УДК 355.588
DOI: 10.15587/1729-4061.2022.251675
Розробка методики прогнозування рівня хімічного ураження атмосфери при активному осадженні небезпечних газів
А. С. Мельниченко, М. В. Кустов, О. Є. Басманов, О. А. Тарасенко,
О. І. Богатов, М. М. Кравцов, О. І. Петрова, Т. В. Підпала, О. І. Каратєєва, Н. П. Шевчук
Розроблено методику прогнозування рівня хімічного забруднення атмосфе- ри, який включає в себе математичну модель розподілу концентрації небезпеч- ного газу в атмосфері при його активному осадженні дисперсними струменями рідини та процедуру його реалізації. На основі диференційних рівнянь розповсю- дження газу в просторі отримано поетапну модель розповсюдження хмари не- безпечної хімічної речовини. Модель описує етапи викиду небезпечної газоподіб- ної речовини із аварійного технологічного обладнання, осадження небезпечного газу дрібнодисперсним потоком та вільне розповсюдження хмари в повітрі. Ро- зроблена математична модель дозволяє проводити розрахунок розмірів зон за- бруднення з визначенням граничних умов безпеки. При прогнозуванні врахову- ються основні метеорологічні параметри, ширина зони осадження та хімічні властивості як газу так і рідини. Проведено порівняльний аналіз результатів прогнозування умовної зони хімічного ураження при вільному розповсюдженні хмари та при активному осадженні атмосферними опадами або технічними пристроями. Результати моделювання показали, що при збільшенні швидкості вітру з 1 м/с до 5 м/с відбувається збільшення розмірів зони ураження в 2,7 разів, при цьому концентрація небезпечного газу в хмарі падає в 2,5-3 рази.
Запропоновано алгоритм інтеграції розробленої методики прогнозування рівня хімічного забруднення атмосфери до загального циклу управління в умовах над- звичайних ситуацій. Особливо слід відмітити, що розроблена методика міс- тить увесь спектр складових, які необхідні для її практичного використання. Це опис процедури та практичних рекомендацій щодо використання запропонова- ної методики при ліквідації надзвичайних ситуацій та перелік вірогідних обста- вин, коли використання розробленої методики буде найефективнішим.
Ключові слова: небезпечні гази, осадження небезпечної речовини, прогно- зування масштабів забруднення, локалізація зони ураження.
1. Вступ
Сучасний стан промисловості вимагає використання великої кількості різ- номанітних хімічних речовин. Навіть за умов нормальної роботи промислових підприємств у навколишнє середовище викидається велика кількість небезпеч- них хімічних речовин. Основними об’єктами навколишнього середовища на які чинять негативний вплив небезпечні речовини є повітря, вода та ґрунт. Особли- во масштабні викиди відбуваються у разі виникнення на таких об’єктах масш- табних аварій. Незважаючи на значні зусилля по дотриманню правил безпечної
Not
a reprint
експлуатації на об’єктах та підприємствах, де виготовляються, зберігаються та використовуються небезпечні хімічні речовини виникають аварійні ситуації.
Надзвичайні ситуації (НС) з викидом небезпечних хімічних речовин (НХР) ха- рактеризуються значними розмірами зони ураження, яка може досягати декіль- кох квадратних кілометрів. Додатковим ускладненням є знаходження в зоні ураження великої кількості цивільного населення та необхідність залучення значних сил та засобів на ліквідацію наслідків такої НС [1]. Це становить знач- ну загрозу для населення, території та навколишнього середовища, які є основ- ними об’єктами системи цивільного захисту. З метою забезпечення екологічної безпеки в зоні атмосферного забруднення з викидом небезпечних газів та прий- няття управлінського рішення по евакуації населення важливим є проведення коректного моніторингу та точного прогнозування розвитку надзвичайної ситу- ації [2]. Прогнозування розвитку надзвичайної ситуації є обов’язковим етапом для прийняття коректного управлінського рішення по ліквідації аварії [3]. Осо- бливо суттєвим процес прогнозування є при виникненні НС з викидом газопо- дібних небезпечних хімічних речовин.
Для забезпечення достатньої точності розрахунку розмірів зон хімічного забруднення необхідне врахування значної кількості факторів, які умовно мож- на розподілити на два блоки – метеорологічні умови та параметри викиду [4].
