Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,002

Введение

Прогнозирование загрязнения окружающей среды в результате аварийных выбросов токсичных веществ с применением методов физико-математического моделирования – эффективный инструмент для снижения экологических рисков при проектировании, эксплуатации предприятий в штатном режиме, а также на стадиях принятия решения о предотвращении развития чрезвычайных ситуаций и ликвидации их последствий [1; 2]. Экологические риски, вызванные техногенными авариями на химически опасных предприятиях, в последние годы значительно возросли, что связано с увеличением террористических актов на территории страны. Поэтому актуальна разработка надежных алгоритмов прогнозирования развития чрезвычайных ситуаций, позволяющих в режиме времени, близком к реальному, оценивать риски и управлять ими.

Для моделирования сценариев утечки и распространения токсиканта выбрано программное обеспечение Areal Locations of Hazardous Atmospheres (ALOHA) – «Ареал расположения опасных сред», которое применяется специалистами разных стран, хорошо себя зарекомендовало благодаря возможности исследования распространения большого перечня летучих веществ с различными физико-химическими свойствами в разнообразных географических и метеорологических условиях [3; 4]. В статье рассматриваются сценарии утечек соляной кислоты, широко используемой в технологических процессах химической, металлургической, лакокрасочной, пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности.

Водный раствор соляной кислоты (НСl) представляет собой бесцветную прозрачную жидкость со специфическим острым запахом. Техническая кислота имеет желто-зеленый оттенок, что связано с примесями хлора и солей железа [5]. Максимально возможная концентрация вещества в растворе составляет 36% масс. (плотность раствора 1,18 г/см3). Техническую концентрируемую НСl выпускают с массовой долей 27,5 или 31%. Торговую соляную кислоту называют концентрированной, если ее концентрация ≥24%. Такая кислота «дымит» на воздухе, так как газообразные молекулы НСl образуют с влагой воздуха мельчайшие капли. Соляная кислота не горюча и не взрывоопасна, поэтому в работе прогнозируются только токсические риски при распространении облака [5].

Предельно допустимые концентрации соляной кислоты в воздухе рабочей зоны и населенных пунктов соответственно равны 0,5 и 0,2 мг/м3 (2 класс опасности) [5]. При вдыхании в течение часа воздуха, содержащего 200 мг/м3 паров соляной кислоты, возможен летальный исход.

Экологические риски, связанные с утечкой соляной кислоты, возникают при превышении нормативов ее содержания в воздухе. При этом на зараженных территориях в зоне высокой токсической опасности возможно отравление всего живого. Кислотные осадки, образующиеся в результате взаимодействия паров кислоты с влагой воздуха, могут выпадать на значительном удалении от места аварии. Они изменяют свойства почв и вод. Так, при понижении рН воды до 5 ед. погибает рыба, нарушаются трофические цепи, уменьшается число видов водных животных, водорослей и бактерий. Кислотные осадки ускоряют разрушение исторических памятников, зданий, сооружений, техники [5]. При масштабных утечках в холодный период кислота мало испаряется, и основная ее часть может просачиваться через почву, загрязняя подземные воды [6].

Цель работы – расчет экологических рисков в г. Воронеж при возможной аварии на химически опасном предприятии 1 класса опасности при утечке соляной кислоты.

Материал и методы исследования

Для прогноза распространения паров соляной кислоты в воздухе использовали общедоступную программу ALOHA, разработанную Агентством по охране окружающей среды (США). Программа базируется на гауссовой дисперсионной модели непрерывных потоков загрязнения воздуха, способной прогнозировать рассеивание более 900 химических веществ в атмосфере, подвижность которых сопоставима с подвижностью воздуха [7]. Модель описывается общим уравнением:

где C – концентрация газа в атмосфере (мг/м3); Q – скорость выброса вещества из источника, мг/с; h – эффективная высота (относительно земли) выброса, м; y – расстояние при боковом ветре относительно центральной линии шлейфа, м; z – расстояние по вертикальной оси относительно земли, м; u – средняя скорость ветра, м/с; oy, oz – коэффициенты горизонтального и вертикального рассеивания, представляющие стандартные отклонения распределения концентрации загрязняющих веществ в направлении оси бокового ветра и в направлении вертикальной оси, м [8].

