8.1. Краткая характеристика этапов процесса причинения техногенного ущерба

Статистика современных аварий, катастроф и несчастных слу­чаев с людьми свидетельствует: наибольший техногенный ущерб |людским, материальным и природным ресурсам ныне связан с тожарами и происшествиями на транспорте, а также с взрывами разрушениями зданий. Большинство же техногенных происше-вий обусловлено неконтролируемым высвобождением кинети­ческой энергии движущихся машин и механизмов, а также по-!генциальной или химической энергией, накопленной в сосудах {Высокого давления и топливовоздушных смесях, конденсирован-

217

ных взрывчатых веществах, ядовитых технических жидкостях и других вредных веществах.

К основным поражающим факторам техногенного характера, обычно относят: а) термический (тепловое излучение, «удар» пла­менем или криогенным веществом) — 56 % от общего числа при­чин разрушительного воздействия; б) бризантно-фугасный (дро­бящее, метательное или осколочное воздействие движущихся тел, включая непосредственные продукты взрыва) — 29 %, в) агрес­сивные или токсичные свойства вредных или аварийно опасных химических веществ — около 10 %.

Приведенные данные свидетельствуют о чрезвычайном много­образии обстоятельств проявления техногенных происшествий и разрушительного воздействия на различные ресурсы перечислен­ных выше и иных факторов. Вот почему их детальное рассмотре­ние удобно провести после декомпозиции всего процесса причи­нения техногенного ущерба на ряд стадий, подобно тому как это уже делалось ранее — при построении дерева событий (см. разд. 5.3). Напомним, что там были выделены следующие четыре этапа или стадии:

1. высвобождение (расконсервация) накопленной в челове- комашинной системе энергии или запасов вредного вещества вследствие возникшей там аварии;

2. неконтролируемое распространение (трансляция) их пото­ ков в процессе истечения вещества и энергии в новую для них среду и перемещения в ней;

3. физико-химическое их превращение (трансформация) там с дополнительным энерговыделением и переходом в новое агре­ гатное или фазовое состояние;

4. разрушительное воздействие (адсорбция) первичных пото­ ков и/или наведенных ими поражающих факторов на не защи­ щенные от них объекты. _%

Последовательно и кратко охарактеризуем все перечисленные этапы, обращая внимание на их особенности, а также на те со­четания уже упомянутых и других факторов, которые имеют су­щественное значение для последующего моделирования и сис­темного анализа всего рассматриваемого здесь процесса причи­нения техногенного ущерба. Преимущественное внимание при этом уделим поведению аварийно-опасных химических веществ. Это вызвано тем, что большинство видов энергии (кроме меха­нической и тепловой) высвобождается и распространяется прак­тически мгновенно и без существенного изменения ее парамет­ров в пределах рассматриваемого здесь сравнительно малого вре­мени или пространства.

Характеристику первого этапа, т.е. процесса расконсерва­ции аварийно-опасных энергии и вещества, накопленных в объек­тах техносферы, проведем путем ответа на такие три вопроса:

218

| а) что высвобождается;

б) откуда или из чего оно истекает;

в) каким образом это случилось или происходит. При этом ос- вное внимание при ответе на каждый из них будет уделено со- ветственно физико-химическим свойствам вещества или энер- I, их высвобождающемуся количеству и динамике (изменению времени) рассматриваемого процесса.

Возможны такие основные варианты ответа на эти вопросы: твердое тело или вещество — газообразное, жидкое, газока-иьное или порошкообразное, которое может быть инертным и |еинертным или меняющим и не меняющим свое агрегатное со-эяние после высвобождения, а также энергия — в форме дви-кся тел или потока невидимых частиц-волн; б) из генерато-(компрессора, насоса, источника энергии) или аккумулятора емкости) — через образовавшуюся в них трещину либо отверстие; |) практически мгновенно (залповый выброс), непрерывно — с зостоянным или переменным расходом и эпизодически — регу-эно или случайным образом.

Целью системного анализа и моделирования данной стадии дожет служить прогнозирование таких ее параметров, как коли­чество внезапно или постепенно высвободившегося вредного ве­щества, интенсивность и продолжительность его истечения, а также гсотность потока тел либо частиц и напряженность электромаг-тгных полей или ионизирующих излучений.

Особенности протекания второго этапа рассматриваемого эоцесса обусловлены как перечисленными только что фактора-1, так и спецификой пространства, заполняемого веществом или Находящегося между источником энергии и подверженным ее воз-|ействию объектом. Чаще всего это пространство может быть трех-лерным (атмосфера, водоем, почва), иметь заполнение — нео-тородное или однородное, неподвижное или подвижное (несу-среду), обладать фактически бесконечными размерами или Ограничиваться другой средой, способной поглощать или отра-сать потоки энергии или вещества.

С учетом данного обстоятельства возможны различные сочета­ет существенных для энерго- массо- и потокообразования фак-эров, приводящих к различным сценариям: начиная с растекания 1ких веществ по твердой поверхности и завершая заполнением сего пространства смесью аэрозоли, газа и/или жидкости. Учи-.юая практическую нецелесообразность детального рассмотрения всех действительно возможных сценариев, в последующем огра-1ичимся лишь теми из них, которые связаны с распространением арийно-опасных химических веществ и более естественной для эдей (воздушной) среде пребывания. Сделаем это последователь-■ю: с учетом и без учета реально протекающих там атмосферных троцессов.

219

Если не учитывать подвижность атмосферы, то можно утверж­дать о подверженности распространения в ней газообразных ве­ществ некоторым базовым тенденциям. Они проявляются обычно в образовании либо облака (для залпового выброса газов), либо шлейфа (для их непрерывного истечения), которые затем ведут себя соответственно следующим образом: а) стелятся над повер­хностью или постепенно приближаются к ней — для тяжелых га­зов, б) касаются земли или распространяются параллельно ее поверхности — для нейтральных и в) поднимаются в виде гриба или расширяющегося конуса, поперечные сечения которых назы­ваются «термиками» (интенсивно перемешиваемыми образовани­ями с поднимающимися легкими потоками внутри и опускаю­щимися из-за охлаждения более плотными снаружи — для легких газов.

В случае же учета реальной подвижности рассматриваемой здесь несущей среды (скорости ветра U_x), а также шероховатости под­стилающей (ее) поверхности, рельефа местности и вертикаль­ной устойчивости атмосферы данные тенденции слегка видоиз­меняются. Обычно это приводит к дрейфу шлейфа или облака в атмосфере с постепенным изменением их высоты и формы при­мерно так, как это показано на рис. 8.1. Причины тому — дей­ствие архимедовых и гравитационных сил, а также размывание поверхности этих образований за счет трения о поверхность и турбулентного рассеяния газов в процессе так называемой ат­мосферной диффузии.

Если величина трения о земную поверхность обычно зависит от размеров зданий, оврагов, деревьев, кустов и других есте­ственных «шероховатостей», то влияние атмосферы определяет­ся направленностью и скоростью циркулирующих в ней пото­ков, в том числе потока тепловой энергии. Для учета такого вли­яния обычно вводят шесть классов устойчивости (иногда — ста­бильности) атмосферы: А — сильно неустойчивая, с преоблада­нием конвекции, В — умеренно неустойчивая, С — слабо неус-

zk.

Р ис. 8.1. Распространение облака разной плавучести в атмосфере: а — легкий; б — нейтральный; в — тяжелый газ

220

1чивая атмосфера, D — нейтральная стратификация, т. е. изо-1>мия, Е — слабо устойчивая с инверсией и F — умеренно эйчивая. Одна из таких базовых классификаций, учитываю -время суток, облачность, уровень солнечной радиации и эрость ветра, приведена в табл. 8.1.

. Приведенная классификация используется затем для опреде-шя ряда эмпирических коэффициентов и зависимостей, суще-гнно влияющих на рассеяние вредного вещества в атмосфере. В |честве других исходных данных применяются перечисленные сценарии и факторы, а также количественные характерно-I, полученные при исследовании первого этапа процесса при-тения техногенного ущерба. Конечной же целью последующего гмного анализа и моделирования процесса распространения гергии и вредного вещества служит построение полей простран-венно-временного распределения плотности их потоков или энцентрации.

Что касается третьей стадии, т.е. трансформации аварийно 1свободившихся потоков энергии и запасов вредного вещества, ■ возможность и характер такого превращения также зависят от !ыного числа указанных выше факторов и их вероятных сочета-■ш. Однако доминирующее положение среди них занимают те мико-химические свойства распространившихся в новой среде вдуктов выброса, которые характеризуют их взаимную инерт-чюсть. В противном случае в образовавшихся или изменившихся их воздействием объемах пространства возможны не только тичные фазовые переходы типа «кипение — испарение», но и шические превращения в форме горения или взрыва, сопро-эждающиеся большим энерговыделением.

