Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние разработки проблемы воздействия пожаров на социальные, экономические и экологические сферы жизнедеятельности человека 6
1.1 Влияние пожаров на окружающую среду и человека 6
1.2. Подходы к оценке критериев воздействия экологического ущерба от пожара и анализ профилактических мероприятий 10
1.3. Классификация и краткая характеристика пожароопасных объектов 21
1.4. Экологическое противопожарное страхование, состояние и
направления развития 29
1.5. Состав и токсичность продуктов горения, образующихся при пожаре... 36
ГЛАВА 2. Физическая и математическая модель переноса вредных веществ и воздействие пожаров на окружающую среду и человека. программное обеспечение ее реализации 47
2.1. Состояние физико-математического моделирования переноса вредных веществ при пожаре 47
2.2. Строение атмосферы и изменение температуры по высоте 49
2.3. Аэродинамика воздушной среды при пожарах 51
2.4. Модели на основе уравнений Навье-Стокса 55
2.5. Модели на основе К-теории 59
2.6. Модели Гауссовского рассеивания 63
2.6.1. Формулы дисперсии для различных источников 68
2.6.2. Оценка параметров вертикальной и горизонтальной дисперсии 72
2.6.3. Оценка высоты подъема и выброса дымового аэрозоля в атмосферу 77
ГЛАВА 3. Методика и программа прогнозирования масштабов загрязнения атмосферы вредными продуктами горения, образовавшимися при пожаре 83
3.1. Методика прогнозирования масштабов загрязнения атмосферы вредными продуктами горения, образовавшимися при пожаре 83
3.2. Оценка погрешности и точности косвенных измерений 95
3.3. Программа расчета полей концентраций вредных продуктов горения образовавшихся при пожаре 97
ГЛАВА 4. Реализация модели расчета загрязнения атмосферы при пожарах на характерных объектах 105
4.1. Лесной пожар (торфяной массив) 105
4.2. Возможный пожар на территории «Лесного порта» 129
4.3. Пожар при аварии на автомобиле, перевозящем нефтепродукты (бензин) 158
Общие выводы по диссертационному исследованию 170
Приложения 172
Список использованной литературы
- Подходы к оценке критериев воздействия экологического ущерба от пожара и анализ профилактических мероприятий
- Аэродинамика воздушной среды при пожарах
- Оценка погрешности и точности косвенных измерений
- Возможный пожар на территории «Лесного порта»
Подходы к оценке критериев воздействия экологического ущерба от пожара и анализ профилактических мероприятий
Отмечено [2], что только пожары в лесах несут с собой многочисленные явления, влияющие на жизнь региона (обмеление рек и прекращение судоходства; отравление дымом - «дымная мгла»; канцерогенные включения в дыме; прекращение полетов и железнодорожного движения; гибель животных и растений; уничтожение различных объектов и населенных пунктов; травмы и гибель людей; возможность вторичной радиационной опасности).
При тушении массы воды, соприкасаясь с раскаленными до высокой температуры веществами, превращаются в пар. Объем водяного пара в 1700 раз больше объема испарившейся воды. Одновременно и пар, и вода насыщаются различными, нередко отравляющими веществами и в таком состоянии выпадают и виде осадков (дождя, снега) или истекают в озера, реки, моря, проникают в почву и долгое время сохраняются в биосфере.
Опасность процессов, протекающих на пожарах, для окружающей среды многогранна. Опасность пожаров в техногенной среде усиливается с количественным ростом опасных производств, изделий, веществ и материалов.
Распространение и проникновение в стратосферу мелкодисперсного дымового аэрозоля может приводить к локальным и региональным климатическим изменениям. Особые крупномасштабные геофизические и экологические последствия могут возникнуть в случае применения ядерного оружия [10, 11]. В результате нанесения массированного ядерного удара развившиеся массовые пожары на городской и лесной территории могут вызвать глобальное загрязнение верхних слоев атмосферы оптически активным аэрозолем, что может повлечь за собой нарушение энергетического баланса климатической системы всей планеты.