Кривые oy и oz отражают условия стабильности атмосферы. Классы стабильности атмосферы изменяются от очень нестабильных условий A до очень стабильных F, как показано в таблице 1 [9].

Таблица 1

Классы устойчивости атмосферы

Источник: составлено авторами на основе [8].

При распространении химических соединений в воздухе класс вертикальной устойчивости атмосферы играет важнейшую роль как в формировании облака, так и в его перемещении и осаждении. В приземном слое температура воздуха по мере увеличения высоты повышается. Чаще всего это инверсионный процесс, вызванный тем, что летом в безветренные ночи потоки воздуха от нагретой за день земной поверхности поднимаются вверх, а охлажденный на высоте 20–40 м воздух опускается вниз. Задерживающий слой мешает развитию вертикального перемещения воздуха, поэтому под ним часто скапливаются пыль и водяные пары, формируются слои тумана или дыма. Инверсия не дает распространиться облаку токсиканта по высоте, и образуются наиболее «подходящие» условия для сохранения и перемещения его высоких концентраций [10].

Для изотермии более свойственны стабильность температуры воздуха в некотором атмосферном слое и соответственно стабильные равновесные состояния воздуха. Изотермия типична для пасмурной погоды и, как правило, возникает в утренние и вечерние часы. Она, так же как и инверсия, способствует длительному застою аэрозолей и паров токсичных соединений в промышленных зонах и населенных пунктах [10].

При неустойчивой атмосфере наблюдается конвекция – процесс вертикального перемещения теплого воздуха вверх, а холодного (более плотного) – вниз. Обычно это явление наблюдается летом в дневные часы при безветренной и ясной погоде. Поднимающиеся вверх потоки воздуха рассеивают облако токсичного вещества, разбавляют его и препятствуют горизонтальному распространению [10].

На начальном этапе в программу ALOHA вводятся следующие параметры: название исследуемого вещества (физико-химические параметры есть в базе данных программы, пользователям можно добавлять новые вещества); местоположение источника выброса (широта, долгота и высота над уровнем моря); климатические и географические условия (температура воздуха, относительная влажность, скорость ветра, класс стабильности атмосферы, тип подстилающей поверхности); технические характеристики емкости для хранения вещества (тип, размеры, давление) и условия утечки (высота, размеры источника выброса; интенсивность и объемы выброса; температура хранения вещества).

Результатом моделирования является графическое изображение шлейфа распространяющегося облака токсичного вещества в первый час после его утечки. Цветом изображаются уровни токсической опасности в рассчитанных зонах: 1) очень высокий уровень – красный цвет (концентрация паров НСl воздухе более 153,15 мг/м3); 2) средний уровень – оранжевый цвет (концентрация более 33,7 мг/м3); 3) низкий уровень – желтый цвет (концентрация более 2,8 мг/м3). Очень высокому уровню опасности подвержены территории, где загрязнение окружающей среды может иметь серьезные последствия для здоровья населения (до мгновенного летального исхода). Районы, отмеченные оранжевым цветом, потенциально представляют высокую опасность для жизни и здоровья людей, относящихся к чувствительным категориям (дети, пожилые люди, пациенты с хроническими заболеваниями легких, беременные женщины и т.д.). Здоровье населения, находящегося в желтой зоне, вероятно, не будет подвержено серьезным угрозам.

Для оценки численности уязвимого населения и экологических рисков полученные графические изображение моделей шлейфа НСl возможно совместить с картой местности, кадастровой картой или базой данной плотности населения. В этой работе использовали базу данных Maps.ie, позволяющую точно и быстро оценивать количество населения на выделенных участках любой геометрической формы.

