-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Глава 4. Методика и иллюстративные примеры моделирования
Принятая нами энергоэнтропийная концепция (см. главу 1), а также приведенные выше рекомендации по прогнозированию происшествий при проведении опасных процессов (глава 2) и ущерба от них (глава 3) позволяют сформулировать типовую методику априорной количественной оценки техногенного ущерба и проиллюстрировать ее работоспособность на конкретных примерах. Одна из возможных процедур прогноза техногенного риска, связанного с деятельностью отдельных производственных и транспортных объектов, подробно рассматривается в следующем параграфе данной главы.
Методика комплексного прогноза техногенного риска
При формулировании методики, мы исходили из неизбежности ущерба от производственной деятельности, а его природу увязывали со случайными и неизбежными непрерывными выбросами энергии и вещества. Вредное же воздействие таких выбросов на сами производственные или транспортные системы и окружающую их среду увязывали с объемами высвободившихся энергии и веществ, их агрессивностью и токсичностью, а также с количеством и степенью уязвимости тех ресурсов, которые подвержены их воздействию.
Следовательно, можно утверждать о целесообразности включения в методику следующих основных этапов-шагов: а)выявление запасов энергии и вредных веществ, способных к нежелательному высвобождению, б)прогнозирование предпосылок и сценариев таких происшествий, в)оценка частоты и объемов неконтролируемых утечек вещества и энергии, г)определение размеров зон их разрушительного действия и насыщенности этих зон людскими, материальными и природными ресурсами, д)сопоставление сопутствующих вредным выбросам поражающих факторов со стойкостью указанных ресурсов, е)прогноз характера разрушительных для них эффектов и ж)оценка связанного с этим ущерба стоимостными или иными социально-экономическими категориями.
Общая последовательность предварительной количественной оценки техногенного ущерба, учитывающая предложенные выше шаги, методы и показатели, показана на рис. 4.1 в виде соответствующей блок-схемы. В сущности, данная методика представляет собой алгоритмическую модель оценки частоты и тяжести возможных вредных выбросов, каждая итерация которой включает не менее 21 шага. Охарактеризуем кратко основные этапы предложенной нами методики, конкретизируя особенности прогноза ущерба в практических целях - при экспертизе конкретных проектов или составлении деклараций о безопасности, а также в ходе дипломного и курсового проектирования либо выполнения курсовых и домашних заданий.
1. При определении цели и уточнении области применимости методики, следует исходить из следующего. Целью априорной количественной оценки техногенного риска служит обычно не точный количественный прогноз соответствующей случайной величины, который невозможен в принципе для таких сложных систем, как человекомашинные, а сравнительная количественная оценка опасности нескольких однотипных производственных или транспортных объектов и оценка эффективности альтернативных мероприятий по снижению возможного техногенного риска.
Естественно, что результаты такой оценки будут тем достовернее, чем проще исследуемый объект и надежнее исходные данные об источниках опасности и факторах, способствующих ее реализации. Следовательно, областью предпочтительного использования рассматриваемой методики будут сравнительно простые производственные и транспортные объекты, эксплуатация которых декомпозируется на отдельные технологические операции - функционирование простейших человекомашинных систем.
Другим применением методики может стать предварительная количественная оценка опасности разрабатываемых объектов и процессов. В этом случае приступать к прогнозу техногенного риска целесообразно не ранее, чем будет составлен их рабочий проект, т.е. после четкого определения структуры и параметров соответствующих человекомашинных систем, а также учета особенностей функционирования и взаимодействия с окружением всех их компонентов.
Рис.
4.1. Логика и последовательность
прогнозирования риска
2. В качестве основного показателя опасности исследуемых объектов должна использоваться величина связанного с их функционированием техногенного риска, рассчитываемая по формулам (3.2-3.3) - как математическое ожидание случайной в общем случае величины ущерба. При наличии в составе объекта источников непрерывных выбросов, соответствующей ущерб от них учитывается вторым слагаемым выражения (3.2), а размеры соответствующих выплат предприятий определяются по формулам (3.37-3.38) за конкретный период времени, с учетом токсичности вредных веществ.
Состав исходных данных, необходимых для оценки возможного ущерба, зависит от ее цели и выбранного метода. 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 исследуемого объекта.
Для приближенной оценки риска техногенного ущерба в ходе выполнения курсовых проектов и домашних заданий, можно использовать статистические данные об опасности аналогичного оборудования - размеры зон поражения, частоты и объемы случайных вредных выбросов, закономерности их истечения, распространения, трансформации и разрушительного воздействия на ресурсы региона в пределах зон поражения. Эти сведения можно найти в специальной литературе, а частично - в главе 3 или приложениях к данной работе.
З. Непосредственными источниками опасности исследуемых нами производственных и транспортных объектов следует считать генераторы или аккумуляторы энергии и вредных веществ - цистерны и сосуды с токсичными жидкостями, резервуары и трубопроводы со сжатыми газами, пожароопасные и взрывчатые вещества, подвижные энергоблоки.
