Оцінка рівня забруднення аерозольними викидами пожежі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Актуальність теми

Рівень створених сучасною цивілізацією продуктивних сил і ступінь їх впливу на природу досягли такого масштабу, що можуть привести до необоротних змін в середовищі проживання, відобразитися на самій можливості існування людини і біосфери в цілому. Негативний антропогенний вплив на природне середовище призвів до виникнення складних екологічних та соціальних проблем. Особливе значення даний напрямок набуває для нашої країни в зв'язку з необхідністю вирішення завдань сталого розвитку, яке можливе лише на основі системного дослідження та вирішення економічних та екологічних проблем, пов'язаних, насамперед, із захистом навколишнього середовища від антропогенного забруднення. Серед основних пріоритетних напрямків соціально-економічної політики України виділена необхідність посилення екологічної безпеки [1].

Одним з важливих факторів, що впливає не ускладнення екологічної ситуації в Україні та світі, є пожежі та техногенні катастрофи, які супроводжуються пожежами [2-4]. За величиною екологічного збитку, а також ступеня загрози здоров'ю людей велику небезпеку становлять пожежі на об'єктах по зберіганню і переробці рідких та твердих горючих речовин, розташованих в густонаселених районах. До них відносяться пожежі на складах сирої нафти і нафтопродуктів, деревини та пиломатеріалів, гумотехнічних виробів. Пожежі на підприємствах з виробництва та переробки хімічних речовин (пестицидів, гербіцидів, мінеральних добрив та ін.) Майже завжди призводять до тяжких наслідків і є, по суті, екологічними катастрофами.

На сьогоднішній день в Україні відсутня чітка затверджена методика з оцінки впливу на навколишнє середовище небезпечних факторів можливої пожежі, хоча необхідність подібних прогнозів закладена в ряді нормативно-правових документів. Згідно ДБН А.2.2-1-2003 [5] у складі проектної документації на нове будівництво, розширення, реконструкцію та технічне переоснащення повинні міститися матеріали оцінки впливу на навколишнє середовище, одним з основних завдань яких є визначення переліку можливих екологічно небезпечних впливів і зон впливів планованої діяльності на навколишнє середовище за варіантами розміщення. Закон України «Про об'єкти підвищеної небезпеки» [6] та ДНАОП 0.00-4.33-99 [7] також вимагають прогнозу можливих аварій на об'єктах, що супроводжуються загоряння (пожежами), які можуть привести до негативного впливу на навколишнє середовище.

Дослідження та вирішення проблеми забруднення повітряного басейну продуктами горіння пожеж є однією з актуальних задач, які необхідно вирішувати в рамках загальних аспектів охорони навколишнього середовища. Серед завдань, що потребують першочергового вирішення, слід виділити аналіз особливостей негативного впливу пожеж на довкілля та побудова математичної моделі для кількісної оцінки цього впливу при забрудненні навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння.

Основоположні роботи в галузі дослідження пожеж та їх соціальних, економічних, екологічних наслідків належать М.М. Брушлинському, А.Я. Корольченко, В. І. Осипову, А.К. Микеєву, А.Н. Баратову, Л.К. Ісаєвій та іншим вченим [8-19].

У ряді робіт К.Я. Кондратьєва, А.В. Андронової, С.Е. Пащенко, К.К. Сабельфельда наводяться результати досліджень атмосферних аерозолів природного і техногенного походження, зокрема, аерозольних продуктів горіння та їх впливу на екологічний стан повітряного басейну.

В багатьох роботах вчених розглядаються питання нормування забруднення повітряного басейну. У роботі А.І. Єрьомкін та ін. визначено порядок розробки нормативів гранично допустимих викидів забруднюючих речовин в атмосферу для діючих, реконструйованих і проектованих підприємств. В збірнику методів визначення шкідливих речовин в повітрі представлені затверджені в Україні методики визначення шкідливих речовин в повітрі робочої зони і атмосферному повітрі населених пунктів. Основні терміни та поняття, пов'язані із забрудненням атмосферного повітря, представлені в словнику.

Основоположні роботи в галузі математичного моделювання процесів масопереносу і дифузії забруднюючих домішок в атмосфері належать М.Є. Берлянд [36-38], І.А. Шеренкову [39], О. Сеттона [40], А.С. Моніно і А.М. Яглому [41], Г.І. Марчуку [42], Н.Л. Бизов [43] та ін.

Роботи цих та інших авторів створили передумови подальшого розвитку теорії та методів розв'язання задач оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних факторів можливої пожежі.

Механізм впливу пожежі на навколишнє середовище є багатогранним і до кінця не вивченим, а розгляд пожежі як специфічного джерела забруднення навколишнього середовища та виявлення факторів, що визначають масштаби негативного впливу, практично не досліджені.

Тому розробка математичної моделі та методу розв'язання задачі оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу небезпечних чинників можливої пожежі на навколишнє середовище і кліматичних умов в області розміщення є актуальною науковою задачею.

Мета роботи. Метою магістерської роботи є оцінка рівня забруднення аерозольними викидами пожежі заданої області та його зниження шляхом оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів.

Відповідно до поставленої мети в роботі сформульовані і вирішені такі основні завдання:

· визначення та аналіз особливостей пожежі на заключній стадії його розвитку як джерела забруднення навколишнього середовища та виділення значущих чинників, що впливає на рівень забруднення;

· розробка математичної моделі впливу небезпечних факторів пожежі на навколишнє середовище на основі рішення задачі параметризації концентраційного поля аерозольних продуктів горіння;

Об'єкт дослідження - пожежа як джерело забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння.

Предмет дослідження - математичні моделі та методи оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу на навколишнє середовище небезпечних факторів можливої пожежі.



1. Огляд літературних джерел та вибір напрямку дослідження

пожежа навколишній екологія забруднення

1.1 Аналіз впливу пожеж на довкілля

В роботах Н.Н. Брушлинского та зарубіжних авторів викладено питання формування світової пожежної статистики. Наведені загальні дані по обстановці з пожежами в ряді країн Європи та світу в 2010-2013 р.р. Дано оцінку основних проблем негативного впливу пожеж в світі. Відзначені країни, що мають найбільшу кількість людей, загиблих при пожежах. Наведено економіко-статистичні оцінки «вартості» пожеж по 24 країнам.