Таблица 8.1 Классы устойчивости атмосферы по Ф. Пэсквиллу

		],ень		Ночь
Ветер на высоте	Инсоляция			Облачность
Юм, м/с	интенсивная	умеренная	слабая	тонкая (>5/8)	отсутствует (<3/8)
U<2	А	А-В	В	—	■ —
2<£/<3	А-В	В	С	Е	F
. 3<U<5	В	В-С	С	D	Е
5<£/<6	С	C-D	D	D	D
U>2	С	С	D	D	D

Примечание. При полной облачности днем и ночью обычно подразумева-ся класс D.

221

Особенно это характерно для больших проливов аварийно-опасных химических веществ или заполнения их парами сравни­тельно небольших объемов воздушного пространства. Дело в том, что при этом могут создаваться топливовоздушные смеси, спо­собные к трансформации в одной или нескольких из упомяну­тых выше форм. Например, залповый выброс значительного ко­личества сжиженного углеводородного газа сопровождается его практически мгновенным испарением с образованием смеси, спо­собной затем (после контакта с открытым огнем) взорваться или интенсивно сгореть.

Обратим внимание на принципиальное отличие между двумя такими режимами физико-химического превращения с большим энерговыделением, как горение (дефлаграция) и врыв (детона­ция). Помимо значительно большей (в среднем до 2-х порядков) скорости распространения детонации, ее фронт представляет со­бой практически плоскую, а не «сморщенную турбулентностью» (как при горении) поверхность и характеризуется на порядок боль­шим градиентом давления в генерируемых детонацией волнах сжатия (примерно 2, а не 0,1 МПа). Именно последней особенно­стью и объясняется колоссальный по разрушительности эффект взрыва топливовоздушных смесей.

Целью системного анализа и моделирования данной стадии рассматриваемого процесса служит прогнозирование не только характера трансформации вредных веществ, рассеянных в резуль­тате аварии, но и поражающих факторов, обусловленных после­дующим превращением в новой для них среде. Перечень таких факторов уже приведен в начале данного параграфа, а для апри­орной оценки их количественных параметров должны использо­ваться результаты, полученные на этом и двух предыдущих этапах.

Четвертой стадией и конечной целью всего исследования процесса причинения техногенного ущерба является изучение по­ражающего воздействия первичных и вторичнйх продуктов ава­рийного выброса на незащищенные от них людские, материаль­ные и природные ресурсы. Основными используемыми при этом исходными данными являются параметры а) поражающих факто­ров (перепад давления во фронте воздушной ударной волны, кон­центрация токсичных веществ, интенсивность тепловых и иони­зирующих излучений, плотность потока и кинетическая энергия движущихся осколков), б) потенциальных жертв (стойкость и жи­вучесть конкретных объектов, с учетом частоты или длительности вредного воздействия на них и качества аварийно-спасательных работ).

Сам же ущерб от такого воздействия целесообразно делить на два вида. Прямой или непосредственный ущерб, обусловленный утратой целостности или полезных свойств конкретного объекта, и косвенный, вызванный разрушением связей между ним и други-

222

■ объектами. Более детальное представление первого компонен-■техногенного ущерба реализовано с помощью табл. 8.2. |В табл. 8.2 систематизированы некоторые формы проявления ймого ущерба (ее правая часть) применительно к различным цам ресурсов (левая часть). При этом интенсивность или доза ого воздействия указанных выше поражающих факторов сни-р-гся по мере рассмотрения столбцов правой части слева напра-|, тогда как степень отдаленности последствий ухудшения по-еждаемых объектов растет в этом же направлении. Что касается цации интенсивности и отдаленности, то она — двухступенча-«большая» — «малая» и «немедленно» — «впоследствии» со-

ветственно.

Несмотря на определенную условность и нечеткость, приве-£нная в табл. 8.2 классификация помогает убедиться как в мно-эгранности проявления техногенного ущерба, так и в его зави-

Таблица 8.2

Формы и особенности проявления непосредственного				ущерба
	Форма причинения ущерба		в зависимости от интенсив-
	ности вредного воздействия и отдаленности его
Ресурсы и объекты		проявления
причинения ущерба	большая	немедлен­ная	малая	в последствии
йатериальные:	Уничтоже-	Вывод из	Снижение	Повышен-
(роизводственные,	ние в ре-	строя по	эффектив-	ный износ
мтовые и культур-	зультате ка-	причине	ности из-	либо интен-
ные здания, поме-	тастрофы	отказов	за нерас-	сивное ста-
цения и оборудо-	либо аварии		четных	рение
»ние, готовая			режимов
продукция			работы
Чюдские:	Гибель и	Сниже-	Ухудше-	Преждевре-
«посредственно	увечья по	ние тру-	ние здо-	менная
работающие и	причине	доспособ-	ровья в	смертность и
эбслуживающий их	несчастных	ности из-	результате	плохая нас-
персонал,	случаев	за травми-	профзабо-	ледствен-
Проживающие		рования	левания	ность
5близи люди
Природные:	Вымирание	Сниже-	Наруше-	Мутагенные
фауна и флора,	биоособей и	ние био-	ние ес-	изменения
Иругие органичес-	уничтоже-	разнооб-	тественных	и/или ис-
сме энергоресурсы	ние ресурсов	разия и	биогеохи-	черпание за-
i минеральные	из-за аварий	жизне-	мических	пасов сырья
?уды		стойкости	циклов
L		видов	вещества

223

симости от большого числа перечисленных выше факторов. Все это свидетельствует о необходимости привлечения к прогнози­рованию рассматриваемого здесь ущерба самых разнообразных моделей и методов. Для того чтобы выбрать из накопленного ныне опыта лишь наиболее подходящее для последующего моделиро­вания и системного анализа выделенных выше этапов, вначале проанализируем известные подходы к решению соответствую­щих задач.

8.2. Классификация и анализ известных моделей и методов прогнозирования техногенного ущерба

Среди существующих материальных и идеальных моделей раз­личных этапов процесса причинения ущерба можно выделить прак­тически все известные их классы (см. рис. 2.1). Однако применение физических моделей (натурных и аналоговых) ограничено сфе­рой пригодности и высокой стоимостью. Ранее они использова­лись преимущественно для получения статистических данных (на­пример, при испытаниях оружия массового поражения). Сейчас — для проверки других моделей и обобщения результатов, получен­ных на аналогах, если соблюдается требование автомоделъности (известны параметры какого-либо подобия, допустим, геометри­ческий или иной масштаб).

Значительно шире применяются идеальные модели, начиная от интуитивных (метод сценариев развития аварии) либо смыс­ловых (зависимость типа «доза—эффект») и завершая знаковыми (математическими и алгоритмическими). Под последней группой имеется в виду следующее.

1. Аналитические модели: а) параметрические формулы типа уравнения М. Садовского для перепада давлений в атмосфере или модель рассеяния в ней вредных веществ К. Гаусса; б) интеграль­ ные модели, базирующиеся на интегральных законах баланса массы либо энергии и описываемые обыкновенными дифференциаль­ ными уравнениями; в) модели, построенные на интерпретации параметров состояния или энергомассообмена в их оригинальном виде и реализуемые системами дифференциальных уравнений в частных производных.

2. Методы имитационного, статистического и численного мо­ делирования, основанные на использовании случайных распре­ делений параметров совокупности разных моделей и учете их не­ прерывно меняющихся факторов.

Что касается предназначения перечисленных моделей и мето­дов, то их удобно разделить по четырем этапам причинения тех­ногенного ущерба. Наибольший интерес представляют модели та­ких объектов или процессов, как: а) источник выброса энергии или вредного вещества, истечение газообразных веществ или ра-

гкание по твердой поверхности — жидких; б) распростране-же энергии или массы в несущей среде или их межсредный пе­чное; в) вскипание сжиженного газа, испарение перегретой жид-г, энерговыделение и образование полей поражающих фак-Зров; г) реципиент этих факторов, защита от них и поражение есурса конкретным фактором. Проиллюстрируем приведенную цассификацию на примере краткого сравнительного анализа наи-олее характерных из известных ныне математических моделей и тсленных методов.

Высвобождение и/или истечение энергии и вещества

Наиболее простыми из моделей и методов данного класса яв-этея те, которые описывают высвобождение энергии (механи-ской, тепловой и электрической), а также истечение инертных

га не меняющих при этом агрегатное состояние жидкостей и зов. Аналогично обстоит дело с потоками ионизирующих частиц

[. электромагнитных излучений.

Дело в том, что соответствующие математические соотноше-[ описываются довольно простыми расчетными формулами типа авнений для потенциальной и кинетической энергии различ-: тел; законом Ома для участка электрической цепи; формулой [ расхода жидкости через отверстие и законом Стефана—Боль-1ана для потока теплового излучения. Параметрами этих анали-геских моделей соответственно служат масса и высота либо

корость тела; перепад электрического напряжения или гидрав-

иеского давления, а также препятствующее высвобождению гоков сопротивление среды либо площадь отверстия, темпе-

атура или интенсивность источника соответствующего излуче-

ш и степень его ослабления разного рода экранирующими ус-эйствами.