В последние годы мировая научная общественность озабочена процессом снижения концентрации озона в верхних слоях атмосферы [3]. Специалисты полагают, что причина этого явления заключается в химических реакциях озона с некоторыми соединениями, в том числе с галоидированными углеводородами, которые применяются и при тушении пожаров.
Первый международный договор о защите озонового слоя «Венская конвенция» - был заключен в 1985 г. В качестве дополнения к этой конвенции в сентябре 1987 г. был оформлен Монреальский протокол о веществах, разрушающих озоновый слой. Он вступил в силу с 1 января 1989 г.
Согласно этому протоколу решено значительно ограничить производство и продажу хладонов. В Хельсинской декларации, принятой в мае 1989 г. содержится требование о прекращении использования фреона к 2000 году. Ее выполнение связано и с ограничением строительства и эксплуатации хладоновых автоматических установок пожаротушения.
В этой ситуации специалисты разных стран тщательно проанализировали использование хладонов в пожарном деле и выявили пути сокращения их потребления. По данным датского правления по охране окружающей среды, лишь 25% хладонов используется для тушения, а 75 % - для тренировок, испытательных тестов и просто теряются. По данным фирмы «Нордикс Халон Раппорт», ситуация с использованием хладонов такая: выбросы хладона в атмосферу происходят при испытании и изготовлении новых систем и компонентов, при испытании резервуаров и ручных огнетушителей, при тушении пожаров (примерно 30 %), во время учений, а также утечки через вентили (примерно 10 %). Неисправность оборудования и ошибки персонала являются причиной почти половины выбросов вредного химического вещества в атмосферу.
Таким образом, озоноразрушяющее действие хладонов в год оценивается величиной 39300 условных единиц, что составляет приблизительно 3 % от суммарного озоноразрушающего действия всех хладонов, произведенных в мире в 1986 г.
Исследования ряда ученых позволяют спрогнозировать воздействие массовых пожаров на состав земной атмосферы, способствующее созданию парникового эффекта [4].
Стратегический подход к снижению или предотвращению отрицательного влияния пожаров на окружающую среду состоит в усилении противопожарной защиты объектов и совершенствовании способов и средств тушения.
При рассмотрении пожара, как одного из источников аварийного загрязнения, за последние десятилетие следует отметить две основные тенденции: устойчивый рост риска аварий и увеличение их масштабов. Только на последние 80-90-е г.г. приходится около 1/3 всех крупнейших промышленных аварий, из числа всех имеющих место в истории человечества. Известно, что причинами таких тенденций служат концентрации производства, усложнение технологий, рост объема наработки, хранение и транспортировка опасных веществ [93, 94]. Невозможность достижения абсолютной безопасности (или нулевого риска) техногенных производств, создает предпосылки для разработки и реализации стратегий уменьшения опасности.
Эти проблемы рассмотрены в ряде работ [93, 95, 96], в частности, выделяются три типа стратегий управления применительно к аварийным ситуациям, которые формируются в результате любой технологической катастрофы или пожара: 1) предотвращение причин возникновения чрезвычайной ситуации; 2) предотвращение их самих; 3) максимальное ослабление последствий таких ситуаций [93]. Реализация любой из стратегий, направленной на минимизацию вероятности возникновения и уменьшения потенциальных катастроф, достигается осуществлением комплекса мероприятий различного характера: правового, технического, социально-экономического и др. При авариях в результате пожара, высоко эффективными могут быть медицинские мероприятия. Это очевидно, поскольку пожары способны приводить к гибели людей, наносить материальный ущерб, разрушительно действовать на окружающую среду.
Аэродинамика воздушной среды при пожарах
Качественная картина от загрязнения может быть выражена количественно. В большинстве стран мира методологии оценки ущерба, причиняемого выбросами токсичных веществ, хотя и отличаются друг от друга, но во многих случаях, в основном, показатели сходны - затраты на защиту окружающей среды, как правило, не должны превышать величины предотвращенного ущерба.