В роботах [2,3] дається глибока і детальна характеристика стану техногенної та природної безпеки в Україні, розкриваються пріоритетні напрямки розвитку системи захисту населення від надзвичайних ситуацій (НС) техногенного та природного характеру, дається оцінка природних та техногенних загроз і приведені заходи щодо усунення та мінімізації їх негативних наслідків. При цьому особливо підкреслюється роль пожеж та техногенних катастроф, супроводжуваних пожежами, в погіршенні екологічної ситуації в Україні.

Проблеми, пов'язані з негативним впливом техногенних катастроф на середовище проживання, розглянуті в монографіях А.Н. Баратова, М.М. Брушлинского і А.Я. Корольченка. Книги є підсумком багаторічної діяльності авторів в області різних аспектів проблем, пов'язаних з моделюванням техногенних катастроф, а також забезпеченням пожежо - та вибухобезпеки різноманітних (і насамперед виробничих) об'єктів життєдіяльності людей.

Всебічний аналіз соціальних, економічних та екологічних проблем, пов'язаних з пожежами та іншими катастрофами, виконаний у працях А.К. Мікеєва, В.І. Осипова та ін. [13-18]. В них розглядаються питання екологічної безпеки, даються оцінки допустимих меж екологічного, технологічного та інших ризиків, пов'язаних з пожежами та техногенними катастрофами, викладаються напрямки державної політики в галузі забезпечення комплексної природно-техногенної безпеки в сучасних умовах. Викладено суть методів та технологій забезпечення безпеки, розробки систем діагностики та моніторингу для попередження і запобігання важких аварій та катастроф в природно-техногенній сфері. Розглянуто традиційні та нові підходи до аналізу безпеки складних технічних систем при комбінованому впливі вражаючих факторів. При побудові систем моніторингу аварійних ситуацій пропонується враховувати фактори одночасного впливу вражаючих факторів на об'єкти та довкілля.

Серед наукових публікацій, в яких розглянуті екологічні питання у зв'язку з проблемами забруднення навколишнього середовища при пожежах, техногенних аваріях та природних катастрофах, слід відзначити роботу Л.К. Ісаєвої [19]. В ній, зокрема, розкривається вплив господарської діяльності на формування природних і техногенних катастроф, наводяться й узагальнюються дані про викиди окремих токсичних речовин при пожежах, оцінюється рівень їх впливу на екологічну обстановку, вивчається небезпека забруднення природного середовища важкими металами, діоксинами та іншими сильнодіючими отруйними речовинами, дається кількісна оцінка такого забруднення. Наводяться також результати досліджень складу викидів при горінні нафтопродуктів на різних поверхнях, які підстилають, що має пряме відношення до аварійних розливів і пожеж горючих рідин. Обговорено питання захисту населення і території при надзвичайних ситуаціях, викладено методи розрахунку еколого-економічного збитку у зв'язку із забрудненням навколишнього середовища при пожежах та аваріях.

Особливості негативного впливу різних пожеж на стан навколишнього середовища, дослідження екологічно небезпечних факторів пожежі та їх наслідків проводиться в роботі О.А. Волокітіна і В.Г. Палюха [71]. У ній розглядаються питання охорони навколишнього середовища в умовах пожеж та екологічні аспекти пожежної безпеки, приділено увагу екологізації діяльності пожежної охорони.

У публікаціях ряду авторів встановлюються загальні вимоги щодо визначення економічного (в тому числі екологічного) шкоди від пожеж, які мали місце на підприємствах, в установах і організаціях. Отримана інформація використовується для подальшого аналізу і обґрунтування управлінських рішень з мінімізації негативних наслідків, отримання економічної оцінки наслідків пожеж та інших стихійних лих і визначення оптимального рівня матеріальних витрат для забезпечення протипожежної безпеки.

У ряді робіт наводяться результати досліджень атмосферних аерозолів природного і техногенного походження, зокрема, аерозольних продуктів горіння та їх вплив на стан повітряного басейну.

1.2 Аналіз математичних моделей пожеж

Математичному моделюванню фізичних процесів, які відбуваються при горінні, і дослідженню характеристик пожежі в залежності від виду горючої речовини, умов горіння і параметрів зовнішнього середовища для різних типів пожеж присвячено монографію Д. Драздейла. У ній розкрито питання займання і розповсюдження полум'я по твердим та рідким горючим речовинам, механізм формування факела полум'я над осередком пожежі. Розглянуто закономірності розвитку пожежі, переходу початкової стадії в пожежу, яка розвивається; наведені основні критерії моделювання процесів горіння. Наведено розрахункові формули, які моделюють процеси горіння - розмір полум'я над осередком пожежі в залежності від розмірів вогнища, масової швидкості вигоряння і температури полум'я; швидкості підйому продуктів горіння в конвективній колонці, формованої початковими потоками над дифузійним полум'ям, а також температури над дифузійним полум'ям залежно від швидкості конвективного тепловиділення і висоти над осередком пожежі.

Для моделювання залежності висоти полум'я від діаметра резервуара при горінні нафтопродуктів пропонується формула

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

(1.1)

де безрозмірний параметр N залежить від теплофізичних характеристик пального речовини.

Важливим фактором, що впливає на динаміку пожежі, є інтенсивність конвективного тепловиділення, яка може бути визначена за формулою:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

(1.2)

Масова швидкість вигоряння при цьому може бути визначена за формулою:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

(1.3)

де Q _F - тепловий потік від полум'я до пального, кВт / м ^2; Q _L - теплові втрати з поверхні пального, кВт / м ^2; L _V - питома теплота пароутворення, кДж / г.

Розглянуто також вплив вітру на полум'я пожежі та режими горіння в умовах дифузійного полум'я.

