Способ экологического мониторинга химически опасных объектов

Изобретение относится к области мониторинга химически опасных объектов при аварийном выбросе в атмосферу токсичного вещества. Предложено использовать результаты мониторинга экологической обстановки с использованием системы пороговых датчиков для определения координат центра облака выброса и массы содержащегося в нем токсичного химиката. Определение параметров облака выброса достигается путем решения обратной задачи распространения примеси в атмосфере с учетом граничных условий, которые определяются с использованием датчиков, расположенных последовательно у поверхности земли и на выбранной фиксированной высоте над поверхностью. Установлены аналитические соотношения для расчета координат центра облака и его массы в начальный момент времени. Учитываются моменты времени срабатывания трех датчиков при достижении пороговой концентрации токсичного химиката во фронте надвигающегося облака и моменты времени окончания срабатывания при уменьшении концентрации ниже порогового значения при удалении облака. Технический результат, получаемый при реализации изобретения, позволяет повысить достоверность прогноза динамики химического заражения приземного слоя атмосферы на начальном этапе развития аварии и обоснованно принимать безотлагательные решения по защите населения, проживающего в районах вблизи аварийного объекта. 5 ил.

 

Изобретение относится к области мониторинга химически опасных объектов при аварийном выбросе в атмосферу токсичного вещества.

Правильно организованный мониторинг должен обеспечить достоверную регистрацию факта аварии, а затем определение конфигурации, положения и динамики изменения опасных зон заражения. Подобная информация служит основой для выработки решений о мерах защиты населения и ликвидации последствий выброса токсичного химиката в окружающую среду.

В настоящее время широкое распространение получили технические средства контроля химической обстановки, представляющие собой пороговые датчики. Такие приборы выдают сигнал опасности в случае, если в точке их расположение концентрация контролируемого опасного химического вещества превысит допустимый уровень.

Пороговый датчик может обеспечить полезной информацией об обстановке только некоторую локальную окрестность точки своего расположения. При этом значения таких технических характеристик датчика, как чувствительность и время измерения, должны позволять своевременно использовать средства индивидуальной и коллективной защиты. Однако значительные градиенты концентраций опасного химического вещества в облаке в ряде случаев не оставляют достаточного времени на принятие мер защиты после срабатывания прибора.

В связи с указанными обстоятельствами пороговые датчики контроля химической обстановки могут рассматриваться не только как сигнализаторы для организации непосредственной защиты в некотором локальном районе, но и как инструментальные средства в системе оповещения об угрозе химического заражения. Действительно, зная, что в известном районе появилось облако опасного вещества, и обладая метеорологическими данными, можно осуществить прогноз возможности и времени начала заражения различных участков местности.

Будем полагать, что рассматриваемая примесь является невесомой и скорость осаждения близка к нулю. Такое приближение является вполне обоснованным при рассмотрении парогазовых облаков или при рассмотрении аэрозольных облаков в течение достаточно малых интервалов времени существования. В случае даже достаточно крупных частиц аэрозоля с диаметром порядка 10 мкм при плотности вещества 1 г/см³ скорость осаждения составит не более 0,3 см/с [1]. Такой аэрозоль в течение одной минуты опустится менее чем на 20 см, в то время как облако может переместиться на несколько сотен метров.

Согласно существующим физико-математическим моделям распределение концентраций вещества в облаке может быть описано трехмерным нормальным законом [2]. При этом если направление оси ОХ системы координат выбрать совпадающим с направлением среднего ветра, то распределение невесомой примеси будет иметь вид:

где х, у, z - координаты рассматриваемой точки;

х₀, у₀, z₀ - начальные координаты центра облака;

t - время существования облака;

М - масса вещества в облаке;

- дисперсия примеси в направлении среднего ветра;

- дисперсия примеси в направлении, перпендикулярном направлению среднего ветра;

- дисперсия примеси в вертикальном направлении;

U_x - величина среднего ветра.

