может хорошо быть смоделирована как суперпозиция усеченного конуса и полусферы. Увеличение временной координаты для неизменных атмосферных условий приводит лишь к изменению масштаба выброса, остающегося практически самоподобным.

Поскольку истечение из ракетных сопел происходит с большими скоростями, то в первом приближении может быть оправданным подход при котором считается формирование полусферического выброса происходящим за первый шаг интегрирования задачи. Далее выброс представляется суммой полусферы и удлиняющегося усеченного конуса (Рис. 3.4).

Для определения координаты центра масс полусферического выброса х* радиуса R = d_0 (Рис. 3.4а) приравняем массы газа в части выброса при х ≤ х* массе газа в части выброса при х > х*.

Получаем:

В этом выражении:

— радиус сопла;

Рис. 3.4. Схема формирования кратковременного выброса при истечении газа из сопла: а) переходный процесс возникновения выброса в окрестности сопла; б) развитый самоподобный выброс.

— уравнение образующей полусферической поверхности выброса;

ρ_1 и ρ_2 — плотности газа в левой (х ≤ х*) и правой (х > х*) части выброса, соответственно.

Если предположить, что вещество выброса имеет одинаковую плотность в разных его частях, т. е. ρ_1 = ρ_2, то приходим к уравнению относительно искомой координаты центра массы х*. Получаем:

В уравнении (3.21):  — безразмерная продольная координата центра масс.

Решением уравнения (3.21) является

Необходимо отметить, что координата , полученная выше, не зависит от метеоданных и степени турбулентности атмосферы. Это объясняется принятой нами моделью «раздувания» выброса в первые мгновения истечения до полусферического объема без вовлечения окружающего воздуха.

При рассмотрении дальнейшей эволюции выброса координата его центра масс будет функцией угла расширения его конической части, т. е. будет зависеть от турбулентности атмосферы. Для ее нахождения обратимся к Рис. 3.46.

Как следует из него в предложении однородности вещества выброса объем усеченной части выброса до координаты х„должен быть равен сумме объемов остальной части выброса.

Важной характеристикой при расчетах продольной координаты центра масс кратковременного выброса х* является хс — координата его центра масс, совпадающая с точкой сопряжения его конической и сферической частей. Важность знания хс объясняется существенной разницей в форме выброса в зависимости от того, больше или меньше значение текущей продольной координаты значения хс. Найдем выражение для хс.

Координаты сопряжения хс конической части выброса со сферической определяется приравнивания объемов этих частей выброса.

Получаем:

где

у_1 = кх — уравнение образующей конической поверхности выброса;

— управление поверхности сферической его части.

Подставив значения у_1 и у_2 в это соотношение, получаем:

Вещественный корень этого уравнения может быть определен по формуле Кардана [172]:

Окончательное выражение для безразмерной продольной координаты сопряжения конической и сферической частей выброса может быть получено при подстановке в соотношение (3.24) вместо р и q их значений. Из-за громоздкости мы его не приводим.

Если известен радиус полусферической «шапки» выброса R, то выражение для продольной координаты сопряжения может быть записано в виде компактного соотношения. Приравниваем объем цилиндрической части выброса

и его сферической части

Получаем:

Из рассмотрения Рис. 3.4 видно, что по мере развития выброса координата его центра масс перемещается с полусферической его части на цилиндрическую часть. В математическом виде это утверждение может быть записано так:

В этих соотношения, как и ранее:

ух=кх — уравнение цилиндрической образующей конуса;

— уравнение образующей сферической части поверхности выброса.

После вычисления интегралов имеем следующие соотношения для определения координаты х*:

При х* ≥ хс:

v_1 + v_2 = v_3 (3.25)

где

Уравнение (3.25) при учете вида соотношений (3.26), (3.27), (3.28) записывается в виде кубического уравнения

В каноническом виде относительно переменной

Это уравнение при учете связи характеристик выброса R и L может быть решено аналитически или численно.

Уравнение (3.29) при учете соотношений (3.30), (3.31), (3.32) записывается так:

Откуда

или при учете соотношения

получаем для х* окончательное выражение (случай х* <хс):

Поперечный размер выброса в месте нахождения его центра масс R„может быть определен при использовании геометрических построений Рис. 3.4.

Здесь, как и ранее, радиус полусферической «шапки» выброса определяется соотношением:

При большом времени истечения вещества из сопла кратковременный выброс перестраивается в струйный. Для струйного выброса значением начального радиуса R_0 можно пренебречь по сравнением с его приращением, т. е.

При этом

и из соотношения (3.29) при учете (3.30), (3.31) и (3.32) получаем асимптотические зависимости для координат центра масс выброса

График зависимости безразмерной координаты центра масс струйного выброса  от коэффициента углового расширения его конической части к представлен на рисунке 3.5.

Как следует из графика этого рисунка увеличение угловой координаты его центра масс приводит к линейному уменьшению . Однако, эта зависимость сравнительно слабая. В диапазоне возможных состояний атмосферы, характеризующихся диапазоном коэффициентов углового расширения 0,087 ≤ к ≤ 0,364 (классы устойчивости атмосферы от В до Е по классификации Пасквилла) безразмерное значение продольной координаты изменяется от

Рис. 3.5. Зависимость безразмерной продольной координаты струйного выброса продуктов горения из сопла от углового коэффициента расширения струи к.

Найдем теперь выражение для поверхностей вовлечения формирующихся кратковременных выбросов. Считаем, что выходящий из сопла газ механически выдавливает окружающий воздух вплоть до полусферического объема (это состояние вещества выброса соответствует временной координате t_3 на Рис. 3.4а). Вовлечение в выброс начинает происходить при t > t_3 через образующуюся коническую его поверхность.

Площадь вовлечения окружающей среды при этом запишется так:

SB = π (R + R_0) × L.обр

где

длина образующей конической поверхности,

α — угол конической поверхности выброса.

Учитывая связь угла а и коэффициента углового расширения потока к:

к = tgα

находим для образующей следующее Lобр выражение:

Подставляя в выражение для площади вовлечения вместо Lобр его выражение, получаем:

При учете формулы для радиуса R получаем окончательное выражение для поверхности вовлечения кратковременного выброса. Оно имеет вид:

На графике Рис. 3.6 представлена зависимость безразмерной (отнесенной к площади соплового сечения) поверхность вовлечения кратковременного выброса от безразмерной длины выброса для различных значений углового расширения к:

Как следует из этого графика, безразмерная поверхность вовлечения  растет с увеличением безразмерной длины выброса . Увеличение угла расширения потока (фактически коэффициента вовлечения) приводит к более резкому возрастанию .

Рис. 3.6. Зависимость безразмерной площади вовлечения в кратковременный выброс от его безразмерной длины для различных значений коэффициента углового расширения потока.

Вычислим теперь объем кратковременного сформировавшегося выброса, состоящего из усеченного конуса и полусферы. Получаем:

или подставляя вместо R его значение из (3.33), можно получить выражение для объема выброса через его длину и начальный радиус R_0. После громоздких вычислений находим:

3.5. Аэродинамическое сопротивление движению в потоке

При решении задач подъема в атмосфере неизотермических струй и клубов загрязняющих примесей, возникающих при штатной работе и авариях на промышленных объектах, необходимо знать некоторые интегральные характеристики выброса и ветрового потока.

В частности, в уравнения движения струи или клуба в сносящем потоке входят коэффициент вовлечения окружающей среды в выброс g и параметр, характеризующий отклонение струйного потока как целого от ветра — Сх.

Рассмотрим сопротивление струи в ветровом потоке, определяемое коэффициентом аэродинамического сопротивления Сх.

В литературных источниках существуют подходы, когда газообразное «тело» струи заменяют эквивалентным твердым цилиндром, обладающим соответствующим коэффициентом Сх, либо считают, что на самом деле из-за вовлечения в струю сносящего потока ее коэффициент Сх будет отличаться от Сх соответствующего твердого тела, т. к. ветровой поток передает струе свой импульс.

Для выяснения физического смысла этого параметра и его числовых значений рассмотрим условие динамического равновесия контрольного газообразного элемента струи Δν в ветровом потоке в проекции на ось х.

Объем Δν ограничен сечениями «1» и «2» (Рис. 3.7), имеет длину Δl и радиус R. Приравниваем изменение количества движения рассматриваемого элемента Δν импульсу действующей на него силы аэродинамического сопротивления FA. Получаем за интервал времени:

индексы «1» и «2» относятся к параметрам в соответствующих сечениях; индекс «е» к характеристикам окружающей среды;

ρ,ρе — плотность струи и наружного воздуха;

Sm — площадь миделева сечения контрольного газового элемента.

Подставим в (3.34) вместо FA его выражение и разделим обе части этого уравнения на Δl. Получим:

Выражение для площади нормально ориентированного к потоку миделева сечения элемента Δν (Рис. 3.7) Smx может быть записано в следующем виде:

Smx= 2R Δl • sin α + Δs (3.36)

где R — радиус струи; Δs — площадь нормальных потоку ветра миделевых поперечных сечений торцев элемента Аг за счет их наклона к вектору Ve; α — угол наклона продольной оси газового объема Δν к горизонту.

Струя, истекающая в носящий ветровой поток реальной атмосферы под некоторым начальным углом, как правило, не достигает горизонтальной ориентации из-за деструктивного воздействия турбулентных молей. Текущие значения угла наклона струи ограничены некоторыми значениями α_0 и αР. При α = αР, зависящем от турбулизации вещества струи и сносящего потока, начинается разрушение струйного течения; при α = π/2 выражение для коэффициента Сх имеет особенность и математически неопределимо. Таким образом, область определения α находится в интервале

αР ≤ α ≤ π/2 — α_0 (3.37)

Приведенные оценки показывают, что и при выполнении соотношения (3.37)

Из этой формулы видно, что Сх пропорционален ς и ρ, т. е. сопротивление струи увеличивается с турбулизацией окружающей среды и ростом плотности газа.

Получим среднее значение аэродинамического сопротивления струи в ветровом потоке как целого, для чего усредним (3.41) в диапазоне изменений угла α:

Рис. 3.7. Схема обтекания контрольного газообразного элемента струи

где

Знание V(a) из расчета динамики струи позволяет вычислить интеграл I_1 и, подставляя его значение и значение I_2 в (3.42), получить осредненное значение коэффициента аэродинамического сопротивления.

3.6. Особенности атмосферного движения и распада выбросов

Наиболее типичными аварийными выбросами в атмосферу являются струйные и выбросы в виде компактных объемов — клубов. Струйные выбросы имеют протяженный характер; они доставляют загрязняющие примеси, возникающие в месте инцидента, непосредственно в зону разрушения потока и далее диффундируют в атмосфере из вторичного площадного источника.

Струи существуют при постоянной работе генерирующей установки, поэтому возникающие при их работе высотные площадные источники загрязнений являются стационарными.

В условиях штиля струи от пожара способны подняться на большие высоты и, не теряя динамической индивидуальности, преодолеть пограничный слой атмосферы. Разрушение мощного струйного потока и образование вторичного источника в этом случае могут начаться на высотах в несколько километров. Загрязнение воздуха в приземном слое при этом будет минимальным.

Выбросы в виде клубов или компактных облаков возникают при «мгновенном» или кратковременном действии генерирующего их источника. На открытом пространстве они участвуют в двух движениях: тепловом подъеме под действием сил плавучести и переносном движении под действием ветра в горизонтальной плоскости.

Интенсивное вовлечение воздуха в движущийся клуб приводит к резкому увеличению его размеров, росту силы аэродинамического сопротивления движению в потоке и замедлению скорости всплывания. На завершающем этапе своего существования движение клуба становится уже неразличимым на фоне внешнего пульсационного движения среды. Он разрывается и растаскивается атмосферными вихрями — таким образом начинается процесс рассеивания вещества выброса. Загрязняющая примесь под действием атмосферной дисперсии распространяется вдоль ветра и в поперечном ему направлении в соответствии с физическими характеристиками диффузии.

Квазиструйные выбросы (их еще называют [11] плавучими струями) являются геометрическими гибридами струй и клубов. Они возникают, когда струя еще не сформирована, а возникший в атмосфере объем уже не может считаться клубом из-за неоднородности макроскопических характеристик вещества в нем. Расчет физических характеристик таких образований и их движения в атмосфере представляет большие трудности и, как правило, обходится разработчиками и авторами книг рассмотрением предельных оценок.

Отметим, что независимо от типа выброса и его формы загрязняющий объем проходит две фазы развития. На первой фазе движения горячего выброса определяется сносящим ветровым потоком и собственной турбулентностью. Вовлечение в выброс происходит через подветренную его поверхность и пропорционально  и относительной скорости траекторного движения.

Во второй фазе внутреннее турбулентное движение ослабевает, а доминирующим становится деструктивное воздействие вихрей атмосферы. Эти вихревые структуры определяют повышенный уровень вовлечения окружающего воздуха и увеличение размеров загрязняющего объема.

По специфике воздействия атмосферы на выбросы различают [132] три характерных случая: устойчивый, нейтральный и неустойчивый.

В случае устойчивой атмосферы поднимающийся выброс в зависимости от высотного градиента температуры окружающей среды может приближаться к равновесной высоте по траекториям 3-х типов (см. Рис. 3.8). При слабом градиенте γе плотность выброса монотонно приближает к ρе, не достигает этой величины.

Рис. 3.8. Теоретически возможные траектории выбросов при разных состояниях атмосферы: устойчивом — 1; нейтральном — 2; неустойчивом — 3; асимптотическая высота подъема — 4

При более резком уменьшении Те с высотой выброс становится тяжелее окружающего воздуха, проскакивает по инерции уровень р = ре и возвращается на равновесный уровень по колебательной или монотонной траекториям (верхние траектории 1 на рисунке).

Атмосферная турбулентность устойчивой атмосферы очень слабая и на подъем выброса оказывает минимальное воздействие.

При нейтральной атмосфере относительная плотность вещества выброса остается постоянной на всей его траектории. Вследствие интенсивной турбулентности атмосферы возрастает вовлечение в него окружающего воздуха. Увеличивается его размер и масса, однако наличие перегрева приводит к его постоянному всплытию (кривая 2 на Рис. 3.8).

В случае неустойчивой атмосферы относительная плотность вещества выброса резко уменьшается с высотой, а высокий уровень турбулентных пульсаций окружающего воздуха резко усиливает процесс вовлечения. Высокое значение температурного градиента γа приводит к теоретически неограниченному подъему выброса (кривая 3 на Рис. 3.8).

Поведение газообразных выбросов в атмосфере зависит от относительной плотности (температуры) их вещества — тяжелее или легче газ окружающего воздуха. При относительно легком газе (ρ < ρе) выброс под действием силы тяжести устремляется вверх; при ρ > ρе— опускается к поверхности земли. Так ведут себя тяжелые углеводородные газообразные топлива и многие токсичные газы (соединения хлора, фтора и других веществ).

Если источник поступления тяжелых газов расположен на поверхности земли, то они стелются и растекаются вдоль подстилающей поверхности в низкие места, следуя рельефу местности. При высотном источнике газы опускаются к земле и их распространение происходит под действием диффузии и ветра в сравнительно тонком приземном слое. Поведение струи тяжелого газа из приподнятого источника иллюстрируется Рис. 3.9. Другой особенностью атмосферного движения выбросов является их поведение в изменяющемся с высотой ветровом потоке.

Известно, что изменение ветра с высотой может оказать существенное влияние на характеристики полей загрязнений от объемного высотного источника, возникшего при взрыве или пожаре и последующем подъеме пылегазовой смеси. Не учет ветрового разворота завышает концентрации токсикантов в воздухе и на поверхности земли и приводит к более жесткому прогнозу последствий аварий, что может оказать влияние не только на тактические, но и на стратегические решения по ликвидации инцидента, которые не будут адекватны действительности.

Рассмотрим механизм изменения ветра с высотой и интерполяционные формулы, позволяющие учесть данный эффект. Под влиянием трения, возникающего между движущимся воздухом и подстилающей поверхностью (сушей или водой) упорядоченное движение потока у поверхности должно прекращаться, то есть скорость на поверхности обращается в нуль. В соответствии с этим с увеличением высоты скорость ветра должна возрастать. Изменяется при этом также и направление ветра, однако не так упорядоченно и не всегда столь равномерно, как скорость и интенсивность турбулентного перемешивания. Эти изменения с высотой всех характеристик ветра, а особенно его скорости и интенсивности турбулентного перемешивания, часто имеют важное значение при рассмотрении технических вопросов и составлении прогнозов развития физической картины продуктов аварии в атмосфере.

Рис. 3.9. Схема движений струйного выброса для легкого (а) и тяжелого (б) газов в случае устойчивой стратификации атмосферы: 1 — устройство поступления загрязнений в атмосеру; 2 — струйный поток; 3 — рассеиваемая примесь; 4а и 46 — приращения динамических высот подъема; 5а и 56 — высоты выбросов на завершающих участках траекторий; 6а и 66 — мнимые источники; 7 — ветер.

Изменения ветра с высотой, как и вертикальные изменения всех других метеорологических параметров, подвержены временным колебаниям из-за погодных условий. Кроме того, они различны в разных географических пунктах из-за различий характера земной поверхности. Направление ветра в пограничном слое атмосферы, примыкающем к поверхности земли, из-за действия силы Кориолиса в среднем постепенно поворачивает вправо. Эффект, обусловленный этой силой, состоит в том, что во вращающейся системе координат, которую представляет Земля, материальная точка или некоторый элементарный объем, состоящий из материальных точек, движущихся не параллельно оси этого вращения, отклоняются в направлении, перпендикулярному их относительной скорости, или оказывают давление на тело, препятствующее такому отклонению.

Средняя скорость ветра плавно изменяется с высотой и может быть описана степенной зависимостью вида [138]:

Vz = V_0(z / z_0) р,

где

V z — скорость ветра на высоте z;

V 0 — скорость ветра на высоте z_0

причем z < z_0; р — параметр турбулентности, причем 0 ≤ р ≤ 1.

Параметр турбулентности р в этой формуле учитывает пульсационное состояние атмосферы во времени и пространстве при выборе его значений в соответствии с характеристиками подстилающей поверхности. Значение р = 0 соответствует максимально развитому турбулентному перемешиванию, когда весь поток однороден и не зависит от пространственной координаты, а р = 1 соответствует ламинарному течению, линейно ускоряющемуся с ростом z.

Для условий Центральной Европы можно использовать закон изменения ветра с высотой, предложенный Гельманом [138]

V z = V 0 (z / z_0) 1/4, при z ≤15 м;

V z = V 0 (z / z_0) 1/5, при z > 15 м.

Если имеются данные измерений высотного изменения ветра, то его можно представить в полиномиальном виде:

VZ = YZ0 + A z + B z^2 + C z^3 + D z^4+…,

причем интерполяционные коэффициенты А, В, С, D — должны быть заданы.

Изменение скорости ветра в пространственно-неоднородном потоке можно описать следующей формулой:

Отрицательные значения угла при росте высотной координаты свидетельствует о том, что поворот потока происходит вправо (то есть против часовой стрелки). Поворот вектора скорости V∞z  происходит от высоты zf, на которой он равен V∞f и направлен вдоль оси X.

Рассмотрим конкретный пример вычисления по записанной выше формуле направления и скорости ветра на высоте z =1000 м. Вычисляем изменения угла ветрового потока

θ∞ (z =1000 м) = 0.41 рад = 0,41х 57,3 град. = 23,5 град.

Увеличение абсолютного значения скорости ветра вдоль оси X при этом составляет

n = V∞z /V∞f = (1000/2)0’2 cos 23,5 0 = 2,82 х 0,916= 2,58.

Следует иметь ввиду, что увеличение скорости ветра с высотой по приведенным выше формулам описывается лишь в среднем и только для осреднен-ных скоростей. В отдельных случаях могут реализовываться такие метеорологические ситуации, при которых наблюдается как постоянство скорости по высоте, так и ее высотное уменьшение. То же самое относится к мгновенным пульсирующим значениям скорости Vz. В целом результаты наблюдений показывают [138], что для интервалов осреднения продолжительностью более 10 минут уменьшение скорости ветра с высотой встречается очень редко, для интервалов в 1 минуту и меньше оно отмечается уже более часто. Поэтому для значений Vz, осредненных за короткие временные интервалы, увеличение скорости с высотой происходит медленнее, чем за более длительные интервалы.

На вихревые структуры распадающейся струи изменяющийся с высотой ветровой поток оказывает вращательное воздействия относительно продольного направления струйного потока (Рис. 3.10.).

Этот физический эффект может быть объяснен возникновением подъемной силы, действующей на вихревые структуры (силы Жуковского Н.Е.):

Y = ρе Ve Г, где

Ре, Ve — плотность и скорость потока;

Г — циркуляция скорости.

Выражение для циркуляции отдельных вихрей распадающегося потока записывается так [92]:

где

г — радиус вихря, связанный с толщиной слоя смешения D выражением г = к D;

А, к — константы.

Сила Y действует поперек направления потока, поэтому на каждом последовательном высотном уровне поднимающейся струи вследствие высотного разворота ветра она разворачивает вихревую пару относительно оси потока 1 (см. Рис. 3.10.). При этом поперечная ось вихревой пары поворачивается относительно этого направления, что приводит к «двугорбому» распределению загрязнений по оси z — распределений примесей с двумя максимумами концентраций в горизонтальной плоскости сменяется аналогичным распределением в плоскости близкой к вертикальной.

Рис. 3.10. Схема разрушения струйного движения при пожаре для неустойчивого состояния атмосферы при однородном (а) и переменном по высоте (б) ветре: 0 — место инцидента; 1 — струя; 2 — вертикальные сечения струйного потока (в пл. YZ); 3 — область разрушения струи; За — вихри в горизонтальной плоскости и 36 — в плоскости ветрового разворота; 5 — ветер.

Вихревые структуры движутся относительно основного струйного потока со скоростью

U = Г / 4 π; Y_0,

где Y_0 — половина расстояния между вихрями.

Согласно теории Кельвина, изложенной в книге Ламба [160], пара противоположно вращающихся вихрей движется с такой скоростью поступательно вместе с некоторой охватывающей их массой жидкой или газообразной среды.

Оценки, проведенные в работе [92], показывают, что отклонение собственной скорость вихрей от скорости потока не превышает нескольких процентов, и ее влиянием на процессы рассеивания загрязняющих примесей можно пренебречь.

3.7. Измерения геометрических и динамических характеристик выбросов

Исследование физических процессов при авариях и их последствий в различных средах, как и во многих других областях науки и практики, приводит к необходимости построения моделей различных процессов и явлений, отражающих реальность. Эти задачи настолько сложны, что для успешного их решения надо умело сочетать теоретические представления в данной области знаний с использованием экспериментальных или статистических данных, относящихся к конкретному явлению.

В области протекания процессов горения детонации и взрыва в настоящее время глубоко разработаны теоретические основы этих явлений [60, 61, 77, 80, 82, 103], заранее известна структура модели и основные зависимости. Экспериментальные данные могут служить здесь лишь для определения отдельных уточняющих параметров модели.

Совершенно иная картина в области изучения формирования и развития кратковременных выбросов в реальной атмосфере. В этой области теоретические знания далеки от точных количественных представлений, а немногочисленные эксперименты [13, 33, 48–52, 133], проведенные в узких диапазонах изменений определяющих параметров, как правило, не дают общей картины явления. Следует отметить, что и в тех областях, где сравнительно хорошо разработана количественная теория (например, подъем термина в стратифицированной атмосфере), исследователь часто сталкивается с задачами, в которых по экспериментальным или статистическим данным требуется не просто определить отдельные параметры модели, но и в существенной мере восстановить общую картину явления, которая заранее может быть ясна лишь в очень грубом приближении или совсем неясна.

К таким задачам относятся, в нашем случае, задачи интерпретации геометрических измерений, когда по данным дальномерных съемок взрывных выбросов требуется определить картину формирования первичного газопылевого выброса, а также построить модель разлета твердой фазы взрыва из источника и подъема перегретого газовоздушного объема, насыщенного твердой фазой различного состава и дисперсности.

Сложная задача построения модели явления в целом, как правило, может быть разложена на этапы и фазы, на каждой из которых с успехом могут быть использованы формализованные методы обработки данных. Такими задачами являются задачи восстановления зависимостей. При решении задачи восстановления неизвестной зависимости по эмпирическим данным первым желанием бывает [84] искать зависимость как можно более общего вида, привлекая как можно большее число аргументов. Однако такой путь неизбежно сталкивается с ограниченностью экспериментального или статистического материала, которым располагает исследователь и ограниченностью вычислительных возможностей. Это противоречие разрешается при использовании структурной минимизации задачи. Она состоит в поиске вначале предельно грубой модели, а затем эта модель постепенно усложняется до достижения оптимального соотношения между точностью аппроксимации эмпирического материала и надежностью результата в условиях ограниченного объема данных.

Важным этапом построения математических моделей физического явления является его верификация, использующая данные экспериментов.

Измерения выбросов загрязняющих веществ в реальной атмосфере, кроме организационных и финансовых затрат, имеет ряд трудностей, связанных с методическими вопросами. Сравнение результатов измерений геометрических характеристик формирующихся в атмосфере объемов, полученных разными методами, является не всегда корректным и может привести к большим различиям.

В первую очередь это связано с тем, что при проведении натурных опытов с использованием измерительных устройств теодолитного типа определяются горизонтальные и вертикальные углы при наведении на граничные контуры выбросов. При этом могут возникнуть большие погрешности, связанные с частичным затенением одних частей объема другими.

Рисунок 3.11 иллюстрирует и частично объясняет противоречивость и нестыковку многих литературных данных о размерах формирующихся в атмосфере выбросов от эквивалентных источников. Кроме неизвестных различий в турбулентной активности воздуха при различных замерах геометрии выбросов существенное значение имеет и фактор места регистрации объекта. Он проявляется в форме зависимости полученных результатов от удаления измерительной аппаратуры от объекта и от его абсолютных размеров.

Из Рис. 3.11 видно, что, например, высотные размеры выбросов измеряемые в точках А и В, дают существенно разные результаты ZA =НА2 — НА1 и ZB— НВ2 — Нт, причем ZА ≠ Zв ≠ Z,

где ZА и Zв — высоты выбросов при замерах в соответствующих точках; Z — истинный высотный его размер.

Такая же ситуация возникает при измерениях горизонтального размера выброса X.

Наряду с теодолитными замерами в некоторых натурных экспериментах проводятся самолетные и вертолетные зондировки, фотографирования дымовых выбросов и стереофотограмметрическая съемка [157].

Отметим, что измерения, производимые с летательных аппаратов, также не лишены недостатков. Самые существенные из них — влияние воздушных потоков на выброс и временной сдвиг в процессе измерения.

Рис. 3.11. Схема зависимостей визуальных размеров выброса от места измерений на поверхности земли: 1 — выброс; А, В — точки размещения измерительной аппаратуры; X, Z — истинные продольный и высотный размеры выброса.

Стереофотограмметрия весьма трудоемка и дорога, а ее результаты часто не оправдывают возложенных надежд.

Ошибки в определении характеристик выбросов

Основными натурными измерениями характеристик атмосферных выбросов, имеющими научный интерес в части изучения их динамики, являются фото— и киносъемки, а также регистрации геометрических размеров выбросов с помощью дальномера или высотомера. Такие измерения обычно проводятся с одновременным измерением метеорологических характеристик приземного слоя атмосферного воздуха, и после статистической обработки они могут иметь представительный характер.

Под измерением понимается [155] сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения. При кинофоторегистрации выбросов и их измерении дальномером или высотомером определяемыми характеристиками выбросов являются угловые значения и удаления верхней и нижней, а также боковых границ наблюдаемого объема. Эти характеристики могут быть сравнены с единицей измерения длины и угла при помощи измерительных приборов, проградуированных в соответствующих единицах. Такие измерения изучаемых объектов могут отсчитываться по шкале прибора. Они называются прямыми.

При косвенных измерениях измеряемая величина вычисляется при использовании результатов прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью. Примерами косвенных измерений при проведении работ по изучению атмосферных выбросов могут служить измерения высот верхней и нижней границ объема, его поперечного размера, координат центра масс в системе координат, связанной с точкой взрыва или пожара, используя линейные и угловые координаты соответствующих частей взрывного выброса. Динамические характеристики изучаемого объема определяются при использовании измерений длин пройденного пути и соответствующих промежутков времени.

Известно, что при измерении любой величины никогда не получают истинного значения этой величины — результат измерения дает лишь приближенное значение. Это объясняется как принципиально ограниченной возможностью точности измерения, так и природой самих измеряемых объектов.