У ряді досліджень вивчалися кількісні характеристики і параметри пожеж при горіння резервуарів вуглеводневих рідин. У роботі розглядався вплив вітру на висоту полум'я відкритого пожежі резервуара метану. Була запропонована формула залежності кутового відхилення полум'я від швидкості вітру. Показано, що при малій швидкості вітру, меншою деякого критичного значення, його вплив на висоту полум'я можна не враховувати. Зі збільшенням швидкості вітру висота полум'я знижується. Довжина полум'я в цих умовах показує зворотну залежність - вплив вітру позначається при низьких швидкостях, а зі збільшенням швидкості вітру понад критичної довжина полум'я залежить від неї слабо.

Найбільш глибокою роботою з пожеж в резервуарах рідкого палива є класична монографія В.І. Блінова і Г.Н. Худякова. У ній досліджувалися швидкості горіння резервуарів вуглеводневих рідин діаметром до D = 22,9 м. Показано, що можна виділити три режими горіння. При діаметрах резервуара до 0.4 м спостерігається ламінарний режим, при якому швидкість горіння зменшується з ростом діаметра; при 0.4 м =D =1 м - перехідний режим між ламінарним і турбулентним; при великих діаметрах (D =1 м) полум'я повністю турбулентно, а швидкість горіння не залежить від D.

У роботі Ройтмана М.Я. описані досліди, які дозволили встановити залежність розмірів полум'я від напрямку і швидкості вітру. Обробка дослідних даних показала наступне: швидкість вітру робить істотний вплив на відносну довжину полум'я в межах її значень від 0 до 3,85 м/с, при подальшому збільшенні швидкості вітру довжина полум'я залишається постійною. Навпаки, площа полум'я помітних змін зі збільшенням швидкості вітру не зазнає. Форма полум'я при горінні рідин близька до конусу з основою, рівним діаметру резервуара. З урахуванням цього розрахункова схема полум'я приймається у вигляді рівнобедреного трикутника з основою, рівним діаметру резервуара, і висотою h, значення якої приймається рівним 1,4 діаметра D (для легкозаймистих рідин). Відхилення полум'я від вертикальної осі при штилі становить 0 -15 ⁰ і досягає 60 -70 ⁰ при швидкості вітру 4,8 м / с. Висота полум'я для важких нафтопродуктів приймається 1,2 D.

У роботі Копилова Н.П. і Сядука В.Л. на основі використання модифікованої моделі Сеттона визначені зони загазованості та задимлення при пожежах резервуарів з нафтопродуктами, а також проведена оцінка токсичності продуктів горіння.



1.3 Аналіз моделей забруднення атмосфери та розповсюдження забруднюючих домішок

Вивчення поширення домішок від їх джерел у приземному шарі атмосфери здійснюється головним чином за двома напрямками.

Одне з них розвинене О. Сеттона [40]. Воно засноване в основному на емпірико-статистичному аналізі поширення забруднюючих речовин в атмосфері з використанням для цієї мети інтерполяційних моделей здебільшого гауссовского типу і полягає у використанні формул для визначення концентрації домішок від джерела, отриманих статистичним шляхом.

Модель Сеттона заснована на припущенні, що розподіл концентрації аерозольних часток у факелі викиду досить близько до нормального. Якщо в точці (0, 0, Н) розташоване джерело забруднює домішки з інтенсивністю викиду М, а швидкість вітру постійна і дорівнює U, то концентрація забруднюючої домішки в деякій області буде визначатися співвідношенням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

(1.4)

Модель зазначеного типу є найпростішою для розрахунку факела від димової труби або промислових викидів, вимагає мінімального набору вхідних даних і тому досить широко застосовується для практичних цілей. На використанні гаусівської моделі засновані методики МАГАТЕ [82, 83] оцінки розсіювання та розподілу концентрації забруднюючої домішки. Вони містять рекомендації для визначення дисперсії по досвідченим метеорологічними даними, критерії для знаходження величини турбулентності і рекомендуються для швидких оцінок наслідків аварій на АЕС, що супроводжуються викидами. Однак ця модель не відрізняється високою точністю. Таким дослідженнями займались такі вчені як, А.С. Моніна і А.М. Яглома [41], Г. Ченад [84], Н.Л. Бизов [43].

Другий підхід полягає в розробці теорії атмосферної дифузії на основі математичного опису розповсюдження домішок за допомогою рівняння турбулентної дифузії з постійними коефіцієнтами. Цей напрямок є більш універсальним, оскільки дозволяє досліджувати поширення домішок від джерел різного типу при різних характеристиках середовища. Фундаментальними працями з теорії атмосферної дифузії, заснованими на результатах інтегрування рівняння турбулентної дифузії, є праці професора М.Е. Берлянда [36-39] і його наукової школи.

При формулюванні вихідних рівнянь, що описують процес поширення домішок в атмосфері і зміна їх концентрацій у часі використана можливість відділення пульсацій від середніх значень концентрацій домішки. Це дозволило за допомогою відомих прийомів осреднения перейти від рівняння дифузії для миттєвих концентрацій до рівняння для середніх значень концентрацій.

У випадку завдання прогнозу забруднення повітря математично визначена як рішення при певних початкових і граничних умовах диференціального рівняння

(1.5)

де с - середнє значення концентрації забруднюючої домішки; t - час; X _I - координати, причому в арифметичному евклідовому просторі R ³ осі (x ₁, x ₂, x ₃) зазвичай позначають через (x, y, z); U _I і K _I - складові середньої швидкості переміщення домішки і коефіцієнта обміну: u ₁ = v, u ₂ = u, u ₃ = w.

Рівняння (1.5) описує просторовий розподіл середніх концентрацій забруднюючої домішки, а також їх зміни з часом. З цієї точки зору воно може розглядатися як прогностичне рівняння.

При моделюванні конкретних завдань вигляд рівняння (1.5) може спрощуватися [38]. Зміни концентрацій в атмосфері з часом носять квазістаціонарний характер, тому практично часто можна виключити член Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

і прийняти тільки, що коефіцієнти рівняння (1.5) є відомими функціями часу. Вид рівняння також залежить від того, яка домішка розглядається - легка, яка не має власної швидкості переміщення, або важка домішка, поступово осідає. Облік рельєфу також впливає на рівняння, так як у випадку горбистого рельєфу напрямок вітру не горизонтально і залежить від відстані х.