Задав мгновенную предельно-допустимую концентрацию вещества ρ_ПДК, из представленного выражения путем тождественных преобразований можно получить аналитическое выражение, описывающее границу опасной зоны на заданный момент времени:

где

Вид получаемой изолинии, ограничивающей опасную зону, приведен на фиг.1.

В том случае если задана предельно допустимая доза вещества, то при построении изолиний следует исходить из интеграла по времени выражения (1).

Реализовать на практике такой подход затруднительно, так как не известно, какова масса выброшенного в атмосферу токсичного химиката М и каковы координаты начального положения центра облака выброса х₀, у₀, z₀.

На практике обычно постулируют указанные параметры. Например, массу вещества в облаке М считают равной массе вещества, первоначально находившейся в аварийной емкости, а в качестве начальных координат облака выбирают координаты положения аварийной емкости.

Положение аварийного объекта определяют различными способами. В частности, предлагается определять место аварии на основе обработки результатов измерений в двух и более точках местности моментов времени прихода сейсмической волны и превышения порогового значения концентрации токсичного химиката [3].

Однако координаты облака, которое в дальнейшем будет подчиняться законам турбулентной диффузии и распространяться в соответствие с вектором среднего ветра, могут отличаться от положения аварийного объекта. Это отличие может быть вызвано особенностями протекания процесса выброса, при котором токсичный химикат выбрасывается под углом к поверхности земли. Кроме того, момент аварии и момент завершения формирования облака, для которого будет применима общепринятая модель распространения (1), могут быть разнесены во времени. Это может быть связано, в частности, со сравнительно длительным формированием зараженного облака вследствие того, что выброс произошел в виде струи.

В целом, введение различных предположений, не опирающихся на реальный сценарий протекающей аварии, а апеллирующих к предположительно аналогичным авариям, приводит, как правило, к большим погрешностям в прогнозе развития ситуации. Это связано с тем, что всякая авария представляет собой событие, обладающее рядом непредсказуемых особенностей, реализация которых и привела к катастрофе.

В этой связи в других изобретениях предлагаются инструментальные методы слежения за облаком выброса и оценки его параметров. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются методы лазерного зондирования атмосферы [4, 5]. В частности, предлагается использование лазерного излучения для обнаружения и измерения концентрации паров опасных веществ в местах их аварийного или несанкционированного появления [6]. Однако применение такого подхода требует дорогостоящего оборудования, требующего постоянного контроля со стороны высококвалифицированного персонала. Кроме того, лазерное зондирование парогазового облака требует использование в качестве отражателя для получения эхо-сигнала какого-либо топографического объекта, что снижает эффективность данного способа [5].

Использование лазерного зондирования для регистрации аэрозольных облаков также встречает ряд трудностей, среди которых следует необходимость учета при нормировке эхо-сигнала многократного рассеяния света в случае большой плотности вещества в облаке [4].

Предлагаемый подход позволяет оценить параметры выброса, используя в качестве исходных данных результаты срабатывания наиболее распространенных в настоящее время средств контроля химической обстановки - пороговых датчиков.

Используя (1) в качестве модели динамически изменяющегося поля концентраций токсичного химиката и считая известными концентрации в точках, где произошло срабатывание пороговых датчиков, можно записать систему нелинейных уравнений для поиска массы выброшенного вещества и начальное положение центра облака:

где x_i, у_i, z_i - координаты i-го сработавшего датчика;

t_i - время срабатывания i-го датчика.

После проведения тождественных преобразований система уравнений приобретает следующих вид:

Как дополнительно условие выступает требование о необходимости использования как можно меньшего количества датчиков. Это связано с тем, что возможность использования данных меньшего количества датчиков приводит в конечном счете к возможности проектирования системы контроля с расположением датчиков на большем удалении друг от друга и снижения затрат на ее создание.

Теоретически минимальное количество датчиков равно двум в случае, если будут регистрироваться моменты как начала, так и окончания их срабатывания. В этом случае получается информация о расположении переднего и заднего фронтов облака.

Однако следует отметить, что решение системы (5) невозможно если все сработавшие датчики находятся у поверхности земли (z_i=0, i=1,2,3,4). Решение представленной системы возможно, если датчики располагаются на различной высоте над поверхностью земли.