Заметно сложнее обстоит ситуация с выбросом веществ, меня-1их свое состояние в результате интенсивного вскипания и ис-

арения после разгерметизации емкости, например, сжиженных эв или криогенных жидкостей. Если в перечисленных выше слу-используются довольно строгие аналитические модели, то шая ситуация все еще исследована недостаточно. По этой при­те наиболее слабым моментом известных ныне методик служит эгноз интенсивности истечения подобных веществ и их выбро-

|нного количества, а также оценка влияния на эти параметры эродных включений, например аэрозолей.

ЦВыходом из подобных ситуаций служит повсеместное исполь-ание либо различных упрощенных сценариев (полный и час-шй выброс накопленного где-либо энергозапаса), либо по-|мпирических зависимостей или постоянных коэффициентов, елом же данный класс моделей представляется достаточно раз-

224

225

|б) уравнение сохранения импульса: d(pu_x)

работанным, а при их выборе необходимо учитывать гомогенность и возможные фазовые переходы рассматриваемого вещества, а так­же конструктивные особенности их аккумулятора. Конкретные математические зависимости и примеры их использования на этом этапе будут проиллюстрированы в разд. 9.1.

Распространение потоков энергии и вещества

Как уже указывалось в предыдущем параграфе, моделирование процессов трансляции и трансформации потоков ионизирующих излучений и электромагнитной энергии в техносфере в целом пред­ставляется мало конструктивным по причине их очень большой скорости и практической инвариантности во времени. Учитывая это обстоятельство, а также последующее рассмотрение разруши­тельного воздействия поражающих факторов взрыва и пожара на конкретные объекты (см. разд. 10.2), основное внимание на дан­ной стадии будет уделено лишь распространению вредных веществ.

Дело в том, что моделирование и прогноз параметров распро­странения химических или радиоактивных веществ связаны с не­обходимостью учета большого числа факторов. Например, кон­центрация данных веществ в точке с радиус-вектором г_(х, у, z), обычно выражаемая функцией c(r, t) этих прямоугольных коорди­нат и времени t, зависит от трех групп факторов: а) источник — его геометрия, расход, термодинамические параметры; в) среда — температурная и скоростная стратификация на макроуровне, а также ее локальная неоднородность, нерегулярность и турбулент­ность; в) вредное вещество — плотность, размер частиц, их склон­ность к физико-химическим превращениям после контакта со средой и ограничивающей поверхностью.

Естественно, что наиболее полный и достоверный прогноз функций c(r, t) возможен лишь на основе численного моделирова­ния системы соответствующих дифференциальных уравнений в ча­стных производных. Особенно это касается последствий истече­ния мощных струй и мгновенных выбросов большого количества тех веществ, которые имеют существенно отличную от несущей среды температуру или плотность, т. е. при разрушениях магист­ральных газопроводов, взрывах токсичных продуктов и проливах сжиженных природных газов. В основе соответствующих математи­ческих соотношений чаще всего выступают следующие основные законы сохранения [18, 29, 30]:

а) уравнение сохранение массы (неразрывности):

dp

д(_РС) dt

(8.1)

dt + div(p WC) = div[_PAT • grad(C)];

226

dt

■ + div(p Wu_x) = div[_PK • gradfe )]-(дР/ dX);

dt

8(pu_z) dt

+ div(p Wu_y) = div[pii: • grad(M^)] - (dP/dY); (8.2)

+ div(p Wu_z) = div[pК ■ grad(_W, )]-(dP/ _PZ) - dg;

в) уравнение сохранения энергии:

+ div(p WH) =

д(_РН) dt

• grad(#)] + (ЭР / dt), (8.3)

p, P, W, g — плотность газо(паро)воздушной смеси, ее давле-|е и скорость диффузионного потока в данной точке в момент |емени /, ускорение свободного падения; С, К, Н — массовая |нцентрация, турбулентная вязкость и энтальпия этой смеси;

и_у, и_х — компоненты вектора скорости W в направлении де-

этовых осей X, Y, Z.

Приведенные уравнения могут быть как упрощены (допустим, >едположением о несжимаемости среды), так и усложнены, на-|имер, из-за учета аэрозольной фазы в уравнениях баланса им-' тьса и энергии — включением слагаемых межфазного обмена

: неравновесной (по скорости и температуре) среды. Естествен-что решение этой системы потребует дополнительных урав-ршй замыкания следующего вида:

Я = [С,_а(1 - С) + C_ptC]T + «7_ф._пЕ_а(1 - С)ПТ);

(8.4)

[0 для Т < 263К; Ч'(Г) = UT - 263) / 20, 263 < Т < 283^;

[

i?_r, R_a, С^, С_рт, Т — газовые постоянные и удельные теплоем-ти при постоянном давлении газа (г) и атмосферного воздуха температура газо(паро)воздушной смеси; s_a, д_фп — абсолют-[ влажность атмосферного воздуха и теплота фазового превра­щения атмосферной влаги.

^Естественно, что для решения всей этой системы потребуются рциальные методы численного моделирования и существенные ^~ аты машинного времени. Однако данный метод позволяет учесть ~дчески все важные факторы, а потому является наиболее

227

точным способом построения полей концентрации вредного ве­щества в атмосфере.

Примерно также моделируется процесс распространения этих веществ в зоне их возможного рассеяния и с помощью интеграль­ных моделей, представленных обыкновенными дифференциальны­ми уравнениями. Чаще всего в качестве таких математических со­отношений используются следующие уравнения:

а) изменение формы облака с примесями вредного вещества под воздействием гравитации:

-i), k= 1,15;

б) сохранение массы вещества в облаке: dM_B03 dM_6oK

вер

dt

dt dt

dM_B03 . dM_6c ^эд dt ' dt

dR

dt

(8.5)

(8.6)

dM_R,

dt

эеделение вредного вещества по всему его объему; М, Т и (Q

ти q) — масса, температура и количество теплоты соответствен­но воздуха (воз), водяного пара (вод) либо вредного вещества

гз индекса); С_Р, C_v — их удельные теплоемкости при постоян­ных давлении и объеме; р_воз, у, U" — плотность воздуха, эмпири-

еская константа и динамическая скорость, характеризующие вли­яние трения подстилающей (несущую среду) поверхности на ин­тенсивность диффузии в ней вредного вещества.

Как и ранее, для замыкания системы уравнений (8.5) —(8.8) с [1 неизвестными параметрами R, В, р, Т, М_воз, М_вод(ж), М_вод(г),

^од> Щф Щж) ^и Q потребуются дополнительные уравнения:

1. равенство общего количества вещества массе его фаз: М = Щг) + М_(ж);

1. равенство общего количества воды ее фазовым частям: М_вод =

Мзод(г) + Мюд(>ф

3) соотношение между объемом облака и его плотностью, рав- Юй частному от деления массы на объем облака, определенный то радиусу R и высоте цилиндра В;

4) тепловой баланс в облаке в предположении об однородно- его состава и температуры:

dM_Rl

1Г

(8.7)

d t

1,04 '

x2,15-

0,88 + 0,099 [(р-р_Воз)яВ/(р_Воз^²*)] в) уравнение сохранения энергии в облаке:

dM,

dM*,

dt

dt

■'Увоз '

CQM _B03Bep

dЈ> ₌ dg_{Bep |} dg_{6oK |} dt dt dt

— <7_вод)'

+C,

вод(/)вер

вод(й)_Вер

B0fl(g)6OK

dM,

dt

dM

dt

dt

C,

+C_V

(8.8)

вод(/)бок

■Т)^4/3.

К числу параметров этой системы, характеризующих процесс тепломассообмена между атмосферой и облаком цилиндрической формы (его вертикальной (вер) и боковыми (бок) поверхностя­ми) благодаря диффузии, конвекции и излучению подстилаю­щей поверхности (под), относятся: R, В — текущие значения ра­диуса и высоты облака такой формы, имеющего равномерное рас-

228

С?0

СУ_(Г)М_(Г)

+ Мюд(ж) Срвод(ж) + Сквод(г)М_вод(г) + СУ_возМ_воз(г)), (8.9)

|где Qq — начальная энергия системы, рассчитываемая по следую-дей формуле:

С_Квод(г)М_в

_вод(г)

Q_Q = Т{М_(ж)С_Р(ж)+ Су_(т)М

+ С_КвозМ_воз) + М_(ж)д; (8.10)

5) уравнение состояния газового облака, базирующееся на пред­положении о равенстве его внутреннего давления наружному дав-Яению окружающей среды;

6, 7) соотношения для давления насыщенных паров воды и |редного вещества, указывающие на наличие в облаке жидкой [)азы и определяющие ее массу.