У роботах М.Е. Берлянда [36-38] проведені моделювання і розрахунок концентрації домішки в земної поверхні в життєдіяльному шарі атмосфери, виконано інтегрування рівняння (1.5) для численних моделей і отримано аналітичні залежності розподілу наземної концентрації забруднюючої домішки. Для визначення коефіцієнта обміну знайдено спільне рішення системи рівнянь руху, припливу тепла і балансу енергії турбулентності, замикається певним додатковим припущенням, встановленим з міркувань подоби.

Моделі атмосферної дифузії в проблемі охорони навколишнього середовища отримали значний розвиток в роботах академіка Г.І. Марчука [42,108]. Монографія [42] присвячена математичному моделюванню проблем, пов'язаних з охороною навколишнього середовища. Вивчається питання про оцінку забруднення атмосфери і підстильної поверхні пасивними і активними домішками. У монографії викладається метод передобчислювання областей можливого розміщення промислових підприємств з дотриманням санітарних норм забруднення для всіх екологічно значущих зон. З цією метою вводяться пов'язані рівняння переносу та дифузії субстанції, на основі яких вирішується справжня проблема. Фізично рішення сполучених завдань являє собою функцію впливу або функцію чутливості по відношенню до основного функціоналу задачі. Цим функціоналом, зокрема, може бути повне число випали домішок в даній екологічній зоні протягом року або санітарна небезпека випали і зважених домішок.

Велика увага в [42] приділено проблемі витрат на відновлення навколишнього середовища, суть якої - в наступному. Якщо потрібно побудувати нове промислове підприємство з заданим викидом шкідливих аерозолів, то насамперед оцінюються наслідки впливу забруднення на навколишнє середовище. Для цієї мети використовуються статистичні оцінки завдається шкоди і програма відновлення цих ресурсів, витрати на які повинні включатися у вартість випускається підприємством, і відраховуватися за прямим призначенням. Все це дає можливість в кінцевому підсумку вирішити оптимізаційну задачу з рядом обмежень санітарного, екологічного та економічного характеру.

Окремі розділи книги присвячені проблемам моделювання, розміщення джерел забруднень у водоймах і прибережних морях, вивченню процесів перенесення і дифузії забруднень спільно з мезометеорологіческімі і мезоокеаніческімі процесами.

У монографії Л.А. Петросяна і В.В. Захарова [85] наведена задача нормування викидів забруднюючих речовин в атмосферу. Також описаний цікавий підхід до моделювання задач природокористування, що складається в побудові теоретико-ігрових моделей охорони навколишнього середовища. Розглянуто статистична теоретико-ігрова модель нормування викидів шкідливих речовин, завдання оптимізації вибору розмірів штрафів за забруднення, завдання нормування викидів з урахуванням впливу ринку, динамічна теоретико-ігрова модель охорони атмосфери від забруднення.

У роботах [86,87] на основі застосування апарату теорії R-функцій розвиваються методи моделювання екологічної обстановки з урахуванням турбулентного руху в атмосфері.

Значний внесок у моделювання та чисельне дослідження процесів розповсюдження забруднюючих домішок в приземних шарах атмосфери внесли також І.І. Мазур [89], А.Є. Алоян [90], В.В. Пененко [91], З.Г. Мірзеханова і Н.А. Нарбут [92], А. Колорни і А. Лепські [93].

Питанням моделювання взаємодії пожеж і атмосфери, проблем забруднення повітряного басейну викидами продуктів горіння і теплової деструкції, що утворилися в результаті пожеж, присвячені роботи Н.П. Копилова [99, 102], Р. Девіса [100], Г.М. Махвіладзе [101], М.І. Будико [103]. В.Ф. Комова [104], Я.С. Кисельова [105] та інших авторів.

1.4 Загальні питання забруднення атмосфери та нормування викидів небезпечних речовин

У роботі розглянуто порядок розроблення, погодження та затвердження нормативів гранично допустимих викидів забруднюючих речовин в атмосферу для діючих, реконструйованих і проектованих підприємств. Наведено фізичні основи і розрахунок розсіювання викидів в атмосфері від одиночного і групи джерел з урахуванням ефекту підсумовування і фонових концентрацій відповідно до чинних нормативно-технічними документами. Дана санітарна класифікація, а також наведені санітарно-захисні зони підприємств, споруд та інших об'єктів.

У роботі представлена методика для оцінки і прогнозування розподілу домішки в приземному і прикордонному шарах атмосфери в межах великого промислового регіону (регіональний масштаб) інтегрована інформаційна система обробки фактичних метеоданих, моделювання процесів турбулентного обміну і поширення забруднюючих речовин.

У книгах М.М. Бєляєва викладені математичні моделі процесів переносу забруднюючих речовин у повітряному середовищі. Розглянуто ефективні методи вирішення завдань про динаміку руху і перенесення домішок. Розглянуто також математичні моделі прогнозування якості повітряного середовища, засновані на узагальненні аналітичного рішення задачі про одиничний точковому викиді забруднення. Представлені прикладні моделі, пов'язані з забрудненням атмосфери міст.

Основні терміни та поняття, пов'язані із забрудненням атмосферного повітря, представлені в словнику.

Прикордонний шар (Boundary layer) - планетарний прикордонний шар (шар тертя) - це шар атмосфери, що простирається від земної поверхні на висоту 600 - 800 м, де рух повітря залежить від поверхневого тертя. Над цим шаром лежить «вільна атмосфера».

Поверхневий прикордонний шар (або приземний) - це тонкий шар повітря, прилегла до земної поверхні, і має висоту до 100 м.

Аерозоль (Aerosol) - суспензія в газовому середовищі твердих або рідких частинок, що мають вкрай низьку швидкість осадження. Тверді частинки дають «аерозоль твердих частинок», а рідкі - «аерозоль рідких частинок». Розмір часток аерозолів часто не перевищує нормальні розміри колоїдних частинок, які коливаються від 1 мм до 1 мкм.

Дим (Fume) - сукупність газів згоряння і захоплюємося ними твердих частинок (власне дим).

