RX8

141

5. Выявление и оценка химической обстановки

при авариях (разрушении) на химически опасных объектах

5.1. Расчет основных параметров распространения

аварийно-химически опасных веществ в атмосфере

Как указывалось ранее (раздел 3.2.), из пяти основных источников опасности химических производств (залповые выбросы АХОВ в атмосферу, сброс АХОВ в водоемы, химический пожар, взрывы АХОВ и образование зон задымления) наиболее опасным источником является залповый выброс АХОВ в атмосферу, а наиболее опасный поражающий фактор-воздействие паров АХОВ через органы дыхания. Поэтому оценке масштабов заражения местности и характера распространения АХОВ в атмосфере уделяется основное внимание при прогнозировании последствий аварий на химически опасных объектах.

С целью изучения процессов рассеивания (диффузии) примесей, в том числе АХОВ, в атмосфере было проведено большое число экспериментов (19), анализ результатов которых с качественной стороны показал:

-концентрация примеси возрастает с приближением к оси следа распространения облака АХОВ и к центру выброса;

-концентрация примеси в облаке уменьшается с увеличением расстояния от источника выброса и времени прошедшего после выброса;

-на скорость изменения концентрации существенно влияет поле ветра и степень вертикальной устойчивости нижних слоев воздуха.

В настоящее время существует две основные теории (два подхода), описывающие количественное распространение примесей в атмосфере.

Первая - К - теория (теория Тейлора - Шмидта), созданная на основе изучения процесса распространения тепла в окружающей среде.

Вторая - статистическая теория (теория Сэттона - Френкиля).

В свою очередь каждая теория имеет большое число модификаций и уточнений.

В зависимости от метеорологических условий, характера и высоты выброса, расстояния, на котором определяются концентрации примесей в атмосфере, рельефа местности и т.д. каждая теория имеет свои преимущества и недостатки, а также соответствующую точность вычисления. Так для относительно небольших расстояний (например распространение отравляющих веществ) наиболее применима К - теория Калдера, для средних расстояний (аварии с выбросом радиоактивных веществ из реакторов) - статистическая теория, а для больших расстояний (ядерные взрывы) - К - теория Робертса.

В учебном пособии кратко рассмотрен вариант теории, который заложен в методику прогнозирования масштабов заражения АХОВ ( 17 ).

Процесс рассеивания примесей в атмосфере (рис. 18) в общем виде описывается уравнением турбулентной диффузии вида (56) или (57), а зависимость токсической дозы от концентрации и времени в общем виде - уравнением (58):

, (56)

или

, (57)

, (58)

где : c - концентрация примеси (АХОВ) ;

k_х, k_у, k_z - коэффициенты диффузии в направлении осей х, у, z

(рис. 25);

u_х, u_у, u_z -составляющие скорости ветра в направлении осей

х, у, z (рис. 25);

D₁ - токсическая доза;

t - время.

Рис. 25. Вариант схемы рассеивания примесей в атмосфере

Порядок решения уравнений (56), (57) и (58) является сложным, требует специальной подготовки, описания соответствующего математического аппарата, и поэтому не может быть рассмотрен в данном пособии. Кроме того существует большое число различных подходов к решению вышеприведенных уравнений, которые зависят от требуемых сложности уравнений конечного вида, точности вычислений, расстояний от источника выброса, высоты выброса и т.д.

Поэтому в пособии приведено конечное уравнение (59), которое положено в основу методики прогнозирования масштабов заражения АХОВ при авариях (разрушении) на химически опасных объектах и транспорте:

, (59)

где : D - поражающая токсодоза (РС_50);

- коэффициент, зависящий от степени вертикальной

устойчивости воздуха ;

u - скорость ветра;

Q - количество АХОВ в облаке;

х, у – глубина распространения АХОВ с поражающей

токсодозой в направлении осей Х и У соответственно;

 - параметр, зависящий от скорости ветра и определяемый

из уравнения (60):

, (60)

где: Ф_(u) – функция, определяемая в зависимости от скорости

ветра.

