Методическое пособие 197

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра техносферной и пожарной безопасности

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ РЕК ПРИ АВАРИЙНЫХ СБРОСАХ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

Методические указания к выполнению курсовой работы для магистрантов,

обучающихся по направлению 20.04.01 «Техносферная безопасность» всех форм обучения

Воронеж 2021

1

Введение

Катастрофа в г. Норильске Красноярского края, произошедшая 29.05.2020 и которая стала экологической чрезвычайной ситуацией федерального масштаба, стала одной из крупнейших утечек нефтепродуктов в нашей стране в арктической зоне. Около 21 тыс. тонн дизельного топлива разлились далеко за пределы промзоны расположения ТЭЦ-3 в Кайеркане (район Норильска). В результате около 6 тыс. тонн нефтепродукта попало в грунт, а 15 тыс. тонн поступило непосредственно в реку Далдыкан, являющуюся правым притоком реки Амбарной. Река Амбарная впадает в крупное озеро Пясино (площадь озера

– 735 км2; является 3-им по площади из озёр в Красноярском крае и 16-ым в России). Из озера вытекает река Пясина, которая впадает в Карское море. Возникла реальная угроза для экосистемы Северного Ледовитого океана.

На объекте хранения топлива ТЭЦ-3 имелся План ликвидации аварийного разлива нефтепродуктов (далее – ПЛАРН), в котором риск полного разрушения единичной ёмкости хранения дизтоплива (20 тыс. тонн) был идентифицирован, но явно недооценен. Как правило, до недавнего времени (до конца 2020 г.) основное согласование ПЛАРНов производилось МЧС России. Как результат, в ПЛАРНах рассматривалось в качестве наихудшего сценария разрушение максимальной единичной ёмкости и воспламенение нефтепродукта; основными рисками являлись так называемые «пожарные риски», экологические риски, т.е. загрязнение окружающей среды

рассматривалось вскользь или вовсе не рассматривалось. При этом ключевым объяснением разработчиков было объяснение, что экологический вред, возникший без загорания топлива не ставится ни в какое сравнение с пожаром на нефтебазе, где к тому же погибает и (или) получает ожоги несколько человек из персонала. Авария в Норильске раскрыла глаза экспертам, которые до недавнего времени брались за разработку ПЛАРНа. По существу получался не ПЛАРН, а План тушения пожара на нефтебазе, изображались карты потенциального пожарного риска. Между тем схемы разлива топлива на топографических картах не отображались, движение вылившегося топлива по рельефу, а тем более по временным и постоянным водотокам, не анализировалось. В Главных управлениях МЧС России по субъекту РФ происходило согласование таких ПЛАРНов, так как понимания глубины вопроса, прямо скажем, не было, очевидно, в виду отсутствия компетенции у специалистов отделов предупреждений чрезвычайных ситуаций в вопросах анализа экологических рисков.

Примерно такая же ситуация происходила и в структурных подразделениях Ростехнадзора (также согласовывали ПЛАРНы). Для себя они видели согласование только в качестве подтверждения наличия резервуарного парка и правильной идентификации ёмкостного оборудования.

После знаменательной аварии в Норильске согласование ПЛАРНов полностью отошло по закону [1] Росприроднадзору, а прежние нормативно-

3

правовые акты, касающиеся разработки и согласования ПЛАРНов, были отменены. Росприроднадзор, к сожалению, оказался сам не готов к повороту таких событий, на начало 2021 г. ещё не вышло ни одного нормативноправового акта в отношении Плана предупреждения и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов (даже название планируемого документа изменено)

[1].

Более того, теперь эксплуатирующая организация «объектов капитального строительства при транспортировке (здесь имеется ввиду на суше только трубопроводный транспорт – примеч. автора), хранении, реализации углеводородного сырья и произведённой из него продукции, допускаются при наличии проектов рекультивационных и иных восстановительных работ» [1].

1. Гидрологические термины, применяемые в методике

Гидрологические термины имеют свою специфику, в практической гидрологии используются в основном в среде инженеров-гидрологов и гидротехников, поэтому, вначале рассмотрения методики, необходимо дать их толкование для однозначного понимания требуемых исходных данных и исследуемых вопросов:

водоток – водный объект, который характеризуется движением воды в направлении уклона в ландшафтном углублении земной поверхности. Водотоки различают постоянные (река, ручей) и временные (лог, балка, суходол);

гидравлические характеристики водного потока – морфометрические

показатели, кинематические и динамические величины водного потока, характеризующие условия течения: глубина, ширина, площадь поперечного сечения (живое сечение водного потока), расход воды, скорость течения, шероховатость русла и др.;

гидрологические характеристики водного объекта – морфологические особенности (излучины или меандры, плёсы, перекаты, осередки и др.), морфометрические показатели, характеризующие особенности водотока: характерные расходы для различных режимов водотока (межень, паводок) и уровни воды, направление и скорость поверхностных и глубинных течений, показатели уклонов, данные о химическом составе вод, ледовых явлениях и др.;