Эколого-экономический ущерб в общем виде можно рассматривать как категорию предотвращенного ущерба, вызванного изменением качества воздуха в результате пожара, подобно тому, как это оценивается при выбросах токсичных веществ от стационарных источников. В этом случае предотвращенный экономический ущерб {ДЕ„) следует рассчитывать следующим образом:
Для оценки экономического ущерба, который может причинить реальный пожар обществу в результате загрязнения воздуха в работе [2] рассматривается на примере нефтеперерабатывающего завода (НПЗ). Для этого случая известен состав выбросов отходящих газов при работе завода с соблюдением технологического регламента. Загрязнение воздуха в результате безаварийной работы завода, оценено в денежной форме по предложенной методике и может служить мерой сравнения с ущербом от загрязнения воздуха в результате пожара на НПЗ.
Экономический ущерб от загрязнения атмосферы при переработке 1 тонны сырой нефти составляет 2.3 руб./т, а ущерб от загрязнения атмосферы за счет выброса продуктов горения при сгорании 1 тонны сырой нефти того же состава равен 15 руб./т.
Сравнение результатов расчета показывает, что загрязнение атмосферного воздуха при пожаре наносит больший ущерб (15 руб./т), чем выбросы отходящих газов при переработке того же количества нефти (2.3 руб./т). Эта разница составляет 12.7 руб. на каждую тонну.
Как показывают расчеты, на пожарах в нефтеперерабатывающей промышленности сгорает от 70 т до 10 тыс. т нефти. В этом случае предполагаемый ущерб от загрязнения атмосферы в результате одного пожара составляет от 1000 до 150 тыс. рублей. А если учесть, что в год на объектах нефтеперерабатывающей промышленности происходит порядка 70 пожаров, то ущерб от загрязнения атмосферного воздуха при пожаре на объектах только нефтеперерабатывающей промышленности может составить от 70 тыс. до 10 млн. рублей.
Определение эколого-экономического ущерба от загрязнения воздуха продуктами горения позволяет оценить потери, которые несет общество при пожарах. На этом основании служба пожарной охраны может определить эффективность осуществления профилактических мероприятий, предотвращающих или уменьшающих риск пожара, а также целесообразность увеличения затрат на совершенствование противопожарной защиты объектов.
В этой связи представляет интерес подготовленная Буркановым А.К., Егоровым И.Г. и Волоховым В.В. [6] обзорная информация о влиянии пожаров на окружающую среду, в которой обобщена методология определения экологических потерь от пожаров. В ней, в частности, отмечено, что при рассмотрении подходов к оценке экологических последствий пожаров необходимо различать два вида загрязнений: установившееся и аварийное (залповое). Установившееся загрязнение -зафиксированное, регулярно повторяющееся загрязнение воздупшого и водного бассейнов, под аварийным или залповым загрязнением понимается выброс вредных веществ в атмосферу и водную среду в течение непродолжительного времени [7]. Пожар является одним из источников аварийного загрязнения среды.
На практике достаточно сложно подсчитать ущерб, наносимый природе пожарами. Трудно определить и «вклад» конкретного виновника. Дело осложняется тем, что одни и те же вещества наносят различный вред разным элементам биосферы. Существующие у нас нормы загрязнения воздуха в основном являются санитарно-гигиеническими и слабо учитывают, либо вообще не учитывают это воздействие веществ на биосферу. Необходимо определить раздельно ущерб, наносимый каждым веществом каждому элементу биосферы. Еще труднее выделить долю ущерба, который наносит то или иное вещество, если оно попало в атмосферу в большом количестве, но это еще не означает, что окружающая среда получала от него наибольший вред. Размер ущерба зависит от условий того региона, в котором он произошел, от плотности населения, состояния воды, почвы и т.д.
Для расчета экологического ущерба можно использовать стандартные подходы [97] и воспользоваться промышленными платами за выброс загрязняющих веществ и платами за выбросы при горении бытовых отходов [98]. В нашей стране эти платы крайне низки и для примера можно воспользоваться платами за выброс вредных веществ в Финляндии (см. табл. 2).
