Книга: Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

Антропогенные аварии, как правило, сопровождаются поступлением в окружающую среду загрязнений в газообразном, жидком или твердом виде. Их физико-химические характеристики соответствуют параметрам рабочих тел, из которых на месте происшествия образуется собственно первичный источник загрязнений. Его формирование заканчивается с окончанием поступления в атмосферу вещества и выравниванием его давления до значений давления в окружающем пространстве.

Вторичный атмосферный источник возникает как естественное продолжение первичного источника в пространстве или во времени. В реальной турбулентной атмосфере быстро возникающий газообразный вторичный источник в виде компактного объема имеет практически однородную структуру макроскопических характеристик. Поэтому такие источники представляют в виде клубов хорошо перемешанного (однородного) вещества с центром приложения массовых сил в геометрическом центре объема [3].

При длительном поступлении рабочего тела в атмосферу возникают струи, а при промежуточном между кратковременным и стационарным в пространстве может сформироваться сложный газовый объем, моделирование физических характеристик которого весьма проблематично. В этом случае прибегают к модельной замене реального объекта правильными геометрическими телами типа полусферы, сферы, цилиндра и т. п. или комбинациями таких тел. В частности, линейный и точечный источники являются идеализациями источников конечных размеров при устремлении их характерных размеров к нулю.

Рис. 1.3. Схема развития по времени аварийных выбросов в атмосфере из кратковременных и продолжительных источников для легкого (1) и тяжелого (2) газов: t₁, t₂, t₃ — моменты времени после выхода газа.

Процессы формирования и движения в атмосфере газообразных выбросов зависят также от их плотности. Если рабочее тело тяжелее воздуха, то выброс тяготеет к поверхности земли, при легком газе — всплывает в атмосфере (Рис. 1.3).

В зависимости от условий поступления рабочего тела в атмосферу и характеристик окружающей среды при одной аварии могут последовательно формироваться различные вторичные источники — объемные могут трансформироваться в площадные, а площадные в объемные.

Все многообразие атмосферных модельных источников, эквивалентных реальным загрязняющим образованиям, можно условно подразделить на несколько типов или видов. Простейшим эталонным является точечный источник загрязнений, используемый при расчетах загрязнений природных сред как идеализация реального выброса с гауссовским распределением примеси.

Другими модельными источниками являются линейные — источники в виде прямых линий конечной или бесконечной протяженности, испускающими загрязняющую примесь в поперечном направлении. Приподнятые и высотные линейные источники используют при получении аналитических решений задач распространения загрязняющих примесей за ракетным следом, выхлопом летящего самолета и другими протяженными объектами. Линейными наземными источниками моделируют автодороги, шоссе, взлетные полосы аэродромов и т. п.

Наземный площадной источник возникает при горении больших площадей леса, разлитого жидкого топлива, испарении жидкостей и т. п.

Еще один площадной источник в виде поперечного сечения струи в месте потери потоком динамической индивидуальности возникает при горении в относительно компактном очаге. Такой источник имеет приподнятый характер.

И наконец, приподнятый объемный источник используют для моделирования выбросов, возникающих при взрывах после выравнивания давления внутри и снаружи возникшего объема. Такие источники появляются также после быстрого сгорания топлива, «одномоментного» испарения жидкостей, криогенного испарения продуктов и некоторых других процессов быстрого фазового перехода веществ из одного состояния в другое.

Источниками сложной формы представляются выбросы с «ножкой», плавучие струи, выбросы при пожарах разнотипных объектов, при комбинированных авариях (взрыв + пожар, пожар + пролив, взрыв + пролив и т. п.). Они моделируются суперпозицией геометрических простых объемов.

Парожидкостные или аэрозольные (дымовые) выбросы моделируются геометрическими телами с равномерно распределенной по объему примесью, твердофазные или жидкокапельные — весомыми частицами геометрически правильной формы.

Поскольку рассеивание загрязнений происходит из сформировавшегося выброса на завершающем этапе его динамической индиивидуальности, то для расчетов загрязнений окружающей среды при авариях важное значение приобретает знание полной информации о вторичном источнике. Эта информация является входной в задачах расчета рассеивания примесей и построении пространственных и наземных полей концентраций загрязнителей.

Рис. 1.4. Схема движения восходящего потока при пожаре и формирование источников загрязнения окружающей среды при слаботурбулизованной атмосфере: 0 — место пожара; 1 — первичный объемный источник (струя); 2 — примесь, рассеиваемая под действием атмосферной диффузии; 3 — вторичный площадной источник (заштрихован); 4 — мнимый точечный источник; 5 — ветер.