У роботах М.Є. Берлянда та ін. викладені результати досліджень з розподілу диму в приземному шарі атмосфери. Результати представляють інтерес при моделюванні забруднення атмосфери викидами пожеж.

Глобальні проблеми захисту природи і довкілля людини при будівництві підприємств і стратегія охорони навколишнього середовища від забруднень висвітлені в монографіях П. Бертекса і Д. Рада [94]. Захист атмосферного повітря від шкідливих викидів різних підприємств присвячені роботи [95-98].



1.5 Моделі та методи оптимального розміщення джерел атмосферних забруднюючих домішок

Аналіз наукової літератури показав, що абсолютна більшість авторів розвивають методологію математичного та комп'ютерного моделювання процесів переносу та дифузії домішок в атмосфері з тим або іншим ступенем обліку динаміки атмосферних процесів і конкретних метеорологічних умов: температурних інверсій, швидкості і напряму вітру, температури приземного шару атмосфери. Поряд з цим відносно невелике число публікацій присвячено моделюванню і рішенню більш загальної задачі оптимізації параметрів (у тому числі параметрів розміщення) об'єктів з джерелами викидів шкідливих речовин в атмосферу з урахуванням геокліматичних факторів.

Так, в роботі [106] розглянута тривимірна по неформальній постановці завдання розміщення небезпечних підприємств (хімічних заводів, сховищ радіоактивних відходів тощо) в області, що має заборонені зони (тобто місця, де знаходяться населені пункти). Дане завдання формулюється як задача багатокритеріальної оптимізації, причому розглядається двухкритеріальний функція мети, яка максимізує мінімальні відстані і суми відстаней від небажаних підприємств до населених пунктів. Автори нехтують просторовою формою підприємств, моделюючи задачу як розміщення точок у багатокутної області.

Оптимізаційна задача розміщення об'єктів з джерелами шкідливих викидів в атмосферу може бути сформульована як задача компоновочного синтезу технічних систем з розподіленими параметрами, великий внесок у вирішення яких внесли В.Л. Рвачев [44], Ю.Г. Стоян і В.П. Путятін [45-47]. У роботах Ю.Г. Стояна, В.П. Путятіна, І.А. Чуба та інших вчених проведені дослідження з розробки математичних моделей та оптимізаційних методів синтезу технічних систем, що містять дискретні джерела фізичних полів. Продовженням цих досліджень стала робота [107], в якій запропоновані нові моделі задач компоновочного синтезу екологічних систем, дано їх детальний аналіз і виділено особливості їх формалізації, запропоновані підходи чисельної реалізації завдань розміщення джерел викидів та екологічно значущих об'єктів.

Методологічною базою вирішення завдань компоновочного синтезу технічних систем з розподіленими параметрами служить теорія оптимізаційного геометричного проектування, розвинена в працях С.В. Яковлєва, Н.І. Гіля, В.М. Комяк, М.В. Новожилова [48-52].

Математичні моделі та оптимізаційні методи геометричного проектування технічних систем розроблені в монографіях [48,49]. У них для вирішення завдань оптимізаційних задач розміщення геометричних об'єктів використовується апарат Ф-функцій, на основі якого нормалізувати геометричні обмеження на приналежність розміщуваних об'єктів області розміщення та умови взаємного неперетинання об'єктів.

Математичному моделюванню і розробці методів нерегулярного розміщення плоских геометричних об'єктів з використанням понять функції щільного розміщення і її годографа присвячені дослідження Н.І. Гіля та В.М. Комяк [50,51]. Подальший розвиток моделі і методи нелінійного оптимізаційного геометричного проектування отримали в роботах М.В. Новожилова [52].

1.6 Аналіз вимог нормативно-правових документів, що регулюють питання забруднення навколишнього середовища і розміщення об'єктів забруднення

Одним із пріоритетних напрямків політики України є захист життя і здоров'я громадян, а також навколишнього середовища від негативного впливу аварій (пожеж) на промислових об'єктах.

Правові, економічні та соціальні основи організації охорони навколишнього природного середовища в інтересах нинішнього і майбутнього поколінь відображені в Законі України «Про охорону навколишнього природного середовища».

Відповідно до ст. 27 цього закону проекти на будівництво і реконструкцію підприємств та інших об'єктів, які можуть негативно впливати на стан навколишнього природного середовища, незалежно від форм власності та підпорядкованості, підлягають екологічній експертизі. У ст. 51 викладені екологічні вимоги до розміщення, проектування, будівництва, реконструкції, введення в дію та експлуатації підприємств, споруд та інших об'єктів. Зокрема, проекти господарської та іншої діяльності повинні мати матеріали оцінки її впливу на навколишнє природне середовище та здоров'я людей.

Згідно Закону України «Про об'єкти підвищеної небезпеки» суб'єкт господарської діяльності ідентифікує об'єкт підвищеної небезпеки, готує та подає до органів місцевої виконавчої влади декларацію безпеки даного об'єкту. Відповідно до постанови КМ України №956 від 11.07.2002 р. до декларації безпеки об'єкта підвищеної небезпеки додаються результати аналізу ступеня небезпеки та оцінка рівня ризику, що включають в себе: короткий опис сценаріїв імовірних аварій з урахуванням умов їх виникнення та розвитку, розміри ймовірних зон дії небезпечних факторів; перелік моделей і методів розрахунку, які використовуються під час дослідження ступеня небезпеки та оцінки рівня ризику; дані про ступінь небезпеки і рівень ризику, а також ймовірність заподіяння шкоди населенню та довкіллю.

Вимоги до проведення екологічної експертизи в Україні визначаються Законом України «Про екологічну експертизу». Відповідно до ст. 36 в матеріалах оцінки впливу на навколишнє природне середовище запланованої чи здійснюваної діяльності обґрунтовується її доцільність та способи реалізації, можливі альтернативні варіанти рішень, характеристика стану навколишнього природного середовища території, види та рівні впливу на неї в нормальних і екстремальних умовах, можливі зміни її якісного стану, еколого-економічні наслідки діяльності, заходи щодо зменшення рівня екологічного ризику та забезпечення вимог екологічної безпеки.