Оценка погрешности и точности косвенных измерений
Ширина зоны загрязнения для сельской и открытой лесной местности примерно равна предполагаемому радиусу пожара и для небольших площадей пожара может принимать круговую форму. Для сильнопересеченной местности значения распространения примесей в перпендикулярном направлении относительно оси х, сначала уменьшаются с увеличением устойчивости атмосферы, а затем увеличиваются примерно в 2 раза относительно первоначальных значений. При пожаре в условиях городской местности значения отклонения по оси у лежат в одном диапазоне и отличаются друг от друга примерно на 15 %.
Торфяные пожары относятся к лесным почвенным (подземным) пожарам. Скорость почвенного пожара - несколько метров в сутки. В отличие от верховых лесных пожаров они не столь быстры и непредсказуемы. Основная трудность при тушении подземных пожаров заключается в том, что их практически невозможно потушить, и эти пожары изодня в день все увеличивают свою площадь и несколько прекращают свою активность в холодные времена года. Общее руководство при тушении лесных пожаров возлагается на лесхозы и другие лесохозяйственные органы. Создаются чрезвычайные комиссии, в состав которых входят также старшие начальники пожарной охраны. Чрезвычайная комиссия разрабатывает план борьбы с пожаром. Кроме основного комплекса мероприятий, которые включают в себя такие пункты как: мероприятия по охране труда и техники безопасности, защите негорящих массивов, населенных пунктов, предприятий и т.д. расположенных на опасных подступах к очагу пожара и другие мероприятия. В данных мероприятиях необходимо учитывать возможное экологическое загрязнение и масштабы этого загрязнения с учетом метеоусловий и типа местности, на котором происходит пожар, для выбора более эффективной и безопасной тактики его тушения. Также необходимо разместить штаб и организовать места прибытия и расположения основных и дополнительных сил и средств на территориях неподверженных возможным токсикологическим воздействиям вредных продуктов горения, образующихся при горении торфа с учетом метеорологических условий, скорости и направления ветра. Организовать оповещение близлежащих территорий с нахождением людей (садоводства, совхозы и т.д.) о потенциальной угрозе их здоровью, а также организовать посты безопасности на подходах к опасным территориям. Полученные результаты по размерам зон загрязнения позволяют сделать вывод о необходимости заранее прогнозировать данные зоны загрязнения, соотнести полученные результаты со статистическими данными о торфяных пожарах, их мест возникновения и на основании этого отделам гражданской обороны УПО разработать и дополнить планы обеспечения безопасности близ лежащих населенных районов. Кроме этого тушение такого почвенного пожара необходимо осуществлять только с подветренной стороны. Личный состав производящий тушение в потенциально опасных для здоровья зонах загрязнения должен находиться в индивидуальных средствах защиты органов дыхания и должен быть обеспечен индивидуальными газоанализаторами в соответствии с рекомендациями ВОВ фирма «Дрегор».
Эколого-экономический ущерб для различных площадей торфяного пожара согласно [97, 102] составит (см. табл. 23). Средняя плотность торфа принималась равной 200 кг/м3, влажность 10 %. Выгоревший пласт принимался глубиной 0,5 м.
Как видно из таблицы 23 эколого-экономический ущерб, нанесенный окружающей среде при торфяных пожарах, имеет значительные размеры и не учитывать его нельзя. Ответственность за лесные пожары возлагается на лесхозы и другие лесохозяиственные органы, поэтому им для уменьшения вероятности возникновения лесных пожаров, и следовательно, минимизации потенциального экологического ущерба, проводить профилактические: дополнительную агитационную работу среди жителей близ лежащих территорий, садоводческих обществ, отдыхающих (по поводу осторожного обращения с огнем, противопожарного режима и последствий возможного пожара; следить за лесными массивами и противопожарными разрывами; при возникновении пожара в близи населенной территории своевременно сообщить об этом в пожарную часть и принятия всех возможных мер по уменьшению потенциальной пожарной и экологической опасности.