До метеорологічних умов відносяться напрямок та швидкість вітру, температу- ра та вологість повітря, атмосферний тиск. До параметрів викиду відносяться вид хімічної речовини, її температура, густина та тиск зберігання, інтенсивність викиду [5]. Існуючі методи та засоби запобігання надзвичайним ситуаціям з ви- кидом небезпечних речовин в атмосферному повітрі здатні впливати на зону ураження на висотах декілька метрів [6].
Існуючі у світі підходи до ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій (НС), які характеризуються викидом в атмосферне повітря шкідливих та радіоактивних речовин, основані на використанні рідинних завіс за допомогою наземної ава- рійно-рятувальної техніки. При цьому відбувається осадження шкідливих та ра- діоактивних речовин із атмосферного повітря дрібнодисперсним потоком води, який утворюється за допомогою засобів аварійно-рятувальної техніки. За умов присутності процесу осадження зони викиду до цих факторів додається ще один блок, який включає інтенсивність потоку рідини на осадження, площа осаджен- ня, наявність хімічної реакції рідини з небезпечною хімічною речовиною та ін.
Це все суттєво ускладнює роботу служб контролю екологічної безпеки та ава- рійно-рятувальних підрозділів по ліквідації атмосферного забруднення.
Аналіз основних причин аварій, що сталися на хімічно-небезпечних об’єктах (ХНО), показав, що вагомою причиною виникнення надзвичайних си- туацій на хімічно небезпечних об’єктах є розгерметизація різних ємностей для зберігання хімічно небезпечних речовин [7]. Суттєвим чинником небезпеки ат- мосферного повітря є аварії на атомних електростанціях, що призводить до ве- ликих розмірів зони уражень і значних людських жертв [8]. Процес захисту на- селення та територій від атмосферного забруднення складається з декількох обов’язкових етапів – моніторингу зони забруднення, прогнозування розвитку аварії, прийняття управлінського рішення та безпосередній вплив на зону за-
For reading
only
бруднення [9]. Однак, кожний з цих етапів потребує окремої розробки методів їх реалізації.
Виходячи з цього актуальною проблемою, що вимагає вирішення є відсут- ність врахування активної ліквідації аварії оперативно-рятувальними підрозді- лами при прогнозуванні розповсюдження викиду НХР.
2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми
Кожен рік в світі трапляється більше 20 аварій на хімічно небезпечних підприємствах [10]. Аналіз основних причин аварій, що сталися на хімічно- небезпечних об’єктах, показав, що найсуттєвішою причиною аварій залишаєть- ся людський фактор, а саме помилка персоналу. Однак поряд з цим вагомою причиною виникнення надзвичайних ситуацій на хімічно небезпечних об’єктах є розгерметизація різних ємностей для зберігання хімічно небезпечних речо- вин [11]. Такі аварії призводить до великих розмірів зони уражень і, як наслі- док, значних людських жертв [12]. При цьому в роботі [13] показано, що в про- мислово розвинених країнах розміщено декілька сотень підприємств, на яких обертаються хімічно небезпечні речовини. Не зважаючи на те, що розвиваються технології збільшення екологічної безпеки на таких підприємствах [14], у разі виникнення аварій на них може статися викид небезпечних хімічних речовин.
Загальна кількість хімічно небезпечних речовин (ХНР) на цих підприємствах – більше 283 тис. тонн, більшу частину з яких становлять аміак, хлор та сірчана кислота [15]. Крім того, аміак та хлор за нормальних умов перебувають у газо- подібному стані та легко поширюються в атмосфері [16]. Але залишилися не- вирішеними питання, пов'язані із забезпеченням безпеки на підприємствах де обертаються ХНР.
Ліквідація аварій на ХНО повинна включати в себе обов’язкові етапи кри- зового контуру управління – моніторинг, прогнозування, прийняття управлін- ського рішення та безпосередній вплив на аварію [17]. Серед основних видів впливу на надзвичайну ситуацію найбільшу ефективність набули способи захи- сту від негативного впливу та мінімізації негативних наслідків аварії [18]. При цьому на правильність прийнятого управлінського рішення безпосередньо впливає точність прогнозування розвитку НС.
Для математичного моделювання розповсюдження небезпечних хімічних речовин в атмосфері використовують математичну модель дифузії деякої речо- вини в повітрі із застосуванням диференціального рівняння параболічного типу [19]. Ці моделі добре себе зарекомендували при описанні процесів розповсю- дження продуктів термічної деструкції [20]. Моделі розсіювання газу від точко- вого джерела відносяться до гаусівського класу основною з яких є модель Пас- куілла-Гіффорда [21]. На гаусовій моделі розсіювання домішок засновані мето- дики МАГАТЕ [22], в яких викладено рекомендації для визначення дисперсій по вхідним метеорологічним параметрам і виконання розрахунків по розсію- ванню викидів після аварій на АЕС. Модель характеризується прямолінійною траєкторією хмари і призначена для експрес оцінок аварій на відносно невели- ких відстанях [23].