Склад і зміст матеріалів оцінки впливів на навколишнє середовище (ОВНС) при проектуванні і будівництві підприємств, будівель та споруд в Україні визначаються ДБН А.2.2-1-2003 [5]. Дані будівельні норми встановлюють порядок розроблення матеріалів ОВНС у складі проектної документації на нове будівництво, розширення, реконструкцію та технічне переоснащення, основні вимоги до складу та змісту цих матеріалів. Одним з основних завдань ОВНС, згідно п. 1.3, є визначення переліку можливих екологічно небезпечних впливів і зон впливів планованої діяльності на навколишнє середовище за варіантами розміщення.

Виходячи з вимог ДНАОП 0.00-4.33-99 на потенційно небезпечних об'єктах, де можливі аварії, що супроводжуються загорянням (пожежами), які можуть призвести до негативного впливу на навколишнє середовище, необхідно розробляти плани локалізації та ліквідації аварійних ситуацій і аварій (ПЛАС).

План локалізації та ліквідації аварійних ситуацій і аварій (ПЛАС) повинен включати аналітичну частину, в якій міститься аналіз небезпек, можливих аварій та їх наслідків. Дається визначення поняттю «аварія»: раптова подія, така як потужний викид небезпечних речовин, пожежа або вибух, внаслідок порушення експлуатації підприємства (об'єкта), яке веде до раптової та/або наступної загрози для життя і здоров'я людей, навколишнього середовища, матеріальних цінностей на території підприємства та/або за його межами.

Основні вимоги до планування та забудову як нових, так і існуючих міських і сільських поселень України регламентуються Державними санітарними правилами планування та забудови населених пунктів [112]. Відповідно до них територія населеного пункту з урахуванням переважного функціонального використання поділяється на:

- сельбищну територію - для розміщення житлового фонду, громадських будівель і споруд, установ соціального, культурного та побутового призначення;

- виробничу територію - для розміщення промислових підприємств і пов'язаних з ними об'єктів, створення санітарно-захисних зон промислових підприємств;

- ландшафтно-рекреаційну територію, що охоплює приміські ліси, лісопарки, водоймища, зони відпочинку та курортні зони, землі сільськогосподарського використання та інші.

У сельбищній зоні населеного пункту допускається розміщення підприємств, які не є джерелами викидів шкідливих речовин. Відповідно до п. 5.4 [112] промислові та інші об'єкти, які є джерелами забруднення навколишнього середовища, при неможливості створення безвідходних технологій повинні відокремлюватись від житлової забудови санітарно-захисними зонами.

Облік впливу кліматичних факторів при проектуванні різних об'єктів регламентується СНиП 2.01.01-82 [113].

В СНиП наведені: середні по місяцях температури повітря в республіках, краях, областях і населених пунктах; схематичні карти розподілу кліматичних і геофізичних параметрів на території; таблиця напрямків і швидкості вітру в республіках, краях, областях і населених пунктах і ін. таблиці. Також приведена термінологія і методи розрахунку кліматичних параметрів.

Аналіз наведених літературних джерел дозволяє зробити висновок про те, що, незважаючи на очевидну потребу кількісної оцінки рівня забруднення навколишнього середовища продуктами горіння можливої пожежі, а також методів зниження впливу небезпечних факторів пожежі, конструктивний апарат вирішення даної проблеми в цілому не розроблений. Тому побудова математичної моделі і методу розв'язання задачі оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням впливу небезпечних чинників можливої пожежі на навколишнє середовище і кліматичних умов в області розміщення є актуальною задачею.

Проведений аналіз наукової літератури з різних аспектів математичного моделювання задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів, що є у випадку виникнення пожежі джерелами викидів аерозольних забруднень в атмосферу, з урахуванням характеристик можливої пожежі і геокліматичних факторів показав, що на сьогоднішній день вона не вирішена в повному обсязі.

Потреба в розробці методів математичного моделювання процесу забруднення навколишнього середовища аерозольними продуктами горіння при пожежах і техногенних катастрофах, що супроводжуються пожежами, а також математичних моделей і методів оптимального розміщення підприємств та інших пожежонебезпечних об'єктів з урахуванням негативного впливу на навколишнє середовище передбачена законодавчо, є досить актуальною і визначає тематику даної магістерської роботи.

В даному розділі проведено систематичний аналіз підходів до математичного моделювання задачі оптимізації розміщення пожежонебезпечних об'єктів, які є в разі виникнення пожежі джерелами викидів аерозольних забруднень в атмосферу, з урахуванням характеристик можливої пожежі і геокліматичних факторів.

На основі вивчення літературних джерел проведено аналітичний огляд сучасного арсеналу засобів моделювання та рішення розглянутого класу задач. Проаналізовано математичні моделі та методи чисельного рішення задач розповсюдження аерозольних домішок від джерел забруднення в приземному шарі атмосфери.

Проаналізований математичний апарат рішення задач оптимального розміщення пожежонебезпечних об'єктів.



2. Методи дослідження і постановка основний оптимізаційних задач

У даному розділі здійснена постановка основної оптимізаційної задачі розміщення в заданій області пожежонебезпечних об'єктів, які у разі виникнення пожежі є джерелами забруднення навколишнього середовища аерозольними викидами. Розміщення здійснюється з урахуванням геокліматичних факторів (напрямку і сили вітру) в області.

Досліджено систему обмежень основний оптимізаційної задачі, яка в загальному випадку включає умови геометричного і фізичного характеру. Проведена формалізація геометричних обмежень з використанням апарату Ф-функцій.

Проведено аналіз двох основних класів математичних моделей поширення аерозольних домішок в атмосфері. Перший клас включає інтерполяційні моделі гауссовского типу, моделі другого класу ґрунтуються на рішенні рівняння турбулентної дифузії.

Проведено моделювання форми зони можливого забруднення земної поверхні викидами пожежі.

Розглянуто основні кількісні критерії оцінки рівня забруднення приземного шару атмосфери викидами пожежі.