Кроме общих профилактических мероприятий для уменьшения эколого-экономического ущерба необходимо:
Лесохозяйствам и противопожарной службе иметь план-карты местности с обозначением наиболее пожароопасных лесных (торфяных) массивов прилегающих к населенным районам и сельскохозяйственным угодьям, которые могут угрожать при возникновении пожара,
В качестве второго примера был выбран «Лесной порт». Данный объект был выбран в связи с тем, что он расположен вблизи густонаселенного района и возникновение пожара при определенных метеоусловиях, может вызвать экологические и токсикологические проблемы. На данном объекте производиться хранение и сушка лесо-пиломатериалов и деревянной гфодукции (древесностружечная плита, фанера, бумага, целлюлоза и др.). «Лесной порт» разделен на три основные части (см. рис. 12) на которых находятся как открытые, так и закрытые склады пиломатериалов и продукции различной площади. На рис. 12 показаны наиболее крупные складские территории с указанием площади, количества и характеристик складируемых материалов.
Пиломатериалы хранятся в штабелях, которые складываются из плотных транспортных пакетов. Высота штабеля, включая высоту подштабельного места и крышу штабеля, достигает 6 метров. Количество плотной древесины в штабеле, состоящей из транспортных пакетов размером 6x6x6 м, достигает 200-250 м3. Горючая нагрузка составляет 1500-2000 кг/м2. При хранении фанеры и других листовых изделий размер пакетов составляет 6x6x6 м и 6x6x3 м, горючая нагрузка составляет 1400-2200 кг/м2. При хранении круглого леса-средняя плотность которого составляет 500 кг/м3, складирование происходит в штабеля на высоту до 6 м. Штабеля объединяются в группы площадью до 1000 м2. Группы штабелей объединяются в квартал
Возможный пожар на территории «Лесного порта»
При анализе полученных результатов для различных типов местности можно сделать следующие выводы. Для сельской и открытой мествюсти при скорости ветра 3 м/с расстояни на котором наблюдается концентрации NxOy выше пороговой тоскодозы, увеличиваются с ростом устойчивости атмосферы. Так для расчетной площади пожара 12370 м2 при классе устойчивости А расстояние равно 550 м, для класса В - 700 м, для класса С - 750 м, для класса D - 1300 м, для класса Е - 3400 м, для класса F - 9000 м. Наибольшее увеличение расстояния наблюдается для устойчивого типа атмосферы.
Для сильнопересеченной местности расстояние на котором наблюдаются концентрации NxOy выше пороговой тоскодозы также увеличиваются с ростом устойчивости атмосферы. При классе устойчивости А расстояние равно 1600 м, для класса В - 1550 м, для класса С - 1620 м, для класса D — 1600 м, для класса Е -20400 м, для класса F - 6800 м. При неустойчивых и нейтральных условиях стратификации наблюдаются практически одинаковые расстояния на которых наблюдается концентрация выше пороговой токсодозы. При устойчивых атмосферных условиях, классе устойчивости Е наблюдается резкое увеличение расстояния, а при классе устойчивости F снижается примерно в 3 раза.
Для сильнопересеченной городской местности кощентрации NxOy выше пороговой тоскодозы, также как и для двух типов рельефа местности описанных выше, увеличиваются с ростом устойчивости атмосферы. При очень неустойчивых условиях расстояние равно 850 м, для неустойчивых условий - 1600 м, для нейтральных условий - 3200 м, для устойчивых условиях наблюдается наибольшее расстояние равное 7000 м.