Not
a reprint
Можливість автоматичного нанесення зони хімічного забруднення перед- бачено в програмному комплексі WISER (США) [24]. Однак недоліком цієї програми є визначення розмірів зон ураження за табличними довідниковими даними без процесу розрахунку та без врахування основних факторів. Суттєво збільшити точність прогнозування дозволяє використання програмного ком- плексу ALOHA (США) [25]. Дана програма проводить моделювання розповсю- дження небезпечної речовини з використання гаусової моделі розсіювання до- мішок [26] за введеними параметрами та дозволяє візуалізувати результати прогнозування. Однак проаналізовані в роботах [20–26] підходи не враховують осадження хмари небезпечних газів оперативно-рятувальними підрозділами.
Осадження хмари газоподібної НХР дозволяє суттєво зменшити розміри зони забруднення [27] та при певних умовах взагалі припинити розповсюджен- ня небезпечних газів [28]. Однак в роботі [29] визначається лише вплив інтен- сивності подачі води на осадження хмари без врахування дисперсності потоку.
Проте оптимізація дисперсності водяного потоку дозволяє майже вдвічі скоро- тити час осадження небезпечної речовини [30]. Додаткового збільшення інтен- сивності осадження небезпечних газів з повітря можна досягти за рахунок хімі- чних добавок до води, які збільшують швидкість сорбції газу та нейтралізують його [31]. Ці фактори необхідно врахувати при моделюванні процесів осаджен- ня небезпечних газів.
Процеси осадження газоподібних речовин з атмосфери засновані на процесах міжфазового масообміну [32]. Кінетика абсорбції газу рідкими аерозолями є до- сить складною та багатофакторною. Існує декілька принципово різних підходів до вирішення цього завдання. Ці підходи різняться рівнем точності рішення, кількіс- тю витраченого необхідного розрахункового часу, кількістю вхідних даних та не- обхідністю попередніх експериментальних досліджень. При цьому існує два різ- них підходи до побудови моделей – кінетична багатошарова модель (kinetic multilayer model for gas–particle (KM-GAP)) [33] та модель симуляції молекулярної динаміки (molecular dynamics (MD) simulations) [34]. Модель MD працює на спеці- альній платформі комп’ютерного розрахунку GROMACS з додатковою надбудо- вою для розрахунку абсорбції рідкими аерозолями TIP4P-Ew [35].
Однак загальної математичної моделі, що описує розповсюдження газопо- дібної НХР та її осадження при ліквідації надзвичайної ситуації не розроблено.
Таким чином, невирішеною проблемою є відсутність інструментів прогно- зування зон хімічного ураження газоподібними речовинами при їх активному осадженні природними опадами чи технічними засобами.
3. Мета та задачі дослідження
Метою роботи є розробка методики прогнозування рівня хімічного ура- ження атмосфери при активному осадженні небезпечних газів. Це дасть можли- вість підвищити точність оцінки небезпечної обстановки в зоні аварії, що приз- водить до збільшення безпеки роботи рятувальників та ефективності ліквідації надзвичайної ситуації.
Досягнення поставленої мети потребує вирішення наступних завдань:
For reading
only
– розробити математичну модель розповсюдження небезпечних хімічних речовин з врахуванням факторів їх активного осадження на шляху розповсю- дження;
– розробити процедуру практичного використання розробленої математи- чної моделі при прогнозуванні рівня хімічного ураження атмосфери.
4. Матеріали та методи дослідження
Предметом дослідження є процес осадження газоподібних речовин дріб- нодисперсним рідинним потоком. Об’єктом дослідження є небезпечні газоподі- бні речовини в атмосфері.
При описанні процессів розповсюдження та осадження газоподібних речо- вин будемо виходити з наступних припущень:
1. Викид НХР відбувається з точкового отвору при розгерметизації техно- логічного апарату.
2. Розгерметизація технологічного апарату відбувається миттєво, тому ін- тенсивність викиду НХР у часі може бути описана ступінчастою функцією.
3. Розповсюдження НХР у повітрі відбувається шляхом дифузії і переносу вітром. При цьому коефіцієнт дифузії однаковий, як в горизонтальному, так і в вертикальному напрямках.