2.1 Постановка основної оптимізаційної задачі

Нехай є деяка замкнута область R ³, що містить N об'єктів (будівель, цехів та ін.) S _I, що володіють заданою просторовою формою і метричними характеристиками [48]. На кожному з об'єктів S _I може виникнути пожежа. У цьому випадку він буде джерелом забруднення навколишнього середовища, що викидають в атмосферу на висоту Н _i з інтенсивністю М _i аерозольні продукти горіння, i = 1,2,…, N.

В області можуть бути присутніми деякі зони (екологічно значимі зони), рівень забруднення в яких жорстко регламентується. Розміщення об'єктів S _I в них не допускається. Моделями розглянутих зон можуть виступати нерухомі області заборони До К_j (j = 1,2,…, Р) із заданою просторовою формою. Розміщення джерел забруднення допускається в деякій підобласті:

= ( \ ),

Зауваження 2.1. Пожежонебезпечні об'єкти S _I розміщуються на земній поверхні (z = 0), тому область R ².

Пов'яжемо область з нерухомою системою координат XОY, а кожен пожежонебезпечний об'єкт S _I з рухомого (власної) системою координат X _I О _I Y _I. Позначимо через (X _I, Y _I) параметри положення рухомої системи координат X _I О _I Y _I (параметри розміщення) відносно нерухомої системи координат XОY, i = 1,2,…, N. У цьому випадку місце розташування безлічі N об'єктів S _I в області визначається вектором Z виду

Z = (х ₁, у ₁, х ₂, у ₂,…, х _N, у _N), Z О--R ^2N.

Усюди далі будемо вважати позначення S _I і S _I (х _i, у _i) еквівалентними.

Кількісною характеристикою забруднення області ??продуктами горіння є їх концентрація в точках даній області. Як зазначалося в [53], концентрація продуктів горіння в деякій точці (x, y, z) області ??залежить від просторових координат (x, y, z), часу t, параметрів розміщення джерел забруднення, фізичних характеристик пожежі, а також від метеорологічних умов в області розміщення, і в загальному випадку має вигляд:



с = C (x, y, t, Z, G, Q),

де Z - вектор параметрів розміщення джерел забруднення (пожежі); G - вектор фізичних параметрів пожежі, G = {g ₁, g ₂,…, G _K}; Q - вектор параметрів, які характеризують природно-кліматичні умови в даній області,

Q = {q ₁, q ₂,…, Q _R}.

У цій роботі вплив пожежі на навколишнє середовище розглядається на заключній стадії його розвитку, коли інтенсивність викиду продуктів горіння М = const, a концентрація продуктів горіння в атмосфері відповідає сталому значенню (стаціонарний режим). У цьому випадку концентрація продуктів горіння не залежить від часу. Крім того, нас буде цікавити концентрація продуктів горіння на земній поверхні або в двометровому приземному шарі атмосфери, тому можна вважати, що вона не залежить від z.:

с = C (x, y, Z, G, Q),

При цьому на місце розташування пожежонебезпечних об'єктів S _I (i = 1,2,…, N) в області і на результуюче концентраційне поле накладається деяка система обмежень. Виходячм з [46], у загальному випадку ці обмеження повинні включати умови геометричного і фізичного характеру.

Геометричні обмеження:

· умови, що визначають взаємне розташування об'єктів S _I (i = 1,2,…, N) і S _J (j = 1,2,…, N), при цьому I №j

Int S _I З--Int S _J = Ж; (2.1)

· умови, що визначають взаємне розташування об'єктів S _I (i = 1,2,…, N) і нерухомих областей заборони До _j (j = 1,2,…, J)

Int S _I З--Int До _j = Ж; (2.2)

· умови, що визначають приналежність об'єктів S _I (i = 1,2,…, N) області розміщення W

Int S _I З--Int W--^* = Ж, (2.3)

де область W = cl (R ² \ W⁾; символи cl і int означають відповідно замикання і нутро точкового безлічі [114].

Фізичні обмеження:

· умови, що накладаються на характер і величину результуючого концентраційного поля системи джерел забруднення S _I (i = 1,2,…, N). У загальному випадку вони представляються ввигляді системи нерівностей

D _к с (x, y, Z, G, Q) |_{W до} <(>) з _до, (2.4)

Система обмежень (2.5) - (2.8) виділяє з простору R ^2N параметрів розміщення пожежонебезпечних об'єктів (вектор Z) деяку підобласть W можливих розміщень.

Тоді основну оптимізаційну задачу розміщення пожежонебезпечних об'єктів у заданій області з урахуванням впливу на навколишнє середовище можливої пожежі можна сформулювати наступним чином.

Необхідно в області W----знайти таке положення пожежонебезпечних об'єктів S _I (i = 1,2,…, N), щоб рівень забруднення в екологічно значимих зонах До _j (j = 1,2,…, P) не перевищував заданого рівня, і сумарна концентрація аерозольних викидів пожежі (продуктів горіння) у разі його виникнення на кордоні Г області W------була мінімальною:



min max C (x, y, Z, G, Q). (2.5)

Z ОW (x, y) ОГ

Для формалізації геометричних обмежень (2.5) - (2.6) використовуємо поняття Ф-функції двох геометричних об'єктів [48].

Формалізація геометричних обмежень задачі

Ф - функція пари довільних об'єктів S _I і S _J дозволяє формально визначити міру близькості, а також міру перетину об'єктів S _I і S _J залежно від значень їх параметрів розміщення.

Відзначимо основні властивості Ф-функції об'єктів S ₁ і S ₂ [48]:

· Ф ₁₂ (х _1, у _1, х _2, у ₂₎> 0,

якщо cl S ₁ (х ₁, у ₁) З--CL S _??2 (х ₂, у ₂) = Ж;

· Ф ₁₂ (х _1, у _1, х _2, у ₂₎ = 0,

якщо cl S ₁ (х ₁, у ₁) З--CL S _??2 (х ₂, у ₂) = Ж,

int S ₁ (х ₁, у ₁) З--Int S ₂ (х ₂, у ₂) = Ж;

· Ф ₁₂ (х _1, у _1, х _2, у ₂₎ <0,

якщо int S ₁ (х ₁, у ₁) З--Int S ₂ (х ₂, у ₂) ? Ж,

де Ф ₁₂ - Ф-функція двох геометричних об'єктів S ₁ і S ₂, що мають параметри розміщення (х ₁, у ₁) і (х _2, у ₂) відповідно.