Погрешности результата измерений определяются разностью измеряемой и истинной величин и зависят от многих причин. Погрешности (ошибки) разделяются на систематические и случайные. Систематические погрешности связаны с ограниченной точностью изготовления прибора (погрешностью прибора), неправильным выбором метода измерения, неправильной установкой прибора. Они также появляются, если пренебречь действием некоторых внешних факторов.

Таким фактором может быть неучет сноса ветром облака загрязняющих веществ при определении его координат в горизонтальной плоскости и пренебрежение высотным разворотом ветра при определении горизонтального размера облака. Неправильная установка начальных углов дальномера в горизонтальной и вертикальной плоскостях приводит к появлению систематических ошибок в измерениях линейных и угловых размеров выброса.

Таким образом, систематические погрешности вызываются вполне определенными причинами, их величина при всех повторных измерениях либо остается постоянной (как в случаях округления или смещения нуля шкалы прибора и т. п.), либо изменяется по определенному закону (в случае изменения ветра с высотой). Так как причины, вызывающие систематические погрешности, в большинстве случаев известны, то эти погрешности, в принципе, могут быть исключены изменением метода измерений, введением поправок к показаниям приборов, а также учетом систематического влияния внешних факторов.

Случайные погрешности вызываются большим числом случайных причин, действие которых на каждое измерение различно и не может быть заранее учтено. Сюда могут быть отнесено различие механических и термодинамических свойств взрываемых или сгорающих изделий, наличие флуктуации метеорологических параметров за время проведения серии экспериментов, различие состава и прочностных характеристик грунта в месте проведения работ.

Кроме того, ошибки случайного характера обуславливаются качеством и чувствительностью фотоматериалов и используемых кино— фотокамер. Появление случайных ошибок связано с техникой запечатления и увеличения изображения на фотопленке и фотобумаге. На точность определения пространственных координат точек облака загрязнений влияют ошибки измерения снимков и ошибки определения элементов внутреннего и внешнего ориентирования снимков [156]. В настоящее время ошибки в снятии плоских координат X, Z соизмеримы с разрешающей способностью фотоматериалов [157], поэтому дальнейшее повышение точности измерений снимков будет бесполезным, если не повысить разрешающую способность фотоматериалов и не снизить их деформацию.

Для того, чтобы правильно истолковать и использовать полученные в экспериментах результаты, необходимо знание достоверности проведенных расчетов, выявить ошибки, которые могут повлиять на точность вычислений, оценить погрешность полученного результата.

Источниками погрешностей и сшибок при вычислении могут быть недостаточно точное отображение реальных явлений их математической моделью (погрешности модели), приближенное знание величин, входящих в условие задачи (погрешности исходных данных), применение приближенных расчетных формул вместо точных (методические погрешности), особенности работы операционного устройства вычислительной машины (операционные погрешности). Дадим краткое описание этих погрешностей.

Погрешности модели.

Известно, что совокупность факторов реального физического явления невозможно в полной мере отразить в его математической модели. Чем больше факторов учитывается, тем сложнее анализ явления и расчет по его математической модели. Поэтому целесообразно принять различные условия и допущения, упрощающие решение задачи, но не искажающие ее физическое содержание. Необходимо помнить, что сколь бы ни было точным математическое решение задачи, оно не может быть точнее тех приближенных предпосылок, на которых основано.

Основные предпосылки при решении задачи формирования и движения антропогенных выбросов в атмосфере являются следующие:

— выброс представляется в виде правильного геометрического тела. В случае взрывного выброса — это полусфера. В случае газообразного облака — это либо сфера, либо эллипсоид;

— твердая фаза выброса представляется в виде частиц сферической формы;

— вещество выброса считается равномерно распределенным по его объему, все его газодинамические характеристики осреднены по объему, а центр приложения массовых сил совпадает с геометрическим центром выброса.

Погрешности исходных данных.

При проведении экспериментов, обработке статистических данных и округлении результатов предыдущих расчетов приходится работать с приближенными числами. Присущие им погрешности обуславливают погрешности результата, причем для каждой операций по-своему. Анализируя точность задания исходных данных, можно сделать заключение о возможней точности результата вычислений.

Основными исходными данными задачи изучения атмосферных выбросов являются характеристика аварийного объекта и метео данные. Массовые характеристики горящих объектов или взрываемых изделий могут быть определены с точностью до 4^-5%; термодинамические и теплофизические характеристики продуктов горения или топлив — с точностью до 10 %. Точность линейных размеров + 0,1 м. Метеорологические параметры определяются со следующей погрешностью:

— плотность воздуха + 0,01 кг/мЗ;

— скорость ветра ± 1 м/с;

— направление ветра I град;

— градиенты скорости ветра и температуры атмосферного воздуха ± 0,01.

Методические погрешности

Методические погрешности при решении задачи возникают, при использовании приближенных формул вместо точных. Этот прием используется при замене функций их разложением в ряды (при интерполяции скорости ветра и температуры атмосферного воздуха в виде полиномов по Z), замене производной — разностью (при замене дифференциальных уравнений — конечноразностными), при заменах интегралов — суммами и т. д. Используя приближенные формулы, применяемые многократно вместо сложной точной формулы, удается в процессе последовательных приближений найти эффективное решение задачи. При этом всегда надо знать диапазон аргумента, для которого они применимы, и точность вычисления по ним. В общем случае при вычислениях на ЭВМ погрешность метода целесообразно выбирать такой, чтобы она была в несколько раз меньше погрешности исходных данных.

Погрешности измерений дальномером

При наблюдении с поверхности земли геометрических характеристик, газообразных аварийных выбросов, а также скоростей их перемещения в пространстве как целого из-за погрешностей визуального определения границ их объемов могут быть допущены существенные ошибки в определении указанных величин. Подобные ошибки неизбежно появляются из-за кучевой неоднородной структуры поверхности газообразных выбросов, когда их отдельные выступающие части заслоняются другими [133, 158, 159].

Оценим ошибки в определении характеристик некоторых модельных выбросов.

Первичный полусферический выброс.

Случай приземного полусферического выброса реализуется в первые мгновения после взрывной аварии. Исследователь, наблюдающий взрывной выброс радиуса R под углом а к горизонту (Рис. 3.12), фиксирует видимый его размер г = R · Cos α.

Из геометрических построений этого рисунка легко получить для дефекта радиуса следующее выражение

ΔR = R— г = R(1 — Cos α)

На графике этого рисунка приводится зависимость относительной ошибки в определении радиуса выброса  от угла α. Как следует из этого графика  резко увеличивается при увеличении угла наблюдения α ≈ 18 ÷ 20°. Приемлемые (менее 5 %) ошибки будут при α < 20°.

Сферический выброс.

Кратковременный выброс после отрыва от земли хорошо моделируется сферой. Он характеризуется радиусом R, геометрическими координатами центра масс X и (Z+R) (см. Рис. 3.13), а также углами α и β. Эти углы определяются видимыми наблюдателю из точки М частями поверхности выброса — дугами К А и КД. Как следует из этого рисунка наблюдатель видит выброс уменьшенным в вертикальном направлении на величину (hB +hH), а в горизонтальном направлении на величину (Хв + Хн). Найдем эти характеристики из геометрических построений рисунка. Из рассмотрения прямоугольников МАО, АВО, СДО и ДОМ находим центральные углы АО В и СОД:

∠AОВ = 2α + β;

∠СОД = β.

Из прямоугольных треугольников АОВ и СОД получаем связь геометрических параметров в виде:

Откуда для наблюдаемых дефектов вертикальных и горизонтальных размеров сферического выброса находим:

Таким образом, вертикальный и горизонтальный видимые размеры сферического приподнятого выброса описываются следующими соотношениями:

Найдем относительные ошибки в визуальном определении геометрических характеристик выброса [133].

Из соотношений (3.47) — (3.50) находим относительную ошибку в определении вертикального  и горизонтального  размеров сферического приподнятого выброса. Получаем:

Рис. 3.12. Зависимость относительной ошибки в определении радиуса первичного выброса от угла наблюдений.

Найдем теперь относительную (относительно геометрической высоты) ошибку в определении верхней границы облака. Из соотношения (3.47) получаем:

Из прямоугольных треугольников МОЕ находим

Подставив соотношение (3.58) в формулу (3.55), получаем окончательное выражение для относительной ошибки в определении верхней граница сферического приподнятого выброса:

Аналогично находится относительная ошибка в определении нижней границы выброса. Получаем:

На графике рис. 3.14 представлено изменение относительной ошибки в определении вертикального размера приподнятого сферического выброса в зависимости от угла β для различных полууглов наблюдения α.

Как следует из этих графиков угол возвышения выброса над местностью β существенно влияет на величину . Еще большее влияние на ошибку в определении высоты выброса оказывает величина полуугла его наблюдения α. Для α > 20^0 h превышает 20 % для любых значений угла β.

Рис. 3.13. Схема для расчета ненаблюдаемых с земли и реальных размеров сферического приподнятого выброса.

Оптимальное соотношение углов α и β, обеспечивающее возможность четкого наблюдения деталей выброса и не более чем десятипроцентную ошибку в определении его высотного размера является β ≈ 15° и α ≈10°. Для нахождения видимых геометрических параметров наземного сферического выброса следует в полученных нами выражениях перейти к пределу при β → 0. Получаем для дефектов вертикальных видимых размеров следующие выражения, (т. к. tg α = R / X):

Как следует из формулы (3.62) для наземного выброса его нижняя граница определяется точно.

Видимый вертикальный размер облака Hназемнвид запишется так:

Рис. 3.14. Изменение относительной ошибки в определении вертикального размера приподнятого сферического выброса в зависимости от угла над местностью β для различных полууглов наблюдения выброса α.

Рис. 3.15. Изменение относительной ошибки в определении вертикального размера выброса в зависимости от полуугола его наблюдения.

Относительную ошибку в определении вертикального размера облака находим из соотношения

Как видно из анализа соотношения (3.55) при β → 0 относительная ошибка в определении верхней границы облака Hназемнв для наземного сферического выброса в точности равна относительной ошибке визуального определения вертикального размера облака, т. е.

Как следует из этого графика при α > 20^0 ошибка в определении высоты выброса превосходит 10 % и резко возрастает с увеличением полуугла наблюдения α. На практике для уменьшения ошибки в определении вертикального размера облака следует его наблюдение вести на относительно больших удалениях.

3.8. Высоты подъемов выбросов в атмосфере

Как было показано в главе 1, одним из основных параметров в рамках любой математической моде-|ли расчета концентраций загрязняющей примеси является высота вторичного атмосферного источника — фактически высота выброса в месте потери им динамической индивидуальности.

В большинстве современных разработок авторы пытаются использовать аналитические выражения для этого параметра, однако практика применения подобных формул имеет слишком малую область корректного использования в отношении как к тепловой мощности источника, так и к метеопараметрам.

Кроме того, часто путают динамический подъем выбросов с тепловым всплытием их разрушившихся объемов. Ошибочно считают, что тепловой подъем дает искомый результат, после чего наступает фаза атмосферной диффузии.

За границу струи, например, предлагается [136] принять изолинию однопроцентной относительной избыточной температуры.

Не всегда имеются и достаточно точные определения самого понятия подъема выброса. Например, применительно к струям факельного типа за такую высоту принимается [137,138] высоту струи, когда угол касательной к траектории ее наветренной части в сносящем ветре равен 100, в других работах за такую высоту предлагается считать подъем выброса на фиксированном расстоянии от трубы или его подъем за фиксированное время и т. д.

Некоторые авторы считают, что «потолок» выброса достигается, где он еще различим с помощью измерительной или фотографической аппаратуры.

Считается, что в случае когда радиоактивные или химические опасные вещества поступают в атмосферу посредством взрыва, можно пользоваться результатами работы Бриггса [139]. Однако результаты вычислений по приведенным там формулам также имеют весьма ограниченный диапазон применения. Поэтому рекомендуется, если это возможно, эффективную высоту источника загрязнений определять натуральными измерениями или оценкой.

Бриггс в зависимости от метеорологических условий предлагает проводить расчет подъема струи Δh по одной из нескольких модельных формул. Приведем их. Для устойчивого равновесия атмосферы предлагается выражение:

Значения параметра р, входящего в эту формулу, в зависимости от класса устойчивости атмосферы представлены в таблице 3.6.

Таблица № 3.6.

Скоростной параметр р в зависимости от устойчивости атмосферы и типа местности (по данным [162])

Для высот Z > 200 м следует брать постоянную скорость ветра на высоте 200 м.

Для условий слабых ветров подъема факела на завершающем этапе подъема предлагается находить по формуле:

Δh = 5,3 F1/4 — S3/8 — R_0,

где R_0 — радиус дымовой трубы.

Для условий, близких к нейтральным, при которых параметр S приближается к нулю, Бриггс предлагает следующую формулу расчета конечного подъема факела:

Δh = l,54(F/U SU^2X)2/3-hs1/3

где Uх — скорость трения; hs — высота дымовой трубы.

В работе [22] предлагается формула, объединяющая начальный поток количества движения

М_0 = W^2_0R^2_0 и плавучий поток F:

Δh = 3,75M_01/2 /U(10 м)+ 5F/U(10 м)3

где U(10 м) — скорости ветра, измеренная на высоте флюгера.

Одной из первых формул, при составлении которой сделана попытка учесть вклад динамического и теплового подъема выброса, является формула Холланда (Holland) [116]:

где скорость примеси в выходном сечении W_0 в м/с; диаметр устройства выброса D_0 в метрах.

Эта формула получена в результате обработки наблюдений за шлейфами, выброшенными из трубы на высотах, не превышающих 50 м.

В ряде работ [137], полный подъем выброса в атмосфере предлагается разделить на динамический (газодинамический) Δhr и тепловой Δhm — за счет перегрева вещества выброса. Полный подъем загрязняющей примеси Δh при этом определяется сложением динамической и тепловой составляющих:

Δh = Δhm + Δhr

В частности, для модельных экспериментов для условий тепловых электростанций получены значения Δhm и Δhr в следующем виде [157]:

где Тг — температура отходящих газов;

ΔТ = Тr—Те;

εy — интенсивность турбулентности в горизонтальной плоскости; S = 0,05 ÷ 0,17

β — угол касательной к траектории движения факела; остальные обозначения те же, что и ранее.

Отмечается [137], что если данные по исследованию динамической составляющей подъема факела у разных авторов по характеру влияния на подъем параметров сносящего потока и движущейся в ней струи совпадает, то при изучении тепловой составляющей такое единообразие отсутствует. Оно проявляется в различиях в значениях показателей в формуле для Δhr, которое приводит к большим отличиям в вычисленных значениях теплового всплытия.

Такое различие вычисляемых Δhr объясняется

различными теоретическими предпосылками при определении этой характеристики, трудностями исследования теплового подъема на моделях в лабораторных условиях, отсутствием опытных данных по влиянию различных факторов на подъем выброса.

Что касается ограничений для применения аналитических формул, то они не пригодны в случаях сильно стратифицированной атмосферы или при сильном сдвиге ветра.

Рассмотрим теперь некоторые литературные данные по высотам подъемов кратковременных выбросов. По зарубежным литературным источникам, обобщенным в работе [151] для наземных, приземных и воздушных ядерных взрывов высота центра облака после стабилизации может быть найдена по формуле:

hц=1070 ·q^0’2

где q — мощность ядерного заряда;

[q]=T; [h]=M

Модификация этой формулы относительно верхней he и нижней hH границ взрывного облака дает следующие значения:

где a = (3 + 0,131gq)-1; e = (2,6 +0,4lgq)-1.

Независимая обработка данных по высотам 60 ядерных взрывов привела к появлению формулы, справедливой в диапазоне q от долей тонны до 10^5т (с надежной статистикой лишь в диапазоне 1-100кт), определяющую высоту подъема hц в виде [151]:

hц =1600·q0,21

Для наземных подрывов взрывчатки справедливо соотношение

hц = 284·q^0’22 ·В-1/3 -0,36u · В-1, (3.68)

где u — средняя скорость ветра в слое 0·hц.

— параметр, определяющий устойчивость атмосферы.

В случае изотермий, когда  и U = 5 м/с, а также устойчивых, но близких к нейтральным условиях формула (3.68) принимает вид [151]:

Δhц = 1400 q0,22 — 52 (3.69)

Эта формула неприменима при , т. е. для неустойчивой стратификации атмосферы, при которой подъем выброса за счет сил плавучести теоретически ничем не ограничен.

При взрывах химических ВВ в серийных взрывах программы «Хардхет» в умеренноустойчивых условиях высота подъема облака оценивается в следующем виде [151]: hц ≈ 700 qn, (3.70)

где n — принимает значения от 0,2 до 0,25.

Для более полного описания геометрии атмосферного источника при ядерных взрывах целесообразно привести формулы геометрических характеристик подобных источников. Для диаметра облака Добл, вертикального его размера ΔН и диаметра «ножки» облака Дн можно пользоваться следующими оценками:

Добл. = 1600 q^0’117

ΔН = 1430 V^0’246

Дн= 1420 V^0’134

Эти же значения параметров, очевидно, могут быть применены для инженерных оценок выбросов при взрывах химических ВВ и авариях взрывного характера на АЭС и других энергоемких объектов. В любом случае после взрыва формируется универсальный по форме атмосферный источник, отличающийся лишь характером поступления примесей и их составом.

В разделе книги, посвященном рассеиванию примесей из вторичных источников, приводится пример, как используя стандартные модели рассеяния, можно получить суммарное поле приземных концентраций в виде суперпозиции концентраций двух источников: облака и «ножки».

Отметим, что приведенные в этом разделе формулы пригодны только для весьма грубых инженерных оценок в соответствующих диапазонах параметров атмосферы и источника загрязнений.

Наилучшие и наиболее корректные результаты в процедуре получения высот подъема выбросов в атмосфере дает, на наш взгляд, решение полной системы дифференциальных уравнений движения выброса при задании пульсационных характеристик атмосферы.

При этом для прерывания расчетного процесса необходимо использовать критерий потери выбросом динамической индивидуальности на фоне пульсационного движения окружающего воздуха.

3.9. Выбросы в стратифицированной атмосфере

Антропогенные выбросы, за исключением терминов ядерных взрывов, обладают сравнительно небольшой энергией. Их подъем и диффузия происходят в нижней части тропосферы — пограничном слое Земли.

Полуторакилометровый атмосферный пограничный слой имеет в вертикальном направлении слоистую структуру. Причиной этого служат конвективные движения больших масс воздуха, связанные с неравномерным нагревом и теплопередачей поверхности земли. Практически беспрерывно меняются в погранслое по координате Z такие характеристики атмосферного воздуха как его влажность, температура, скорость и плотность. В горизонтальном направлении эти параметры меняются в сотни раз медленнее. Поэтому в непосредственной окрестности места образования выброса их изменением по х и по у можно пренебречь.

Внутри пограничного слоя атмосферы характерным является падение температуры с высотой (в среднем на 6,5° на 1 км). Однако в отдельные временные промежутки, от нескольких минут до многих часов наблюдаются колебания осредненных значений температуры и плотности атмосферного воздуха по высоте (стратификация). В общем случае газообразный выброс, возникающий на некоторой высоте Zобр, имеет начальную температуру выше температуры окружающей среды, при подъеме в атмосфере будет последовательно проходить отдельные слои (приземный, пограничный, тропосферный и т. д.), пока не потеряет свой динамической индивидуальности. Дальнейшее распространение его вещества будет происходить под действием диффузии в сносящем ветром потоке и подъема при наличии перегрева его вещества до уровня стабилизации. Рассмотрим эволюцию газообразных выбросов в стратифицированной атмосфере [133,152].

Различимость кратковременного выброса в атмосферном воздухе

При отсутствии инверсий температуры в пограничном слое земли выброс нагретого газа всегда теплее окружающего воздуха. Поэтому он должен был бы подниматься не только до верхней границы погранслоя, а значительно выше — теоретически до бесконечности.

Однако из повседневной практики известно, что подъем газообразных выбросов, связанных с деятельностью человека, весьма незначителен. Объясняется это воздействием турбулентных пульсаций атмосферного воздуха, «растаскивающих» выброс на отдельные фрагменты и таким образом разрушающим его. Вещество выброса перераспределяется отдельными вихрями атмосферного воздуха и распространяется по законам атмосферной диффузии.

Таким образом, критерием существования газообразного выброса как целого в атмосфере является условие его динамической различимости на уровне турбулентности атмосферы. Так как турбулентность атмосферы характеризуется энергией ее пульсационного движения Е∞, то критерий существования выброса может быть записан так:

где р, р∞  — плотность газа выброса и окружающего воздуха;

V,V∞e — скорость центра массы кратковременного выброса (скорость газа струи в случае струйного выброса) и проекция скорости сносящего ветрового потока на направление движения выброса.

Критерий (3.71) означает, что выброс различим на фоне турбулентности атмосферы, если энергия его относительного движения превышает энергию турбулентных пульсаций окружающей среды.

Преодоление выбросом инверсионного слоя.

Рассмотрим общий случай состояния атмосферного воздуха около земли. Ему соответствует наличие инверсионного слоя.

На Рис. 3.16 и 3.17 иллюстрируется прохождение выбросом слоя инверсии температуры толщиной ΔZ = Z_3 — Z_1,

где — нижняя и верхняя его высоты;

Z_0,Zвыбр — уровень поверхности земли и высота

сформированного выброса.

На высоте Z_2 внутри слоя выполняется условие равенства температур и плотностей газа выброса и окружающего воздуха. На больших высотах газ выброса, расширяющийся квазиадиабатически, будет холоднее окружающего воздуха, и только на высотах Z > Z_4 вне инверсивного слоя температура выброса становится выше температуры окружающей среды.

При ΔZ > 0 и Z_1 > Z_0 инверсия приподнятая.

при Z_1 = Z_0 и ΔZ > 0 реализуется случай приземной инверсии;

случай ΔZ = 0 соответствует отсутствию инверсий.

Для получения критерия преодоления выбросом слоя инверсии воспользуемся энергетическим соотношением. В общем случае работа сил плавучести на некотором интервале высот AZ равна изменению кинетической энергии выброса на этом интервале, т. е.

Здесь

ν — объем выброса;

р — ускорение земного тяготения;

EΔz, Е_0 — кинетические энергии выброса на соответствующих высотных уровнях.

При наличии инверсионного слоя его задерживающее влияние начинает проявляться с высоты Z_2 выравнивания плотностей (температур) в выбросе и вне его. Поэтому естественно приравнять работу сил плавучести в интервале (Z_3-Z_2) изменению энергии выброса в этом интервале, т. е.

(3.72)

где р, р∞,р_2,р_3 — текущее значение плотности газа, плотности окружающего воздуха, а также плотности газа выброса на высотах Z_2 и Zs, соответственно;

W_2 и Ws — вертикальные составляющие скорости выброса на этих высотах, W = V · sin α;

α — угол наклона вектора V к горизонту. Проанализируем уравнение (3.72). Если левая часть этого соотношения больше правой, что соответствует превышению работы сил торможения выброса в задерживающем слое изменению его кинетической энергии, то выброс как динамически целый объект остановится внутри задерживающего слоя на высоте Zg. Высота остановки его динамического подъема определится из условия (W_3= 0):

Если левая часть соотношения (3.72) меньше правой, (энергия выброса больше работы сил торможения), то выброс пробивает инверсионный слой и после его преодоления поднимается до уровня стабилизации, определяемого пульсациями температуры атмосферного воздуха.

Проведенный анализ движения кратковременных выбросов в атмосфере позволяет сделать следующее утверждение. Для преодоления выбросом инверсионного задерживающего слоя необходимо и достаточно выполнение следующих условий:

Условие (3.74) является необходимым, а условие (3.75) — достаточным. На практике возможно наличие нескольких слоев инверсии температуры.

Рис. 3.16. Схема прохождения струей инверсивного задерживающего слоя.

Рис. 3.17. Схема изменений температуры выброса и температуры окружающего воздуха по высотной координате, поясняющая прохождение выбросом слоя инверсии температуры.

Рис. 3.18. Траектории выбросов при различных условиях прохождения инверсионного слоя.

Критерий преодоления их выбросом приобретает следующий вид:

В этих соотношениях:

N — количество инверсионных задерживающих слоев; индекс «к» относится к параметрам соответствующего слоя.

Критерии подъема выбросов

Получим теперь критерий высоты подъема динамически целого выброса в стратифицированной атмосфере. Высота Z_2, являющаяся нижним пределом в интеграле левой части соотношения (3.72), определяется из условия равенства плотности газа выброса плотности воздуха окружающей среды.

При движении выброса по инерции в части задерживающего слоя, где температура воздуха выше температуры газа выброса, охладившегося при адиабатическом расширении, в него посредством механизма вовлечения будет поступать более теплый воздух. В результате газ выброса нагреется и будет иметь плотность рд, меньшую плотности р_2 на уровне Z_2. Поэтому условие для определения высоты поднимающегося объема в виде

р — р_2 =0 (3.76)

не верно. Оно не отражает физической картины явления, игнорируя инерционность выброса и его способность преодолеть инверсионный слой. Даже при мощной инверсии, которую выброс преодолеть не может, такой подход может существенно занизить высоту его подъема.

Траектория при задании критерия (3.74) получается монотонной в отличие от траектории выброса при использовании критерия (3.76), которая имеет характер затухающих колебаний (см. Рис. 3.18).

Другой критерий высоты подъема выброса, как той точки, где вертикальная составляющая его скорости равна нулю

W = V ⋅ sin α = 0

справедлив лишь для нетурбулизованной атмосферы. Он реализуется асимптотически при подъеме выброса и не годится при решении задачи на ЭВМ. Его использование чрезвычайно удлиняет процесс вычислений и накапливает машинные ошибки. При учете турбулентных пульсаций атмосферного воздуха может быть использован критерий высоты подъема выброса при равенстве вертикальной составляющей скорости выброса среднеквадратичному значению вертикальной составляющей пульсаций атмосферы

Однако при этом остается открытым вопрос о нахождении .

Если известна траектория движения выброса, то его подъем определяется той точкой, в которой угол между касательной к оси траектории и горизонталью достигает сравнительно небольшого значения. До настоящего времени сохраняется неопределенность в выборе степени горизонтальности выброса, т. е. величины этого угла. В работах [157,158] этот угол считают равным 10°.

Очевидно наилучшим критерием высоты подъема выброса, отражающим физическую сущность неразличимости динамических характеристик выброса в окружающей среде, является энергетический критерий. Он формулируется так.

Выброс теряет свою динамическую индивидуальность в окружающей среде, когда избыточная энергия его поступательного движения становится равной энергии турбулентных пульсаций атмосферного воздуха.

Сравниваются энергии единичных объемов выброса и окружающей среды. Получаем:

При наличии инверсионного слоя к этому условию следует добавить условие остановки выброса в задерживающем слое.

Следует отметить, что тормозит движение выброса не только часть инверсионного слоя AZ = (Z_3 — Z_1), но и более высокие воздушные слои, где температура окружающего воздуха еще превышает температуру выброса.

На графике Рис. 3.17. этот слой имеет толщину AZ = Z_4 — Z_3. Подъем выброса при наличии инверсии определяется уравнением (3.73). Запишем его в несколько иной форме:

Искомая высота подъема в этом уравнении является верхним пределом интегрирования.

Практически процесс определения высоты подъема динамически индивидуального выброса при наличии инверсий в атмосфере сводится к следующему:

1) На каждом текущем значении высоты в процессе подъема выброса проверяется выполнение соотношения (3.77). Если это условие выполняется на какой-то высоте, то она и служит высотой подъема выброса.

2) Если условие (3.77) не выполняется при подходе к инверсии и внутри нее (левая часть (3.77) больше правой), то проверяют выполнение соотношения (3.78). Если условие (3.78) выполняется на некоторой высоте внутри задерживающего слоя, то соответствующая высота является высотой подъема выброса.

3) Если условия (3.77) и (3.78) не выполнены при подъеме выброса до задерживающего слоя и внутри него, то выброс преодолевает этот слой. Его подъем выше этого слоя определяется равенством энергии подъема единицы объема выброса и энергии турбулентности единичного объема окружающей среды, т. е. соотношением (3.77).

Стационарные выбросы формируются в виде струй большой протяженности. Продукты выброса последовательно проходят вдоль направления движения газа в сторону возрастающей высотной координаты Z. В случае стационарного выброса соотношение (3.74) как и в случае кратковременного выброса является необходимым условием преодоления выбросом задерживающего инверсионного слоя [153].

При его выполнении текущие значения газодинамических величин отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды, а единичный объем выброса не теряет своей индивидуальности по сравнению с аналогичным объемом окружающей среды.

Для получения достаточного условия преодоления стационарным выбросом инверсионного задерживающего слоя рассмотрим ту же схему (Рис. 3.17) изменений температуры выброса и температуры окружающей среды по высотной координате.