4. Флуктуації швидкості вітру у всіх напрямках незначні у порівняні із ма- сштабами викиду та точністю прогнозування та ними можна нехтувати.
5. Інтенсивність та дисперсність поданої на осадження води однакова у всіх точках об’єму осадження та не змінюється з часом.
6. Потік води для осадження НХР подається на усю глибину хмари та по всій висоті хмари.
7. Розміри молекул НХР нехтовно малі у порівнянні з розмірами водяних крапель.
8. Швидкість падіння водяних крапель нехтовно мала у порівнянні із шви- дкістю руху молекул НХР.
9. Під час прольоту крізь хмару НХР крапля води не встигає абсорбувати достатню кількість НХР для досягнення рівноваги, тому швидкість десорбції НХР буде нехтовно малою у порівнянні зі швидкістю абсорбції.
Для моделювання процесів дифузії небезпечної хімічної речовини у повіт- рі використовувалися методи теорії диференціальних рівнянь у частинних по- хідних параболічного типу. Такі процеси вже добре описані в роботах [19, 21].
2 2 2
2 2 2
0 ,
x
y z
q q q q q
D v
x y z x
q q
v v E x y z z
y z
(1)
де Е – інтенсивність викиду речовини, кг/с, що відбувається у точці (0, 0, z0), S – інтенсивність осадження НХР водяними завісами; qx, y, z, t – концентрація НХР в повітрі, кг/м3; D – коефіцієнти дифузії в горизонтальному і вертикально-
Not
a reprint
му напрямках; vx, vy – горизонтальні складові вектору, що визначає напрямок і швидкість вітру, м/с, vz – вертикальна складова швидкості вітру, обумовлена категорією стійкості атмосфери і густиною НХР.
На поверхні землі буде мати місце крайова умова другого роду:
0
0,
z q
z (2)
а початкова умова
, , ,0
0,q x y z (3)
відповідає відсутності речовини у повітрі перед початком викиду.
При сталій величині викиду E розв’язок задачі (1)–(3) має вигляд
1 3 2 3 2
2 2 3 2
2 2
0
0 0
, , ,
8
1 exp
4
exp exp d ,
4 4
x y
z z
q x y z E
D
x v t y v t
D t
t
z v t z z v t z
D t D t t
(4)
Розвязання рівнянь проводилося чисельними методами. Для цього було використано математичний пакет MAPLE (Канада), версія 18. В якості вхідних параметрів для чисельного розрахунку розподілу концентрації газу в повітрі обрані середні характеристики розпиленого потоку рідини, що утворюється аварійно-рятувальним обладнанням. До таких характеристик відноситься: висо- та подачі струменю – до 10 м; відстань, на яку подається струмінь, – до 20 м;
середня дисперсність краплинного потоку – 1 мм.
5. Результати розробки методики прогнозування рівня хімічного ура- ження атмосфери при активному осадженні небезпечних газів
5. 1. Розробка моделі розповсюдження небезпечних газів в атмосфері при їх активному осадженні
З метою спрощення математичного опису запропоновано розглядати про- цес розповсюдження та осадження небезпечних газів в атмосфері як ланцюг постадійних простих процесів (рис. 1).
На першій стадії моделюється процес вільного розповсюдження газу в ат- мосфері після його витоку із технологічного апарату (1)–(4). Визначаючими факторами при цьому є коефіцієнти дифузії в горизонтальному і вертикальному напрямках; горизонтальні складові вектору, що визначає напрямок і швидкість
For reading
only
вітру; вертикальна складова швидкості вітру, обумовлена категорією стійкості атмосфери і густиною НХР.
Рис. 1. Схема моделювання процесу розповсюдження небезпечного газу з акти- вним осадженням
Отримані результати розрахунку на границі першої стадії є вхідними па- раметрами моделювання другої стадії.
На другій стадії (рис. 1) відбувається осадження з атмосфери небезпечного газу водним аерозолем, що подається із стаціонарних або пересувних пристро- їв. При цьому приймається умова, що параметри водного аерозолю по всій площі вимивання є однакові. На інтенсивність вимивання небезпечного газу з атмосфери буде впливати коефіцієнт акомодації газу на поверхні рідини;
об’ємна концентрація крапель води; середній радіус крапель води у струмені;
постійна Генрі (хімічний склад небезпечного газу); температура.