Как отмечалось ранее, вторичные источники загрязнений возникают, когда динамические и (или) термодинамические характеристики формирующегося атмосферного выброса заметно отличаются от аналогичных характеристик окружающей среды. Такими характеристиками могут быть плотность вещества, его температура, агрегатное состояние, а также скорость движения выброса как целого или скорость отдельных его частей и фрагментов. На практике любой антропогенный выброс можно представить последовательно сменяющимися первичным и вторичным источниками. Некоторые типичные ситуации возникновения источников загрязнения природных сред при авариях разных типов иллюстрируются рисунками Рис. 1.4. — Рис. 1.8.

На Рис. 1.4. изображена схема формирования атмосферных источников при пожаре относительно небольшой площади, когда над местом возгорания формируется конвективная струя смеси продуктов горения и вовлекаемого воздуха. Под действием силы плавучести струя поднимается, искривляется ветровым потоком и после разрушения рассеивается под действием атмосферной диффузии.

Предполагается, что атмосфера слаботурбулизована и загрязняющая примесь после потери струей динамической индивидуальности на фоне пульсационного движения атмосферных вихрей движется в виде неразрывного сплошного потока. Такие условия соответствуют устойчивому состоянию атмосферы, когда вертикальный градиент температуры воздуха близок к нулю или отрицателен. Физически это означает возрастание с высотой, и всплывающий объем воздуха оказывается холоднее окружающей среды; его движение тормозится и затухает.

Устойчивые или инверсионные условия характеризуются слабым турбулентным обменом, и приземная концентрация загрязнений имеет низкие значения. В качестве первичного источника на рисунке выступает струя 1 до места ее деструкции, соответствующего X — координате в точке Х_р. Далее происходит активное рассеивание потока из эффективного сечения 3. Это сечение струи и является вторичным источником загрязнения.

Если границы рассеивания продолжить навстречу потоку, то в случае изотропного рассеивания они сойдутся в точке 4, являющейся местом эффективного точечного источника рассеиваемого выброса.

Случай формирования атмосферных источников при пожаре в сильнонеустойчивой атмосфере рассмотрен на Рис. 1.5. Здесь, как и в предыдущей ситуации, первичным источником является собственно струя 1 до места ее разрушения 2. Однако из-за колебательного характера движения струйного потока (меандрирования) на завершающем этапе его развития вторичными источниками загрязнений будут квазиклубы 3, периодически возникающие в области 2. Квазиклубы — это фрагменты распавшегося на отдельные порции вещества струи. Они имеют крупномасштабное вихревое движение типа «дорожки Кармана», возникающей в потоке за препятствием. Эффективный точечный источник 4 может быть построен, как и в предыдущем случае, сведением огибающих клубов в некоторый единый центр.

Отметим, что подобная картина формирования атмосферных источников характерна для состояний атмосферы с вертикальным градиентом температуры воздуха больше адиабатического. Нагретые порции воздуха получают импульс силы плавучести, а им на смену опускаются холодные порции воздуха. В результате такого движения воздушных масс происходит интенсивное вертикальное перемешивание примеси в возрастающем по Z слое.

Рис. 1.5. Схема движения восходящего потока при пожаре, и формирование источников загрязнения окружающей среды при сильно турбулизованной атмосфере: 0 — место пожара; 1 — первичный объемный источник (меандрирующая струя); 2 — место разрушения струйного потока; 3 — вторичные объемные источники; 4 — мнимый точечный источник; 5 — ветер.

Если температурный градиент атмосферного воздуха близок или равен адиабатическому (понижение температуры примерно на 1C на каждые 100 м высоты), то реализуется так называемые безразличные (или нейтральные) условия. При вертикальном градиенте температуры равном (или ниже) адиабатического поднимающийся газообразный объем обладает той же температурой, что и окружающие массы воздуха. В такой ситуации отсутствует импульс сил всплытия, и атмосфера не оказывает на выброс никакого влияния в Z — направлении.

Рис. 1.6. Схема движения выбросов при взрыве, и формирование источников загрязнения окружающей среды: 0 — место взрыва; 1 — воронка; 2 — объемный первичный источник; 3 — вторичный объемный источник (взрывное облако); 4 — вторичный поверхностный источник загрязнений твердой и жидкой фазами взрыва; 5 — ветер; 6 — траектории частиц.