Приравняем работу сил плавучести горизонтальных сечений единичной толщины струи в интервале высот инверсии AZ = Z_3 — Z_2 изменению кинетической энергии этих сечений на нижней и верхней границах инверсии.

Получаем

где F,F_2,F_3 — текущее значение площади горизонтального сечения струи, а также значения этой площади в сечениях Z_2 и Z_3, соответственно; W = V ⋅ sin α — вертикальная составляющая осредненной по сечению скорости газа струи.

Значение F может быть связано с площадью нормального поперечного сечения струи и углом ее наклона к горизонту соотношения:

уравнение (3.79) при подстановке в него соотношения (3.80) приобретает следующий вид:

Достаточное условие преодоления струей инверсионного слоя толщиной ΔZ запишется так:

Динамическая высота подъема струи Zd внутри задерживающего слоя ΔZ=Z_4-Z_2 определится из соотношения (W_3=0):

Процедура определения высоты подъема струйного выброса в общем случае его движения в стратифицированной атмосфере точно такая же, как и для кратковременного выброса. Только вместо уравнения (3.78) надо использовать уравнение (3.82).

Проведенный выше анализ показывает, что подъем выбросов в реальной атмосфере будет обязательно прерван на некоторой высоте.

3.10. Высота стабилизации вещества выброса

Потеря выбросом динамической индивидуальности на фоне турбулентных движений атмосферы не означает, что его вещество полностью идентично веществу окружающей среды. После достижения выбросом максимальной высоты подъема Zg выброс начинает «растаскиваться» турбулентными вихрями атмосферного воздуха. Его форма уже не может быть моделирована простым геометрическим телом типа сферы или эллипсоида. Вещество выброса подвержено воздействию турбулентных движений атмосферы и стабилизирующему воздействию температурного градиента, возвращающему его к компактной конфигурации.

Естественно, что в этих условиях возникший объем не может рассматриваться как единое динамическое целое — он занимает слишком большие пространственные размеры и имеет поверхность сложной флуктуирующей формы. Для анализа дальнейшего всплытия его вещества, температура которого отлична от Т∞, естественно рассматривать динамику отдельных молей или квазиклубов его вещества, на которые он распался.

Аналогичным образом происходят процессы теплопереноса на участке затухания динамической активности струй. Если атмосферные условия устойчивые, то струйный поток, потерявший свою динамическую индивидуальность при завершении подъема, имеет температурную (и концентрационную) неоднородность и способен продолжать восходящее движение.

Отметим, что подобные температурные (концентрационные) неоднородности продолжают свое поступательное движение в ветровом потоке, являясь фактически динамически пассивными. Рассмотрим оба этих случая.

Стабилизаиия вещества разрушившегося клуба

Назовем фрагменты разрушившегося выброса термоклубами или термооблаками (сокращенно — облаками). В дальнейшем будут использованы оба этих названия.

На завершающем участке подъема подобного выброса изменением кинетической энергии можно пренебречь по сравнению с изменением его внутренней энергии. При этом справедливо уравнение баланса этой характеристики, как для выброса в целом, так и для отдельных его термоклубов.

Внутренняя энергия термоклуба при его подъеме с высоты Z_1 до высоты Z_2 может измениться только за счет охлаждения вовлеченным воздухом. Для моментов времени tt и t_2 (соответствующих высотам Zt и Z_2) можно записать следующее соотношение:

(MΨ)2=(MΨ)1+Me·Ψ∞ (3.83)

Рис. 3.19. Схема эволюции кратковременного выброса в ветровом потоке: 0 — место инцидента; 1 — ветер; Zg — высота потери выбросом динамической индивидуальности; Zm — высота стабилизации вещества выброса.

В этом соотношении:

Ψ = h + gZ; 'Ψ∞=h∞+gZ;

где h = Ср — Т — статическая энтальпия единицы массы облака; М,Ме — масса облака и масса вовлеченного в него воздуха; h∞ = Ср Т∞ — статическая энтальпия ед. массы окружающего воздуха.

Разделим обе части (3.83) на ΔZ при учете вида h и считая Ср ≈ Ср∞:

В дифференциальной форме это уравнение записывается так:

Используя соотношение для вовлечения , приходим к следующему уравнению:

Обозначим дефект температуры клуба

Т — Т∞= θ

и перейдем к высотной координате, используя соотношения

Получаем:

Постоянная С находится из условия: при Z=Zg u=ug при задании конкретных значений γ∞ (Z) и M(Z), являющихся сложными функциями высоты Z.

Вводя как в работе [132] удельную скорость вовлечения

представляющую собой массу вовлекаемого воздуха, отнесенную к единице высоты Z, получаем для М следующие выражение:

М = еαZ

Рассмотрим вначале случай постоянных значений α и γ∞.

Подставив это выражение для массы облака в формулу (3.84) при γ∞ = const и α = const, получаем:

Находим постоянную интегрирования:

при Z=Zg θ = θg

откуда

И окончательное выражение для дефекта температуры термоклуба получаем при подстановке постоянной С в уравнение (3.85):

Эта формула при Zg = 0 совпадает с формулой работы [132], полученной в предложении сохранения потенциальной температуры воздушной частицы при ее адиабатическом смещение вдоль оси Z и при задании исходного уровня Z=0 и начального перегрева θ_0 =Т_0 — Т∞.

Высота стабилизации вещества облака из соотношения (3.86), определяемая из условия 0=0, находится при подстановке вместо Z его предельного значения Zm.

Поучаем

Это выражение является обобщением формулы Л. Махты для высоты стабилизации выброса в атмосфере, которое учитывает процесс неадиабатического расплывания выброса, начинающийся с уровня Zg — высоты потери его динамической индивидуальности.

Формула Л. Махты [127]:

где θ_0 — разность потенциальных температур на исходном уровне Z = О, дает аналогичные значения для Zm.

Формула (3.87) имеет смысл при Δу < О, т. е. при устойчивом состоянии атмосферы, когда температура воздуха уменьшается с высотой медленнее, чем на 1 градус на каждые 100 метров.

При этом

На графиках Рис. 3.20 представлено сравнение результатов расчетов высот подъема взрывных выбросов Zm в зависимости от начального перегрева вещества клуба, выполненное по различным формулам. Отметим, что формула (3.87) при Z = 0 и θg0 =Т_0-Т∞ дает значения высот подъема взрывных клубов такие же, как по формуле Л. Махты.

Расчеты выполнялись для следующих условий[132]: α =5 × 0-4 1/м (вовлечение 1 кг воздуха на каждые 4 кг облачного воздуха при подъеме его на 500 м) при вариации коэффициента γ∞.

Как следует из графиков этого рисунка, формула Сэттона дает заниженные значения для Zm при любых начальных перегревах вещества выброса. Этот факт отмечается и в работе [132], где кроме этого подчеркивается качественное согласие результатов расчетов по формуле Махты с экспериментальными данными по высотам стабилизации облаков ядерных взрывов. Расчеты по формуле (3.87) показывают очень сильную зависимость Zm от степени устойчивости атмосферного воздуха, что является физически правдоподобным.

Для получения выражения для высоты стабилизации выбросов в реальной атмосфере [152] следует исходить из наличия турбулентных пульсаций температуры атмосферного воздуха  и переменных по высоте выброса значений коэффициентов вовлечения и γ∞.

Будем исходить из уравнения (3.83а) при учете связи вовлечения Е в произвольный объем с его боковой поверхностью Sδ и изменением массы облака по времени

где удельное вовлечение Е для нагретого вещества выброса, поднимающегося со скоростью W в атмосфере записывается так:

Sδ — площадь поверхности термоклуба через которую происходит вовлечение окружающего воздуха; ς — коэффициент вовлечения.

Не ограничивая общности рассуждений, можно считается термоклуб сферическим.

Тогда

где ν — объем термоклуба

При получении этого выражения была использована связь:

Подставляя вместо Sδ и их значения в формулу (3.91), получаем:

При получении этого выражения было использовано условие изоабатичности течения. Коэффициент n учитывает соотношение боковой поверхности и его объема. Если R — радиус эквивалентной сферы, имеющей объем нагретого облака, то n = 3.

Уравнение для определения дефекта температуры термоклуба на высотном уровне стабилизации его вещества запишется в окончательной форме:

Это уравнение может быть решено численно. Для получения приближенного его решения воспользуемся условием малости θ:

Тогда уравнение (3.93) приобретает приближенный вид:

Его решение записывается так:

Постоянная С определяется из начального условия для дефекта температуры на уровне потери клубом динамической индивидуальности: при Z = Zg θ = θg

Рис. 3.20. Высота подъема облака взрыва в зависимости от начального перегрева θg=T_0 — Т∞.

Откуда получаем

Окончательно для перегрева вещества распавшегося выброса получаем выражение:

Подставляя вместо γ∞(Z) конкретные значения профиля градиента атмосферной температуры как функции высоты Z, можно получить связь перегрева вещества выброса с его геометрической высотой и с высотой потери им динамической индивидуальности. В частности высота стабилизации вещества клуба в турбулентной атмосфере найдется из соотношения (3.95) при задании на этом высотном уровне значения дефекта температуры вещества клуба в виде: при Z = Zm θ = θm, где .

Особенно простой вид имеет выражение для перегрева вещества распавшегося клуба как функции высоты при постоянном значении градиента атмосферного воздуха. Из (3.72) получаем:

Формула (3.96) совпадает с формулой (3.85) при связи коэффициентов вовлечения ς, удельной скорости вовлечения α и коэффициента формы n в виде следующего соотношения

Отметим, что соотношение (3.96) может быть получено при использовании формулы (3.86) и определений α и Е.

На уровне стабилизации вещества клуба из (3.96) получаем связь указанных параметров в виде:

Приращение высотной координаты вещества распавшегося клуба для этого случая может быть определено из уравнения (3.98).

Оно записывается так:

Отметим, что эквивалентный радиус R распадающегося клуба в уравнении (3.93) и производных этого уравнения (соотношения (3.94) — (3.99)) является параметром. В частности, из соотношения (3.99) следует, что чем больше размер рассматриваемого клуба, тем выше он поднимается после разрушения выброса. После потери выбросом динамической индивидуальности на фоне турбулентных движений атмосферы он разрушается, разносится атмосферными пульсациями на отдельные клочья и клубы меньших масштабов. Размеры этих образований — от минимальных, определяемых диссипацией энергии в тепло, до максимальных, соизмеримых с размерами выброса [152].

Для получения наибольших дефектов температуры θm и наибольших высот подъема вещества разрушившегося кратковременного выброса Zm в соотношениях (3.98) и (3.99) вместо R следует брать эффективный радиус выброса при координате его разрушения R = Rg

В качестве иллюстрации полученных выше формул на графиках Рис. 3.21 приводятся результаты расчетов ΔZm для разных характеристик выбросов и атмосферного воздуха.

Рис. 3.21. Зависимость величины всплытия вещества разрушившегося взрывного выброса от его перегрева.

Рис. 3.22. Зависимость всплытия вещества разрушившегося взрыв ного клуба от его радиуса для различных начальных перегревов.

Для получения наибольших дефектов температуры θm и наибольших высот подъема вещества разрушившегося кратковременного выброса Zm в соотношениях (3.98) и (3.99) вместо R следует брать эффективный радиус выброса при координате его разрушения R = Rg

В качестве иллюстрации полученных выше формул на графиках Рис. 3.21 приводятся результаты расчетов ΔZm для разных характеристик выбросов и атмосферного воздуха.

Графики Рис. 3.22 иллюстрируют зависимость всплытия ΔZm разрушившихся клубов от их размеров на уровне Zg для сухобезразличной стратификации (у∞ = уα). Из этих графиков видно, что приращение высотной координаты всплытия вещества клуба линейно зависит от его размера. Чем выше перегрев клуба на уровне Zq тем больше приращение ΔZm. Для условий расчета [ς = 0,2; n = 3] приращение высотной координаты для клубов реальных размеров при подрывах ТТР (R ≈ 0,5 ÷1 км) при перегревах θq ≈ 2 ÷3 град может составить несколько километров.

На графиках Рис. 3.23 показана зависимость высоты теплового всплытия вещества разрушившегося клуба от коэффициента формы для различных степеней турбулентности атмосферного воздуха, характеризующегося коэффициентом ς.

Расчеты проводились при следующих значениях параметров:

R=500 м; θg= 5 град; θm =0; у∞ =2-10-4 град/м.

Из этого рисунка следует, что чем сильнее раздроблен или «расплющен» выброс после потери им динамической индивидуальности, тем на меньшую высоту поднимается его вещество под действием сил всплытия. Увеличение коэффициента вовлечения д, как и следовало ожидать, приводит к уменьшению величины ΔZm.

На графиках рис. 3.24 — 3.26 приводятся расчеты приращений высот всплытия вещества взрывного выброса при Z > Zg для различных состояний атмосферы.

Связь классов устойчивости атмосферного воздуха с вертикальным градиентом температуры у∞ в слое 0-200 м и скоростью ветра на уровне флюгера [22,139], приведенные в таблице № 3.7, могут быть распространены на большие высоты. Эти данные использовались нами при сопоставлении класса устойчивости слоя Z > Zg и вертикального градиента температуры атмосферного воздуха в этом слое.

Рис. 3.23. Зависимость теплового всплытия вещества кратковременного разрушившегося выброса от коэффициента формы для различных коэффициентов вовлечения.

Рис. 3.24. Зависимость величины всплытия вещества разрушившегося клуба от его перегрева на высоте Zg.

Рис. 3.25. Зависимость величины всплытия вещества разрушившегося клуба от его перегрева на высоте Zg.

Рис. 3.26. Зависимость величины всплытия вещества разрушившегося взрывного клуба от его перегрева на высоте Zg.

Таблица № 3.7

Определение классов устойчивости атмосферы по вертикальному градиенту температуры в слое 2-300 м и скорости ветра на уровне флюгера (система классов Пасквилла — Фогта)

Расчеты проводились при п=3, ς =0,2, R=500 м.

Как следует из графиков Рис. 3.24 — 3.26, где представлены изменения значений ΔZm в зависимости от перегрева θg для различных θm, высоты подъема ΔZm монотонно возрастают при увеличении у∞ (при уменьшении устойчивости атмосферы). Наименьший подъем наблюдается для слабоустойчивой (класс Е) и умеренноустойчивой атмосферы (класс F). Для этих классов ΔZm <0,8 км при рассматриваемых исходных данных для характеристик выброса и атмосферы.

В случае изотермии (у∞=0)всплытие вещества выброса не превосходит километра для диапазона θg = 1 ÷ 20 град. В случае нейтральной атмосферы ΔZm резко увеличивается, достигая 4 и более километров. Причем, чем меньше среднеквадратичные значения пульсаций температуры атмосферного воздуха, там выше всплытие вещества разрушившегося выброса.

Для умереннонеустойчивой (класс В) атмосферы вещество разрушившегося выброса может быть остановлено стратифицированной атмосферой только при уровне флуктуаций температуры воздуха θm, превышающих 1 градус, что весьма маловероятно. При сильно неустойчивой атмосфере (класс А) расчеты по формуле (3.99) становятся не корректными для любых реальных значений параметров атмосферного воздуха. Физически это означает безграничный подъем вещества разрушившегося клуба.

Стабилизация вещества затихающей струи

Рассмотрим теперь закономерности подъема вещества струи после потери ею динамической индивидуальности на фоне турбулентных движений атмосферного воздуха. Такая ситуация гипотетически допускается для сильно устойчивой атмосферы.

Как и в случае с подъемом выброса будем исходить из уравнения сохранения потока внутренней энергии в поперечном сечении струи. Для сечений, отстоящих на малом расстоянии Δl = l_2 — l_1 друг от друга справедливо равенство

где М — расход вещества струи; Ψ — полная энергия единицы массы газа; h — статическая энтальпия единицы массы газа струи.

Индексы «2», «1» и «∞» относятся к сечениям «2», «1» струи и к характеристикам вовлекаемого в струю воздуха.

Деля обе части (3.100) на Δl и устремляя Δl к нулю, приходим к дифференциальному уравнению:

Раскрывая дифференциал в левой части этого соотношения и используя уравнение для вовлечения

приходим к уравнению относительно дефекта температуры струи θ — Т -Т∞ в следующей форме:

Это уравнение получено при следующем физически обоснованном допушении. На завершающем участке движения струи теплоемкость ее вещества практически не отличается от теплоемкости атмосферного воздуха, а кинетической энергией контрольного газового объема допустимо пренебречь по сравнению с потенциальной и внутренней энергиями.

Для струйного потока

где V — скорость газа струи;

S — площадь поперечного сечения струи;

ς — коэффициент вовлечения.

Тогда для изобарического струйного потока:

и уравнение (3.101) принимает окончательный вид:

R,α — параметры, определяющие радиус струи и угол наклона рассматриваемого поперечного сечения.

При координате разрушения струйного течения Z = Zg параметры R и α имеют значения Rg и αg.

При этом уравнение для определения дефекта температуры вещества струи при ее всплытии после потери динамической индивидуальности приобретает следующий вид:

Это уравнение может быть решено численно. Для получения аналитическского приближенного решения, воспользуемся условием малости θ и условием изобаричности течения. Тогда уравнение (3.103) запишется так:

Введем безразмерные параметры:

Тогда

Уравнение (3.104) в безразмерном виде выглядит так:

Его решение

Постоянная С определяется из начального условия: при Z = 1 θ = 1

Высота стабилизации вещества струи в турбулентной атмосфере Zm может быть найдена из уравнения (3.107) при подстановке в него вместо θ значения

При постоянном распределении температуры с высотой γ∞ = const получаем:

На уровне стабилизации вещества струи уравнение (3.108) приобретает следующий вид:

где ΔZm = Zm -1 — безразмерное значение приращения высотной координаты подъема вещества струи.

Из соотношения (3.109) можно найти ΔZm:

Рис. 3.27. Зависимость приращения высоты выброса при его всплытии после потери им динамической индивидуальности в зависимости от перегрева на этом уровне для различных состояний атмосферного воздуха.

Из формулы (3.110) следует, что тепловой подъем вещества разрушившейся струи тем больше, чем меньше флуктуации температуры атмосферного воздуха, его турбулентность и градиент T∞.

Необходимо отметить, что полученные выше соотношения по подъему и стабилизации вещества струи пригодны, очевидно, лишь для слабовозмущенной атмосферы. Подъем вещества струйного выброса в интенсивно турбулизованной атмосфере на завершающем участке стабилизации его вещества полностью аналогичен подъему кратковременного изолированного выброса. Это объясняется одинаковым механизмом «растаскивания» вещества выбросов на отдельные тепловые облака на участке потери выбросами динамической индивидуальности. Наличие сильно пульсирующего сносящего ветрового потока приводит к распаду струи на отдельные пространственные образования (термоклубы), размеры которых соизмеримы с поперечными размерами струи при Z = Zg. Дальнейший подъем термоклуба и его стабилизация описываются формулами предыдущего раздела.

3.11. Рассеивание примесей из вторичных источников

Формирование вторичного атмосферного источника имеет важное значение в проблеме загрязнения окружающей среды антропогенными выбросами. Это связано с тем, что от геометрических характеристик (размеров, конфигурации и высоты над подстилающей поверхностью) сформировавшегося источника существенно зависит приземная концентрация загрязняющей примеси.

При проведении расчетов по прогнозам радиационной и химической обстановок до настоящего времени применяется упрощенный подход, при котором используется понятие точечного наземного или приподнятого источника с рассеиванием на высоте, равной геометрической или эффективной высоте выброса. Такой подход зачастую используется даже в том случае, когда низкотемпературный аварийный выброс происходит на крыше здания и радиоактивные или токсические вещества поступают в зону аэродинамической тени аварийного объекта, формируя фактически объемный источник [26].

В ряде других случаев, в частности при пожарах и взрывах, требуется введение достаточно сложного композиционного источника. Для описания поля рассеяния примеси от такого источника (особенно в ближней зоне) использование стандартных моделей рассеяния может привести к большим погрешностям как при прогнозировании локальной радиационной или токсической обстановки, так и при решении обратной задачи по восстановлению наиболее вероятного сценария аварии.

Формирование вторичного источника выбросов существенно зависит от сценария аварии, метеоусловий в момент выброса, длительности выброса, дисперсности аэрозольных частиц, геометрии выходного отверстия и теплофизических свойств газовоздушного потока — носителя загрязняющих веществ.

При возникновении аварийной ситуации, связанной с повышенным выбросом загрязняющих веществ через неповрежденную систему газоочистки и неповрежденную вентиляционную трубу, аварийный выброс приведет к формированию струи, приземные концентрации от которой могут быть достаточно хорошо описаны с помощью стандартных моделей рассеяния примеси. Метеорологические условия в момент такой аварии могут повлиять на эффективную высоту подъема примеси, что позволяет использовать для расчета полей концентраций либо методику ОНД-86 [74], либо методику МАГАТЭ [81] (кроме случаев аномальных метеоусловий — штилей, инверсий, осадков).

При аварийных ситуациях, характерных для взрывов, в состав выброса может поступить большое количество разнодисперсных аэрозолей, способных создать динамическую систему, на которую будут влиять и фронт ударной волны и тепловой подъем. При этом вторичный источник может быть представлен либо в виде вертикального цилиндра или линейного источника, сферы или трехмерного гауссиана. Введение его в модель рассеяния примеси достаточно просто реализуется при использовании методики [74] применительно к множеству элементарных одиночных источников, на которые разбивается объемный вторичный источник.

В случае аварии, отягощенной пожаром, при которой в струю вовлекается большая масса токсичных или радиоактивных продуктов, из-за интенсивного теплового подъема эти вещества могут быть заброшены на высоту до 2–4 км. Такая физическая картина наблюдалась с радионуклидами при аварии на Чернобыльской атомной электростанции. Достигнутая при этом инциденте большая высота подъема должна была привести к существенному снижению приземной концентрации полютантов, пропорциональной обратной величине квадрата высоты выброса. В этом случае, однако, не исключен был и интенсивный перенос радиоактивных продуктов на большие расстояния в связи с возможностью вовлечения радионуклидов в струйные атмосферные течения. Это могло привести к последующему образованию на поверхности земли «горячих» пятен за счет осадков и нисходящих потоков.

Особые условия для прогнозирования радиационной или химической аварийной обстановки могут возникнуть в случае длительного истечения «холодных» загрязнителей, когда выбросы будут попадать в аэродинамическую тень аварийного здания. В этом случае картина загрязнений может существенно усугубиться как на промплощадке, так и на больших удалениях от неё за счет высоких значений полей приземных концентраций и увеличенной скорости выпадения при формирования интенсивного аэрозольного следа.

Для аварийных ситуаций, обусловленных проливами транспортируемых по железной или автомобильной дороге жидких токсичных продуктов или испарением тритиевой воды с поверхности водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов, вторичный атмосферный источник может быть представлен в виде площадки. В этом случае расчет приземных концентраций от площадного выброса (истечения) можно выполнить, используя Методику ОНД-86 или аналогичную ей [104,115,148,153].

Рассмотрим специфику и особенности распространения загрязняющих примесей из источников разного типа и некоторые методы решения этой проблемы, широко представленной в литературных источниках. На сегодняшний день существует огромное количество научных подходов, описывающих процессы диффузионного загрязнения природных сред разными источниками при разных начальных и граничных условиях, обзор которых представляет собой самостоятельный и довольно громоздкий труд. Представленный ниже материал не ставит в рамках нашей книги такой цели, поэтому он имеет иллюстративный и фрагментарный характер.

Во многих работах расчет распространения радиоактивных и химически активных продуктов в атмосфере осуществлен на основе полуэмпирической теории атмосферной диффузии. В рамках этой теории концентрация примеси С описывается уравнением:

где U,V — проекции вектора скорости ветра на оси Ох и Оу, соответственно; λ(t) — функция, описывающая изменение концентрации примеси за счет радиоактивного распада или химических реакций;

Кх,Ку, Kz — коэффициенты турбулентной диффузии по соответствующим осям.

Начальные условия для этого уравнения принимаются в виде:

C/t = 0 = Q_0(0)·δ(x)·δ(y)·δ(Z-h)

где Q_0 — начальное количество примеси; δ(i) — дельта-функция; h — эффективная высота источника загрязнений.

Краевое условие на поверхности земли учитывает осаждение примеси на подступающую поверхность

где β — параметр осаждения примеси, являющийся исходным данным задачи.

На больших расстояниях концентрация примесей стремится к нулю, что является еще одним краевым условием:

Решение этого уравнения представляет собой исключительно сложную математическую задачу, для решения которой в общем виде не существует эффективных методов. На практике широкое распространение получили различные приближенные методы. Одним из них является метод, основным на предположении о гауссовом распределении примеси в выбросе.

Тогда концентрация примеси, поступившая в атмосферу из мгновенного источника малых размеров, описываются следующим выражением:

здесь Q_0 — количество загрязняющих продуктов, поступивших в атмосферу к моменту времени t;

G(z,h,t) — высотное распределение примеси; х_0.γ_0 — координаты центра выброса в проекции на горизонтальную плоскость; σ^2x, σ^2y — дисперсии вдоль соответствующих осей.

Для определения концентрации от выброса конечной длительности используется интеграл — свертка, записываемая так:

где l(t — τ) — функция, описывающая изменение мощности источника по времени.

В частности, выхлопная струя или струя дыма от пожара, как источник загрязняющей примеси, заменяется эквивалентным распределенным объемным источником.

В этом соотношении:

σ^2z0 и σ^2y0 — дисперсии распределений примеси по соответствующим осям в месте разрушения струи (в месте начала рассеивания ее вещества под действием атмосферной диффузии); х_0 — расстояние от места инцидента до места разрушения струи в проекции на ось х.

Таким образом, конечность размеров источника учитывается введением дополнительных слагаемых в выражения для дисперсий выброса, т. е.

Центральным вопросом при использовании гауссовых моделей для описания полей концентраций является выбор параметров x_0, γ_0 и σx, σy.

В методах Пасквилла [50] и Бызовой [143] параметры σx, и σy определяются из экспериментов, а перемещение облака считается происходящим со скоростью ветра в слое диффузии на высоте источника.

В ряде работ при определении σх,σy, x_0 и у_0 учитывается реальный профиль ветра, а дисперсия вертикального распределения примеси определяется по формуле:

δ^2z= Кt

где К = Кх = Ку = Kz — эффективное значение коэффициента диффузии, определяемое состоянием атмосферы.

Кроме того, учитывается зависимость дисперсий клубов в виде облаков от скорости ветра с помощью соотношений:

σ^2 = σ^2T + σ^2дол

где σ^2T — дисперсия, определяемая только коэффициентом горизонтальной турбулентной диффузии; σ^2дол — дисперсия, описывающая рассеяние примеси по горизонтали в потоках с изменяющейся по высоте скоростью за счет вертикальной турбулентности.

При сильном перемешивании примеси по вертикали и большом градиенте скорости ветра вклад слагаемого σ^2дол в суммарную дисперсию может оказаться значительно большим, чем σ^2T.

Такой метод позволяет учитывать реальную метеорологическую обстановку в месте инцидента, однако его вычислительный аппарат очень громоздок и сложен. Некоторые получаемые результаты, учитывая заложенную в расчет гауссову модель распределения концентраций, носят иллюстративный характер.

В работе [135], проведенной в районе испытаний ядерных энергетических установок, получена полуэмпирическая формула для расчетов концентраций радиоактивной примеси. Она записывается так:

В этой формуле предполагается использование следующих выражений для характеристик дисперсий загрязнений по координатным осям:

где U — скорость ветра в слое распространения струи ядерной энергетической установки; [U]=км/час; t — время процесса диффузии, час; г — расстояние выброса от места проведения работ, км; Ux,Uy — составляющие скорости ветра по осям х и у.

Недостатком этой формулы является узкий диапазон ее возможного применения — в месте испытаний. Кроме того, она не позволяет провести анализ влияния исходных параметров установки и среды на результаты расчетов.

Более универсальный характер имеет формула для расчета приземной концентрации на оси прохождения радиоактивного облака. Она получена путем обобщения экспериментальных после подземных ядерных взрывов [154]. В случае мгновенного выброса примеси получают:

где Q — общее количество выброшенной из источника примеси; U — как и ранее, скорость ветра в слое распространения загрязнений, считающаяся постоянной.

Дисперсии примеси описываются следующими временными зависимостями:

σ^2 ~ t^2 при t малых;

σ^2 ~ 2Kt при t больших.

Распределение примеси вдоль направления распространения облака можно получить, интегрируя записанное выше уравнение по времени после подстановки в него значений метеопараметров и диффузии.