При розробці моделі осадження небезпечного газу авторами запропонова- но введення коефіцієнту β, який враховує швидкість поглинання газу краплею рідини. З урахуванням цього, швидкість осадження НХР можна представити у вигляді:
, , ,
,
S q x y z (5)
де
0
,
DCr HR T
Not
a reprint
де α – коефіцієнт акомодації газу на поверхні рідини; С – об’ємна концентрація крапель води, м-3; r – середній радіус крапель води у струмені, м; Н – постійна Ге- нрі, моль/(Па·м3); R0 – універсальна газова стала, Дж/(моль·K); Т – температура, K.
Тоді рівняння дифузії в області активного осадження набуде вигляду
2 2 2
2 2 2 , , , ,
x y z
q q q q q q q
D v v v q x y z
x y z x y z (6)
з початковою умовою
, , ,0
0,q x y z (7)
крайовою умовою другого роду на поверхні землі
0
0,
z q
z (8)
і крайовою умовою першого роду на межі, де починається охолодження:
0, , ,
1
1, , ,
,q y z q x y z (9)
де q1 – концентрація речовини (4), отримана як розв’язок задачі (1)-(3).
В задачі (6)–(9) зроблено заміну
, , ,
exp
1 2 3
, , ,
,q x y z A x A y A z B u x y z (10)
де 1 ;
2vx
A D 2 ;
2vy
A D 3 ;
2vz
A D B 41D
vx2v2y vz2
. Тоді рівняння (3) пе- ретворюється на2 2 2
2 2 2 .
u u u u
D x y z (11)
Початкова умова залишається незмінною
, , ,
0,u x y z (12)
а крайові набувають вигляду
0, , ,
1
1, , ,
exp 2 3
,u y z q x y z A y A z B (13)
For reading
only
3
0
0.
z A u u
z (14)
Розв’язок крайової задачі (11)-(14) має вигляд
1 1 2 3
0 0
0
d , , , exp
d d ,
, , , , , ,
q x t A A Bt
u D t G
x y z t (15)
де G – функція Гріна задачі (11)-(14):
2 2
3/2
2 2
2
2
3 3
3
, , , , , , 1 exp exp
4 4
8
exp exp
4 4
exp 2 exp
4
2
x x
G x y z
D D
D
z z
D D
y A D k D A z
D
erfc z A D
D
.
(16)
Тоді концентрація НХР в області активного осадження буде визначатися виразами (10), (15), (16).
Третьою стадією є довільне розповсюдження небезпечного газу, що зали- шився в атмосфері після осадження небезпечної хмари.
1 2
3
, , , exp , , , ,
M x M y
q x y z w x y z
M z N (17)
де 1 ;
2vx
M D 2 ;
2vy
M D 3 ;
2vz
M D N 41D
v2x v2y vz2
;
0
2 1 2 3
0 0
d d
d , , , exp , , , , , , ,
w D t
q x t M M Bt G x y z t
(18)
Not
a reprint
3/2
2 2 2
2 2
2
3 3 3
, , , , , , 1
8
exp exp exp
4 4 4
exp exp
4 4
2 exp
2
G x y z
D
x x y
D D D
z z
D D
M D k D M z erfc z M D
D
.
(19)
Отримана система з рівнянь (4), (10) та (19) дозволяє визначити межі зон забруднення небезпечними хімічними речовинами при активному їх осадженні розпиленими струменями.
Перевірку працездатності розробленої моделі проводили за допомогою па- кету математичних програм MAPLE (Канада). При цьому заздалегідь визнача- лась послідовність етапів вільного розповсюдження та осадження хмари НХР.
При прогнозуванні приймалась умова, що результати розрахунку за попереднім етапом є вихідними даними для наступного етапу.
На рис. 2 представлено результати прогнозування для хмари небезпечного газу на висоті z=2 м в різні моменти часу.
В якості критерію належності до хмари обрано концентраційний розподіл речовини у повітрі. При цьому середня горизонтальна швидкість вітру vх прий- малась змінною; вертикальна складова vz=0,005 м/с. Розрахунки проводились для значення коефіцієнта турбулентної дифузії D=1 м2/c; висота джерела z0=2 м; інтенсивність джерела викиду E=0,1 кг/c.
а б
0,2 0,6
40 30
20 10
0 -10
-5 0 5 y, m
x, m
0 0,4 0,8 1,0 1,2 q, g/m3 0,6 1,8
40 30
20 10
0 -10
-5 0 5 y, m
x, m 0 1,2 2,3 2,9 3,5 q, g/m3
For reading
only
в г
Рис. 2. Результати прогнозування розмірів зони розповсюдження небезпечних газів в повітрі при різних значеннях горизонтальної швидкості вітру vх:
а - vх=1 м/с, t=1 с; б - vх=1 м/с, t=5 с; в - vх=5 м/с, t=1 с; г - vх=5 м/с, t=5.