Анализ только что приведенных выражений свидетельствует о эзможности уже не точного, а приближенного определения всех Параметров, что обусловлено принятыми там допущениями. Ведь 1и игнорируется влияние на тепломассобмен неоднородности (концентрации вредного вещества и гравитационного растекания така, а также начальных условий его образования и перемеще­ния над различной местностью. Очевидна также трудоемкость по­тения исходных данных и решения этих дифференциальных эавнений.

По этим причинам заметно чаще применяются параметри-еские формулы и основанные на них методы прогнозирования

229

Направление ветра

полей концентрации загрязнителя в зонах его рассеяния. Эти подходы базируются на закономерностях диффузии или турбу­лентного обмена между слоями атмосферы и вероятностно-ста­тистических (гауссовых) представлениях о рассеянии в ней или водной среде загрязнителей. Модели этого типа в общем случае могут быть описаны следующими математическими соотноше­ниями.

М

1. Для мгновенного, залпового выброса вредных веществ

((2п)³'²а_ха_уа_г)

= c(x,y,z,t) =

ЛФ, г=0)

(8.13)

^Zo)

(8.12)

expj-

dz

о 2. Для постоянно действующего их источника

c (x,y,z) =

(8.14)

где М, Zo — масса вредного вещества, мгновенно высвобождаю­щегося и постепенно распространяющегося вдоль поверхности земли, и высота источника его выброса; G(x, у, z, t), f_p(t), f_oc(t) — функции, учитывающие снижение концентрации из-за метеоро­логического разбавления, химического превращения и гравита­ционного оседания вещества; /и₀, v_d и к — интенсивность эмиссии вредного вещества непрерывным источником, скорость оседания и константа превращения его частиц соответственно; и_х и а_х, а_у, g_z — скорость ветра вдоль оси Хи стандартное отклонения частиц облака по всем трем осям.

Обратим внимание на физический смысл и других приведен­ных здесь аналитических выражений, для чего представим фор­мулы (8.11) и (8.12) в виде следующего произведения: c(r, t) =

230

Рис. 8.2. Изменение концентрации облака по мере продвижения

Mf(x)f{y)f(z)f_p{t)f_oc.{t). Оказывается, что три первых его функ-ии-сомножителя представляют собой плотности вероятности со-'ветствующих нормально распределенных случайных величин, леющих такие параметры: а) математическое ожидание, равное J) для f(x) и нулю — для двух других распределений; б) дис­персию, численно равную квадратам приведенных выше стандар-^ь"ых отклонений.

При нахождении источника выброса на поверхности земли, '.е. для z = 0, сомножитель/(г) становится удвоенной плотное-ъю вероятности случайной величины z, подчиняющейся неко-эрому «усеченному» специальным образом нормальному зако-у. Это обусловлено тем, что в этом случае функция f(z) суще-гвует лишь в пределах положительных значений своего аргу­мента, что и приводит к удвоению концентрации вредного ве­щества в вертикальном направлении из-за его отражения земной Поверхностью. Если же попытаться графически представить, ха-актер изменения концентрации вредного вещества в облаке по ере его удаления от источника выброса, то он будет иметь вид, одобный показанному на рис. 8.2.

Как это видно из рис. 8.2 и соотношений (8.11) —(8.14), пара-

Цётрические формулы позволяют моделировать распространение

■редных веществ и прогнозировать плотность их распределения.

'роме того, в сравнении с приведенными выше численными и

гтегральными моделями они более просты, что облегчает сис-

|мный анализ этих процессов. Именно данное обстоятельство и

(Еюсобствовало широкому использованию данных соотношений

([действующих ныне официальных методиках.

¥ Что касается входящих в эти же формулы дисперсий, то их

бедует считать функциями времени и проекции скорости U в

^ответствующих направлениях:

231

g²_(!)(U, t) = о?(и, 0 + о²,; i = x, у, z, (8.15)

где cs²(U, t) — дисперсионные зависимости, отражающие возрас­тание дисперсии по координатам с увеличением расстояния (по оси X) от источника выброса до центра соответствующего облака при разных классах устойчивости атмосферы и подстилающей поверхности*; gI — поправка, вводимая с целью исключения стремления функции c(r, t) к бесконечности (при g}(U, t = 0) = 0, т.е. вблизи от источника), и численно равная

(8.16)

где р — плотность газо- или парообразного вредного вещества.

Поскольку чрезвычайная неоднородность приземных слоев ат­мосферы и непрерывно меняющаяся там турбулентность исклю­чают теоретический вывод зависимости дисперсии от всех влияю­щих на нее факторов, то первое слагаемое формулы (8.15) обыч­но представляют следующими тремя группами эмпирических вы­ражений, полученных с помощью полей концентрации от точеч­ных источников мгновенного или непрерывного действия.

1. Модели PGT — самые первые, названные аббревиатурой ав­торов [49, 43, 56] и выражаемые такими аналитическими форму­лами компонентов дисперсии в направлении осей уис

(8.17)

а_у(х) = -

|^ii-(X//C₂)J [l + (X/K₂)\

где k_x ... k₅ — приведенные в табл. П.4.2 коэффициенты, соответ­ствующие рассмотренным выше (см. табл. 8.1) классам устойчиво­сти атмосферы.

2. Степенные выражения дисперсии, самые простые и также игнорирующие стандартное отклонение вдоль направления ветра (из-за его малости в сравнении с движением облака по ветру). Для других же осей эОто отклонение определяется, следующими фор­мулами:

(8.18)

а_у(х) = ах*; a_z(x) = cx^d,

где a, b, стл d — приведенные в табл. ПАЗ степенные коэффици­енты, найденные при 1) усредненном времени наблюдения, рав­ном 10 мин, 2) тех же классах устойчивости атмосферы, 3) коэф­фициенте шероховатости подстилающей поверхности ю = ОД ^м> 4) измерении данных стандартных отклонений в метрах, 5) воз­можности корректировки их значений для а) большего времени усреднения и других Zq (см. табл. П.4.4), б) уточненных значений коэффициентов с'и d' для о_г(х) = c'x^d' (см. табл. П.4.10).

* К сожалению, это не всегда учитывается действующими ныне норматив­ными методиками, что будет продемонстрировано несколько ниже с помощью конкретных примеров.

232

3. Зависимости Бриггса [39], справедливые для большинства из помянутых выше условий и учитывающие специфику как откры-ЭЙ сельской местности:

(8.19)

; a_z(x) = а₃х / S₃(x),

ВК и городских условий (в последнем случае zo принят равным не |03, а 1 м):

(8.20)

; а_г(х) =

де а₂ и а₃ — постоянные коэффициенты, значения которых (для эемени осреднения в 20 мин) совместно с видом функции S(x) эиведены в табл. П.4.5.

Известны также модификации некоторых из перечисленных мо-тей, обеспечивающие лучшее согласие между эксперименталь-ш и расчетными данными о полях концентрации, а потому и 1яющиеся более совершенными. В одном случае это достигнуто гем введения в зависимости (8.18) третьего параметра при со-шдении условий получения (8.17), в другом — за счет учета хияния на а_г шероховатости zo при изменении параметра х. Ин­формацию о первом способе можно найти в работе [13], а вто-эй будет рассмотрен ниже (см. разд. 9.3).

В завершение знакомства с параметрическими гауссовыми мо-?ми отметим и ряд присущих им недостатков, обусловлен-, например, игнорированием следующих реально действую-: факторов: а) влиянием выброса больших количеств вредного ещества, обладающего заметно большей или меньшей (чем у ат-|осферы) плотностью и начальной скоростью; б) наличием в |есущей среде слоев с разной температурой и/или плотностью, летно изменяющих интенсивность их перемешивания. По этим причинам рассмотренные здесь параметрические модели несообразно использовать лишь при соблюдении ряда условий, эрые будут обсуждены несколько ниже (см. разд. 10.3). В против-эм случае можно получить необоснованно завышенные или зани-гнные прогнозы концентрации c(r, t). Последнее может иметь ме-например, вследствие раздвоения облака паров сжиженного келого газа из-за игнорирования гауссовыми моделями мощных исходящих потоков в центре его большого пролива и таких же, но Цобратном направлении по периметру зоны его испарения. Заканчивая краткий сравнительный анализ известных моделей методов прогнозирования параметров распространения вред-JX выбросов, обратим внимание на следующее. При моделиро-*и этой стадии процесса причинения техногенного ущерба \о учитывать специфику каждого из этих веществ, условий их сброса и истечения, что под силу лишь методам численного мо-чирования. Для рассеяния тяжелого газа пригодны также интег-тьные математические соотношения (8.5) —(8.10), обеспечива-

233

ющие приемлемую точность прогноза его концентрации и разме­ров облака. А вот приведенные выше гауссовы модели способны к подобным предсказаниям, но только вдали от источника выброса.