Приведем широко используемую для инженерных оценок эмпирическую формулу для расчета концентраций загрязняющих веществ при выбросах примеси из мощных источников типа дымовых труб тепловых электростанций или химических предприятий. Она имеет следующий вид:

где α и β — некоторые постоянные; U — скорость ветра на высоте флюгера; Q — мощность выброса.

Высота источника Н, входящая в эту формулу, складывается из высоты трубы и начального (динамичного) подъема струи ΔН:

где W_0,R_0, и ΔТ_0 — начальные значения скорости газа струи, ее радиуса и перегрева; g — ускорение силы тяжести; θ — температура окружающего воздуха в абсолютной шкале.

Недостатком приведенных выше формул является отсутствие универсальности в выборе коэффициентов α и β, а также некорректность при U → 0 С уменьшением скорости ветра до нуля динамический подъем струи и концентрация загрязнений неограниченно возрастают. Вместе с тем известно, что при инверсионных состояниях атмосферы эти условия заведомо не выполняются, так как существует некоторый «потолок» для начального подъема примеси.

В заключение этого раздела приведем формулы для оценок влияния параметров диффузии на максимальную концентрацию примесей Сm и расстояние хm от источника до этого максимума [150]. Зависящий от устойчивости атмосферы режим распространения описывается сигма — значениями σу и σz, входящими в расчетную формулу гауссовой модели дымового факела:

Наиболее используемыми являются аппроксимации сигма — значений степенными зависимости:

σγ = Axa σz = Bxb

где а, в, А, В, Д — некоторые коэффициенты. При этом уравнения для расстояния хm и максимума концентрации Сm имеют следующий вид:

Анализ этих соотношений показывает, что параметр диффузии в оказывает существенное влияние на расстояние до максимума концентрации примеси от источника.

На графиках Рис. 3.28 показаны качественные зависимости изменения осевых приземных, концентраций загрязняющих веществ Ст из приподнятого над землей источника от интенсивности турбулентного движения атмосферы. Из рисунка видно, что на некоторых расстояниях Xm вдоль направления распространения потока достигаются максимальные значения осевой концентрации примеси, затем она плавно уменьшается. Причем чем сильнее турбулизована атмосфера, тем ближе к источнику расположена координата максимума загрязнений. Что касается величин Сm, то их абсолютные значения слабо зависят от турбулентной активности атмосферного воздуха. Расстояния Xm, где достигается максимумы концентраций Сm, прямо пропорциональны высоте источника при любой турбулентной активности.

Подобный подход был использован для прогнозов разовых приземных концентраций при подрывных работах по ликвидациям ракет средней и меньшей дальности, выполняемых в период с 1989 по 1991 годы на полигонах Сарыозек и Капустин Яр [62,73]. Ракеты, лежащие на поверхности земли в связках по несколько штук, подрывались при различных состояниях атмосферы.

Рис. 3.28. Качественные зависимости изменения приземных осевых концентраций загрязняющих веществ из высотного источника вдоль направления распространения примеси Ст от степени турбулентности атмосферы: 1 — сильная; 2 — средняя; 3 — слабая.

Выбросы, возникавшие после инициирующего воздействия ВВ, состояли из пылегазового взрывного клуба с высотами подъемов 2–4 км и приземного дымового выброса.

Нижняя часть выброса связывает его верхнюю часть с землей, в ней наряду с газовой фазой присутствует твердая фаза различной дисперсности. Верхняя часть выброса представляет собой огромный объем неправильной формы. Газ внутри этого объема участвует в крупномасштабных движениях; поверхность выброса крупнорельефная, тороидального упорядоченного движения в нем не наблюдается.

При прохождении объемного крупномасштабного источника сложной формы над местностью локальные значения концентраций примесей будут возникать в результате суперпозиции отдельных эффективных источников, соответствующих различным частям выброса и имеющих разные начальные высоты и разные объемы. Если обозначить С; — концентрацию от j-ого объема, то суммарная локальная концентрация от сформировавшегося выброса, объем которого мысленно разбит на N отдельных объемов «простой» формы, запишется в виде следующей суммы:

В действительности из объема сформировавшегося выброса трудно выделить отдельные клубы, проще пойти по иному пути, а именно мысленно разбить выброс на горизонтальные элементарные слои. Локальная концентрация вещества от j-ого слоя выброса толщиной ΔZ в момент времени t в предположении о нормальном распределении вещества в каждом слое при его распространении запишется следующим образом [50]:

В этом соотношении: x — продольная координата, связанная со скоростью и временем t соотношением х = ut; у, z — координаты рассматриваемого слоя над землей; q — распределение загрязняющего вещества по вертикали в сформировавшемся выбросе, [qj ] — кг/м; σx, σy, σz — текущие значения среднеквадратичных отклонений распределения концентраций примеси от ее среднего значения по координатным осям.

Чтобы получить концентрацию примеси на уровне земли, возникающую при рассеивании газообразного плоского слоя облака толщиной Δz, распространяющуюся в секторе ее рассеивания, проинтегрируем формулу (3.111) в поперечном направлении. Получаем

Среднеквадратичные значения отклонений распределений концентраций загрязняющих веществ могут быть записаны в виде сумм начальных значений σ0x, σ0y, σ0z этих отклонений по соответствующим осям и приращении

Начальные дисперсии связаны с размерами сформировавшегося выброса и определяют распределение загрязняющей примеси в соответствующих направлениях при небольших удалениях от объемного выброса. На большом удалении от него основной вклад в загрязнение окружающей среды дают приращения дисперсии Δσx, Δσy, Δσz

Отметим, что так как выброс горизонтальными сечениями разбивается на тонкие слои, то выражение для σz может быть записано так:

σz ≈ Δσz

Формула (3.112) для продольной координаты, движущейся со скоростью ветра (соответствующей максимальному значению Сj) приобретает следующий простой вид:

Полная концентрация загрязняющей примеси от объемного выброса найдется интегрированием выражения (3.113) по Z. Получаем:

Здесь Н_1 и Н_2 — нижняя и верхняя высотные координаты выброса.

Формула (3.114) при учете соотношения

(3.113) позволяет оценить приземные распределения концентраций загрязняющих веществ от объемных выбросов сложной формы, осредненные в секторе распространения примесей. Проведем такие оценки для атмосферных выбросов при ликвидациях ракет.

Анализ фотографий подрывов ракет на полигонах Капустин Яр и Сарыозек показывает, что облако продуктов подрыва в первом приближении можно представить в виде комбинации из двух прямоугольных газовых цилиндров (Рис. 3.29) — верхнего, содержащего вещество высотного клуба, и нижнего — «ножки» выброса.

Запишем распределение по высоте выброса массы загрязняющего вещества в нем в виде

где М,Мi — масса газа в выбросе и i-ой примеси в нем; α — доля объема нижней части выброса к общему объему; ω — доля не детонировавшего топлива.

Для сформировавшегося взрывного выброса (при t > 300 с) типичные данные испытательных подрывов массы ТРТ эквивалентной 30 т ВВ дают следующие осредненные значения геометрических характеристик (радиусов по оси х — R0x и по оси у — R0u):

Выражение для наземной концентрации выброса в секторе распространения его вещества запишется в виде суммы слагаемых, ответственных за верхнюю и нижнюю части:

C = CB+ CH , (3.115)

Рис. 3.29. Схема представления сложного источника загрязнений в случае взрыва: 1 — модельный высотный источник; 2 — модель «ножки» выброса; 3 — расчетный сектор распространения примеси.

где

Вводя замену переменных , получаем для интегралов Iн и /B следующие выражения

где  интеграл вероятности, значения которого затубулированы.

Формулы (3.116) и (3.117) при учете значений Iн и Iв принимают следующий окончательный вид:

Расчет концентраций загрязняющих веществ на уровне земли от верхней и нижней частей взрывного клуба при ликвидации ТТР массой около 30 тонн ВВ представлены на графиках Рис. 3.30 и 3.31.

В качестве загрязнителей рассматривался хлористый водород, концентрация которого в твердом топливе принималась равной 16 %. Предполагалось, что все топливо участвует в химических реакциях горения, то есть нет дробления и разноса твердой фазы.

Стандартные отклонения распределений примесей в клубе в направлениях координаты осей аппроксимировались степенными зависимостями [50]:

где n — экспериментальный коэффициент, значения для которого можно взять, например, из работы [163]. В этой работе рассматривались закономерности рассеивания примеси в поперечном и продольном относительно ветра направлениях. В случае наименее мелких частиц со скоростями оседания W< 1 м/с в зависимости от состояния атмосферы получены значения для n в диапазоне 2–5, причем чем легче примесь, тем больше отличие продольной дисперсии от поперечной.

Значения коэффициентов степенных зависимостей приращений дисперсий можно использовать, например, из работы [50], в которой для расстояний Х< 10 км от источника загрязнений рекомендованы следующие интерполяции.

Для нейтральной атмосферы (класс D):

К_1 = 0,15; К_2 = 0,06; α = 0,7; β = 0,92; для неустойчивой атмосферы (класс В):

К_1 = 0,53; К_2= 0,14; α =0,73; β = 0,92; для очень устойчивой атмосферы (класс G):

К_1 = 0,05; К_2= 0,02; α = 0,61; β = 0,92.

Рис. 3.30. Распределение концентраций хлористого водорода в секторе распространение примесей при подрыве 30 т РТР для разных состояний атмосферы.

Для сравнительной оценки максимальных значений концентраций загрязняющих примесей на уровне земли при расчетах эти данные экстраполировались на расстояния, большие 10 км.

Рис. 3.31. Распределение концентрации загрязняющих веществ в секторе распространения примеси при подрыве ракет РСД-10 при неустойчивом состоянии атмосферы (класса «В»): 1 — наземная концентрация от нижней части выброса; 2 — наземная концентрация от верхней части выброса; 3 — суммарное значение наземной концентрации. Начальная масса загрязнений 18 т.

Из графиков Рис. 3.30 следует, что для очень устойчивой атмосферы для одинаковых удалений от источника загрязнения, усредненные в поперечном направлении значения приземных концентраций загрязняющих веществ значительно выше, чем для менее стабильных атмосферных условий. Значения параметра С для классов В и D при X < 10 км отличаются слабо, при X >10 км значения С неустойчивой атмосферы уменьшаются медленнее, чем для нейтральной. Из графиков Рис. 3.31 видно, что наибольший вклад в значения концентраций на уровне земли вносит «ножка» выброса, высотный клуб на удалениях от места взрыва, меньших 8 км дает пренебрежимо малый вклад в суммарное значение С. Наибольший его вклад в суммарную концентрацию происходит в диапазоне значений X > 15 км.

На рис. 3.32 приводится сравнение расчетов распределения концентрации хлористого водорода в секторе его распространения с продуктами подрыва при ликвидации связки трех ракет РСД-10 с экспериментальными данными. Эксперименты проводились 22 марта 1988 г. сотрудниками ИПГ, ИБФ и НПО «Тайфун». В день подрыва скорость ветра в 3-х километровом приземном воздушном слое менялась от 5 до 14 м/с, направление ветра — от 80 до 152 градусов, температура от 4,4 до 9,1 — градуса.

По классификации Пасквилла-Тернера при высоте солнца (35–60) град, и умеренной инсоляции, которые наблюдались в эксперименте, состояние атмосферы может быть охарактеризовано как слегка устойчивое (класс «С»). Мы не располагаем значениями коэффициентов K_1, К_2, α и β для этой категории устойчивости, поэтому воспользовались данными для близких к нему значений устойчивости. Расчеты, выполненные для устойчивых (кривая 2 на рис. 5.11) и нейтральных (кривая 1 на том же рисунке) условий показывают, что реальное значение концентраций загрязняющей примеси находится в «коридоре» между этими кривыми.

Отметим, что учет особенностей формирования вторичного атмосферного источника позволяет уточнить предварительный прогноз радиационной или химической обстановки при некоторых аномальных метеорологических условиях, отличных от неблагоприятных, принятых в методиках типа [74]. Так, если авария произошла в условиях штиля, нередко сопровождаемого инверсией температуры, то конфигурация вторичного атмосферного источника может быть описана в виде полусферы с гауссовским распределением равновесных концентраций загрязняющей примеси по координатным осям. Причем интеграл всей радиоактивности по объему вторичного источника будет зависеть от периода накопления и особенностей изотопного состава радионуклидов в выбросе (от периода полураспада и преобразований в радиоактивных цепочках) — при выбросе из ядерного объекта или от временных характеристик разложения токсикантов для объекта химического.

При разрушении атмосферной инверсии температуры и появлении ветра вся накопленная активная масса полютанта будет распространяться и рассеиваться в направлении ветра в соответствии с параметрами устойчивости атмосферы по траектории движения загрязненных воздушных масс.

Следует иметь в виду, что замена реальных выбросов на некоторые эквивалентные может привести к появлению некоторых ошибок. Например, не вполне корректно продолжительный выброс превращать в эквивалентный кратковременный, при котором не учитывается разбавление примеси вследствие изменения направления ветра за время протекания аварии. Для корректного решения задачи с учетом сложной конфигурации вторичного атмосферного источника последний разбивается на совокупность одиночных «простых» — объемных или площадных источников с заданной интенсивностью выброса. Это позволяет провести расчет суммарного поля концентраций от скомбинированного таким образом вторичного атмосферного источника по существующим методикам, заменив его суперпозицией одиночных источников.

Рис. 3.31. Распределение концентраций хлористого водорода в секторе распространения примесей при подрыве 3-х ракет РСД-10, 1,2 — расчет, 0 — экспериментальные данные при ликвидации 22.03.1988 г. в слабоустойчивой атмосфере.

В случае, когда облако, образовавшееся при кратковременном выбросе, перемещается по траектории движения воздушных масс, переходя из зоны одной категории устойчивости атмосферы в другую, представляется возможным использование следующего методического приема. Сечение поля концентраций облака, полученное при одних метеоусловиях, трансформируется во вторичный атмосферный источник с разбиением на единичные источники. Расчет концентраций от совокупности выбросов этих источников производится уже при других метеоусловиях (например, по методике МАГАТЭ [81]).

Глава IV

Примеры построения математических моделей опасных атмосферных явлений

Математическое моделирование физических характеристик атмосферных образований при аварийных ситуациях разной природы и с рабочими телами разных видов является составной частью более общей проблематики математического моделирования в экологии, развитие которой в последние годы получило мощный импульс [18–23]. Эта отрасль знаний — достаточно обширная область исследования и по выбору объектов моделирования, и по набору методов, и по спектру решаемых задач. Предлагаемые читателю в этом разделе примеры построения математических моделей атмосферных выбросов не претендуют на охват всех аспектов моделирования поставленной проблемы. Они обращают внимание на наиболее продуктивный и перспективный, по нашему мнению, метод — моделирование с помощью дифференциальных уравнений.

Этот метод, как и любой другой, безусловно, обладает своими достоинствами и недостатками. В частности, дифференциальные или разностные уравнения позволяют описывать динамику процессов в режиме реального времени, тогда как вариационные методы, как правило, предсказывают лишь конечное стационарное состояние системы или сообщества. Но на пути имитаций физических процессов с помощью уравнений возникают трудности как принципиального, так и технического характера.

Принципиальная трудность состоит в том, что не существует систематических правил вывода самих уравнений. Процедуры их составления основываются на полуэмпирических закономерностях, правдоподобных рассуждениях, аналогиях и искусстве составителя модели. Технические трудности связаны с высокой размерностью задач по моделированию сообществ. Для существенно многовидовых сообществ, потребляющих многочисленные ресурсы, требуется подбор сотен коэффициентов и анализ систем из десятков уравнений. При работе с системами из десятков и более дифференциальных уравнений оказывается, что проследить причинные связи для отладки, исключения ошибок и интерпретаций результатов в системе уравнений также сложно, как и в реальной экосистеме. В конце концов, оказывается, что исследователь не может быть уверенным, чему он обязан полученными результатами: реальному положению вещей, ошибкам в исходных данных, недочетам алгоритма или еще чему-либо. Модели, основанные на экстремальных принципах, как правило, преодолевают тупиковую ситуацию размерности, но сохраняют произвол в выборе самих исходных принципов [173].

В общем случае важнейшими этапами аналитического моделирования является формирование концепции модели и составление уравнений, описывающих поведение системы; при этом происходит упрощение реальности, которое, однако, не должно влиять на наиболее существенные свойства реальной системы. Затем идет параметризация, т. е. определение количественных значений параметров. Осуществление этой задачи возможно тремя способами:

— получением предварительных оценок значений параметров на основе наблюдений;

— нахождением комбинаций параметров, отвечающих моделируемой ситуации, базирующимся на методах оптимизации параметров;

— оценкой роли параметров модели с помощью анализа чувствительности, целью которого является определение того, как модель реагирует на изменение значений параметров и, как следствие, того, насколько правильно оценены параметры.

Следующий шаг аналитического моделирования — имитация, т. е. получение с помощью ЭВМ решения модельных уравнений при фиксированных значениях параметров и начальных условиях. И, наконец, испытание модели или, другими словами, ее верификация — сравнение ее выходных параметров с выходными данными системы.

Различают два способа испытания: проверка самой модели, состоящая в качественном или количественном сравнение данных, полученных в результате моделирования, с действительными значениями и проверка значимости модели — проведение экспериментов для изучения поведения модели и системы с целью обнаружения их сходства, а также для сравнения тенденций поведения модели и системы. Выделяется также адаптивное моделирование, при котором происходит автоматическая адаптация модели к системе с помощью ЭВМ.

Ниже в качестве примеров построения математических моделей атмосферных выбросов приводятся некоторые наиболее простые и достаточно эффективные разработки. Они на сегодняшний день получили всеобщее признание, и на их основе, очевидно, могут успешно разрабатываться многочисленные вариации конкретных нештатных ситуаций и опасных аварийных явлений.

4.1. Струи

Выбросы химических и радиоактивных веществ в виде струй являются наиболее распространенными источниками загрязнений природной среды. Такие выбросы возникают практически на любом промышленном предприятии или заводе, при работе транспорта и в быту. Широко распространенными являются аварийные струйные выбросы. Знание газодинамических, геометрических и концентрационных характеристик струй является необходимым условием для составления правильного прогноза возможного загрязнения окружающей среды при их истечении.

Поведение струи газа, истекающей в спокойную среду или спутный поток, изучалось в течение длительного времени, в результате чего были созданы разнообразные методы расчета газодинамических параметров струйных течений. Отличия в условиях истечения струй, а также в параметрах среды, в которых они реализуются, приводит к тому, что разработать единую математическую модель, охватывающую все встречающиеся на практике случаи, крайне затруднительно. Как правило, математические модели и инженерные методы расчета охватывают сравнительно узкие классы струйных течений, при этом в них широко используются эмпирические зависимости. Применение эмпирических соотношений позволяет получить хорошее согласие между расчетными и экспериментальными значениями, однако их обобщение на другие типы струйных течений затруднительно или вообще невозможно.

Наиболее многочисленную группу математических моделей и инженерных методов расчета составляют работы, связанные с осесимметричными газовыми струями в спокойной среде или спутном газовом потоке. Среди этих работ следует выделить монографии Г.Н. Абрамовича [91, 92], Вулиса А.С. [93, 94], Голубева В.А. [95], Шетца Дж. [97] и Гиневского А.С. [99].

Изучению затопленых струй посвящено большое количество работ [95–99]. Однако они, как правило, используют не всегда корректно полученные уравнения относительно одного или двух макроскопических параметров среды (например, массы примеси и (или) количества движения). Кроме того, их авторы в большинстве исследований ограничиваются рассмотрением течений в лабораторных условиях и не учитывают изменений макроскопических характеристик среды с высотой. Как показывает опыт, неучет реальных метеоусловий может привести к существенным ошибкам в вычислении динамических, тепловых и геометрических характеристик струи.

Целесообразно уравнения изменения основных характеристик установившегося струйного потока усреднять по его поперечному сечению с учетом уравнения статики атмосферы. При этом используется эйлеров подход рассмотрения поточных характеристик газа втекающего и вытекающего из газового объема, ограниченного контрольными сечениями, отстоящими на некотором расстоянии А/ друг от друга. Устремляя А/ к нулю, приходим к дифференциальным уравнениям, которые легко решаются при помощи ЭВМ [8, 73].

Задание равномерного по сечению струи распределения газодинамических характеристик позволяет, не теряя строгости рассмотрения, упростить задачу и свести ее к квазиодномерной. Турбулентное расширение газа струи учитывается интегрально введением понятия вовлечения окружающей среды. В результате такого рассмотрения получаются дифференциальные уравнения для определения скорости газа струи V, угла наклона оси струи к горизонту α, концентрации i — ой примеси Сi, статической энтальпии единицы массы газа h.

Они имеют следующий вид:

Эти уравнения замыкаются соотношением для вовлечения Е [96]

уравнением статики атмосферы

связывающим статическое давление атмосферного воздуха Р∞ с углом наклона α и продольной координатой l струйного течения, а также уравнением состояния газа

4.2. Клубы

Клубы являются одними из наиболее распространенных аварийных выбросов, возникающих при авариях взрывного характера. Клубом называется изолированный объем сплошной среды (газа или жидкости), сильно турбулизованной и имеющей характерные геометрические размеры (ширина, высота, длина) одного порядка. Из-за турбулентного характера движения среды внутри клуба его массовые, термодинамические и концентрационные характеристики могут считаться однородными по объему.

Для вывода уравнений, позволяющих получить газодинамические, геометрические и концентрационные характеристики клуба, движущегося в атмосфере, исходят из записи соотношений баланса массы, количества движения и энергии ограниченного объема в близкие моменты времени t_1 и t_2 [4, 33, 47, 73]. Уменьшая промежуток Δt = t_2 — t_1, приходят к дифференциальным уравнениям для усреднённых по объему выброса величин: концентрации i-ой примеси, плотности газа, скорости центра масс выброса, температуры его вещества, а также для геометрических величин: угла наклона вектора скорости центра масс выброса к горизонту и его объема.

Например, уравнение баланса массы клуба записывается так:

М_2=М1+М∞, (4.8)

где М = р· ϑ — масса клуба; М∞= Е Sδ Δt — вовлекаемая в клуб масса воздуха; р, ϑ — плотность газа выброса и его объем; Sδ — боковая поверхность выброса (поверхность вовлечения); Е — вовлечение,

ς, — коэффициент вовлечения, определяемый из эксперимента; V, V∞ — скорость клуба и скорость ветра; α — угол наклона вектора скорости выброса к горизонту; индексы «1», «2», «∞» относятся к моментам времени «1», «2», и к условиям окружающей среды соответственно.

Размерность Е — кг/(м^2.с). Напомним, что овлечение — это масса газа окружающей выброс среды, вовлекаемая в него через единицу поверхности в единицу времени.

Из уравнения (4.8) следует, что масса выброса М_2 в момент времени t_2 складывается из массы выброса М_1 в предыдущий момент времени t_1, а также вовлеченной массы М.

В конечноразностном виде (5.8) имеет следующий вид:

Следует отметить, что клуб в сносящем ветровом потоке совершает сложное движение. Вовлекаемая в выброс масса окружающего воздуха передает ему количество движения, архимедова выталкивающая сила приводит к его всплытию.

Для плоского движения выброса уравнения силового баланса вдоль осей z их записываются так:

После раскрытия дифференциалов в левых частях этих уравнений приходим к соотношениям относительно параметров V и а. Они записываются так:

Уравнение сохранения концентрации химически активной примеси выводится по аналогии с уравнением сохранения массы. Баланс массы / — ой примеси выброса записывается так:

— массовая концентрация i— ой примеси; pi,wi — ее плотность и результирующая скорость образования i — го компонента в результате химических реакций;

массовая концентрация i — ой примеси в окружающем пространстве.

Соотношение (4.14) после деления на Δt и устремления Δt → 0 в дифференциальной форме принимает такой вид:

или, раскрывая дифференциал в левой части и воспользовавшись соотношением (4.9), получаем в окончательном виде уравнение для нахождения массовой концентрации i — ой примеси в химически реагирующем выбросе:

Энергия клуба изменяется за счет вовлечения воздуха окружающей среды, имеющего другую энергию, за счет изменения его высоты, а также за счет протекания химических реакций внутри его объема. Баланс энергии за интервал времени At записывается так:

(MΣ)2 (MΣ)1 + ESδΣ∞Δt + wi qx Δt. (4.16)

В этом соотношении: Е и Н — полная энергия и полная энтальпия единицы массы газа;

Сρ, Т — теплоемкость газа выброса при постоянном давлении и его температура; z — геометрическая высота выброса; g — ускорение силы тяжести; J — механический эквивалент тепловой энергии; qx — теплота химических реакций внутри выброса.

В результате вовлечения окружающего воздуха в клуб будет поступать энергия, содержащаяся в наружном воздухе, удельное значение которой записывается так:

где  полная энтальпия единицы массы окружающей среды.

Соотношение (4.16) в дифференциальном виде запишется так:

или после раскрывания дифференциала в левой части и использования соотношения (4.9)

Подставив в (4.17) вместо Σ, Е и Sδ их значения, можно получить соотношение для нахождения температуры вещества клуба. Оно имеет следующий вид:

Дифференциальные уравнения (4.12), (4.13), (4.15), (4.18) дополняются соотношениями для нахождения молекулярного веса, теплоемкости и плотности газовой смеси выброса, а также уравнением состояния газа в виде

Необходимо отметить, что движение клуба в атмосфере является изобарическим. Это означает, что в любой момент времени и на каждой высоте его подъема давление газа внутри выброса в точности равно давлению окружающей среды на этой высоте, т. е. Р = Р∞. (4.19)

При использовании (4.19) приходим к соотношению связи плотности вещества клуба с его температурой. Оно записывается так:

4.3. Термики

Термики, в отличие от клубов, характеризуются упорядоченным круговым движением вещества относительно направления их движения. Они имеют грибовидную форму с затупленным по полусфере куполом [101] и порождаются в естественных условиях атмосферной конвекцией. Плотность вещества термика меньше плотности окружающей атмосферы, а эффекты турбулентности доминируют над эффектами вязкости.

Первоначально термик представляет собой компактный объем газа или жидкости, плотность которого отличается от плотности невозмущенной среды. Под действием сил плавучести этот объем приходит в движение, и при его обтекании воздухом возникает кольцевой вихрь. Вовлекающийся воздух из области встречного направления распределяется по боковой поверхности вихря и частично входит в него даже в тыловой области.

Следует отметить, что тороидальное вихревое движение термика отличается как от ламинарного вихревого кольца, так и от полностью турбулизованного клуба, являясь некоторым промежуточным между ними образованием. Это объясняется тем, что окружающий воздух, пришедший через близкую к оси термина область, вначале участвует в ламинарном круговом движении, а затем в области вершины термина турбулизуется, смешиваясь с фронтальным вовлекающимся потоком. Таким образом, тыловая часть термина участвует в ламинарном движении, а фронтальная в турбулентном (см. Рис. 4.1).

Возникает конус [101], вершиной которого является воображаемое «начало» термина, а половинный угол при вершине -12°. Окружающий воздух в конусе от 12° до 15° при вершине захватывается тыловой частью термина. Частицы окружающей среды вне этих конусов термином не захватываются. Отметим, что углы этих конусов меняются в зависимости от угла расширения самого термина, который может изменяться от 8° до 26°. Фактически этот диапазон углов расширения термина соответствует степени турбулизации окружающей среды.

Окружающая термин среда является безвихревой. Причем при его движении отсутствует след, возникающий всегда за твердым телом, то есть трение на поверхности движущегося объема газа отсутствует.

Циркуляция  по внешнему контуру термина постоянна при его движении [102]. В этом выражении: V — вектор скорости кругового движения; d s — вектор перемещения по замкнутому контуру.

Отметим, что образования типа терминов возникают при интенсивном «мгновенном» введении вещества иной плотности в среду. Если процесс инжекции затягивается, то турбулизация доминирует над вихреобразованием и возникает клуб — сильно перемешанный компактный объем с практически однородным распределением макроскопических характеристик.

Рис. 4.1. Структура течений среды вне и внутри термина: х — точки торможения; Н— стоки.

Источниками антропогенных терминов являются «мгновенные» взрывы, например, взрывы ядерных зарядов, конденсированных ВВ, взрывоопасных газов, перегретых жидкостей, емкостей с детонационноспособными веществами. Клубы появляются при взрывах слабодетонирующих веществ, когда процесс освобождения внутренней энергии ВВ замедляется.

Массовый характер термиков в форме всплывающих объемов нагретого воздуха проявляется жарким днем над черной пашней. Невидимые в приземном атмосферном слое термики визуализируются в компактные облачка на высоте конденсации паров воды, входящей в их состав (смотри фото). При дальнейшем всплытии эти объемы сливаются, превращаясь в облачные структуры.