5. 2. Розробка процедури практичного використання математичної моделі при прогнозуванні рівня хімічного ураження атмосфери
При розробці методики прогнозування рівня хімічного ураження необхід- но дотримуватись принципів поетапності дій та міжрівневих прямих та зворот- них зв’язків. При цьому за кожний окремий етап можуть відповідати різні слу- жби та виконавці, однак їх взаємодія координується загальним оперативно- рятувальним штабом.
5. 2. 1. Обґрунтування способів збору вихідних данних для проведення прогнозування
Першим етапом методики є проведення моніторингу зони надзвичайної си- туації. Структура моніторингу надзвичайних ситуацій складається із трьох рівнів [36]. До першого рівня відносяться пристрої реєстрації небезпечних факторів або метеорологічних параметрів. Такі прилади можуть застосовуватись як для реєст- рації одного параметра, так і декількох параметрів паралельно. Оскільки конт- роль параметрів необхідно проводити в різних точках простору, то пристрої кон- тролю можуть бути рознесені по горизонталі (у точках із різними географічними координатами) та по вертикалі (контроль параметрів на різних висотах).
Отримана засобами контролю параметрів первинна інформація за допомо- гою кабелів або радіоканалів передається до приладів другого рівня, які приз- начені для обробки отриманої інформації та надання її на третій рівень у зруч- ній формі. На третьому рівні проводиться аналіз отриманої інформації та прий- мається рішення про подальші дії з ліквідації надзвичайної ситуації.
З розвитком технологій зв’язку та телекомунікацій існує можливість об’єднання систем моніторингу декількох держав, таким чином створюється глобальна система моніторингу міжнародного рівня [37]. Зі збільшенням рівня системи моніторингу значно ускладнюється структура побудови системи, а са- ме підсистеми обробки, аналізу та систематизації інформації. Існують два під- ходи до побудови систем моніторингу регіонального, державного та міжнарод- ного рівнів [38]. До першого відноситься розробка технічної бази, яку відразу орієнтовано на моніторинг зони значних розмірів. До таких систем насамперед
0,1 0,4
40 30
20 10
0 -10
-5 0 5 y, m
x, m
0 0,3 0,6 0,7 0,9 q, g/m3 0,2 0,6
40 30
20 10
0 -10
-5 0 5 y, m
x, m 0 0,4 0,8 0,9 1,1 q, g/m3
Not
a reprint
відносяться супутникові системи моніторингу. У другому підході реалізується принцип об’єднання та систематизації даних із приладів моніторингу об’єктового рівня. Розгалуженість мережі таких приладів контролю дає змогу побудувати систему моніторингу регіонального та державного рівнів.
Крім рівневої градації, системи моніторингу можна розділити за основни- ми принципами збору інформації.
До першого класу систем відносяться космічні апарати дистанційного зон- дування Землі [39].
Дистанційне зондування Землі з використанням штучних супутників забез- печує можливість одержання інформації про екологічний та метеорологічний стан зони забруднення та прилеглої території у глобальному масштабі з високим рів- нем просторово-тимчасового розпізнавання. При цьому контролюються фізичні, хімічні, біологічні та геометричні параметри зони моніторингу [40].
В Європі розробка супутникових систем моніторингу проводиться у дер- жавах Європейського союзу та у Російській Федерації за програмою GMES, що використовує супутники «Envisat» та «Metop». Супутниковий моніторинг ме- теорологічної обстановки на планеті проводиться з метою виявлення швидкості та напрямку вітру, вологості та температури [41].
В галузі розробки та використання космічних засобів моніторингу атмос- фери передову позицію займають Сполучені Штати Америки. У США реалізо- вано супутникову метеорологічну систему, що перебуває в рамках програми NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration) та має на полярних орбітах супутники «NOAA» та геостаціонарні супутники «GEOS». Канадська система моніторингу використовує супутники «Radarsat» [42].
Крім того, міністерством оборони США запущено супутникову метеороло- гічну систему DMSP (Defense Meteorological Satellite Project). Використання в системі DMSP мікрохвильових радіометрів як всепогодних вимірників параме- трів атмосфери дозволяє реалізувати цілодобовий моніторинг гідрометеороло- гічних явищ країн-членів WMO (Всесвітньої метеорологічної організації).