Трансформация потоков энергии и вещества

Среди известных ныне моделей изменения агрегатного состоя­ния (испарение, кипение) и преобразования вещества с интен­сивным энерговыделением (горение и взрыв) преобладают пара­метрические формулы. Чаще всего они основаны на общеприня­тых теоретических положениях и результатах обработки экспери­ментальных данных. В порядке иллюстрации приведем самые рас­пространенные из таких формул.

Например, интенсивность q_n испарения жидкого вещества, про­литого в результате разрушения емкости на площадь П, рекомен­дуется оценивать по следующей полуэмпирической формуле [20]:

q_H = Пц'/²10-⁶(5,83 + 4,Ш)Р_НС, (8.21)

где ц, Р_нс — молярная масса (кг/моль) и давление насыщенных паров (Па) вредного вещества; U — скорость ветра в приземном слое (м/с).

К сожалению, в данной формуле не учитывается изменение температуры поверхностного слоя пролива вследствие испарения, поскольку она принята равной исходному значению этого пара­метра. На практике это обычно приводит к завышенным, а иногда (что реже) и заниженным значениям q_H.

Что касается горения с малой (до 1 м/с) скоростью распростра­нения фронта пламени, то тепловой поток д„ образующийся в результате такого энерговыделения, рекомендуется рассчитывать по аналогичным формулам. Их параметрами-сомножителями обыч­но служат площадь пожара и его суммарная теплоизлучающая по­верхность, массовая скорость и теплота сгорания пожароопасно­го вещества, а также температура поверхности факела, степень его черноты и коэффициенты, характеризующие специфику кон­кретного вещества.

Аналогичные параметрические соотношения используются и при более интенсивном тепловыделении, сопровождающемся образо­ванием так называемого огненного шара. Например, его диаметр Д_{о ш}, продолжительность существования т_ош и излучаемый при этом удельный тепловой поток q_0M1 могут быть оценены по следующим сравнительно простым аналитическим зависимостям:

Д₀._ш = АМ^а; х_о._ш = БМ⁶; q_om = ВМ^В, (8.22)

где А, Б, В; а, б, в — найденные по экспериментальным данным постоянные коэффициенты, значения которых будут приведены ниже (см. разд. 9.2).

234

Таблица 8.3 Вещества и коэффициенты удельного энерговыделения (р)

г~ 1 Подгруппа 1		Подгруппа 2		Подгруппа 3		Подгруппа 4
Рещество	Р	Вещество	Р	Вещество	Р	Вещество	Р
Метилен	1Д	Бутан	1,04	Ацетон	0,56	Аммиак	0,42
«шаце-иен	1,03	Бутилен	1,0	Бензин	1,0	Диз.топливо	1,0
«юрод	2,73	Бутадиен	1,0	Гексан	1,0	Керосин	1,0
щразин	0,44	Пропан	1,05	Метил­амин	0,7	Метан	1,0
Юпропил-прат	0,4	Пропи­лен	1,04	Метил-ацетат	0,5	Метил-бензол	1,0
етил-етилен	1,05	Этан	1,08	Октан	1,0	Окись углерода	0,2
«ро-тан	0,25	Этилен	1,07	Сероводо­род	0,3	Хлористый бензол	0,5
СИСЬ илена	0,62	Эфиры	0,7	Спирт этиловый	0,62	Фенол	0,92
илнитрат	0,3	ШФЛУ	1,0	СУГ	1,0	Этилбензол	1,0

Примечания: 1. Коэффициент р уточняет теплоемкость горючего веще-*а относительно стандартного значения (44 МДж/кг). 2. ШФЛУ, СУГ — широ-: фракция легких углеводородов, сжиженные углеводородные газы.

| Для определения характера чрезвычайно интенсивного — взрыв-^!то — высвобождения энергии аварийно-опасных веществ обычно пользуется какая-либо классификация заполненных ими объе-~\ по степени соответствующей чувствительности. Например, ме-ика [19] предлагает делить все топливовоздушные смеси на та-: четыре класса (см. табл. 8.3): 1 — особо чувствительные, 2 — ствительные, 3 — умеренно чувствительные и 4 — слабо чув-"ттельные. Аналогично классифицируются этой методикой и за-иенные ими пространства: 1 — сильно загроможденные, с зам-гыми полостями, 2 — загроможденные, с полузамкнутыми емами, 3 — частично загроможденные отдельными предмета-I или сооружениями и 4 — слабо загроможденные. |Исходя из оцененного таким образом класса аварийно-опас­но горючего вещества и заполненного им объема, затем опре-кется вероятный режим высвобождения энергии этих смесей 1. 8.4). В качестве режимов подразумеваются: 1 — детонация

235

Таблица 8.4 Режимы взрывного горения топливовоздушных смесей

Подгруппа	Класс загроможденное™ пространства
вещества	1	2	3	4
1	Режим 1	Режим 1	Режим 2	Режим 3
2	Режим 1	Режим 2	Режим 3	Режим 4
3	Режим 2	Режим 3	Режим 4	Режим 5
4	Режим 3	Режим 4	Режим 5	Режим 6

(взрывное горение со скоростью более 500 м/с), 2 — дефлаграция при 300 — 500 м/с, 3 — дефлаграция со скоростью 200 — 300 м/с, 4 — дефлаграция при 100 — 200 м/с, 5 — дефлаграция со скорос­тью, равной 40 Ml/6 (M — масса облака, т) и 6 — медленная дефлаграция при скорости в (21М^|/6) м/с.

В процессе же прогнозирования зоны распространения про­дуктов взрывного высвобождения энергии обычно исходят из того, что основными поражающими факторами при этом служат ос­колки и сейсмическая или воздушная ударная волна. А вот для количественной оценки фугасного воздействия последней на люд­ские, материальные и природные ресурсы используется избыточ­ное давление на фронте этой волны Д/ф (кПа), характер измене­ния которого чаще всего определяется по формуле М. Садовского

(8.23)

АР_Ф=

(428/2$ + (1400/2Гф³);

где Х_ф — расстояние от предполагаемого центра взрыва, м; Э_т — тротиловый эквивалент количества взорвавшегося там вещества, кг.

Подобные полуэмпирические соотношения используются так­же для прогноза радиуса разрушительного действия сейсмичес­кой ударной волны и осколков.

Завершая краткую характеристику моделей и методов, приме­няемых для исследования данной стадии процесса причинения тех­ногенного ущерба, отметим следующее. Наиболее слабым местом приведенных здесь подходов и основанных на них методик служит

а) прогноз количества аварийно-опасного вещества в облаке и той его доли, которая реально участвует в химическом превращении;

б) неправдоподобные оценки параметров вблизи или/и на боль­ шом удалении от его центра. Устранить эти недостатки можно оп­ ределением избыточного давления методом численного модели­ рования или за счет модификации последних параметрических фор­ мул, что и будет показано в разд. 9.2.

236

Разрушительное воздействие потоков энергии и вещества

_s В общем случае представляется логичным рассмотрение не толь-|р ущерба от аварийных, но и систематических вредных выбросов. Чри этом следует также исходить из необходимости прогнозиро-ания как конкретных форм его причинения людским, матери-тьным и природным ресурсам (см. табл. 8.2), так и всевозможных сочетаний подобного разрушительного воздействия этих выбро­сов. Все это указывает на сложность и трудоемкость одновремен­ного моделирования всех возможных последствий вредных выб-">сов и априорной оценки наблюдаемого при этом эффекта*.

В качестве одного из способов преодоления связанных с этим рудностей часто используется введение понятия «средний ущерб» т одного вредного выброса конкретного типа, а также опериро­вание вероятностью появления хотя бы одного (любого) из них. С учетом подобных допущений величина среднего социально-экономического ущерба людским, материальным и природным ресурсам за некоторый период времени может быть рассчитана по такой сравнительно несложной формуле:

(8.24)

к = 1... т — число возможных типов происшествия (катастро-1, авария, несчастный случай) и/или форм причинения ущерба конкретным ресурсам; Q_kc, Y_kc — вероятности случайного возник­новения происшествия данного типа (причинения конкретного тцерба) за время -с размеры обусловленного этим среднего ущер-а; / = 1.../J — число видов непрерывных или систематических редных выбросов: энергетические (шум, вибрация, тепло и т.д.) [ материальные (дым, шлаки и т.д.); Q_lH, Y,_H — вероятности появ-ения за время х каждого типа этих выбросов и размеры обуслов­ленного ими среднего ущерба.

Другой способ упрощенного прогноза последствий разруши-ельного воздействия аварийно-опасных веществ связан с опре­делением «зон поражения», под которыми понимают объемы про­странства или площади поверхности, в пределах которых распо­лагаются не защищенные от этих факторов людские, материаль­ные и природные ресурсы. Это указывает на возможность априор­ной оценки среднего ущерба соответствующим объектом с помо­чью следующей формулы:

У читывая обзорный характер данного параграфа, ограничимся пока такой онстатацией, тем более что детальное разъяснение причин сложности модели-Ьвания и прогноза последствий разрушительного воздействия вредных выбро-|рв будет сделано ниже (см. разд. 10.1 и 10.2).