В этой связи вариант использования двух датчиков, расположенных на различных высотах, является неприемлемым.

Наиболее простой вариант решения получается при использовании данных о срабатывании трех счетчиков, высота расположения одного из которых отличается от высоты расположения двух других. Общее положение датчиков системы контроля обстановки для такого варианта построения показано на фиг.2.

Система уравнений для случая, когда два сработавших датчика расположены на уровне земли, а один на высоте h над поверхностью, имеет вид:

Решение системы уравнений имеет следующий вид:

где t_фi - время срабатывания i-го датчика во фронтальной части облака при достижении концентрации ρ_ПДК, с;

t_mi - время окончания срабатывания i-го датчика в тыльной части облака при снижении концентрации ниже ρ_ПДК, с;

В выражениях (8) и (9) знак «+» перед слагаемым, содержащим (К₃-К₂), выбирается в случае, если из трех сработавших датчиков второй находится на высоте h, а два других у поверхности земли. Знак «-» выбирается в случае, если первый и третий датчики расположены на высоте h, а второй датчик у поверхности земли.

Предлагаемый способ обработки данных накладывает требования на минимальное количество пороговых датчиков с системе контроля радиационной обстановки.

В первую очередь, отметим, что минимальное количество датчиков потребуется в случае, когда датчики расставлены, как это показано на фиг.3, вдоль окружности С, в центре которой расположен аварийный объект, а образовавшееся облако имеет горизонтальные размеры, сопоставимые с диаметром С. Такое соотношении геометрических размеров системы контроля и облака обуславливает необходимость наличия 8 датчиков для того, чтобы не менее трех из них сработали на начало и окончание заражения при перемещении облака в любом направлении. В предельном случае, когда радиус облака точно равен радиусу С, могут сработать 5 датчиков, однако два из них сработают только при касательном соприкосновении с облаком, что не даст необходимой информации для определения параметров выброса.

При увеличении радиуса окружности С должно увеличиваться и количество датчиков. Конкретное их количество должно определяться исходя из технических характеристик рассматриваемого объекта и параметров аварии максимально предусмотренного класса опасности.

Высота расположения датчиков h также должна обосновываться исходя из конкретных особенностей рассматриваемого химически опасного объекта. В общем случае можно указать минимальную величину данного параметра. Для этого необходимо учесть то, что прямым назначением системы пороговых датчиков является установление факта аварийного выброса в атмосферу опасного вещества и оповещение персонала с целью принятия мер по его защите. Выброс на достаточно значительную высоту не будет представлять непосредственной опасности для персонала объекта и не потребует проведения немедленных защитных мероприятий. С этой точки зрения высота, на которой должны располагаться датчики, должна составлять примерно 2 м.

Пример. В момент времени t₀=0 произошла авария с выбросом в атмосферу 1000 кг токсичного химиката. В результате образовалось облако, имеющее в начальный момент времени следующие координаты: х₀=500 м; у₀=500 м; z₀=10 м.

Состояние атмосферы на момент аварии характеризовалось следующими параметрами: модуль среднего ветра U_x в атмосферной толще, где происходит распространение примеси равен 5 м/с; среднеквадратическое отклонение концентрации по направлению ветра σ_x - 20 м; среднеквадратическое отклонение перпендикулярно направлению ветра σ_у - 20 м; среднеквадратическое отклонение в вертикальном направлении σ_z - 10 м.

Сработавшие датчики имеют следующие координаты:

Изолинии приземной концентрации токсичного химиката в начальный момент времени и положение сработавших датчиков изображены на фиг.4.

Моменты срабатывания датчиков во фронте надвигающегося облака и окончания срабатывания после прохождения облака были определены по графикам функций, представленным на фиг.5:

Предельно допустимая концентрация ρ_ПДК, при которой срабатывают датчики, была выбрана равной 1 мг/л (10^-3 кг/м³). С учетом этой величины моменты срабатывания с точностью до 10^-2 с имеют следующие величины:

Подстановка исходных значений в формулы (3), (6), (12), (13) и (14) дает следующие значения параметров:

β=6,30·10⁴ м³; α_x=1,25·10^-3 м^-2; α_у=1,25·10^-3 м^-2; α_z=5,00·10^-3 м^-2;

К₁=0 м²; К₂=2,265; К₃=2,639.