Також американським урядом ухвалено рішення про створення Національ- ної супутникової системи моніторингу навколишнього середовища з полярної орбіти «NPOESS» (National Polar-Orbiting Operational Environment Satellite System) [43]. Вказана система координує роботу військової (DMSP) та цивіль- ної (NOAA) супутникових систем, а також включає дослідницькі супутники
«Wind», «Coriolis», «Terra», «Aqua» [44].
Через жорсткі масогабаритні обмеження штучних супутників Землі (ШСЗ) функції аналізу отриманої інформації перекладені на наземний сегмент загаль- ної системи моніторингу.
Необхідно відзначити, що космічні системи моніторингу володіють рядом істотних недоліків стосовно до ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій.
Найчастіше це неможливість знаходження супутника безпосередньо над зоною виникнення надзвичайної ситуації в необхідний проміжок часу, істотний вплив хмарності на результати моніторингу, вузький спектр вимірюваних параметрів і низька точність виміру за висотою над рівнем Землі.
For reading
only
Виключити недоліки космічних систем моніторингу дозволяє використан- ня наземних систем моніторингу. Крім того, використання таких систем має значну економічну перевагу під час експлуатації устаткування.
Зазначені комплекси розробляються в різних країнах. У Великобританії використовується радіолокатор «Siemens Plessey 45C». У Німеччині використо- вуються радіолокатори «DWD». Також існують МРЛ італійського виробництва («ALENIA-SMA» та «EEC-ERICSSON») та виробництва Японії (марка
«Mitsubishi») [45].
Найбільш ефективними засобами моніторингу зони забруднення та метео- рологічної обстановки, які дозволяють усунути недоліки роботи космічної та наземної систем моніторингу, є літальні апарати. При цьому найбільш перспек- тивними є безпілотні літальні апарати (БПЛА).
Найбільший потенціал серед засобів моніторингу мають безпілотні літаль- ні апарати (БПЛА) [46]. Апарати такого типу можуть нести до 10 кг корисного навантаження, що дозволяє використовувати досить широкий спектр контроль- но-вимірювального устаткування. Вантажопідйомність БПЛА вертолітного ти- пу вище, ніж літакового, та досягає п’яти десятків кілограм корисного наванта- ження. Це дає можливість використовувати досить потужну приладову базу.
Для цілей моніторингу хімічного забруднення можуть застосовуватися компак- тні лідарні комплекси. Лідарні комплекси оснащуються набором випромінюва- чів у широкому спектральному діапазоні випромінювання (від ультрафіолето- вого до далекого інфрачервоного).
Аерозольний лідар визначає місце розташування та відслідковує еволюцію природних та штучних аерозольних утворень в атмосфері, а також оцінює хара- ктерний розмір часток. Поляризаційний лідар досліджує їх агрегатний стан та фізичну структуру (тверді або рідкі). DIAL вимірює концентрацію в атмосфері ізотопів йоду, які можуть використовуватися для контролю рівня радіаційного забруднення. Лідар з виміру повітряних турбулентностей дозволяє прогнозува- ти напрямок та швидкість поширення хмари забруднення. Використання інфра- червоного лідара дозволяє визначати зону горіння у випадку ліквідації природ- них пожеж. Для більш точного визначення хімічної природи небезпечних газів можна застосовувати Фур'є-спектрометр.
5. 2. 2. Інтеграція методики прогнозування рівня хімічного ураження атмосфери до загальної системи цивільного захисту
Якщо проаналізувати складові частини методики прогнозування рівня хі- мічного ураження атмосфери при активному осадженні небезпечних газів, то можна прийти до висновку, що ця методика є складовою частиною загального циклу кризового управління (рис. 3).
Як видно із рис. 3, перші два блоки циклу кризового управління повністю відносяться до методу прогнозування. Вибір визначальних критеріїв за якими проводиться прогнозування робить окрема персона або колективний орган, який має керівні повноваження. Тобто керівний орган визначає за яких умов та на який час розвитку аварії проводиться прогнозування. Ефективним підходом є одночасне прогнозування за декількома варіантами розвитку ситуації. Це дає
Not
a reprint
змогу керуючому органу оцінити наслідки різних управлінських рішень та об- рати оптимальне рішення. Далі керуючий орган ставить задачі по реагуванню на аварію перед виконавцями при наявності відповідних ресурсів. Передчасне та якісне прогнозування наслідків аварії дозволяє заздалегідь визначити потре- би в ресурсах людей, технічних та матеріальних ресурсах. При потребі додат- кові ресурси керівний орган може запросити у вищої ланки управління.