237

(8.25)

MAY] =

где Q_kq — вероятность причинения людским (к = 1), материаль­ным (к = 2) и природным (к = 3) ресурсам ущерба заданной сте­пени тяжести за время т; П_кд, U_kd — соответственно площади зон вероятного и достоверного повреждения этих ресурсов поражаю­щими факторами вредных выбросов; F_k, S_k — средние плотность и стоимость единицы каждого ресурса в зонах вероятного и досто­верного поражения.

А вот для априорной оценки конкретных последствий разру­шительного воздействия рассматриваемых факторов удобно пользо­ваться зависимостями между вероятностями Q_kc, Q_kl и Q_kg вывода из строя учитываемых здесь ресурсов и полученной ими мощнос­тью дозы вредных факторов DP. Графики наиболее типичных та­ких зависимостей R(DP), иногда называемых функциями «доза— эффект» (где под R подразумевается риск, измеряемый одной из только что перечисленных вероятностей причинения конкретно­го ущерба), изображены на рис. 8.3, а.

Как видно из данного рисунка, функции «доза—эффект» могут иметь как сравнительно простой (прямая 1), так и более сложный (кривая 2) характер. При этом с помощью кривой 2 можно выде­лить четыре различных эффекта воздействия конкретного факто­ра: 1) при значениях дозы, принадлежащих отрезку [O...DP\[, имеет место так называемый гормезис (благотворное влияние малых доз вредного фактора на рассматриваемый объект); 2) диапазон [DP_l...DP₂[ соответствует области безразличия или его нейтраль­ной реакции; 3) при значениях поглощенной дозы [ДР₂„ Ш>₃[ наблюдается нелинейное, монотонное возрастание разрушитель­ного эффекта; 4) превышение же дозой величины 2)Р₃ приводит

R 0,8 0,6

у,

R 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Л

у

/

\

/

2

0,4

\y

/

0,2

\

0

Л

i

4

DP,

DP, DP,

ке к гибели всех объектов, подвергшихся столь интенсивному здействию вредных факторов*.

На рис. 8.3, 6 показано зеркальное отображение отрезка кривой 2, эответствующего диапазону ]DP_{... DP₂] изменения ее аргумента! тот график является уже зависимостью между риском (вероят­ностью) причинения конкретного ущерба R и удаленностью по­ражаемых ресурсов от источника разрушительного выброса энер-' ии или вредного вещества X. Например, для взрыва облака угле-одородного газа массой 32 т эта зависимость имеет место на ин-ервале между радиусом смертельного поражения людей (<140 м) [ радиусом их безопасного удаления (>250 м).

Чаще всего на практике пользуются нелинейным представле­нием функций R{DP) и R{X). При этом для значений доз пора-кающего фактора меньших DP₂ и больших /)Р₃ обычно исходят Цгз предположения о полной безвредности и абсолютной губи-Тельности соответствующих доз для рассматриваемых здесь ре­сурсов; тогда как внутри образуемого этими дозами интервала подразумевается вероятностный характер причинения конкрет­ного ущерба.

Среди способов определения только что рассмотренных зави­симостей и входящих в них параметров можно выделить и экспе­риментальные, и теоретические. Первые базируются на статисти­ческой обработке эмпирических данных, накопленных путем изу­чения последствий реальных происшествий в техносфере либо зультатов опытов над животными. В большинстве случаев имен-яо они и использованы при составлении и оценке параметров Цпробит-функций», порядок практического применения которых родробно рассматривается ниже (см. разд. 10.2).

Вторые же связаны с моделированием потенциальной жертвы ак реципиента (адсорбера, ингалятора) вредных техногенных факторов. Например, при оценке последствий воздействия на че­ловека электротока его моделью может служить сосуд, образован­ный плохо проводящим ток кожным покровом тела и наполнен­ный почти не имеющим сопротивления ему электролитом (внут-енними тканями). Если же моделируются последствия токсичес-ого воздействия на живые организмы, то их внутренние органы |К)гут быть представлены в виде совокупности камер, которые Постепенно впитывают в себя вредное вещество и разрушаются fro этой причине.

Подводя итоги краткого обзора моделей и методов, использу-лых на данном этапе исследования процесса причинения техно-

Рис. 8.3. Графики зависимости законов поражения:

а — зависимости «доза—эффект» {1, 2 — соответственно простой и сложный ха­рактер функции); б — кривая «риск—удаление»

238

Иллюстрацией подобной биологической реакции организма человека, на-ример, на радиоактивное облучение могут служить приведенные в табл. П.4.1 ороговые мощности поглощенных им доз DP, приводящих к конкретным раз-' иительным эффектам.

239

генного ущерба, отметим удовлетворительную точность методик, рекомендуемых ныне для оценки последствий взрывного превра­щения конденсированных зарядов и топливовоздушных смесей, но только в виде облака сферической формы. Несколько хуже об­стоит дело с учетом ими иной пространственной геометрии обла­ка и различных преград, а также с расчетом пороговых токсодоз для отдельных вредных веществ и прогнозом осколочного воздей­ствия взрыва.

В целом же приведенная выше классификация, а также крат­кий обзор и сравнительный анализ учитываемых ею современных подходов к прогнозированию техногенного ущерба позволяют не только формализовать соответствующую процедуру, но и указать направления их возможного совершенствования. Первая из толь­ко что упомянутых задач рассматривается в заключительном па­раграфе данной главы, а другие рекомендации — в двух последу­ющих главах.

8.3. Обобщенная методика формализации и системного анализа процесса причинения техногенного ущерба

Сделанная выше краткая характеристика процесса и спосо­бов прогнозирования ущерба от происшествий в техносфере, а также принятая ранее энергоэнтропийная концепция о законо­мерностях их появления позволяют сформулировать основные по­ложения соответствующей методики. Она должна основываться на закономерностях появления того ущерба, который обуслов­лен случайными и непрерывными выбросами энергии и вредно­го вещества. Тогда как его величину следует увязывать с объема­ми и токсичностью таких выбросов, а также с количеством и степенью уязвимости ресурсов, подверженных их вредному воз­действию.

Следовательно, можно утверждать о целесообразности вклю­чения в методику следующих основных шагов: *) идентификации источников энергии и запасов вредных веществ, способных к не­желательному высвобождению, б) прогнозирования предпосы­лок и сценариев таких выбросов, в) оценки частоты и объемов неконтролируемых утечек вредного вещества и энергии, г) опре­деления размеров зон их разрушительного действия и насыщен­ности этих зон людскими, материальными и природными ресур­сами, д) сопоставления сопутствующих вредным выбросам пора­жающих факторов со стойкостью указанных ресурсов, е) прогно­за характера разрушительных для них эффектов и ж) оценка свя­занного с этим прямого и косвенного ущерба.

Общая последовательность процесса формализации и предва­рительной количественной оценки техногенного риска, учитыва­ющая предложенные выше шаги, методы и показатели, показана

240

t рис. 8.4. В сущности, данная блок-схема представляет собой ал-|ритмическую модель итерационной процедуры количественной зенки частоты и тяжести тех вредных последствий, которые со-эвождаются возможными в человекомашинных системах вред-1ми выбросами вещества и энергии. При этом каждая ее итера-

включает не менее 21 шага.

Охарактеризуем все этапы предложенной здесь методики, увя-необходимость прогноза вероятности и размеров техноген-i ущерба с реальными практическими или учебными целями — кспертизой конкретных проектов и составлением деклараций об безопасности или выполнением студентами дипломных (кур-эвых) работ и домашних заданий по соответствующим дисцип-там.

1. При определении предназначения и области применимости годики следует исходить из следующего. Целью априорной коли-

|ественной оценки техногенного риска служит не точный количе-венный прогноз случайной величины техногенного ущерба, ко-эрый невозможен в принципе для таких сложных систем, как че-эвекомашинные, а сравнительная количественная оценка степе-опасности однотипных производственных или транспортных гктов, а также оценка эффективности альтернативных мероп-гий по снижению прогнозируемого на них техногенного риска. Естественно, что результаты такой оценки будут тем достовер-ее, чем проще исследуемый объект и надежнее исходные дан-ie об источниках опасности и факторах, способствующих ее еализации. Следовательно, областью предпочтительного исполь-эвания рассматриваемой методики будут сравнительно простые эизводственные и транспортные объекты, эксплуатация кото-декомпозируется на отдельные технологические операции, ассматриваемые как функционирование конкретных человеко-ашинных систем.