В результате заключительного расчета начальных положения и массы облака выброса по формулам (8)-(11) получаем:

х₀=500 м, у₀=500 м, z₀=9,99 м; М=999,23 кг.

Погрешность между исходными и расчетными данными вызвана конечной точностью задания моментов времени начала и окончания срабатывания датчиков.

Таким образом, с учетом вышеизложенных обобщений предлагается следующий способ экологического мониторинга химически опасного объекта, заключающийся в установлении факта аварийного выброса в открытую атмосферу токсичного химиката на основании данных пороговых датчиков, контролирующих концентрацию токсичного химиката и срабатывающих в случае превышения допустимого уровня его концентрации, в прогнозировании с учетом совокупности исходных данных процесса заражения приземного слоя атмосферы, развертывании при неблагоприятном прогнозе средств инструментального контроля параметров химического заражения окружающей среды, отличающийся тем, что пороговые датчики располагают равномерно по периметру объекта, причем i-е датчики помещают у поверхности земли, а (i+1)-е датчики на фиксированной высоте h над поверхностью, при аварийном выбросе определяют координаты первых трех сработавших датчиков, время их срабатывания, интервалы времени, в течение которых датчики показывали превышение допустимой концентрации, полученные данные представляют как мгновенные концентрации токсичного химиката в отдельных точках динамически изменяющегося непрерывного поля концентраций облака аварийного выброса и на основе этого представления определяют необходимые для прогнозирования заражения приземного слоя атмосферы исходные данные, включая массу выброшенного химиката, начальные координаты центра облака выброса, при этом i=1,2,…,N, где N≥8, a h≥2 м.

Литература

1 Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей [Текст]. - М.: Наука, 1980. - 176 с.

2 Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. Теория турбулентности. Т.2 [Текст]. - СПб: Гидрометеоиздат, 1996. - 742 с.

3 Способ экологического мониторинга химически опасных объектов. Патент №2385473 РФ // Изобретения и полезные модели [Текст]. - 2010. - №9. - часть IV. - С.703.

4 Зуев В.Е., Макушкин Ю.С., Пономарев Ю.Н. Спектроскопия атмосферы [Текст]. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 248 с.

5 Проблемы аналитической химии // Т.13: Внелабораторный химический анализ. / под ред. Ю.А.Золотова [Текст]. - М.: Наука, 2010. - 564 с.

6 Способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов. Патент №2158423 РФ // Изобретения и полезные модели [Текст]. - 2000. - №30. - С.238.

Способ экологического мониторинга химически опасного объекта, заключающийся в установлении факта аварийного выброса в открытую атмосферу токсичного химиката на основании данных пороговых датчиков, контролирующих концентрацию токсичного химиката и срабатывающих в случае превышения допустимого уровня его концентрации, в прогнозировании с учетом совокупности исходных данных процесса заражения приземного слоя атмосферы, развертывании при неблагоприятном прогнозе средств инструментального контроля параметров химического заражения окружающей среды, отличающийся тем, что пороговые датчики располагают равномерно по периметру объекта, причем i-е датчики помещают у поверхности земли, а(i+1)-е датчики на фиксированной высоте h над поверхностью, при аварийном выбросе определяют координаты первых трех сработавших датчиков, время их срабатывания, интервалы времени, в течение которых датчики показывали превышение допустимой концентрации, полученные данные представляют как мгновенные концентрации токсичного химиката в отдельных точках динамически изменяющегося непрерывного поля концентраций облака аварийного выброса и на основе этого представления определяют необходимые для прогнозирования заражения приземного слоя атмосферы исходные данные, включая массу выброшенного химиката, начальные координаты центра облака выброса, при этом i=1, 2,…, N, где N≥8, a h≥2 м.