Все полученные данные для разных рельефов местности и типов устойчивости атмосферы соответствуют общим законам распределения примесей в атмосфере для разных типов стратификации и могут использоваться для прогноза экологических последствий при пожарах, выявления зоны поражения вредными продуктами горения и крайне опасной зоны для жизни людей. На рис. 17 показан график зависимости концентрации и расстояния, на котором она наблюдается в зависимости от типа местности и устойчивости атмосферы. На рис. 18 показаны зоны загрязнения для разных типов местности и устойчивости атмосферы при горении нефтепродуктов. концентрация, г/м Р ] - тип местности сильнопересеченная, класс устойчивости атмосферы Е
На рис. 17 приведена зависимость концентрации и радиуса распространения окиси азота (по направлению ветра, ось х) для разных типов местности при горении бензина. Зависимость построена для типа местности: сельская и открытая лесная и классов устойчивости атмосферы D и F, сильнопересеченной местности и классов устойчивости атмосферы D и Е, сильнопересеченной городской местности и классов устойчивости атмосферы нейтральной и устойчивой. Условия были выбраны, как видно из таблицы 29, для данных типов местности, при скорости ветра равной 3 м/с, классы устойчивости атмосферы нейтральные и устойчивые являются наиболее опасными. Из рис. 17 видно, что с увеличением площади пожара увеличивается расстояние на котором наблюдается концентрация выше пороговой тоскодозы. Это точка пересечения линии для разных площадей пожара и синей линии, обозначающей концентрацию пороговой токсодозы для углекислого газа равной 0,025 г/м3. Так, при площади пожара 12370 м2 для типа местности: сельская и открытая лесная, при классе устойчивости атмосферы D, расстояние на котором наблюдается концентрация пороговой тоскодозы равно 1300 м, для класса F - 9000 м, для сильнопересеченной местности, при классе устойчивости D - 1600 м, для класса Е - 20400 м, для типа местности сильнопересеченная городская, при нейтральной устойчивости - 3200 м, при стабильной устойчивости - 7000 м. Красной линией показана летальная концентрация при 10-минутном воздействии. Расстояние на котором наблюдается пересечение линии, для разных типов местности, и красной линией является крайне опасным для жизни. Нахождение рядом или в данной зоне у источника загрязнения без средств защиты в течении даже короткого промежутка, может повлечь за собой необратимые последствия для организма.
Максимальная концентрация наблюдается непосредственно у источника и растет с ростом устойчивости атмосферы. Для сельской и открытой лесной местности при классе устойчивости D максимальная концентрация, полученная в результате моделирования равна 22 г/м", при классе F -200 г/м3, для сильнопересеченной местности, при классе устойчивости D - 170 г/м3, при классе Е - 90 г/м3, для сильнопересеченной городской местности, при нейтральной устойчивости - 100 г/м3, при стабильной устойчивости - 100 г/м3. Эта информация не несет решающего значения в связи с тем, что мы принимаем определенные условия для источника выбросов (источник принимаем как точечный), поэтому получаем общую концентрацию (со всей площади пожара), как бы в одной точке и от этой точки рассматриваем распространение в атмосфере. Эта концентрация принимает очень большие значения, которые в реальных условиях не наблюдаются.
На рис. 18 представлены расчетные зоны загрязнения для разных типов местности при горении бензина границей которых, является концентрация пороговой токсодозы для NxOy, равная 0,025 г/м3. Зоны загрязнения показаны для наиболее опасных классов устойчивости атмосферы.
Как видно из рисунка, распространение в перпендикулярном направлении по оси у от направления ветра значительно меньше, чем по его оси. Так, для площади пожара равной 12370 м2, для сильнопересеченной местности и класса атмосферной устойчивости Е, значение расстояния по оси ветра х равно 20400 м, а по оси у (перпендикулярно х), равно примерно 680 м в обе стороны от оси х. Это зависит от параметров уу и az дисперсии шлейфа. Для типов местности сельская и открытая лесная ширина (от оси х в одну сторону) зоны загрязнения для любых классов устойчивости атмосферы примерно равна предполагаемому радиусу пожара. При небольших очагах пожара, площадью около 1000 м2 и небольших скоростях ветра, порядка 3 м/с, зона загрязнения принимает практически круговую форму. Для более крупных пожаров зона загрязнения принимает форму правильного эллипса. При сильнопересеченной местности увеличение ширины зоны загрязнения наблюдается с увеличением устойчивости атмосферы, например, для класса устойчивости D, ширина равна 155 м, а при классе устойчивости Е - 680 м.