Всплывание изолированных объемов газа с дефицитом плотности и их трансформация в вихревые кольца и термики достаточно хорошо изучены [47, 9-15, 30–33, 40].

В качестве математической модели явления в большинстве работ используется полная система нестационарных уравнений Навье-Стокса для сжимаемого теплопроводного газа в цилиндрических координатах r,z [38,47,120] (в отсутствие ветра движение осесимметрично). Газ предполагается совершенным, с уравнением состояния р=АрТ, атмосфера — барометрической (атмосферное давление ра (г) экспоненциально убывает с высотой, а температура Та постоянна).

Краевая задача формулируется [47] так. В цилиндрической расчетной области V(t) ={0≤ r ≤ f (t),0≤ z ≤φ(t)} с подвижными правой f(t) и верхней φ(t) границами при t>0 требуется найти решение исходной системы дифференциальных уравнений, удовлетворяющее граничным и начальным условиям:

Здесь:

R_0 — радиус термина, a T_1 — температура в его центре при t = 0, остальные обозначения — общепринятые.

Отметим, что кроме условия «прилипания» (и = 0) на подстилающей поверхности z = 0 используется также условие «проскальзывания» -.

Подвижные границы располагают достаточно далеко от термина и перемещают так, чтобы значения газодинамических величин на них можно было считать равными соответствующим параметрам невозмущенной атмосферы.

Вводятся характерные масштабы задачи: пространственный — диаметр термина L = 2R_0, скоростной — конвективная скорость , временной . Температура и плотность нормируются на соответствующие значения атмосферного воздуха у поверхности земли:

То = Та(0); Р_0 = Ра (0); р_0=Ар_0Т_0.

В результате обезразмеривания возникают следующие определяющие параметры задачи:

Преобразованная система дифференциальных уравнений аппроксимируется с помощью разностных схем и решается на ЭВМ.

Анализ результатов расчетов показал, что процесс подъема термиков, как изолированных, так и приповерхностных (после отрыва от плоскости), условно можно разбить на четыре этапа.

Первый этап — разгон с практически постоянным ускорением; второй этап — приблизительно движение с постоянной скоростью; третий этап — подъем в автомодельном режиме (Аг = (А^)12); четвертый этап — размывание термика за счет диссипации до достижения им положения равновесия (зависание и колебание около положения равновесия с постепенным диффузионным «рассасыванием»).

Максимальная приземная скорость, вычисленная по формуле работы [120], для крупномасштабных полусферических термиков

составляет ≈ 20 м/с, а время отсекания его от поверхности ~2 ÷ 3 с. Скорость подъема термика, складывающаяся из составляющей сил Архимеда и составляющей собственного вихря, для техногенных термиков не превосходит нескольких десятков метров в секунду.

4.4. Тепловые колонки

При больших открытых пожарах в атмосфере возникают крупномасштабные конвективные движения, способствующие переносу газоаэрозольных продуктов горения и дымления на значительные расстояния. Такие атмосферные образования называют конвективными колонками [17, 27–33]. Конвективные колонки приводят к загрязнению верхних слоев атмосферы большим количеством мелкодисперсного оптически активного аэрозоля и могут вызвать как региональные погодные, так и глобальные климатические изменения. При образовании конвективной колонки над большим площадным пожаром происходит формирование вертикального переноса аэрозолей в верхние слои тропосферы и нижнюю стратосферу.

Распространение продуктов горения от крупных пожаров с помощью метеорологических моделей дождевых облаков исследовалось в [27, 28], в приближении Буссинеска в [29, 30]; с использованием уравнений Навье-Стокса для сжимаемого газа с постоянными эффективными коэффициентами турбулентного переноса — в [31]. Формирование конвективной колонки над пожарами исследовалось в [32], струи метеотрона — в [33].

Представим математическую модель конвективной колонки на основе работы [17], в которой численно исследуется динамика формирования осесимметричной колонки продуктов горения с учетом фазовых переходов, обусловленных наличием влаги в атмосфере.

Очаг пожара моделируется объемным источником тепла Ql (Вт/м^3) и массы мелкодисперсного инертного аэрозоля Sc (кг/с/м^3) с заданным законом их изменения во времени. Предполагается, что величины Qt и Sc постоянны внутри цилиндрической зоны тепловыделения с радиусом R_0 и высотой h и равны нулю вне этой зоны. При рассмотрении развития турбулентных конвективных движений вязкого сжимаемого и теплопроводного газа над очагом пожара в неподвижной влажной стратифицированной атмосфере учитывается, что влажный воздух, вовлекаемый конвекцией, в процессе подъема и расширения охлаждается. При достижении условий насыщения водяной пар конденсируется с выделением тепла. Для учета теплоты парообразования в центрах конденсации вводят дополнительные объемные источники тепла [34]:

где L — удельная скрытая теплота конденсации; р — плотность смеси сухого воздуха, пара, сконденсированной влаги и дымового аэрозоля; Fl — удельное содержание сконденсированной влаги, определяемое как разница между удельной влажностью F и насыщающей влажностью Fm; t — время.

Плотность паровоздушной смеси записывается в виде [33]:

р = рв(1–0,608 F + F_1 + с),

где с — удельная концентрация дымового аэрозоля.

Плотность сухого воздуха рв удовлетворяет уравнению состояния

где Р — давление, Т — температура, R — газовая постоянная для воздуха.

Удельная влажность Fm, при которой водяной пар в воздухе достигает насыщения, определяется из уравнения:

где

Em(T) — парциальное давление насыщенного водяного пара (Н/м^2), определяемое по формуле Магнуса [34]:

Em(T) = 610 ехр α(Т),

а(Т) =17,27(Т — 273,16)/(T — 35,86).

Формирование и подъем конвективной колонки дымового аэрозоля рассматривается в рамках односкоростной и однотемпературной модели дисперсной среды, применение которой правомерно, так как размеры дисперсных частиц (дым, пар, капли) намного превышают характерные молекулярно-кинетические пробеги, а время их скоростной и температурной релаксации значительно меньше времени развития конвективных движений. Кроме того предполагается малое объемное содержание дисперсной фазы, не учитываются эффекты столкновения частиц, коагуляция, образование дождевых капель и их выпадение.

Начало цилиндрической системы координат г, z выбирается в центре пожара на поверхности земли. Тогда система уравнений Навье-Стокса, определяющая развитие конвективных движений среды при пожаре, имеет следующий вид:

В этих соотношениях: u, V — радиальная и вертикальная составляющая скорости; Cv — теплоемкость газа при постоянном объеме; g — ускорение свободного падения; μ, λ — коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности.

Распространение мелкодисперсного дымового аэрозоля, перенос пара и влаги в виде капель описывается уравнениями турбулентной диффузии

В этих соотношениях: μе, μt — коэффициенты ламинарной и турбулентной вязкости; l — длина пути перемешивания; К — эмпирическая константа.

Эффективные коэффициенты переноса предполагаются связанными соотношением

числа Рейнольдса и Шмидта равны Re=Sc.

Здесь: Сp = γ · Cv; γ — показатель адиабаты.

Начальное состояние атмосферы до пожара считается невозмущенным, т. е. при t = 0:

u = V = 0; T=Ta(z);p=pa(z);F = Fa(z);F_1 = C = 0.

Распределение метеопараметров по высоте определялось в соответствии с моделью международной стандартной атмосферы и уравнением гидростатического равновесия [34]:

В этих соотношениях: pa(z) — плотность невозмущенной атмосферы; Нт — высота тропопаузы (10 ÷16 км); F_0 — значение удельной влажности у поверхности земли;

а_0 = 0,42 ч-0,84 км^1.

Пограничные условия на оси течения записываются в соответствии с симметричностью течения, поверхность земли считается адиабатичной и непроницаемой:

при r=0:

На внешних границах расчетной области принимались условия отсутствия градиентов скоростей и давлений; для входящего в область колонки потока считалось, что Т = Ta(z), F = Fa(z), F_1 = С = 0; для выходящего потока — градиенты температуры, удельной влажности и концентрации брались нулевыми.

Численное решение изложенной модели показало, что в процессе развития в атмосфере конвективная колонка проходит несколько стадий: формирование, подъем и зависание.

На Рис. 4.2 представлена рассчитанная картина процесса формирования дымового облака над пожаром в последовательные моменты времени (показаны изолинии 4-х различных концентраций аэрозоля: сх, с_2, с_3, с_4).

На начальной стадии формирования колонки (t < 1000 с) движение влажного воздуха происходит без фазовых превращений. На границе пожара возникает интенсивный тороидальный вихрь, способствующий более быстрому подъему аэрозольных частиц по периметру очага горения (Рис. 4.2а).

Рис. 4.2. Динамика формирования облака аэрозольных частиц над пожаром: R = 5 км; qm = 5 10^4 Вт/м^2 в моменты времени: а) 900 с; б) 1800 с; в) 2700 с.

В дальнейшем по мере увеличения мощности тепловыделения формируется устойчивый, направленный к центру пожара поток газа. Окружающий зону пожара воздух втекает в нее, нагревается и вместе с продуктами горения поднимается вверх, образуя вертикально направленный поток — тепловую колонку. Поднимающийся в восходящей струе влажный воздух достигает уровня конденсации (на высотах > 3 км), что приводит к дополнительному подъему аэрозолей (рис. 4.26).

Тороидальный вихрь, образовавшийся при малых временах на периферии пожара, под действием сил плавучести поднимается, формируя характерную грибовидную форму (рис. 4.2в) — стадия зависания колонки.

Расчеты показали, что при мощности пожара qm = 5-10^4 Вт/м^2 наибольшая вертикальная скорость потока (43 м/с) наблюдается на оси симметрии, при этом максимальная величина радиальной скорости у границ очага горения не превышает 17 м/с. Вовлечение холодного воздуха в восходящую струю наблюдается до высоты «4 км. На высотах от 7 до 11 км образуется зона зависания, в которой дымовой аэрозоль и вовлеченный в струю воздух растекаются в горизонтальном направлении от оси симметрии течения. Через 1 час дымовое облако растекается на площади 700 км^2, что почти на порядок больше площади очага горения.

Вода, выделяющаяся при конденсации влажного воздуха, в виде дождевых капель, снега и льда может выпасть в виде осадков.

Полученные результаты показывают, что динамика формирования конвективной колонки, высота подъема аэрозоля и характер его распределения в выбросе зависят не только от мощности пожара, но и от влажности атмосферы. Фазовые переходы, вызванные присутствием влаги в атмосфере, существенно влияют на характеристики подъема, зависания и выноса аэрозоля в атмосферу, а также процессы вымывания осадками частиц аэрозоля. В связи с этим при анализе пространственно-временной картины формирования тепловой колонки при пожарах необходим учет влажности и устойчивости атмосферы, а также уровня тропопаузы.

4.5. Дымления, испарения, туманы

Выбросы, возникающие при испарениях жидкостей и дымлениях твердых горючих тел, являются важными поставщиками токсичных веществ в атмосферу. Эти процессы объединяет то, что носителями загрязнений являются мельчайшие твердые или жидкие частицы, строго следующие движениям воздуха. Скорость поступления таких частиц в атмосферу определяется молекулярными эффектами, а скорость переноса — турбулентными характеристиками потока.

Вследствие своей малости и быстрого разбавления воздухом частицы испаряющейся жидкости или дыма практически не влияют на газодинамику выброса и фактически являются пассивной субстанцией. Поэтому уравнения, описывающие выбросы дымления и испарительный выброс, имеют одинаковый вид.

При построении математических моделей движения атмосферных объемов, включающих в себя мельчайшие твердые или жидкие частицы, вводится предположение [121] о том, что их наличие не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на характер такого движения. Иными словами, предполагается, что примесь капель жидкости или аэрозольных дымовых частиц в воздухе является консервативной и химически пассивной.

Что касается дымовых аэрозолей, то такое предположение является весьма оправданным и подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Водяной пар в воздухе при отсутствии фазовых переходов является [121, 129, 130] консервативной скалярной примесью.

Как известно [121], любая консервативная субстанция, смешивающаяся с движущейся жидкостью, переносится относительно системы координат, связанной со средним ее движением, путем турбулентного и молекулярного обмена. Общий поток массы выражается в виде

В соответствии с законом Фика

где kv — коэффициент молекулярной диффузии рассматриваемой физической субстанции (водяного пара или дыма) в воздухе; pv — ее плотность.

Уравнение сохранения консервативной пассивной примеси в предположении постоянства pv и kv по пространству имеет вид [121]

где q — концентрация примеси.

Отметим, что это уравнение имеет весьма общий вид, и им можно пользоваться для определения изменения любой консервативной и пассивной примеси или любого свойства воздуха, заменив q на концентрацию, выраженную отношением массы примеси к единичному объему общей массы воздуха и понимая под ки коэффициент молекулярной диффузии этой примеси.

Записанное выше уравнение диффузии можно решить, выбрав подходящие граничные условия и зная распределение поля скорости. Граничные условия задаются трех типов, а именно на поверхности z = 0 задается либо значение q, либо поток рассматриваемой примеси, либо поток примеси выражается через другие компоненты теплового баланса.

К сожалению, уравнение (4.26) не находит непосредственного применения в практических задачах, так как реальные потоки имеют турбулентный характер. Это означает, что в действительности невозможно определить скорость переноса и концентрации примесей в любой заданной точке пространства и времени, а можно найти только их статистические характеристики.

Для этого рассматривают осредненные величины, и в соответствии с общепринятым подходом, предложенным Рейнольдсом, зависимые переменные представляют в виде сумм не возмущенных величин и возмущений:

Применяя затем обычный метод осреднения по времени с соответствующим периодом осреднения и используя уравнение неразрывности, из уравнения (4.26) получается соотношение для нахождения

Члены в левой части этого уравнения представляют скорость изменения средней массовой доли вещества примеси, перемещающейся с осредненной скоростью движения воздуха. Ковариации пульсаций в правой части уравнения можно назвать турбулентными потоками по аналогии с напряжениями Рейнольдса. Они являются компонентами диффузионного потока, обусловленного турбулентным движением. Последний член представляет перенос средней субстанции за счет молекулярной диффузии.

Это уравнение должно быть дополнено уравнениями неразрывности, количества движения и энергии в терминах средней скорости движения несжимаемой жидкости. Вид этих уравнений для пассивных и консервативных примесей общепринятый и поэтому здесь не приводится.

Записанные таким образом уравнения сохранения имеют незамкнутый вид, и поэтому их решение представляет большую проблему. Уравнения для моментов низших порядков (для осредненных величин) содержат потоки, обусловленные пульсациями метеорологических элементов и содержат моменты более высокого порядка. Таким образом, любой конечный набор уравнений для моментов турбулентных флуктуаций всегда включает больше неизвестных, чем число уравнений. Это известная проблема замыкания присуща уравнениям турбулентного движения, основанным на приближениях Рейнольдса. Она является результатом нелинейности исходных уравнений гидродинамики.

Упрощение этой проблемы достигается несколькими подходами. Во-первых, путем выделения в атмосфере вблизи подстилающей поверхности особого пограничного слоя, в котором вертикальные градиенты значительно больше горизонтальных. Во-вторых, путем использования принципов подобия и полуэмпирической теории турбулентности, выражая моменты второго и более высоких порядков через осредненные переменные и моменты более низких порядков.

В качестве примера использования инженерного подхода для решения задачи распространения консервативных пассивных примесей в атмосфере приведем математическую модель атмосферной диффузии примеси при тумане. Расчет распространения примеси от источников при тумане основывается на решении уравнения турбулентной диффузии, записанном в виде [129]:

Здесь u — скорость ветра; q — концентрация примеси; Ку — горизонтальная составляющая коэффициента обмена; а' — показатель степени поглощения примеси водяными каплями (вне тумана а' — 0).

Начальным условием при х=0 принимается наличие источника на некотором уровне z = Нmр при у = 0 и в качестве граничных условий, как обычно, убывание q до нуля при неограниченном удалении от источника и отсутствие потока примеси на подстилающей поверхности, т. е. при z = 0:

Способ определения а' рассмотрен в работе [122]. Для расчета концентрации примеси q необходимо знать распределение водности в тумане и высоту тумана. Решение приводится в работе [122]. Из анализа решения следует, что поглощение примеси, содержащейся в газообразном виде в атмосфере, происходит в основном в верхнем слое тумана; вблизи земли ее концентрация близка к нулю. Причем на расстояниях х > 0,5 км от источника практически вся газообразная примесь в тумане растворена в каплях.

4.6. Взрывной разлет твердых и жидких частиц

Жидкие и твердофазные выбросы являются важной загрязняющей компонентой при авариях на промышленных объектах. Сносящий ветровой поток приводит к переносу частиц на большие удаления от места аварии и загрязнению обширных ареалов.

Исследованию процессов разлета частиц и фрагментов взрываемых объектов разного размера, а также изучению загрязнения атмосферного воздуха и поверхности земли твердофазными и жидкими продуктами взрыва посвящено большое количество работ [71–72,74-85], основная часть которых описывает возникновение и разлет частиц и осколков при взрывах емкостей, снаряженных газами и конденсированными твердыми топливами.

Авторы большинства работ ограничиваются рассмотрением движения массивных тел по баллистическим траекториям в пренебрежении воздействия ветра. Согласно упрощенному анализу [74] движение тела предполагается в одной плоскости, причем допускается, что оно может вращаться вокруг продольной оси, что придает осколку необходимую устойчивость и позволяет считать, что тело не сносится ветром.

В действительности фрагменты разрушенного объекта, жидкие и твердые частицы при их взрывном разлете в ветровом потоке заметно отклоняются от первоначальной плоскости. Причем эти отклонения тем больше, чем мельче частицы. Пространственный характер движения частиц при наличии возмущающего воздействия внешних сил может быть учтен в предположении независимости их движения в горизонтальной плоскости и в плоскости разлета [87,76].

Запишем соотношения, позволяющие сравнительно просто определять динамические и траекторные характеристики жидкой или твердой частицы, а также фрагмента изделия или куска грунта, вылетающего из взрывного очага и продолжающего движение по баллистической траектории при наличии ветра. На частицы, движущиеся после взрыва в атмосфере по инерции, действуют сила полного аэродинамического сопротивления и сила тяжести.

При известной системе внешних сил Ft, действующих на объект, векторное уравнение движения его центра масс записывается в виде [62,76,70,87]:

Как показано в работе [70], абсолютное ускорение в левой части этого уравнения определяется относительным (в лабораторной системе координат) ускорением , а переносным и кориолисовым ускорениями можно пренебречь. Если землю считать неподвижной, то скорость взрывного разлета частиц является практически абсолютной их скоростью.

Отметим, что в систему уравнений для описания пространственного движения частицы при ее взрывном разлете кроме проекций уравнения движения (4.28) на координатные оси в лабораторной (стартовой) системе координат должны входить уравнения для нахождения ее координат. Такими уравнениями являются кинематические соотношения, устанавливающие зависимости проекций  на оси лабораторной системы координат от величины этой скорости и углов в вертикальной α и горизонтальной θ плоскостях. Соотношения, связывающие пространственные координаты частицы x,y,z с ее скоростью записываются так

Эти соотношения дополняют систему скалярных уравнений движения центра масс частицы:

где X,Υ,Z — проекции вектора полной (с учетом соответствующих составляющих скорости ветра) аэродинамической силы на координатные оси; g — ускорение силы тяжести.

В окончательном виде дифференциальные уравнения движения частицы, вылетающей из взрывного очага в сносящий ветровой поток, имеют следующий вид [62,73]:

Здесь Ve — скорость ветра; pe — плотность воздуха; S — площадь миделева сечения частицы; Сх — коэффициент аэродинамического ее сопротивления, зависящий от режима движения в атмосфере.

Системы уравнений (4.29) и (4.30) позволяют сложное пространственное движение центра масс частицы, движущейся после вылета из очага взрыва в ветровом потоке, представить в виде суперпозиции двух простых: продольного (в плоскости разлета) и бокового (в плоскости горизонта). При этом продольное движение оказывается независящим от бокового.

4.7. Ветровой перенос пыли

После аварий на крупных химических и радиационных объектах в окружающую среду может попасть огромное количество загрязняющих веществ в виде частиц в широком диапазоне размеров — от грубодисперсных частиц до мелкодисперсных аэрозолей. Их ветровой перенос приводит к загрязнению больших ареалов радиоактивной или химически активной пылью.

Несмотря на то, что пыль, связанная с деятельностью человека, стала выступать в качестве загрязняющего фактора достаточно давно, систематическое изучение этой проблемы находится еще в начальной стадии [63,64]. Причиной такого положения является, по нашему мнению, как недооценка пыли как важного загрязняющего фактора, так и сложность определения сил, действующих на частицы со стороны воздушного потока, и отсутствие надежных данных о величинах молекулярных сил, препятствующих отрыву частиц от земли и друг от друга.

Вопрос об уносе тяжелых частиц с подстилающей поверхности и их распространении в потоке рассматривался рядом исследователей [86,89,63–68]. Было показано, что если в потоке имеются достаточно тяжелые частицы, то его турбулентная энергия заметно уменьшается из-за затрат на отрыв частиц от подстилающей поверхности и поддержания их во взвешенном состоянии. В этом случае необходимо взаимосвязанно рассматривать распространение частиц в потоке и движение самого потока. Отмечается, что если работа, затрачиваемая потоком на взвешивание частиц, мала, то структура потока практически не меняется из-за наличия в нем частиц. В этом случае распространение частиц в потоке можно рассматривать в рамках диффузионной теории.

В работе [90] предлагается принять гипотезу о том, что при  (w — скорость осаждения частиц, v — динамическая скорость, % — постоянная Кармана) частицы переносятся потоком путем последовательных подскоков и падений. Такой процесс называется сальтацией. Он является основным механизмом переноса частиц, например, во время песчаных бурь.

По современным представлениям [65] частицы в общем случае под действием ветрового потока могут перемещаться тремя способами: качением или скольжением по подстилающей поверхности, скачками и путем перехода во взвешенное состояние. Отрыву частиц от земли практически всегда предшествует стадия скольжения или перекатывания. Этот вид энергии требует наименьших затрат энергии, поэтому транспортирующая способность такого потока является наибольшей. Основная масса частиц переносится скачками.

Крупные аварии промышленных объектов, сопровождающиеся пожарами, взрывами и токсическими выбросами, приводят к появлению локальных температурно-ветровых неоднородностей и, как их следствие, к возникновению интенсивных перемещений насыщенных частицами воздушных потоков типа пыльных бурь. Отметим, что образование естественных пыльных бурь происходит при термодинамической неустойчивости атмосферы, обусловленной сильным нагревом почвы или вторжением холодных масс воздуха с атмосферным фронтом. Для возникновения пыльных бурь кроме большой скорости ветра необходима еще его конвергенция [66]. При пыльных бурях, вызванных потоками теплого воздуха, четкого пылевого фронта не образуется. Вертикальные потоки воздуха над нагретой поверхностью вызывают иногда появление пылевых столбов радиусом от 5 до 100 м и высотой до 2 км. При сильном ветре, вызывающем появление пылевой бури, перенос мелких частиц в виде взвеси составляет от 3 до 40 % от величины суммарного переноса. Теория переноса витающего аэрозоля не учитывает взаимодействия твердой и газовой фаз, поскольку концентрация аэрозоля считается пренебрежимо малой. Поэтому величина переноса определяется произведением концентрации пассивной примеси на скорость ветра. В случае распространения консервативной примеси с концентрацией q полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии имеет следующий вид [65,67]:

где u — скорость ветра; w — скорость седиментации частиц; Кх, Ку, Кz — коэффициенты турбулентной диффузии по осям координат.

В качестве граничных условий на бесконечности полагают концентрацию примеси равной нулю, и на высоте шероховатости z_0 задают величину вертикального потока. Они записываются так:

где β — некоторый коэффициент, характеризующий взаимодействие пыли с подстилающей поверхностью;

Для описания движения грубодисперсных аэрозолей используют [68,69] подходы двухфазных турбулентных потоков, учитывающих взаимное влияние фаз. Однако необходимо отметить, что для разрешимости системы уравнений необходимо ввести дополнительные предположения. При подобных подходах предполагается несжимаемость среды и учитываются возможные межфазовые переходы типа сублимации. Уравнения неразрывности и сохранения количества движения газовой и твердой фаз в предположении, что тензор мгновенных напряжений внутри частиц и среды изменяется непрерывно, записываются в следующем виде [65, 69]:

где S — объемная концентрация твердой фазы; v,vs — векторы осредненной скорости среды и твердой фазы относительно земли; ρ,ρs — массовые плотности среды и частицы; g — ускорение силы тяжести; ε,εs — ускорения негравитационных массовых сил; T, Ts — осредненные тензоры напряжений, вызванных перемешиванием и столкновением твердых и газовых частиц; П — осредненный тензор мгновенных напряжений внутри твердых частиц и среды.

Для решения уравнений (4.31) оценивается порядок отдельных членов в уравнениях и показывается, что влиянием электризации частиц на их подъем в воздухе можно пренебречь по сравнению с гравитационными силами. Кроме того, пренебрегается межфазовыми переходами. Величина Ts опускается из-за невозможности ее определения и для двухфазного потока используется приближенное выражение обобщенного тензора касательных напряжений для однофазной жидкости. Такая вынужденная замена сразу же приводит к расхождению теории с экспериментом в области, где взаимное влияние фаз наиболее выражено, т. е. в зоне больших концентраций у поверхности земли. Формально это влияние проявляется в кажущемся увеличении параметра шероховатости подстилающей поверхности.

Важным фактором в понимании механизма развития движения пылевых образований типа пыльных бурь является обнаруженное и экспериментально подтвержденное распределение частиц по размерам над поверхностью земли. При ветровом переносе пыли крупные частицы сосредотачиваются вблизи поверхности почвы, мелкие поднимаются выше. Поскольку мелкодисперсные частицы поднимаются на большую высоту, они уносятся ветром дальше, что вызывает изменение спектрального состава аэрозоля по мере его удаления от очага пылеобразования. Вертикальный профиль переноса характерен резким убыванием концентрации и потока примеси с высотой.

Глава V

Экологические опасности аварийных и бытовых выбросов

Наиболее значимыми загрязнителями воздуха в настоящее время признаны следующие вещества: взвешенные частицы; углеводороды и другие летучие органические вещества; угарный газ; оксиды азота; оксиды серы; свинец и другие тяжелые металлы; озон и другие фотохимические окислители; кислоты, в основном серная и азотная; диоксины.

Основное количество загрязнителей антропогенного происхождения поступает в воздух при обычной работе промышленных производств, однако аварии и различные инциденты добавляют заметную долю этих веществ в общем балансе атмосферного загрязнения.

Следует отметить, что многие из этих загрязнителей и ядовитых веществ обладают синергетическим действием, проявляющемся в усилении токсического воздействия на организм при совместном действии. В качестве примера можно привести синергетический эффект взаимодействия частиц пыли и более мелких аэрозолей и оксида серы. Пыли поступают в атмосферу в большом количестве при пожарах, взрывах и горении различных топлив (главным образом, угля, бензина, дизельного топлива). Мелкие взвешенные в воздухе твердые частицы обладают относительно большой удельной поверхностью и способны на ней адсорбировать огромное количество загрязняющих веществ.

Попавшие в атмосферу соединения серы при горении и взрыве топлив окисляются и, реагируя с водяными парами воздуха, образуют мельчайшие капельки серной кислоты — кислотного тумана. Хотя по отдельности и взвешенные частицы и оксиды серы оказывают негативное влияние на здоровье людей, обостряя и осложняя различные респираторные и сердечные заболевания, но совместное их действие поистине смертоносно.

Происшествие такого типа, оцениваемое специалистами как катастрофическая авария, произошла утром 11 декабря 2005 года на нефтяном терминале Бансфилд в районе города Хемел Хемпстед. После трех мощных взрывов в 20-ти емкостях с нефтепродуктами возник сильный пожар, который пожарным не удавалось потушить трое суток. При тушении было задействовано 600 пожарных и несколько десятков агрегатов и механизмов пожарной техники. При тушении пожара было использовано более 15 тысяч тонн воды и около 250 тысяч литров пен и специальных концентратов тушащих реагентов. Погасший было огонь вновь разгорелся 14 декабря в новом очаге возгорания. На этот раз решено было не тушить пожар, дав остаткам топлива выгореть естественным путем еще несколько дней. По оценкам специалистов этот грандиозный пожар, глобально задымивший тропосферный слой атмосферы и уменьшивший ее прозрачность, сказался практически на каждом жителе Великобритании. Его итогом были тысячи заболевших и погибших от ядовитых газов и токсичных дождей.