При у = 0 уравнение (59) принимает вид:

, (61)

или

, (62)

где: b - постоянный коэффициент, зависящий от метеоусловий и

определяемый из уравнения (63):

, (63)

Как указывалось ранее (раздел 3.2.), при вскрытии емкостей с АХОВ часть АХОВ переходит в первичное облако, а часть - во вторичное:

, (64)

где : Q₀ - общее количество АХОВ в емкости, (т);

Q₁ - количество АХОВ, перешедшее в первичное облако, (т);

Q₂ - количество АХОВ, перешедшее в вторичное облако, (т).

Количество АХОВ, перешедшее в первичное облако, определяется из уравнения (65):

, (65)

где : с_v - удельная теплоемкость жидкости, Дж/кг  град. ;

t₀ - температура жидкого АХОВ до разрушения емкости, ⁰С ;

t_к - температура кипения АХОВ, ⁰С ;

с_ - удельная теплота испарения, кДж/кг.

Количество АХОВ, перешедшее в вторичное облако, определяется из уравнения (66):

Q₂=3600ES_пр, (66)

где : Е - удельная скорость испарения, кг/м² с ;

S_пр- площадь поверхности зеркала разлива АХОВ, м² ;

 - время испарения АХОВ, ч.

В тоже время из уравнения (62) следует, что :

; (67)

, (68)

где : х₁, х₂ - глубина распространения соответственно первичного и

вторичного облаков АХОВ, м.

После преобразования уравнений (62), (64), (67), (68) получим уравнение вида:

. (69)

Выполнив простейшие арифметические преобразования в уравнении (69), получим:

, (70)

или

(71)

В математике доказано, что с погрешностью не более 15 % уравнение (71) может быть заменено уравнением вида:

x=x_max+0,5x_min,, (72)

где : х_max - большее из двух значений Х₁ и Х₂ ;

х_min - меньшее из двух значений Х₁ и Х₂ .

Уравнение (72) позволяет определить общую глубину распространения облака АХОВ, зная глубины распространения первичного и вторичного облаков.

После выполнения простейших преобразований в уравнении (59) получим:

, (73)

где: у - расстояние в поперечном направлении от оси следа

распространения облака АХОВ на расстоянии Х от

источника выброса, на котором ожидается токсодоза

величиной D (рис. 26), м.

Рис. 26. Схема зон химического заражения с соответствующей

величиной токсодозы

Задаваясь величиной токсодозы (D) и расстоянием по оси следа (Х), для заданных условий выброса АХОВ в окружающую среду из уравнения (73) возможно определить расстояние в поперечном направлении к оси следа (У) с заданной токсодозой.

Соединяя точки с одинаковыми значениями токсодозы плавными линиями получим зоны заражения с соответствующей степенью опасности (смертельной, пороговой и т.д.), а при D = РС₅₀ - получим площадь зоны фактического заражения с поражающей токсодозой (рис. 26).

Площадь зоны фактического заражения определяется по формуле полученной путем интегрирования выражения (73) и, с погрешностью менее 15 %, апроксимируется уравнением вида:

S_ф= КГ ²N ^0,2, (74)

где : S_ф - площадь зоны фактического заражения, км²;

К - коэффициент, зависимый от степени вертикальной

устойчивости воздуха ;

Г - полная глубина зоны заражения, км;

N - время после аварии, час.

Ввиду того, что направление, скорость ветра и степень вертикальной устойчивости воздуха изменяются на протяжении суток, расчетная схема должна учитывать возможность изменения распространения облака воздуха, зараженного парами АХОВ. Поэтому, наряду с зоной фактического заражения, выделяют зону возможного химического заражения. Зона возможного химического заражения представляет собой сектор, внутри которого с вероятностью не менее 90 % и будет находиться зона фактического заражения и занимать какую-то его часть.

Площадь зоны возможного химического заражения, определяется как площадь сектора (рис. 27) по формуле (75):

, (75)

где S_в - площадь зоны возможного химического заражения, км²;

 - угловые размеры сектора (град), которые зависят от

метеоусловий;

R – радиус круга (боковая сторона сектора), равный глубине

распространения облака зараженного воздуха, определяемый

из уравнения (72), км.

Хлор-20 т

10.00 1.10

Рис. 27. Схема площади зоны возможного химического заражения

Зону возможного химического заражения часто дополнительно подразделяется на:

• район аварии или место разлива АХОВ (непосредственно на карту не наносится);

• зону возможного распространения зараженного воздуха – площадь в пределах которой распространяются АХОВ с поражающей концентрацией.