коэффициент Шези – один из важнейших параметров водотока,

учитывающий влияние на скорость течения воды формы и размеров русла, шероховатости берегов и дна. Для определения коэффициента Шези могут использоваться различные эмпирические формулы, каждая из которых имеет свою сферу применения;

 гидрологический режим – закономерные изменения состояния водного

объекта, его гидрологических показателей. Проявляется в виде многолетних сезонных (например, половодье) и суточных (например, морской прилив) колебаний уровня, скорости и расхода воды, её температуры, состава и 6

4

концентрации растворённых веществ, ледовых явлений и др. Элементы гидрологического режима водного объекта можно обнаружить в справочниках, лоциях, на географических (чаще на топографических) картах и др.;

ледостав – зимний период в году, в течение которого наблюдается неподвижный ледяной покров на водном объекте;

водозабор – изъятие (забор) воды из водного объекта в целях

водопользования для хозяйственных, производственных нужд;

консервативное вещество – устойчивое вещество, не претерпевающее изменений в воде за счёт химических и гидробиологических процессов. Уменьшение концентрации консервативных химических веществ в воде водотока происходит только в результате разбавления;

неконсервативное вещество – концентрация вещества, попавшего в

воду, уменьшается за счёт разбавления, происходящих химических и гидробиологических процессов;

коэффициент скорости самоочищения – показатель, характеризующий время, необходимое для уменьшения концентрации вещества до определённого уровня за счёт химических, гидробиологических и других подобных процессов, происходящих в водных объектах; например, в «здоровой» реке попадающие загрязнители уменьшают своё количество на 30 % в сутки;

коэффициент шероховатости русла nш – безразмерная величина,

численно характеризующая сопротивление, оказываемое руслом водному потоку, протекающему по нему;

 коэффициент шероховатости льда nл – безразмерная величина,

численно характеризующая сопротивление, оказываемое потоку нижней поверхностью льда, сковывающего этот поток.

2. Методические подходы по оценке загрязнений рек в случае аварийного попадания опасных веществ в водотоки

В результате аварии на опасном производственном объекте ёмкостного оборудования или трубопровода в водотоки (постоянные; временные в паводковый период) могут поступать опасные химические вещества и нефтепродукты, что влечёт за собой загрязнение поверхностных вод. В данном практическом методическом подходе оценка грунтовых загрязнений и загрязнений подземных горизонтов воды не рассматривается (примеч. автора).

Методика, послужившая основой для практического задания, разработана МЧС России [2], и интерпретирована для обучающего процесса в соответствующий удобный пошаговый алгоритм вычислений [3].

Аварийный сброс загрязняющих веществ в водный объект означает крупнотоннажное поступление в него химических веществ в результате различных аварий: транспортных аварий с автомашинами и железнодорожными вагонами, разрывов нефте- и продуктопроводов и т.д.

5

Методика прогнозной оценки загрязнения открытых водоисточников аварийно химически опасными веществами в аварийных ситуациях [2] рассчитана на прогнозирование последствий лишь тех аварий, в результате которых создаётся либо высокое (более 10 ПДКв), либо экстремально высокое (более 100 ПДКв) загрязнение воды. Такие высокие уровни загрязнения делают воду непригодной для природопользования.

Методика позволяет производить расчёты основных параметров зон аварийного загрязнения водных объектов:

времени, через которое центр зоны загрязнения достигнет заданного створа водного объекта tmax, ч;

максимального значения концентрации загрязняющего вещества в

заданном створе Сmax, мг/дм3;

 продолжительности прохождения высоких и экстремально высоких концентраций загрязняющего вещества Свз, мг/дм3, через заданный створ ∆tз, ч.

2.1.Исходные данные для расчёта параметров зон аварийного загрязнения водных объектов

Чтобы выполнить расчёт параметров зон аварийного загрязнения водных объектов, необходимы следующие исходные данные:

а) гидрологические характеристики водного объекта:

длина расчётного участка водотока L, км,

средняя ширина В, м, расчётного участка водотока;

•средняя глубина Н, м, расчётного участка водотока,

коэффициенты шероховатости nш, nл, расчётного участка,

расход воды Q, м3/с, либо средняя скорость течения воды υ, м/с, на расчётном участке водотока;

б) параметры, характеризующие аварию и опасное загрязняющее (химическое) вещество:

продолжительности аварийного сброса t0, ч,

объём аварийного сброса W, м3,

концентрация загрязняющего вещества Са, мг/дм3, в аварийном сбросе,

плотность загрязняющего вещества ρ, кг/м3,

коэффициент скорости самоочищения воды К, сут-1;

в) требования к качеству воды водного объекта в пунктах водопользования.