Схема движения выбросов при взрыве и формирование источников загрязнения воздуха и земли приведены на Рис. 1.6. Как следует из рисунка, над местом взрыва 0 возникает объемный источник 2, состоящий из взрывных газов и раздробленных частиц и фрагментов вещества подстилающей поверхности (грунта), вовлеченного в выброс из воронки 1; воздух в объеме 2 отсутствует. За времена ~ 10 ^-2с?10 ^хс давление газов в выбросе 2 снижается до атмосферного, а его полусферическая поверхность занимает в пространстве некоторое положение 4, являющееся вторичным поверхностным источником загрязнения окружающей среды твердой и жидкой фазами взрыва.

Газообразные продукты взрыва под действием взрывного импульса и сил плавучести покидают объем 2 и всплывают в атмосфере. Так возникает газообразный вторичный источник — взрывное облако 4. Оно сносится ветровым потоком и поднимается на некоторую высоту, где теряет свою динамическую индивидуальность на фоне турбулентной среды. Затем под действием атмосферной диффузии вещество облака рассеивается в окружающей среде.

В первичном источнике 2 (взрывном клубе) твердая и жидкая фазы взрыва ускоряются радиально расширяющимися газами и после выхода за ее пределы летят под действием силы инерции и силы тяжести по баллистическим траекториям. Полет частиц и фрагментов разрушенного при взрыве объекта заканчивается выпадением на поверхность земли в некотором ареале. Траектории частиц, вылетающих из взрывного очага под разными углами, обозначены на рисунке штриховыми линиями 6.

Рис. 1.7. Схема движения токсичных выбросов от пролива и формирование источников загрязнения: 0 — место пролива; 1 — первичный площадной источник; 2 — вторичный объемный источник (при испарении легкого газа); 3 — вторичный объемный источник (при испарении тяжелого газа); 4 — ветер.

Таким образом, в случае взрывной аварии в общем случае возникают практически одновременно два вторичных выброса. Для твердой и жидкой фаз взрыва вторичным источником является полусферическая поверхность 4, а для газообразной фазы — объемный клуб 3.

Рассмотрим теперь, как формируются источники загрязнений природных сред от проливов токсических веществ. Как следует из Рис. 1.7., сам пролив представляет собой первичный площадной источник 1, из которого в зависимости от плотности испаренного газа формируется либо приземный объемный вторичный источник 3 (при испарении тяжелого газа), либо высотный (приподнятый) объемный вторичный источник 2 (при испарении легкого газа). Газ считается тяжелым, если его плотность выше, чем у воздуха и легким — если ниже.

Другим практически важным случаем возникновения вторичных токсических источников является взрыв емкости с токсикантом, приподнятой над подстилающей поверхностью на некоторую высоту. Этот случай соответствует взрыву некоторых типов химических боеприпасов.

Как следует из рисунка Рис. 1.8. в общем случае в месте взрыва емкости с токсичной жидкостью возникает объемный первичный парожидкокапельный источник 1, содержащий токсичный продукт в паровой, газовой и жидкой фазах. Взрывной клуб 1 расширяется взрывными газами пока его давление не сравняется с атмосферным. Затем из объема 1 будет вылетать жидкокапельная фракция, а испаренный продукт покинет место взрыва и в виде облака тяжелых газов начнет снижаться. Таким образом, возникает объемный вторичный источник токсиканта 2.

Рис. 1.8. Схема движения выбросов и формирование источников загрязнений при воздушном взрыве емкости с токсичной жидкостью: 0 — место взрыва; 1 — первичный объемный парожидкокапельный источник; 2 — вторичный объемный источник (облако тяжелых газов); 3 — вторичный площадной источник (осевший пролив); 4 — вторичный объемный жидкокапельный источник; 5 — ветер.

Еще два токсичных вторичных источника могут возникнуть в общем случае от жидкокапельной фракции взрыва: объемный жидкокапельный 4 и площадной 3 от жидкости, осевшей на подстилающей поверхности.

Следует отметить, что рассмотренные выше примеры возникновения источников загрязняющих и токсичных веществ в атмосфере не исчерпывают всего многообразия возможных на практике ситуаций. В каждом конкретном аварийном случае следует рассмотреть физически обоснованный ход инцидента, проанализировать наиболее вероятное его развитие и на этой основе определять возникающие источники загрязнений окружающей среды.