Населенные пункты в зоне возможного химического заражения с находящимися в них людьми, сельскохозяйственными животными и растениями составляют очаг возможного химического поражения.

2. Краткое содержание методики прогнозирования масштабов

   заражения аварийно-химически опасными веществами

Прогнозирование масштабов заражения АХОВ осуществляется по методике (17), введенной в действие директивой Начальника ГО СССР ДНГО № 3 от 4.12.1990 года, а также Пособия по оценке химической обстановки для ГО гл. II, раздел 2 «Определение возможных потерь населения и их структуры» (24).

Методика предназначена для заблаговременного и оперативного прогнозирования масштабов заражения на случай выбросов АХОВ в окружающую среду при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах.

Основные допущения и ограничения

1.Емкости, содержащие АХОВ, разрушаются полностью.

2.Толщина слоя жидкостей АХОВ (h), разлившихся свободно, принимается равной 0,05 м, а для АХОВ, разлившихся в поддон или обвалование, из уравнений (76) или (77):

-для жидкостей имеющих самостоятельный поддон (обвалование):

h = H - 0,2, (76)

где: Н - высота обвалования м;

h - толщина слоя жидкости АХОВ в обваловании, м;

-для емкостей имеющих общий поддон (обвалование) на группу:

, (77)

где : d - плотность АХОВ, т/м³ ;

F - реальная площадь разлива в поддон (м²).

3.Предельная продолжительность сохранения метеоусловий - N=4 часа .

4.Расчеты ведутся по эквивалентным количествам АХОВ. Под эквивалентным количеством АХОВ понимается такое количество хлора, масштаб заражения которым при инверсии эквивалентен масштабу заражения при данной степени вертикальной устойчивости воздуха количеством данного АХОВ, перешедшим в первичное (вторичное) облако.

Основные исходные данные:

-общее количество АХОВ на объекте экономики;

-количество АХОВ, выброшенное в окружающую среду, и характер разлива ;

-высота обвалования ;

-метеорологические условия (температура воздуха, почвы, скорость ветра в приземном слое (на высоте 10 метров), степень вертикальной устойчивости воздуха) ;

-плотность (количество) населения в зоне возможного химического заражения и степень его защиты.

Порядок проведения расчетов.

1.Вычисляем эквивалентное количество АХОВ, перешедшее в первичное облако:

Q_Э1 = К₁ К₃  К₅  К₇^/  Q₀ , (78)

где : Q_Э1- эквивалентное количество АХОВ в первичном облаке, т;

Q₀ - количество выброшенного (разлившегося) при аварии

АХОВ, т;

К₁ - коэффициент, зависящий от условий хранения АХОВ;

К₃ - коэффициент, равный отношению пороговой токсодозы

хлора к пороговой токсодозе АХОВ;

К₅ - коэффициент, учитывающий степень вертикальной

устойчивости воздуха и равный:1 -для инверсии,

0,23 –для изотермии и 0,08 -для конвекции ;

К₇^/ - коэффициент, учитывающий влияние температуры

воздуха на скорость образования первичного облака.

2.Вычисляем эквивалентное количество АХОВ, перешедшее в вторичное облако:

, (79)

где : Q_Э2 - количество АХОВ во вторичном облаке, т;

К₂ - коэффициент, зависящий от физико-химических свойств

АХОВ ;

К₄ - коэффициент, учитывающий скорость ветра ;

К₆ - коэффициент, зависящий от времени, прошедшего после

начала аварии (N), и определяемый из условия (80) ;

К₇^//- коэффициент, учитывающий влияние температуры

окружающего воздуха на скорость образования

вторичного облака.

, (80)

где: Т - время испарения АХОВ с площади разлива (час),

определяется из уравнения (87).

Примечание :

В случае полного разрушения химически опасного объекта расчет эквивалентного количества АХОВ в облаке ведется по методу для вторичного облака:

, (81)

где : d_i - плотность i-го АХОВ, т/м³ ;

Q_i - запасы i-го АХОВ на объекте, т ;

К_ji - j коэффициенты для i-го АХОВ;

n - количество одновременно выброшенных в окружающую

среду наименований АХОВ.