6

2.2.Исходные данные для прогнозирования экологической аварийной обстановки после поступления в водоток химически опасных веществ

Методология расчёта различается для химически опасных веществ (ХОВ) двух типов, температура кипения которых:

1) выше 0 оС – для данных веществ в основу расчёта положены теоретические положения о разбавлении и самоочищении загрязняющего вещества;

2) ниже 0 оС – для ХОВ данного типа дополнительно учитывается их испарение в момент разгерметизации ёмкости и в начальный период смешения с водой. При этом необходимо иметь в виду, что над поверхностью водного объекта может образоваться облако загрязнённого воздуха.

Необходимые исходные данные для прогнозирования экологической аварийной обстановки после поступления в водоток ХОВ следующие:

а) время начала и окончания аварийного сброса; б) общий объём аварийно поступивших (сбрасываемых) в водный объект

ХОО;

в) основные гидрологические и метеорологические характеристики на период прогноза обстановки;

г) средняя глубина водотока по направлению возможного распространения загрязнённых масс воды.

2.3. Алгоритм расчёта

Пошаговый алгоритм вычислений следующий. Расчёт 1-ый.

Определение времени подхода пятна загрязнения с максимальной концентрацией химически опасного вещества к заданному створу. Прогноз времени подхода зоны загрязнения с максимальной концентрацией ХОВ к заданному створу водотока определяется по формуле:

(1)

где tд – время добегания водного потока от места аварийного сброса до заданного створа, ч;

t0 – продолжительность сброса ХОВ в водный поток, ч.

Расчёт tд производится по следующей формуле:

(2)

где L – длина расчётного участка водного потока, км;

7

υ – средняя скорость течения воды на расчётном участке, м/с.

Если вместо значения средней скорости водного потока на участке задан расход воды Q, м3/с, то ориентировочное значение средней скорости течения воды определяют из соотношения:

(3)

где В – средняя ширина расчётного участка водного потока, м; Н – средняя глубина расчётного участка водного потока, м.

Аналогичным образом определяется значение расхода вода по заданной средней скорости течения в потоке:

Расчёт 2-ой.

Расчёт максимального значения концентрации химически опасного вещества в расчётном створе потока. Максимальные концентрации ХОВ в заданном створе водотока Cmax, мг/дм3, рассчитываются по формуле:

ψ – безразмерный коэффициент, учитывающий поперечную дисперсию (диффузию в поперечном направлении) загрязняющего вещества в потоке;

θ– безразмерный коэффициент, учитывающий продольную дисперсию загрязняющего вещества в водотоке;

ε – безразмерный коэффициент, учитывающий неконсервативность загрязняющего вещества.

Для случая, когда концентрация ХОВ в аварийном сбросе не задана (поступление в водоток неразбавленного вещества), расчёт Са выполняется по соотношению:

где ρ – плотность загрязняющего вещества, кг/м3. Расчёт коэффициента ψ производится по формуле:

(7)

где q – объёмная скорость поступления ХОВ в водоток, м3/с;

ϕ – коэффициент, учитывающий смешение ХОВ в массе водного потока; Q – расход воды в водотоке на расчётном участке выше места сброса ХОВ. Значения коэффициента ϕ в зависимости от удаления и размера водотока

приведены в табл. 1.

8

Таблица 1

Ориентировочные значения коэффициента ϕ для водотоков

Величина расхода поступающего в реку ХОВ q определяется по выражению:

(8)

где V – объём ХОВ, поступившего в реку, м3;

t0 – продолжительность поступления ХОВ в водоток, ч;

k – безразмерный коэффициент, учитывающий испарение ХОВ в начальный период развития аварии (учитывается только для ХОВ, кипящих ниже 0 оС, в остальных случаях принимается равным 1). Ориентировочные значения коэффициента k для наиболее распространённых ХОВ приведены в табл. 2.

Таблица 2 Ориентировочные значения коэффициента k, учитывающих испарение

некоторых низкокипящих ХОВ в начальный период их смешивания с водой

Расчёт безразмерного коэффициента θ, учитывающего продольную дисперсию загрязняющего вещества в водотоке, производится по формуле:

9

(9)

где Z – безразмерный коэффициент, определяемый по соотношению

(10)

где D – коэффициент продольной дисперсии, м2/с.

Коэффициент продольной дисперсии D, зависящий от морфологических и гидравлических параметров расчётного участка водотока, определяется следующим образом:

1)сначала рассчитывается коэффициент продольной дисперсии, приведённый к средней скорости течения реки, равной 1 м/с;

2)далее для открытого водотока (свободного ото льда) с помощью табл. 3 находится численное значение коэффициента шероховатости расчётного

участка nш. Затем исходя из заданного значения средней глубины Н расчётного участка водотока по табл. 4 находится численное значение коэффициента

продольной дисперсии, приведённое а средней скорости течения υ = 1 м/с.

Таблица 3 Коэффициенты шероховатости nш для открытых русел водотоков

10