Другим применением методики может стать предварительная ничественная оценка степени опасности разрабатываемых объек-эв и процессов. В этом случае приступать к прогнозу техногенно-риска целесообразно не ранее, чем будет составлен рабочий рроект, т.е. после четкого определения структуры и параметров этветствующих человекомашинных систем, а также учета осо-енностей функционирования и взаимодействия с окружением гх их основных компонентов.

2. В качестве интегрального показателя опасности исследуемых эъектов должен использоваться связанный с их функционирова- *ем техногенный риск, рассчитываемый по формулам (8.24) —

3.25), как математическое ожидание величины случайного (в об-цем случае) ущерба. Если на объекте непрерывно действуют ис-эчники вредных материальных выбросов большой мощности, то эответствующий ущерб от них учитывается вторым слагаемым

241

to

Уточнение предназначения и области предпочти­тельного использования оценок риска

Выбор количественных показателей, пара-метров и методов априорной оценки риска

Определение объекта исследования и иден-тификация его опасных и вредных факторов

Да

Идентифицируйте другие источники

Нет

Существуют ли

в составе объекта и его окружения источники вредных энергетических выбросов^ большой мощности и случай^ природы.

Нет 5

Существуют ли

в составе объекта и его окружения источники вредных материальных выбросов^ ^большой мощности и случай^. " ._ной природ^

Нет —

Исследован ли

последний источник опасных и вредных выбросов

Да

В елики ли объемы

возможных вредных

выбросов энергии

и вещества^

Да

Нет

У бедитесь в отсутствии их вредного влияния на окружение

Да

Оцените частоту возникновения каждого такого сценария как следствия соответ- ствующих причин

ного причинения ущерба различным ресурсам при реализации каждого сценария

11

1 3

10

1 2

Идентифицируйте сценарии, приводящие к случайным

и мощным вредным выбросам энергии и вещества

из источников

Определите предполагаемые объемы вредных выбросов в каждом сценарии и их доминирующие (опасные для окружения) факторы

Оцените частоту возникновения вторичного

(косвенного) ущерба по причине

прямого (первичного)

15

14

Оцените размеры вероятных зон поражения различных

ресурсов от каждого опасного фактора, доминирующего в данном сценарии

Определите суммарную частоту причинения

ущерба с учетом латентности проявления опасных последствий сценария

17

16

Определите ожидаемый ущерб от выбросов с учетом

возможных зон поражения и их реальной насыщен-

ности ресурсами

18

— ^ж" —^,

^— Исследован ли последний

способ причинения ущерба от поражаю-'— jintx факторов сценария-—'

19

Определите математическое ожидание (риск) ущерба различного проявления каждому ресурсу от каждого доминирующего для сценария поражающего фактора

Да

20

Существуют ли другие сценарии

возможного причинения ущерба людским, материальным и

риродным ресурсам от опасных источников объек

21

Определите суммарный риск ущерба в результате создания, функционирования и ликвидации объекта, включая возможность проявления кумулятивных эффектов воздействия поражающих факторов на различных этапах жизненного цикла

Рис. 8.4. Логика и последовательность прогнозирования техногенного риска

выражения (8.24), параметры которого должны соотноситься с продолжительностью, токсичностью или мощностью вредных выб­росов.

Состав исходных данных, необходимых для априорной оценки возможного ущерба, зависит от выбранного метода и цели такого прогноза. При декларировании безопасности и выполнении дип­ломной работы (проекта) рекомендуется моделировать сценарии возникновения и распространения вредных энергетических и ма­териальных выбросов. Учитываемыми в этом случае параметрами служат интенсивности отказов технологического оборудования, ошибок эксплуатирующего его персонала и опасных воздействий на них извне, а также гидрометеорологические условия и средняя плотность ресурсов в районе дислокации объекта.

Для приближенной оценки техногенного риска в ходе выпол­нения курсовых проектов и домашних заданий можно использо­вать статистические данные об опасности аналогичного оборудо­вания — частоты и объемы случайных вредных выбросов, законо­мерности и параметры процессов их истечения, распространения, трансформации и разрушительного воздействия на ресурсы реги­она в пределах зон поражения (см. прил. 1, 2, 4 и 5).

3. Непосредственными источниками опасности конкретных про­изводственных и транспортных объектов следует считать гене­раторы или аккумуляторы энергии и вредных веществ — насосы и компрессоры, цистерны и сосуды с токсичными жидкостями, резервуары и трубопроводы со сжатыми газами, пожароопасные, взрывчатые и иные аварийно-опасные химические вещества, дви­жущиеся машины, механизмы или их отдельные компоненты.

В аварийных ситуациях, обусловленных разрушительным выс­вобождением накопленного в этих элементах энергозапаса, могут проявляться все перечисленные в разд. 8.2 факторы причинения ущерба, включая и образовавшиеся вследствие так называемого эффекта домино. Особо отметим, что вероятность появления та­ких ситуаций и размеры соответствующего ущерба возрастают по мере старения оборудования, повышения его энергетических по­тенциалов и плотности ресурсов, постоянно дислоцируемых вблизи рассматриваемых объектов или временно оказавшихся в зонах их вероятного поражения.

4 — 9. При идентификации конкретных источников опасности нужно руководствоваться величиной накопленной в них энергии, а при принятии решения о необходимости составления деклара­ции о безопасности или принятия дополнительных мер по сниже­нию возможного техногенного ущерба — предельно допустимы­ми запасами вредных веществ (см. табл. П.4.1). В качестве критерия в первом случае следует использовать размеры вероятных зон по­ражения, образуемых при их аварийных выбросах: если они не­значительны, то соответствующие устройства исследуемых объек-

244

|в могут считаться безопасными и исключаться из последующе-рассмотрения.

Для принятия решения о необходимости учета непрерывных едных выбросов из рассматриваемых объектов следует исходить

мс из установленных для них предельно допустимых норм, так и «техноемкости» окружающей природной среды. В последнем

пучае речь идет о возможности обеспечения безопасности лю-|ей, фауны и флоры, в предположении о том, что вредные выб-;ы не будут затем накапливаться вокруг рассматриваемых здесь ьектов вследствие их постепенного включения в естественные Ешогеохимические циклы миграции вещества в природе.

10. Для выявления сценариев нежелательного высвобождения шергозапаса должны использоваться как эмпирические данные и сравнительно простые диаграммы типа дерево событий (преиму­ щественно — в ходе выполнения домашних и курсовых работ), ак и результаты более адекватного моделирования — при оценке

|и декларировании безопасности производственных и транспорт-шх объектов, а также в процессе дипломного проектирования.

В двух последних случаях лучше всего применять перечислен­ные в предыдущем параграфе параметрические и интегральные f Модели наиболее вероятных сценариев аварийного высвобожде-f ния, распространения трансформации и разрушительного воздей­ствия энергозапаса. Делать это следует в соответствии с рекомен­дациями двух последующих глав этой части учебника, содержа-кщих более полное изложение и иллюстрацию работоспособности ^соответствующих способов системного анализа каждого этапа рас­сматриваемого здесь процесса причинения техногенного ущерба.

11. Оценку частоты или вероятности появления конкретных сце­ нариев аварийного высвобождения, распространения, трансфор­ мации и разрушительного воздействия вредных веществ и энер- |гии нужно осуществлять с помощью результатов, полученных на ^предыдущем шаге — путем моделирования или на основе обра-

зотки статистических данных об аналогичных происшествиях.

Наиболее приемлемы для декларирования безопасности и дип-|домных работ точные аналитические выражения (5.6) —(5.7) и |(5.9) —(5.10), а для курсовых и домашних работ — их приближен-ше аналоги типа формулы (5.19), увязывающей вероятность го-говного события с подобными параметрами исходных предпосы­лок. При наличии исходных данных о значениях последних оценка гроятности или частоты каждого сценария сводится к проведе­нию несложных вычислений по указанным формулам.

12. Определение количества аварийно высвободившейся энер- •ш или объема вредных веществ следует проводить с помощью

рспециально разработанных моделей соответствующих истечений или |на основе обработки имеющихся статистических данных. В ходе \ выполнения курсовых работ и заданий можно ограничиться гру-

245

быми (пессимистическими) оценками. Например, объем проли­того топлива считать равным той его величине, которая до аварии находилась в разгерметизированной части емкости или трубопро­вода между запорной арматурой.

А вот при разработке декларации о безопасности и выполне­нии дипломных работ (проектов) нужно рассматривать довольно большое число модельных сценариев нежелательного выброса, трансляции и трансформации энергозапаса, каждый со своими вероятностями и исходами. Интенсивность испарения вредного ве­щества, например, следует оценивать по формуле (8.21). Зная же расход и время, нетрудно оценить ожидаемый средний объем ава­рийного выброса — как сумму произведений вероятностей конк­ретных вариантов на сопутствующие им размеры вредных веществ или энергии.