3. По приложению 2 (17) определяем глубину распространения первичного (Г₁) и вторичного (Г₂) облаков АХОВ, а по формуле (82) вычисляем общую глубину распространения зараженного воздуха:

, (82)

где : Г_ - общая глубина распространения облака зараженного АХОВ воздуха, км;

Г^/ - большее из двух значений Г₁ и Г₂, км;

Г^// - меньшее из двух значений Г₁ и Г₂, км.

4. Общую глубину распространения облака зараженного воздуха сравниваем с возможным предельным значением глубины переноса воздушных масс (Г_п), определяемой из уравнения (83), и из двух значений выбираем наименьшее.

Г_п=N  V, (83)

где: V - скорость переноса переднего фронта облака зараженного

воздуха (Приложение 5, стр. 20 (17)), км/ч.

, (84)

где: Г - глубина зоны возможного заражения АХОВ, км.

5.Вычисляем площадь зоны возможного заражения АХОВ:

S_в=8,7210^-3(Г)²  , (85)

где:  - угловые размеры зоны возможного заражения АХОВ, град.

Определяются по табл. 39 с. 141 или по приложению 6 с. 21-22 (17).

6.Вычисляем площадь зоны фактического заражения АХОВ:

S_ф=К₈ Г²N^0,2, (86)

где : К₈ - коэффициент, зависящий от степени вертикальной

устойчивости воздуха и равный: 0,081 -для инверсии,

0,0133 -для изотермии и 0,235 -для конвекции.

7.Вычисляем продолжительность поражающего действия АХОВ (время испарения АХОВ с площади разлива):

, (87)

8.Вычисляем время подхода зараженного воздуха к объекту:

, (88)

где : х - расстояние от источника заражения до объекта, км;

t - время подхода облака зараженного воздуха к объекту, час.

9.Вычисляем возможные общие потери населения в очаге поражения АХОВ:

, (89)

где : Р^о - общие потери населения в очаге поражения АХОВ, чел.;

Г_г- глубина распространения облака зараженного АХОВ воздуха в городе, км ;

, ^/ - средняя плотность населения соответственно в городе

и загородной зоне (чел/км²) ;

К, К¹ - доля незащищенного населения соответственно в городе и

загородной зоне:

К = 1 - n₁ - n₂, (90)

К^/ = 1 - n₁^/ - n₂^/. (91)

где: n₁,n₁^/ - доли населения, обеспеченного противогазами,

соответственно в городе и в загородной зоне;

n₂,n₂^/ - доли населения, обеспеченного убежищами

соответственно в городе и загородной зоне.

Для оперативных расчетов принимается (24), что структура потерь в очаге поражения АХОВ составит:

-35 % - безвозвратные потери;

-40 % - санитарные потери тяжелой и средней форм тяжести (выход

людей из строя на срок не менее, чем на 2-3 недели с

обязательной госпитализацией);

-25 % - санитарные потери легкой формы тяжести.

При аварии (разрушении) объектов с АХОВ условные обозначения наносятся на карту в следующей последовательности (рис. 27):

-точкой синего цвета отмечается место аварии и проводится ось в направлении распространения облака зараженного воздуха;

-на оси следа откладывают величину глубины распространения зараженного воздуха;

-синим цветом наносится зона возможного заражения АХОВ в виде окружности, полуокружности или сектора (табл.39);

-зона возможного химического заражения штрихуется желтым цветом;

-возле места аварии синим цветом делается поясняющая надпись. В числителе - тип и количество выброшенного АХОВ (т), в знаменателе - время и дата аварии.

Таблица 39

Отображение зон возможного заражения АХОВ на картах (схемах)

№№ п/п	Скорость ветра, u (м/с)	Угловые размеры зоны ВХЗ,  (град)	Вид зоны ВХЗ	Поясняющая надпись	Графическое изображение зоны ВХЗ
1	0,5 и менее	360	окружность	хлор - 10 6.00 1.7
2	0,61,0	180	Полуокруж-ность	хлор - 5 7.00 1.8
3	1,1  2,0	90	сектор	хлор - 8 5.00 3.6
4	более 2,0	45	сектор	аммиак - 10 4.00 5.3