Эффект совокупно действующих оксида серы и взвешенных частиц является хорошо изученным достоверным фактом; безусловно и некоторые другие комбинации загрязнителей усиливают токсическое воздействие на живые организмы. Одним из компонентов в таких комбинациях может быть табачный дым, в котором обнаружено несколько тысяч химически активных соединений, значительное количество из которых являются ядовитыми.

О большинстве из перечисленных выше загрязнителей атмосферного воздуха, их экологическом значении и влиянии на здоровье, можно узнать в Приложении № 2. В этом разделе книги обсуждаются вопросы возникновения и поступления этих веществ при авариях и близких к ним по эффекту ситуациях.

5.1. Вредные вещества, поступающие в атмосферу при пожарах

Пожар можно определить [169] как неконтролируемое горение, развивающееся во времени и в пространстве. В отличии от горения, понимаемого процессом прогрессивно ускоряющегося выделения тепла и света в результате химических реакций и широко используемого человеком на всех этапах его существования, пожар приносит материальный ущерб и гибель живых организмов. Одной из основных причин гибели людей при пожарах промышленных объектов и современных жилых и административных зданий (более 80 % случаев) является острое отравление газообразными продуктами горения различных строительных материалов и конструкций.

Быстрое отравление организма возможно в результате загрязнения окружающей атмосферы вредными веществами в поражающих организм концентрациях (токсодозах) или количествах, создающих угрозу для жизни и здоровья.

Наиболее токсичны продукты горения синтетических полимерных материалов. Большинство пластмасс при горении выделяют ядовитые вещества — такие как: оксид углерода, циан водорода, хлористый водород, акролеин, окислы азота, различные алифатические и ароматические углеводороды и др. Чрезвычайно опасен в санитарно-гигиеническом отношении поролон, применяемый для изготовления мебели. Этот продукт при горении выделяет ядовитый газ, содержащий цианистые соединения, даже в незначительных количествах являющиеся высокотоксичными и поражающими дыхательную и нервную системы человека.

Возгорание горючих материалов таких, как рубероид, битум, различной кабельной продукции приводит к поступлению в воздух токсичных продуктов деструкции (разрушения) сгоревших полимерных материалов с выделением фосгена, хлористого и цианистого водорода, хлорированных и ароматических углеродов, относящихся к веществам преимущественно удушающего, общеядовитого и нейротропного действия. Концентрации этих веществ при пожарах могут достигать опасных для жизни уровней. Известно, что сгорание всего лишь 1 г различных полимерных материалов приводит к выделению до 144 мг окиси хлористого водорода, до 167 мг окиси углерода, что намного превышает поражающие и смертельные концентрации этих веществ в помещениях среднего объема.

Причиной гибели людей может быть высокая температура задымленной среды. Вдыхание продуктов сгорания, нагретых до 6 °C, даже при 0,1 % содержании оксида углерода приводит к летальному исходу.

Опасным задымлением считается такое, при котором видимость не превышает 10 м. Концентрация оксида углерода в воздухе до 0,2 % вызывает смертельные отравления людей при пребывании их в зоне в течение 30–60 минут, а при концентрации 0,5–0,7 % — в течение нескольких минут.

Выход дыма при горении сильно зависит от условий горения. При тлении масса образующегося дыма может увеличиваться во много раз. Так, для дерева при небольших пожарах относительная масса дыма составляет 3–6 % от массы сгораемого вещества, увеличиваясь до 15 % при тлении; при горении нефтепродуктов, пластмасс, резины — от 1 до 15 % и от 5 до 40 % — при тлении; в качестве средней оценки можно принять 4 %.

Лесные пожары вносят хотя и меньший, чем городские, но весьма заметный вклад в задымление земной атмосферы. Приведем оценки выхода дыма при природных пожарах. Запас сухих горючих материалов в наиболее продуктивных лесах средних широт Северного полушария составляет 25–30 кг/м^2. Примерно 15–20 % этого материала приходится на легко воспламеняемую, полностью сгорающую часть — мох, опад, подстилку. В малопродуктивных лесах запасы сухого материала невелики — около 1 кг/м^2. Средний запас сухой древесины около 15 кг/м^2. Доля выгоревшего торфа варьируется в широких пределах. Таким образом, в среднем в лесах сгорает 5 — 10 кг/м^2 горючего материала, не считая торфа.

Воспламенение древесины может произойти как от открытого источника огня (пламени или искры), так и от нагретых предметов или горячих газов. При повышении температуры до 125 °C из древесины быстро испаряется влага; после этого она разлагается с выделением горючих летучих веществ. При температуре выше 210 °C и наличии источника открытого огня воспламеняются летучие вещества, температура повышается и процесс переходит в экзотермическую стадию горения с выделением тепла. При температуре 260 °C начинается длительное и устойчивое горение летучих продуктов пиролиза древесины с образованием пламени и дальнейшим повышением температуры. При температуре 450 °C и более пламенное горение древесины переходит в беспламенное горение угля с температурой до 900 °C.

Древесина способна к самовоспламенению при температуре свыше 330 °C. При длительном нагревании температура ее самовоспламенения значительно снижается. Например, самовоспламенение древесины наблюдалось при 166 °C через 20 ч. Это явление необходимо учитывать при размещении деревянных конструкций вблизи нагреваемых предметов (отопительных приборов, труб, дымоходов и т. п.). В данном случае должны быть обеспечены такие условия изоляции от нагревания, чтобы установившаяся, длительно действующая температура не превышала 50 °C.

При горении в атмосферу выбрасываются не только твердые частицы, но и пыли органического и минерального происхождения. В любом топливе есть сернистые соединения (пирит, образованный бактериями), соединения азота (остатки аминокислот) и др. Топливо сгорает, а запас сернистых соединений обращается в оксид серы; азот топлива превращается в оксид азота. Сернистые газы и водяные пары, содержащиеся в воздухе, образуют аэрозоль сернистой и серной кислот. Оксиды азота и вода образуют азотную кислоту.

Попадая в атмосферу с восходящими воздушными потоками, эти соединения способны сформировать токсичные облачные структуры, из которых они проливаются в виде дождей. Общепризнанно, что кислотные дожди являются причиной гибели растительности и животных, а также приводят к другим негативным изменениям окружающей природной среды.

Вокруг промышленных объектов, являющихся источниками кислотных дождей, в радиусе 3–5 км практически уничтожен травяной покров, погибают хвойные деревья. На склонах пересеченного рельефа интенсивно развиваются эрозионные процессы: смывается гумусовый горизонт, сеть глубоких эрозионных промоин и рытвин расчленяет поверхность. Ландшафт вокруг такого объекта становится антропогенной пустыней.

Радиус общего загрязнения атмосферного воздуха крупными промышленными предприятиями оценивается величиной ~ 30 км; радиус зоны максимального загрязнения составляет от 10 Н до 14 Н, где Н — высота заводских труб. Воздух загрязнен пылью, двуокисью азота, фенолом, сажей, свинцом.

Значительным источником загрязнения атмосферы является автотранспорт. Автомобили сжигают миллионы тонн бензина и дизельного топлива, расходуют миллионы тонн кислорода и выбрасывают огромное количество продуктов горения, содержащих угарный газ, оксиды азота, свинец, бензапирен и многие другие токсичные вещества; подсчитано, что среднестатистический автомобиль выбрасывает в год 0,8 т вредных веществ.

5.2. Загрязнения атмосферы при взрывах

Взрывы чаще всего происходят на пожаро— и взрывоопасных объектах, где могут возникнуть условия для образования газопаровоздушных и пылевоздушных смесей, где в больших количествах применяются углеводородные газы (метан, этан, пропан). Возможны взрывы котлов в котельных, газовой аппаратуры, продукции и полуфабрикатов химических заводов, паров бензина и других компонентов, муки на мельницах, пыли на элеваторах, сахарной пудры на сахарных заводах, древесной пыли на деревообрабатывающих предприятиях. Взрывы пылевоздушных смесей в виде аэрозолей представляют одну из основных опасностей химических производств.

Могут быть взрывы в жилых помещениях, когда люди забывают выключить газ. Взрывы происходят на газопроводах при плохом контроле за их состоянием и несоблюдении требований техники безопасности при их эксплуатации. К тяжелым последствиям приводят взрывы рудничного газа в шахтах.

В промышленности большое количество технологических процессов связано с взрывоопасными газодисперсными системами: процессы осаждения пылей, пневмотранспортировка, размельчение материалов, сушка, хранение, сжигание, шлифовка поверхностей, механическая обработка горючих материалов, составление порошковых композиций и их прессование. Аварийные ситуации или нарушения технологических режимов могут создать условия для воспламенения газодисперсной системы, процесс горения которой может носить характер взрыва.

Необходимым условием возникновения взрыва является присутствие горючей пыли с концентрацией в пределах воспламенения и источника зажигания. Давление при таком взрыве сопровождается волной сжатия, скорость которой в окружающей среде от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров в секунду. Быстрое нарастание давления взрыва является в большинстве случаев достаточным для разрушения или повреждения оборудования. Эта опасность усиливается, если первоначальная вспышка пыли местного характера приводит в состояние аэрозоля значительные количества осажденной пыли с ее воспламенением. В этом случае взрыв может распространяться до тех пор, пока имеется горючая пыль. Эта особенность является наиболее важной для различения взрыва пылей от взрыва горючих газов и паров.

Особенно опасна смесь, в которой находится в диспергированном состоянии горючая пыль, а газообразная фаза содержит горючие пары или газы. Более высокая чувствительность такой смеси к воспламенению легко приводит к разрушительному комбинированному взрыву пыли и газа. Такие взрывы происходят в угольных шахтах.

Часто взрывному превращению промышленных аэрозолей предшествует фаза тления. По данным российских и зарубежных исследователей [156,157] время перехода тления в горение, в том числе в дефлаграционное горение (тепловой взрыв), при благоприятных условиях является очень незначительным (от долей секунды до нескольких секунд), а скорость распространения фронта пламени лежит в пределах от 8 м/с до 1,5 км/с.

Загрязняющие и токсичные вещества в продуктах взрыва практически те же, что и при обычном горении (при пожаре) исходных ингредиентов.

5.3. Поступление в атмосферу токсичных продуктов при испарении проливов

Проливы загрязняющих и токсичных веществ при аварийных ситуациях представляют большую опасность для человека и природных сред, так как возникающие выбросы не имеют вертикальных начальных скоростных импульсов и перемещаются в атмосфере только за счет ветра и архимедова всплытия. Поэтому объемы проливов в виде пара или газа стелются в сравнительно тонком приземном слое, в котором находятся живые организмы, и могут привести к их отравлению.

Наибольшую опасности создают проливы боевых отравляющих веществ, сильнодействующих ядовитых веществ, сжиженных газов и нефтепродуктов. Аварии с ядами обычно рассматриваются гипотетическими; они могут иметь катастрофический глобальный масштаб, и возможность подобных аварий должна быть полностью исключена в практике работы с такими продуктами.

Что касается проливов сжиженных газов и нефтепродуктов, то такие происшествия в нашей стране носят массовый характер. В частности, в процессе эксплуатации нефтяных и газонефтяных скважин на поверхность земли могут вырываться напорные струи в виде фонтанов, которые нередко становятся пожарами. Условно фонтаны подразделяются на газовые (содержащие газа 95-100 %), нефтяные (содержащие нефти более 50 %, а газа меньше 50 %), газонефтяные (содержащие газа более 50 %, нефти меньше 50 %).

Если проливы углеводородного сырья и топлив не отягощены пожарами или взрывами, то в окружающую среду поступают эти продукты в виде пара или газа и рассеиваются в атмосфере под действием ветра и турбулентной диффузии. При горении или взрыве пролива над местом инцидента возникают кратковременные или стационарные выбросы продуктов горения, всплывающие на некоторую высоту. Их дисперсия происходит из приподнятого источника, и концентрации приземных загрязнений будут ниже, чем от обычного пролива.

Горение нефти и нефтепродуктов может происходить в резервуарах, производственной аппаратуре и при их разливах на открытых площадях. При пожаре нефтепродуктов в резервуарах могут происходить взрывы, вскипание горючего вещества и его выброс. Весьма опасны вскипания нефтепродуктов, содержащих воду. При вскипании стремительно возрастает температура продукта до ~ 1,5 тыс.°С, а высота пламени до десятков метров. Для таких пожаров характерно бурное горение вспененной массы горючего вещества.

При взрыве объема с нефтепродуктами или газами наблюдаются выбросы этих продуктов из резервуаров в парожидкой и капельной фракциях. Тонны вещества могут быть выброшены на расстояния более восьми диаметров емкости, а площадь горения может достигать нескольких тысяч квадратных метров. Продолжительность подобных инцидентов может составлять многие часы и зависит от массовых, геометрических и теплофизических характеристик продукта, а также от рельефа местности и метеорологических условий.

На скорость выгорания проливов влияют не только специфические химические реакции, но и неконтролируемый приток окислителя из окружающей среды. Значения скорости выгорания продукта в проливе зависят также от его плотности и вида. Эти данные представлены в таблице 5.1. (При наличии сертификата, содержащего данные о плотности продукта, его значение принимается по сертификату. В случае отсутствия таких данных принимается среднее значение этого параметра, указанное в таблице в скобках).

При пожарах на открытом пространстве, возникающих в результате аварий на нефтебазах, нефтехимических производствах, трубопроводах или продуктопроводах, на железнодорожном или автомобильном транспорте, реализуется неконтролируемое горение.

Таблица 5.1.

Скорость выгорания и плотность нефтепродуктов

Если в процесс горения вовлечены большие массы продукта, то над очагом пожара возникает конвективная колонка — струя нагретых продуктов сгорания, которые забрасываются восходящим мощным потоком в пограничный и тропосферные слои атмосферы. Высота конвективной колонки прямо пропорциональна количеству тепла, выделяяющемуся при горении. Очаг пожара имеет сложную структуру и включает в себя зону пиролиза углеводородного топлива, зону догорания газообразных и конденсированных продуктов пиролиза. Горение происходит при постоянном давлении и имеет диффузионный характер, т. е. лимитируется поступлением кислорода благодаря подсосу воздуха из окружающей среды.

Таблица 5.2.

Класс опасности и ПДК загрязняющих веществ при горении проливов нефти и нефтепродуктов

В таблице № 5.2, заимствованной из [168], приведены данные о выбросах загрязняющих веществ при горении нефти и нефтепродуктов.

В таблице № 5.3, взятой из того же источника, приводятся характеристики выбросов основных загрязнителей при сгорании проливов различных топлив. Под удельными выбросами приняты выбросы, отнесенные к единице массы сгоревших нефти и/или нефтепродуктов. Даны численные значения для диоксида азота, оксида и диоксида углерода, сажи, углеводородов, бенз(а)пирена в кг/кг или т/т и.

Таблица 5.3.

Удельные выбросы загрязняющих веществ, отнесенные к единице массы сгоревших нефтепродуктов

В заключение этого раздела отметим, что как для мгновенных, так и для непрерывных выбросов из проливов размеры зон опасности будут больше и по длине и по ширине, когда выбрасывается большее количество вещества. Особенно важны размеры площади испарения, когда пар или газ, кипя или просто испаряясь, попадают в атмосферу из лужи разлития. Из небольшой лужи будет испаряться небольшое количество вещества — из больших луж будет более высокий уровень выброса, а следовательно, они будут приводить к более высокой токсической опасности.

5.4. Опасность сжигания бытового мусора

Неупорядоченное сжигание бытового мусора носит повсеместный характер и не считается несущим в себе угрозу большой угрозы здоровью, что является большим заблуждением. Рассмотрим основные угрозы, которые таят в себе подобные неорганизованные ликвидации отходов.

В таблице 5.4. представлены данные о содержании химических элементов в продуктах сжигания твердых бытовых отходов [161]. Приведенные в ней «коэффициенты концентрации», это величины, показывающие насколько данного вещества в выбросах больше, чем в обычном воздухе (фактически относительно «фонового» значения). Следует заметить, что за прошедшие 15 лет со дня получения этих данных в выбросах, возросло содержание свинца, ртути и кадмия, то есть наиболее токсичных металлов.

Уже из данных этой таблицы видно, что в дымах бытовых отходов опасных металлов в некоторых случаях в тысячи раз больше, чем в «обычном» воздухе. Токсичные металлы выбрасываются в форме солей или окислов, то есть в устойчивом виде и могут находиться в природных средах неопределенное число лет, накапливаясь постепенно и с пылью попадая в организм человека. Опасность токсичных металлов именно в том, что они (кроме ртути, которая активно мигрирует) могут накапливаться. Поэтому нормы ПДК могут оказаться не применимыми к таким выбросам.

Таблица 5.4.

Содержание химических элементов в продуктах сжигания твердых бытовых отходов

Что касается ртути, то она попадает в атмосферу в форме паров (7 %) и в форме хлоридов (70 %). И те и другие весьма токсичны и являются потенциальными нейротоксинами.

Мигрируя по пищевым цепям, ртуть накапливается в морских и речных организмах. По таким же цепочкам аккумулируется ртуть и на суше, ее конечным владельцем становятся хищники. Считается, что из-за ртути в Швеции исчезла пустельга, а поголовье соколов-сапсанов и ястребов сильно уменьшилось.

Крупными источниками ртути являются мусоросжигательные заводы (МСЗ). Так в США в Массачусетте МСЗ выбрасывает 19 тонн ртути в год, в Эвергладсе (Флорида) высокие уровни ртути в рыбе были прямо связаны с выбросами МСЗ [Н. Cole, R. Collins «Mercury Rising», Clean Water Action, January 1990].

Большую опасность представляют неорганизованные сжигания мусора, так как при них отходы фактически не горят, а тлеют. Список продуктов неполного сгорания (ПНС) насчитывает свыше ста идентифицированных опасных веществ. Среди них углеводороды и ароматические углеводороды, их хлорированные производные, токсичные фенолы и хлорфенолы, бром— и азотзамещенные вещества и, наконец, полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД), — фураны (ПХДФ) и — бифенилы (ПХБ). К ПНС относят, несколько условно, все выбросы, содержащие кислые газы: хлористоводородную кислоту (НС1), сернистый газ (S0_2) и окислы азота (NOx).

Первый из них НС1 вызывает большие проблемы из-за своей крайней химической активности. Основным источником выбросов НС1 является горение поливинилхлоридных пластмасс, находящихся в мусоре. Сернистый газ всегда образуется при горении отходов, так как органические остатки содержат серу (отсюда и тлетворный запах разложения).

Продукты неполного сгорания включают и трудноуловимые газы, такие как угарный газ (СО), который может образовываться в больших количествах при недостатке воздуха и температуре ниже БОО С. Этот газ нейтральный и потому очень трудно улавливается. Даже небольшие концентрации угарного газа в дыме выбросов вызывают блокаду гемоглобина и обусловленное этим кислородное голодание тканей, к которому наиболее чувствительна центральная нервная система организма.

Наличие во вдыхаемом воздухе высоких концентраций СО вызывает раньше всего изменение функционального состояния коры головного мозга, что в большей или меньшей степени отражается на состоянии внутренних органов реципиента.

В шлаках и дыме горящего мусора присутствуют в относительно ничтожных количествах так называемые микрозагрязнители. Пристальное внимание к микрозагрязнителям связано с тем, что в их число входят вещества крайне токсичные и весьма опасные для здоровья. Эти вещества, ПХДД, ПХДФ, ПХБ и полиароматические углеводороды (ПАУ), проявляют свои токсические свойства уже при столь малых концентрациях, что микроколичества их в газах продуктов горения мусора являются очень опасными. Если «обычные» токсиканты опасны при концентрациях мг на литр, то ПАУ опасны при концентрации мкг на кубометр, а диоксины при долях нанограмм в кубометре.

Особое место среди твердых отходов занимают пластмассы и синтетические материалы, так как они не подвергаются процессам биологического разрушения и могут длительное время (десятки, а возможно и сотни лет) находиться в объектах окружающей среды. Как уже ранее указывалось, при неорганизованном сжигании пластмасс и синтетических материалов выделяются многочисленные токсиканты, в том числе полихлорбефенилы (диоксины), фтористые соединения, кадмий и др. Общепризнано, что утилизация отходов из полиэтилена, поливинилхлорида, полипропилена и его сополимеров может быть осуществлена только в результате их термической переработки. При этом должен быть использован комплексный подход, включающий в себя сбор, сортировку и подготовку изделий к переработке, включая их дробление, очистку, измельчение с последующей переработкой в высокотемпературном плавильном агрегате (рецикл).

Однако, как и прежде, повсеместно в России горят костры с бытовым мусором и в них тлеют, отравляя все живое, огромные массы изделий из пластмасс. Во многих европейских странах уже налажены промышленные процессы рецикла отходов пластмасс.

ПАУ являются самыми опасными из продуктов открытого горения (1 класс опасности) и обладают наибольшей по сравнению с другими родственными веществами канцерогенностью. В таблице № 5.5. приводятся значения относительных канцерогенностей различных ПАУ.

Таблица 5.5.

Относительная канцерогенность различных полиароматических углеводородов

Условные обозначения таблицы:? — неопределенно, 0 — неактивно, от + до +++Н— активный с разной степенью активности, СС — соканцерогенен с бенз[а]пиреном. TP, TI — соединения, способные вызывать опухоли разного характера, С — полный канцероген.

Таблица заимствована из Handbook of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Inc. N.Y.Basel, 1983, которая приведена в работе: Б.А.Руденко, Э.Б.Шлихтер «Полициклические ароматические углеводороды и их влияние на окружающую среду» ЦНИИТЭнеф-техим. Серия Охрана окружающей среды. Вып. 5. Москва, 1994.

Особенно много ПАУ остается в шлаках и золе на месте сжигания отходов. Поэтому не рекомендуется золу из неорганизованных мест сжигания мусора использовать для удобрений садовых насаждений.

Большое количество ПАУ содержится в продуктах сжигания твердых отходов мусоросжигательных заводов (МСЗ). Эти данные для МСЗ некоторых стран представлены в таблице № 5.6.

Таблица 5.6. составлена R.T. Williams in «Waste Incineration and the Environment». Ed. R.E.Hester and R.M.Harrison. The Royal Society of Chemistry, Thomas Graham House, Science Park, Cambridge CB4 4WF. по данным A. Buekens, J. Schoeters, «Thermal Methods in Waste Disposal» EEC, Brussels, 1984. I. W.Davies et all. Environ. Sci. Technol. 1976, 10, 451. K. Olie et all. In «Chlorinated Dioxin and Related Compounds: Impact on the Environment» Ed. 0. Hutzinger et all. Pergamon Press, Oxford, 1982, p. 227.

Таблица 5.6.

Содержание ПАУ при сжигании твердых отходов МСЗ (мкг/г)

И, наконец, самыми опасными из продуктов неполного сгорания (ПНС) являются «диоксины»: смесь полихлордибензо-парадиоксинов (ПХДД) и полихлор-дибензофуранов (ПХДФ). Это короли токсичности и бесспорные разрушители природы; диоксинами пропитаны все среды в окрестности места сжигания.

Японские ученые исследовали волосы рабочих МСЗ и контрольной группы людей. Данные выражены в токсических эквивалентах TEQ, которые учитывают также и токсичные соединения ПХБ, как и диоксины, содержащиеся в выбросах МСЗ. Оказалось, что токсичность волос рабочих МСЗ в 3,7 раза выше контроля [Н. Miyata et al. Organohalogen Compounds, 30, p. 154, 1996.]. Аналогичный результат был получен и при анализе крови у рабочих МСЗ в США. В крови рабочих МСЗ содержание диоксинов в токсических эквивалентах TEQ было на 30 % выше, чем у контрольной группы: 16,6:21,9 пкг/г липидов [A.J. Schecter, et al. Med.Sci. Res. 1991, pp.331–332.].

Сжигания бытовых отходов и органического мусора, а также горение торфяников вносят довольно весомую лепту в состояние приземного слоя атмосферы, определяемого как смог (см. последний раздел главы 1). При фотохимических смогах оксиды азота и углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах автомашин, под влиянием солнечной радиации образуют оксиданты, из которых наиболее распространен озон. Продолжительность смогов обычно от одного до нескольких дней, но интенсивность загрязнения атмосферы при этом бывает настолько велика, что смоги вызывают тяжелые последствия, нередко сопровождающиеся жертвами. В последнее время с развитием автотранспорта фотохимические смоги значительной интенсивности возникают во многих городах разных континентов.

Высокие концентрации озона, которые иногда используют в качестве одного из показателей фотохимического смога, наблюдаются не только в местах его образования, но и на значительных расстояниях от них в результате переноса воздушных масс.

Кроме того, что смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, он оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности. Возникают гипокапния, затруднение диссоциации оксигемоглобина, ферментные нарушения тканевого дыхания; при острых отравлениях — головная боль, головокружение, тошнота, рвота, слабость, одышка, учащенный пульс; возможны быстрая потеря сознания, судороги, кома (с последующим двигательным возбуждением), нарушения кровообращения и дыхания, поражение зрительного нерва и т. д.; на 2-3-е сутки может развиться токсическая пневмония. Смог не является для России чем то экзотическим; он наблюдается в основном летом в городах с рельефом «котлованного» типа. Например, в городах Челябинск и Тольятти.

В Тольятти обычное явление, когда под действием солнечной радиации химические вещества, находящиеся в атмосфере, вступают в реакцию между собой. Этому явлению способствует высокая запыленность города, а также повышенное содержание фтористого водорода в воздухе от выбросов с химических предприятий. Выхлопные газы от автомобилей, пыль, химические выбросы сливаются в одно облако. Даже если содержание каждого химического вещества в отдельности находится в пределах допустимой нормы, совместно они оказывают пагубное воздействие на здоровье горожан. Особенно вредно влияние смога для сердечно-сосудистой и бронхо-легочных систем. Такой пылегазовоздушный «коктейль» вызывает аллергическую реакцию: слезотечение, покраснение и воспаление глаз.

В заключение этого раздела кратко остановимся на опасности сжигания травы и листвы. Такие сжигания в виде костров обычно устраиваются после листопада. Известно, что при сжигании органических веществ таких как трава и листья при относительно высокой температуре и наличии достаточного количества кислорода образуются углекислый газ, водяной пар и в небольших количествах окислы азота. Концентрации СО и N0 настолько незначительны при этом, что они не представляют какой-либо опасности для живых организмов.

Совсем иная картина наблюдается при неполном сгорании органики, когда либо слишком мало кислорода, либо недостаточно высокая температура в очаге горения. Костер при этом не горит, а тлеет, выделяя много аэрозольных и газообразных токсикантов. Если трава и листва влажные, то горит только часть кучи, непосредственно контактирующая с воздухом, а нижняя части кучи тлеет, выделяя большое количество дыма. По оценкам специалистов, при сгорании одной тонны растительных остатков образуется около 9 кг микрочастиц дыма. В их состав входят пыль, окислы азота, угарный газ и множество канцерогенных органических соединений. В тлеющих без доступа воздуха листьях выделяется бензоперен — вещество, вызывающее у человека раковые заболевания. В дыму костров из опавшей листвы также имеются соединения свинца, ртути и других тяжелых металлов, а также диоксины. Так как основным по массе компонентом дыма является химически активный угарный газ в концентрациях многократно превышающих уровень ПДК, то пребывание в дыму органики даже непродолжительное время может привести к отравлению.

Если трава и листва собраны вблизи автомагистралей, в городе с интенсивным автомобильным движением или с крупными промышленными производствами, то в продуктах их сжигания будет присутствовать весь «букет» выше описанных токсикантов, адсорбированных и накопленных растениями в период роста.

5.5. Опасные воздействия и вредные вещества в быту

Когда речь идет о повседневной жизни человека, то априори предполагаются комфортные условия. Однако реально жизнь многих людей по экологическим опасностям весьма далека от идеала, а зачастую по негативным воздействиям близка к аварийной ситуации. К таким воздействиям могут быть отнесены в первую очередь чрезмерные электромагнитные, шумовые, вибрационные и тепловые потоки, загрязненная вода и воздух. Кроме того, имеются биологические воздействия микроорганизмов.

Воздушная среда, безусловно, является наиболее важным компонентом в жизни живых существ; посредством дыхания загрязняющие и токсичные вещества практически беспрепятственно могут в кратчайшие сроки нанести здоровью организма невосполнимый урон. Причем зачастую опасности угрожают человеку не только в процессе его трудовой деятельности на предприятиях, но и в быту.

Загрязнение воздуха внутри жилых помещений обусловлено влиянием многих внешних антропогенных источников, а также с внутренних источников, связанных с многообразной деятельностью и обустройством жилья. Сюда можно отнести многое из процесса приготовления пищи и заканчивая мебелью, коврами и одеждой, изготовленными из химически активных материалов. Исследования состава воздуха в жилых помещениях выявили [165] более 80 веществ, негативно воздействующих на человека.