Доминирующие по опасности факторы нужно определять с учетом специфики высвобождающихся потоков энергии либо вред­ных веществ и образуемых ими поражающих факторов. Например, при взрывах — это фугасный, тепловой и осколочный; при пожа­рах и проливах ядовитых веществ — термический и токсичный; при рассеивании радиоактивных веществ — ионизирующий, а иногда и токсический; при столкновении движущихся тел — дро­бящий или деформирующий; при коротких замыканиях в элект­росетях — тепловой и электромагнитный...

13. Оценку частоты или вероятности причинения прямого (не­ посредственного) ущерба следует проводить исходя из частоты воздействия поражающих факторов на не защищенные от них ре­ сурсы и полученной ими мощности дозы поражающего фактора. Степень же повреждения конкретных объектов или меру возмож­ ности появления какого-либо разрушительного эффекта целесо­ образно определять по зависимостям типа доза—эффект после срав­ нения полученных доз с пороговыми для этих объектов значения­ ми. В тех случаях, когда известны вид и параметры пробит-функ- ции, делать это можно и с их помощью (подробнее об этом — см. разд. 9.2).

Учитывая большое число факторов, влияющих на степень по­вреждения конкретных ресурсов, при определении частоты при­чинения прямого ущерба рекомендуется: а) при составлении дек­ларации о безопасности и дипломном проектировании — рассмот­реть не менее чем два-три основных опасных фактора и две-три степени поражения каждого ресурса; б) в ходе выполнения кур­совых и домашних работ — достаточно ограничиться одним (до­минирующим) поражающим фактором и одним (летальным) ис­ходом поражения людей или полным разрушением зданий (транс­портных средств).

14. Размеры зон поражения людских, материальных и природ­ ных ресурсов, а также потенциалы наблюдаемых в них опасных

246

акторов (концентрации вредных веществ, перепад либо импульс !&влений на фронте воздушной ударной волны, уровни ионизи-эщих излучений) должны рассчитываться с помощью специ-п>но разработанных моделей рассеяния или на основе обработки леющихся статистических данных. Последний способ применим приближенного прогноза или в учебных целях, а проводить Го можно путем представления лишь зон достоверного пораже-|ия кругом или шаром, радиусы которых оценены по формулам |впа (8.22).

При составлении же деклараций о безопасности и дипломном роектировании априорную оценку зон поражения следует осу­ществлять по результатам численного или аналитического моде-зования. В первом случае должны использоваться хорошо заре­комендовавшие себя прикладные пакеты программ типа «Феникс» : т. п. Во втором — рассмотренные выше или иные интегральные «одели и параметрические формулы после их усовершенствова-иис учетом оцененных выше уровней поражающих факторов [ поглощенных конкретными объектами вредных доз, а также сво-|Временности проведения там аварийно-спасательных работ по жвидации последствий чрезвычайных ситуаций техногенного ха-гера.

15. Оценка частоты или вероятности причинения косвенного §Вторичного) ущерба крайне желательна во всех случаях, по-шльку тяжесть таких издержек обычно превышает прямой ущерб |^Г3 —4 раза. Однако для прогноза косвенного ущерба от техно-|енных происшествий требуется разработка дополнительных мо-влей, учитывающих отношения между повреждаемыми и дру-1ми объектами биосферы или техносферы. Именно это и зат­рудняет оценку данных издержек, например, при выполнении удентами курсовых и домашних заданий, поскольку там по-эбные исследования обычно не предусматриваются учебными вланами и программами.

Совсем иная ситуация характерна для декларирования без­опасности и дипломного проектирования, цель которых как раз i состоит в априорной оценке вероятности и размеров причине-гя ущерба самым различным ресурсам. В этом случае необходи­мо разрабатывать дополнительные модели и иметь информацию 1цепочках снабжения сырьем или комплектующими материала-I, их запасах и источниках пополнения, а также о мерах по рейтрализации повреждений, полученных конкретными объек-1ми.

При отсутствии подобной информации могут быть рекомен-|рваны следующие способы ее получения: а) для материальных сурсов — изучение взаимозависимости и хозяйственных свя-Щ между производственными и транспортными предприятия-I; б) для природных — прогноз последствий нарушения есте-

247

ственных геобиохимических циклов (подробнее об этом см. разд. 10.3); в) для людских — учет вынужденной миграции насе­ления, ухудшения его физического и психологического здоровья в регионах с повышенной опасностью.

Что касается частоты возникновения косвенного ущерба, то для редко встречающихся техногенных происшествий ее можно приравнивать к частоте их появления. Однако по мере роста по­вторяемости конкретных аварий или катастроф вероятность и тя­жесть рассматриваемых здесь издержек будут постепенно снижаться вследствие постепенной адаптации хозяйственной или природ­ной системы (например, за счет исключения или дублирования ненадежных ее связей и принятия заблаговременных мер по со­зданию собственных резервов).

16. Предварительную оценку ущерба от аварийных и системати­ ческих вредных выбросов в общем случае целесообразно прово­ дить по формуле (8.25) — перемножением найденных выше час­ тот их появления, ожидаемых при этом размеров зон поражения, плотности и стоимости расположенных в них ресурсов, а также величины вероятностей причинения каждому из них ущерба кон­ кретной степени тяжести.

При составлении деклараций о безопасности и дипломном про­ектировании следует учитывать изменение некоторых из перечис­ленных выше параметров в зависимости от времени года или суток. Например, поголовье фауны и насыщенность флорой зон пораже­ния будут различными зимой и летом, а численность населения в жилых и промышленных районах населенного пункта — днем и ночью. В процессе приближенной оценки среднего ущерба в курсо­вых и домашних заданиях эти отличия можно не учитывать.

17. Суммарная частота причинения ущерба людским, матери­ альным и природным ресурсам в первом приближении — в ходе выполнения курсовых и домашних заданий — может быть опреде­ лена простым суммированием частот его первичного и вторично­ го появления. Более точная оценка, желательная при дипломном проектировании, предполагает введение соответствующих весов или условных вероятностей, позволяющих оперировать как бы средневзвешенными частотами возникновения прямого и косвен­ ного ущерба.

Еще более корректно следует подходить к прогнозированию данной частоты при декларировании промышленной безопасно­сти опасных производственных объектов [21]. Например, для объек­тов ядерной энергетики необходимо оговаривать временной лаг проявления ущерба, с тем чтобы учесть и возможную латентность его образования вследствие радиоактивного заражения местности и находящихся на ней ресурсов.

18—19. Определение частот и объемов случайных вредных выб­росов следует проводить одновременно для всех источников опас-

248

ги данного производственного или транспортного объекта. По-5ным образом можно найти суммарные частоты и ущербы от эийных выбросов любого рассматриваемого сценария, рассчи-1вая эти параметры как математические ожидания соответству-хих случайных величин. Аналогичную процедуру целесообразно Спользовать и для априорной оценки техногенного ущерба каж-у конкретному объекту, оказавшемуся под воздействием вред-: выбросов.

Иначе говоря, и на этом этапе уместно использовать стандар­те способ расчета риска с помощью формулы (8.25). Однако ерпретировать входящие в нее параметры следует не как слу-айные величины, а как оценки математического ожидания веро-■юсти и тяжести причинения ущерба какому-либо ресурсу на 1бранном интервале времени.

20 — 21. Количественная оценка интегрального риска людским, атериальным и природным ресурсам на всех стадиях жизненного *кла конкретного объекта техносферы должна проводиться по-5но предыдущим этапам рассматриваемой методики. Возмож- отличия могут быть лишь в следующем: а) рассматриваются отдельно взятые выбросы, а всевозможные их сценарии и со-ания; б) для людских и природных ресурсов учитывается веро-■юсть нелинейного роста суммарного ущерба вследствие прояв-?ния синергетического эффекта и аккумуляции накопленных анее повреждений.

Учет последней особенности необходим лишь при деклариро-«га безопасности особо опасных производственных и транс-эртных объектов. Реализовать же его можно введением в выра-ения для прогнозирования риска (8.24) —(8.25) дополнитель-эго слагаемого — произведения вероятностей кумулятивного Е>фекта и размеров дополнительного ущерба от него. А вот при згнозировании техногенного риска в учебных целях, равно как при его приближенной оценке, этим эффектом можно пре-эречь.

| На этом можно было бы ограничиться в пояснении изобра-?нной на рис. 8.4 формальной процедуры. | В порядке же завершения данного параграфа и главы в целом

летим следующее.

| Следование логике, установленной данной обобщенной мето-гой, позволит в последующем обеспечить системность учета и эгноза параметров тех наиболее существенных факторов, кото-ie свойственны процессу причинения техногенного ущерба. Од-со сопоставление ее требований с рассмотренным до этого ма-?иалом свидетельствует о необходимости в уточнении извест-: и привлечении дополнительных моделей и методов, позволя-дах провести не только качественный, но и количественный чиз рассматриваемого здесь процесса.

249

Именно изложению подобного исследовательского инструмен­тария и посвящены следующие две главы.