Рис. 3.Структура кризового управління при ліквідації аварії
Після активного впливу на зону аварії змінюються вхідні параметри для на- ступного етапу прогнозування. Тому моніторинг зони надзвичайної ситуації про- водиться безперервно під час всього процесу ліквідації наслідків аварії. Наступ- ний етап прогнозування розвитку аварії з уточненими моніторинговими даними дозволяє оцінити керівнику правильність прийнятих управлінських рішень та як- ість виконання поставлених задач рятувальним службам. При необхідності прово- диться корегування елементів ліквідації наслідків надзвичайної ситуації.
6. Обговорення результатів розробки методики прогнозування рівня хімічного ураження атмосфери
Отримані результати чисельного моделювання (рис. 2) свідчать про те, що запропонована математична модель дозволяє розраховувати розподіл концент- рації небезпечних газів в атмосфері при різних умовах. З рис. 2 видно, що при збільшенні швидкості вітру з 1 м/с до 5 м/с відбувається збільшення розмірів зони ураження в 2,7 разів, при цьому концентрація небезпечного газу в хмарі падає в 2,5–3 рази.
Прийняття рішення
Моніторинг Реалізація рішення
Аварія Аналіз та
систематизація інформації
Обробка інформації Збір інформації
База даних
Вплив на аварію Доведення завдань до
виконавців Формалізація управлінського рішення Керівник, що
приймає рішення Вибір критеріїв
Моделювання та
прогнозування Варіанти рішень ВИБІР Прогнозування
Вищій рівень АБО
For reading
only
Отриманні рівняння (4), (10) та (19) можуть бути використані для двох ви- дів прогнозування – попереднього та аварійного.
Попереднє прогнозування проводиться до виникнення аварійного викиду не- безпечних газів. Умовами для такого прогнозування виступають найбільш ймові- рні умови гіпотетичної аварії. Попереднє прогнозування використовується як для потреб інженерного проектування так і для планування дій екстрених служб.
При інженерному проектуванні попереднє прогнозування використовуєть- ся для визначення необхідної інтенсивності водяних завіс на виходах із техно- логічних приміщень де виготовляються, зберігаються та використовуються не- безпечні речовини. Прикладом такого проектування є проектування складу для зберігання хлору на водоочисних підприємствах.
Також попереднє прогнозування використовується для визначення безпеч- них відстаней забудови хімічно небезпечних об’єктів, норм забудови житлових будинків у індустріальному районі та розміщенні технологічних приміщень на території підприємства.
Іншим напрямком застосування довгострокового прогнозування розмірів зони хімічного ураження є складання планів реагування на аварійні ситуації різних рятувальних служб. Зазвичай складанням цього плану займаються спеці- альні відділи цивільного захисту у місцевих органах влади. Потім такі плани погоджуються із усіма оперативно-рятувальними службами, що можуть бути задіяні на ліквідацію наслідків надзвичайної ситуації. Такий план є керуючим документом для аварійного штабу при організації взаємодіє різних підрозділів в зоні надзвичайної ситуації.
Аварійне прогнозування проводиться для оперативного передбачення роз- витку аварії, що вже трапилась. Вихідними умовами для такого прогнозування є моніторингові дані, що зібрані під час розвідки місця виникнення аварії (рис. 3). Аварійне прогнозування проводиться працівниками оперативного шта- бу на місці аварії. Отримані за рівняннями (4), (10) та (19) використовуються для визначення кількості рятувальних підрозділів, що необхідно задіяти для осадження хмари небезпечного газу та безпечних відстаней роботи рятувальни- ків в зоні аварії. Для цивільного населення результати розрахунку (рис. 2) ви- користовується для визначення кількості персоналу та населення, що потребу- ють оперативної евакуації.
Запропонована методика дозволяє підвищити оперативність та зручність роботи штабу по ліквідації надзвичайних ситуацій та безпеку роботи рятуваль- ників в зоні викиду небезпечних речовин. Також запропонована методика до- зволяє заздалегідь планувати евакуацію населення, що може опинитися в небе- зпечних умовах.
Необхідно відмітити, що запропонована методика прогнозування рівня хі- мічного ураження атмосфери при активному осадженні небезпечних газів має суттєве обмеження, яке обумовлене припущенням про повне перекриття хмари водяними струменями. Тобто використання розробленої методики доцільне для хмар з шириною до 20 метрів та висотою не більше 10 метрів, що відповідає характеристикам струменів із рятувального обладнання. Недоліком розробленої моделі є неможливість її коректного використання для хмар більшого розміру.