Чаще всего загрязнения поступают в помещения извне с атмосферным воздухом, насыщенным выбросами автотранспорта, котельных и промышленных предприятий. Однако и внутренние источники привносят свою весомую долю в этот процесс. Основными внутренними источниками, загрязняющими воздух жилых помещений, являются: токсические химические вещества, использующиеся для бытовых нужд, вредные продукты в составе строительных и отделочных материалов поверхностей помещения, полимерные материалы в элементах убранства жилья, продукты сгорания бытового газа.

Важным источником экологического загрязнения нашего жилья является «химизация» строительных материалов и бесконтрольное использование добавок в них различных смесей вредных веществ и промышленных отходов. Наиболее часто применяются гальваношламы, золошлаковые отходы, осадки промышленных сточных вод. Губительное воздействие «добавок» проявляется не сразу — иногда через несколько лет. Но они выделяют высокотоксичные, в том числе канцерогенные, вещества. В таблице № 5.7. приводятся наиболее распространенные токсиканты, поступающие в воздух жилья из строительных материалов.

Еще одной опасностью негативного воздействия на живые организмы является газ радон, высвобождающийся из земной коры. Радон -222 это газ без цвета и запаха — один из естественных источников радиации, представляет собой продукт радиоактивного превращения урана, тория, радия. Радон и продукты его распада ответственны за основную часть облучения, получаемого населением от земных источников радиации.

Таблица 5.7.

Химические вещества, выделяющиеся в воздушную среду помещений из строительных и отделочных материалов.

Избыточное содержание радона в воздухе вызывает у человека негативную реакцию, проявляющуюся в появлении состояния тревоги, бессонницы, одышки, мигрени и аритмии.

Кроме того, сам человек и домашние животные в процессе жизнедеятельности постоянно «портят воздух», выделяя несколько сот веществ [165].

Часть из них крайне токсична; это так называемые антропотоксины.

Гигиенисты установили, что воздушная среда невентилируемого помещения ухудшается прямо пропорционально количеству людей и времени пребывания в нем. Пребывание в многолюдном помещении более 2–4 часов снижает работоспособность (в том числе умственную) и приводит к недомоганию и плохому самочувствию. В таблице № 5.8. приводятся данные о антропотоксинам, обнаруженным в жилых помещениях [165].

Многие вещества, такие как ацетон, ацетальдегид, этанол, толуол, этилбензол, диметилэтилбензол обнаруживаются только в жилых помещениях, хотя их концентрация в наружном воздухе в десятки раз ниже, либо вообще близка к нулю.

По данным журнала «New Scientist» наш организм — это целая фабрика по производству микробов.

Таблица 5.8.

Опасные химические вещества, концентрации которых в жилых помещениях превышают уровни ПДК

Ежедневно тело человека выделяет от 10^11 до 10^14 бактерий, большинство из которых болезнетворные. На каждом квадратном сантиметре кожи человека находится до 10 миллионов микроорганизмов и паразитов типа фолликулярного клеща, питающегося омертвевшими клетками кожи. Этот миниатюрный «зоопарк» попадает в жилище, витает в воздухе, оседает на поверхностях и в буквальном смысле отравляет нашу жизнь. Кроме того, наша одежда, постель, мягкая мебель и ковры «кишат» мельчайшими клещевыми паразитами, попадающими в легкие с движущимся воздухом.

Особую опасность в жилых помещениях представляет пыль разной дисперсности и состава. Около трети взвешенных веществ в виде пылевых частиц поступает внутрь помещения из наружного воздуха, остальные возникают при работе и в процессах жизнедеятельности человека. Наиболее запыленными оказываются квартиры нижних этажей и помещения, окна которых выходят на улицы и транспортные магистрали города.

От размеров и состава пыли зависит способность их проникновения в организм и токсичность. Наиболее опасны частицы размером менее 2–3 мкм., так как они практически беспрепятственно проникают в легкие. Некоторые пыли, накапливаясь в легких, имеют канцерогенное воздействие на организм. Вред пыли в промышленных и жилых помещениях заключается, кроме того, в поглощении ими света и нарушении внутреннего режима инсоляции.

Эффективным средством борьбы с подобными опасностями является применение естественной и искусственной вентиляций, способных обеспечить необходимый воздухообмен и удаление пыли, токсичных веществ и микроорганизмов. В таблице № 5.9., заимствованной из работы [165], приводятся минимальные нормы и характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

Таблица 5.9.

Минимальные нормы параметров воздухообмена для жилых помещений

Рассмотрим теперь, как влияет здание на распределение загрязнений снаружи и внутри него. Как указывалось выше, поступление наружного воздуха является определяющим в установлении теплового и воздушного режима в многоэтажных зданиях, имеющих специфические особенности. В таких зданиях наблюдается заметное перемещение воздушных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях. Такие режимы обусловлены сложной картиной внутриэтажного и межэтажного перетекания загрязненного воздуха отдельных помещений и квартир нижнего этажа — в верхние и с наветренной стороны — в подветренные.

Рассмотрим вначале поле течений воздуха снаружи здания. На рисунке 5.1. показано влияние ветрового потока на характер распределения концентраций загрязняющих веществ внутри восходящего потока, инициируемого «теплым» зданием.

Рис. 5.1. Высотные распределения концентраций загрязняющих веществ внутри конвективных потоков, создаваемых строением в случае штиля (а) и при ветре (б).

Рис. 5.2. Распределение концентраций загрязнений в различных вертикальных значениях здания: 1 — границы конвективного восходящего потока; 2 — здание; 3 — ветер; «1», «2», «3» — контрольные сечения.

В отсутствии ветра конвективный поток, насыщенный загрязняющими веществами, поднимается вертикально вверх, концентрация загрязнений при этом возрастает до значения высотной координаты Z = Z3д., где Zзд — высота здания. При Z > Zзд из-за вовлечения окружающей среды концентрация примесей в потоке резко уменьшается.

При наличии ветра конвективный поток лишь частично омывает здание, и высотные загрязнения в нем имеют выраженный куполообразный вид.

Рисунок 5.2. иллюстрирует характер загрязнений внутри здания, температура которого Т превышает температуру окружающего воздуха Те. Как известно, в этом случае над зданием возникает конвективный струйный поток восходящего типа. Концентрация загрязняющих веществ в различных частях здания зависит как от высотной координаты Z, так и от скорости сносящего ветрового потока Ve.

Для одного и того же значения скорости Ve концентрация загрязнений отдельных объемов здания в пределах границ конвективного потока возрастает с увеличением высоты Z.

Отметим, что в холодных погодных условиях, когда возрастает дефект температурного перепада ΔТ = Т — Те, наблюдается увеличение архимедовой силы всплытия конвективного потока и рост высотных координат его верхней и нижней границ. При этом большая часть здания оказывается внутри области течения загрязненного потока. Особенно это сказывается на верхних этажах здания, концентрация загрязнений в которых заметно возрастает с ростом ΔТ.

По данным работы [165] от 86 % до 100 % загрязнений поступает в жилые помещения с наружным воздухом. Из атмосферного воздуха в дома поступают сернистый газ, окись углерода, пыль, окиси тяжелых металлов и многие другие токсиканты.

Рисунок 5.3. иллюстрирует баланс загрязнений внутри здания от различных источников в условиях городской застройки. Как следует из этого рисунка суммарное загрязнение в помещении складывается от действия высоких (заводские трубы, котельные, градирни и т. п.) источников, низких (в первую очередь автотранспорт), фоновых и внутренних выбросов. Числовые загрязнения суммарных концентраций загрязняющих веществ в каждой конкретной части здания определяются как суперпозиция концентраций от указанных источников. Причем несмотря на различный вклад этих источников в суммарную концентрацию загрязнений внутри здания можно отметить возрастающий характер токсикации воздушной среды с уменьшением высотной координаты Z. Самый чистый воздух будет на верхних этажах здания, а наиболее загрязненный — на нижних.

Рис. 5.3. Характер рассеивания в атмосфере и высотные распределения концентраций загрязняющих веществ в городе: 1 — фон; 2 — от низких источников; 3 — от инфраструктуры; 4 — от высоких источников; 5 — суммарное значение; 6 — ветер.

Такой же характер распределения ядовитых веществ наблюдается и в наружном воздухе (при условии, что дом находится на достаточном удалении от постоянно действующего высокого источника загрязнений).

Подводя итог проведенному выше сравнению, можно сделать вывод, что наибольшему риску токсического воздействия подвергаются жители нижних этажей домов, на улицах — дети и домашние животные.

Заключение

Опасные технологии — в первую очередь ядерные, химические и ракетнокосмические — широко представлены в народнохозяйственном комплексе нашей страны. По данным МЧС в начале XXI века на территории России функционировало около 45 тыс. различных потенциально опасных объектов, свыше 3,5 тыс. объектов располагали значительными запасами хлора и аммиака, более 500 тыс. тонн хлора ежегодно перевозилось по железным дорогам. Эти объекты являются потенциально опасными для природных сред, в первую очередь для атмосферы.

Износ технологического оборудования в химическом комплексе составлял более 80 %, около половины магистральных трубопроводов эксплуатировалось более 20 лет, ремонт и замена изношенного оборудования намного отставали от потребностей. Около 200 водохранилищ, в их числе ряд особо крупных, эксплуатировались более 50 лет без требуемых реконструкции и ремонта. С каждым годом техногенная обстановка усложняется.

В сегодняшних условиях не исключается возможность террористических актов на потенциально опасных объектах и в местах массового скопления людей Ожидаемый максимальный совокупный материальный ущерб от чрезвычайных ситуаций различного характера может составлять заметную долю от национального дохода страны.

Ярким примером этого является авария на Чернобыльской АЭС. Только на преодоление последствий этого суперинцидента в конце XX века ежегодно затрачивалось около 20 % бюджета Белоруссии, до 12 % —

Украины, около 1 % — России. Расходы на ликвидацию последствий аварий и катастроф в России оказываются сравнимыми с затратами на некоторые статьи государственного бюджета. Крупные аварии на современных промышленных предприятиях и энергоемких объектах поражают своими негативными последствиями: материальными, социальными и экологическими.

Тем не менее при соответствующих мерах по прогнозированию и предупреждению чрезвычайных ситуаций, при своевременном принятии мер защиты последствия этих аварий могут быть локализованы, а в ряде случаев сведены к минимуму. Эти задачи лучше выполняются там, где налажено тесное сотрудничество органов власти, научных институтов, а также сил МЧС и населения.

Безусловно, многие катастрофы, стихийные бедствия и аварии имеют фатальный непредсказуемый характер — их невозможно предвидеть и предотвратить. Борьба за уменьшение ущербов и потерь от них должна быть важным элементов государственной политики страны, в основу которой положено прогнозирование предстоящего бедствия и своевременное оповещение людей о нем.

Отметим, что в настоящее время накоплено значительное количество лабораторных и экспериментальных данных о физических процессах, сопровождающих взрывы, пожары и токсические выбросы. Имеются также многочисленные математические модели этих процессов. Тем не менее многие важные данные, влияющие на процесс возникновения, развития и движения выбросов в реальной атмосфере изучены недостаточно. Слабо изучены экологические последствия происшествий, действие спасателей в различных аварийных ситуациях, рекультивация территорий и вопросы послеаварийного возвращения населения в районы бедствия.

Что касается аварий с выбросом токсикантов в атмосферу, то для активной борьбы с подобными инцидентами необходимо продолжить изучение:

— процессов развития крупномасштабных пожаров, взрывов и выбросов токсических веществ на открытой местности и в условиях городской застройки;

— влияния наличия горючих веществ, их доли в массе аварийного объекта и метеоусловий на характеристики возникновения и распространения аварийных выбросов;

— эффектов взаимодействия нескольких близких друг к другу очагов аварии на общую картину развития ситуации.

Ясно, что для получения недостающей информации и лучшего понимания происходящих при авариях процессов необходимы дополнительные экспериментальные данные, их анализ и широкое научное обсуждение, а также усовершенствование существующих математических моделей.

Представленная в настоящее время в литературных источниках информация о классификации аварий и их типизация по характеру возникающих источников загрязнения окружающей среды является запутанной, а иногда и противоречивой. Это объясняется отсутствием единой терминологии описания подобных ситуаций, а также неопределенностью в выборе исследователями определяющих параметров рассматриваемого физического процесса.

Существенным достижением в решении этой проблемы, на наш взгляд, является развитый в нашей книге подход к построению математических моделей аварийных выбросов, основывающийся на фазовом состоянии вещества. Он позволяет с единых позиций рассматривать широкий класс твердофазных и парогазовых атмосферных выбросов, используя для их описания универсальные системы уравнений.

Несмотря на то, что выбросы токсичных и загрязняющих веществ в крупных авариях и их свойства чрезвычайно важны, они при использовании своевременных математических моделей оцениваются весьма неточно. Это связано, в первую очередь, с некорректностью постановок задач, необоснованностью основанных предложений, а также с неполнотой знаний метеорологической обстановки при аварии и с невозможностью переноса данных моделирования аварий малого и среднего масштабов на крупномасштабные реальные происшествия.

Ясно, однако, что множество связанных с выбросами токсикантов вопросов может быть исследовано более точно, используя физическое моделирование отдельных процессов и разрабатывая реалистичные сценарии аварий.

В литературе имеется большой материал по аварийным происшествиям, связанным со взрывами и пожарами. Значительно меньше исследованы токсические выбросы (особенно задымления, запыления, токсические туманы), хотя их масштабы и последствия часто бывают несравненно более тяжелыми для общества. Причина этого в сложности и масштабности задач, а также в недостатке внимания к таким аварийным ситуациям. Практически вся жизненно важная для миллионов людей информация, связанная с отравляющими веществами, полностью закрыта для научной общественности, а богатый экспериментальный материал лежит втуне в секретных фондах и архивах арсеналов и научных институтов, оставаясь совершенно недосягаемым для специалистов.

В дальнейших работах по природоохранной и противоаварийной тематике следует проблема возникновения и развития токсических выбросов уделить повышенное внимание.

Литература

1. Маршалл В. Основные опасности химических производств — М.: Мир — 1989 — с. 672.

2. Водяник В.И. Взрывозащита технологического оборудования — М.: Химия — 1991 — с.256.

3. Романов В.И. О математическом моделировании турбулентных компактных выбросов В Трудах международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (МТТМ.-14), 4–7 июня 2001 г. Смоленск, 2001 г.

4. Романов В.И. Распространение облаков продуктов подрыва ТТР в атмосфере. Отчет ИПГ — М. — 1987 — 28 с.

5. Тостинцев Ю.А. Тепло— и массообмен в химически реагирующих системах, Сб. статей — Минск — 1983 — с. 3–11.

6. Орлова Т.И., Помазкин Д.В., Хазине В.М. Влияние стратифицированного ветрового потока на динамику конвективного подъема аэрозольного облака, Сб. научи, тр. «Динамические процессы во внутренних и внешних оболочках земли» ИДГ и РАН — М. — 1995 — 287 с.

7. Morton B.R., Taylor G.I., Turner J.S., Turbulent Gravitational Convection from Maintained and Instantaneous Sources, Proc. Roy. Soc., (London), Ser. A., 234, 1 — 23, 1956.

8. Вульфсон Н.И., Левин Л.М. Метеотрон как средство воздействия на атмосферу — М.: Гидрометеоиздат — 1987 — 131 с.

9. Андреев В., Панчев С. Динамика атмосферных термиков — Л.: Гидрометеоиздат — 1975 — 152 с.

10. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях — М.: Мир — 1977 — 429 с.

11. Скорер Р. Аэродинамика окружающей среды — М.: Мир — 1980 — 549 с.

12. Гебхарт В., Джахурия Й., Махаджан Р., Саммакия В. Свободноконвективные течения, тепло-и массообмен — т. 2 — М.: Мир — 1991 — 284 с.

13. Вульфсон Н.И., Левин Л.М. Нисходящий термик в неустойчивой атмосфере — Труды ИПГ — 1983 — Выл. 45 — с. 21–46.

14. Wang С.Р. Motion of an isolated buoyant thermal — Phys. of Fluid — v. 14 — № 8 — 1971 — p. 1643.

15. Hall W.S. The rise of an isolated thermal in wind schear — Q. J. Roy. Met. Soc. — 1962 — v. 88 — № 378.

16. Корф Э.И., Кац М.И. Техника безопасности и противопожарная техника в химической промышленности — М.: Высшая школа — 1961.

17. Гостинцев Ю.А., Копылов Н.П., Рыжов А.М., Хасанов И.Р. Численное моделирование конвективных движений над большими пожарами при различных атмосферных условиях — ФГВ — № 6 — 1991 — с. 10–17.

18. Математическое моделирование. Сб. под ред. Дж. Эндрюса и Р. Маклоуна — М.: Мир — 1979 — 248 с.

19. Математические модели рационального природопользования, Сб. под ред. В.В.Пененко, И.Б.Токина — Новосибирск: Наука — 1989 — 140 с.

20. Лотов А.В. Введение в экономико-математическое моделирование — М.: Наука — 1984 — 392 с.

21. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды — М. Наука — 1982.

22. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы — Л.: Гидрометеоиздат — 1975.

23. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды — Новосибирск: Наука. — 1985.

24. Malkus J.S. The slopes of cumulus cloud in relation to external wind shear — Q. J. Roy. Met. Soc.

— v. 78 — № 338 — 1952.

25. Природно-ресурсные ведомости — № 11, сентябрь 1999.

26. Романов В.И. Особенности распространения радиоактивных примесей вблизи радиационно опасного объекта. Атомная энергия, т. 78, вып. З, март 1995 г., С. 191–195.

27. Cotton W.R. Atmospheric convection and nuclear winter — Amer. Sci. — 1985 — 73 — № 3 — p. 275–280.

28. Penner J.E., Haselman L.C., Edwards L.L. Buoyant plume calculations — AIAA Pap. — 1985 — 459 — p. 1–9.

29. Голицын Г.С., Гостинцев Ю.А., Солодовник А.Ф. Турбулентная пла вучая струя в стратифицированной атмосфере// ПМТФ — 1989 — № 4 — с. 61–72.

30. Гостинцев Ю.А., Солодовник А.Ф. Мощный турбулентный термик в устойчиво стратифицированной атмосфере. Численное моделирование — ПМТФ — 1987 — № 1 — с. 47–53.

31. Махвиладзе Г.М., Мелихов О.И., Якуш С.Е. Подъем турбулентного осесимметричного термика в неоднородной сжимаемой атмосфере — ПМТФ — 1989

| — № 1 — с. 62–68.

32. Small R.D., Heikes K.E. Early cloud formation by large area fires — J. Appl. Meteorol. — 1988 -27 — № 5 — p. 654–663.

33. Вулъфсон Н.И., Левин Л.М. Исследование распространения струи метеотрона в облачной среде применительно к активным воздействиям — Физика облаков и активных воздействий. Труды ИПГ — М. — 1981 — Выл. 46 — с. 50–68.

34. Хргиан А.Х. Физика атмосферы — Л.: Гидрометеоиздат — 1978 — 654 с.

35. Ogura Y. Convection of isolated masses of buoyant fluid: a numerical colculation — J. Atm. Sci. — v. 19 — № 6 — 1962.

36. Антропов И.В., Кронрод B.A. О зависимости процесса эволюции термина в стратифицированной среде от начальных условий — Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана — т. 25 — № 12 — 1989 — с. 1261–1266.

37. Richards J.M. The effect of wind shear on puff. — Quart. J. R. Met. Soc. — 96 — 1970 — p. 702–714.

38. Онуфриев A.T. Теория движения вихревого кольца под действием силы тяжести. Подъем облака ядерного взрыва — ПМТФ — № 2 — 1967 — с. 3–28.

39. Коган Е.Л., Мазин И.Б., Сергеев Б.Н., Хворостьянов В.И. Численное моделирование облаков — М.: Гидрометеоиздат — 1984 — 213 с.

40. Гостинцев Ю.А., Лазарев В.В., Солодовник А.Ф., Шацких Ю.В. Турбулентный термин в стратифицированной атмосфере — Черноголовка (препринт) — 1985 — 14 с.

41. Романов В.И. Кратковременные выбросы загрязняющих веществ при работе ракетного испытательного стенда. Тез. докл. Всеросс. научно-прак-тич. конф. «Экология городов. Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии» — Самара: Изд. СГУ — 11–15 октября 1993.

42. Романов В.И. Характеристики клуба выхлопных газов стартующей ракеты — Космические исследования — 1995 — т. 33 — № 3 — с. 263–268.

43. Романов В.И. Формирование первичного атмосферного выброса при разрушительной аварии на АЭС — Атомная энергия — т. 78 — вып. 3 — 1995.

44. Романов В.И. Создание моделей формирования начального распределения примеси в атмосфере как источника загрязнений окружающей среды для различных сценариев аварий на радиационно опасных объектах, Раздел № 1 НИР «Создание геоинформационной системы для оценки прогноза последствий аварийных выбросов как элемента системы мониторинга загрязнений окружающей среды» — ИГКЭ — М. — 1996 — с. 5 — 16.

45. Романов В.И. Классификация источников загрязнения атмосферы и расчет полей концентраций загрязняющих веществ при работе стендов предприятия п/я Г-4461, гл. 2 НТО — ИПГ — М. — 1987 — с. 21–27.

46. Романов В.И. Метод расчета характеристик кратковременного испарительного выброса при аварийном проливе токсичного вещества — Химическая промышленность — № 6 — 1992 — с. 50–53.

47. Андрущенко В.А. Численное моделирование подъема приповерхностных термиков — Механика жидкости и газа — № 2 — 1989 — с. 129–135.

48. Baker W.E., Kulesz J.J., Ricker R.E., Bes-sey R.L., Westine P.S., Parr V.B., and Oldham G.A. Workbook for Predicting Pressure Wave and Fragment Effects of Exploding Propellant Tanks and Gas Storage Vessels, NASA CR-134906, NASA Lewis Research Center (November 1975).

49. Zaker T. A, Computer Programm for Predicting Casualties and Damage Explosives, Departament of Defense Explosives Safety Board, AD A012847, 1975.

50. Метеорология и атомная энергия — М.: Мир — 1971 — 648с.

51. Израэлъ Ю.А. и др. Радиоактивное загрязнение природных сред при подземных ядерных взрывах и методы его прогнозирования — Л.: Гидрометеоиздат — 1970 — 218 с.

52. Израэлъ Ю.А., Тер-Сааков АА., Казаков Ю.Е. Особенности радиоактивного загрязнения атмосферы и местности при одиночных и групповых подземных ядерных взрывах с выбросом грунта. Сб. «Атомные взрывы в мирных целях» — М.: Атомиздат — 1970 — 290 с.

53. Knox J. Radioactivity released from under-graund nuclear detonations: source, transport, diffusion and deposition, UCRL-50232, rev. 1, March 2, 1970, LRL.

54. Antohny M.V. An estimate of the mass and size distribution of fine particulate from a megation surface burst on rock, The Boeing Company, D2-125066-1, Oktober 1966.

55. Gault D.E., Shoemaker E.M., Moore H.J. Sprey ejected from the lunar surface by meteoroid impact, NASA TN D-1767, April 1963.

56. Moore H.J., Gault D.E., Lugn R.V. Experimental impact craters in basalt, Society of Mining Engineering Transaction, September 1963.

57. button R.J., Giracky F.E., Hunt R.W. Project Pre-Schooner geologic and engineering properties investigations. — PNE505F, Nuclear Cratering Group, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississippi, April 1967.

58. Удар, взрыв и разрушение. Сб. Механика — № 26 — М.: Мир — 1981 — 273 с.

59. Докучаев М.М., Родионов В.Н., Ромашов А.Н. Взрыв на выброс — М.: из-во АН СССР — 1963 — 288 с.

60. Ляхов Г.М. Основы динамики в грунтах и жидких средах — М.: Недра — 1964 — 346 с.

61. Власов О.Е. Основы динамики взрыва — М.: ВИА — 1945 — 307 с.

62. Романов В.И. и др. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую природную среду. Справочное пособие. — М.: Анкил — 2000 — 640 с.

63. Фетт В. Атмосферная пыль — ИЛ — М. —

1961.

64. Фукс Н.А. Механика аэрозолей — М.: Изд. АН СССР — 1955.

65. Махонько К.П. Возникновение ветрового переноса пыли над подстилающей поверхностью — Гидрометеорологический научно-исследовательский центр СССР — Обнинск — 1968 — с. 29–59.

66. Ricart A. Actuacion del viento sobre la tier-ra cultiva — Iberica, 378, 429–437, 1958.

67. Берлянд O.C., Прессман А.Я. Оценка влияния приземного слоя на осаждение тяжелой примеси из мгновенного точечного источника — ДАН СССР — 135 — 2 — 1960.

68. Телешов С.Г. Вопросы гидромеханики двухфазных смесей. 1. Уравнения гидродинамики и энергии — Вестник МГУ — 2 — 1958.

69. Дюнин А.К. Основы теории метелей — Изв. СО АН СССР — 12, 11–24, 1959.

70. Романов В.И. и др. ТО по теме «Разработка материалов по экологической безопасности КВРБ и сравнительный анализ последствий воздействия на окружающую природную среду изделия КВРБ и других изделий РКТ» — Научный центр Геофизик — М. — 1999 — 835 с.

71. Романов В.И. Разлет частиц при взрыве // Международный аэрозольный симпозиум — М.: НИХФИ, 21–25.03.1994 — том дополнит. — с. 87.

72. Романов В.И. Взрывной разлет частиц при ветре / Труды международного аэрозольного симпозиума IAS-2, Москва 10–14 июля 1995 г — т.1 — № 2

— М.: НИФХИ — с. 55.

73. Романов В.И. Математические модели кратковременных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при различных способах использования твердых ракетных топлив и оценка загрязнений ими окружающей среды — НТО ИГКЭ — 1997 — 345 с.

74. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, ОНД — 86.Л.: Гидрометеоиз-дат, — 1987.— 92 с.

75. Zaker Т.А. Fragment and Debris Hazards — Technical Paper N12 — Departament of Defense Explosives Safety Board — AD A013 634 (July 1975).

76. Постников А.Г., Чуйко B.C. Внешняя баллистика неуправляемых авиационных ракет и снарядов — М.: Машиностроение — 1985 — с. 248.

77. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др. Взрывные явления: оценка и последствия, в двух томах — М.: Мир — 1986.

78. Романов В.И. Горячие частицы в окрестностях объекта ядерной энергетики при гипотетической аварии взрывного характера — Атомная энергия

— т. 75 — вып. 5 — ноябрь 1993 — с. 377–381.

79. Романов В.И. Ударное воздействие частиц при взрывных авариях — Химическая промышленность — № 1 — 1994 — с. 57–60.

80. Ваум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва — М.: Наука — 1975 — 605 с.

81. Руководство международного агентства по атомной энергии по безопасности, МАГАТЭ. — Вена, — 1985 — 105 с.

82. Докучаев М.М., Родионов В.Н., Ромашов А.Н. Взрыв на выброс — М.: из-во АН СССР — 1963 — 288 с.

83. Израэль Ю.А., Петров В.Н., Прессман А.Я. и др. Радиоактивное загрязнение природных сред при подземных ядерных взрывах и методы его прогнозирования. — Л.: Гидрометеоиздат. — 1970. — 321 с.

84. Вапник В.Н., Глазкова Т.Г., Кощеев В.А. и др. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей. — МлНаука. — 1984, — 302 с.

85. Antohny M.V. An estimate of the mass and size distribution of fine particulate from a megation surface burst on rock — The Boeing Company — D2-125066-1, October 1966.

86. Гостинцев Ю.А., Солодовник А.Ф., Лазарев В.В. Журнал химической физики. — 1982, — № 9. — С. 1279–1290.

87. Россер Д., Ньютон Р., Гросс Г. Математическая теория полета неуправляемых ракет /Под ред. проф. Космодемьянского А.А. — М.: ИЛ — 1950 — с. 303.

88. Morton В.R.,Taylor G.Y., Turner J.S. Turbulent gravitational convection from maintained and instanteneous sources. — Proc.Royal Soc., London,1956. A234,№ 1196,p.1-23.

89. Rouse H., Jih С.-S., Humphreys H.W. Gravitational convection from a boundary source. Tel-lus,1952,v.4,p.201–210.

90. Брюханъ Ф.Ф. Оценка проинтегрированной по времени концентрации радиоактивных выбросов от атомных станций по аэрологическим данным. Труды института экспериментальной метеорологии, Вып. 51(142). — 1990. — С. 53–59.

91. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй — М.: Физматгиз — 1960.

92. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика — М.: Наука — 1969.