В аварийных ситуациях, обусловленных разрушительным высвобождением накопленного в этих элементах энергозапаса, могут проявляться все перечисленные в главе 3 первичные поражающие факторы, а также наведенные ими - вторичные, связанные с так называемым "эффектом домино".
Особо отметим, что вероятность появления таких ситуаций и размеры соответствующего ущерба возрастают по мере старения оборудования, повышения его энергетических потенциалов и плотности ресурсов вблизи рассматриваемых нами объектов.
4-9. При идентификации конкретных источников опасности, нужно руководствоваться величиной накопленной в них энергии, а при принятии решения о необходимости дополнительных мер по обеспечению безопасности или составлению предусмотренной [18] декларации безопасности - предельно допустимыми запасами энергии и вредных веществ (см. табл. П3.1). В качестве критерия в первом случае следует использовать размеры вероятных зон поражения, образуемых при их аварийных выбросах: если они незначительны, то соответствующие устройства исследуемых объектов могут считаться безопасными и исключаться из последующего рассмотрения.
Для принятия решения о необходимости учета непрерывных вредных выбросов рассматриваемых объектов, следует исходить как из установленных для них предельно допустимых норм, так и из “техноемкости” окружающей природной среды. В последнем случае речь идет о необходимости обеспечения безопасности людей, фауны и флоры с учетом того, что вокруг рассматриваемых объектов сами вредные выбросы не будут накапливаться, а их разрушительный эффект в последующем может постепенно нейтрализоваться.
10. Для выявления сценариев нежелательного высвобождения энергозапаса должны использоваться как эмпирические данные (преимущественно - в ходе выполнения домашних и курсовых работ), так и результаты моделирования - при оценке и декларировании безопасности производственных и транспортных объектов, а также в процессе дипломного проектирования.
В двух последних случаях в качестве моделей лучше всего применять дерево происшествия и дерево событий - его возможных исходов, а построение сценариев аварийного высвобождения, трансформации и распространения знергозапаса (истечения и рассеяния вредных веществ) следует проводить в соответствии с вышеприведенными рекомендациями (см. главы 2 и 3).
11. Оценку вероятности или частоты сценариев разрушительного воздействия вредных веществ и энергии нужно осуществлять по результатам моделирования, полученным на предыдущем шаге, или с помощью статистических данных об аналогичных происшествиях.
Наиболее приемлемы для декларирования безопасности и дипломных работ - точные аналитические выражения (2.5-2.6 и 2.9-2.10), а для курсовых и домашних работ - их приближенные аналоги типа формулы (4.4), увязывающей вероятность головного события с подобными параметрами исходных предпосылок. При наличии исходных данных о значениях последних, оценка вероятности или частоты каждого сценария сводится к проведению несложных вычислений по указанным формулам.
12. Определение количества аварийно высвободившейся энергии или объема вредных веществ также следует проводить с помощью моделей соответствующих истечений (см. формулы (2.13-2.15) или методики[14,15]) и имеющихся статистических данных.
При разработке декларации о безопасности и выполнении дипломных работ (проектов), нужно рассматривать несколько сценариев нежелательного выброса энергозапаса, каждый со своими вероятностями и исходами. Затем, с помощью соответствующего дерева, можно оценить ожидаемый объем утечки - как сумму произведений вероятностей конкретных ее вариантов на сопутствующие им размеры выбросов вредных веществ и энергии.
В ходе выполнения курсовых работ и заданий, можно ограничиться грубыми (пессимистическими) оценками. Например, объем пролитого топлива - считать равным той его величине, которая до аварии находилась в разгерметизированной части емкости или участка трубопровода между запорной арматурой.
Доминирующие по опасности факторы нужно определять с учетом специфики высвобождающихся энергии и вредных веществ: при взрывах - фугасный и тепловой; при пожарах и проливах ядовитых веществ - термический и токсичный; при рассеивании радиоактивных веществ - ионизирующий, а иногда и токсический; при коротких замыканиях в электросетях - тепловой и электромагнитный.
13. Оценку частоты или вероятности причинения непосредственного (прямого) ущерба следует проводить в соответствии с рекомендациями главы 2 - исходя из частоты воздействия поражающих факторов на не защищенные от них ресурсы и полученной ими мощности дозы поражающего фактора. Вероятности и степени повреждения конкретных ресурсов можно определять также с помощью пробит-функций и зависимостей "доза-эффект" - после сравнения полученных ими доз с их пороговыми значениями.
Учитывая большое число факторов, влияющих на степень повреждения конкретных ресурсов, при определении частоты причинения прямого ущерба рекомендуется: а)при декларировании безопасности и дипломном проектировании - рассмотреть 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. Величина зон поражения людских, материальных и природных ресурсов, а также уровни наблюдаемых в них опасных факторов (концентраций вредных веществ) должны рассчитываться следующим образом: а)при составлении деклараций безопасности и дипломном проектировании - по соответствующим формулам глав 2, 3, табл. П3.3 и П3.4 или методикам [14,15], с учетом своевременности оповещения и подготовленности населения к действиям в возможных чрезвычайных ситуациях; б)в других случаях - приближенно, путем представления зон достоверного поражения кругом или шаром с радиусами, оцененными по статистическим данным.