Отже, Ф-функція дозволяє описувати умови попарного перетину, торкання і неперетинання відповідних геометричних об'єктів.

Використовуючи поняття Ф-функції, умови (2.1) і (2.2) взаємного неперетинання об'єктів S _I і S _J і об'єкта S _I і зони заборони До _j можна представити у вигляді:

Ф _ij (х _i, у _i, х _j, у _j)> 0. (2.6)



Умови (2.3), що визначають приналежність об'єкта S _I області розміщення W--, мають вигляд:

Ф _i0 (х _i, у _i, m ₀) = 0, (2.7)

де Ф _i0 (х _i, у _i, m ₀) - Ф-функція об'єкта S _I та області W--^* = cl (R ² \ W), m ₀ - метричні характеристики області W^*.

Поверхня, що визначається рівнянням

Ф ₁₂ (х ₁, у ₁, х ₂, у ₂) = 0,

називається поверхнею 0-рівня Ф-функції об'єктів S ₁ і S ₂.

Відзначимо основні властивості оптимізаційної задачі (2.5), що випливають з її математичної постановки.

· Простір параметрів, в якому шукається екстремум функції мети, має розмірність 2N + k + r, де N - число розміщуваних пожежонебезпечних об'єктів, k - розмірність вектора фізичних параметрів пожежі, r - число параметрів, що характеризують природно-кліматичні умови в даній області.

· Число обмежень, що описують область W допустимих рішень задачі (2.5), квадратично залежить від числа розміщуваних пожежонебезпечних об'єктів та одно 0.5N (N-1)+N ?J+K, де J-число зон заборони в області розміщення, K - кількість обмежень на результуюче концентраційне поле.

· Облік фізичних обмежень (2.4) на розподіл поля концентрації забруднюючої домішки призводить до необхідності вирішення на кожному етапі оптимізації крайової задачі математичної фізики.

· Для формалізації обмежень (2.4) на розподіл поля концентрації забруднюючої домішки необхідно представити рішення крайової задачі математичної фізики як функцію від параметрів Z, G і Q.

· Оптимізаційна задача (2.5) передбачає пошук розміщення джерел концентраційного поля з урахуванням обмежень (2.4), накладених на кількісні характеристики результуючого поля. У силу цього завдання (2.5) відноситься до зворотних завданням математичної фізики.

2.2 Особливості пожежі як джерела забруднення навколишнього середовища викидами аерозолю

Будь-яка домішка, в тому числі газоподібні і аерозольні продукти горіння, потрапивши в атмосферу, починає поширюватися в ній, утворюючи забруднену область. При цьому великомасштабні атмосферні потоки переносять обсяги домішки як ціле, а дрібномасштабні турбулентні пульсації розсіюють домішка шляхом перемішування її з навколишнім повітрям. Вибір способу опису поширення домішки в атмосфері (процес турбулентної дифузії) залежить від особливостей процесу потрапляння домішки в атмосферу. У зв'язку з цим розрізняються два типи дифузії в турбулентному середовищі [38].

У першому випадку розглядається розсіювання домішки щодо фіксованої точки - координат довгостроково діючого точкового джерела. При цьому потрібно визначити концентрацію у всій області, в яку може потрапити домішка. Реальними об'єктами, які відповідають цієї нагоди, є, наприклад, димові смолоскипи заводських труб.

У другому випадку вся домішка відразу займає деякий початковий обсяг і утворює хмару, яка під дією турбулентних пульсацій розсіюється. Іншими словами розглядається дифузія забруднює домішки, що потрапила в атмосферу в результаті короткочасного (миттєвого) викиду або вибуху.

Пожежі відносяться до джерел першого типу. Якщо виключити з розгляду пожежі, що займають дуже великі площі (лісові, степові і т. п.), то розміри пожежі малі в порівнянні з відстанями, на яких досліджується створюване їм концентраційне поле. Тому пожежа можна вважати точковим джерелом викидів, який володіє низкою характерних особливостей [53]:

· виділення великої кількості різноманітних продуктів горіння і теплової деструкції, як газоподібних, так і аерозольних. При цьому більшість продуктів горіння володіють підвищеною токсичністю, що робить їх надзвичайно небезпечними джерелами забруднення;

· висока температура, часто перевищує 1000 ⁰ С. В результаті спостерігається велика різниця між температурою середовища і температурою продуктів горіння, що забруднюють навколишнє середовище;

· потужні конвективні потоки, які піднімають продукти горіння на висоту до декількох сотень метрів. Потім продукти горіння адвектівних переносяться вітром на значні відстані, забруднюючи приземні шари атмосфери і підстилаючої поверхню на великій площі;

· час впливу на навколишнє середовище зазвичай не перевищує кількох десятків годин.

Таким чином, викиди пожеж можна характеризувати як періодичні, високотемпературні і локальні, що надходять у навколишнє середовище у вигляді конвективних потоків. Незважаючи на зазначені особливості, для опису процесу впливу пожежі на навколишнє середовище можна скористатися відомими методами прогнозу забруднення.

2.3 Математичне моделювання розповсюдження аерозольних викидів пожеж в атмосферу

Для опису процесу поширення аерозольних продуктів горіння в атмосфері скористаємося відомими методами прогнозу забруднення. Розвиток цих методів, як зазначалося в розділі 1, здійснюється головним чином за двома напрямками і, відповідно до цього, на практиці для опису поля концентрації домішки використовуються моделі двох типів. Перший напрямок пов'язаний з емпірико-статистичним аналізом поширення забруднюючих речовин в атмосфері і з використанням для цієї мети інтерполяційних моделей гауссовского типу. Однак ця модель не відрізняється високою точністю, тому не буде використовуватися нами в подальшому для розрахунків рівня забруднення навколишнього середовища продуктами горіння.

Модель другого типу [37] ґрунтується на рішенні рівняння турбулентної дифузії (1.4)

...