Индивидуальный экологический риск оценивали по наиболее важному лимитирующему показателю – угроза жизни и здоровью человека [11; 12, с. 176]. Его можно рассчитать как соотношение уязвимого населения к общей численности населения в г. Воронеж. То есть риск отождествляется с вероятностью того, что человек в своей жизнедеятельности может испытать то или иное неблагоприятное экологическое воздействие. Индивидуальный экологический риск характеризует экологическую опасность в определенной точке пространства, где находится индивидуум, то есть характеризует распределение риска в пространстве.

Объект исследования – потенциально возможные сценарии утечки HCl на химически опасном предприятии первого класса опасности АО «Воронежсинтезкаучук», расположенного в густонаселенном Левобережном районе г. Воронеж.

Результаты исследования и их обсуждение

Рассматривали несколько значительно различающихся по начальным условиям сценариев возможных аварий на предприятии АО «Воронежсинтезкаучук», связанных с утечкой соляной кислоты из цистерны. Метеорологические условия распространения паров кислоты приведены в таблице 2.

По предполагаемым сценариям произошла утечка из вертикального резервуара, в котором находится ~ 6 т концентрированной соляной кислоты при температуре окружающего воздуха (высота утечки от поверхности земли 1 м; диаметр отверстия 50 см). В соответствии с возможностями, предоставляемыми программным обеспечением, в качестве источника загрязнения атмосферы была выбрана образовавшаяся на бетонном покрытии лужа кислоты с диаметром 20 м. Количество выброшенной кислоты за время аварии составило 2,5 т. Наиболее подходящий тип подстилающей поверхности, учитываемый в программе, «город + лес». Этот тип учитывает плотную застройку в исследуемом районе и наличие зеленых насаждений.

Время испарения загрязняющего вещества ограничено моделью и составляет 60 мин. Через это время возможно изменение метео- и технических условий, поэтому необходима корректировка вводимых параметров. Результаты моделирования распространения облака соляной кислоты представлены на рисунке 1. Пунктиром обозначены вероятные зоны заражения при возможном изменении направлении ветра в зависимости от класса устойчивости атмосферы.

Анализ результатов моделирования показывает, что в зимний период при низких температурах и испаряемости соляной кислоты красные зоны потенциального риска для жизни человека не выходят за границы предприятия. При этом температура воздуха и устойчивость атмосферы имеют большее влияние на формирование облака тяжелого газа, испаряющегося с поверхности лужи, чем скорость ветра. В условиях летнего периода, при которых испаряемость кислоты из лужи повышается на порядок, глубина заражения территории увеличивается, может при инверсии атмосферы достигать 2,7 км. Распространению концентрированного облака в значительной мере способствует инверсия атмосферы.

Таблица 2

Метеорологические условия для моделирования выброса соляной кислоты

Примечание: *средние и экстремальные значения за январь и июнь 2013–2023 гг.

Источник: https://rp5.ru/Архив_погоды_в_Воронеже.

Рис. 1. Зоны опасности (1–3) при распространении облака соляной кислоты в течение 1 часа от начала аварии Источник: составлено авторами на основе [4]

Летние погодные условия (жаркая сухая погода) способствуют тому, что соляная кислота при истечении из цистерны мгновенно закипает за счет теплоты растворения НСl и поднимается в воздух в виде тяжелого аэрозоля. При этом увеличивается давление паров соляной кислоты, и начинается интенсивное испарение воды. Последнее вызывает снижение температуры кипящей кислоты и возрастание ее концентрации. Концентрированное облако НСl в зависимости от метеорологических условий и объема выброса оседает на различном расстоянии от источника, а затем начинается вторичное испарение кислоты, которое может длиться от нескольких минут до нескольких суток.

Для оценки экологического риска исследуемую территорию делили на 4 сектора в соответствии с направлением ветра (откуда дует): северо-восточное (С-В); юго-восточное (Ю-В); юго-западное (Ю-З) и северо-западное (С-З). Далее по базе данных Maps.ie определяли количество населения в каждом секторе в зонах риска 1–3 для наихудшего сценария развития утечки соляной кислоты (Лср). Результаты оценки численности уязвимого населения представлены в таблице 3.