15. Оценка частоты или вероятности причинения вторичного (косвенного) ущерба, вообще говоря, всегда крайне желательна, поскольку тяжесть таких косвенных издержек обычно превышает прямой ущерб в 3-4 раза. Однако, для прогноза подобных издержек от происшествий требуются дополнительные исследования. Именно это и затрудняет оценку косвенного ущерба, например, при выполнении курсовых и домашних заданий, поскольку там такие исследования совсем не предусматриваются.
Для априорного расчета меры возможности причинения косвенного ущерба различным ресурсам при декларировании безопасности и дипломном проектировании, потребуется информация о цепочках снабжения, накопленных запасах и новых источниках их получения, а также о своевременности мер по нейтрализации повреждений, полученных конкретными объектами.
Рекомендуются следующие способы получения таких сведений: а)для материальных ресурсов - изучением взаимосвязей между производственными объектами; б)для природных - прогнозом последствий нарушения естественных геобиохимических циклов; в)для людских - учетом вынужденной миграции населения, ухудшения его здоровья и психологического климата в регионах с повышенной опасностью.
Для редко встречающихся происшествий можно считать одинаковыми частоты возникновения первичного и вторичного ущерба. Однако, по мере роста повторяемости таких аварийных выбросов, вероятность и тяжесть вторичного ущерба будут постепенно снижаться, вследствие постепенной адаптации производственной или природной системы - разрыва ненадежных связей и принятия ими заблаговременных мер по созданию резервов.
16. Предварительную оценку ущерба от происшествий и систематических вредных выбросов удобно проводить по формуле (3.3) - перемножением найденных выше вероятностей (частот) их появления, ожидаемых при этом зон поражения и плотностей расположенных в них ресурсов.
При составлении деклараций о безопасности и дипломном проектировании, следует учитывать изменение всех трех параметров в зависимости от времени года или суток. Например, поголовье фауны и насыщенность зон поражения флорой будут различными зимой и летом, а численность населения в жилых и промышленных районах населенного пункта - днем и ночью. Для приближенной оценки ущерба в курсовых и домашних заданиях, эти отличия можно не учитывать.
17. Суммарная частота причинения ущерба людским, материальным и природным ресурсам в первом приближении - в ходе выполнения курсовых и домашних заданий может быть определена простым суммированием частот его первичного и вторичного появления. Более точная оценка, желательная при дипломном проектировании, предполагает введение соответствующих весов или вероятностей, позволяющих оперировать как бы средневзвешенными частотами возникновения прогнозируемого ущерба. Наконец, при декларировании безопасности, необходимо оговаривать временной лаг проявления ущерба с тем, чтобы учесть и возможную латентности его образования.
18-19. Определение частот и объемов случайных вредных выбросов следует проводить для всех источников опасности данного производственного или транспортного объекта. В итоге можно найти суммарные частоты и ущербы от аварийных выбросов каждого сценария, рассчитывая их как математические ожидания соответствующих случайных величин. Следовательно, риск причинения ущерба конкретному ресурсу может быть рассчитан стандартным способом - по формуле (3.2), при интерпретации ее параметров оценками вероятности и тяжести появления ущерба на данном интервале времени.
20-21. Количественная оценка интегрального техногенного риска, учитывающего ущерб от конкретного производственного или транспортного объекта для всех видов ресурсов (людских, материальных и природных), должна проводится подобно предыдущим этапам рассматриваемой методики. Отличия могут быть в следующем: а)рассматриваются не отдельные выбросы из источников, а все их сценарии и сочетания; б)для людских и природных ресурсов учитывается возможность нелинейного роста суммарного ущерба в результате возможного синергетического эффекта и аккумуляции накопленных ранее повреждений.
Реальный учет последней особенности при декларировании безопасности и дипломном проектировании может быть обеспечен введением в выражения для прогнозирования риска (3.2-3.3) дополнительных слагаемых - произведений вероятностей кумулятивного эффекта и размеров дополнительного ущерба от него.
Для проверки правдоподобности результатов, полученных при прогнозировании риска, а также при выполнении курсовых работ по отдельным аспектам моделирования опасных процессов, целесообразно руководствоваться имеющимися статистическими данными. Например, в работе [26] приведена следующая численность погибших в США при одной катастрофе а)на транспорте: авиационном -78, морском -61, железнодорожном -30; б)в результате одного происшествия типа: взрыв -26, пожар -35 и землетрясение -2500 человек.
Имеются подобные данные и о последствиях тяжелых техногенных происшествий на производстве и транспорте России. В частности, а) средняя стоимость издержек (млн долл) от каждой аварии на наших заводах ныне составляет[20]: нефтеперерабатывающий -45, нефтехимический -47, газоперерабатывающий -55; б)величина среднего ущерба от конкретного происшествия на них равна: пожар -36, взрыв -33, объемный взрыв парогазового облака -60; в)разрушительные последствия одной разгерметизации оцениваются в среднем для: магистрального трубопровода -47, стационарного резервуара -42, реактора химического -68, морского судна -35, компрессора большой мощности -29 и нагревательного котла -18.