Математика от А до Я: Справочное пособие (издание третье с дополнениями) - Романов Алексей Михайлович

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.