Всего в зоне потенциального риска с радиусом 2,7 км проживает 86,6 тыс. человек, из них в зоне среднего уровня опасности, которым может понадобиться эвакуация или медицинская помощь, – 12,8 тыс. человек. В северо-восточном секторе по направлению ветра находится промышленная, дорожно-транспортная зоны, сквер, а также участок Воронежского водохранилища (рис. 2). Количество работников база данных Maps.ie не считает, поэтому в данном случае численность потенциально пострадавших человек в таблице 2 занижена. Надо отметить, что НСl хорошо растворяется в воде, поэтому находящееся на пути распространения облака Воронежское водохранилище будет способствовать снижению концентрации кислоты в воздухе.

Таблица 3

Количество населения в зонах риска при потенциальной утечке соляной кислоты при реализации сценария Лср

Источник: составлено авторами с использованием [13, с. 387].

Рис. 2. Оценка уровней риска при утечке соляной кислоты Источник: составлено авторами на основе [4]

Наибольшее количество пострадавших может ожидаться при юго-западном направлении ветра. Здесь расположены микрорайоны города с многоэтажной застройкой, учебные учреждения, детские сады, больницы, крупные промышленные предприятия и испытательный аэродром. Именно это направление ветра по статистике является наиболее вероятным в летний период в г. Воронеж. На рисунке 2 показано применение программного обеспечения ALOHA и базы данных численности населения при моделировании сценария Лср и юго-западном направлении ветра.

Первая степень присваивается химической техногенной катастрофе, если в зону возможного заражения попадает свыше 75 тыс. человек; вторая – 40–75 тыс.; третья – менее 40 тыс. Четвертая степень присваивается катастрофе, когда зона возможного химического заражения находится в пределах санитарно-защитной зоны объекта (ГОСТ Р 22.0.05-2020). В соответствии с этой градацией и с учетом розы ветров при утечке соляной кислоты на химически опасном предприятии в черте г. Воронеж может развиваться катастрофа второй степени опасности при юго-западном направлении ветра; третьей степени – во всех остальных случаях.

По данным Федеральной службы государственной статистики, на 10 февраля 2025 г. в Воронеже проживает 1 041 668 человек. Расчет индивидуальных экологических рисков (отношение числа уязвимого населения к общему) показал, что экологический риск в I зоне токсической опасности в первый час после аварии составляет 4·10-5; во II и III зонах соответственно риски равны 1·10-2 и 7·10-2. Индивидуальный экологический риск считается приемлемым для химически опасного предприятия, если он составляет ~ 10-5. Во второй и третьей зонах токсической опасности экологический риск находится на высоком уровне, что требует принятия дополнительных защитных мер как на самом предприятии, так и на территории города.

Заключение

Проведена оценка экологических рисков в г. Воронеж при утечке 2,5 т соляной кислоты из вертикального резервуара на территории химически опасного объекта в г. Воронеж. При исследовании разных метеорологических условий утечки кислоты установлено, что наиболее опасна авария в летний период, вечерние часы. Основное влияние на глубину распространения и концентрацию облака при прочих сопоставимых условиях оказывает устойчивость атмосферы. Скорость ветра и влажность воздуха влияют в меньшей степени. Оценка экологических рисков показала, что при аварийном выбросе HCl в первой зоне токсической опасности могут находиться только работники цеха (риск 4·10-5). Такой риск считается приемлемым для химически опасных объектов 1 класса опасности. Общий радиус заражения территории при реализации наихудшего метеорологического сценария может составлять 2,7 км. В этом случае экологические риски во второй и третьей зонах находятся на высоком уровне, они составляют 1·10-2 и 7·10-2.

Интеграция общедоступных программ расчета зон токсической опасности ALOHA и базы данных численности населения показали возможность широкого использования этих инструментов для прогнозирования развития чрезвычайных ситуаций в режиме времени, близком к реальному, а также на стадиях проектирования химически опасных объектов и управления экологическими рисками. Приведенный в работе алгоритм оценки уязвимости населения и оценки экологических рисков может стать готовым электронным пособием для специалистов в области охраны окружающей среды, безопасности жизнедеятельности.