93. By лис Л.А., Кашкаров Т.А. Теория струй вязкой жидкости — М.: Наука — 1965.

94. By лис Л.А., Ершин И.А., Ярин Л.П. — Основы теории газового факела — Л.: Энергия — 1968.

95. Голубев В.А., Климкин В.Ф. — Исследование турбулентных затопленных струй газа различной плотности — ИФЖ — т. XXXIV — № 3 — 1978.

96. Ricou F.H., Spolding D.B. Measurement of entrainment by axisimmetrical turbulent jets — J.Fluid Mech. — 1961 — v.ll — p. 21–32.

97. Шец Дж. — Турбулентное течение, процессы вдува и перемешивания — Из-во «Мир» — 1984.

98. Вай-ши-и. Теория струй — М.: Физматгиз —

1960.

99. Гиневский А.С. Турбулентные неизотермические струи сжимаемого газа переменного состава — Промышленная аэродинамика — вып. 27 — 1986.

100. Романов В.И. Высота подъема кратковременного выброса в стратифицированной атмосфере — Труды международного семинара по теме: Современные методы математического моделирования распространения примесей в атмосфере при нарушении нормальных условий эксплуатации АЭС — М. — 11–14 июля 1989 г.

101. Гебхарт В., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия В. Свободноконвективные течения, тепло— и массообмен// Под ред. О.Г.Мартыненко — М.: Мир — 1991.

102. Андреев Ю.А., Амелъчугова С.В., Амелъ-чугов С.П. Прогнозирование обстановки с пожарами с учетом влияния антропогенных и погодных условий. В тр. IV научно-практической конференции Всероссийского центра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера (АНТИСТИХИЯ), — 19–20 окт. 2004 г. — с. 22–24.

103. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы: Оценка и предупреждение — М.: Химия — 1991 — 431 с.

104. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования — М.: Издательство стандартов — 1996 — 165 с.

105. Crowl D.A., Louvar J.F. Chemical Process Safety with Applications — Prentice Hall, New Jersey — 1990 — 426 p.

106. Сафонов B.C., Одишария Г.Э., Швыряев АЛ. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности — М.: НУМЦ Минприроды России — 1996 — 208 с.

107. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Функционирование и развитие сложных народно-хозяйственных, технических, энергетических, транспортных систем и систем связи и коммуникации — М.: МГФ «Знание» — 1998.

108. Risk Assessment and Risk Management for the Chemical Process Industry. Ed. By Greenberg H.R., Cramer J.J. — N.-Y.: Van Nostrand Reinhold Company — 1991 — 315 p.

109. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Введение в инженерную экологию — М.: Наука — 1989 — 376 с.

110. Method for Determination of Possible Damage to People and Objects Resulting from Releases of Hazardous Materials — Hague, Voorburg, TNO «GRE-ENBOOK» — 1989.

111. Белов П.Г. Моделирование опасных процессов в атмосфере — М. — 1999 — 124 с.

112. Экологическое страхование в газовой промышленности: Информационные, методические и модельные аспекты // Лесных В.В., Шангареева Е.Ю., Владимирова Е.П., Белов Н.С. и др. — Новосибирск: Наука — 1996 — 139 с.

113. Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis. N-Y. Center for Chemical Process Safety of American Institute of Chemical Engineers, N-Y., — 1989. — 589 p.

114. Кимстач И.Ф., Девлишев П.П., Евтюшкин Н.М. Пожарная тактика — М.: Стройиздат — 1984. — 75 с.

115. Методика оценки последствий аварий на пожаро-, взрывоопасных объектах — Мл Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, — 1994. — 42с.

116. Mudan К. Thermal Radiation Hazard from Hydrocarbon Pool Fires — Propr. Energy and Combust. Sci. — 1984 — v. 10 — № 1 — p. 59–80.

117. Арсеньев Ю.Н., Бушинский В.И., Фатуев В.А. Принципы техногенной безопасности производств и построения систем управления риском /Учебное пособие — Тула: ТГТУ — 1994 — 109 с.

118. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С., Шевяков А.Н. Термогазодинамика пожаров в помещениях — М.: Стройиздат — 1998 — 415 с.

119. Алексашенко А.А., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С. Тепломассоперенос при пожаре — М.: Стройиздат — 1982 — 173 с.

120. Заславский Б.И., Юрьев Б.В. Исследование движения приповерхностного термика // ПМТФ — 1987 — № 3 — с. 81–87.

121. Братсерт У.Х. Испарение в атмосферу, теория, история, приложения. Л.: Гидрометеоиздат, —

1985. — 351 с.

122. Берлянд М.Е., О нику л Р.И., Рябова Г.В. К теории атмосферной диффузии в условиях тумана — Труды ГГО, 1968, вып. 207.

123. Dalton J. Experimental essays on the constitution of mixed gases — Mem. Manchester Lit. and Philos. Soc. — 5 — 1802 — p. 535–602.

124. Soldner. Veber das allgemeine Gesetz fur die Expansivkraft des Wasserdampfes durch Warme, nach Dalton’s Versuchen — Ann. d. Phys. (Gilbert) — 1804 — 17 — s. 44–81.

125. Weilenmann A. Die Verdunstung des Was-sers — Schweizerische Meteorologische Beobachtungen — Zurich — 1877 — 12 — p. 7–37.

126. Stelling Ed. Veber die Abhangigkeit der Verdungstung des Wassers von seiner Temperatur und von der Feughtigkeit und Bewegung der Luft (Vorge-legt 1881) (Метеорологический сборник Императорской Академии наук — С.-Пб. — т.8 — № 3 — с. 1–49).

127. Machta L. Bull. Amer. Meteor. Soc., 31, № 6, 1950.

128. Fick A. Veber diffusion — Ann. Phys. u. Che-mie. (J.C. Poggendorff) — 1855 — 94(170) — p. 59–86.

129. Берлянд M.E., Канчан Я.С. Труды ТГО -1973 — вып. 293 — с. 3–20.

130. Будыко М.И. Испарение в естественных условиях — Л.: Гидрометеоиздат — 1986 — 136 с.

131. Гаврилов Ю. Взбесившийся арсенал, «Московский комсомолец» от 18 октября 2002 г.

132. Матвеев Л.Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат., 1965.

133. Романов В.И. НТО «Экспериментальные данные о характеристиках выбросов продуктов взрыва в атмосферу при ликвидациях твердотопливных ракет на полигонах Капустин Яр и Сарыозек и их анализ», — М: ИГКЭ. — 1997. — 113 с.

134. Радиоактивное загрязнение природных сред при подземных ядерных взрывах и методы его прогнозирования, под. ред. Израэля Ю.А.. — Л.: Гидрометеоиздат., — 1970.

135. Каверин В.Н. Исследование радиоактивного заражения атмосферы при камуфлетных ядерных взрывах. Кандидатская диссертация, — 1974

136. Двойнишников В.А., Хритинин А.Ф., Молчанов В.А., Трофимченко С.И. Расчет характеристик одиночной круглой струи в сносящем потоке, Изв. вузов. Энерг., № 6, — 1984. — С. 75–79.

137. Волков Э.П. Исследование подъема факела над устьем газоотводящих труб, Инженерно-физический журнал. — 1979. XXXVI —№ 4 —с. 700–707.

138. Веер В. Техническая метеорология. Пер. с немецкого под. ред. Качурина Л.Г. —Л.: Гидрометеоиздат., — 1966. — 291 с.

139. Briggs G.A. Plume rise predictions. In: Lectures on air pollution and environmental impact analyses. American Meteorological society, Boston, 1975, p. 59–111.

140. Granier J.P., Saab A. Bull. Dir. efud. et rech. 1982 A, № 3–4, 59–75.

141. Hanna S.R. Review of atmospheric diffusion models for regulatory applications, World meteorological organization, Technical Note № 177, Geneva, 1982.

142. Irwin J.S. A theoretical variation of the wind profile power law exponent as a function of surface roughness and stability. Atmos. Environ., 13, p. 191–194.

143. Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1974, — 191 с.

144. Теверовский Е.Н., Артемова Н.Е., Бондарев А.А. и др. Допустимые выбросы радиоактивных и химических веществ в атмосферу. — М.: Энергоатомиздат., 1985, —216 с.

145. Заморский А.Д. Атмосферные явления, — Л.: Гидрометеоиздат., 1959.

146. Воробьев В.И. Синоптическая метеорология. — Л.: Гидрометеоиздат., 1991. — 616 с.

147. Русин И.Н. Современные методы метеорологического прогноза. Уч. пособие. — Л.: Изд. ЛИИ (ЛГМИ), 1987.

148. Методика определения нормированных уровней выбросов загрязняющих веществ в атмосферу МРН — 83, Приложение к книге «Допустимые выбросы радиоактивных и химических веществ в атмосферу». — М.: Энергоатмиздат. 1985. — С. 195–201.

149. Романов В.И. Феноменологические зависимости аварий от условий окружающей среды. В трудах V научно-практической конференции МЧС России. — 15–16 ноября 2005 г. — М.: 2005.

150. Штрайхер Д. Шнайдер Б. Влияние входных метеорологических параметров модели рассеивания примесей на результаты расчета концентраций, Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы: Итоги сотрудничества соц. стран. — Вып. 3, Л., 1988, — с. 49–54.

151. Тищенко О.П., Романов В.И. Влияние конфигурации первичного атмосферного источника, формирующегося при аварийном взрыве, на поле концентраций и радиационную остановку в районе АЭС, В сб. международного семинара «Современные методы математического моделирования распространения радиоактивных примесей в атмосфере при нарушении нормальных условий эксплуатации АЭС», — 11–14 июля 1989 г., — М.: Интератомэнерго, — с. 116–125.

152. Романов В.И. Высота подъема кратковременного выброса в стратифицированной атмосфере. — М.: Интератомэнерго. — с. 110–115.

153. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте, ДД52.04.253-90. — Л.: Гидрометеоиздат., 1991.

154. Таунсенд А.А. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом, Пер. с анг. под. ред. Колмогорова А.Н.. — М.: ИЛ, 1959.

155. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. — М.: Наука. 1970, — 104 с.

156. Лобанов А.Н. Фотография. — М.: Недра, 1968. — 336 с.

157. Вериташвили В.Ш., Ломинадзе В.П. Размеры вершин конвективных облаков. Изв. АН СССР, сер. физ. атм. и океана, т. 5., № 10 (1969), С. 1033–1035.

158. Пащенков В.З. Радио— и свето— дальномеры. — М.: Недра, 1980. — 218 с.

159. Данилъченко В.П. и др. Исследования в области метрологического обеспечения дальнометрии, — Л.: Изд. инст. дальномерии, 1981, — 336 с.

160. Ламб Г. Гидродинамика. — Гостехиздат.,

1947.

161. Саст Ю.Е., Ревич В.А. и др. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990, — 335 с.

162. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Издание штаба гражданской обороны СССР и Государственного комитета СССР по гидрометеорологии. М, 1989, — 27 с.

163. Петров В.Н., Прессман А.Я. Оценка влияния турбулентного рассеяния по вертикали и в направлении ветра на распространение полидисперсной примеси. ДАН СССР, т. 146, № 1, 1962, с. 86–88.

164. Методика расчета выбросов от источников горения при разливе нефти и нефтепродуктов. Приложение 1 к приказу ГК РФ по охране окружающей среды от 05.03.97 № 90.

165. Хоружая Т.А. Оценка экологической опасности. Обеспечение безопасности, методы оценки рисков, мониторинг. М.: Книга сервис, 2002, — 208 с.

166. Иванов Я.Н., Муравкин В.Н., Соковиков В.В. Разработка новых и усовершенствование методов обеспечения взрывобезопасной работы оборудования для подготовки и сжигания твердых, жидких и газообразных топлив на ТЭС. Уточнения отдельных пунктов правил взрывобезопасности// Отчет по научно-исследовательской работе, Арх. № 12736, — М.:ВТИ, 1985.

167. Петросян Р.А., Полферов К.Я., Соковиков B. В. Разработка методов и средств повышения взрывобезопасности ГРЭС КАТЭКа. Повышение взрывобезопасности топливоподачи электростанций// Отчет по научно-исследовательской работе, Арх. № 13740, — М.: ВТИ, 1989.

168. Расчет выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при неконтролируемом горении нефти и нефтепродуктов. Методика «БелНИПИэнергопром» 0212.15–99.

169. Стандарт СЭВ-ст. СЭВ 383-76: Противопожарные нормы строительного проектирования. Термины и определения. — 1979.

170. Романов В.И. Аварии триггерного типа — близкое завтра химического оружия. Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Сборник материалов V научно-практической конференции МЧС России. 15–16 ноября 2005 г. — М., 2005. — C. 110–111.

171. Романов В.И. Аварии нового типа — феномен химического оружия. Издание «Зеленого креста», — Ижевск, 2006. (в печати).

172. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Физматгиз., 1959. — 608 с.

173. Фурсова П.В., Левин А.П. Математическое моделирование в экологии сообществ. Проблемы окружающей среды (обзорная информация ВИНИТИ), № 9, 2002.

Приложение № 1

Справочная таблица взрывоопасных и токсичных веществ по ГОСТ 51330.19–99, ГОСТ 12.1.005-88, и ВСН 64-86

Обозначения в таблице:

ПДК (НАС) — предельно-допустимая концентрация токсичного вещества среднесуточная (в течение 8 часов).

ПДК (НАТС) — предельно-допустимая концентрация токсичного вещества максимальная разовая (в течение суток).

НКПР (LEL) — нижний концентрационный предел распространения пламени (минимальная концентрация горючего газа или паров при которой возможен взрыв).

ВКПР — верхний концентрационный предел распространения пламени (максимальная концентрация горючего газа при которой возможен взрыв).

х — неопределяемая величина.

*3начение при О С

Формулы для перевода концентрации из одной размерности в другую:

С% об= С мг/м^3 х 2,4 10^3/ М

Cppm= С мг/м^3 х 2,4 10^3/ М

С мг/м^3= С%об х М х 0,0446

С мг/м^3= С ppm х М х 446

1 ppm=10 4 % об

1% об=10^4 ppm=10^7 ppb

где М — молекулярная масса молекулы газа г/ моль

В связи с округлением величин и использованием данных разных источников, переводные коэффициенты являются ориентировочными.

Приложение № 2

Токсические свойства и медико-биологические характеристики сильнодействующих ядовитых веществ

Классификация СДЯВ:

Сильнодействующие ядовитые вещество (СДЯВ) — это химические вещества, применяемые в народнохозяйственных целях, которые при выл иве или выбросе могут приводить к заражению воздуха с поражающими концентрациями [162].

По степени воздействия на живые организмы сильнодействующие ядовитые вещества подразделяются на 4 класса:

1 класс — чрезвычайно опасные;

2 класс — высокоопасные;

3 класс — умеренно опасные;

4 класс — малоопасные.

Вредность или токсичность опасного продукта зависит от состава, структуры, физических и химических свойств конкретного вещества. Время поражения определяется также условиями хранения. Для газообразных СДЯВ это может быть от нескольких секунд до нескольких суток.

По характеру воздействия наиболее распространенные СДЯВ различают:

• Поражающие нервную систему:

— аммиак, — бензин, — спирт, — анилин, — сероводород…

• Поражающие печень:

— фосфор, — селен…

• Поражающие кровь:

— цианиды, — нитросоединения, — бензол, — толуол,

— свинец и его соединения.

• Поражающие дыхание:

— хлор, — аммиак, — туманы кислот, — сернистый газ, — окись азота, — бензол, — нафталин, — силикатная пыль…

• Поражающие кожные покровы:

Кислоты: — серная, — азотная, — соляная, — синильная, — уксусная. Щелочи: — ангидриды, — хроматы,

— фенолы.

• Канцерогенные вещества:

— нефтепродукты, — пестициды, — гербициды…

• Общеядовитого действия (поражающие нескольких органов, либо весь организм):

— синильная кислота, — ртуть, — радиоактивные вещества.

При химической аварии внутри ареала загрязнения возникают очаги химического поражения (ОХП) т. е. территория, в пределах которой происходит массовое загрязнение и поражение людей, представителей животного и растительного мира. Зона поражения СДЯВ — территория, зараженная СДЯВ в опасных для жизни людей пределах. Она включает участок разлива (выброса) СДЯВ и территорию, над которой распространялись пары этих веществ в поражающих концентрациях 162]. В зоне химического загрязнения могут быть несколько очагов химического поражения.

Очаг химического поражения характеризуется стойкостью (временем формирования и продолжительность действия) и быстротой действия СДЯВ на живой организм. Различают следующие ОХП:

1. стойкий быстродействующий (симптомы отравления возникают в первые минуты)

2. стойкий медленнодействующий (часы-десятки часов)

3. нестойкий быстродействующий (минуты-десятки минут)

4. нестойкий медленнодействующий (часы-десятки часов)

Практическое значение данная классификация имеет в том отношении, что от типа очага меняется тактика экстренной медицинской помощи, характер защиты людей и их поведения при возникновении того или иного ОХП.

В медико-тактическом отношении ОХП характеризуются:

— внезапностью поражения

— массовостью поражений

— наличием комбинированных поражений

— загрязнением окружающей среды.

При экологической химической катастрофе применяется понятие долговременного ОХП, когда биосфера (водоисточники, планктон, почва, растения) загрязняются на длительный период и создается неблагоприятная санитарно-гигиеническая обстановка на многие месяцы или годы. Такие последствия имеют мутагенные, канцерогенные и эмбриотоксические СДЯВ.

Для быстродействующего ОХП характерно:

— одномоментное поражение большого количества людей в короткий промежуток времени;

— преобладание тяжелых поражений и быстрое развитие интоксикации;

— дефицит времени у медицинской службы, для изменения повседневной организации работ и приведение ее в соответствие с возникшей обстановкой;

— необходимость оказания экстренной и эффективной медицинской помощи в ОХП в сжатые сроки;

— необходимость проведения санитарной обработки на всей зараженной территории;

— немедленная эвакуация пораженных из ОХП в один рейс.

Для медленнодействующего ОХП характерно:

— постепенное проявление признаков поражения (часы);

— необходимость выявления пораженных среди населения далеко за пределами ОХП;

— наличие некоторого временного резерва у медицинской службы, для коррекции работы и планирования действий с учетом обстановки;

— возможность эвакуации пораженных из ОХП в несколько рейсов, по мере их выявления.

В очаге поражения стойкими веществами продолжительное время (более 1 часа) сохраняется опасность заражения. Она сохраняется некоторое время и после выхода из очага за счет десорбции СДЯВ с одежды или в результате контакта с зараженным транспортом и различным имуществом.

По степени воздействия на организм человека СДЯВ распределяют на 4 класса: чрезвычайно опасные, к высоко опасные; к умеренно опасные; к мало опасные. В отдельных случаях, при авариях сопровождающихся взрывами, пожарами, затоплениями, из малотоксичных веществ могут образовываться высокотоксичные в виде продуктов горения, разложения или при химических реакций между мало опасными токсикантами.

Токсическое действие СДЯВ на организм определяется следующими факторами:

• Физическими свойствами (агрегатное состояние, растворимость в воде, липидах, жирах, скорость гидролиза, теплота испарения, летучесть, плотность паров, коррозийная активность, температура возгорания, пожаро— и взрывоопасность).

• Химическими свойствами, которые необходимо учитывать при проведении дегазации, индикации, антидототерапии.

• Путями поступления в организм, от которых зависит быстрота развития симптоматики поражений, тяжесть состояния, симптомы местного действия СДЯВ. (ингаляционный, перекутанный, пероральный, трансраневой).

• Видом действия (рефлекторное, местное, обще резорбтивное).

• Факторами токсической концентрации в воздухе, воде, пище.

По скорости поражения СДЯВ подразделяются на:

1. Стойкие быстродействующие (ФОС, анилин, фурфурол) с поражающим действие от нескольких часов до недель и месяцев. Они не имеют скрытого периода и в течение нескольких минут приводят к летальному исходу).

2. Нестойкие быстродействующие (синильная кислота, аммиак, оксид углерода, акрилонитрил, метилизоцианат) с поражающим действием до десятки минут; имеют латентный период.

3. Стойкие замедленного действия (серная кислота, тетраэтилсвинец)

4. Нестойкие замедленного действия (фосген, азотная кислота, хлорпикрин)

На стойкость СДЯВ влияют такие факторы, как их количество в момент аварии, метеорологические условия, характер местности и т. д.

Клиническая классификация СДЯВ

В зависимости от поражающего действия на организм человека токсичные вещества подразделяются на группы:

Вещества преимущественно удушающего действия с ингаляционным поражением.

К ним относятся хлор, хлорпикрин, фосген, треххлористый фосфор, хлориды серы. Воздействуя на слизистые оболочки, вызывают их раздражение и воспалительно-некротические изменения. Патологический процесс может развиваться быстро и бурно при контакте с одними веществами, а с другими группами СДЯВ может быть скрытый период (мнимого благополучия). Пострадавшие чувствуют себя вполне удовлетворительно, но через несколько часов или суток, внезапно развивается острый токсический отек легких. Скрытый период значительно сокращается при физической нагрузке или переохлаждении.

Вещества преимущественно общеядовитого действия

Оксид углерода, синильная кислота и ее соли, динитрофенол, этиленхлоргидрин. Эти вещества вступают во взаимодействие с биохимическими структурами организма, вызывая острые нарушения энергетического обмена. При тяжелых отравлениях приводят к летальному исходу.

Эти СДЯВ делятся на яды крови (мышьяковистый водород, СО, оксиды азота, сернистый ангидрид) и на тканевые яды (цианиды, сероводород, акрилонитрил, динитрофенол). Для общеядовитых веществ характерно бурное течение интоксикации. Нередко от первых симптомов поражения до летального исхода проходит всего несколько минут за счет нарушения функций центральной нервной системы и расстройства механизма регуляции дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Теряется сознание, развиваются вегетативные реакции, судорожный синдром, кома.

Вещества удушающего и общеядовитого действия

Такими веществами являются азотная кислота, мышьяковистый водород, сернистый ангидрид, сероводород, окислы азота. Они вызывают отек легких, а при резорбции оказывают общеядовитое действие. Многие представители этой группы обладают сильнейшим прижигающим действием.

Нейротропные яды

Ими явдяются фосфорорганические соединения (ФОС) и сероуглерод. Воздействуют на пациента угнетающе, негативно воздействуя на передачу нервного импульса, приводят к нарушению поведения пораженного и могут привести к его гибели. Почти все ФОС — жидкости, хорошо растворимые в органических растворителях и сравнительно недолго сохраняющиеся во внешней среде. При отравлении этими ядами характерно бурное течение интоксикации, нарушаются функции жизненно важных органов, изменяется психический статус, часто развивается судорожный синдром и кома.

Вещества удушающего и нейротропного действия

Таким веществом является аммиак, оказывающий на пораженного ингаляционное воздействие. В течение часа возникает токсический отек легких, на фоне которого формируется тяжелое поражение нервной системы. С первых минут после поражения, кроме того, проявляется обще резорбтивное и раздражающее действие. Вызывается рефлекторный ларингоспазм, угнетение дыхательного и сосудодвигательного центров. В отдаленный период поражение парами аммиака приводит к развитию воспалительных процессов верхних дыхательных путей и токсическому отеку легких. Аммиак оказывает выраженное действие на ЦНС— приводит к возбуждению, возникают судороги.

Метаболические яды

Такими токсикантами являются бромистый этил, диоксин, метил хлорид. Эти продукты нарушают обмен веществ в организме; имеют длительный скрытый период. Даже при смертельных отравлениях от первых проявлений до летального исхода могут пройти недели, а иногда и месяцы. Ведущим поражением является нарушение сердечнососудистой и центральной нервной систем, а также работы паренхиматозных органов.

Метаболические яды являются причиной быстрого нарушения у пораженных сознания, развития коллапса, судорожного синдрома, острой гипоксии, комы. Пострадавшим с данными проявлениями требуется оказание неотложной помощи по жизненным показаниям.

В основных производствах нефтехимии, при аварийных выбросах во внешнюю среду попадает большое количество непредельных, ароматических углеводородов (ПАУ), обладающих наркотическим действием при угнетении центров продолговатого мозга. При интенсивной форме отравления наблюдается мгновенная смерть, для легкой формы характерно состояние опьянения, двигательное возбуждение с последующим коллапсом и кратковременной потерей сознания. При отравлении средней тяжести наблюдается стопор, фибриллярные подергивания скелетной мускулатуры, переходящие в клонико-тонические судороги с развитием в дальнейшем комы. Состояние усугубляется перевозбуждением вегетативной системы-ларингоспазмом, бронхореей, бронхоспазмом, неукротимой рвотой. В соматогенной фазе возможны токсическая энцефалопатия, миокардиодистрофия, гепаторенальный синдром.

Наиболее токсичными СДЯВ в настоящее время признаны диоксины. Эти вещества называют «химическим СПИДом» по схожести воздействия этих ядовитых и устойчивых к разложению веществ на иммунную систему человека. Диоксины образуются на некоторых химических производствах, при горении нефтепродуктов, во время сжигания промышленных и бытовых отходов и твердых ракетных топлив. Большая часть (около 90 %) этих сильнейших канцерогенов попадают в человеческий организм с пищей: мясом, молоком, яйцами и жирами.

Диоксины представляют собой кристаллическое вещество, легко распыляющееся в воздухе и проникающее в организм через органы дыхания, кожные покровы и желудочно-кишечный тракт. Разрушается при температуре свыше 1000 градусов; относится к медленнодействующим веществам. Первые признаки поражения, даже при поступлении в организм смертельных доз, проявляются не ранее 5–7 дня. Появляются: головная боль, тошнота, рвота, слезотечение.

Спустя 1–2 недели на веках, под глазами, на щеках обнаруживается угреподобная сыпь (хлоракне), которая в дальнейшем может распространяться на кожу других областей тела. Эти высыпания сопровождаются зудом. Появляются боли в правом подреберье, исчезает аппетит, увеличивается печень. При тяжелых отравлениях к этим симптомам добавляются: мышечная слабость, боли в мышцах и суставах, снижение слуха и чувствительности к запахам, депрессия, выпадение волос, снижение массы тела, невриты, панкреатиты, гепатиты, пневмония, почечная недостаточность.

Content

Вадим Романов
Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

Введение

Глава I Аварии с выбросом загрязняющих веществ в атмосферу и вопросы их математического моделирования

1.1. Понятие выброса и классификация аварий

1.2. Сценарии развития аварийных ситуаций и их хронология

1.3. Математическое моделирование атмосферных выбросов

1.4. Типизация выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

1.5. Определяющие параметры физико-математических моделей

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

1.7. Зависимость аварий от условий окружающей среды

Глава II Описание аварий, оценка их физических характеристик, факторы опасности

2.1. Взрывы

2.2. Факторы рисков опасных воздействий взрывов

2.3. Пожары

2.4. Расчеты физических характеристик пожара

2.5. Методика расчета температурного режима пожара в помещении

2.6. Факторы рисков опасных воздействий пожаров

2.7. Токсичные выбросы

Глава III Турбулентные выбросы в атмосфере

3.1. Атмосферная диффузия и вовлечение окружающей среды в выброс

3.2. Параметры расширения струй и клубов

3.3. Связь устойчивости атмосферы с погодными условиями и метеорологическими параметрами

3.4. Геометрические характеристики формирующихся кратковременных выбросов

3.5. Аэродинамическое сопротивление движению в потоке

3.6. Особенности атмосферного движения и распада выбросов

3.7. Измерения геометрических и динамических характеристик выбросов

3.8. Высоты подъемов выбросов в атмосфере

3.9. Выбросы в стратифицированной атмосфере

3.10. Высота стабилизации вещества выброса

3.11. Рассеивание примесей из вторичных источников

Глава IV Примеры построения математических моделей опасных атмосферных явлений

4.1. Струи

4.2. Клубы

4.3. Термики

4.4. Тепловые колонки

4.5. Дымления, испарения, туманы

4.6. Взрывной разлет твердых и жидких частиц

4.7. Ветровой перенос пыли

Глава V Экологические опасности аварийных и бытовых выбросов

5.1. Вредные вещества, поступающие в атмосферу при пожарах

5.2. Загрязнения атмосферы при взрывах

5.3. Поступление в атмосферу токсичных продуктов при испарении проливов

5.4. Опасность сжигания бытового мусора

5.5. Опасные воздействия и вредные вещества в быту

Заключение

Литература

Приложение № 1 Справочная таблица взрывоопасных и токсичных веществ по ГОСТ 51330.19–99, ГОСТ 12.1.005-88, и ВСН 64-86

Приложение № 2 Токсические свойства и медико-биологические характеристики сильнодействующих ядовитых веществ